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This dissertation is a collection of works that investigates issues related to environmental chemistry. The first portion of this research explores the role of water vapor on the kinetics of important atmospheric reactions. Work is presented on the self-reaction of β-hydroxyethyl peroxy radical (β-HEP) and the catalytic increase in reaction rate by water vapor. β-HEP serves as a model system for investigating the possible role of water vapor in perturbing the kinetics and product branching ratio of atmospheric reactions of other alkyl peroxy radicals. The self-reaction rate coefficient of β-HEP was investigated between 276-296 K with 1.0 × 10^15 to 2.5 × 10^17 molecules cm^-3 of water vapor at 200 Torr total pressure by slow-flow laser flash photolysis coupled with UV time-resolved spectroscopy and long-path, wavelength-modulated, diode-laser spectroscopy. The overall disproportionation rate constant is expressed as the product of temperature-dependent and water vapor-dependent terms giving k(T,H2O) = 7.8 × 10^-14 (e^8.2 ^(±2.5) ^kJ/RT)(1 + 1.4 × 10^-34 × e^92 ^(±11) ^kJ/RT[H2O]). The results suggest that formation of a β--HEP-H2O complex is responsible for the observed water vapor enhancement of the self-reaction rate coefficient. Complex formation is supported with computational results identifying three local energy minima for the β--HEP-H2O complex. Both the temperature range and water vapor concentrations used were chosen because of their significance to conditions in the troposphere. As the troposphere continues to get warmer and wetter, more complexes with water will form, which in turn may perturb the kinetics and product branching ratios of atmospheric reactions. Future studies are proposed for the reaction of β-HEP + NO leading to NO2 formation. A laser-induced fluorescence cell was designed, built, and tested in preparation for studies of NO2 formation. Additionally Harriott-cell optics were manufactured and tested to detect HO2 using two-tone frequency-modulated diode-laser spectroscopy. In a related work, the breakdown of the environmental contaminants polychlorinated biphenyls (PCB's) was investigated using a new method. A new method for analyzing anaerobic digestion is also presented. The degradation rate and efficiency of digestion processes are typically measured by introducing a substrate or pollutant into a digester and then monitoring the effluents for the pollutant or substrate, a costly and slow process. A new method for rapid measurement of the rates and efficiencies of anaerobic degradation of pollutants and lignocellulose substrates from various pretreatments is described. The method uses micro-reactors (10-30 mL) containing a mixed culture of anaerobic bacteria obtained from a working anaerobic digester. The rates of degradation and metabolism of pollutants are measured in parallel sets of micro-reactors. Measurements of metabolic rate and pollutant degradation simultaneously is an effective means of rapidly examining pollutant degradation on a micro-scale. Calorimetric measurements alone allow rapid, relative evaluation of various substrate pretreatment methods. Finally calorimetric and electrophoretic methods were used to further knowledge in analytical techniques applied to important problems. In the last section of this dissertation the thermal and photolytic breakdown of promethazine hydrochloride is reported. Promethazine hydrochloride is a mediation that is commonly used as an antihistamine, a sedative, and an antiemetic, and to treat motion sickness. Perivascular extravasation, unintentional intra-arterial injection and intraneuronal or perineuronal infiltration may lead to irreversible tissue damage if the drug is not properly diluted or is administered too quickly. Data on the stability of promethazine hydrochloride diluted in sodium chloride 0.9% are lacking. This study evaluates the thermal and photolytic degradation of promethazine hydrochloride concentrations of 250 µg/mL and 125 µg/mL diluted in sodium chloride 0.9% over a period of 9 days. Degradation rates of promethazine hydrochloride were determined under UV-light, fluorescent light, and no light at various temperatures and concentrations to determine medication stability. The shelf-life (<10% degradation) at 25°C under normal fluorescent lights is 4.9 days, at 25°C protected from light, 6.6 days, and at 7°C in the dark, 8.1 days. These results may increase patient safety by improving current protocols for intravenous promethazine administration

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In der vorliegenden Arbeit wird die Oberflächenfunktionalisierung von zwei Mischgläsern und verschiedenen SiO2-Produkten untersucht. Die Oberfläche der Partikel wird mit verschiedenen Funktionalisierungskomponenten umgesetzt, wobei eine Unterteilung in chemisch reaktiv und chemisch nicht reaktiv erfolgt. Als chemisch reaktive Oberflächengruppen werden Epoxide verwendet. Zu den chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten zählen Polydimethylsiloxan, Hexamethyldisilazan und ein tertiäres Aminosilan. Aus den funktionalisierten Sr-Glasproben kann durch Zugabe einer kationisch polymerisierenden, organischen Matrix ein Kompositmaterial hergestellt werden. Dabei ist die Bildung einer kovalenten Anbindung zwischen den chemisch reaktiven Oberflächengruppen und der organischen Matrix möglich. Die Funktionalisierung der Oberfläche wirkt sich auf die Werkstoffkennwerte Biegefestigkeit und Biegemodul der Kompositmaterialien aus. Durch multiple Oberflächenfunktionalisierung, d. h. einer Kombination aus chemisch reaktiven und chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten, können die Eigenschaften der Gläser gezielt eingestellt werden. Die Charakterisierung der Oberfläche erfolgt mittels Festkörper-NMR-Untersuchungen, XPS-Messungen und Solvatochromieuntersuchungen. Weiterhin wird die Verwendung des Preussmann-Tests zum Nachweis von kovalent an der Oberfläche gebundenen Epoxiden beschrieben.

Die potentiellen Precursor Magnesiumoxobromid bzw. Mangan(II,III)-oxopivalat für die noch unbekannten metallsubstituierten IRMOF-Homologen MOF-5(Mg) bzw. MOF-5(Mn) konnten erfolgreich synthetisiert und Charakterisiert werden. Deren experimenteller Einsatz zur Synthese der IRMOF-Homologen schlug jedoch fehl. Es konnte gezeigt werden, dass unter den klassischen CSA-Reaktionsbedingungen sowie unter modifizierten Parametern keine Synthese der IRMOF-Homologen möglich ist. Diese Feststellung wurde mit der Diskussion um die Eigenschaften der Komplexe, der Metallionen sowie mit einer Aufarbeitung der dazu zugänglichen Literatur begründet. Es ist mit der Synthese der neuen MOF-177-Homologen MOF-177(Co) und MOF-177(Be) gelungen, die bereits bei MOF-5-Homologen eingesetzten Precursor und Parameter auf ein System anzuwenden, das nicht zu den Yaghi\\\\\\\\\\\\\\\'schen IRMOFs gehört. Die Festkörper weisen mit ihren Oberflächenwerten SBET(MOF-177(Co)) = 3742 m²/g bzw. SBET(MOF-177(Be)) = 1816.4 m²/g klar mikroporöses Adsorptionsverhalten auf. Eine erste vereinfachte Anpassung der Kristallstrukturen an die experimentellen PXRDs konnte für beide MOFs vorgenommen werden. MOF-177(Co) zeigt wie auch MOF-5(Co) eine leicht vergrößerte Gitterkonstante. MOF-177(Be) konnte aufgrund der Verdrehung der Carboxylatgruppen am Berylliumoxocluster ausschließlich in röntgenamorpher Form hergestellt werden. Die Untersuchung der auftretenden Co-Spezies in reinen und mit Zinkprecursor gemischten Lösungen an Cobaltoxopivalat in den Lösungsmitteln Toluol brachte folgende Erkenntnisse: • Der im Feststoff dimere achtkernige Cobaltprecursor zerfällt während des Lösens in die vierkernige monomere Form und ist strukturanalog dem basischen Zinkcarboxylaten (Typ I). • Der Komplex unterliegt einem solvensabhängigem Komplexstabilitäts-gleichgewicht. Dieses ist aufgrund der koordinierenden Eigenschaften des DEF, in den DEF-Lösungen weiter in Richtung der Zersetzungsprodukte verschoben. In beiden Lösungen ist der Komplex zu über 90% undissoziiert. • Nur in DEF treten bei dem Zumischen verschiedener Zinkprecursor Metallaustauschreaktionen auf. Es ist somit die Existenz von vierkernigen Zn-Co-Mischclustern der allg. Form [CoyZn(4-y)O] bewiesen worden. • Es wurde nachgewiesen, dass beim Vorhandensein von Acetat und Pivalat Anionenaustauschreaktionen stattfinden und Komplexe der Form [CoyZn(4-y)O(Piv)xAc(6-x)] auftreten. Die Bedeutung für das Stattfinden des CSAs unter Berücksichtigung der empirischen Erkenntnisse aus der Literatur wurde erörtert.

In this work, mixed alkoxides of general formula [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 and C2H5, x = 1, 4.5 and 9) are obtained. They are used to prepare complex (V/Nb)-pentoxides. Different spectroscopic methods, for example UV/VIS, resonance raman, infrared, temperature dependant 51V NMR and two dimensional 1H or 13C NMR, are used to elucidate structural details. It can be shown that the alkoxide precursor is a mixture of monomers and dimers which exchange very quickly. 2 % [V(O)Nb(OPr)8] (Pr = propyl) exists in a 0.1 molar solution. This complex is in equilibrium with V(O)(OPr)3 and Nb(OPr)5. Nb(OPr)5 itself exchanges with [Nb(OPr)5]2. For nuclear magnetic resonance experiments the exchange has to be slowed down using low temperatures.Controlled hydrolysis at 5 °C of a mixture of V(O)(OPr)3 and [Nb(OEt)5]2 in propanol leads to a clear transparent gel. The ratio of V : Nb is 1 : 1, 1 : 4.5 or 1 : 9, and oxalic acid is used as a chelating agent. Moreover, a dried product of a frozen solution of ammonium vanadate and ammonium oxyoxalatoniobate in water is found to be an appropriate precursor for the fore-mentioned oxides. Thermal decomposition of the gels and of the freeze dried products is monitored thermoanalytically and mass spectrometrically.The compositions of the resulting phases are examined and compared with the composition obtained via conventional synthesis (sintering of powder mixtures). Phases VNbxO(2.5+2.5x) (x = 1, 4.5 and 9) are obtained through the sol-gel technique and freeze drying at distinctly lower temperatures. VNbO5 crystallizes between 400 and 650 °C and V4Nb18O55 between 550 and 750 °C. A clean, non-reduced phase, VNb9O25, crystallizes above 1100 °C in oxygen. Below this temperature, solid solutions of V2O5 in TT- or M-Nb2O5 exist. Conventionally, pure VNbO5 is not obtainable. Some sol-gel synthesized products have the advantage of a more complete phase formation. In this way, a new phase of composition VNb9O25 can be found. The phase is homöotypic to M-Nb2O5.An additional advantage of the sol-gel synthesis lies in relatively high surface areas. Adversely, carbon remaining from the alcohol groups favours the thermodynamically stable phase VNb9O25 over the phase V4Nb18O55. Consequently, the freeze drying method seems to be the best way to get metastable phases in the system V2O5/x·Nb2O5.The formation of the complex oxides is controlled through the thermodynamics at phase boundaries. Therefore, to get mixed phases, structurally similar starting materials are preferred. In other words, using V2O5 and TT-Nb2O5 as starting materials the mixed phase similar to TT-Nb2O5 can be obtained. B-Nb2O5 as precursor yields another mixed phase similar to B-Nb2O5. In this work, this effect is called the &amp;quot;structure directing effect&amp;quot;. It is explained through the consumption of free enthalpy at the phase boundaries.As an additional point, catalytic activities of the complex oxides are examined. Because of a synergism of the known good activity of V2O5 and the good selectivity of Nb2O5, a strongly enhanced activity of the mixed oxides is found. Large surface areas further improve the activity. Connections between oxygen partial pressure, band gap and catalytic activity are found. A dilution of V2O5 in Nb2O5 down to 10 mol-% also causes an enhancement of catalytic activity. / In der Arbeit werden durch die Synthese gemischter Alkoxide der Gesamtzusammensetzung [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 und C2H5, x = 1, 4,5 und 9) sowie gefriergetrockneter Pulver Ausgangssubstanzen für gemischte, komplexe Vanadium- und Nioboxide erhalten. Untersuchungen mittels UV/VIS-, Resonanz-Raman- und IR-Spektroskopie sowie temperaturabhängiger 51V- und zweidimensionaler 1H-/13C NMR-Spektroskopie zeigen, dass es sich bei der Alkoxid-Vorstufe um ein Gemisch aus monomeren und dimeren Einheiten handelt, die in schnellem Gleichgewicht miteinander stehen. So liegt [V(O)Nb(OPr)8] als Donorkomplex vor, der im Gleichgewicht mit VO(OPr)3 und Nb(OPr)5 steht. Nb(OPr)5 steht wiederum im Gleichgewicht mit [Nb(OPr)5]2. Die Bildung und der Zerfall des Donorkomplexes erfolgen bei Raumtemperatur so schnell, dass er nur durch UV/VIS- und Resonanz-Raman-Spektroskopie sichtbar wird; bei der Kernresonanzspektroskopie muss der Austausch durch tiefe Temperaturen verlangsamt werden.Mittels kontrollierter Hydrolyse einer Mischung aus VO(OPr)3 und [Nb(OEt)5]2 in Propanol mit Oxalsäure als Chelatbildner und der Verlangsamung der Kondensation über die Erniedrigung der Temperatur wird ein homogenes, transparentes Gel aus V2O5 und Nb2O5 hergestellt. Daneben wird durch eine Lösung aus Ammoniumvanadat und Ammoniumoxyoxalatoniobat ein für die Gefriertrocknung geeigneter Precursor zur Synthese der Oxidphasen gefunden. Die Zersetzung des Gels und der gefriergetrockneten Pulver werden mittels DTA, TG und Massenspektrometrie untersucht und die Phasenausbildung mit der Reaktion von konventionellen Festkörpergemengen verglichen.Die dabei entstehenden metastabilen und thermodynamisch stabilen Phasen VNbxO(2,5+2,5x) (x = 1, 4,5 und 9) sind durch das Sol-Gel-Verfahren sowie durch die Gefriertrocknung bei deutlich niedrigeren Temperaturen und mit geringerem Fremdphasenanteil als bei der konventionellen Synthese erhältlich. VNbO5 existiert bis 650 °C, V4Nb18O55 bis 750 °C, darüber wandelt sich jede Zusammensetzung in VNb9O25 bzw. in verschiedene Nb2O5-Modifikationen und V2O5 um. Die Sol-Gel-Methode liefert im Vergleich zur Gefriertrocknung bei 900-1100 °C den Vorteil der schnelleren Phasenausbildung durch die größere Homogenität der Vorstufe. So erhält man Zwischenstufen, die sonst nur mit Beimengungen zu synthetisieren sind. In diesem Zusammenhang kann erstmalig eine zu M-Nb2O5 homöotype Verbindung der Zusammensetzung VNb9O25 erhalten werden. Ein weiterer Vorteil der Sol-Gel-Synthese ist der Erhalt größerer Oberflächen nach der Zersetzung. Nachteilig erscheinen jedoch bei einer Synthese bei tiefen Temperaturen (500-800 °C) die Alkoholatreste. So entstehen wesentlich eher die thermodynamisch begünstigten Phasen, z. B. VNb9O25 vor V4Nb18O55 und V4Nb18O55 vor VNbO5. Weiterhin macht sich die komplizierte Präparation der Gele bemerkbar; daher stellt im Allgemeinen die Gefriertrockung die Methode der Wahl dar.Die Ausbildung der komplexen Oxide erfolgt stark geprägt durch die Thermodynamik an den Phasengrenzen. Daher erfolgt eine bevorzugte Ausbildung strukturähnlicher Mischphasen. Diese erstmalig in diesem Ausmaß festgestellte Tatsache wird in der Arbeit der Strukturdirigierende Effekt genannt. Eine Erklärung dieses Effektes erfolgt anhand des Verbrauchs der Freien Enthalpie an den Phasengrenzen.Aufgrund eines Synergismus der Eigenschaften von V2O5 und Nb2O5 bei der oxidativen Dehydrierung von Propan zu Propen (relativ hohe katalytische Aktivität von V2O5 und hohe Selektivität von Nb2O5) wird eine überproportional hohe katalytische Aktivität bei den Mischoxiden erhalten. Die durch die unkonventionellen Methoden erhaltenen großen Oberflächen verbessern die Aktivität weiter. Es können Zusammenhänge festgestellt werden zwischen der Sauerstoffabgabetendenz, der Redoxkraft, der Bandlücke der Mischoxide und der katalytischen Aktivität. Die Einzigartigkeit des Nb2O5-Wirtsgitters bewirkt bei der Verdünnung von V2O5 darin eine hohe katalytische Leistungssteigerung.

Die potentiellen Precursor Magnesiumoxobromid bzw. Mangan(II,III)-oxopivalat für die noch unbekannten metallsubstituierten IRMOF-Homologen MOF-5(Mg) bzw. MOF-5(Mn) konnten erfolgreich synthetisiert und Charakterisiert werden. Deren experimenteller Einsatz zur Synthese der IRMOF-Homologen schlug jedoch fehl. Es konnte gezeigt werden, dass unter den klassischen CSA-Reaktionsbedingungen sowie unter modifizierten Parametern keine Synthese der IRMOF-Homologen möglich ist. Diese Feststellung wurde mit der Diskussion um die Eigenschaften der Komplexe, der Metallionen sowie mit einer Aufarbeitung der dazu zugänglichen Literatur begründet. Es ist mit der Synthese der neuen MOF-177-Homologen MOF-177(Co) und MOF-177(Be) gelungen, die bereits bei MOF-5-Homologen eingesetzten Precursor und Parameter auf ein System anzuwenden, das nicht zu den Yaghi\\\\\\\\\\\\\\\'schen IRMOFs gehört. Die Festkörper weisen mit ihren Oberflächenwerten SBET(MOF-177(Co)) = 3742 m²/g bzw. SBET(MOF-177(Be)) = 1816.4 m²/g klar mikroporöses Adsorptionsverhalten auf. Eine erste vereinfachte Anpassung der Kristallstrukturen an die experimentellen PXRDs konnte für beide MOFs vorgenommen werden. MOF-177(Co) zeigt wie auch MOF-5(Co) eine leicht vergrößerte Gitterkonstante. MOF-177(Be) konnte aufgrund der Verdrehung der Carboxylatgruppen am Berylliumoxocluster ausschließlich in röntgenamorpher Form hergestellt werden. Die Untersuchung der auftretenden Co-Spezies in reinen und mit Zinkprecursor gemischten Lösungen an Cobaltoxopivalat in den Lösungsmitteln Toluol brachte folgende Erkenntnisse: • Der im Feststoff dimere achtkernige Cobaltprecursor zerfällt während des Lösens in die vierkernige monomere Form und ist strukturanalog dem basischen Zinkcarboxylaten (Typ I). • Der Komplex unterliegt einem solvensabhängigem Komplexstabilitäts-gleichgewicht. Dieses ist aufgrund der koordinierenden Eigenschaften des DEF, in den DEF-Lösungen weiter in Richtung der Zersetzungsprodukte verschoben. In beiden Lösungen ist der Komplex zu über 90% undissoziiert. • Nur in DEF treten bei dem Zumischen verschiedener Zinkprecursor Metallaustauschreaktionen auf. Es ist somit die Existenz von vierkernigen Zn-Co-Mischclustern der allg. Form [CoyZn(4-y)O] bewiesen worden. • Es wurde nachgewiesen, dass beim Vorhandensein von Acetat und Pivalat Anionenaustauschreaktionen stattfinden und Komplexe der Form [CoyZn(4-y)O(Piv)xAc(6-x)] auftreten. Die Bedeutung für das Stattfinden des CSAs unter Berücksichtigung der empirischen Erkenntnisse aus der Literatur wurde erörtert.:1 Einleitung und Aufgabenstellung 1.1 Hintergrund und Motivation 1.2 Arbeitsfelder 2 Grundlagen 2.1 Der Weg zum Controlled SBU-Approach (CSA) 2.1.1 Von der Definition der Stoffklasse "MOF" bis zur "Retikular Chemistry" 2.2.2 Von den Zweifeln am "Design" bis zu computerchemischen Methoden des "AASBU" 2.1.3 CSA - die rationalere Synthese? 2.2. Precursor mit M4O-Metallcustern 2.2.1 Einteilung 2.2.2 bekannte Precursor für Zink, Beryllium und Cobalt basierte IRMOF- und MOF-177-Homologe 2.3 MOF-5 und MOF-177 2.4. EPR-Spektroskopie 2.4.3 Besonderheiten von CoII-High-Spin-Systemen 3 Experimenteller Teil 3.1 Allgemeines 3.1.1 Arbeitstechniken und Chemikalien 3.1.2.Analytik 3.2 Synthese der Precursor 3.2.1 Precursor für MOF-5(Mg) 3.2.2 Precursor für MOF-5(Mn) 3.3 Synthese metallsubstituierter MOF-5-Homologer 3.3.1 MOF-5(Mg) 3.3.2 MOF-5(Mn) 3.4 Synthese von neuen MOF-177-Homologen 3.4.1 MOF-177(Co) 3.4.2 MOF-177(Be) 3.5 EPR-spektroskopische Untersuchungen zink- und cobalthaltiger Metallcluster in Lösung 4 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick 4.1. Zusammenfassung 4.2. Ausblick 5 Anhang 5.1 Ergänzungen zum Teil Grundlagen E1 Netztheorie und Retikulare Chemie E2 Scale Chemistry E3 EPR-Spektroskopie 5.2 Datenausgabe Strukturanpassung 5.3 Tabellen 5.4 Ergänzende Abbildungen 5.5 Pulverdiffraktogramme 5.6 Messkurven 5.7 EPR-Spektren 5.8 UV/VIS-Spektren 5.9 Sonstiges

In this work, mixed alkoxides of general formula [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 and C2H5, x = 1, 4.5 and 9) are obtained. They are used to prepare complex (V/Nb)-pentoxides. Different spectroscopic methods, for example UV/VIS, resonance raman, infrared, temperature dependant 51V NMR and two dimensional 1H or 13C NMR, are used to elucidate structural details. It can be shown that the alkoxide precursor is a mixture of monomers and dimers which exchange very quickly. 2 % [V(O)Nb(OPr)8] (Pr = propyl) exists in a 0.1 molar solution. This complex is in equilibrium with V(O)(OPr)3 and Nb(OPr)5. Nb(OPr)5 itself exchanges with [Nb(OPr)5]2. For nuclear magnetic resonance experiments the exchange has to be slowed down using low temperatures.Controlled hydrolysis at 5 °C of a mixture of V(O)(OPr)3 and [Nb(OEt)5]2 in propanol leads to a clear transparent gel. The ratio of V : Nb is 1 : 1, 1 : 4.5 or 1 : 9, and oxalic acid is used as a chelating agent. Moreover, a dried product of a frozen solution of ammonium vanadate and ammonium oxyoxalatoniobate in water is found to be an appropriate precursor for the fore-mentioned oxides. Thermal decomposition of the gels and of the freeze dried products is monitored thermoanalytically and mass spectrometrically.The compositions of the resulting phases are examined and compared with the composition obtained via conventional synthesis (sintering of powder mixtures). Phases VNbxO(2.5+2.5x) (x = 1, 4.5 and 9) are obtained through the sol-gel technique and freeze drying at distinctly lower temperatures. VNbO5 crystallizes between 400 and 650 °C and V4Nb18O55 between 550 and 750 °C. A clean, non-reduced phase, VNb9O25, crystallizes above 1100 °C in oxygen. Below this temperature, solid solutions of V2O5 in TT- or M-Nb2O5 exist. Conventionally, pure VNbO5 is not obtainable. Some sol-gel synthesized products have the advantage of a more complete phase formation. In this way, a new phase of composition VNb9O25 can be found. The phase is homöotypic to M-Nb2O5.An additional advantage of the sol-gel synthesis lies in relatively high surface areas. Adversely, carbon remaining from the alcohol groups favours the thermodynamically stable phase VNb9O25 over the phase V4Nb18O55. Consequently, the freeze drying method seems to be the best way to get metastable phases in the system V2O5/x·Nb2O5.The formation of the complex oxides is controlled through the thermodynamics at phase boundaries. Therefore, to get mixed phases, structurally similar starting materials are preferred. In other words, using V2O5 and TT-Nb2O5 as starting materials the mixed phase similar to TT-Nb2O5 can be obtained. B-Nb2O5 as precursor yields another mixed phase similar to B-Nb2O5. In this work, this effect is called the &amp;quot;structure directing effect&amp;quot;. It is explained through the consumption of free enthalpy at the phase boundaries.As an additional point, catalytic activities of the complex oxides are examined. Because of a synergism of the known good activity of V2O5 and the good selectivity of Nb2O5, a strongly enhanced activity of the mixed oxides is found. Large surface areas further improve the activity. Connections between oxygen partial pressure, band gap and catalytic activity are found. A dilution of V2O5 in Nb2O5 down to 10 mol-% also causes an enhancement of catalytic activity. / In der Arbeit werden durch die Synthese gemischter Alkoxide der Gesamtzusammensetzung [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 und C2H5, x = 1, 4,5 und 9) sowie gefriergetrockneter Pulver Ausgangssubstanzen für gemischte, komplexe Vanadium- und Nioboxide erhalten. Untersuchungen mittels UV/VIS-, Resonanz-Raman- und IR-Spektroskopie sowie temperaturabhängiger 51V- und zweidimensionaler 1H-/13C NMR-Spektroskopie zeigen, dass es sich bei der Alkoxid-Vorstufe um ein Gemisch aus monomeren und dimeren Einheiten handelt, die in schnellem Gleichgewicht miteinander stehen. So liegt [V(O)Nb(OPr)8] als Donorkomplex vor, der im Gleichgewicht mit VO(OPr)3 und Nb(OPr)5 steht. Nb(OPr)5 steht wiederum im Gleichgewicht mit [Nb(OPr)5]2. Die Bildung und der Zerfall des Donorkomplexes erfolgen bei Raumtemperatur so schnell, dass er nur durch UV/VIS- und Resonanz-Raman-Spektroskopie sichtbar wird; bei der Kernresonanzspektroskopie muss der Austausch durch tiefe Temperaturen verlangsamt werden.Mittels kontrollierter Hydrolyse einer Mischung aus VO(OPr)3 und [Nb(OEt)5]2 in Propanol mit Oxalsäure als Chelatbildner und der Verlangsamung der Kondensation über die Erniedrigung der Temperatur wird ein homogenes, transparentes Gel aus V2O5 und Nb2O5 hergestellt. Daneben wird durch eine Lösung aus Ammoniumvanadat und Ammoniumoxyoxalatoniobat ein für die Gefriertrocknung geeigneter Precursor zur Synthese der Oxidphasen gefunden. Die Zersetzung des Gels und der gefriergetrockneten Pulver werden mittels DTA, TG und Massenspektrometrie untersucht und die Phasenausbildung mit der Reaktion von konventionellen Festkörpergemengen verglichen.Die dabei entstehenden metastabilen und thermodynamisch stabilen Phasen VNbxO(2,5+2,5x) (x = 1, 4,5 und 9) sind durch das Sol-Gel-Verfahren sowie durch die Gefriertrocknung bei deutlich niedrigeren Temperaturen und mit geringerem Fremdphasenanteil als bei der konventionellen Synthese erhältlich. VNbO5 existiert bis 650 °C, V4Nb18O55 bis 750 °C, darüber wandelt sich jede Zusammensetzung in VNb9O25 bzw. in verschiedene Nb2O5-Modifikationen und V2O5 um. Die Sol-Gel-Methode liefert im Vergleich zur Gefriertrocknung bei 900-1100 °C den Vorteil der schnelleren Phasenausbildung durch die größere Homogenität der Vorstufe. So erhält man Zwischenstufen, die sonst nur mit Beimengungen zu synthetisieren sind. In diesem Zusammenhang kann erstmalig eine zu M-Nb2O5 homöotype Verbindung der Zusammensetzung VNb9O25 erhalten werden. Ein weiterer Vorteil der Sol-Gel-Synthese ist der Erhalt größerer Oberflächen nach der Zersetzung. Nachteilig erscheinen jedoch bei einer Synthese bei tiefen Temperaturen (500-800 °C) die Alkoholatreste. So entstehen wesentlich eher die thermodynamisch begünstigten Phasen, z. B. VNb9O25 vor V4Nb18O55 und V4Nb18O55 vor VNbO5. Weiterhin macht sich die komplizierte Präparation der Gele bemerkbar; daher stellt im Allgemeinen die Gefriertrockung die Methode der Wahl dar.Die Ausbildung der komplexen Oxide erfolgt stark geprägt durch die Thermodynamik an den Phasengrenzen. Daher erfolgt eine bevorzugte Ausbildung strukturähnlicher Mischphasen. Diese erstmalig in diesem Ausmaß festgestellte Tatsache wird in der Arbeit der Strukturdirigierende Effekt genannt. Eine Erklärung dieses Effektes erfolgt anhand des Verbrauchs der Freien Enthalpie an den Phasengrenzen.Aufgrund eines Synergismus der Eigenschaften von V2O5 und Nb2O5 bei der oxidativen Dehydrierung von Propan zu Propen (relativ hohe katalytische Aktivität von V2O5 und hohe Selektivität von Nb2O5) wird eine überproportional hohe katalytische Aktivität bei den Mischoxiden erhalten. Die durch die unkonventionellen Methoden erhaltenen großen Oberflächen verbessern die Aktivität weiter. Es können Zusammenhänge festgestellt werden zwischen der Sauerstoffabgabetendenz, der Redoxkraft, der Bandlücke der Mischoxide und der katalytischen Aktivität. Die Einzigartigkeit des Nb2O5-Wirtsgitters bewirkt bei der Verdünnung von V2O5 darin eine hohe katalytische Leistungssteigerung.

In der vorliegenden Arbeit wird die Oberflächenfunktionalisierung von zwei Mischgläsern und verschiedenen SiO2-Produkten untersucht. Die Oberfläche der Partikel wird mit verschiedenen Funktionalisierungskomponenten umgesetzt, wobei eine Unterteilung in chemisch reaktiv und chemisch nicht reaktiv erfolgt. Als chemisch reaktive Oberflächengruppen werden Epoxide verwendet. Zu den chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten zählen Polydimethylsiloxan, Hexamethyldisilazan und ein tertiäres Aminosilan. Aus den funktionalisierten Sr-Glasproben kann durch Zugabe einer kationisch polymerisierenden, organischen Matrix ein Kompositmaterial hergestellt werden. Dabei ist die Bildung einer kovalenten Anbindung zwischen den chemisch reaktiven Oberflächengruppen und der organischen Matrix möglich. Die Funktionalisierung der Oberfläche wirkt sich auf die Werkstoffkennwerte Biegefestigkeit und Biegemodul der Kompositmaterialien aus. Durch multiple Oberflächenfunktionalisierung, d. h. einer Kombination aus chemisch reaktiven und chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten, können die Eigenschaften der Gläser gezielt eingestellt werden. Die Charakterisierung der Oberfläche erfolgt mittels Festkörper-NMR-Untersuchungen, XPS-Messungen und Solvatochromieuntersuchungen. Weiterhin wird die Verwendung des Preussmann-Tests zum Nachweis von kovalent an der Oberfläche gebundenen Epoxiden beschrieben.