Phosphonic acid-containing molecules as proton conductors and linkers for hybrid materials

In dieser Arbeit werden zwei Arten von nicht-kovalent verknüpften Netzwerkstrukturen vorgestellt, die aus phosphonsäurehaltigen Molekülen aufgebaut sind. Einerseits sollen diese phosphonsäurehaltigen Moleküle als Protonenleiter in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Dies ist durch die Möglichkeit des kooperativen Protonentransports in wasserstoffbrückenhaltigen Netzwerken begründet. Auf der anderen Seite sollen die phosphonsäurehaltigen Moleküle unter Einsatz von Metallkationen zur Darstellung ionischer Netzwerke verwendet werden. In diesem Fall fungieren die phosphonierten Moleküle als Linker in porösen organisch-anorganischen Hybridmaterialien, die sich beispielsweise zur Gasspeicherung eignen.rnEine Brennstoffzelle stellt Energie mit hoher Effizienz und geringer Umweltbelastung bereit. Das Herzstück der Brennstoffzelle ist die Elektrolytmembran, die auch als Separator oder Protonenaustauschmembran (PEM) bezeichnet wird. Es wird davon ausgegangen, daß der Schlüssel zur Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzellen in der Entwicklung von Elektrolyten liegt, die ausschließlich und effizient Protonen transportieren und darüber hinaus chemisch (oxidationsbeständig) und mechanisch stabil sind. Die mechanische Stabilität betrifft insbesondere den Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen und niedriger relativer Feuchtigkeit. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zum Erreichen eines hohen Protonentransports im Festkörper vorgestellt, der auf dem Einsatz kleiner Moleküle beruht, die durch Selbstorganisation eine kontinuierliche protonenleitende Phase erzeugen. Bis jetzt stellt Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol das erste Beispiel eines kristallinen Protonenleiters dar, der im festen Zustand eine hohe und konstante Leistung zeigt. Die Modifizierung von Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol, entweder durch Änderung von para- zu meta-Substitution oder die Einführung von Alkylketten, führt zu Verbindungen geringerer Kristallinität und niedriger Protonenleitfähigkeit.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker in der Synthese von offenen Phosphonat-Netzwerken eingesetzt. Es bilden sich aufgrund der ionischen Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Metallkationen und den negativ geladenen Phosphonsäuregruppen hochstabile Feststoffe. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit besteht darin, daß 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker zum Aufbau poröser Hybridmaterialien eingesetzt werden kann. Zum ersten Mal wurde ein dreifach phosphoniertes organisches Molekül zum Aufbau mikroporöser offener Phosphonat-Netzwerke verwendet. Zudem konnte gezeigt werden, daß die Porosität mit dem Wachstumsmechanismus dieser Materialien zusammenhängt. Es ist nur dann möglich ein gleichfalls mikroporöses und kristallines ionisches Netzwerk auf der Grundlage phosphonierter Moleküle zu erhalten, wenn Linker und Konnektor die gleiche Geometrie und Funktionalität besitzen.rn

Ab-initio study of hydrogen technology materials for hydrogen storage and proton conduction

This dissertation deals with two specific aspects of a potential hydrogen-based energy economy, namely the problems of energy storage and energy conversion. In order to contribute to the solution of these problems, the structural and dynamical properties of two promising materials for hydrogen storage (lithium imide/amide) and proton conduction (poly[vinyl phosphonic acid]) are modeled on an atomistic scale by means of first principles molecular dynamics simulation methods.rnrnrnIn the case of the hydrogen storage system lithium amide/imide (LiNH_2/Li_2NH), the focus was on the interplay of structural features and nuclear quantum effects. For these calculations, Path-Integral Molecular Dynamics (PIMD) simulations were used. The structures of these materials at room temperature were elucidated; in collaboration with an experimental group, a very good agreement between calculated and experimental solid-state 1H-NMR chemical shifts was observed. Specifically, the structure of Li_2NH features a disordered arrangement of the Li lattice, which was not reported in previous studies. In addition, a persistent precession of the NH bonds was observed in our simulations. We provide evidence that this precession is the consequence of a toroid-shaped effective potential, in which the protons in the material are immersed. This potential is essentially flat along the torus azimuthal angle, which might lead to important quantum delocalization effects of the protons over the torus.rnrnOn the energy conversion side, the dynamics of protons in a proton conducting polymer (poly[vinyl phosphonic acid], PVPA) was studied by means of a steered ab-initio Molecular Dynamics approach applied on a simplified polymer model. The focus was put on understanding the microscopic proton transport mechanism in polymer membranes, and on characterizing the relevance of the local environment. This covers particularly the effect of water molecules, which participate in the hydrogen bonding network in the material. The results indicate that these water molecules are essential for the effectiveness of proton conduction. A water-mediated Grotthuss mechanism is identified as the main contributor to proton conduction, which agrees with the experimentally observed decay on conductivity for the same material in the absence of water molecules.rnrnThe gain in understanding the microscopic processes and structures present in this materials can help the development of new materials with improved properties, thus contributing to the solution of problems in the implementation of fuel cells.

Measurement of the inclusive jet cross section in proton-proton collisions at root out s = 7 TeV with the ATLAS detector

The dominant process in hard proton-proton collisions is the production of hadronic jets.rnThese sprays of particles are produced by colored partons, which are struck out of their confinement within the proton.rnPrevious measurements of inclusive jet cross sections have provided valuable information for the determination of parton density functions and allow for stringent tests of perturbative QCD at the highest accessible energies.rnrnThis thesis will present a measurement of inclusive jet cross sections in proton-proton collisions using the ATLAS detector at the LHC at a center-of-mass energy of 7 TeV.rnJets are identified using the anti-kt algorithm and jet radii of R=0.6 and R=0.4.rnThey are calibrated using a dedicated pT and eta dependent jet calibration scheme.rnThe cross sections are measured for 40 GeV < pT <= 1 TeV and |y| < 2.8 in four bins of absolute rapidity, using data recorded in 2010 corresponding to an integrated luminosity of 3 pb^-1.rnThe data is fully corrected for detector effects and compared to theoretical predictions calculated at next-to-leading order including non-perturbative effects.rnThe theoretical predictions are found to agree with data within the experimental and theoretic uncertainties.rnrnThe ratio of cross sections for R=0.4 and R=0.6 is measured, exploiting the significant correlations of the systematic uncertainties, and is compared to recently developed theoretical predictions.rnThe underlying event can be characterized by the amount of transverse momentum per unit rapidity and azimuth, called rhoue.rnUsing analytical approaches to the calculation of non-perturbative corrections to jets, rhoue at the LHC is estimated using the ratio measurement.rnA feasibility study of a combined measurement of rhoue and the average strong coupling in the non-perturbative regime alpha_0 is presented and proposals for future jet measurements at the LHC are made.

Measurement of the proton recoil spectrum in neutron beta decay with the spectrometer aSPECT : study of systematic effects

Precision measurements of observables in neutron beta decay address important open questions of particle physics and cosmology. In this thesis, a measurement of the proton recoil spectrum with the spectrometer aSPECT is described. From this spectrum the antineutrino-electron angular correlation coefficient a can be derived. In our first beam time at the FRM II in Munich, background instabilities prevented us from presenting a new value for a. In the latest beam time at the ILL in Grenoble, the background has been reduced sufficiently. As a result of the data analysis, we identified and fixed a problem in the detector electronics which caused a significant systematic error. The aim of the latest beam time was a new value for a with an error well below the present literature value of 4%. A statistical accuracy of about 1.4% was reached, but we could only set upper limits on the correction of the problem in the detector electronics, too high to determine a meaningful result. This thesis focused on the investigation of different systematic effects. With the knowledge of the systematics gained in this thesis, we are able to improve aSPECT to perform a 1% measurement of a in a further beam time.

Measurement of the unpolarized K+ Lambda and K+ Sigma 0 electroproduction cross-section off the proton with KAOS-spectrometer

The new stage of the Mainz Microtron, MAMI, at the Institute for Nuclear Physics of the Johannes Gutenberg-University, operational since 2007, allows open strangeness experiments to be performed. Covering the lack of electroproduction data at very low Q2, p(e,K+)Lambda and p(e,K+)Sigma0, reactions have been studied at Q^2 = 0.036(GeV/c)^2 andrnQ^2 = 0.05(GeV=c)^2 in a large angular range. Cross-section at W=1.75rnGeV will be given in angular bins and compared with the predictions of Saclay-Lyon and Kaon Maid isobaric models. We conclude that the original Kaon-Maid model, which has large longitudinal couplings of the photon to nucleon resonances, is unphysical. Extensive studies for the suitability of silicon photomultipliers as read out devices for a scintillating fiber tracking detector, with potential applications in both positive and negative arms of the spectrometer, will be presented as well.

Measurement of the pair production of b-jets in proton-proton collisions at root out s = 7 TeV with the ATLAS detector

In hadronischen Kollisionen entstehen bei einem Großteil der Ereignisse mit einem hohen Impulsübertrag Paare aus hochenergetischen Jets. Deren Produktion und Eigenschaften können mit hoher Genauigkeit durch die Störungstheorie in der Quantenchromodynamik (QCD) vorhergesagt werden. Die Produktion von \textit{bottom}-Quarks in solchen Kollisionen kann als Maßstab genutzt werden, um die Vorhersagen der QCD zu testen, da diese Quarks die Dynamik des Produktionsprozesses bei Skalen wieder spiegelt, in der eine Störungsrechnung ohne Einschränkungen möglich ist. Auf Grund der hohen Masse von Teilchen, die ein \textit{bottom}-Quark enthalten, erhält der gemessene, hadronische Zustand den größten Teil der Information von dem Produktionsprozess der Quarks. Weil sie eine große Produktionsrate besitzen, spielen sie und ihre Zerfallsprodukte eine wichtige Rolle als Untergrund in vielen Analysen, insbesondere in Suchen nach neuer Physik. In ihrer herausragenden Stellung in der dritten Quark-Generation könnten sich vermehrt Zeichen im Vergleich zu den leichteren Quarks für neue Phänomene zeigen. Daher ist die Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Produktion von Jets, die solche \textit{bottom}-Quarks enthalten, auch bekannt als $b$-Jets, und aller nachgewiesener Jets ein wichtiger Indikator für neue massive Objekte. In dieser Arbeit werden die Produktionsrate und die Korrelationen von Paaren aus $b$-Jets bestimmt und nach ersten Hinweisen eines neuen massiven Teilchens, das bisher nicht im Standard-Modell enthalten ist, in dem invarianten Massenspektrum der $b$-Jets gesucht. Am Large Hadron Collider (LHC) kollidieren zwei Protonenstrahlen bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt s = 7$ TeV, und es werden viele solcher Paare aus $b$-Jets produziert. Diese Analyse benutzt die aufgezeichneten Kollisionen des ATLAS-Detektors. Die integrierte Luminosität der verwendbaren Daten beläuft sich auf 34~pb$^{-1}$. $b$-Jets werden mit Hilfe ihrer langen Lebensdauer und den rekonstruierten, geladenen Zerfallsprodukten identifiziert. Für diese Analyse müssen insbesondere die Unterschiede im Verhalten von Jets, die aus leichten Objekten wie Gluonen und leichten Quarks hervorgehen, zu diesen $b$-Jets beachtet werden. Die Energieskala dieser $b$-Jets wird untersucht und die zusätzlichen Unsicherheit in der Energiemessung der Jets bestimmt. Effekte bei der Jet-Rekonstruktion im Detektor, die einzigartig für $b$-Jets sind, werden studiert, um letztlich diese Messung unabhängig vom Detektor und auf Niveau der Hadronen auswerten zu können. Hiernach wird die Messung zu Vorhersagen auf nächst-zu-führender Ordnung verglichen. Dabei stellt sich heraus, dass die Vorhersagen in Übereinstimmung zu den aufgenommenen Daten sind. Daraus lässt sich schließen, dass der zugrunde liegende Produktionsmechanismus auch in diesem neu erschlossenen Energiebereich am LHC gültig ist. Jedoch werden auch erste Hinweise auf Mängel in der Beschreibung der Eigenschaften dieser Ereignisse gefunden. Weiterhin können keine Anhaltspunkte für eine neue Resonanz, die in Paare aus $b$-Jets zerfällt, in dem invarianten Massenspektrum bis etwa 1.7~TeV gefunden werden. Für das Auftreten einer solchen Resonanz mit einer Gauß-förmigen Massenverteilung werden modell-unabhängige Grenzen berechnet.

Valorisation of organic waste: new developments from proton nuclear magnetic resonance characterization

The last half-century has seen a continuing population and consumption growth, increasing the competition for land, water and energy. The solution can be found in the new sustainability theories, such as the industrial symbiosis and the zero waste objective. Reducing, reusing and recycling are challenges that the whole world have to consider. This is especially important for organic waste, whose reusing gives interesting results in terms of energy release. Before reusing, organic waste needs a deeper characterization. The non-destructive and non-invasive features of both Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry and imaging (MRI) make them optimal candidates to reach such characterization. In this research, NMR techniques demonstrated to be innovative technologies, but an important work on the hardware and software of the NMR LAGIRN laboratory was initially done, creating new experimental procedures to analyse organic waste samples. The first results came from soil-organic matter interactions. Remediated soils properties were described in function of the organic carbon content, proving the importance of limiting the addition of further organic matter to not inhibit soil processes as nutrients transport. Moreover NMR relaxation times and the signal amplitude of a compost sample, over time, showed that the organic matter degradation of compost is a complex process that involves a number of degradation kinetics, as a function of the mix of waste. Local degradation processes were studied with enhanced quantitative relaxation technique that combines NMR and MRI. The development of this research has finally led to the study of waste before it becomes waste. Since a lot of food is lost when it is still edible, new NMR experiments studied the efficiency of conservation and valorisation processes: apple dehydration, meat preservation and bio-oils production. All these results proved the readiness of NMR for quality controls on a huge kind of organic residues and waste.

Proton magnetic resonance with parahydrogen induced polarization : Imaging strategies and continuous generation

A major challenge in imaging is the detection of small amounts of molecules of interest. In the case of magnetic resonance imaging (MRI) their signals are typically concealed by the large background signal of e.g. the tissue of the body. This problem can be tackled by hyperpolarization which increases the NMR signals up to several orders of magnitude. However, this strategy is limited for 1H, the most widely used nucleus in NMR andrnMRI, because the enormous number of protons in the body screen the small amount of hyperpolarized ones.Here, I describe a method giving rise to high 1H MRI contrast for hyperpolarized molecules against a large background signal. The contrast is based on the J-coupling induced rephasing of the NMR signal of molecules hyperpolarized via parahydrogen induce polarization (PHIP) and it can easily be implemented in common pulse sequences.rnrnHyperpolarization methods typically require expensive technical equipment (e.g. lasers or microwaves) and most techniques work only in batch mode, thus the limited lifetime of the hyperpolarization is limiting its applications. Therefore, the second part of my thesis deals with the simple and efficient generation of an hyperpolarization.These two achievements open up alternative opportunities to use the standard MRI nucleus 1H for e.g. metabolic imaging in the future.