Availability of heavy metals in contaminated soil evidenced by chemical extractants

Heavy metals have been accumulating in Brazilian soils, due to natural processes, such as atmospheric deposition, or human industrial activities. For certain heavy metals, when in high concentrations in the soil, there is no specific extractant to determine the availability of these elements in the soil. The objective of the present study was to evaluate the availability of Cd, Cu, Fe, Mn, Pb and Zn for rice and soybeans, using different chemical extractants. In this study we used seven soil samples with different levels of contamination, in completely randomized experimental design with four replications. We determined the available concentrations of Cd, Cu, Fe, Mn, Pb and Zn extracted by Mehlich-1, HCl 0.1 mol L-1, DTPA, and organic acid extractants and the contents in rice and soybeans, which extracts were analyzed by ICP-OES. It was observed that Mehlich-1, HCl 0.1 mol L-1 and DTPA extractants were effective to assess the availability of Cd, Cu, Pb and Zn for rice and soybeans. However, the same was not observed for the organic acid extractant.

Chemical Bonding of Hydrocarbons to Metal Surfaces

Using x-ray absorption spectroscopy (XAS), x-ray emission spectroscopy (XES) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in combination with density functional theory (DFT) the changes in electronic and geometric structure of hydrocarbons upon adsorption are determined. The chemical bonding is analyzed and the results provide new insights in the mechanisms responsible for dehydrogenation in heterogeneous catalysis. In the case of alkanes, n-octane and methane are studied. XAS and XES show significant changes in the electronic structure upon adsorption. XES shows new adsorption induced occupied states and XAS shows quenching of CH*/Rydberg states in n-octane. In methane the symmetry forbidden gas phase lowest unoccupied molecular orbital becomes allowed due to broken symmetry. New adsorption induced unoccupied features with mainly metal character appear just above the Fermi level in XA spectra of both adsorbed methane and n-octane. These changes are not observed in DFT total energy geometry optimizations. Comparison between experimental and computed spectra for different adsorbate geometries reveals that the molecular structures are significantly changed in both molecules. The C-C bonds in n-octane are shortened upon adsorption and the C-H bonds are elongated in both n-octane and methane. In addition ethylene and acetylene are studied as model systems for unsaturated hydrocarbons. The validity of both the Dewar-Chatt-Duncanson chemisorption model and the alternative spin-uncoupling picture is confirmed, as well as C-C bond elongation and upward bending of the C-H bonds. The bonding of ethylene to Cu(110) and Ni(110) are compared and the results show that the main difference is the amount of back-donation into the molecular π* orbital, which allows the molecule to desorb molecularly from the Cu(110) surface, whereas it is dehydrogenated upon heating on the Ni(110) surface. Acetylene is found to adsorb in two different adsorption sites on the Cu(110) surface at liquid nitrogen temperature. Upon heating the molecules move into one of these sites due to attractive adsorbate-adsorbate interaction and only one adsorbed species is present at room temperature, at which point the molecules start reacting to form benzene. The bonding of the two species is very similar in both sites and the carbon atoms are rehybridized essentially to sp2.

Chemical characterization of atmospheric secondary organic aerosol of biogenic and anthropogenic origin

The main objective of this thesis was the chemical characterization of synthetic secondary organic aerosol (SOA) produced from atmospherically relevant anthropogenic and biogenic VOCs during reaction chamber experiments. In parallel, the resulting chemical features of these laboratory-SOA were used to interpret the composition of ambient samples of atmospheric fine particulate matter collected at several sites in Europe, in order to determine the fraction of ambient aerosol organic mass accounted for by biogenic and anthropogenic SOA.

Advanced SPM studies on the growth of ultrathin films of organic semiconductors at metal and dielectric interfaces

Many studies on the morphology, molecular orientation, device performance, substrate nature and growth parameter dependence have been carried out since the proposal of Sexithiophene (6T) for organic electronics [ ] However, these studies were mostly performed on films thicker than 20nm and without specifically addressing the relationship between morphology and molecular orientation within the nano and micro structures of ultrathin films of 0-3 monolayers. In 2004, the observation that in OFETs only the first few monolayers at the interface in contact with the gate insulator contribute to the charge transport [ ], underlined the importance to study submonolayer films and their evolution up to a few monolayers of thickness with appropriate experimental techniques. We present here a detailed Non-contact Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy study on various substrates aiming at the investigation of growth mechanisms. Most reported similar studies are performed on ideal metals in UHV. However it is important to investigate the details of organic film growth on less ideal and even technological surfaces and device testpatterns. The present work addresses the growth of ultra thin organic films in-situ and quasi real-time by NC-AFM. An organic effusion cell is installed to evaporate the organic material directly onto the SPM sample scanning stage.

Inorganic-organic hybrid polymers: Solution-processible coating materials for defined surface functionalization

A new class of inorganic-organic hybrid polymers could successfully been prepared by the combination of different polymerization techniques. The access to a broad range of organic polymers incorporated into the hybrid polymer was realized using two independent approaches.rnIn the first approach a functional poly(silsesquioxane) (PSSQ) network was pre-formed, which was capable to initiate a controlled radical polymerization to graft organic vinyl-type monomers from the PSSQ precursor. As controlled radical polymerization techniques atom transfer radical polymerization (ATRP), as well as reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization could be used after defined tuning of the PSSQ precursor either toward a PSSQ macro-initiator or to a PSSQ macro-chain-transfer-agent. The polymerization pathway, consisting of polycondensation of trialkoxy-silanes followed by grafting-from polymerization of different monomers, allowed synthesis of various functional hybrid polymers. A controlled synthesis of the PSSQ precursors could successfully be performed using a microreactor setup; the molecular weight could be adjusted easily while the polydispersity index could be decreased well below 2.rnThe second approach aimed to incorporate differently derived organic polymers. As examples, polycarbonate and poly(ethylene glycol) were end-group-modified using trialkoxysilanes. After end-group-functionalization these organic polymers could be incorporated into a PSSQ network.rnThese different hybrid polymers showed extraordinary coating abilities. All polymers could be processed from solution by spin-coating or dip-coating. The high amount of reactive silanol moieties in the PSSQ part could be cross-linked after application by annealing at 130° for 1h. Not only cross-linking of the whole film was achieved, which resulted in mechanical interlocking with the substrate, also chemical bonds to metal or metal oxide surfaces were formed. All coating materials showed high stability and adhesion onto various underlying materials, reaching from metals (like steel or gold) and metal oxides (like glass) to plastics (like polycarbonate or polytetrafluoroethylene).rnAs the material and the synthetic pathway were very tolerant toward different functionalities, various functional monomers could be incorporated in the final coating material. The incorporation of N-isopropylacrylamide yielded in temperature-responsive surface coatings, whereas the incorporation of redox-active monomers allowed the preparation of semi-conductive coatings, capable to produce smooth hole-injection layers on transparent conductive electrodes used in optoelectronic devices.rnThe range of possible applications could be increased tremendously by incorporation of reactive monomers, capable to undergo fast and quantitative conversions by polymer-analogous reactions. For example, grafting active esters from a PSSQ precursor yielded a reactive surface coating after application onto numerous substrates. Just by dipping the coated substrate into a solution of a functionalized amine, the desired function could be immobilized at the interface as well as throughout the whole film. The obtained reactive surface coatings could be used as basis for different functional coatings for various applications. The conversion with specifically tuned amines yielded in surfaces with adjustable wetting behaviors, switchable wetting behaviors or as recognition element for surface-oriented bio-analytical devices. The combination of hybrid materials with orthogonal reactivities allowed for the first time the preparation of multi-reactive surfaces which could be functionalized sequentially with defined fractions of different groups at the interface. rnThe introduced concept to synthesis functional hybrid polymers unifies the main requirements on an ideal coating material. Strong adhesion on a wide range of underlying materials was achieved by secondary condensation of the PSSQ part, whereas the organic part allowed incorporation of various functionalities. Thus, a flexible platform to create functional and reactive surface coatings was achieved, which could be applied to different substrates. rn

Self-Assembled Monolayers (SAMs) in Organic Field-Effect Transistors

Organic printed electronics is attracting an ever-growing interest in the last decades because of its impressive breakthroughs concerning the chemical design of π-conjugated materials and their processing. This has an impact on novel applications, such as flexible-large-area displays, low- cost printable circuits, plastic solar cells and lab-on-a-chip devices. The organic field-effect transistor (OFET) relies on a thin film of organic semiconductor that bridges source and drain electrodes. Since its first discovery in the 80s, intensive research activities were deployed in order to control the chemico-physical properties of these electronic devices and consequently their charge. Self-assembled monolayers (SAMs) are a versatile tool for tuning the properties of metallic, semi-conducting, and insulating surfaces. Within this context, OFETs represent reliable instruments for measuring the electrical properties of the SAMs in a Metal/SAM/OS junction. Our experimental approach, named Charge Injection Organic-Gauge (CIOG), uses OTFT in a charge-injection controlled regime. The CIOG sensitivity has been extensively demonstrated on different homologous self-assembling molecules that differ in either chain length or in anchor/terminal group. One of the latest applications of organic electronics is the so-called “bio-electronics” that makes use of electronic devices to encompass interests of the medical science, such as biosensors, biotransducers etc… As a result, thee second part of this thesis deals with the realization of an electronic transducer based on an Organic Field-Effect Transistor operating in aqueous media. Here, the conventional bottom gate/bottom contact configuration is replaced by top gate architecture with the electrolyte that ensures electrical contact between the top gold electrode and the semiconductor layer. This configuration is named Electrolyte-Gated Field-Effect Transistor (EGOFET). The functionalization of the top electrode is the sensing core of the device allowing the detection of dopamine as well as of protein biomarkers with ultra-low sensitivity.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Impact of metal and metal oxide engineered nanoparticles in soil and plant systems

Nanotechnology promises huge benefits for society and capital invested in this new technology is steadily increasing, therefore there is a growing number of nanotechnology products on the market and inevitably engineered nanomaterials will be released in the atmosphere with potential risks to humans and environment. This study set out to extend the comprehension of the impact of metal (Ag, Co, Ni) and metal oxide (CeO2, Fe3O4, SnO2, TiO2) nanoparticles (NPs) on one of the most important environmental compartments potentially contaminated by NPs, the soil system, through the use of chemical and biological tools. For this purpose experiments were carried out to simulate realistic environmental conditions of wet and dry deposition of NPs, considering ecologically relevant endpoints. In detail, this thesis involved the study of three model systems and the evaluation of related issues: (i) NPs and bare soil, to assess the influence of NPs on the functions of soil microbial communities; (ii) NPs and plants, to evaluate the chronic toxicity and accumulation of NPs in edible tissues; (iii) NPs and invertebrates, to verify the effects of NPs on earthworms and the damaging of their functionality. The study highlighted that NP toxicity is generally influenced by NP core elements and the impact of NPs on organisms is specie-specific; moreover experiments conducted in media closer to real conditions showed a decrease in toxicity with respect to in vitro test or hydroponic tests. However, only a multidisciplinary approach, involving physical, chemical and biological skills, together with the use of advanced techniques, such as X-ray absorption fine structure spectroscopy, could pave the way to draw the right conclusions and accomplish a deeper comprehension of the effects of NPs on soil and soil inhabitants.

Transport Properties and Novel Sensing Applications of Organic Semiconducting Crystals

The present thesis is focused on the study of Organic Semiconducting Single Crystals (OSSCs) and crystalline thin films. In particular solution-grown OSSC, e.g. 4-hdroxycyanobenzene (4HCB) have been characterized in view of their applications as novel sensors of X-rays, gamma-rays, alpha particles radiations and chemical sensors. In the field of ionizing radiation detection, organic semiconductors have been proposed so far mainly as indirect detectors, i.e. as scintillators or as photodiodes. I first study the performance of 4HCB single crystals as direct X-ray detector i.e. the direct photon conversion into an electrical signal, assessing that they can operate at room temperature and in atmosphere, showing a stable and linear response with increasing dose rate. A dedicated study of the collecting electrodes geometry, crystal thickness and interaction volume allowed us to maximize the charge collection efficiency and sensitivity, thus assessing how OSSCs perform at low operating voltages and offer a great potential in the development of novel ionizing radiation sensors. To better understand the processes generating the observed X-ray signal, a comparative study is presented on OSSCs based on several small-molecules: 1,5-dinitronaphthalene (DNN), 1,8-naphthaleneimide (NTI), Rubrene and TIPS-pentacene. In addition, the proof of principle of gamma-rays and alpha particles has been assessed for 4HCB single crystals. I have also carried out an investigation of the electrical response of OSSCs exposed to vapour of volatile molecules, polar and non-polar. The last chapter deals with rubrene, the highest performing molecular crystals for electronic applications. We present an investigation on high quality, millimeter-sized, crystalline thin films (10 – 100 nm thick) realized by exploiting organic molecular beam epitaxy on water-soluble substrates. Space-Charge-Limited Current (SCLC) and photocurrent spectroscopy measurements have been carried out. A thin film transistor was fabricated onto a Cytop® dielectric layer. The FET mobility exceeding 2 cm2/Vs, definitely assess the quality of RUB films.

Optimization of purification procedures in organic semiconductor synthesis for improving the performances of organic field-effect transistors

The aim of the research activity focused on the investigation of the correlation between the degree of purity in terms of chemical dopants in organic small molecule semiconductors and their electrical and optoelectronic performances once introduced as active material in devices. The first step of the work was addressed to the study of the electrical performances variation of two commercial organic semiconductors after being processed by means of thermal sublimation process. In particular, the p-type 2,2′′′-Dihexyl-2,2′:5′,2′′:5′′,2′′′-quaterthiophene (DH4T) semiconductor and the n-type 2,2′′′- Perfluoro-Dihexyl-2,2′:5′,2′′:5′′,2′′′-quaterthiophene (DFH4T) semiconductor underwent several sublimation cycles, with consequent improvement of the electrical performances in terms of charge mobility and threshold voltage, highlighting the benefits brought by this treatment to the electric properties of the discussed semiconductors in OFET devices by the removal of residual impurities. The second step consisted in the provision of a metal-free synthesis of DH4T, which was successfully prepared without organometallic reagents or catalysts in collaboration with Dr. Manuela Melucci from ISOF-CNR Institute in Bologna. Indeed the experimental work demonstrated that those compounds are responsible for the electrical degradation by intentionally doping the semiconductor obtained by metal-free method by Tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0) (Pd(PPh3)4) and Tributyltin chloride (Bu3SnCl), as well as with an organic impurity, like 5-hexyl-2,2':5',2''-terthiophene (HexT3) at, in different concentrations (1, 5 and 10% w/w). After completing the entire evaluation process loop, from fabricating OFET devices by vacuum sublimation with implemented intentionally-doped batches to the final electrical characterization in inherent-atmosphere conditions, commercial DH4T, metal-free DH4T and the intentionally-doped DH4T were systematically compared. Indeed, the fabrication of OFET based on doped DH4T clearly pointed out that the vacuum sublimation is still an inherent and efficient purification method for crude semiconductors, but also a reliable way to fabricate high performing devices.

On-surface chemical reactions on an insulating substrate

Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche, motiviert im Hinblick auf die Nutzung der Synthesemethode für die molekulare Elektronik und verwandte Anwendungen. Durch die Verwendung der Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie und der Kelvinprobe-Mikroskopie bei Raumtemperatur wurden grundlegende molekulare Prozesse der Wechselwirkungen zwischen Molekülen und der Calcit(10.4) Oberfläche sowie die chemische Reaktivität der Moleküle auf der Oberfläche analysiert. Das Zusammenspiel zwischen intermolekularen und Molekül-Oberfläche Wechselwirkungen zeigt sich für Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure (BPDCA) durch die Koexistenz zweier unterschiedlicher molekularer Strukturen, die einen Einblick in die treibenden Kräfte der molekularen Selbstorganisation bieten. Die sehr ausgeprägte Reihenstruktur basiert auf der optimalen geometrischen Struktur der BPDCA Moleküle zu den Abmessungen des Substrats, während die zweite Struktur durch Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gekennzeichnet ist. Der Deprotonierungsvorgang von 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHBA)-Molekülen auf Calcit wird bei Zimmertemperatur gezeigt. Zwei Phasen werden beobachtet, die nach Aufbringen der Moleküle koexistieren. Mit der Zeit geht eine bulk-ähnliche Phase in eine stabile, dicht gepackte Phase über. Der Übergang wird durch Betrachtung des Protonierungszustands der Moleküle erklärt. Die bulk-ähnliche Phase benötigt Wasserstoffbrückbindungen zur Strukturbildung. Werden die Moleküle deprotoniert, so wird die resultierende dicht gepackte Phase durch die elektrostatische Wechselwirkung der deprotonierten Carboxylatgruppen mit den Oberflächen-Calciumkationen stabilisiert. 4-Iodbenzoesäure (IBA)-Moleküle bilden auf Calcit nur Inseln an Stufenkanten, was auf die schwache Molekül-Oberflächen-Wechselwirkung zurückzuführen ist. Für einen stärkeren Einfluss des Substrats durchlaufen die Moleküle einen kontrollierten Übergangsschritt vom protonierten zum deprotonierten Zustand. Im deprotonierten Zustand nehmen die Moleküle eine wohldefinierte Adsorptionsposition auf dem Substrat ein. Die deprotonierte Säuregruppe wird ausgenutzt, um die Desorption der halogensubstituierten Benzoesäure-Moleküle bei der thermischer Aktivierung für die Vernetzungsreaktion zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Carboxylatgruppe als starker Elektronendonor verwendet um die Phenyl-Halogen-Bindung zu schwächen und somit die homolytische Spaltung dieser Bindung auch bei moderaten Temperaturen zu ermöglichen. Diesem Konzept folgend ist die erste erfolgreiche kovalente Verknüpfung von 2,5-Diiod-benzoesäure, 2,5-Dichlorbenzoesäure, 3,5-Diiod Salicylsäure und 4-Iod-benzoesäure zu durchkonjugierten molekularen Drähten, Zick-Zack-Strukturen sowie Dimere gezeigt durch Ausnutzen von unterschiedlichen Substitutionsposition sowie Ändern der Anzahl der substituierten Halogenatome. Aufbauend auf diesem Erfolg, wird eine zweistufige Vernetzungsreaktion vorgestellt. Zum Induzieren der ortsspezifischen und sequentiellen kovalenten Verknüpfung wird ein Ausgangsmolekül gewählt, das sowohl eine Bromphenyl als auch eine Chlorphenyl Gruppe mit unterschiedlichen Dissoziationsenergien für die homolytische Spaltung besitzt. Die Reaktionsstellen und sequentielle Reihenfolge für die Reaktion sind somit in der molekularen Struktur einkodiert und bisher unerreichte Reaktionspfade können mithilfe der kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche beschritten werden.

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

Unraveling efficiency-limiting processes in organic solar cells by ultrafast spectroscopy - impact of chemical structure and morphology on photophysics and efficiency

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.

Retrieval simulations of the vertical profiles of water vapour and other chemical species in the Martian atmosphere using PACS

Water vapour, despite being a minor constituent in the Martian atmosphere with its precipitable amount of less than 70 pr. μm, attracts considerable attention in the scientific community because of its potential importance for past life on Mars. The partial pressure of water vapour is highly variable because of its seasonal condensation onto the polar caps and exchange with a subsurface reservoir. It is also known to drive photochemical processes: photolysis of water produces H, OH, HO2 and some other odd hydrogen compounds, which in turn destroy ozone. Consequently, the abundance of water vapour is anti-correlated with ozone abundance. The Herschel Space Observatory provides for the first time the possibility to retrieve vertical water profiles in the Martian atmosphere. Herschel will contribute to this topic with its guaranteed-time key project called "Water and related chemistry in the solar system". Observations of Mars by Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) and Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) onboard Herschel are planned in the frame of the programme. HIFI with its high spectral resolution enables accurate observations of vertically resolved H2O and temperature profiles in the Martian atmosphere. Unlike HIFI, PACS is not capable of resolving the line-shape of molecular lines. However, our present study of PACS observations for the Martian atmosphere shows that the vertical sensitivity of the PACS observations can be improved by using multiple-line observations with different line opacities. We have investigated the possibility of retrieving vertical profiles of temperature and molecular abundances of minor species including H2O in the Martian atmosphere using PACS. In this paper, we report that PACS is able to provide water vapour vertical profiles for the Martian atmosphere and we present the expected spectra for future PACS observations. We also show that the spectral resolution does not allow the retrieval of several studied minor species, such as H2O2, HCl, NO, SO2, etc.