Modellierung syntaktischer Strukturen natürlicher Sprachen mit Graphgrammatiken

Die vorliegende Arbeit erschließt durch die Formalisierung einer linguistischen Theorie Möglichkeiten zum Entwurf generischer Verfahren zur Verarbeitung natürlicher Sprachen. Zu diesem Zweck setzen wir Graphsprachen für die Modellierung syntaktischer Strukturen ein. Damit lassen sich Ergebnisse der linguistischen Forschung mit Begriffen der Graphentheorie beschreiben und bewerten. Zu diesem Ansatz motiviert der Umstand, daß in der Linguistik im Rahmen der Syntax jedem Satz einer natürlichen Sprache eine nichtsequentielle Struktur zugesprochen wird. Diese Struktur überlagert die lineare Wortfolge, die wir als Satz kennen. Eine Menge solcher syntaktischen Strukturen die wir mit Graphen modellieren können betrachten wir als Graphsprache. Die Arbeit zeigt, wie sich solche Graphsprachen mit Hilfe von Graphgrammatiken beschreiben lassen. Wie alle formalen Sprachen zeichnen sich auch Graphgrammatiken dadurch aus, daß sie mathematisch wohldefniert sind. Dies stellt eine notwendige Voraussetzung dar, um Aussagen über eine Sprache zu beweisen. Von Interesse ist dabei vor allem die Untersuchung unendlicher Mengen. Das Ziel besteht dann darin, für sie eine endliche Beschreibung zu finden. Diese Aufgabe wird in der Regel von einer Grammatik erfüllt. Darüber hinaus ist man an erkennenden Algorithmen für Sprachen interessiert, die das Wortproblem effizient lösen. Bezüglich natürlicher Sprachen werden beide Aufgabenstellungen in dieser Arbeit mit Hilfe von Graphgrammatiken gelöst

Development of impedance spectroscopy-based methods for mechanistic studies of the formation of surface films on lithium-ion electrode

Die irreversible Bildung von Oberflächenfilmen auf den Elektroden von Lithium-Ionen-Zellen hat weitreichenden Einfluss auf deren Funktionalität. So können derartige Filme sowohl dazu beitragen den dauerhaften und reversiblen Betrieb einer Lithium-Ionen Zelle zu ermöglichen, als auch zu einer Herabsetzung der Leistungsfähigkeit führen. Im Sinne der Weiterentwicklung und Optimierung von Lithium-Ionen-Zellen ist es daher unerlässlich, das Verständnis über die Funktionalität und die Mechanismen der Ausbildung solcher Filme zu vertiefen. Ein ideales Werkzeug zur Untersuchung derartiger Prozesse stellt die elektrochemische Impedanz-spektroskopie (EIS) dar. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Impedanzspektroskopie-basierte Methode entwickelt, die zu einem umfassenderen Verständnis der Bildung von Oberflächenfilmen auf Anoden und Kathoden von Lithium-Ionen-Zellen führt. Dabei wurden in Abhängigkeit des Ladungszustandes der entsprechenden Zellen impedanzspektroskopische Untersuchungen unter Variation der Temperatur durchgeführt. Auf diese Weise wurden zwei in der Literatur beschriebene Ansätze zur Charakterisierung von Oberflächenfilmen kombiniert: die Beobachtung der ladungszustandsabhängigen Impedanz solcher Filme und deren Beschreibung über die Temperaturabhängigkeit ihres Widerstandes. Letztere erfolgte über die Bestimmung der Aktivierungsenergie aufgrund der bei verschiedenen Temperaturen gemessenen Spektren. Mittels dieser Methode wurden die Filmbildungsprozesse zweier Elektroden untersucht. Der weitestgehend aufgeklärte Mechanismus der Ausbildung von Oberflächenfilmen auf Kohlenstoff-Anoden konnte auf diese Weise nachvollzogen und in Abhängigkeit des Potentials beschrieben werden. In einer zweiten Studie wurde der bisher nicht umfassend beschriebene Mechanismus der Filmbildung an LiMn2O4-Kathoden untersucht. Aufgrund der Potential- und Ladungszustands-abhängigen Aktivierungsenergien, konnte abgeleitet werden, wie die einzelnen Reaktionen, die zur Ausbildung des Oberflächenfilms führen, ineinandergreifen. Ein Mechanismus alternierend auftretender Reaktionen wurde postuliert. Neben diesen mechanistischen Erkenntnissen über die Ausbildung von Oberflächenfilmen an Lithium-Ionen-Elektroden konnte darüber hinaus ein Vorschlag zur Zuordnung der Aktivierungsenergie des Ladungsdurchtritts an Lithium-Ionen-Elektroden formuliert werden.The irreversible formation of surface films on the electrodes of lithium-ion cells has far-reaching influence on their functionality. Thus, such films contribute to enable the permanent and reversible operation of a lithium-ion cell, as well as lead to a reduction in performance. In the purpose of further development and optimization of lithium-ion cells, it is therefore essential to understand the functionality and the mechanisms of formation of the development of such films An ideal tool for the investigation of such processes is the electrochemical Impedance spectroscopy (EIS). In the context of this thesis an impedance spectroscopy-based method has been developed that provides a more comprehensive understanding of the formation of surface films on the anode and cathode of lithium-ion cells In this case, impedance-tests were carried out with variation of the temperature as a function of the state of charge of the respective cells. In this manner, two approaches described in the literature for the characterization of surface films were combined: the observation of the state-of-charge-dependent impedance of such films and their description of the temperature dependence of its resistance. The latter was done by determining the activation energy based on the measurements of spectra at different temperatures. Using this method, the film-forming processes of two electrodes were examined. The well understood mechanism of formation of surface films on carbon anodes could be retraced in this way and described as a function of the potential. In a second study, the yet not comprehensively understood mechanism of the film formation of LiMn2O4-cathodes was studied. On the basis of the potential and state-of-charge-dependent activation energy a mechanisms explaining the interactions of different film forming reactions was derived. A mechanism alternately occurring reactions has been postulated. In addition to these mechanistic insights into the formation of surface films on lithium-ion electrodes, a proposal for the assignment of the activation energy of the charge transfer was formulated

Metalldekorierte Graphite als Anodenmaterialien für den Einsatz in Lithium-Ionen-Akkumulatoren

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Neue Energiespeichermaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien

Angesichts schwindender Mengen sowie hoher Preise fossiler Energieträger und der damit einhergehenden Umweltbelastung erscheint ein Umstieg auf regenerative Energiequellen unausweichlich. Die stark schwankenden Leistungen aus Wind- und Sonnenenergie generieren dabei einen starken Bedarf im Bereich der elektrochemischen Energiespeicher. Die Lithium-Schwefel Technologie repräsentiert in diesem Zusammenhang einen vielversprechenden Kandidaten einer neuen Generation leistungsfähiger, sicherer, aber vor allem kosteneffizienter Batterien. Den Idealfall stellt ein zyklenstabiles Energiespeichermaterial mit hoher Kapazität und Energiedichte sowie guter mechanischer Stabilität dar. Vor allem Poly(acrylnitril) (PAN), welches durch eine thermische Umsetzung mit elementarem Schwefel elektrisch leitfähige Schwefel/Polyacrylnitril (SPAN)-Komposite ausbildet, erscheint hier besonders attraktiv.[1] Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden basierend auf Vorarbeiten von Fanous et al.[2],[3],[4] zwei neuartige Energiespeichermaterialien auf Basis von Poly(acrylnitril) sowie ein neuartiger Elektrolyt für Lithium-Schwefel Batterien entwickelt. Durch eine gezielt eingeleitete Phasenseparation während einer kontrolliert radikalischen Copolymerisation von Acrylnitril und einem geeigneten Quervernetzer, konnte in nur einem Syntheseschritt eine Binder freie, hochporöse sowie mechanisch stabile monolithische Trägermatrix auf PAN-Basis dargestellt werden. Die anschließende thermische Umsetzung mit elementarem Schwefel führte zu SPAN-Monolithen. Die final erhaltenen SPAN-Monolithe zeigten einen kovalent gebundenen Schwefelgehalt > 51 Gew.-% bei einer spezifischen Oberfläche > 450 m²/g. Die elektrochemische Charakterisierung zeigte ein analoges elektrochemisches Verhalten, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen.[3] Ebenfalls konnte eine analoge Bindungsnatur des Schwefels innerhalb der SPAN-Monolithe, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen, nachgewiesen werden. Um die elektrochemische Effizienz der SPAN-Monolithe zu optimieren wurden ebenfalls Kohlenstoff-additivierte SPAN-Monolithe hergestellt. Dies gelang durch eine in situ Ausbildung der monolithischen PAN-Trägermatrix in Gegenwart von Graphenoxidpartikeln. Des Weiteren gelang die Darstellung von Metall/PAN-Kompositen durch die in situ Ausbildung der monolithischen PAN-Trägermatrix in einem Nickel-Metallschaum. Durch das breite Anwendungsspektrum von Poly(acrylnitril) wurde ebenfalls die Eignung kommerzieller PAN-Fasern als Energiespeichermaterial untersucht. Hierbei wurden PAN-basierte Fasern in Gegenwart von Schwefel umgesetzt. Dadurch konnten SPAN-Fasern mit einem Schwefelgehalt > 57 Gew.-% sowie einer spezifischen Oberfläche > 30 m2/g erhalten werden. Es konnte ebenfalls eine analoge Bindungsnatur des Schwefels innerhalb der PAN-Faser, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen, nachgewiesen werden. Das erhaltene faserbasierte SPAN-Energiespeichermaterial wurde zu kommerziellen Batterieelektroden verarbeitet. Die erste elektrochemische Charakterisierung zeigte vielversprechende elektrochemische Eigenschaften. Basierend auf den ersten elektrochemischen Befunden, wurde ein Fluor-basierter Elektrolyt für das faserbasierte Energiespeichermaterial entwickelt. Die Kombination aus neuen Elektrolyten und faserbasierten SPAN-Elektroden, zeigte überragende elektrochemische Eigenschaften. Diese sind durch eine hohe Stromratenfähigkeit (0.5C - 8C) sowie hohen spezifischen Entladekapazitäten (> 1200 Ah/kg) und hoher Zyklenfestigkeit (>> 1000 Zyklen), gekennzeichnet. Als Ursache für dieses Verhalten konnte die stäbchenförmige Geometrie der SPAN-Faserfilamente sowie die Porenstruktur identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch den neu entwickelten Elektrolyten gezielt eine stabile und permeable Schutzschicht (SEI) auf der Kathodenoberfläche ausgebildet werden kann, welche als Barriere für mobile Polysulfide fungiert. [1] J. Wang, J. Yang, J. Xie, N. Xu, Advanced Materials 2002, 14, 963-965. [2] J. Fanous, M. Wegner, J. Grimminger, A. Andresen, M. R. Buchmeiser, Chem. Mater. 2011, 23, 5024-5028. [3] J. Fanous, M. Wegner, J. Grimminger, M. Rolff, M. B. M. Spera, M. Tenzer, M. R. Buchmeiser, Journal of Materials Chemistry 2012, 22, 23240-23245. [4] J. Fanous, M. Wegner, M. B. M. Spera, M. R. Buchmeiser, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A1169-A1170

Rooted structures in graphs: a project on Hadwiger's conjecture, rooted minors, and Tutte cycles

Hadwigers Vermutung ist eine der anspruchsvollsten Vermutungen für Graphentheoretiker und bietet eine weitreichende Verallgemeinerung des Vierfarbensatzes. Ausgehend von dieser offenen Frage der strukturellen Graphentheorie werden gewurzelte Strukturen in Graphen diskutiert. Eine Transversale einer Partition ist definiert als eine Menge, welche genau ein Element aus jeder Menge der Partition enthält und sonst nichts. Für einen Graphen G und eine Teilmenge T seiner Knotenmenge ist ein gewurzelter Minor von G ein Minor, der T als Transversale seiner Taschen enthält. Sei T eine Transversale einer Färbung eines Graphen, sodass es ein System von kanten-disjunkten Wegen zwischen allen Knoten aus T gibt; dann stellt sich die Frage, ob es möglich ist, die Existenz eines vollständigen, in T gewurzelten Minors zu gewährleisten. Diese Frage ist eng mit Hadwigers Vermutung verwoben: Eine positive Antwort würde Hadwigers Vermutung für eindeutig färbbare Graphen bestätigen. In dieser Arbeit wird ebendiese Fragestellung untersucht sowie weitere Konzepte vorgestellt, welche bekannte Ideen der strukturellen Graphentheorie um eine Verwurzelung erweitern. Beispielsweise wird diskutiert, inwiefern hoch zusammenhängende Teilmengen der Knotenmenge einen hoch zusammenhängenden, gewurzelten Minor erzwingen. Zudem werden verschiedene Ideen von Hamiltonizität in planaren und nicht-planaren Graphen behandelt.Hadwiger's Conjecture is one of the most tantalising conjectures for graph theorists and offers a far-reaching generalisation of the Four-Colour-Theorem. Based on this major issue in structural graph theory, this thesis explores rooted structures in graphs. A transversal of a partition is a set which contains exactly one element from each member of the partition and nothing else. Given a graph G and a subset T of its vertex set, a rooted minor of G is a minor such that T is a transversal of its branch set. Assume that a graph has a transversal T of one of its colourings such that there is a system of edge-disjoint paths between all vertices from T; it comes natural to ask whether such graphs contain a minor rooted at T. This question of containment is strongly related to Hadwiger's Conjecture; indeed, a positive answer would prove Hadwiger's Conjecture for uniquely colourable graphs. This thesis studies the aforementioned question and besides, presents several other concepts of attaching rooted relatedness to ideas in structural graph theory. For instance, whether a highly connected subset of the vertex set forces a highly connected rooted minor. Moreover, several ideas of Hamiltonicity in planar and non-planar graphs are discussed

Modifizierung und Charakterisierung der Membran- und Elektrodenmaterialien der Vanadium-Redox-Flow-Batterie

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) ist ein Speichersystem, das seine Energie in zwei durch eine ionenleitende Membran getrennten wässrigen Elektrolyten speichert, worin Vanadium in seinen vier Oxidationsstufen (V(II/III) auf der negativen und V(IV/V) auf der positiven Seite) enthalten ist. In beiden Halbzellen laufen beim Laden bzw. Entladen Redoxreaktionen ab, wodurch elektrische Energie gespeichert bzw. geliefert wird. Zwei entscheidende Bestandteile der VRFB sind die Elektroden und die Ionenaustauschermembran. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung und Modifizierung geeigneter Elektroden- und Membranmaterialien. Neun unterschiedliche Ionenaustauschermembranen wurden hinsichtlich ihres Flächenwiderstandes, ihrer Vanadium- und Wasserdurchlässigkeit, ihres Selbstentladungsverhaltens in der Einzelzelle und ihrer Performance in Lade-/Entladetests untersucht. Mit Hilfe der Untersuchungsergebnisse lässt sich gezielt eine passende Membran für den Einsatz in der VRFB wählen. Weiterhin konnten durch die Modifikation der F-9120-Membran mit Polypyrrol ihre Eigenschaften verbessert werden. Als Elektrodenmaterial wurden Graphitfilze verwendet. Unbehandelte Graphitfilze weisen jedoch hohe Überspannungen gegenüber den Reaktionen in der VRFB auf, sodass Modifizierungen notwendig sind. Es wurden drei Modifizierungsprinzipien angewendet: Bildung von Ober- flächensauerstoffgruppen, Oberflächenvergrößerung und Stickstoffdotierung. Die elektrochemische Charakterisierung erfolgte durch Cyclovoltammetrie, elektrochemische Impedanzspektroskopie, Strom-Spannungskennlinien und Lade-/Entladezyklen.The vanadium redox flow battery (VRFB) is an electrochemical energy storage device which stores the energy in two separated liquid electrolytes. It contains vanadium in its four oxidation states (V(II/III) on the negative side and V(IV/V) on the positive side). The species undergo during charging and discharging respectively redox reactions in the half cells which store/provide the electrical energy. Two critical components of the VRFB are represented by the electrodes and the ion exchange membrane. The aim of this work was the characterization and modification of appropriate electrode and membrane materials for the VRFB. Nine distinct ion exchange membranes were investigated concerning their area resistance, permeability of the vanadium ions and water, self-discharge behavior in the single cell setup and its performance at charge/discharge tests. With these information it is possible to choose an adequate membrane for the application in the VRFB. By modification with polypyrrole the properties of the F-9120 membrane were improved. Graphite felts were used as electrode material. As untreated graphite felts have high overpotentials against the reactions in the VRFB, modifications are necessary. Three modification principles were applied: introduction of oxygen surface groups, surface enlargement and nitrogen doping. The electrochemical characterization was done by cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, current-voltage characteristics and charge/discharge cycles

Synthese und Charakterisierung von nano- und mikroskalierten Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Die Arbeit untersucht die Synthese und die physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften von nano- und mikroskalierten Materialien für Lithium-Ionen-Batterien, wobei neben den elektrochemischen Eigenschaften auch grundlegende physikalische Fragestellungen im Vordergrund standen. Zur Herstellung der Materialien wurden dabei sowohl die konventionelle als auch die mikrowellenunterstützte Hydrothermalsynthese benutzt. Die physikalische Charakterisierung der Materialien erfolgte vor allem mittels Röntgendiffraktion, Magnetisierungsmessungen und Elektronenmikroskopie, darüber hinaus wurden als elektrochemische Methoden zyklische Voltammetrie und galvanostatische Zyklierung eingesetzt. Als relevante Batteriematerialien wurden sowohl Oxide (TiO2, LiCoO2) als auch Phosphate (LiMPO4 mit M=Mn, Fe, Co, Ni) untersucht. LiCoO2 dient dabei als Modellsystem für die mikrowellenunterstützte Synthese, welches durch die Niedertemperatursynthese in nanoskalierter Modifikation hergestellt und mit konventionell synthetisiertem Material verglichen wurde. Des Weiteren wurden TiO2-Nanoröhren und -Nanopartikel untersucht, die beide deutlich verbesserte elektrochemische Eigenschaften als die entsprechenden Bulk-Materialien zeigen. Für die Herstellung von LiMPO4 (M=Mn, Fe, Co, Ni) wurde eine Vielzahl verschiedener Syntheseparameter untersucht, mit deren Hilfe die Morphologie und das Agglomerationsverhalten phasenreiner nano- bzw. mikroskalierter Materialien gezielt manipuliert und studiert werden konnten. Ein wichtiges weiteres Ergebnis ist die erstmalige Darstellung und Untersuchung eines neuen LiCoPO4-Polymorphs (Raumgruppe Pn21a). Für LiFePO4 und LiMnPO4 konnte ein deutlicher Einfluss der Größenreduktion bzw. Form auf die elektrochemischen Eigenschaften gezeigt werden. Zusammen mit der Anwendung eines Oberflächenbeschichtungsverfahrens können so die elektrochemischen Eigenschaften deutlich verbessert werden

Synthese, Charakterisierung von geordneten 1D-Nanomaterialien und ihre photokatalytischen sowie elektrochemischen Funktionseigenschaften.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von geordneten oxidischen 1DNanomaterialien. Zur Synthese dieser Materialien werden templatgestützte Synthesen verwendet. Es werden Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) durch templatgestützte Sythese in anodisch oxidiertem Aluminiumoxid mit verschiedenen Porendurchmessern mittels chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt. Zusätzlich zur Synthese der CNTs in den porösen Aluminiumoxidtemplaten wird eine templatgestützte Gasphasenabscheidung (CVD) von Metalloxidnanoröhren in Aluminiumoxidtemplaten untersucht. Es können durch die templatgestützte CVD-Methode Metalloxidnanoröhren aus Titandioxid, Vanadiumoxid, Hafniumdioxid und Zirkondioxid erfolgreich hergestellt werden. Zusätzlich werden aus Titan- und Vanadiumoxid auch Hybridmaterialien synthetisiert. Diese dreidimensional geordneten Hybride werden auf ihre photokatalytischen Eigenschaften hin untersucht. Es wird gezeigt, dass ein Hybridmaterial aus Titan- und Vanadiumoxid eine Lösung des Farbstoffs Methylenblau durch die Einwirkung von sichtbarem Licht entfärbt. Dieser hier entwickelte Prozess zur Herstellung der Metalloxidnanoröhren wird anschließend auf die Synthese von Hybridmaterialien aus CNTs und Metalloxiden (VOx, TiO2, ZrO2, HfO2) übertragen. Durch diese Technik lassen sich gezielt Komposit- und Hybridmaterialien über die Gasphase herstellen. Wodurch die dreidimensional geordnete Struktur der CNTs auch nach der Beschichtung erhalten bleibt. Diese Komposite aus Metalloxiden und CNTs können als Anoden in Lithium-Ionen-Batterien Verwendung finden. Zur Herstellung von Kathodenmaterialien auf der Basis von CNTs, werden CNTs mittels Sol-Gel-Beschichtugen mit aktiven Lithium-Olivin-Materialien (sowohl silikat- als auch phosphatbasiert) beschichtet. Diese Komposite werden in der vorliegenden Arbeit auf ihre elektrochemischen Eigenschaften untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Beladung von CNTs mit TiO2 die Stabilität und Kapazität der Batterien erhöht. Weiterhin wird der Einfluss von ionischen Flüssigkeiten als Elektrolyt auf die Stabilität der Batteriezellen untersucht. Auch hier zeigt sich eine Verbesserung der Zelleigenschaften bezüglich der Kapazität im Vergleich zu den meist verwendeten Standardelektrolyten1. Der Einsatz von hybridischen Materialien aus einem Elektrospinnprozess als Kathoden wird als alternativer Weg zur Herstellung geordneter Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien untersucht

Synthese hierarchisch poröser Kohlenstoffmaterialien durch Carbochlorierung

Poröse Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen und Porenvolumina, eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie hohe mechanische und chemische Stabilität aus. Sie werden in Anwendungen wie der Gasspeicherung oder der elektrochemischen Energiespeicherung eingesetzt. Besondere Aufmerksamkeit erfährt momentan die Energiespeicherung, unter anderem durch die fortschreitende Verbreitung der Elektromobilität. Als besonders effizient haben sich elektrochemische Energiespeichermaterialien, zum Beispiel für Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Batterien, herausgestellt. Ein vielversprechendes Batteriesystem ist die Lithium-Schwefel-Batterie (LiS-Batterie). Mit diesem System können wesentlich höhere gravimetrische Energiedichten als mit Lithium-Ionen-Batterien erreicht werden. Poröser Kohlenstoff stellt aufgrund der hohen Porosität, der guten elektrischen Leitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit ein ideales Elektrodenmaterial für die Anwendung sowohl in EDLCs als auch in LiS-Batterien dar. Bei den im industriellen Maßstab am häufigsten eingesetzten Aktivkohlen ist nachteilig, dass während der Synthese nur begrenzte Kontrolle über das Porensystem vorhanden ist. Zudem sind die Poren oft flaschenhalsartig, was zu einer schlechten Zugänglichkeit des Porensystems führt und dadurch den Stofftransport limitiert. Eine verbesserte Kontrolle über das Porennetzwerk bieten das Templatverfahren oder die Synthese von Kohlenstoffen aus Carbiden. Diese Methoden ermöglichen es zudem, Poren unterschiedlicher Größe, das heißt, ein hierarchisches Porensystem, einzubringen. Dies ist vorteilhaft für Prozesse, in denen sowohl eine hohe Adsorptionskapazität als auch ein schneller Stofftransport notwendig sind. Die meisten dieser Synthesen haben die Nachteile, dass sie komplex sind und viel Abfall produzieren. Eine vergleichbar neue Methode zur Herstellung von hierarchischen Kohlenstoffen ist die Synthese von Kroll-Kohlenstoffen über eine reduktive Carbochlorierung. Dieses Verfahren ist dem Schlüsselschritt des Kroll-Prozesses zur Herstellung von Titan nachempfunden. Dafür werden oxidische Nanopartikel mit Kohlenstoff beschichtet und durch Behandlung mit heißem Chlorgas in Kohlenstoff überführt. Diese Synthese ermöglicht neben der Kontrolle der Mesoporengröße über die Größe der Nanopartikel gleichzeitig die Einbringung von Mikroporen durch das Ätzen von Kohlenstoff während der Carbochlorierung, sodass in wenigen Syntheseschritten ein hierarchisches Porensystem generiert werden kann. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich der Ansatz der Carbochlorierung auf weitere Systeme übertragen lässt. Durch postsynthetische Aktivierung wurde die Porosität von Kroll-Kohlenstoff unter Erhalt der Porenstruktur gesteigert. So war es möglich, Kohlenstoffe mit spezifischen Oberflächen von mehr als 2700 m²/g und Porenvolumina von 3 cm³/g zu synthetisieren. Die Mesoporenstruktur konnte aufrechterhalten werden, während sowohl der Anteil von Meso- als auch Mikroporen erhöht werden konnte. Aktivierter Kroll-Kohlenstoff wurde in EDLCs als Elektrodenmaterial untersucht. Mit 1 M Schwefelsäure als Elektrolyt konnten spezifische Kapazitäten von 160 F/g über galvanostatische Lade-/Entlademessungen erreicht werden, wobei bei hohen Lade-/Entladeströmen von 10 A/g noch 87 % der Maximalkapazität abgerufen werden konnten. Weiterhin wurde der Frage nachgegangen, ob mittels Carbochlorierung geordnete mesoporöse Kohlenstoffe synthetisiert werden können. Dafür wurden sowohl Harttemplat- als auch Weichtemplatmethoden eingesetzt. Im Harttemplatverfahren war es möglich, geordneten mesoporösen Kohlenstoff DUT-118 zu synthetisieren.7 DUT-118 weist eine höhere spezifische Oberfläche und ein höheres Porenvolumen im Vergleich zu Kohlenstoff auf, der über das klassische „Nanocasting“ hergestellt wird. Durch die Carbochlorierung kann zudem der Mikroporenanteil des Materials im Vergleich zur klassischen Templatentfernung gesteigert werden, was durch Präadsorptionsexperimente mit n-Nonan nachgewiesen wurde. In einer weichtemplatgestützten Synthese konnte geordneter mesoporöser Kohlenstoff DUT-119 aus Oxid/Kohlenstoff-Kompositen mittels Carbochlorierung synthetisiert werden. DUT-119 verfügt über eine spezifische Oberfläche von über 2200 m²/g, ein Porenvolumen von mehr als 2 cm³/g und ein hierarchisches Porensystem. Aufgrund des hierarchischen Mikro-/Mesoporensystems ist DUT-119 hervorragend als Kathodenmatrix in LiS-Batterien geeignet. Besonders hervorzuheben ist die geringe Menge an eingesetztem Elektrolyt von nur 5 μL/mgSchwefel. Die gefertigte Zelle ist über 50 Zyklen stabil und verfügt über eine herausragende Flächenkapazität von 3,7 mAh/cm² nach 50 Zyklen. Verstärkt im Fokus der Forschung stehen Kohlenstoffe, welche mit Heteroatomen dotiert sind. Durch Dotierung können die Eigenschaften der Kohlenstoffe hinsichtlich Polarität oder elektrochemischer Eigenschaften optimiert werden.8,9 Deshalb wurde untersucht, ob über die Carbochlorierung stickstoffdotierter Kohlenstoff synthetisiert werden kann. Dafür wurde ein metallorganisches Netzwerk (MOF) zu Kroll-Kohlenstoff DUT-127 umgesetzt. In Abhängigkeit von der Synthesetemperatur von 600–900 °C konnten spezifische Oberflächen von 1450–2750 m²/g und Porenvolumina zwischen 0,8 und 2 cm³/g erreicht werden. Da das eingesetzte MOF Aminogruppen enthielt, sind in DUT-127 Stickstoffdotierungen vorhanden, was zu einer verringerten Hydrophobie führt. DUT-127 wurde als Elektrodenmaterial in EDLCs eingesetzt. Mit 1 M Schwefelsäure konnten spezifische Kapazitäten von 165 F/g, ermittelt über galvanostatische Lade-/Entlademessungen, erreicht werden. Besonders bei hohen Lade-/Entladeströmen von 12,5 A/g konnten über 90 % der maximalen Kapazität abgerufen werden. Weiterhin ist die hohe Arbeitsfrequenz von über 25 Hz hervorzuheben. Beides wird durch die gute Benetzbarkeit, das ausgeprägte Transportporensystem sowie die geringe Partikelgröße ermöglicht. Der große Vorteil der Synthese von Kroll-Kohlenstoffen über die Carbochlorierung ist der Verzicht auf Lösemittel während der Templatentfernung. Wünschenswert ist es, zukünftig ebenfalls die Synthese der Präkursoren und Template möglichst lösemittelfrei zu gestalten. Die Porenstruktur (Textur) eines porösen Materials bestimmt in großem Maße die Leistungsfähigkeit in einer bestimmten Anwendung. Deshalb wird der exakten Charakterisierung des Porensystems viel Aufmerksamkeit gewidmet. Neben Methoden wie der Gasadsorption sind bildgebende Verfahren ein wichtiges Hilfsmittel, um Informationen über Porengröße, -geometrie und -konnektivität zu erhalten. In einem ersten „Proof of Concept“ wurden die Porensysteme nanoporöser Materialien mit definierter Porenstruktur durch Röntgenmikroskopie untersucht. Dabei konnten Poren bis zu einer Größe von etwa 60 nm aufgelöst werden. Weiterhin war es möglich, aus den aufgenommenen Bilderserien Rekonstruktionen zu erstellen, wodurch Einblicke in das Innere des Partikels möglich wurden. Für die erfolgreiche Rekonstruktion einer Bilderserie ist es notwendig, dass diese optimal ausgerichtet ist. Aufgrund der hohen Uniformität der untersuchten Proben ist dies ein anspruchsvoller Prozess, der noch weiter optimiert werden muss. Dadurch könnten weitere Einblicke in die untersuchten Proben, beispielsweise durch eine quantitative Diskussion der Porosität, gewonnen werden