Academic literature on the topic 'Chemische Funktionalisierung'

The main objective of the present thesis is to deepen the understanding of the mechanisms involved in catalytic growth of carbon nanotubes (CNT) and related processes, such as the catalytic hydrogenation, and to use this knowledge to optimize the experimental approaches in order to gain better control in the synthesis and modification of carbon nanomaterials. Controlled growth of the CNT is achieved using gas-phase prepared catalyst particles (Fe, Co) which serve as individual catalytic nucleation sites in a chemical vapor deposition (CVD) process. These studies highlight that the controlled preparation of catalyst particles is a crucial step in order to control the CNT morphology. The resultant CNT diameter and the CNT density are found to increase with increasing nanoparticle diameter and density, respectively. The number of walls of the CNT also increases with increasing primary catalyst size. The experimentally derived correlations between the particle diameter on one hand and the CNT diameter and the CNT number of walls on the other hand are attributed to an increase of the catalyst's volume-to-surface area ratio with increasing particle size. While the availability of carbon dissolved within the catalyst at the point of nucleation is determined by the catalyst volume, the amount of carbon required to form a cap depends on the surface area of the catalyst particle. Electron microscopy studies of the catalyst/substrate/carbon interfaces of CNT grown from Fe nanoparticles reveal that the CNT walls are anchored to the oxide substrate which contests the general argument that the CNT walls stem from atomic steps at the catalyst. It is argued that after nucleation, the substrate itself provides a catalytic functionality towards the stimulation of ongoing CNT growth, whereas the catalytic activity of the metal particle is more restricted to the nucleation process. Selective hard-magnetic functionalization of CNT tips has been achieved in a plasma-enhanced CVD process. Hard-magnetically terminated CNT, i.e. CNT with a FePt nanoparticle at each tip, are directly grown using FePt catalysts. Fe/Pt thin films with a strongly over-stoichiometric Fe content in the starting catalyst composition yield CNT with a significant number of particles in the hard-magnetic phase. Anisotropic etching of graphite through Co catalyst particles in hydrogen atmosphere at elevated temperatures (i.e. catalytic hydrogenation) is reported. Catalytic hydrogenation is a potential key engineering route for the fabrication of graphene nanoribbons with atomic precision. While in previous studies the etching of zigzag channels was preferred, the present investigations reveal preferential etching of armchair channels, which provides a means to tailor graphene nanostructures with specific edge termination. Further, detailed morphological and structural characterization of the Co particles provide insight into the hydrogenation mechanism which is still a matter of controversy.

Schwerpunkt der Arbeit ist die Übertragung thermodynamischer Betrachtungen auf Reaktionen an den Gruppen auf der amorphen Siliciumdioxidoberfläche. Aus der theoretischen Konzeption folgen Prognosen für die Abläufe und somit Aussagen für eine zielgerichtete und bewußte Prozeßsteuerung. Die stoffliche Veränderung an den Oberflächengruppen wird mit molekularen Abbildern beschrieben. Wegen des überschaubaren Reaktionsgeschehens und der Verfügbarkeit thermodynamischer Daten dient die Erzeugung von Silan- und Phenylgruppen als Beispiel. Die Modellierung der Vorgänge erfolgt in thermodynamischen Rechnungen zum Reaktionsgleichgewicht im Temperaturbereich 298 K - 1500 K. Die Beurteilung der Gleichgewichtslage beruht auf der jeweiligen molaren Freien Reaktionsenthalpie. Aus der Charakterisierung von Reaktionsgleichgewichten folgen Aussagen zu benötigten Prozeßbedingungen, bevorzugten Vertretern und zur Beeinflussung durch Nebenreaktionen. Die Modellrechnungen werden mit Experimenten kombiniert, bei denen Aerosilpreßlinge mit Wasserstoff und Benzen reagieren. Aerosil bietet wegen seiner Reinheit sowie seiner hochdispersen und röntgenamorphen Eigenschaften optimale Voraussetzungen für die analytische Charakterisierung der Reaktionsprodukte mit der Infrarotspektroskopie und der Thermischen Analyse. Da die Umsetzungen in einem Strömungsrohrreaktor stattfinden und die Gleichgewichtsthermodynamik nicht anwendbar ist, stehen die Ergebnisse der Berechnungen zur Diskussion. Die Gesamtdarstellung der Reaktionsfähigkeit beinhaltet die Charakterisierung der erzeugten Spezies an der Aerosiloberfläche. Analogiebeziehungen und Modellbetrachtungen aus der Volumenchemie führen zu den energetischen und polaren Eigenschaften der Oberflächenbindungen.

Diese Arbeit präsentiert eine einfache eine einfache, auf Photolithographie basierende Methode zur Darstellung einer isolierten Graphenkante (oder GrEdge) einer Monolage als Nanoelektrode auf einem isolierenden Substrat vorgestellt. Trotz ihrer Millimeter-Länge verhält sich die nur einen Nanometer breite GrEdge-Elektrode wie ein Nanodraht mit einem hohen Seitenverhältnis von 1000000 zu 1. Des Weiteren wird der Einsatz von elektrochemischer Modifikation (ECM) demonstriert, um die GrEdge selektiv mit Metall-Nanopartikeln und organischen Schichten nicht-kovalente oder kovalente zu funktionalisieren, wodurch die Chemie der Kante verändert werden kann. Durch die Anbringung von Metall-Nanopartikeln kann zusätzlich oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) genutzt werden, um die chemische Beschaffenheit sowohl der unberührten als auch der funktionalisierten GrEdge zu charakterisieren. Die GrEdge weist sehr hohe Mass-entransportraten auf, was charakteristisch für Nanoelektroden ist. Dementsprechend wird die voltammetrische Antwort von der Kinetik des heterogenen Elektrontransfers (HET) diktiert. An der GrEdge-Elektrode werden hohe HET-Raten beobachtet: mindestens 14 cm/s für Außensphäre sonde Ferrocenmethanol (FcMeOH) mit einem quasi-Nernst'schen Verhalten und 0,06 cm/s oder höher für innere Sphäre sonde Ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) mit einer kinetisch kontrollierten Reaktion. Nach der selektiven Modifikation der Kante mit Goldnanopartikeln erweist sich der HET als reversibel, mit einer massentransportbegrenztes Nernst‘sches Verhalten aufweisen für beide Redoxmoleküle. Darüber hinaus ermöglicht die schnelle HET-Kinetik die Detektion der reduzierten Form von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) mit niedrigen Ansatzpotentialen und hinunter bis zu niedrigen mikromolaren Konzentrationen. Entsprechend verbessert die vorliegende Arbeit das Verständnis der Kante von Graphen und deren Chemie.
This thesis presents a simple photolithography-based method to realize the isolated monolayer graphene edge (or GrEdge) nanoelectrode on an insulating substrate. The millimeter-long and a nanometer-wide GrEdge is found to behave like a nanowire with a high aspect ratio of 1000000-to-1. Further, the use of electrochemical modification (ECM) is demonstrated to selectively functionalize the GrEdge with metal nanoparticles and organic moieties in a non-covalent/ covalent manner to tune the chemistry of the edge. The attachment of metal nanoparticles was used to exploit surface-enhanced Raman scattering (SERS) to characterize the chemistry of both the pristine and the functionalized GrEdge. The GrEdge electrodes were found to exhibit very high mass transport rates, characteristic of nanoelectrodes. Accordingly, the voltammetric response is found to be dictated by the kinetics of heterogeneous electron transfer (HET), attributed to the nanoscale geometry and a unique diffusional profile at such electrodes. At the GrEdge electrode, high HET rates are observed: at least 14 cm/s for outer-sphere probe, ferrocenemethanol (FcMeOH) with a quasi-Nernstian behavior; and 0.06 cm/s or higher for inner-sphere probe, ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) with a kinetically controlled response. Upon selective modification of the edge with gold nanoparticles, the HET is found to be reversible, with a mass-transport-limited Nernstian response for both probes. Furthermore, the fast HET kinetics enables the sensing of the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and flavin adenine dinucleotide (FAD) with low onset potentials and down to low micromolar concentrations. Hence, this thesis improves the understanding of the edges of graphene and their chemistry. It also realizes isolated GrEdge as a new class of nanoelectrode which forms an important basis within the fields of fundamental electrochemistry and analytical sciences.

Die Verbindung von hoch entwickelten Nanomaterialien mit fluoreszenzbasierten Technologien hat sich zu einem aufstrebenden Forschungsbereich entwickelt. Nichtsdestotrotz ist bis heute der Schritt von einem organischen Indikatormolekül zum anwendbaren Sensorsystem ein komplexer Prozess. Diese Arbeit zielte darauf ab, sensorische Materialien verschiedener chemischer Natur für diverse Analyten zu entwickeln, zu charakterisieren und zu etablieren. Hierbei wurden zunächst pH sensitive Fluoreszenzfarbstoffe entwickelt und in dünnen Membranen immobilisiert. Der Teststreifen ermöglicht die Beurteilung von pH-Änderungen mit dem Auge. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie diese Farbstoffe auch in eine wasserlösliche Form überführt werden können. Damit konnten lokale pH-Änderungen an der Wachstumsfront von Silikat-Biomorphs detektiert werden. Auch partikuläre Systeme stellten sich als geeignete Materialien heraus. Es konnte gezeigt werden, wie die Silikat-Matrix von Partikeln zu verbesserten Eigenschaften für Farbstoffe führt. Mittels farbstoffbeladener Partikel konnte in einem Lateral-Flow-Assay ein schneller Nachweis von TATP etabliert werden. Ein anderer Ansatz verfolgte das Ziel des sensitiven Nachweises von Quecksilberionen in Wasser. In einem anderen System konnten Silikat-Nanopartikeln so funktionalisiert werden, dass ein sensitiver und selektiver Nachweis von Schwermetallionen und Anionen über ein Quencher-Displacement-Assay gelang. Zusätzlich wurde die einzigartige Oberfläche von Zellulosepartikeln mithilfe eines neu entwickelten Fluoreszenzfarbstoffs untersucht. Die untersuchten Materialien und Strategien zeigen, wie leicht innovative Moleküle für potentielle sensorische Systeme im wässrigen Medium auf Basis von fluoreszierenden Partikeln und dünnen Schichten geschaffen werden können. Das Verhalten der hergestellten Materialien wurde über spektroskopische Methoden evaluiert und dabei, wenn möglich, die Parameter Sensitivität, Selektivität und Ansprechzeit beurteilt.
The combination of fluorescence and nanomaterials has developed into an emerging research area. Nonetheless until now the step from an organic sensory molecule to a final sensor format is a complex endeavor. This thesis aimed at the preparation of particulate and thin-film based platforms for various analytes through combining the features of an appropriate host material with outstanding properties of dyes concomitant with sensitive fluorescence detection techniques. In particular, pH sensitive fluorescent probes were sterically immobilized into a thin membrane. The dip-stick allows the assessment upon change in pH with the eye. Especially a probe working at high basic pH range was converted into a water-soluble analogue and was directly applied at the growth front of silica biomorphs to detect local pH changes. But also particulate structures are suitable host materials. It is shown how the silica matrix of nanoparticles lead to improved optical properties for embedded dyes. The interactions of silica and fluorescent dyes within the pores of mesoporous particles were exploited to develop an actual sensor format based detection of TATP. In another approach it was possible to detect mercury ions in water. Heavy metal ions were also successfully detected in a quencher displacement assay involving receptor-dye functionalized silica nanoparticles. The impact of the unique surface properties of cellulose microparticles was shown by a fluorescent dye which allows an assessment of the surface functional groups and microenvironment through the reactivity and its changes in the optical properties. The performance of the prepared materials were evaluated mostly by spectroscopic methods and if possible assessed in terms of sensitivity, selectivity and response time. The newly developed and investigated materials based on fluorescent particulate and thin-films show the facile application of innovative sensor probes for potentially sensing devices.