Dr. Saskia Heumann - Kohlenstoff Synthese und Anwendung

Dr. Saskia Heumann
Leiterin der Gruppe Kohlenstoff Synthese und Anwendung
Abteilung Heterogene Reaktionen

Vita

DiplomChristian-Albrechts-Universität zu Kiel, Dipl. Chem. (2003-2008)
DiplomarbeitIFM-GEOMAR, Leibnitz Institut, Maritime Chemistry (2009)
Dr. rer. nat.Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Inorganic Chemistry (Prof. Dr. W. Bensch) (2012)
GruppenleiterinMPI CEC (seit 2012)

Publications

Full publications list | ORCID | ResearcherID

Selected MPI CEC publications

  • Park, H., Uluca-Yazgi, B., Heumann, S., Schlögl, R., Granwehr, J., Heise, H., Schleker, P.P.M. (2020). Heteronuclear cross-relaxation effect modulated by the dynamics of N-functional groups in the solid state under 15N DP-MAS DNP Journal of Magnetic Resonance 312, 106688. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2020.106688
  • Ding, Y., Gu, Q., Klyushin, A., Huang, X., Choudhury, S.H., Spanos, I., Song, F., Mom, R., Düngen, P., Mechler, A.K., Schlögl, R., Heumann, S. (2020). Dynamic carbon surface chemistry: revealing the role of carbon in electrolytic water oxidation Journal of Energy Chemistry 47, 155-159. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.12.006
  • Kraus, P., Massué, C., Heumann, S., Schlögl, R. (2019). Reliable long-term performance assessment of commercial photovoltaic modules tested under field conditions over 5 years Journal of Renewable and Sustainable Energy 11, 063501. https://doi.org/10.1063/1.5128171
  • Lin, Y., Liu, Z., Niu, Y., Zhang, B., Lu, Q., Wu, S., Centi, G., Perathoner, S., Heumann, S., Lu, Y., Su, D.S. (2019). Highly Efficient Metal-Free Nitrogen-Doped Nanocarbons with Unexpected Active Sites for Aerobic Catalytic Reactions ACS Nano https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05856
  • Park, H., Schleker, P.P.M., Liu, Z., Kowalew, N., Stamm, T., Schlögl, R., Eichel, R.-A., Heumann, S., Granwehr, J. (2019). Insights on Water Interaction at the Interface of Nitrogen Functionalized Hydrothermal Carbons The Journal of Physical Chemistry C 123(41), 25146-25156. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b05323
  • Ding, Y., Schlögl, R., Heumann, S. (2019). The role of supported atomically distributed metal species in electrochemistry and how to create them ChemElectroChem 6(15), 3860-3877. https://doi.org/10.1002/celc.201900598
  • Lin, Y., Lu, Q., Song, F., Yu, L., Mechler, A.K., Schlögl, R., Heumann, S. (2019). Oxygen Evolution Reaction at Carbon Edge Sites: Activity Evolution and Structure‐Function Relationships Clarified by Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Angewandte Chemie International Edition 58(26), 8917-8921. https://doi.org/10.1002/anie.201902884
  • Gu, Q., Ding, Y., Liu, Z., Lin, Y., Schlögl, R., Heumann, S., Su, D. (2019). Probing the intrinsic catalytic activity of carbon nanotubes for the metal-free oxidation of aromatic thiophene compounds in ionic liquids Journal of Energy Chemistry 32, 131-137. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.004
  • Rodenas, T., Beeg, S., Spanos, I., Neugebauer, S., Girgsdies, F., Algara-Siller, G., Schleker, P.P.M., Jakes, P., Pfänder, N., Willinger, M., Greiner, M., Prieto, G., Schlögl, R., Heumann, S. (2018). 2D Metal Organic Framework-Graphitic Carbon Nanocomposites as Precursors for High-Performance O2-Evolution Electrocatalysts Advanced Energy Materials 8(35), 1802404. https://doi.org/10.1002/aenm.201802404
  • Lin, Y., Wu, K.-H., Lu, Q., Gu, Q., Zhang, L., Zhang, B., Sheng Su, D., Plodinec, M., Schlögl, R., Heumann, S. (2018). Electrocatalytic Water Oxidation at Quinone-on-Carbon: A Model System Study Journal of the American Chemical Society 140(44), 14717-14724. https://doi.org/10.1021/jacs.8b07627
  • Düngen, P., Greiner, M., Böhm, K.H., Spanos, I., Huang, X., Auer, A.A., Schlögl, R., Heumann, S. (2018). Atomically dispersed vanadium oxides on multiwalled carbon nanotubes via atomic layer deposition: A multiparameter optimization Journal of Vacuum Science & Technology A 36(1), 01A126. https://doi.org/10.1116/1.5006783
  • Ding, Y., Klyushin, A., Huang, X., Jones, T., Teschner, D., Girgsdies, F., Rodenas, T., Schlögl, R., Heumann, S. (2018). Cobalt Bridged with Ionic Liquid Polymer on Carbon Nanotube for Enhanced Oxygen Evolution Reaction Activity Angewandte Chemie International Edition 57(13), 3514-3518. https://doi.org/10.1002/anie.201711688
  • Düngen, P., Schlögl, R., Heumann, S. (2018). Non-linear thermogravimetric mass spectrometry of carbon materials providing direct speciation separation of oxygen functional groups Carbon 130, 614-622. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.01.047
  • Straten, J.W., Schlecker., P., Krasowska, M., Veroutis, E., Granwehr, J., Auer, A.A., Hateba, W., Becker, S., Schlögl, R., Heumann, S. (2018). N-Funtionalized Hydrothermal Carbon Materials using Urotropine as N-Precursor Chemistry - A European Journal 24(47), 12298-12317. https://doi.org/10.1002/chem.201800341
  • Gu, Q.Q., Lin, Y.M., Heumann, S., Su, D.S. (2017). Nanocarbons for Catalytic Desulfurization Chemistry - An Asian Journal 12(22), 2876-2883. https://doi.org/10.1002/asia.201700995
  • Yi, Y.M., Weinberg, G., Prenzel, M., Greiner, M., Heumann, S., Becker, S., Schlögl, R. (2017). Electrochemical corrosion of a glassy carbon electrode Catalysis Today 295, 32-40. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2017.07.013
  • Lin, Y.M., Wu, K.H., Yu, L.H., Heumann, S., Su, D.S. (2017). Efficient and Highly Selective Solvent-Free Oxidation of Primary Alcohols to Aldehydes Using Bucky Nanodiamond ChemSusChem 10(17), 3497-3505. https://doi.org/10.1002/cssc.201700968
  • Düngen, P., Prenzel, M., Van Stappen, C., Pfänder, N., Heumann, S., Schlögl, R. (2017). Investigation of Different Pre-Treated Multi-Walled Carbon Nanotubes by Raman Spectroscopy Materials Sciences and Applications 8, 628-641 https://doi.org/10.4236/msa.2017.88044
  • Hävecker, M., Düngen, P., Buller, S., Knop-Gericke, A., Trunschke, A., Schlögl, R. (2017). Restructuring of silica supported vanadia during propane oxidative dehydrogenation studied by combined synchrotron radiation based in situ soft X-ray absorption and photoemission Catalysis Structure and Reactivity 3, 104-111. https://doi.org/10.1080/2055074X.2017.1287535
  • Buller, S., Strunk, J. (2016). Nanostructure in energy conversion Journal of Energy Chemistry 25(2), 171-190. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2016.01.025
  • Buller, S., Heise-Podleska, M., Pfänder, N., Willinger, M., Schlögl, R. (2016). Carbon nanotubes as conducting support for potential Mn-oxide electrocatalysts: Influences of pre-treatment procedures Journal of Energy Chemistry 25(2), 265-271. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2016.01.022



Gruppenmitglieder

Wissenschaftliche Mitarbeiter

  • Dr. Yang-Ming Lin
  • Dr. Zigeng Liu
  • Dr. Lin-Hui Yu

Postdocs

  • Dr. Guillermo Álvarez Ferrero
  • Dr. Yuxiao Ding
  • Dr. Peter Philipp Maria Schleker

PhD Studenten

  • Sakeb Hasan Choudhury
  • Heeyong Park

Labor

  • Marius Heise-Podleska
  • Natalia Kowalew
  • Dieter Oppenberg
  • Teresa Stamm
  • Tobias Stamm

Kohlenstoff Synthese und Anwendung

Das Ziel unserer Forschung ist die wissensbasierte Entwicklung von fortschrittlichen Elektrodenmaterialien, die aus einem strukturierten Kohlenstoffgerüst bestehen. Die Arbeiten konzentrieren sich auf Elektrodenmaterialien für die Sauerstoff-Evolutions-Reaktion (OER) in der Wasserelektrolyse. Die allgemeine Idee ist die Verwendung von Glukose als Modellvorläufer für Biomasse (a), die als günstige und reichlich vorhandene Kohlenstoffquelle genutzt werden kann. Die anfänglich flüssigen Lösungen wandeln sich während des Autoklavenprozesses (b) unter hohem Druck und hohen Temperaturen in modifizierte flüssige und feste kohlenstoffhaltige Materialien um. Die flüssigen Produkte können in Bioraffinerieanlagen weiter umgewandelt werden um Brennstoffe oder andere wertschöpfende Chemikalien herzustellen. Die festen Produkte können gepresst und im Rohrofen unter Inertgasatmosphäre zu mechanisch stabilen Tabletten verarbeitet werden. Die hohe Anzahl funktioneller Gruppen innerhalb des hydrothermalen Kohlenstoffs (HTC) führt zu intrinsischen Bindungseigenschaften während der Pelletbildung (c). Es wird kein zusätzliches Bindemittel, wie z.B. Nafion, benötigt und die spezifischen Materialeigenschaften können direkt untersucht werden.

Die kohlenstoffbasierten Elektrodenmaterialien werden in elektrochemischen Zellen (d) eingesetzt um ihre elektrochemische Aktivität sowie ihre Stabilität zu untersuchen. Während des Wasserspaltungsprozesses entstehen die gasförmigen Produkte Wasserstoff und Sauerstoff. Auf diese Weise wird die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen wie zum Beispiel Sonnen- oder Windenergie in den chemischen Energieträger Wasserstoff umgewandelt. Dieser kann unter der Verwendung von Industrieabgasen weiter in Methanol oder Ammoniak umgewandelt werden (e).

Interessen und Herausforderungen:

·      Erhöhung der langfristigen Stabilität bei gleichbleibend hoher Aktivität

·      Untersuchung von aktiven Spezies

·      Vergrößerung der Kohlenstoffoberflächen

·      Verständnis des Kondensationsprozesses in den Autoklaven

·      Untersuchung der kohlenstoffhaltigen Strukturen

·      Einfluss der Heteroatome im Autoklavenprozess

·      Integration von Stickstoff/Metall (Oxide) in Kohelnstoffstrukturen

·      Verständnis von Struktur-Eigenschafts-Korrelationen

Hydrothermale Kohlenstoffsynthese1,2

Die Kohlenstoffsynthesestrategie der Gruppe basiert auf der Verwendung von molekularen Vorläufern und kontrollierbaren Kondensationsreaktionen in flüssiger Phase. Für diesen Bottom-up-Ansatz wird Glukose verwendet, um feste hydrothermale Kohlenstoffe zu erhalten. Der Einbau von funktionellen Sauerstoff- oder Stickstoffgruppen kann durch Variation des Anfangs-pH-Wertes oder durch die Zugabe von stickstoffhaltigen Vorläufern wie z.B. Urotropin eingestellt werden. Die Verteilung der funktionellen Sauerstoffgruppen sowie die Morphologie des kohlenstoffhaltigen Produkts wird durch Prozessparameter, insbesondere den pH-Wert, gesteuert. Für einen niedrigeren Anfangs-pH-Wert der Synthese, d. h. pH 0, wurden ausgedehnte kohlenstoffhaltige Strukturen durch Raman-Spektroskopie bestätigt, während für pH > 3 furanische Struktureinheiten entstehend aus dem 5-Hydroxymethylfurfural-Zwischenprodukt die dominierenden Strukturmotive des Kohlenstoffs bilden. Die hohe Anzahl funktioneller Gruppen führt zu intrinsischen Bindungseigenschaften, die die Herstellung funktioneller Pelletelektroden durch Pressen und thermisches Glühen bei 900°C ermöglichen. In Abwesenheit von Nafion können die reinen Materialeigenschaften für ein weiteres grundlegendes Verständnis der elektrochemischen Prozesse untersucht werden. Die makroskopische Dimension der Festkörperelektrode ermöglicht quantitative analytische Untersuchungen vor und nach elektrochemischen Tests.

Postfunktionalisierungstechniken wie Plasmabehandlung, elektrochemische Oxidation und (hydro)thermische Behandlungen in aktiven Gasen/Lösungsmitteln vervollständigen die methodische Vielfalt zur Einführung der gewünschten Eigenschaften der Oberfläche zur Stabilisierung von Katalysatoren.

Charakterisierung3,4,5

Um unterschiedlich funktionalisierte Kohlenstoffmaterialien zu unterscheiden, wurden etablierte Charakterisierungsmethoden modifiziert, um tiefgreifende Erkenntnisse über die synthetisierten Kohlenstoffmaterialien und ihre Modifizierung unter elektrochemischen Bedingungen zu erhalten. Für die Raman-Spektroskopie wurde ein Ein-Phonon-Resonanz (SPR)-Anpassungsverfahren für graphitische Materialien auf der Basis von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT) entwickelt. Die aus der Theorie abgeleitete Anpassung führte zu genauen Verhältnissen der idealen graphitischen Gitterschwingungen (G-Band) und der durch Defekte/Funktionsgruppen induzierten Gitterschwingungen (D- und D'-Band). Darüber hinaus konnte die direkte Probentrennung funktioneller Gruppen mit einem nichtlinearen Erwärmungsverfahren durch den thermogravimetrischen Massenspektrometrie-Aufbau erreicht werden. Unterstützt durch weitere Charakterisierungstechniken wie Mikroskopie und Röntengphotoelektronenspektroskopie (XPS) kann die Art und Menge der Funktionalisierung von graphitischen Kohlenstoffmaterialien abgeleitet werden.

Metallabscheidungen6,7

Wir haben die Möglichkeiten der Verankerung von Metallen auf strukturierten Kohlenstoffmaterialien weiter untersucht. Eine starke Wechselwirkung zwischen katalytisch aktiven Spezies und elektrisch leitendem Kohlenstoffträger ist für eine hohe Aktivität und Stabilität der Katalysatormaterialien unerlässlich. Techniken wie Atomlagenabscheidung (ALD), Nassimprägnierung, Adsorption von Kolloiden oder die Verwendung von polymerisierten ionischen Flüssigkeiten wurden angewandt, um intensive Synergieeffekte zu erzielen. Als Trägermaterialien wurden verschiedene vorbehandelte mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet, auf deren Oberfläche atomar dispergierte Metalloxide erzeugt werden konnten. Die Materialien zeigten bemerkenswert hohe Aktivitäten sowie Stabilitäten.


Referenzen

[1] S. Reiche, N. Kowalew, R. Schlögl, Influence of Synthesis pH and Oxidative Strength of the Catalyzing Acid on the Morphology and Chemical Structure of Hydrothermal Carbon, ChemPhysChem. https://doi.org/10.1002/cphc.201402834

[2] J. W. Straten, P. Schlecker, M. Krasowska, E. Veroutis, J. Granwehr, A.A. Auer, W. Hateba, S. Becker, R. Schlögl, S. Heumann, N-Funtionalized Hydrothermal Carbon Materials using Urotropine as N-Precursor, Chemistry - A European Journal, https://doi.org/10.1002/chem.201800341

[3] P. Düngen, M. Prenzel, Casey Van Stappen, Norbert Pfänder, Saskia Heumann, and Robert Schlögl, Investigation of different pre-treated multi-walled carbon nanotubes by Raman spectroscopy, Materials Sciences and Applications https://doi.org/10.4236/msa.2017.88044

[4] P. Düngen, R. Schlögl, S. Heumann, Non-linear thermogravimetric mass spectrometry of carbon materials providing direct speciation separation of oxygen functional groups, Carbon https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.01.047


[5] Y. Yi, G. Weinberg, M. Prenzel, M. Greiner, S. Heumann, S. Becker, R. Schlögl, Electrochemical corrosion of a glassy carbon electrode, Catalysis Today https://doi.org/10.1016/j.cattod.2017.07.013

[6] P. Düngen, M. Greiner, K.-H. Boehm, I. Spanos, X. Huang, A.A. Auer, R. Schloegl, S. Heumann, Atomically dispersed vanadium oxides on multiwalled carbon nanotubes via atomic layer deposition: A multiparameter optimization, Journal of Vacuum Science & Technology A https://doi.org/10.1116/1.5006783

[7] Y. Ding, A. Klyushin, X. Huang, T. Jones, D. Teschner, F. Girgsdies, T. Rodenas, R. Schlögl, S. Heumann, Cobalt Bridged with Ionic Liquid Polymer on Carbon Nanotube for Enhanced Oxygen Evolution Reaction Activity, Angewandte Chemie Int. Ed, doi.org/10.1002/anie.201711688, https://doi.org/10.1002/ange.201711688

Alumni

Dr. Sylvia Becker   Dr. Jan Willem Straten
Dr. Pascal DüngenFabian Wachholz
Dr. Qingqing Gu Dr. Shuchang Wu
Dr. Marina PrenzelDr. Youngmi Yi
Dr. Tania Rodenas