The covalent functionalization of graphene and single-walled carbon nanotubes represents one of the most important and most efficient ways to improve the properties of carbon-based nanomaterials including band gap tuning and increase of solubility. Among other routes, especially the reductive activation provides inimitable and unprecedented prospects regarding the facile, versatile, and selective covalent functionalization of the respective carbon frameworks. The present thesis is dedicated to tackle fundamental aspects in particular with respect to the reductive activation of the SCAs in order to overcome the hurdles and the difficulties to successfully functionalize these allotropes and to generally improve our knowledge about the elementary chemistry of the nanomaterials. With the purpose to yield exclusively-functionalized products with side-reaction suppression, the addition of benzonitrile to the dispersion of graphene sheets bearing free charges enables the quantitative oxidation of graphene preventing undesired side reactions accompanied by the generation of the colored and quantifiable benzonitrile radical anion. In an in-depth study, this procedure was applied to different types of graphite varying primarily in their morphology and is discussed in Chapter 3.1.1. The study has shown that the contrasting properties of the different graphite sources have an unambiguous impact on the charge uptake behavior via elemental potassium, leading to inhomogeneously intercalated species which reduces the chemical reactivity due to diminished repulsive Coulombic interactions. Thus, the affinity of graphene sheets to exfoliate is impaired and therefore the extent of the side reactions is diminished as a consequence, which could be revealed performing in situ Raman measurements of the intercalated species and by further analysis of the side reactions. As described in Chapter 3.1.2, charged CNTs, so-called nanotubides, are prone to undergo liquid phase oxidation with benzonitrile as well, but to a minor extent in comparison to graphenides, essentially depending on the respective type of production and therefore on the resulting properties. The efficiency of the discharging by benzonitrile is primarily predicated on the used allotrope and not depending on the specific activation route, which could be clearly proven by established characterization methods like TG-MS and statistical Raman analysis. The very same observation could be made in Chapter 3.1.3 while investigating the impact of benzonitrile on prior156 covalently functionalized products of the respective carbon allotropes. Consequently, the effect of benzonitrile on functionalized species of both materials is negligible, since besides the desired alkylation merely a very small amount of new defects is introduced into the π-system which does not alter the outcome of the reaction in a significant extent, yielding predominantly selectively-alkylated products. After the extensive analysis of the discharging behavior of graphene and SWCNTs by benzonitrile, the process of functionalization was explored in detail in Chapter 3.2, focusing on the precise propagation of newly introduced defects and enhanced reactivity of certain areas. Based on the reductive hydrogenation of monolayer graphene, which serves as a simplified model for the description of the general reductive functionalization, the course of addition was tracked via Raman spectroscopy and the respective results provide excellent evidence for the assumed functionalization behavior. The investigations were carried out using graphene with varying dimensions, small monolayer flakes and larger CVD-grown graphene sheets, as starting material for the subsequent reductive hydrogenation and the corresponding results are provided in Chapter 3.2.1 and Chapter 3.2.2, respectively. Consequently, the reductive hydrogenation occurs via radical addition processes involving predominantly all-trans-hexa-additions to aromatic sextets in vicinity to the edges leading to a progressed expansion of newly introduced defects starting from the periphery propagating to the interior of the graphene plane until a homogeneous coverage is reached. The periphery of graphene can be seen as defect region and it´s functionalization with respect to graphene reactivity like strain or conjugation energy is more favored than the basal plane of the sheet. Moreover, as reported in Chapter 3.2.3, it was demonstrated experimentally that newly introduced defects act as a catalyst for further functionalization and lead to the generation of highly modified islands incorporated into the intact sp2 -carbon lattice. From the locations of these defects, the expansion of defects is promoted and proceeds continuously in every direction, clearly visible in Figure 3.2.4 (Chapter 3.2.3, p. 88). Besides, detailed investigations of the ditopic functionalization process during the reductive hydrogenation are provided in Chapter 3.2.4. By selectively introducing trenches to the corresponding substrate prior to the attachment of graphene sheets to the top surface, the ditopic attack is enabled, while concurrently preventing backbonding to the substrate in these specific areas. However, the hydrogenation occurs homogenously in all regions independent on the observed spot indicating either the 157 reaction between the partly “free-standing” graphene and present hydrogen radicals or undesired residuals in these regions of the substrate. Furthermore, the dehydrogenation process of the functionalized monolayer graphene flakes was considered in Chapter 3.2.5. Accordingly, the thermal dehydrogenation of the modified materials is feasible but leaving a significant amount of structural damages behind within the carbon lattice as a consequence of the thermal treatment and the harsh conditions of the Birch-like reaction. Moreover, the application of oxo-graphite as alternative starting material for the reductive approach was probed in Chapter 3.3 in order to increase the amount of modified monolayer graphene sheets. The alkylation of graphene sheets on surfaces and in bulk by the combination of oxidative exfoliation and reductive functionalization could be obtained. However, as reported in Chapter 3.3.1, the introduction of a minor amount of on-plane alkyl moieties onto the materials generated by reductive functionalization could not be detected by Raman spectroscopy as the number of introduced hexyl chains is significantly lower than the number of vacancy defects in the lattice structure. Anyhow, as revealed in Chapter 3.3.2, by the use of TG-MS and temperature-dependent Raman spectroscopy, the hexylation of reduced GO could be unambiguously be verified. Additionally, the GC analysis demonstrated that the covalent hexylation indeed occurs proven by the detection of the dimerization product of two hexyl radicals, dodecane, cleaved from the π-system. Thus, alkylation to their hexylated derivatives is possible, but not more efficient as reported for pristine graphene. Nevertheless, an enhanced dispersibility in specific solvents could be pronounced due to a higher density of defects within the carbon lattice simplifying a rapid discovery of the monolayer material in contrast to approaches without prior oxidative delamination. Moreover, the results demonstrate the advantage of combining TGA with MS and GC as an analytical tool to characterize the functionalized graphene materials. Thus, the combination of oxidative delamination and reductive functionalization allows for the modification of the basal plane of graphene, excluding the preparation of major amounts of functionalized few-layers and therefore a more efficient way to yield high amounts of functionalized monolayer material. The analysis of the altered density of defects of SWCNTs and graphene, especially regarding the quantification of newly introduced addends within the carbon frameworks is still an ongoing challenge for scientists due to the high quantity of covalent 158 functionalization routes which incorporate primarily organic moieties. In Chapter 3.4, the successful covalent bulk functionalization of graphene (Chapter 3.4.1) and two different types of SWCNTs (Chapter 3.4.2) with two organometallic ferrocene compounds has been demonstrated varying in their leaving group and spacer lengths, being one of the first ferrocene-based functionalization reactions of defect-free graphene. Ferrocene with one iron atom as marker per introduced defect presents a perfectly suitable functional entity to be quantified and which could unambiguously verify the success of the reactions according to a variety of used characterization methods, e.g. Raman spectroscopy, TG-MS, TG-GC-MS, and EDS. Additionally, this type of functionalization paves the way for various fields of application taking advantage of the extraordinary properties of ferrocene linked with the respective allotrope. As described in Chapter 3.4.3, the determination and the corresponding comparison of the degrees of functionalization prevented the specification of a certain degree of functionalization since the values for the respective data differ considerably depending on the analysis method used. Anyhow, significantly higher addition rates for the CNTs compared to graphene could be revealed. Nevertheless, a reliable range of the respective values for each functionalized product could be assigned by all findings of the established characterization techniques. Moreover, fundamental insights into the reductive halogenation of SWCNTs and graphene could be received in Chapter 3.5.1 demonstrating a simple, fast, and efficient way to yield halogenated nanomaterials in an easily reproducible way. On the one hand, in Chapter 3.5.1.1 the conditions of the recently developed bromination route of SWCNTs were thoroughly adjusted and on the other hand, a simple and novel chlorination route of SWCNTs was established prevailing analogous reductive conditions in combination with iodo monochloride as halogenation reagent. In the case of the bromination, the applied conditions lead to the formation of highly-reactive intermediates, which are prone to react with a variety of strong nucleophiles including thiloates, amines, and alcoholates in substitution reactions, as reported in Chapter 3.5.1.2. Hence, these brominated intermediates represent potential global precursors for various kinds of conceivable follow-up chemistry in order to generate multifunctional SWCNT architectures for future applications. The chlorinated intermediates, however, are less reactive and have a much higher stability towards substitution reactions. In Chapter 3.5.1.3 and Chapter 3.5.1.5, these conditions were also applied to graphene in bulk and to graphene on a substrate, respectively. Due to 159 graphene´s lower susceptibility to react, this procedure leads to either brominated or chlorinated mono- and multilayer graphene to a minor extent compared to the SWCNTs, but, however, with enhanced stability towards substitutions. In Chapter 3.5.1.4, the successful halogenation in solid-state has been further proven by in situ Raman monitoring of the reactions under strictly inert conditions. The comparison of reductive approaches, however, revealed the best results for the applied Billups conditions for both allotropes. Anyhow, large differences regarding the reactivity can be obtained, which derives from altering fundamental characteristics for both allotropes influencing essentially the outcome of the halogenation and further substitutions. The latest Chapter 3.5.2 presents another alternative approach using graphite and the combination of TiCl4 and Br2 followed by a thermal treatment under ultra-high vacuum prevailing strictly inert conditions. The extensive characterization of the resulting products indicated the formation of chlorinated graphite in low yields and thus provides the basis for future investigations. Shining light into these complex topics, this thesis could help to broaden the understanding of the reductive covalent chemistry of carbon allotropes. Fundamental aspects of the synthesis of novel carbon architectures, distinct addition patterns, quantization of covalently attached groups and the reduction/oxidation behavior could be remarkably revealed by combining spectroscopic analysis with the application of other established characterization techniques. This knowledge can lead to crucial progress and to a better understanding in the field of 1D and 2D materials in general.

Die kovalente Funktionalisierung von Graphen und einwandigen Kohlenstoffnanoröhren stellt eine der wichtigsten und effizientesten Möglichkeiten dar, die Eigenschaften der Nanomaterialien zu verbessern, einschließlich der Öffnung der Bandlücke und der Erhöhung der Löslichkeit. Neben anderen Wegen, bietet insbesondere die reduktive Aktivierung unnachahmliche und beispiellose Möglichkeiten in Bezug auf die einfache, vielseitige und selektive kovalente Funktionalisierung der jeweiligen Kohlenstoffgerüste. Diese Arbeit widmete sich grundlegenden Aspekten, insbesondere hinsichtlich der reduktiven Aktivierung der SCAs, um Hürden und Schwierigkeiten bei der erfolgreichen Funktionalisierung dieser Allotrope zu überwinden und unser Wissen über die elementare Chemie der Nanomaterialien allgemein zu verbessern. Um selektiv-funktionalisierte Produkte zu erhalten, ermöglicht die Zugabe von Benzonitril zu einer Dispersion von geladenen Graphenlagen die quantitative Oxidation von Graphen, wodurch unerwünschte Nebenreaktionen verhindert werden und gleichzeitig zur Bildung eines farbigen und quantifizierbaren Radikalanions führt. In einer umfangreichen Studie wurde dieses Verfahren an verschiedenen Graphitarten, welche sich hauptsächlich in ihrer Morphologie unterscheiden, angewendet und in Kapitel 3.1.1 erörtert. Die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Graphitquellen haben einen eindeutigen Einfluss auf das Reduktionsverhalten mit elementarem Kalium, was in der Entstehung von inhomogen interkalierten Spezies resultiert. Die aufgrund verminderter abstoßender Coulomb-Wechselwirkungen reduzierte chemische Reaktivität beeinträchtigt den Exfolierungsgrad und damit das Ausmaß der Nebenreaktionen, was durch in situ Raman Messungen der interkalierten Spezies und die Analyse der Nebenreaktionen gezeigt werden konnte. Wie in Kapitel 3.1.2 beschrieben sind positiv geladene CNTs, sogenannte Nanotubide, ebenfalls anfällig für die Oxidation durch Benzonitril in der Flüssigphase, aber in geringerem Ausmaß im Vergleich zu Grapheniden, was im Wesentlichen von der jeweiligen Produktionsart und der daraus resultierenden Eigenschaften abhängt. Die Effizienz der Entladung durch Benzonitril beruht in erster Linie auf dem verwendeten Allotrop und ist nicht von der spezifischen Aktivierungsroute abhängig, wie durch etablierte Charakterisierungsmethoden wie TG MS und statistische Raman Spektroskopie eindeutig nachgewiesen werden konnte. Die gleiche Beobachtung konnte in Kapitel 3.1.3 bei der Untersuchung des Einflusses von Benzonitril auf bereits kovalent funktionalisierte Produkte der jeweiligen Kohlenstoffallotrope gemacht werden. Demzufolge ist die Wirkung von Benzonitril auf alkylierte Spezies beider Materialien vernachlässigbar, da neben der gewünschten Alkylierung nur eine sehr geringe Menge neuer Defekte in das System eingeführt wird, die das Ergebnis nicht wesentlich verändern, was zu überwiegend selektiv-alkylierten Produkten führt. Nach der umfassenden Analyse des Entladungsverhaltens von Graphen und SWCNTs durch Benzonitril wurde der Funktionalisierungsprozess in Kapitel 3.2 detailliert untersucht, wobei der Fokus auf der präzisen Ausbreitung neu eingeführter Defekte und der erhöhten Reaktivität bestimmter Bereiche lag. Anhand der reduktiven Hydrierung von einlagigem Graphen, welches als vereinfachtes Modell für die allgemeine reduktive Funktionalisierung dient, wurde der Additionsverlauf mittels Raman-Spektroskopie verfolgt, was einen hervorragenden Beweis für den angenommenen Funktionalisierungsverlauf erbrachte. Die Untersuchungen wurden unter Verwendung von Graphen mit unterschiedlichen Größen, kleinen einlagigen Flocken und größeren CVD-beschichteten Graphenlagen, als Ausgangsmaterial für die anschließende reduktive Hydrierung durchgeführt, und die entsprechenden Ergebnisse sind in Kapitel 3.2.1 bzw. Kapitel 3.2.2 erläutert. Demnach erfolgt die Hydrierung durch radikalische Additionsprozesse, in denen sich vorwiegend trans-Hexa-Additionen an aromatischen Sextetten in der Nähe der Ränder ereignen, welche zu einer fortschreitenden Ausdehnung neu eingeführter Defekte führt, die sich von der Peripherie aus bis ins Innere der Graphenebene ausbreiten, bis eine homogene Funktionalisierung erreicht ist. Die Peripherie von Graphen kann als Defektregion angesehen werden, deren Funktionalisierung hinsichtlich der Reaktivität von Graphen aufgrund von Spannung oder Konjugationsenergie bevorzugter ist als die planare Ebene der Graphenlage. Darüber hinaus konnte, wie in Kapitel 3.2.3 beschrieben, experimentell nachwiesen werden, dass neu eingeführte Defekte als Katalysator für weitere Funktionalisierungen wirken und zur Inselbildung von stark modifizierten Bereichen führen, die in das intakte sp2-hybridisierte Kohlenstoffgitter integriert sind. Von den Additionsbereichen wird die Ausdehnung der Defekte vorangetrieben und kontinuierlich weitergeführt, was sich klar in Abbildung 3.2.4 (Kapitel 3.2.3, S. 88) zeigt. Außerdem wurden in Kapitel 3.2.4 detaillierte Untersuchungen des ditopen Funktionalisierungsprozesses während der reduktiven Hydrierung durchgeführt. Durch das gezielte Anbringen von Einkerbungen auf dem entsprechenden Substrat vor dem Aufbringen der Graphenlagen darauf wird der ditope Angriff ermöglicht und gleichzeitig eine Rückbindung an das Substrat in diesen bestimmten Bereichen verhindert. Die reduktive Hydrierung erfolgt jedoch homogen in allen Bereichen unabhängig von der betrachteten Stelle, was entweder auf die Reaktion zwischen dem teilweise „freiliegenden“ Graphen und vorhandenen Wasserstoffradikalen oder mit unerwünschten Rückständen hinweist. Darüber hinaus wurde in Kapitel 3.2.5 der Dehydrierungsprozess der funktionalisierten einschichtigen Graphenflocken betrachtet. Demzufolge ist die thermische Dehydrierung der modifizierten Materialien möglich, hinterlässt aber als Folge der thermischen Behandlung und der extremen Bedingungen der Birch-Reaktion eine erhebliche Menge an strukturellen Schäden innerhalb der Kohlenstoffgitters. Außerdem wurde in Kapitel 3.3 die Anwendung von reduziertem Graphenoxid als alternatives Ausgangsmaterial für den reduktiven Ansatz untersucht, mit der Intention, die Ausbeute an modifizierten Monolagengraphen zu erhöhen. Die Alkylierung von Substrat-gebundenem und dispergiertem Graphen konnte durch die Kombination von oxidativer Exfolierung und reduktiver Funktionalisierung erreicht werden. Wie in Kapitel 3.3.1 beschrieben, konnte die Einführung von der durch reduktive Funktionalisierung erzeugten geringen Menge an Alkyleinheiten auf der Graphenebene durch Raman-Spektroskopie nicht eindeutig nachgewiesen werden, da die Anzahl der eingeführten Hexylketten deutlich geringer ist als die Anzahl der vorhandenen Defekte in der Gitterstruktur. Wie in Kapitel 3.3.2 ausgeführt, konnte die Hexylierung von rGO jedoch durch den Einsatz von TG-MS und temperaturabhängiger Raman-Spektroskopie eindeutig belegt werden. Außerdem zeigte eine weitere GC Analyse durch den Nachweis des Dimerisierungsprodukts von zwei Hexylradikalen, Dodecan, dass die kovalente Hexylierung tatsächlich erfolgt. Somit ist eine Alkylierung zu ihren hexylierten Derivaten zwar möglich, aber nicht effizienter als für reines Graphen. Durch die höhere Defektdichte innerhalb des Kohlenstoffgitters, konnte jedoch eine verbesserte Dispersibilität in bestimmten Lösungsmitteln festgestellt werden, wodurch eine schnelle Entdeckung von Monolagen im Gegensatz zu Ansätzen ohne vorherige oxidative Delaminierung stark vereinfacht wird. Im Übrigen zeigen die Ergebnisse den Vorteil der Kombination von TGA mit MS und GC als Analysewerkzeug zur Charakterisierung funktionalisierter Graphenmaterialien. Also ermöglicht die Kombination von oxidativer Delaminierung und reduktiver Funktionalisierung, die Modifizierung der planaren Ebene von Graphen, da sie die Herstellung großer Mengen funktionalisierter Mehrlagengraphen verhindert und damit einen effizienteren Weg darstellt, um große Mengen funktionalisierte Monolagen zu erhalten. Die Analyse der veränderten Defektdichte von SWCNTs und Graphen, insbesondere im Hinblick auf die Quantifizierung neu eingeführter Gruppen in den Kohlenstoffgerüsten der Allotrope, stellt aufgrund der hohen Anzahl von bereits bekannten kovalenten Funktionalisierungswegen eine ständige Herausforderung für Wissenschaftler dar, da diese Varianten hauptsächlich organische Gruppen in die jeweiligen Kohlenstoffsysteme einführen. In Kapitel 3.4 konnte die erfolgreiche kovalente Funktionalisierung von dispergiertem Graphen (Kapitel 3.4.1) und zwei verschiedener Arten von SWCNTs (Kapitel 3.4.2) mit organometallischen Ferrocenverbindungen gezeigt werden, welche sich in ihren jeweiligen Abgangsgruppen und deren Abstandslängen unterscheiden, und gleichzeitig eine der ersten ferrocenbasierten Funktionalisierungsreaktionen von defektfreiem Graphen darstellt. Das Ferrocen-Molekül mit einem Eisenatom als Marker pro eingeführtem Defekt stellt eine besonders gut zu quantifizierende funktionelle Einheit dar, durch die der Erfolg der Reaktionen nach einer Vielzahl von verwendeten Charakterisierungsmethoden, wie zum Beispiel Raman-Spektroskopie, TG-MS, TG-GC-MS und EDS, eindeutig bewiesen werden konnte. Wie in Kapitel 3.4.3 beschrieben verhinderte die Bestimmung und der entsprechende Vergleich der Funktionalisierungsgrade die Angabe eines exakten Werts, da sich die Ergebnisse für die jeweiligen Daten je nach verwendeter Analysemethode erheblich unterscheiden. Jedoch konnten deutlich höhere Werte für SWCNTs im Vergleich zu Graphen festgestellt werden. Nichtsdestotrotz, konnte ein zuverlässiger Bereich der jeweiligen Werte für jedes funktionalisierte Produkt durch die Erkenntnisse aller etablierten Methoden zugewiesen werden. Zudem konnten in Kapitel 3.5.1 grundlegende Einblicke in die reduktive Halogenierung von SWCNTs und Graphen gewonnen werden, welche eine einfache, schnelle und effiziente Art und Weise darstellt, halogenierte Nanomaterialien zu generieren. Zum einen wurden in Kapitel 3.5.1.1 die Bedingungen der kürzlich entwickelten Bromierungsroute von SWCNTs gründlich verbessert, zum anderen wurde eine schnelle und einfache Möglichkeit zur Chlorierung von SWCNTs unter Verwendung von Iodmonochlorid als Halogenierungsreagenz und analogen reduktiven Reaktionsbedingungen etabliert. Im Fall der Bromierung führen die gewählten Bedingungen zur Entstehung von hochreaktiven bromierten Zwischenprodukten, welche anfällig sind, mit einer Vielzahl starker Nucleophile Substitutionsreaktionen einzugehen, einschließlich mit Thiloaten, Aminen und Alkoholaten, wie in Kapitel 3.5.1.2 beschrieben wird. Die bromierten SWCNTs stellen somit potenzielle globale Vorläufer für verschiedene Arten von denkbarer Folgechemie dar, um für zukünftige Anwendungen multifunktionale SWCNT-Architekturen zu generieren. Die chlorierten Zwischenprodukte jedoch sind weniger reaktiv und weisen eine deutlich höhere Stabilität gegenüber Substitutionsreaktionen auf. Darüber hinaus wurden diese Bedingungen in Kapitel 3.5.1.3 und Kapitel 3.5.1.5 auch auf dispergiertes Graphen bzw. auf substrat-gebundenes Graphen angewendet. Dies führte jedoch aufgrund der geringeren Reaktivität von Graphen entweder zu bromiertem bzw. zu chloriertem Mono- und Multilagengraphen in geringerem Ausmaß im Vergleich zu den SWCNTs, aber zu einer erhöhten Stabilität gegenüber Substitutionen. Die erfolgreiche Halogenierung in der Festphase konnte außerdem durch in situ Raman-Messungen unter streng inerten Bedingungen nachgewiesen werden. Ein Vergleich der reduktiven Ansätze in Kapitel 3.5.1.4 ergab allerdings die besten Ergebnisse für die angewandten Billups-Bedingungen für beide Allotrope. Dennoch sind große Unterschiede in Bezug auf die Reaktivität sichtbar, die sich aus den Unterschieden grundlegender Merkmale beider Allotrope ergeben, die im Wesentlichen das Ergebnis der Halogenierung und weiterer Substitutionen beeinflussen. Ein weiterer alternativer Ansatz wurde in Kapitel 3.5.2 unter Verwendung von Graphit mit der Kombination von TiCl4 und Br2 durchgeführt, gefolgt von einer thermischen Behandlung im Ultrahochvakuum unter inerten Bedingungen. Die umfangreiche Charakterisierung des Produkts wies auf die Bildung von chloriertem Graphit mit geringen Ausbeuten hin und stellt damit die Grundlage für zukünftige Untersuchungen dar. Indem die Arbeit diese komplexen Themen beleuchtet, konnte sie dazu beitragen, das Verständnis der reduktiven kovalenten Chemie der Kohlenstoffallotrope zu erweitern. Grundlegende Aspekte der Synthese neuartiger Kohlenstoffarchitekturen, präziser Additionsmuster, der Quantifizierung kovalent gebundener Gruppen und des Reduktions-/Oxidationsverhaltens konnten durch die Kombination der spektroskopischen Analyse mit anderen etablierten Charakterisierungstechniken bemerkenswert aufgedeckt werden. Dieses Wissen kann zu entscheidenden Fortschritten und zu einem besseren Verständnis auf dem Gebiet der 1D- und 2D-Materialien im Allgemeinen führen.