Funktionalisierung von Oberflächen mit Metallopolymeren zur Herstellung Redox-Responsiver Materialien und deren Anwendungen

Abstract

Metallopolymere weisen eine exzellente Eignung für Anwendungen im Sektor der Energiewirtschaft oder der selektiven Ionensorption auf. Die kovalente Anbindung solcher Moleküle auf Oberflächen ist zum Erhalt von langzeitstabilen Materialien von großer Relevanz und ermöglicht die exakte Einstellung der Materialeigenschaften. In dieser Arbeit wurden daher verschiedene Strategien zur maßgeschneiderten Präparation solcher Materialien angewendet. Hierbei wurde die lebende anionische Polymerisation (LAP) eingesetzt, welche als vielseitige Methode für Reaktionen in Lösung etabliert ist, allerdings auf Oberflächen bisher nur wenig erforscht wurde. Die Erweiterung der Oberflächen-initiierten LAP auf neue funktionale Monomere und die Aufklärung fundamentaler Aspekte dieser Technik stand aus diesem Grund im Fokus der Untersuchungen. Mit dieser Technik wurden unterschiedliche Metallopolymere auf porösen Substraten immobilisiert und die Polymerstruktur hinsichtlich Kettenlänge, Pfropfdichte und Zusammensetzung variiert. Dies ermöglichte eine nähere Betrachtung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Bezug auf die Polymerstruktur der immobilisierten Ketten, des Redox-responsiven Verhaltens sowie der elektrochemischen Adressierbarkeit. Die Auswirkungen auf die Anwendbarkeit als Ionensorptions- und -austauschmaterial sowie die resultierenden Selektivitäten wurden zudem hinsichtlich der Bürstenaufbauten demonstriert und durch einen zweiten Lebenszyklus als Keramiken komplettiert.

Metallopolymers are excellent candidates for applications in the energy-driven sector or selective ion sensing and exchange. The covalent attachment of such molecules to surfaces is of great importance for achieving long-term stable materials and offers the possibility of precise tuning of material properties. Within this work, different strategies for tailoring such materials have been applied. Therefore, living anionic polymerization (LAP) was used, which is a versatile method for reactions in solution but has rarely been studied for polymerizations on surfaces. The investigations have focused on extending surface-initiated LAP to new functional monomers and on elucidating fundamental aspects of this technique. Different metallopolymers were immobilized on (mainly) porous substrates and thereby the polymer structure was varied in terms of chain length, graft density, and polymer composition. This allowed a more detailed investigation of the structure property relationships of the redox-responsive and electrochemical addressability with respect to the surface's polymer (brush) structure. The effects on the applicability as ion-sorption and ion-exchange material were also examined. Furthermore, the resulting selectivity was demonstrated concerning the brush composition, and these studies were completed by a sustainable second life cycle of the materials as ceramics.