Diese Arbeit beinhaltet unsere Studien an selbstorganisierenden Monoschichten (engl. SAM = self- assembled monolayer) einiger aromatischer Thiole auf Gold- und Kupferoberflächen. Die Bildung von Monoschichten von Thiophenol, 4-Mercaptophenol, 4-Nitrothiophenol, 4-Aminothiophenol, 1,4-Dithiobenzol, 4-Mercaptopyridin und 2-Mercaptopyridin auf Au und Cu wurde untersucht und charakterisiert. Das abschirmende Verhalten und die strukturelle Anordnung dieser Monoschichten wurden mit Hilfe elektrochemischer und spektroskopischer Methoden geprüft und bestimmt. Zyklische Voltammetrie und oberflächenverstärkte Raman Spektroskopie wurden intensiv zur Aufklärung von Elektronentransferreaktionen an diesen mit SAMs modifizierten Oberflächen genutzt. Elektrochemische Studien von Monoschichten aus Thiophenol, 4-Mercaptophenol, 4-Nitrothiophenol, 4-Aminothiophenol, 1,4-Dithiobenzol, 4-Mercaptopyridin und 2-Mercaptopyridin in 0,1 M wässriger KClO4-Lösung lassen schlussfolgern, dass diese Moleküle schwefelseitig an die Substratoberfläche gebunden sind. In 0,1 M wässriger KClO4-Lösung aufgenommene zyklische Voltammogramme an Gold- und Kupferoberflächen, welche mit oben genannten, aromatischen Thiolen beschichtet wurden, legen nahe, dass Adsorptionsschichten von Thiophenol und 1,4-Dithiobenzol eine stärkere Tendenz zum Abschirmen besitzen als andere. Durch das Einbringen von Kupferproben, welche mit genannten aromatischen Thiolen behandelt wurden, in 0,1 M Silbernitrat-Lösung können sehr leicht Silber-Nanodendritstrukturen erhalten werden. Abscheidezeit und Konzentration der Silbernitrat-Lösung haben einen großen Einfluss auf das Wachstum der Silber-Nanodendritstrukturen auf den modifizierten Kupferproben. Diese Silber-Nanodendritstrukturen besitzen eine hohe katalytische Aktivität hinsichtlich der Oxidation von Hydroquinon. Untersuchungen zur Korrosion an polykristallinem Kupfer, welches mit obigen aromatischen Thiolen modifiziert wurde, in 0,1 M Silbernitrate-Lösung ließen vermuten, dass dieses Kupfersubstrat mehr anodisches Verhalten zeigte als reines Kupfer bei ähnlichen Bedingungen. Zyklische Voltammetrie an wie oben behandeltem Kupfer in 0,1M wässriger KClO4-Lösung zeigte, dass die Geschwindigkeit der Kupferauflösung bei diesen Messungen erhöht war gegenüber anderen, in welchen reines Kupfer bei identischen Bedingungen eingesetzt wurde. / It deals with our studies on self-assembled monolayers of aromatic thiols on gold and copper surfaces. Monolayer formation of thiophenol, 4-mercaptophenol, 4-nitrothiophenol, 4-aminothiophenol, 1,4-dithiobenzene, 4-mer¬cap¬to¬pyridine and 2-mercaptopyridine on Au and Cu surfaces was studied and characterized. The blocking behaviour and structural arrange¬ments of these monolayers were evaluated and characterized using electrochemical and spec¬troscopic techniques. Cyclic voltammetry and surface enhanced Raman spectroscopy were extensively used for the study of electron transfer reactions on these SAM modified surfaces. Electrochemical and spectroelectrochemical studies of thiophenol, 4-mercaptophenol, 4-nitrothiophenol, 4-aminothiophenol, 1,4-dithiobenzene, 4-mercaptopyridine and 2-mercaptopyridine monolayers in aqueous solution of 0.1 M KClO4 suggest that these molecules adsorbed to substrate. Cyclic voltammetry of gold and copper covered with these aromatic thiolates recorded in aqueous solution of 0.1 M KClO4 suggests that adlayers of thio¬phenol and 1,4-dithiobenzene exhibit more blocking behavior than the other ones. Silver nanodendritic structures are easily produced by placing copper samples modified with these aromatic thiolates into 0.1 M silver nitrate solution. Deposition time and concentration of silver nitrate solution have great influence on growing up silver nanodendritic structures on the surface of modified copper samples. These silver nanodendritic structures exhibit electrocatalytic activity towards the oxidation of hydroquinone. Corrosion investigation of polycrystalline copper modified with these aromatic thiolates in 0.1 M silver nitrate solution suggest that copper substrate might be more anodic compared to bare copper under identical condition. Cyclic voltammetry of copper modified with these aromatic thiolates suggests that the rate of dissolution copper in aqueous solution of 0.1 M KClO4 is higher than bare copper in the same condition.

Diese Arbeit beinhaltet unsere Studien an selbstorganisierenden Monoschichten (engl. SAM = self- assembled monolayer) einiger aromatischer Thiole auf Gold- und Kupferoberflächen. Die Bildung von Monoschichten von Thiophenol, 4-Mercaptophenol, 4-Nitrothiophenol, 4-Aminothiophenol, 1,4-Dithiobenzol, 4-Mercaptopyridin und 2-Mercaptopyridin auf Au und Cu wurde untersucht und charakterisiert. Das abschirmende Verhalten und die strukturelle Anordnung dieser Monoschichten wurden mit Hilfe elektrochemischer und spektroskopischer Methoden geprüft und bestimmt. Zyklische Voltammetrie und oberflächenverstärkte Raman Spektroskopie wurden intensiv zur Aufklärung von Elektronentransferreaktionen an diesen mit SAMs modifizierten Oberflächen genutzt. Elektrochemische Studien von Monoschichten aus Thiophenol, 4-Mercaptophenol, 4-Nitrothiophenol, 4-Aminothiophenol, 1,4-Dithiobenzol, 4-Mercaptopyridin und 2-Mercaptopyridin in 0,1 M wässriger KClO4-Lösung lassen schlussfolgern, dass diese Moleküle schwefelseitig an die Substratoberfläche gebunden sind. In 0,1 M wässriger KClO4-Lösung aufgenommene zyklische Voltammogramme an Gold- und Kupferoberflächen, welche mit oben genannten, aromatischen Thiolen beschichtet wurden, legen nahe, dass Adsorptionsschichten von Thiophenol und 1,4-Dithiobenzol eine stärkere Tendenz zum Abschirmen besitzen als andere. Durch das Einbringen von Kupferproben, welche mit genannten aromatischen Thiolen behandelt wurden, in 0,1 M Silbernitrat-Lösung können sehr leicht Silber-Nanodendritstrukturen erhalten werden. Abscheidezeit und Konzentration der Silbernitrat-Lösung haben einen großen Einfluss auf das Wachstum der Silber-Nanodendritstrukturen auf den modifizierten Kupferproben. Diese Silber-Nanodendritstrukturen besitzen eine hohe katalytische Aktivität hinsichtlich der Oxidation von Hydroquinon. Untersuchungen zur Korrosion an polykristallinem Kupfer, welches mit obigen aromatischen Thiolen modifiziert wurde, in 0,1 M Silbernitrate-Lösung ließen vermuten, dass dieses Kupfersubstrat mehr anodisches Verhalten zeigte als reines Kupfer bei ähnlichen Bedingungen. Zyklische Voltammetrie an wie oben behandeltem Kupfer in 0,1M wässriger KClO4-Lösung zeigte, dass die Geschwindigkeit der Kupferauflösung bei diesen Messungen erhöht war gegenüber anderen, in welchen reines Kupfer bei identischen Bedingungen eingesetzt wurde. / It deals with our studies on self-assembled monolayers of aromatic thiols on gold and copper surfaces. Monolayer formation of thiophenol, 4-mercaptophenol, 4-nitrothiophenol, 4-aminothiophenol, 1,4-dithiobenzene, 4-mer¬cap¬to¬pyridine and 2-mercaptopyridine on Au and Cu surfaces was studied and characterized. The blocking behaviour and structural arrange¬ments of these monolayers were evaluated and characterized using electrochemical and spec¬troscopic techniques. Cyclic voltammetry and surface enhanced Raman spectroscopy were extensively used for the study of electron transfer reactions on these SAM modified surfaces. Electrochemical and spectroelectrochemical studies of thiophenol, 4-mercaptophenol, 4-nitrothiophenol, 4-aminothiophenol, 1,4-dithiobenzene, 4-mercaptopyridine and 2-mercaptopyridine monolayers in aqueous solution of 0.1 M KClO4 suggest that these molecules adsorbed to substrate. Cyclic voltammetry of gold and copper covered with these aromatic thiolates recorded in aqueous solution of 0.1 M KClO4 suggests that adlayers of thio¬phenol and 1,4-dithiobenzene exhibit more blocking behavior than the other ones. Silver nanodendritic structures are easily produced by placing copper samples modified with these aromatic thiolates into 0.1 M silver nitrate solution. Deposition time and concentration of silver nitrate solution have great influence on growing up silver nanodendritic structures on the surface of modified copper samples. These silver nanodendritic structures exhibit electrocatalytic activity towards the oxidation of hydroquinone. Corrosion investigation of polycrystalline copper modified with these aromatic thiolates in 0.1 M silver nitrate solution suggest that copper substrate might be more anodic compared to bare copper under identical condition. Cyclic voltammetry of copper modified with these aromatic thiolates suggests that the rate of dissolution copper in aqueous solution of 0.1 M KClO4 is higher than bare copper in the same condition.

In dieser Arbeit werden kalt-abgeschiedene Mehrkomponentenschichtelektroden hin-sichtlich ihrer elektrokatalytischen Eigenschaften untersucht. Die Mehrkomponenten-schichten aus Gold, Nickel und ggf. Antimon werden auf einem Kohlenstoffträgermaterial abgeschieden. Dabei handelt es sich um Metallkomponenten, die sich unter ther-modynamischen Bedingungen nicht mischen. Unter UHV-Bedingungen wird ein hochdispergierter bzw. amorpher Zustand erzwungen. Die frisch hergestellte Mehrkomponentenschicht ist elektrochemisch inert. Zyklovoltammetrische Untersuchungen führen zu dem Schluß, daß sich die Oberflächenschicht im elektrochemischen Experiment verändert. Die Elektrooxidation der Alkohole Methanol, Ethanol und Ethylenglykol in KOH-Lösung tritt erst nach einer Aktivierungsphase auf. Die elektrokatalytischen Eigenschaften der reinen Metalle treten zutage. Mittels der in situ Infrarotspektroskopie werden Formiat, Acetat und Glykolat als Oxidationsprodukte der obengenannten Alkohole identifiziert. Oberflächen-Ramanmessungen werden unter der Fragestellung durchgeführt, ob die kalt-abgeschiedenen Schichten einen Oberflächenverstärkungseffekt (SERS-Effekt) zeigen: Es werden Ramanmessungen von Pyridin als Sondenmolekül in KOH-Lösung an Mehrkomponentenschichtelektroden und an massiven Mehrkomponentenelektroden durchgeführt. / The electrooxidation of methanol, ethanol and ethylene glycol at cold deposited trimetallic thin layers of gold, nickel and antimony on glassy carbon in contact with an alkaline electrolyte solution was studied with cyclic voltammetry and in situ infrared reflection absorption spectroscopy. A new procedure of spectra acquisition resulting in an improved suppression of spurious bands caused by volatile components in the sample chamber of the infrared spectrometer was employed. Formate, acetate and glycolate are detected as oxidation products. The thin layer electrodes are also investigated with Raman spectroscopy (surface enhanced Raman spectroscopy), whereby pyridine is used as probe molecule.

In dieser Arbeit werden kalt-abgeschiedene Mehrkomponentenschichtelektroden hin-sichtlich ihrer elektrokatalytischen Eigenschaften untersucht. Die Mehrkomponenten-schichten aus Gold, Nickel und ggf. Antimon werden auf einem Kohlenstoffträgermaterial abgeschieden. Dabei handelt es sich um Metallkomponenten, die sich unter ther-modynamischen Bedingungen nicht mischen. Unter UHV-Bedingungen wird ein hochdispergierter bzw. amorpher Zustand erzwungen. Die frisch hergestellte Mehrkomponentenschicht ist elektrochemisch inert. Zyklovoltammetrische Untersuchungen führen zu dem Schluß, daß sich die Oberflächenschicht im elektrochemischen Experiment verändert. Die Elektrooxidation der Alkohole Methanol, Ethanol und Ethylenglykol in KOH-Lösung tritt erst nach einer Aktivierungsphase auf. Die elektrokatalytischen Eigenschaften der reinen Metalle treten zutage. Mittels der in situ Infrarotspektroskopie werden Formiat, Acetat und Glykolat als Oxidationsprodukte der obengenannten Alkohole identifiziert. Oberflächen-Ramanmessungen werden unter der Fragestellung durchgeführt, ob die kalt-abgeschiedenen Schichten einen Oberflächenverstärkungseffekt (SERS-Effekt) zeigen: Es werden Ramanmessungen von Pyridin als Sondenmolekül in KOH-Lösung an Mehrkomponentenschichtelektroden und an massiven Mehrkomponentenelektroden durchgeführt. / The electrooxidation of methanol, ethanol and ethylene glycol at cold deposited trimetallic thin layers of gold, nickel and antimony on glassy carbon in contact with an alkaline electrolyte solution was studied with cyclic voltammetry and in situ infrared reflection absorption spectroscopy. A new procedure of spectra acquisition resulting in an improved suppression of spurious bands caused by volatile components in the sample chamber of the infrared spectrometer was employed. Formate, acetate and glycolate are detected as oxidation products. The thin layer electrodes are also investigated with Raman spectroscopy (surface enhanced Raman spectroscopy), whereby pyridine is used as probe molecule.

In dieser Arbeit werden drei voneinander unabhängige Verfahren zur Diagnose von Alterungsvorgängen an automobilen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen-Stapeln und -Aggregaten entwickelt. Gemeinsam ermöglichen diese Methoden ein tieferes Verständnis für die elektrochemischen Schadensmechanismen und stellen Mittel zu deren Reduktion zur Verfügung. Die erste Methode behebt die an Stapeln auftretenden Probleme konventioneller Zyklovoltammetrie mittels gezielter Modifikation der Spannungstransienten. Dieses Vorgehen ermöglicht die exakte und sehr zuverlässig reproduzierbare Bestimmung von Wasserstoff- Crossoverstrom, Doppelschichtkapazität und aktiver Katalysator-Oberfläche im Stapel und stellt damit eine neue Art der Alterungsdiagnose an Stapeln dar. Der Zweck der zweiten Methode ist es, die systematische Entwicklung einer schonenden Betriebsstrategie für Luft-/Luft-Starts auf Aggregate-Ebene zu ermöglichen. Hierfür wird eine Reihe von Referenzelektroden in ein Fahrzeug-Aggregat eingebracht, um die im Stapel während des Starts ablaufenden elektrochemischen Vorgänge örtlich und zeitlich aufgelöst beobachten zu können. Auf diese Weise werden zwei Startprozeduren analysiert und bzgl. ihrer Eignung verglichen. Beim dritten Verfahren handelt es sich um eine Parameterschätzung, die die modellbasierte Diagnose und Regelung von schwer zu messenden Zustandsgrößen zum Ziel hat. Der echtzeitfähige Algorithmus schätzt die aktive Katalysator-Oberfläche, die Gaszusam- mensetzungen auf Anode und Kathode sowie den rezirkulierten Volumenstrom mittels verschiedener Modelle für Stapel und Systemkomponenten.:(1) Einleitung (2) Aufbau und elektrochemische Limitierungen von PEM-Brennstoffzellen (3) Aufbau von automobilen PEM-Brennstoffzellenaggregaten (4) Eine Übersicht bekannter Diagnosemethoden für PEM-Brennstoffzellen (5) In-situ-Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellenstapeln (6) Bewertungsmethode für Startprozeduren von PEM-Brennstoffzellenaggregaten (7) Online-Diagnose mittels gekoppelter Echtzeit-Parameterschätzung (8) Zusammenfassung und Ausblick / This thesis presents three newly developed methods for the diagnosis of deterioration in automotive polymer electrolyte membrane fuel cell stacks and systems. The combination of these methods allows for a more comprehensive understanding of electrochemical degradation processes and provides means for their mitigation. The first technique aims at the elimination of problems associated with the application of conventional cyclic voltammetry on fuel cell stacks. This is achieved by specific modification of the voltage transients. The procedure enables the precise and highly reproducible measurement of the hydrogen crossover current, double layer capacity and the electrochemically active surface area within the stack and thus represents a completely new kind of stack diagnosis method. The intention of the second method is to facilitate the purposeful development of damage mitigating air-/air-startup operating strategies on system level. To that intent, a number of dynamic hydrogen reference electrodes are positioned within the stack of a vehicle system, which allows for locally and temporally resolved observation of the electrochemical processes. Using this method, two startup procedures are analysed and compared with regard to their suitability. The third technique is an online parameter estimation aiming at the model based diagnosis and control of quantities, which can only be measured with difficulty. The algorithm estimates the electrochemically active surface area, the gas compositions on anode and cathode and the recirculated volumetric flow using various models for stack and system components. With these three methods, all relevant parameters for the intrinsical quantification of the degradation of each single cell within the stack can be precisely quantified. The methods thus enable a direct observation of the deterioration of the fuel cell and contribute to a further increase in durability as well as faster and more efficient development processes.:(1) Einleitung (2) Aufbau und elektrochemische Limitierungen von PEM-Brennstoffzellen (3) Aufbau von automobilen PEM-Brennstoffzellenaggregaten (4) Eine Übersicht bekannter Diagnosemethoden für PEM-Brennstoffzellen (5) In-situ-Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellenstapeln (6) Bewertungsmethode für Startprozeduren von PEM-Brennstoffzellenaggregaten (7) Online-Diagnose mittels gekoppelter Echtzeit-Parameterschätzung (8) Zusammenfassung und Ausblick