Chemical exfoliation of graphene and its application in organic electronics and energy storage devices

Graphene, the thinnest two-dimensional material possible, is considered as a realistic candidate for the numerous applications in electronic, energy storage and conversion devices due to its unique properties, such as high optical transmittance, high conductivity, excellent chemical and thermal stability. However, the electronic and chemical properties of graphene are highly dependent on their preparation methods. Therefore, the development of novel chemical exfoliation process which aims at high yield synthesis of high quality graphene while maintaining good solution processability is of great concern. This thesis focuses on the solution production of high-quality graphene by wet-chemical exfoliation methods and addresses the applications of the chemically exfoliated graphene in organic electronics and energy storage devices.rnPlatinum is the most commonly used catalysts for fuel cells but they suffered from sluggish electron transfer kinetics. On the other hand, heteroatom doped graphene is known to enhance not only electrical conductivity but also long term operation stability. In this regard, a simple synthetic method is developed for the nitrogen doped graphene (NG) preparation. Moreover, iron (Fe) can be incorporated into the synthetic process. As-prepared NG with and without Fe shows excellent catalytic activity and stability compared to that of Pt based catalysts.rnHigh electrical conductivity is one of the most important requirements for the application of graphene in electronic devices. Therefore, for the fabrication of electrically conductive graphene films, a novel methane plasma assisted reduction of GO is developed. The high electrical conductivity of plasma reduced GO films revealed an excellent electrochemical performance in terms of high power and energy densities when used as an electrode in the micro-supercapacitors.rnAlthough, GO can be prepared in bulk scale, large amount of defect density and low electrical conductivity are major drawbacks. To overcome the intrinsic limitation of poor quality of GO and/or reduced GO, a novel protocol is extablished for mass production of high-quality graphene by means of electrochemical exfoliation of graphite. The prepared graphene shows high electrical conductivity, low defect density and good solution processability. Furthermore, when used as electrodes in organic field-effect transistors and/or in supercapacitors, the electrochemically exfoliated graphene shows excellent device performances. The low cost and environment friendly production of such high-quality graphene is of great importance for future generation electronics and energy storage devices. rn

Dotierte Nanographenstreifen mit definierten Randstrukturen

Die in der vorliegenden Dissertation entwickelten organochemischen Protokolle und Konzepte erweitern die Bottom-Up-Synthese von atompräzisen Nanographenstreifen (GNR) um zwei fundamentale Bereiche. Zum einen die Dotierung der halbleitenden GNR mit Schwefel oder Stickstoffatomen und zum anderen ein Protokoll für eine lösungsbasierte Synthese von stickstoffdotierten Zickzack-Streifen.rnDie Dotierung von GNR beinhaltet die Synthese von monomeren Bausteinen bei denen, im Gegensatz zu ihren reinen Kohlenstoffhomologen, definierte Positionen am Rand mit zwei oder vier Stickstoff- beziehungsweise zwei Schwefelatomen ersetzt wurden. Die Synthese atompräziser GNR konnte mit verschiedenen experimentellen Methoden analysiert und anschaulich über STM visualisiert werden. Neben einer n-Dotierung gelang so auch erstmals eine Bottom-Up-Synthese von schwefeldotierten GNR. Eine mögliche Anwendung in der Nanoelektronik aufbauend auf dotierten GNR wurde bestätigt, indem durch Co-Polymerisation von stickstoffhaltigen mit reinen Kohlenstoffmonomeren Heteroschnittstellen zwischen dotierten und undotierten Bereichen hergestellt werden konnten. Solche Heteroschnittstellen sind fundamentale Grundlage von Dioden und damit Basis einer Vielzahl elektronischer Elemente wie Solarzellen oder Leuchtdioden.rnWährend für halbleitende GNR mit einer Armlehnen-Form ein breites Spektrum an organischen Syntheseprotokollen zur Verfügung stand, existierte zu Beginn dieser Arbeit keines für GNR mit Zickzack-Struktur. Innerhalb dieser Arbeit konnte eine Bottom-Up-Synthese zur Erschließung stickstoffdotierter GNR mit Zickzack-Randstruktur erarbeitet werden. Durch die Verwendung eines (2-Hydroxymethyl)phenylboronsäureesters werden Hydroxymethylsubsituenten entlang eines Polyphenylenrückgrats eingebaut, die nach Kondensation mit dem Stickstoffatom eine Zickzack-Kante ergeben. Innerhalb der synthetisierten Zielstrukturen kann das 9a-Azaphenalen als letztes, bislang nicht erschlossenes Isomer der Azaphenalene, als wiederkehrende Struktur, gefunden werden. Die Reaktivität der Zickzackkante konnte zudem zum Aufbau einer Vielzahl bislang unzugänglicher, polycyclischer Heteroaromaten über 1,3-dipolare Addition dieses polycyclischen Azomethin Ylides (PAMY) genutzt werden.rn

Controllable assembly of graphene hybrid materials and their application in energy storage and conversion

Hybrid Elektrodenmaterialien (HEM) sind der Schlüssel zu grundlegenden Fortschritten in der Energiespeicherung und Systemen zur Energieumwandlung, einschließlich Lithium-Ionen-Batterien (LiBs), Superkondensatoren (SCs) und Brennstoffzellen (FCs). Die faszinierenden Eigenschaften von Graphen machen es zu einem guten Ausgangsmaterial für die Darstellung von HEM. Jedoch scheitern traditionelle Verfahren zur Herstellung von Graphen-HEM (GHEM) scheitern häufig an der fehlenden Kontrolle über die Morphologie und deren Einheitlichkeit, was zu unzureichenden Grenzflächenwechselwirkungen und einer mangelhaften Leistung des Materials führt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von GHEM über kontrollierte Darstellungsmethoden und befasst sich mit der Nutzung von definierten GHEM für die Energiespeicherung und -umwandlung. Die große Volumenausdehnung bildet den Hauptnachteil der künftigen Lithium-Speicher-Materialien. Als erstes wird ein dreidimensionaler Graphen Schaumhybrid zur Stärkung der Grundstruktur und zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung des Fe3O4 Anodenmaterials dargestellt. Der Einsatz von Graphenschalen und Graphennetzen realisiert dabei einen doppelten Schutz gegen die Volumenschwankung des Fe3O4 bei dem elektrochemischen Prozess. Die Leistung der SCs und der FCs hängt von der Porenstruktur und der zugänglichen Oberfläche, beziehungsweise den katalytischen Stellen der Elektrodenmaterialien ab. Wir zeigen, dass die Steuerung der Porosität über Graphen-basierte Kohlenstoffnanoschichten (HPCN) die zugängliche Oberfläche und den Ionentransport/Ladungsspeicher für SCs-Anwendungen erhöht. Desweiteren wurden Stickstoff dotierte Kohlenstoffnanoschichten (NDCN) für die kathodische Sauerstoffreduktion (ORR) hergestellt. Eine maßgeschnittene Mesoporosität verbunden mit Heteroatom Doping (Stickstoff) fördert die Exposition der aktiven Zentren und die ORR-Leistung der metallfreien Katalysatoren. Hochwertiges elektrochemisch exfoliiertes Graphen (EEG) ist ein vielversprechender Kandidat für die Darstellung von GHEM. Allerdings ist die kontrollierte Darstellung von EEG-Hybriden weiterhin eine große Herausforderung. Zu guter Letzt wird eine Bottom-up-Strategie für die Darstellung von EEG Schichten mit einer Reihe von funktionellen Nanopartikeln (Si, Fe3O4 und Pt NPs) vorgestellt. Diese Arbeit zeigt einen vielversprechenden Weg für die wirtschaftliche Synthese von EEG und EEG-basierten Materialien.