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New carbon-based materials for energy storage


Bliersbach, Andreas. New carbon-based materials for energy storage. 2015, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Abstract In the context of hydrogen for energy storage purposes it has long been debated that lightweight, compact, affordable and safe hydrogen storage can only be realized within an absorber. Tremendous efforts have been made to develop novel materials with high hydrogen densities as well as with rapid, reversible and energetically economical sorption properties. However, even 149 years after the discovery of the first metal hydride (PdH) currently no material satisfies all requirements. Hydrogen forms compounds with nearly every other element on the periodic table and generally has a dramatic impact on the chemical and physical properties of the host. Consequently, the number of possible combinations that can be investigated is extensive. In this thesis, novel, nanoscale, carbon-based materials have been investigated for their structure and energy storage related properties. Three different types of materials have been synthesized and were characterized by means of a multitude of experimental techniques, i.e. volumetric gas sorption, Raman-, EEL-, X-ray photoelectron- and FT-IR spectroscopy, X-ray and neutron powder diffraction, SQUID magnetometry, electrochemical cycling tests, electron microscopy and muon spin repolarization. The impressive impact of the carbon structure and the metal doping on hydrogen storage capacities reported here for metal decorated thermally exfoliated graphites and metal intercalated fullerenes clearly motivates future investigations of similar materials. In addition important preliminary work was done on the storage of Li-Ions on corannulene deriva- tives. The results indicate that the strategy is working and is worth pursuing further in the future. = Kurzfassung Es ist seit langem bekannt, dass zur kompakten, kostengünstigen und sicheren Speicherung von Wasserstoff ein Absorber benötigt wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass Wasserstoff in seiner flüssigen und seiner gasförmigen Phase entweder zu geringe Speicherdichten oder zu hohe Sicherheitsrisiken aufweist. Die Entdeckung des ersten Metallhydrids (PdH) liegt fast einhundertfünfzig Jahre zurück und seither sind Jahrzehnte intensiver Forschung an Wasserstoffspeichermaterialien vergangen. Trotz dieser großen wissenschaftlichen Anstrengungen ist noch kein Speichersystem entwickelt worden, welches allen Anforderungen nach schnellen, reversiblen und energetisch wirtschaftlichen Sorptionseigenschaften genügt. Da Wasserstoff mit fast jedem Element des Periodensystems Bindungen eingeht und dabei oft gleichzeitig die physikalischen sowie chemischen Eigenschaften des Trägers massiv beeinflusst, existieren unzählige Kombinationen von möglichen Speichersystemen. Viele dieser Systeme sind weiterhin unbekannt. In dieser Doktorarbeit wurden neuartige, auf Kohlenstoff basierte Nanomaterialien bezüglich ihrer Struktur- und Energiespeichereigenschaften untersucht. Drei unterschiedliche Materialien wurden synthetisiert und mittels einer Vielzahl von experimentellen Methoden charakterisiert. Unter anderem wurden die Proben mittels volumetrischer Gassorption, Raman-, EEL-, Röntgen-Photoelektronen- und FT-IR Spektroskopie, Röntgen- und Neutronen-Pulverdiffraktometrie, SQUID Magnetometrie, Elektronenmikroskopie und Myonen-Spin-Repolarisation untersucht. Anhand von Messungen an metalldekorierten Graphenen und metallinterkalierten Fullerenen wurde der Einfluss der Kohlenstoffstruktur sowie der Metalldotierung auf die Interaktion des Absorbers mit molekularem sowie atomarem Wasserstoff verdeutlicht. Die vorgelegten Resultate sind hoch motivierend und fordern weitere Untersuchungen an vergleichbaren Materialien. Des Weiteren wurden wichtige erste Messungen zur Lithiumspeicherung an Corannulene-Derivaten durchgeführt. Die vorläufigen Ergebnisse bestätigen die Messstrategie und eröffnen weitreichende Möglichkeiten für zukünftige Messungen.

Abstract

Abstract In the context of hydrogen for energy storage purposes it has long been debated that lightweight, compact, affordable and safe hydrogen storage can only be realized within an absorber. Tremendous efforts have been made to develop novel materials with high hydrogen densities as well as with rapid, reversible and energetically economical sorption properties. However, even 149 years after the discovery of the first metal hydride (PdH) currently no material satisfies all requirements. Hydrogen forms compounds with nearly every other element on the periodic table and generally has a dramatic impact on the chemical and physical properties of the host. Consequently, the number of possible combinations that can be investigated is extensive. In this thesis, novel, nanoscale, carbon-based materials have been investigated for their structure and energy storage related properties. Three different types of materials have been synthesized and were characterized by means of a multitude of experimental techniques, i.e. volumetric gas sorption, Raman-, EEL-, X-ray photoelectron- and FT-IR spectroscopy, X-ray and neutron powder diffraction, SQUID magnetometry, electrochemical cycling tests, electron microscopy and muon spin repolarization. The impressive impact of the carbon structure and the metal doping on hydrogen storage capacities reported here for metal decorated thermally exfoliated graphites and metal intercalated fullerenes clearly motivates future investigations of similar materials. In addition important preliminary work was done on the storage of Li-Ions on corannulene deriva- tives. The results indicate that the strategy is working and is worth pursuing further in the future. = Kurzfassung Es ist seit langem bekannt, dass zur kompakten, kostengünstigen und sicheren Speicherung von Wasserstoff ein Absorber benötigt wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass Wasserstoff in seiner flüssigen und seiner gasförmigen Phase entweder zu geringe Speicherdichten oder zu hohe Sicherheitsrisiken aufweist. Die Entdeckung des ersten Metallhydrids (PdH) liegt fast einhundertfünfzig Jahre zurück und seither sind Jahrzehnte intensiver Forschung an Wasserstoffspeichermaterialien vergangen. Trotz dieser großen wissenschaftlichen Anstrengungen ist noch kein Speichersystem entwickelt worden, welches allen Anforderungen nach schnellen, reversiblen und energetisch wirtschaftlichen Sorptionseigenschaften genügt. Da Wasserstoff mit fast jedem Element des Periodensystems Bindungen eingeht und dabei oft gleichzeitig die physikalischen sowie chemischen Eigenschaften des Trägers massiv beeinflusst, existieren unzählige Kombinationen von möglichen Speichersystemen. Viele dieser Systeme sind weiterhin unbekannt. In dieser Doktorarbeit wurden neuartige, auf Kohlenstoff basierte Nanomaterialien bezüglich ihrer Struktur- und Energiespeichereigenschaften untersucht. Drei unterschiedliche Materialien wurden synthetisiert und mittels einer Vielzahl von experimentellen Methoden charakterisiert. Unter anderem wurden die Proben mittels volumetrischer Gassorption, Raman-, EEL-, Röntgen-Photoelektronen- und FT-IR Spektroskopie, Röntgen- und Neutronen-Pulverdiffraktometrie, SQUID Magnetometrie, Elektronenmikroskopie und Myonen-Spin-Repolarisation untersucht. Anhand von Messungen an metalldekorierten Graphenen und metallinterkalierten Fullerenen wurde der Einfluss der Kohlenstoffstruktur sowie der Metalldotierung auf die Interaktion des Absorbers mit molekularem sowie atomarem Wasserstoff verdeutlicht. Die vorgelegten Resultate sind hoch motivierend und fordern weitere Untersuchungen an vergleichbaren Materialien. Des Weiteren wurden wichtige erste Messungen zur Lithiumspeicherung an Corannulene-Derivaten durchgeführt. Die vorläufigen Ergebnisse bestätigen die Messstrategie und eröffnen weitreichende Möglichkeiten für zukünftige Messungen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Ernst Karl-Heinz
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2015
Deposited On:22 Mar 2019 13:26
Last Modified:15 Apr 2021 15:01
Number of Pages:150
OA Status:Green

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