Title: Materials from functionalised metal oxide surfaces : ionic nanoparticle networks and cellulose aerogels
Language: English
Authors: Litschauer, Marco 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Néouze, Marie-Alexandra 
Assisting Advisor: Peterlik, Herwig
Issue Date: 2011
Number of Pages: 127
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
In dieser Arbeit wurde die Synthese neuer anorganisch-organischer Hybridmaterialien, basierend aufMetalloxid Nanopartikel und ionischer Bindeglieder untersucht. Hierfür wurden SiO2 Nanopartikel, mit Durchmessern von ca. 15 nm, mit Hilfe von Trialkoxysilanen, welche entweder Imidazol oder Chlorid Funktionalitäten besitzen, oberflächenfunktionalisiert. Der entscheidende Schritt, eine nukleophile Substitutionsreaktion, resultiert in einem Netzwerk aus SiO2 Nanopartikeln basierend auf Imidazolium als verbrückende Einheit.
Mittels diverser spektroskopischer Methoden, wie etwa NMR und SAXS, konnte gezeigt werden, dass das erhaltene System eine Nahordnung besitzt, obwohl nicht alle Imidazol Funktionalitäten eine Verbindung eingehen.
Weiters wurde der Einfluss der verschiedenen Komponenten, die Partikel, die Verbindungseinheiten und die Anionen, auf die Eigenschaften des Materials untersucht. Verschiedene Übergangsmetalloxid, in einem anderen Teil der Arbeit auch metallisches Silber, Nanopartikel wurden synthetisiert und funktionalisiert mit Phosphonsäurederivaten. Durch FTIR und TGA Methoden konnte ein Beweis über die Funktionalisierungen erbracht werden. Beispielhaft wurden TiO2 Nanopartikel Netzwerke synthetisiert, welche hohe spezi sche Oberflächen mit interpartikulärer Porösität aufweisen. Netzwerke mit zwei Imidazoliumeinheiten wurden mittels Dichlormolekülen hergestellt. Dabei führen exible Alkylketten zu schwächer geordneten Systemen, als gegenüber starren. Weiters wurden Austauschreaktionen, mit verschiedensten Anionen durchgeführt. Durch Elementaranalyse konnte gezeigt werden, dass die Chloridanionen nur teilweise ausgetauscht werden konnten. SAXS Untersuchungen wiesen auf eine Anordnung der Imidazoliumeinheiten hin. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde die Herstellung von Mono- und Multischichten von TiO2 Nanopartikel auf Siliziumwafern gezeigt. Dabei zeigen die erhaltenen Schichten Widerstände gegenüber Scherkräften, im Bereich von kovalenten Bindungen. Weiters wurde der Sol-Gel Prozess, welcher verwendet wurde um die SiO2 Nanopartikel zu funtionalisieren, zur Oberflächenmodi zierung von Zelluloseaerogelen, mittels verschiedenen Verhältnissen von CPTMS und TEOS, benutzt. Mit Hilfe von N2-sorptionsmessungen bei 77K wurde gezeigt, dass durch bestimmte Kombinationen das poröse System der Aerogele erhalten werden konnte.

In this work the synthesis of new inorganic-organic hybrid materials based on metal oxide nanoparticles and ionic connectors was investigated.
Therefore, SiO2 nanoparticles, with sizes around 15 nm diameter, were surface functionalised using trialkoxysilanes bearing either imidazole or chloride end groups. The final step, a nucelophilic substitution reaction between these two functionalities, results in a SiO2 nanoparticle network based on imidazolium as bridging units. Through various spectroscopic methods, such as NMR and SAXS, it could be shown, that the system exhibits a short-range ordering, even though not every imidazole undergoes a reaction. Further, the influences of the different components, the nanoparticles, the ionic bridging unit and the anionic counterpart, on the properties of the system were investigated. First, diff erent transition metal oxide, and in another part also metallic silver, nanoparticles were synthesised, and functionalised with phosphonic acid, bearing chloro or imidazole end groups. FTIR and TGA measurements provided proof of the modi cations. Exemplary, TiO2 nanoparticle systems were synthesised, showing high surface areas, together with interparticle porosity. For the second alteration, di fferent dichloro compounds were used to bridge SiO2 nanoparticles.
Thereby, flexible alkyl chains resulted in weaker ordered networks, than by using more rigid ones. Furthermore anion metathesis reactions with di fferent anions were carried out on the networks. Through elemental analyses it could be seen, that the chloride anions where only partially exchanged. SAXS investigations showed the evaluation of arrangement of the imidazolium units.
In another part of the work the fabrication of these covalently connected nanoparticle networks was highlighted. Mono- and multilayers of TiO2 nanoparticles were deposited on silicon substrates. Thereby, the connections showed resistances against shearing forces, typical for covalent bonds.
In the last part the sol-gel process, used for the functionalisation of SiO2 nanoparticles, was also used in order to surface functionalised cellulose aerogels, using di fferent ratios of CPTMS or TEOS. It was shown through nitrogen sorption measurements at 77K, that di fferent combinations of these led to the preservation of the porous systems.
Keywords: Hybridmaterialien; Imidazolium; Nanopartikel; Metalloxid; Öberflächenfunktionalisierung; Zellulose Aerogel
hybrid material; imidazolium; nanoparticle; metal oxide; surface functionalisation; cellulose aerogel
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-52196
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9661
Library ID: AC07812294
Organisation: E165 - Institut für Materialchemie 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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