Block copolymer derived three-dimensional ordered hybrid materials for energy storage and conversion

Abstract

In this thesis, block copolymers are used to rationally structure inorganic and hybrid materials into ordered, percolating nanostructures. The tunability of the microstructure, chemical composition, and porosity is explored and correlated with the materials’ performance in energy storage and conversion applications. Dense and thick mesoporous TiO2/C hybrid monoliths were prepared by co-assembly with a triblock copolymer and characterized as potential lithium ion battery anodes. The structure-directing polymer was carbonized to retain a thin conductive carbon layer at the electrolyte|electrode interface that increases the intrinsic conductivity of the active material. Polymer electrolytes were prepared by tailoring the individual blocks of the block copolymer. A minor conductive block decoupled ionic mobility from slow polymer relaxation, while sufficient mechanical stability was provided by covalently linked, mechanically stronger, insulating blocks. This combination overcomes a common trade-off between high conductivity and strength. Photocatalysis requires direct access of reactants and incident photons to a catalysts’ surface. The final part of the thesis shows that complete thermal removal of the template can create a mesoporous inorganic percolating network. Structuring the catalyst in this way improved the efficiency of photocatalysis as it combines high pore diffusibility with improved charge carrier transport properties.

Diese Doktorarbeit untersucht die Herstellung hochgeordneter, perkolierender Nanostrukturen mittels Blockcopolymeren und diskutiert deren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit darauf basierender Materialien in Anwendungen der modernen Energiespeicherung und –umwandlung. In einer ersten Studie wurden mesoporöse, monolithische TiO2/C-Hybride mittels eines Triblockcopolymers hergestellt und als Lithium-Ionen-Batterieanode getestet. Die Karbonisierung des strukturgebenden Polymers ergab eine leitfähige Kohlenstoffschicht an der Grenzfläche zum Elektrolyten und erhöhte so die intrinsische Leitfähigkeit. Einzelne Polymerblöcke wurden optimiert, um makroskopische Eigenschaften von Polymerelektrolyten unabhängig voneinander einzustellen. Eine besonders kleine, leitfähige Komponente erlaubte die Entkopplung der ionischen Leitfähigkeit von der Kettenmobilität, während kovalent gebundene, isolierenden Blöcke gleichzeitig hohe mechanische Stabilität gewährleisteten. Der verbreitete Widerspruch zwischen hoher Leitfähigkeit und Stabilität dieser Materialklasse konnte so vermieden werden. Photokatalyse erfordert direkten Zugang der Reaktanden und der Ladungsträger zur katalytisch aktiven Oberfläche. Im letzten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass die Entfernung des strukturgebenden Polymers zu mesoporösen, perkolierenden, anorganischen Netzwerken führte. Diese erhöhten die Effizienz der Photokatalyse, da verbesserte Porendiffusivität und hohe Ladungsträgermobilitäten kombiniert wurden.