Polymer-Assisted Surface Modification of Silver Nanowire-Based Materials for Enhanced Multifunctional Performance

Titelangaben

Fang, Dan:
Polymer-Assisted Surface Modification of Silver Nanowire-Based Materials for Enhanced Multifunctional Performance.
Bayreuth , 2026 . - X, 143 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

Volltext

	Format: PDF Name: Dan_Fang_Chemistry.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Deutsches Urheberrechtsgesetz. Das Dokument darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt werden. Darüber hinaus bedürfen die Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und jede Art der Verwertung der schriftlichen Zustimmung des jeweiligen Rechteinhabers.
	Download (85MB)

Abstract

This thesis focuses on surface modification as a central strategy for regulating the assembly behavior, structural stability, and functional performance of silver nanowire (AgNW)-based composite materials. Surface chemistry plays a decisive role in governing the interactions, spatial distribution, and structural evolution of nanomaterials within hierarchical porous frameworks. In this context, the study explores a series of surface-engineering approaches, including interfacial modification with polyethylenimine (PEI) to achieve controlled AgNW dispersion in silica sponges, polysiloxane surface coating to impart mechanical robustness and multifunctionality, and ligand-mediated surface regulation to tailor nanoscale alloy formation in PtAg catalysts. Collectively, these interconnected surface-modification strategies demonstrate how hierarchical control can be achieved from the molecular level to the macroscopic structure, ultimately dictating the physical, chemical, and catalytic properties of the resulting composite systems. The first work investigates the precision and controllability of silica sponge surface modification by PEI, which regulates the distribution behavior of AgNWs. Experimental results indicated that varying PEI concentrations significantly affected the adsorption amount and distribution morphology of AgNWs in porous sponges, resulting in different conductive properties for the composite sponge materials. When the PEI concentration was 1 g/L, AgNWs formed a continuous conductive network within the SiO2 sponge, leading to stable conductivity that varied with compression. This demonstrates that interfacial adsorption and molecular interactions directly define network continuity, though AgNW loading caused a decrease in mechanical strength. Overall, this work provides a reference for utilizing surface functionalization to precisely control nanowire distribution in 3D porous matrices. Building on the importance of interfacial control demonstrated in the first work, the second work focuses on enhancing mechanical stability and expanding material functionality through surface modification. Here, AgNWs and silica fibers were coated with a polysiloxane layer generated from the hydrolysis and condensation of TEOS. This surface coating formed a continuous polysiloxane network that effectively reinforced the porous framework, significantly improving the mechanical robustness that was weakened in the PEI-modified AgNW/SiO2 sponge. Meanwhile, the embedded AgNWs created extended phonon scattering paths, which reduced thermal conductivity and improved thermal insulation performance. In addition, the organic segment of polysiloxane introduced new interfacial interaction sites, enabling hydrophobic and π–π stacking interactions with dye molecules such as methylene blue (MB), thereby enhancing adsorption performance. This part demonstrates that surface modification is not only a means of controlling nanowire dispersion, but also a versatile strategy for tailoring interfacial chemistry to integrate multiple functional behaviors, including mechanical reinforcement, thermal regulation, and pollutant adsorption. Thus, the second study deepens the role of surface modification from microstructural control to multifunctional performance engineering. The third work further advances surface modification to the molecular scale, focusing on how organic ligands regulate metal nucleation, growth, and alloy formation in nanostructures. PVP-coated AgNWs were used as sacrificial templates for synthesizing PtAg alloys, allowing direct investigation of how ligand coverage, coordination sites, and binding strength impact morphology and composition evolution. Results showed that PVP not only induced preferential growth along the (111) facet, but also controlled Pt particle nucleation and the extent of galvanic replacement between Pt ions and AgNWs. When PVP coverage dropped below 1.84 wt%, these regulatory effects diminished, leading to changes in alloying degree, particle size, and surface crystal facets, ultimately influencing catalytic performance toward methanol oxidation. Although the assembled direct methanol fuel cell (DMFC) exhibited limited performance due to incomplete catalyst dispersion on the diffusion layer, this work provides fundamental insight into how surface ligands govern nanoscale alloy formation processes. It highlights that surface modification at the molecular scale is critical for precise catalytic interface engineering, which in turn determines electrocatalytic activity and durability. Taken together, the three studies establish a coherent framework in which surface modification acts as the core design principle linking microstructure, interface evolution, and material functionality. By progressively advancing control from porous network-level nanowire distribution, to composite interface stabilization, and further to molecular ligand-directed alloy formation, this work illustrates how hierarchical surface engineering can be used to achieve structural precision.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Arbeit konzentriert sich auf die Oberflächenmodifikation als Schlüsselstrategie zur Regulierung der Assemblierung, strukturellen Stabilität und funktionalen Leistungsfähigkeit silbernanodrahtbasierter (AgNW) Verbundmaterialien. Die Oberflächenchemie spielt eine entscheidende Rolle dafür, wie sich Nanomaterialien innerhalb hierarchisch poröser Gerüststrukturen verteilen, miteinander wechselwirken und weiterentwickeln. Dementsprechend folgt diese Studie einem schrittweisen Forschungsansatz: 1. interfaciale Modifikation mittels PEI zur präzisen Regulierung der AgNW-Dispersion in Silica-Schwämmen; 2. Oberflächenbeschichtung mit Polysiloxan zur Integration mechanischer Robustheit und multifunktionaler Eigenschaften; 3. ligandengesteuerte Oberflächenkontrolle zur Einstellung der nanoskaligen Legierungsbildung in PtAg-Katalysatoren. Diese drei Schritte zeigen gemeinsam, wie Oberflächenmodifikation eine hierarchische Kontrolle von der molekularen bis zur makrostrukturellen Ebene ermöglicht und letztlich die physikalischen, chemischen und katalytischen Eigenschaften der Verbundsysteme determiniert. Die erste Studie untersucht die Präzision und Steuerbarkeit der Oberflächenmodifikation von Silica-Schwämmen durch PEI, welches das Verteilungsverhalten von AgNWs reguliert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche PEI-Konzentrationen die Adsorptionsmenge und Verteilungsmorphologie der AgNWs im porösen Gerüst signifikant beeinflussen und dadurch die elektrischen Eigenschaften des Verbundschwamms verändern. Bei einer PEI-Konzentration von 1 g/L bildeten die AgNWs ein kontinuierliches leitfähiges Netzwerk innerhalb des SiO2-Schwammes, was zu einer stabilen, kompressionsabhängigen Leitfähigkeit führte. Dies demonstriert, dass interfaciale Adsorption und molekulare Wechselwirkungen unmittelbar die Netzwerkkontinuität definieren, obwohl die Integration der AgNWs zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit führte. Insgesamt liefert diese Studie eine Referenz für den gezielten Einsatz der Oberflächenfunktionalisierung zur präzisen Kontrolle der Nanodrahtverteilung in dreidimensionalen porösen Matrizen. Aufbauend auf der Bedeutung der Grenzflächenkontrolle konzentriert sich die zweite Studie auf die Verbesserung der mechanischen Stabilität und die Erweiterung funktionaler Eigenschaften durch eine Oberflächenmodifikation. Hier wurden AgNWs und Silicafasern mit einer durch Hydrolyse und Kondensation von TEOS erzeugten Polysiloxan-Schicht ummantelt. Diese Beschichtung bildete ein kontinuierliches Polysiloxan-Netzwerk, das das poröse Gerüst effektiv verstärkte und die in der PEI-modifizierten AgNW/SiO2-Struktur verringerte mechanische Robustheit deutlich verbesserte. Gleichzeitig erzeugten die eingebetteten AgNWs verlängerte Phononstreupfade, was die Wärmeleitfähigkeit reduzierte und die Wärmedämmeigenschaften verbesserte. Darüber hinaus bot das organische Segment des Polysiloxans neue Grenzflächeninteraktionsstellen, die hydrophobe sowie π–π-Wechselwirkungen mit Farbstoffmolekülen wie Methylenblau ermöglichten und so die Adsorptionsleistung erhöhten. Diese Studie zeigt, dass Oberflächenmodifikation nicht nur der Steuerung der Nanodrahtdispersion dient, sondern eine vielseitige Strategie zur maßgeschneiderten Einstellung der Grenzflächenchemie und zur Kombination mechanischer, thermischer und adsorptiver Funktionalitäten darstellt. Die dritte Studie verschiebt den Schwerpunkt der Oberflächenmodifikation auf die molekulare Skala und untersucht, wie organische Liganden die Metallnukleation, das Wachstum und die Legierungsbildung in Nanostrukturen steuern. PVP-beschichtete AgNWs dienten hierbei als opfernde Templates zur Synthese von PtAg-Legierungen, wodurch der Einfluss von Ligandenabdeckung, Koordinationsstellen und Bindungsstärke auf Morphologie- und Zusammensetzungsentwicklung direkt studiert werden konnte. Die Ergebnisse zeigten, dass PVP ein bevorzugtes Wachstum entlang der (111)-Fläche induzierte, die Pt-Keimbildung kontrollierte und den galvanischen Austausch zwischen Pt-Ionen und AgNWs regulierte. Bei PVP-Abdeckungen unter 1,84 Gew.-% gingen diese regulierenden Effekte verloren, was zu Änderungen im Legierungsgrad, der Partikelgröße und den Oberflächenstrukturen führte und letztlich die katalytische Leistung bei der Methanoloxidation beeinflusste. Zusammenfassend etabliert diese Arbeit ein kohärentes Rahmenkonzept, in dem die Oberflächenmodifikation als zentrales Gestaltungsprinzip die Mikrostruktur, die Grenzflächenentwicklung und die funktionalen Eigenschaften miteinander verknüpft. Durch die schrittweise Erweiterung der Kontrolle von der Nanodrahtverteilung in porösen Netzwerken über die Stabilisierung der Verbundschnittstellen bis hin zur ligandengesteuerten Legierungsbildung wird gezeigt, wie hierarchische Oberflächenmodifikation zur strukturellen Präzision und Leistungsoptimierung genutzt werden kann.