Go to page

Bibliographic Metadata

Links
Files
Classification
Zusammenfassung
  • Diese Dissertation befasst sich mit theoretischen und experimentellen Untersuchungen zu Kohlenstoffnitriden, einer umfangreichen und vielseitigen Materialklasse basierend auf den beiden Elementen Kohlenstoff und Stickstoff. Aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften, vergleichsweise einfachen Synthesewegen und des Verzichts auf seltene oder toxische Metalle gelten sie als vielversprechend für nachhaltige Anwendungen wie Photokatalyse, Energiespeicherung, Gasadsorption und CO2-Reduktion.Fokus dieser Arbeit bilden Materialien mit extrem hohem Stickstoffanteil, insbesondere CN2. Durch eine systematische, mehrstufige Struktursuche wurden unter Verwendung quantenchemischer Methoden mehrere thermodynamisch stabile polymorphe CN2-Strukturen identifiziert und hinsichtlich ihrer elektronischen Eigenschaften und thermischen Stabilität analysiert. Dabei ließen sich einige Strukturen aufzeigen, welche sowohl dynamisch als auch kinetisch stabil sowie vielversprechende elektronische Eigenschaften für, zum Beispiel, photokatalytische Anwendungen mitbringen. Eine dieser Strukturen wurde anschließend erfolgreich synthetisiert und mithilfe verschiedenster analytischer Methoden charakterisiert und analysiert. Dabei konnten zwei Synthesewege mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen etabliert werden. Das synthetisierte azo-verbrückte Triazol (ABT) zeigt photokatalytische Aktivität, bietet eine elektrochemische Kapazität, und besitzt zudem das Potential durch gezielte strukturelle Modifikation die katalytische Aktivität zu steigern. In den folgenden theoretischen Teilprojekten wurden spezifische Fragestellungen zu CN-Materialien in Kooperation mit experimentellen Arbeitsgruppen untersucht. Darunter ist zum einen das Adsorptionsverhalten von H+ und NH4+ in Na- und H-poly(heptazinimide) (PHI) Systemen, welches, wie gezeigt werden konnte, durch lichtinduzierte Aufladung maßgeblich beeinflusst wird. Des Weiteren wurde der Einfluss von terminalen Gruppen auf die Elektronenstruktur und Adsorptionsenergie in donor-akzeptor-ähnlichen PHI-Systemen, im Hinblick auf die Adsorptionsenergie von O2 und letztlich die photokatalytische Aktivität zur H2O2 Produktion untersucht. Außerdem wurde das Benetzungsverhalten sowie die spezifische Interaktion mit Wasser von C1N1 (Sub)Nanoporen modelliert und analysiert. In allen Fällen konnte die theoretische Modellierung experimentelle Befunde bestätigen, differenzieren und durch mechanistische Einblicke wesentlich erweitern. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, das Struktur-Eigenschafts-Verhältnis stickstoffreicher Kohlenstoffnitride besser zu verstehen und liefern neue Impulse für deren gezielte Weiterentwicklung und Anwendung.
Abstract
  • This dissertation deals with theoretical and experimental investigations of carbon nitrides, a broad and versatile class of materials based on carbon and nitrogen. Due to their catalytic properties, comparatively simple synthesis routes, and the avoidance of rare or toxic metals, they are considered promising for sustainable applications such as photocatalysis, energy storage, gas adsorption, and CO2 reduction. The focus of this work is on materials with an extremely high nitrogen content, particularly CN2 . Through a systematic, multi-step structure search using quantum chemical methods, several thermodynamically stable polymorphic CN2 structures were identified and analyzed with regard to their electronic properties and thermal stability. Some of these structures were found to be both dynamically and kinetically stable and to exhibit promising electronic properties, for example, for photocatalytic applications. One of these structures was subsequently synthesized and characterized using various analytical methods. Two synthesis routes with different advantages and disadvantages were established. The synthesized azo-bridged triazole (ABT) shows photocatalytic activity and provides electrochemical capacity, and also possesses the potential to enhance its catalytic activity through targeted structural modifications. In the following theoretical subprojects, specific research questions regarding CN materials were investigated in collaboration with experimental research groups. These include the adsorption behavior of H+ and NH4+ in Na- and H-PHI systems, which, as shown, is significantly influenced by photocharging. Furthermore, the influence of terminal groups on the electronic structure and adsorption energy in donor-acceptor-like PHI systems was studied, specifically with regard to the adsorption energy of O2 and ultimately the photocatalytic activity for H2O2 production. In addition, the wettability and specific interaction of water of C1N1 (sub)nanopores was studied. In all cases, theoretical modeling was able to confirm, differentiate, and substantially deepen experimental findings through mechanistic insights. The results of this work contribute to a better understanding of the structure–property relationships of nitrogen-rich carbon nitrides and provide new impulses for their targeted development and application.
Content
License/Rightsstatement