TY - THES A1 - Ghomsi Wabo, Samuel T1 - Aktivierung stickstoffmodifizierter Kohlenstoffmaterialien mit KOH : Untersuchungen zum Porenbildungsprozess sowie zum Stickstoffaustrag T1 - Activation of nitrogen-modified carbon materials with KOH : investigations into the pore-formation process and nitrogen release N2 - In dieser Arbeit wurden der Aktivierungsprozess und der Stickstoffaustrag während der KOH-Aktivierung stickstoffmodifizierter Kohlenstoffmaterialien untersucht, um die spezifischen und synergistischen Beiträge von Stickstoff und KOH zur Porositätsbildung in diesen Materialien zu klären. Hierfür wurden geeignete Referenzsysteme aus verschiedenen Kohlenstoffquellen (Cellulose und Phenolharz) hergestellt, bei denen Syntheseparameter wie der Harnstoffgehalt, die KOH-Konzentration und die Karbonisierungstemperatur systematisch variiert wurden. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Harnstoffgehalts in der Synthesemischung zu einem höheren Stickstoffgehalt in den Charcoals führt – ein Effekt, der bei cellulosebasierten Materialien ausgeprägter ist. Die KOH-Aktivierung führte, unabhängig von der verwendeten Kohlenstoffquelle, zu einem erheblichen Stickstoffaustrag. Bei hohen KOH-Konzentrationen (> 10 M) war kein Stickstoff mehr im Material nachweisbar, was eng mit der Bildung einer ausgeprägten Porosität zusammenhängt. Allerdings zeigte sich, dass der Gewinn an Porenvolumen durch den Austrag stickstoffhaltiger Spezies relativ gering ist. Stickstoff wirkt hauptsächlich als Katalysator für Redoxreaktionen zwischen KOH bzw. dessen Zersetzungsprodukten und Kohlenstoff, indem er die Bildung von K₂CO₃ begünstigt. Diese Kaliumspezies können die graphitische Struktur des Materials zerstören und zusätzliche chemische Prozesse unterstützen, was zu einer intensiveren Aktivierung führt. Die Bildung von K₂CO₃ ist stark vom Stickstoffgehalt abhängig und wurde ausschließlich bei Kohlenstoffen beobachtet, die mit einer Kombination aus hoher KOH-Konzentration und hohem Stickstoffgehalt hergestellt wurden. Im Gegensatz dazu führte eine Kombination aus hoher KOH-Konzentration und niedrigem Stickstoffgehalt nicht zur Bildung von K₂CO₃, was darauf hinweist, dass die chemischen Wechselwirkungen des Kaliums in diesem Szenario eine untergeordnete Rolle bei der Porositätsbildung spielen. In solchen Fällen erfolgt die Aktivierung des Materials primär über Redoxreaktionen, bei denen Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) als Reaktionsprodukte entstehen. Diese Redoxreaktionen bewirken eine Umstrukturierung des Materials, jedoch ohne eine signifikante Veränderung der graphitischen Struktur durch Kaliumspezies. Anderseits ist die hohe KOH-Konzentration entscheidend für die Bereitstellung von Kaliumverbindungen, die gezielt in die Schichtstruktur des Materials eindringen und diese effektiv aufbrechen. N2 - This study investigated the activation process and nitrogen release during the KOH activation of nitrogen-modified carbon materials, with the aim of clarifying the specific and synergistic contributions of nitrogen and KOH to porosity formation. For this purpose, suitable reference systems were prepared from different carbon sources (cellulose and phenolic resin), in which synthesis parameters such as urea content, KOH concentration, and carbonisation temperature were systematically varied. It was found that increasing the urea content in the synthesis mixture leads to a higher nitrogen content in the resulting charcoals—an effect that is more pronounced in cellulose-based materials. KOH activation resulted in significant nitrogen removal, regardless of the carbon source. At high KOH concentrations (>10 M), no nitrogen was detectable in the material, which is closely associated with the development of pronounced porosity. However, the increase in pore volume attributable to the removal of nitrogen-containing species was found to be relatively small. Instead, nitrogen primarily acts as a catalyst for redox reactions between KOH (or its decomposition products) and carbon by promoting the formation of K₂CO₃. These potassium species can disrupt the graphitic structure of the material and support additional chemical processes, leading to more intensive activation. The formation of K₂CO₃ strongly depends on the nitrogen content and was observed exclusively in carbons produced with both high KOH concentrations and high nitrogen contents. In contrast, combining a high KOH concentration with a low nitrogen content did not produce K₂CO₃, indicating that potassium-related chemical interactions play only a minor role in porosity formation under these conditions. In such cases, activation occurs primarily via redox reactions that generate carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO₂) as reaction products. These reactions restructure the material but do not significantly alter its graphitic structure through potassium species. Nevertheless, high KOH concentrations remain crucial for supplying potassium compounds capable of penetrating the layer structure of the material and effectively breaking it down. KW - KOH-Aktivierung KW - Stickstoffmodifizierte Kohlenstoffen KW - Porous carbons KW - Nitrogen-modified carbons KW - KOH activation KW - Pore formation KW - Catalytic effect of nitrogen KW - Poröse Kohlenstoffe KW - Porenbildung KW - Katalytischer Effekt von Stickstoff KW - Kohlenstoffwerkstoff KW - Stickstoffverbindungen KW - Poröser Stoff KW - Aktivierung KW - Kaliumhydroxid Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72194 ER - TY - THES A1 - Ghomsi Wabo, Samuel T1 - Aktivierung stickstoffmodifizierter Kohlenstoffmaterialien mit KOH : Untersuchungen zum Porenbildungsprozess sowie zum Stickstoffaustrag T1 - Activation of nitrogen-modified carbon materials with KOH : investigations into the pore-formation process and nitrogen release N2 - In dieser Arbeit wurden der Aktivierungsprozess und der Stickstoffaustrag während der KOH-Aktivierung stickstoffmodifizierter Kohlenstoffmaterialien untersucht, um die spezifischen und synergistischen Beiträge von Stickstoff und KOH zur Porositätsbildung in diesen Materialien zu klären. Hierfür wurden geeignete Referenzsysteme aus verschiedenen Kohlenstoffquellen (Cellulose und Phenolharz) hergestellt, bei denen Syntheseparameter wie der Harnstoffgehalt, die KOH-Konzentration und die Karbonisierungstemperatur systematisch variiert wurden. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Harnstoffgehalts in der Synthesemischung zu einem höheren Stickstoffgehalt in den Charcoals führt – ein Effekt, der bei cellulosebasierten Materialien ausgeprägter ist. Die KOH-Aktivierung führte, unabhängig von der verwendeten Kohlenstoffquelle, zu einem erheblichen Stickstoffaustrag. Bei hohen KOH-Konzentrationen (> 10 M) war kein Stickstoff mehr im Material nachweisbar, was eng mit der Bildung einer ausgeprägten Porosität zusammenhängt. Allerdings zeigte sich, dass der Gewinn an Porenvolumen durch den Austrag stickstoffhaltiger Spezies relativ gering ist. Stickstoff wirkt hauptsächlich als Katalysator für Redoxreaktionen zwischen KOH bzw. dessen Zersetzungsprodukten und Kohlenstoff, indem er die Bildung von K₂CO₃ begünstigt. Diese Kaliumspezies können die graphitische Struktur des Materials zerstören und zusätzliche chemische Prozesse unterstützen, was zu einer intensiveren Aktivierung führt. Die Bildung von K₂CO₃ ist stark vom Stickstoffgehalt abhängig und wurde ausschließlich bei Kohlenstoffen beobachtet, die mit einer Kombination aus hoher KOH-Konzentration und hohem Stickstoffgehalt hergestellt wurden. Im Gegensatz dazu führte eine Kombination aus hoher KOH-Konzentration und niedrigem Stickstoffgehalt nicht zur Bildung von K₂CO₃, was darauf hinweist, dass die chemischen Wechselwirkungen des Kaliums in diesem Szenario eine untergeordnete Rolle bei der Porositätsbildung spielen. In solchen Fällen erfolgt die Aktivierung des Materials primär über Redoxreaktionen, bei denen Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) als Reaktionsprodukte entstehen. Diese Redoxreaktionen bewirken eine Umstrukturierung des Materials, jedoch ohne eine signifikante Veränderung der graphitischen Struktur durch Kaliumspezies. Anderseits ist die hohe KOH-Konzentration entscheidend für die Bereitstellung von Kaliumverbindungen, die gezielt in die Schichtstruktur des Materials eindringen und diese effektiv aufbrechen. N2 - This study investigated the activation process and nitrogen release during the KOH activation of nitrogen-modified carbon materials, with the aim of clarifying the specific and synergistic contributions of nitrogen and KOH to porosity formation. For this purpose, suitable reference systems were prepared from different carbon sources (cellulose and phenolic resin), in which synthesis parameters such as urea content, KOH concentration, and carbonisation temperature were systematically varied. It was found that increasing the urea content in the synthesis mixture leads to a higher nitrogen content in the resulting charcoals—an effect that is more pronounced in cellulose-based materials. KOH activation resulted in significant nitrogen removal, regardless of the carbon source. At high KOH concentrations (>10 M), no nitrogen was detectable in the material, which is closely associated with the development of pronounced porosity. However, the increase in pore volume attributable to the removal of nitrogen-containing species was found to be relatively small. Instead, nitrogen primarily acts as a catalyst for redox reactions between KOH (or its decomposition products) and carbon by promoting the formation of K₂CO₃. These potassium species can disrupt the graphitic structure of the material and support additional chemical processes, leading to more intensive activation. The formation of K₂CO₃ strongly depends on the nitrogen content and was observed exclusively in carbons produced with both high KOH concentrations and high nitrogen contents. In contrast, combining a high KOH concentration with a low nitrogen content did not produce K₂CO₃, indicating that potassium-related chemical interactions play only a minor role in porosity formation under these conditions. In such cases, activation occurs primarily via redox reactions that generate carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO₂) as reaction products. These reactions restructure the material but do not significantly alter its graphitic structure through potassium species. Nevertheless, high KOH concentrations remain crucial for supplying potassium compounds capable of penetrating the layer structure of the material and effectively breaking it down. KW - KOH-Aktivierung KW - Stickstoffmodifizierte Kohlenstoffen KW - Poröse Kohlenstoffe KW - Porenbildung KW - Katalytischer Effekt von Stickstoff KW - Porous carbons KW - Nitrogen-modified carbons KW - KOH activation KW - Pore formation KW - Catalytic effect of nitrogen KW - Kohlenstoffwerkstoff KW - Stickstoffverbindungen KW - Poröser Stoff KW - Aktivierung KW - Kaliumhydroxid Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72602 ER -