Mesoporöse Kohlenstoffmaterialien und Nanokomposite für die Anwendung in Superkondensatoren

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein

Gas hydrate technology: state of the art and future possibilities for Europe

Interest in natural gas hydrates has been steadily increasing over the last few decades, with the understanding that exploitation of this abundant unconventional source may help meet the ever-increasing energy demand and assist in reduction of CO2 emission (by replacing coal). Unfortunately, conventional technologies for oil and gas exploitation are not fully appropriate for the specific exploitation of gas hydrate. Consequently, the technology chain, from exploration through production to monitoring, needs to be further developed and adapted to the specific properties and conditions associated with gas hydrates, in order to allow for a commercially and environmentally sound extraction of gas from gas hydrate deposits. Various academic groups and companies within the European region have been heavily involved in theoretical and applied research of gas hydrate for more than a decade. To demonstrate this, Fig. 1.1 shows a selection of leading European institutes that are actively involved in gas hydrate research. A significant number of these institutes have been strongly involved in recent worldwide exploitation of gas hydrate, which are shown in Fig. 1.2 and summarized in Table 1.1. Despite the state of knowledge, no field trials have been carried out so far in European waters. MIGRATE (COST action ES1405) aims to pool together expertise of a large number of European research groups and industrial players to advance gas-hydrate related activity with the ultimate goal of preparing the setting for a field production test in European waters. This MIGRATE report presents an overview of current technologies related to gas hydrate exploration (Chapter 2), production (Chapter 3) and monitoring (Chapter 4), with an emphasis on European activity. This requires covering various activities within different disciplines, all of which contribute to the technology development needed for future cost-effective gas production. The report points out future research and work areas (Chapter 5) that would bridge existing knowledge gaps, through multinational collaboration and interdisciplinary approaches

Prevention of cardiac dysfunction in acute coxsackievirus B3 cardiomyopathy by inducible expression of a soluble coxsackievirus-adenovirus receptor

Background— Group B coxsackieviruses (CVBs) are the prototypical agents of acute myocarditis and chronic dilated cardiomyopathy, but an effective targeted therapy is still not available. Here, we analyze the therapeutic potential of a soluble (s) virus receptor molecule against CVB3 myocarditis using a gene therapy approach. Methods and Results— We generated an inducible adenoviral vector (AdG12) for strict drug-dependent delivery of sCAR-Fc, a fusion protein composed of the coxsackievirus-adenovirus receptor (CAR) extracellular domains and the carboxyl terminus of human IgG1-Fc. Decoy receptor expression was strictly doxycycline dependent, with no expression in the absence of an inducer. CVB3 infection of HeLa cells was efficiently blocked by supernatant from AdG12-transduced cells, but only in the presence of doxycycline. After liver-specific transfer, AdG12 (plus doxycycline) significantly improved cardiac contractility and diastolic relaxation compared with a control vector in CVB3-infected mice if sCAR-Fc was induced before infection (left ventricular pressure 59±3.8 versus 45.4±2.7 mm Hg, median 59 versus 45.8 mm Hg, P<0.01; dP/dtmax 3645.1±443.6 versus 2057.9±490.2 mm Hg/s, median 3526.6 versus 2072 mm Hg/s, P<0.01; and dP/dtmin −2125.5±330.5 versus −1310.2±330.3 mm Hg/s, median −2083.7 versus −1295.9 mm Hg/s, P<0.01) and improved contractility if induced concomitantly with infection (left ventricular pressure 76.4±19.2 versus 56.8±10.3 mm Hg, median 74.8 versus 54.4 mm Hg, P<0.05; dP/dtmax 5214.2±1786.2 versus 3011.6±918.3 mm Hg/s, median 5182.1 versus 3106.6 mm Hg/s, P<0.05), respectively. Importantly, hemodynamics of animals treated with AdG12 (plus doxycycline) were similar to uninfected controls. Preinfection induction of sCAR-Fc completely blocked and concomitant induction strongly reduced cardiac CVB3 infection, myocardial injury, and inflammation. Conclusion— AdG12-mediated sCAR-Fc delivery prevents cardiac dysfunction in CVB3 myocarditis under prophylactic and therapeutic conditions

Mesoporöse Kohlenstoffmaterialien und Nanokomposite für die Anwendung in Superkondensatoren

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein

Mesoporöse Kohlenstoffmaterialien und Nanokomposite für die Anwendung in Superkondensatoren

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein

Hierarchical porous zeolite ZSM-58 derived by desilication and desilication re-assembly

Hierarchical porosity in zeolite ZSM-58 was achieved by desilication with pure solutions of NaOH and mixtures of NaOH and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) in a desilication and desilication re-assembly process. The resulting ZSM-58 samples were investigated concerning their chemical and textural structure by means of transmission and scanning electron microscopy, X-ray diffraction, nitrogen and argon physisorption, elemental analyses, 27Al and 29Si solid-state magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy, and temperature programmed desorption of ammonia. In the case of applying pure NaOH solutions on Si/Al ratios of Si/Al = 50 rather macroporous zeolite ZSM-58 with broad pore size distribution was obtained and pore volume depended on the sodium hydroxide concentration. Higher Si/Al ratios did not result in any additional porosity. Adding CTAB to the desilication solution lead to hierarchical ZSM-58 materials with narrow additional pores in the range of 3-4 nm resulting from an amorphous layer on the surface of the ZSM-58 crystals that was long range ordered for intermediate NaOH concentrations independent from the initially deployed Si/Al ratio. The total specific surface area of such materials was as high as 868 m2 g-1 with high values of external specific surface area and simultaneously the desilication yield could be increased due to the re-assembly of dissolved silica species. Therefore, high values for the hierarchy factor and desilication efficiency could be achieved. The amount of strong acid sites of the desilicated samples decreased with increasing NaOH concentration because of the generation of silanol groups, pentahedral, and octahedral coordinated extra framework aluminum

Silicon oxycarbide-derived carbons from a polyphenylsilsequioxane precursor for supercapacitor applications

In this study, we report on the preparation of new silicon oxycarbide-derived carbons (SiOCDC) obtained by pyrolysis and chlorination of a polyphenylsilsesquioxane pre-ceramic precursor. Wet-chemical conversion of phenyltrimethoxysilane (PhTMS) to the organosilica material was conducted using a two-step acid/base sol-gel process in aqueous medium. The resulting material was subsequently pyrolysed at 700, 1000 and 1300 C to obtain a non-porous silicon oxycarbide ceramic. Chlorination at 700 and 1000 C led to carbons having large surface areas exceeding 2000 m2 g-1 as well as large micro-/mesopore volumes up to 1.4 cm3 g-1. The temperature of the thermal treatment significantly influences the carbon and final pore structure. Pyrolysis at 700 C and subsequent chlorination at 700 C led to a ma inly microporous material, whereas pyrolysis at 1300 C and subsequent chlorination at 1000 C generated a hierarchically porous SiOCDC with micro- and mesopores, respectively. All SiOCDC materials were prepared as supercapacitor electrodes using an aqueous slurry containing polytetrafluoroethylene (PTFE) and sodium carboxymethyl cellulose (CMC) as binder. With an organic electrolyte (1 M TEABF4 in acetonitrile) capacitances of up to 110 F g-1 and good long term stabilities could be observed

Hierarchically nanostructured hollow carbon nanospheres for ultra-fast and long-life energy storage

We report on the successful application of porous hollow carbon nanospheres consisting of graphitic shells with a hierarchical porosity that were obtained by carbonizing an iron-containing commercially available metal-organic framework, as active material for supercapacitors. The influence of basic key parameters, such as the degree of graphitization and the accessible surface area of the carbons obtained at different temperatures, on the electrochemical performance is discussed in-depth. A high specific capacitance of 91 F g-1 in an aqueous electrolyte and 156 F g-1 using an ionic liquid is achieved. Furthermore a very steady specific capacitance over the course of 10,000 charge-discharge cycles is demonstrated. In addition, electrochemical impedance spectroscopy studies revealed that these carbons can feature a stable performance over several orders of magnitude of frequency, which render them interesting candidates for future electrochemical energy storage systems.Fil: Markus Klose. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; AlemaniaFil: Reinhold, Romy. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; AlemaniaFil: Pinkert, Katja. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; AlemaniaFil: Uhlemann, Martin. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; AlemaniaFil: Wolke, Florian. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; AlemaniaFil: Balach, Juan Manuel. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; Alemania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; ArgentinaFil: Jaumann, Tony. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; AlemaniaFil: Stoeck, Ulrich. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; AlemaniaFil: Eckert, Jürgen. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; AlemaniaFil: Giebeler, Lars. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; Alemani

Tailoring Hollow Silicon–Carbon Nanocomposites As High-Performance Anodes in Secondary Lithium-Based Batteries through Economical Chemistry

A sustainable synthesis procedure of a rational-designed silicon–carbon electrode for a high-performance rechargeable Li-based battery has been developed. It was realized by an economical approach using low-cost trichlorosilane as feedstock and without special equipment. The synthesis strategy includes polycondensation of trichlorosilane in the presence of a surfactant to selectively form spheric silicon@silica particles via a hydrogen silsesquioxane (HSQ) intermediate. After subsequent carbonization of a sucrose shell and etching the composite, we obtained an anode material based on silicon nanoparticles with 2–5-nm average diameter inside a porous carbon scaffold. The active material exhibits a high rate capability of 2000 mAh/g at a current rate of 0.5 A/g with exceptional cycle stability. After almost 1000 times of deep discharge galvanostatic cycling at 2.5 A/g current rate the capacity is still 60% of the initial 1200 mAh/g. The excellent electrochemical performance is attributed to an interaction of a stabilized solid electrolyte interface on extreme small silicon particles and a well-designed porous carbon cage which serves as efficient charge conductor

Unusual oxidation behavior of light metal hydride by tetrahydrofuran solvent molecules confined in ordered mesoporous carbon

Confining light metal hydrides in micro- or mesoporous scaffolds is considered to be a promising way to overcome the existing challenges for these materials, e.g. their application in hydrogen storage. Different techniques exist which allow us to homogeneously fill pores of a host matrix with the respective hydride, thus yielding well defined composite materials. For this report, the ordered mesoporous carbon CMK-3 was taken as a support for LiAlH₄ realized by a solution impregnation method to improve the hydrogen desorption behavior of LiAlH₄ by nanoconfinement effects. It is shown that upon heating, LiAlH₄ is unusually oxidized by coordinated tetrahydrofuran solvent molecules. The important result of the herein described work is the finding of a final composite containing nanoscale aluminum oxide inside the pores of the CMK-3 carbon host instead of a metal or alloy. This newly observed unusual oxidation behavior has major implications when applying these compounds for the targeted synthesis of homogeneous metal–carbon composite materials