Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem tieferen Verständnis der kinetischen Prozesse in Vanadium-Redox-Flow-Batterien bei. Dafür wurden die elektrokatalytischen und physikochemischen Eigenschaften von industriell relevantem Graphitfilz und verwandten kohlenstoffbasierten Materialien untersucht. Der Einsatz von mehrere spektroskopischen und mikroskopischen Methoden ermöglichte die Abbildung verschiedener Skalen der Mikrostruktur, die chemische Zusammensetzung, die elektronische Struktur und schließlich die kinetischen Vorgänge mittels theoretischen Berechnungen und spektro-elektrochemischen Untersuchungen.
Aufgrund widersprüchlicher Ergebnisse in der Literatur im Themenkomplex funktionelle Sauerstoffgruppen hat sich die Arbeit zum Ziel gesetzt, eindeutige Zusammenhänge zwischen
Oberflächenstruktur und Elektrokatalyse herzustellen. Die Analyse von Eigenschaften chemisch und strukturell modifizierter Elektroden vor und nach elektrochemischen Tests führte
zur Identifizierung graphitischer Defekte als aktive Zentren. Nach der vollständigen Entfernung von Sauerstoff ergaben sich wasserstoffterminierte Defekte anstelle von Oberflächengruppen als Ursache für die katalytische Aktivität. Die Anbringung von Pyrenen mit unterschiedlichen Funktionalitäten auf der Graphitoberfläche diente zum Nachweis der Effekte
einzelner Sauerstoffgruppen.
Um die Auswirkung der verschiedenen Defekt-Geometrien zu spezifizieren, wurden durch thermochemische Aktivierungen Kohlenstoffatome in Modell- und realen Elektroden durch
Phosphor substituiert. Unter gezielter Berücksichtigung aller dabei veränderten Elektrodeneigenschaften konnte so die elektrochemische Aktivität deutlich gesteigert werden. Die Untersuchung der elektronischen Struktur von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen verband die elektrokatalytische Aktivität mit der Elektrodenarchitektur und der Austrittsarbeit. Theoretische Modellierungen definierten Wechselwirkungen zwischen den solvatisierten Vanadium-Ionen und der Substrate durch verschiedene wasserstoff- und sauerstoffterminierte Kanten. Schließlich formuliert die Arbeit durch die Untersuchung der Elektrode–Elektrolyt-Grenzfläche bei angelegtem Potential einen experimentell und rechnerisch gestützten, innovativen Reaktionsmechanismus
