Dissertations

Titandioxid (TiO 2) wird bereits häufig in den Bereichen Energiespeicherung und -umwandlung eingesetzt. Aufgrund der begrenzten Solarabsorption, Ladungsübertragungsgeschwindigkeit und elektrochemischer Aktivität ist die Leistung des TiO 2 allerdings wesentlich niedriger als es für die praktische Anwending erforderlich ist. In dieser Studie wird hydriertes TiO 2 (H-TiO 2) mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften durch Wasserstoff (H 2)-Plasmabehandlung kontrolliert hergestellt, welches hervorragende Leistungen in der Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien, Fotokatalyse und fotothermischer Umwandlung aufweist. Darüber hinaus werden die Mikrostrukturen des H-TiO 2 und die Abhängigkeit der Anwendungsleistung des H-TiO 2 von den Vorliegenden Mikrostrukturen umfassend untersucht. Diese Studie bietet neue Erkenntnisse über Synthese, Eigenschaften und Anwendungen von H-TiO 2, durch welche die Entwicklung leistungsfähiger und vielseitiger TiO 2-Materialien für die Energiespeicherung und -umwandlung ermöglicht werden kann. Erstens werden hydrierte Anatas TiO 2-Nanopartikel mit deutlich verbesserter Speicherleistung von Lithium-Ionen durch eine Hochtemperatur (390 ˚C) H 2-Plasmabehandlung in hergestellt. Die systematische elektrochemische Analyse zeigt, dass sich aus dem verbesserten Beitrag der pseudokapazitiven Lithium-Speicherung auf der Partikeloberfläche eine verbesserte Leistungsdichte von H-TiO 2 ergibt. Es wird gezeigt, dass die ungeordneten Oberflächenschichten und die vorliegenden Ti 3+ -Spezies von H-TiO 2 eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der pseudokapazitiven Lithiumspeicherung spielen. Zweitens erfolgt eine schnelle Synthese des H-TiO 2 mit unterschiedlichem Hydrierungsgrad durch Hochleistungs-H 2-Plasmabehandlung. Dessen fotokatalytische Aktivitäten werden mit Hilfe von Methylenblau (MB)-Degradation und CO 2-Reduktion in wässrigen und gasförmigen Medien ausgewertet. Im Vergleich zum ursprünglichen TiO 2 zeigt das leicht hydrierte TiO 2 (s-H-TiO 2) eine weiße Färbung und eine verbesserte Fotoaktivität, während das graue oder schwarze H-TiO 2 mit höherem Hydrierungsgrad (h-H-TiO 2) eine viel schlechtere katalytische Leistung aufweist. Wie weitere Untersuchungen gezeigt haben, stellen das höhere Verhältnis der gefangenen Löcher (O - -Zentren) und die niedrige Rekombinationsrate, welche durch die Erhöhung der Oberflächendefekte verursacht sind, die kritischen Faktoren für die hohe Aktivität von s-H-TiO 2 dar. Im Gegensatz dazu besitzt das h-H-TiO 2 eine hohe Konzentration an Gitterdefekten, was zu einer signifikant verringerten Menge an O-Zentren und der vergrößerten strahlungslosen Rekombination führt. Dadurch sinkt die Fotokatalyseaktivität deutlich. Drittens wird das hydrierte schwarze TiO 2 mit großer Infrarotabsorption (aufgrund seiner erheblich vergrößerten, strahlungslosen Rekombination) für die fotothermische Tumortherapie untersucht. Um die Stabilität der Suspension zu verbessern, wurden die H-TiO 2-Nanopartikel (NP s) mit Polyethylenglycol (PEG) beschichtet. Nach PEG-Beschichtung zeigen die H-TiO 2 NP s einen erhöhten fotothermischen Umwandlungswirkungsgrad von 40,8% und eine gute Suspensionsstabilität im Serum. Der Therapieeffekt von H-TiO 2-PEG NP s zeigt, dass dieses Material eine geringe Toxizität besitzt und MCF07- sowie 4T1-Tumorzellen (transplantierbaren Tumorzellen des menschlichen Brustgewebes) unter Infrarotstrahlung effektiv abtöten kann. Zusätzlich werden Si (core) / N-dotiertes TiO 2 (shell) Nanopillar-Arrays mit einer nanoporösen Struktur durch ein einfaches, proteinvermittelndes TiO 2-Abscheidungsverfahren hergestellt. Dieses Ergebnis kann als ein fortschrittlicher Ansatz für die großtechnische Herstellung der H-TiO 2 basierten Nanokompositen angesehen werden.

The search for novel plasmonic nanostructures, which can act simultaneously as optical detectors and stimulators, is crucial for many applications in the fields of biosensing, electro- and photocatalysis, electrochemistry, and biofuel generation. In most of these areas, a large surface-to-volume ratio, as well as high density of active surface sites, is desirable. We investigate sponge-like, that is, fully porous, nanoparticles, called nanosponges, where both the gold and the air phase are fully percolated in three dimensions. We correlate, on a single nanoparticle basis, their optical scattering spectra (using dark field microscopy) with their individual morphology (using electron microscopy). We find that the scattering spectra of nanosponges depend only weakly on their size and outer shape, but are greatly influenced by their unique percolation, in qualitative agreement with numerical simulations.

Solid-state dewetting is used to fabricate supersaturated, submicron-sized Au-Ni solid solution particles out of thin Au/Ni bilayers by means of a rapid thermal annealing technique. Phase separation in such particles is studied with respect to their equilibrium crystal (or Wulff) shape by subsequent annealing at elevated temperature. It is found that {100} faceting planes of the equilibrated particles are enriched with Ni and {111} faces with Au. Both phases are considered by quantum-mechanical calculations in combination with an error-reduction scheme that was developed to compensate for a missing exchange-correlation potential that would reliably describe both Au and Ni. The observed phase configuration is then related to the minimization of strongly anisotropic elastic energies of Au- and Ni-rich phases and results in a rather unique nanoparticle composite state that is characterized by nearly uniform value of elastic response to epitaxial strains all over the faceted surface. The same conclusion is yielded also by evaluating bi-axial elastic moduli when employing interpolated experimental elastic constants. This work demonstrates a useful route for studying features of physical metallurgy at the mesoscale.