Spektroskopische und spektroelektrochemische Charakterisierung nanostrukturierter Kohlenstoffhybridsysteme

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2014-01-16
Issue Year
2014
Authors
Oelsner, Christian
Editor
Abstract

The main focus of the scientific work in this dissertation is based on the photophysical as well as the spectroelectrochemical characterization of various novel carbon nanotube hybrid systems. The modified optical and also electronic properties are reviewed regarding with respect to the potential for their use as electrode material as well as photoactive components in organic solar cells. Therefore different kind of carbon nanotubes (HipCO- / CoMoCat-SWCNT) are combined either covalently but also non-covalently with a variety of aromatic molecules such as ferrocene, perylene, flavine or porphycene. Due to the interaction of carbon nanotubes with these aromatic molecules stable hybrid systems are formed. By this the optical as well as the electronic properties of carbon nanotubes can be considerably altered. Nanotubes can act in such systems, both as photochemical active electron acceptors and also as electron donors, which is promising for the use as photoactive components in solar cells. Aside from the mentioned photoinduced electron transfer, another possible reaction of carbon nanotubes with these aromatic molecules is given by chemical p-/ or n-doping. This results from strong electronic interactions with the corresponding aromatic molecules and lead to the strong potential of such nanohybrid systems for new efficient electrode materials. At the beginning an overview is given about single-walled carbon nanotubes (chapter 1). Fundamental photophysical processes as well as used spectroscopic, microscopic and electro-chemical measurement methods are presented in chapter 2. Afterwards in chapter 3 different developed spectroelectrochemical measurement techniques are described in detail, which are highly important and crucial for the characterization of charge separated states in carbon nanotube hybrid systems. Chapter 4 includes the topic and objectives of this dissertation. The aromatic molecules which are combined with carbon nanotubes are introduced in chapter 5. Additional techniques for preparing stable carbon nanotube hybrid systems in suspensions are described in detail. Furthermore, the instruments used for photophysical, microscopic, electrochemical and spectroelectrochemical measurements are listed, including all specifications. This chapter also includes next to the aforementioned sample preparation of nanohybrid systems, the experimental preparation of the samples for the investigation with different kinds of measurement techniques. Afterwards, in the following two chapters, the obtained scientific results are discussed in detail. In Chapter 6, investigations of a reference system are compared to those of covalently modified carbon nanotubes and discussed specifically. Chapter 7 focuses on the influences and changes of the optical and also electronic properties of carbon nanotubes by several non-covalently attached aromatic molecules. To verify the presence of attractive interactions between SWCNT with aromatic molecules a specific reference system is used. The latter is solely based on a stable suspension of carbon nanotubes in a pure organic solvent. Thereby the resulting differences in the investigated systems are proven to stem from interactions with the added aromatic molecules. In addition in this section the chemical p-doping of carbon nanotubes by a water soluble perylene derivative and a chemical n-doping of nanotubes by a porphcycen derivative can be clearly demonstrated by the use of new spectroelectrochemical measurement methods. Furthermore an oxidative photoinduced electrontransfer reaction between a flavine derivative as electron donor and carbon nanotubes as electron acceptor can be demonstrated successful. However a similar built system shows an energytransfer between the flavine derivative and CoMoCat-SWCNT. Finally, in chapter 8, a summary about the results about all investigated systems is given.

Abstract

Die zentrale Zielstellung der Forschung dieser Dissertation liegt auf der photophysikalischen sowie spektroelektrochemischen Charakterisierung von diversen neuartigen Kohlenstoffnanoröhrenhybridsystemen. Deren modifizierte optische wie auch elektronische Eigenschaften werden auf ein mögliches Einsatzpotential als Elektroden und als photoaktive Einheiten in organischen Solarzellen überprüft. Es werden hierbei unterschiedliche Arten von Kohlenstoffnanoröhren (HipCO- / CoMoCat- SWCNT) sowohl kovalent als auch nicht-kovalent mit verschiedenen aromatischen Molekülen wie Ferrocen, Perylen, Flavin oder Porphycen kombiniert. Aufgrund der Wechselwirkungen der Kohlenstoffnanoröhren mit diesen aromatischen Molekülen bilden sich stabile Hybridsysteme aus, in denen die optischen und elektronischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren zum Teil erheblich verändert werden. Die Nanoröhren können in diesen Systemen sowohl als photochemisch aktive Elektronenakzeptoren aber auch als Elektronendonoren fungieren, wodurch sie potentiell für photoaktive Einheiten in Solarzellen interessant werden. Eine weitere mögliche Reaktion der Kohlenstoffnanoröhren mit diesen aromatischen Molekülen besteht neben dem photoinduzierten Elektronentransfer im chemischen p-/ und n-Dotieren der Röhren aufgrund starker elektronischer Wechselwirkungen mit den entsprechenden aromatischen Molekülen, wodurch diese Nanohybridsysteme als neues effiziente Elektrodenmaterialien in Betracht gezogen werden können. Zu Beginn wird ein Überblick über einwandige Kohlenstoffnanoröhren (Kapitel 1) und die grundlegenden photophysikalischen Prozesse sowie die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten spektroskopischen, mikroskopischen und elektrochemischen Messmethoden (Kapitel 2) gegeben. Anschließend wird in Kapitel 3 detailliert auf die wichtigen und speziell für die Charakterisierung von ladungsgetrennten Zuständen in Kohlenstoffnanoröhrenhybridsystemen entwickelten diversen spektroelektrochemischen Messtechniken eingegangen. Das 4. Kapitel beinhaltet die Aufgabenstellung und Zielsetzung dieser Dissertation. Schließlich werden die mit den Kohlenstoffnanoröhren kombinierten aromatischen Moleküle in Kapitel 5 vorgestellt sowie die Probenpräparationen zur Herstellung stabiler Kohlenstoffnanoröhrenhybridsysteme in Suspensionen ausführlich beschrieben. Es werden ebenfalls in diesem Kapitel die für die photophysikalischen, mikroskopischen, elektrochemischen und auch spektroelektrochemischen Messungen eingesetzten Messgeräte mit ihren Spezifikationen detailliert aufgeführt. Darüber hinaus beinhaltet dieses Kapitel neben der erwähnten Probenpräparation für die Herstellung der Hybridsysteme auch die wichtige experimentelle Probenvorbereitung zur Charakterisierung mit Hilfe unterschiedlicher Messtechniken. Letztendlich werden in den folgenden zwei Kapiteln die erhaltenen wissenschaftlichen Ergebnisse ausführlich diskutiert. In Kapitel 6 wird speziell auf die Untersuchungen eines Referenzsystems und dessen Vergleich mit kovalent modifizierten Kohlenstoffnanoröhren eingegangen. Wohingegen im 7. Kapitel detailliert die Einflüsse und Änderungen der optischen wie auch elektronischen Eigenschaften der Nanoröhren durch die nicht-kovalenten Wechselwirkungen diverser aromatischer Moleküle beschrieben werden. Hierfür wird ebenfalls für die Bestätigung einer attraktiven Wechselwirkung der Röhren mit den aromatischen Molekülen ein Referenzsystem herangezogen. Dieses Referenzsystem besteht ausschließlich aus einer stabilen Dispersion der Kohlenstoffnanoröhren in einem rein organischen Lösungsmittel, wodurch die entstehenden Veränderungen im zu untersuchenden System auf die hinzugegebenen aromatischen Moleküle zurückzuführen ist. Daneben wird in diesem Kapitel anhand der neuen spektroelektrochemischen Messmethoden sowohl die chemische p-Dotierung der Kohlenstoffnanoröhren mittels eines wasserlöslichen Perylen-Derivates, als auch das chemische n-Dotierung der Röhren durch ein Porphycen-Derivat eindeutig aufgezeigt. Des Weiteren kann auch ein oxidativer photoinduzierter Elektronentransfer erfolgreich nachgewiesen bei dem ein Flavin-Derivat als Elektronendonor agiert und die Nanoröhren als entsprechender Elektronenakzeptor fungieren. Hingegen kann für ein ähnliches System bestehend aus dem Decyl-Flavin-Derivat und CoMoCat-Nanoröhren ein Energietransfer beobachtet werden. Abschließend erfolgt in Kapitel 8 eine Zusammenfassung der erhaltenen Ergebnisse bezüglich aller untersuchten Systeme.

DOI
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