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Plasma diagnostics is a key tool to support the further development of plasma-induced chemical conversion of greenhouse gases (such as CO2) into high-value chemicals. For this reason, spectroscopic and electric measurements of low current (below 1.7 A), stationary arc plasmas in CO2 at atmospheric pressure with addition of N-2 or H2O are reported. High-speed photography, imaging emission spectroscopy and time-resolved electrical measurements are used to obtain time-space resolved gas temperatures as well as the electric-field current characteristics of the discharge. It is found that the lowest average electric field in a CO2 arc plasma at atmospheric pressure is similar to 20 kV mm(-1) at a current between 0.8 and 1 A. If the current decreases below this level, the arc remains in vibrational-translational (VT) equilibrium by increasing the electric field. However, VT equilibrium conditions can be only maintained until a threshold minimum current of 0.33 +/- 0.05 A, at which the arc transitions into a non-equilibrium condition with further increasing electric fields (reaching 68 +/- 15 V mm(-1) at 0.03 A). The addition of N-2 or H2O did not influence the electrical characteristics of the CO2 arc within to the tested mixtures. However, there is only a significant decrease in the electric field of the formed transition arcs and the threshold minimum current in the presence of N-2. The spectra of the low-current CO2 arc is found to be dominated by emission from the C-2 Swan band system and the O I 777 nm triplet peak. However, the CN band dominates the spectra even when small amounts (0.5 wt%) of N-2 is present in the plasma. The gas temperature at the axis of the CO2 arc plasma decreased slightly with decreasing current, from an estimated 7000 K at 1 A down to 6300 K at 0.4 A. The thermal radius of the arc is estimated to be larger than 1.2 mm, more than two times larger than the optical radius obtained from the emitted radiation. The addition of N-2 and H2O (up to 7, QC 20231107

The control of low dimensional materials holds potential for revolutionizing the electronic, thermal, and thermoelectric materials engineering. Through strategic manipulation and optimization of these materials, unique properties can be uncover which enable more efficient and effective materials development. Towards the determination of nanoscale strategies to improve the electronic and phononic devices, computational simulations of modified low dimensional materials have been carried in this research. First, the electronic properties of chemically func tionalized phosphorene monolayers are evaluated with spin-polarized Density Functional Theory, as a potential method to tune their electronic properties. The functionalization not only leads to formation of additional states within the semiconducting gap, but also to the emergence of local magnetism. The magnetic ground state and electronic structure are investigated in dependence of molecular coverage, lattice direction of the molecular adsorption and molecule type functionalization. Furthermore, the physical and transport properties of phosphorene grain boundaries under uniaxial strain are evaluated by the use of Density Functional based Tight Binding method in combination with Landauer theory. In both grain boundary types, the electronic bandgap decreases under strain, however, the respective thermal conductance is only weakly affected, despite rather strong changes in the frequency-resolved phonon transmission. The combination of both effects results in an enhancement in the thermoelectric figure of merit in the phosphorene grain boundary systems. Finally, the thermoelectric properties of carbon nanotubes peapod heterostructures are studied and compared to pristine nanotubes using also the Density Functional based Tight Binding method and Landauer theory. It is found that the fullerene encapsulation modifies the electron and phonon transport properties, causing the formation of electronic channels and the suppres, Die Kontrolle niedrigdimensionaler Materialien birgt das Potenzial für eine Revolutionierung der elektronischen, thermischen und thermoelektrischen Technologien. Durch strategische Manipulation und Optimierung dieser Materialien können einzigartige Eigenschaften aufgedeckt werden, die eine effizientere und effektivere Materialentwicklung ermöglichen. Um Strategien im Nanobereich zur Verbesserung elektronischer und phononischer Bauelemente zu ermitteln, wurden in dieser Forschungsarbeit rechnerische Simulationen modifizierter niedrigdimensionaler Materialien durchgeführt. Zunächst werden die elektronischen Eigenschaften von chemisch funktionalisierten Phosphoren-Monoschichten mit Hilfe der spinpolarisierten Dichtefunktionaltheorie als potenzielle Methode zur Abstimmung ihrer elektronischen Eigenschaften bewertet. Die Funktionalisierung führt nicht nur zur Bildung zusätzlicher Zustände innerhalb der halbleitenden Lücke, sondern auch zum Auftreten von lokalem Magnetismus. Der magnetische Grundzustand und die elektronische Struktur werden in Abhängigkeit von der molekularen Bedeckung, der Gitterrichtung der molekularen Adsorption und der Funktionalisierung des Moleküls untersucht. Darüber hinaus werden die Transporteigenschaften von Phosphoren-Korngrenzen unter uniaxialer Belastung mit Hilfe der auf Dichtefunktionen basierenden Tight-Binding-Methode in Kombination mit der Landauer-Theorie untersucht. In beiden Korngrenzentypen nimmt die elektronische Bandlücke unter Dehnung ab, die jeweilige Wärmeleitfähigkeit wird jedoch nur schwach beeinflusst, trotz ziemlich starker Änderungen in der frequenzaufgelösten Phononentransmission. Die Kombination bei der Effekte führt zu einer Erhöhung der thermoelektrischen Leistungszahl in den Phosphorkorngrenzensystemen. Schließlich werden die thermoelektrischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren-Peapod-Heterostrukturen untersucht und mit denen von reinen Nanoröhren verglichen, wobei auch die auf Dichtefunktionen basierende Tight-B

Nanoporöse Festkörper weisen sehr hohe spezifische Oberflächen von mehreren hundert bis mehreren Tausend Quadratmetern pro Gramm auf und haben dadurch eine hohe technische Relevanz als sogenannte Adsorbenzien bei Adsorptionsprozessen. Sowohl für die Entwicklung solcher Prozesse als auch für die Übertragung in den industriellen Maßstab sind verlässliche Informationen über die texturellen und energetischen Eigenschaften der Adsorbenzien unerlässlich. Nur mit diesen Informationen können die Adsorbenzien gezielt für wichtige Prozesse, z.B. in der Stofftrennung, Katalyse, Sensorik oder Chromatographie, ausgewählt werden. Zur Charakterisierung von Adsorbenzien kann eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden eingesetzt werden, jedoch variieren die Aussagekraft und der Informationsgehalt der verschiedenen Methoden. Das Ziel der Arbeit ist der Methodenvergleich von kommerziellen und nichtkommerziellen Methoden der Adsorption und Immersion zur Festkörpercharakterisierung und die Bewertung dieser Methoden hinsichtlich der Verlässlichkeit der erhaltenen Festkörperparameter. Zu diesem Zweck wird die Adsorptionsmanometrie von Gasen und Dämpfen, die Flüssigphasenadsorption und die Immersionskalorimetrie zur umfassenden Charakterisierung von Modellfestkörpern mit einer Reihe von Modellfluiden eingesetzt. Als Modellfestkörper dient eine Serie von vier verschiedenen hierarchischen Kohlenstoffmaterialien, sogenannte Kohlenstoffmolekularsiebe (KMS). Die Modellfluide sind gezielt nach variierender Polarität und variierendem Platzbedarf der Fluidteilchen ausgewählt, um die Aussagekraft der verschiedenen Methoden hinsichtlich textureller und energetischer Oberflächeneigenschaften gezielt vergleichen zu können. Insgesamt zeigt der Methodenvergleich eine sinnvolle Ergänzung und eine gute Abstützung der Methoden untereinander. Dies ermöglicht eine gezielte Kombination der Methoden zur Erhöhung der Aussagekraft bei der Festkörpercharakterisierung mit möglichst geringem experimentellem Aufwand.

Formation of gas hydrates is an important feature of water systems. It occurs undesirably in natural gas pipelines, but also in deep-sea deposits and unfreezing permafrost. However, the natural occurrence is of particular interest because methane hydrates have one of the highest energy densities of all naturally occurring forms of methane. Therefore, an accurate description of its thermodynamic properties is required. In this work, we demonstrate how the material properties of methane hydrate can be more easily calculated compared to ab initio methods. Furthermore, it is shown how the material properties depend on the cage occupancy by using the comparably fast self-consistent-charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) method. The cell potential is calculated and compared to a numerical as well as an ab initio model, and is in good agreement with the literature.

Surface phenomena are an integral part of everyday life -- whether in the appearance of bubbles in the sink after washing one's hands or in the design of water-repellent clothing. Surface phenomena also find application in industrial processes, such as catalysis, fluid purification, or separation. For industrial application, materials with huge surface-to-volume ratios are preferred. Solids with pores in the nanometer range (i.e. nanoporous solids) are such materials, and of these, metal-organic frameworks are the most versatile class. Metal-organic frameworks have already received a high level of attention. The modular structure -- MOFs consist of inorganic nodal building blocks that are connected by organic linking building blocks -- allows almost continuous adjustment of pore size, shape, and environment. However, many aspects of surface phenomena in or on metal-organic frameworks are not yet fully understood. For example, it is known that entropy favors the accumulation of smaller guest molecules in nanoporous solids at high loading. But does entropy also favor the accumulation of water in metal-organic frameworks with internal hydrophobicity? Speaking of which, how is the hydrophobicity of the internal and external surface of metal-organic frameworks related? And how can modern visualization techniques, such as virtual reality, help in studying metal-organic frameworks and the guest molecules within them? This thesis aims to shed light on these questions using classical molecular simulations. Molecular simulations are a helpful tool for studying surface phenomena, because they can complement experiments by providing insights at the microscopic level, and offer the possibility of exploring surface phenomena that can only rarely be investigated in experiments, plus help to improve the efficiency of experiments by predicting metal-organic frameworks with desired properties.