Es wurden Copolymere synthetisiert und als Beschichtung auf Edelstahl und Kupfer - als Materialien mit deutlich höherer Leitfähigkeit als Grafit - aufgetragen, analysiert und auf Eignung als Anodenmaterial in mikrobiellen Brennstoffzellen untersucht. Die bisher mit purem Kupfer und Edelstahl erreichten ausbaufähigen Leistungen der reinen Materialien sind dabei besonders bei Edelstahl sollten durch Copolymere mit Komponenten zur Anbindung, zur Förderung der bakteriellen Adhäsion sowie zur Verbesserung des Elektronentransfers verbessert werden. Zur Anbindung auf Edelstahl wurden zwei chemisorbierende Phosphonate und eine Phosphonsäure mit quartären Ammoniumsalzen als zweite Komponente gewählt, da diese als wachstumsfördernd bei anodophilen Bakterien gelten. Die Beschichtung erfolgte mittels Spray-Coating und wurde mit Ellipsometrie, Kontaktwinkel und elektrochemischer Methoden analysiert. Hierbei lösten sich die phosphonathaltigen Beschichtungen bei Potentialen unter -0,2 V vs. Ag/AgCl. Die Verwendung der redoxaktiven Gruppe TEMPO verhinderte zwar das Ablösen der Schichten, allerdings verhinderte die TEMPO-Gruppe das Anwachstum der Bakterien. Zur Anbindung auf Kupfer sind schwefelhaltige Komponenten zur Physi- bzw. Chemisorption nötig. Als zweite Komponente wurde das quartäre Ammoniumsalz bzw. die redoxaktive Gruppe Ferrocen verwendet und mittels eines simplen Tauchprozesses beschichtet. Dieser musste anaerob erfolgen, da ansonsten abhängig vom Polymer verschiedene Oxidschichten generiert wurden. Die dünne Oxidschicht verschob die Oxidation des Kupfers zu höheren Potentialen im Vergleich zu reinem Kupfer, während die Leistungsfähigkeit als Anodenmaterial für alle Materialien vergleichbar. Die thiolhaltigen Polymeren nicht erfolgreich auf Kupfer aufgebracht werden. Zuletzt wurde die Autopolymerisation Dopamin und dessen Copolymerisation mit 1,1'-Ferrocendicarboxaldehyd zur Modifikation von Oberflächen in Bezug auf das Schichtwachszum, die Oberflächentopografie und die elektrochemischen Eigenschaften untersucht, wobei das Copoolymer zu schneller wachsenden und homogeneren Schichten führte. Beide Beschichtungen verschoben die Oxidation des Kupfers zu höheren Potentialen. Die Leistung als Anodenmaterial war für beide Beschichtungen höher als bei reinem Kupfer. Die Anwachszeit war allerdings bei der reinen Polydopaminbeschichtung deutlich kürzer als beim modifizierten Polydopamin, was die Polydopaminbeschichtung als geeignetstes Material ausweist. ; Copolymers have been synthesized for the coating of stainless steel (SS) and copper since their electric conductivity is better than for graphite. The copolymer coatings with components to bind on the surface, fasten up the initial adhesion of the bacteria and enhance the charge transfer were synthesized, coated, and analysed anode material in microbial fuel cells (MFCs) to improve their power especially for SS. Due to chemisorption two phosphonates and one phosphonic acid has been used on SS with quaternary ammonia salts as second component to improve the growth of anodophilic bacteria. The copolymers were analysed due to their r-parameters by NMR-spectroscopy and their coating behaviour via spray-coating by ellipsometry, contact angle and electrochemical methods. It was observed that the phosphonatic layers detached below -0.2 V vs. Ag/AgCl. The phosphonic acid layers stayed stable, but the current densities in the chronoamperometric measurements remain low. The redox active component TEMPO prevented a detachment. However, the TEMPO moiety was antimicrobial. Sulphur containing moieties were investigated for the binding on copper since sulphur due to physisorbation or chemisorbation with quaternary ammonia salts or the redox active group ferrocene as second component. Again r-parameters were determined for each couple. The coating was done by a dipping process. However, only different oxide layers were built depending from the utilized copolymer if not worked under nitrogen. The thin oxide layers shifted the oxidation of the bulk material to higher potentials compared to pure copper, whereas the powers of the different copper materials were comparable. The polymers containing thiols could not be coated successful. The auto polymerization of dopamine and its copolymerization with 1,1'- ferrocenedicarboxaldehyd are further possible modifications of surfaces. The growth of the different coatings and the coatings themselves have been investigated. A faster growth was observed for the ferrocene containing polydopamine. Furthermore the coatings differ in their surface topography. Both coatings shift the oxidation of the copper to higher potentials. The power of the coatings as anode material was higher than the pure copper. However, the start- up time of the ferrocene modified dopamine was higher than the dopamine coated or the uncoated copper. As conclusion polydopamine coated copper is an effective anode material in MFCs.


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    Titel :

    Polymerbeschichtungen für Anoden in mikrobiellen Brennstoffzellen


    Weitere Titelangaben:

    Polymer coatings for anodes in microbial fuel cells


    Beteiligte:
    Grams, Melanie (Autor:in) / Menzel, Henning (Akademische:r Betreuer:in) / Schröder, Uwe (Akademische:r Betreuer:in) / Technische Universität Braunschweig (Grad-verleihende Institution)

    Erscheinungsdatum :

    2021


    Format / Umfang :

    1 Online-Ressource (PDF-Datei: 4 MB)



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Elektronische Ressource


    Sprache :

    Deutsch



    Klassifikation :

    DDC:    547.7
    BKL:    53.36 Energiedirektumwandler, elektrische Energiespeicher