Forskerhold foreslår en effektiv strategi til fremstilling af kulstof nanomaterialer

Kulstofmaterialer (CM'er) har et stort potentiale i industrien på grund af deres høje elektriske ledningsevne, god kemisk stabilitet, og unik mikrostruktur. Traditionelt, CM'er blev fremstillet ved karbonisering af naturlige produkter med lavt damptryk eller syntetiske polymerer. Men de lider af nogle klare ulemper, såsom vanskeligheder med at skræddersy mikrostrukturer og kemiske sammensætninger af de opnåede produkter, eller komplicerede og langsomme polymerisationsprocesser. Indtil nu, det har været en betydelig udfordring at udvikle en lavpris, meget kontrollerbar metode til fremstilling af CM med ønskede bestanddele og strukturer i stor skala.

Et forskerhold ledet af prof. Yu Shuhong og prof. Liang Haiwei fra University of Science and Technology of China (USTC) foreslår en simpel metode til at fremstille en række funktionelle CM'er fra små organiske molekyler (SOM'er) ved hjælp af et overgangsmetal-assisteret karboniseringsproces. Dette værk blev udgivet i Videnskabens fremskridt med titlen "Overgangsmetal-assisteret karbonisering af små organiske molekyler mod funktionelle carbonmaterialer."

Små organiske molekyler (SOM'er) som forløbere til fremstilling af CM'er har nogle tydelige fordele, såsom almindelig tilgængelighed, relativt lave omkostninger, og forskellige elementarter med forskelligt indhold. Tidligere bestræbelser på at transformere SOM'er til CM'er var afhængige af barske syntesebetingelser, f.eks. pyrolyse i lukkede reaktorer, kemisk dampaflejring, eller saltsmeltebaseret ionotermisk karbonisering, på grund af den høje volatilitet af SOM'er ved evaluerede temperaturer. For at løse dette, forskergruppen ledet af prof. Yu Shuhong og prof. Liang Haiwei udviklede en metode til overgangsmetal-assisteret karbonisering af SOM'er. Overgangsmetallerne kan katalysere den foretrukne dannelse af termisk stabile mellemliggende polymere strukturer og dermed undgå den direkte sublimering af SOM'er under opvarmningsprocessen, hvilket garanterer en vellykket fremstilling af CM'er med højt kulstofudbytte. Forskere har fundet ud af, at 15 SOM'er og 9 TMS'er kan bruges som kulstofprækursorer og katalysatorer, henholdsvis, til at forberede CM'er. Udover, to hårde skabeloner kan bruges i metoden til at øge porøsiteten af ​​opnået CMS. Forskningsresultater peger på, at metoden er en simpel, effektiv, og alsidig metode til at forberede CM'er.

Den forberedte CM udviste tre forskellige fremtrædende mikrostrukturer (inklusive bambuslignende flervæggede carbon nanorør, mikrometer-størrelse nanoark og uregelmæssige partikler), der var meget afhængige af SOMs molekylære strukturer. Udover, CM'erne havde høje specifikke overfladearealer, store porevolumener, rigelige heteroatomer såvel som stærkt grafitiske strukturer. Som resultat, CM viste betydeligt anvendelsespotentiale for heterogen katalyse - f.eks. selektiv oxidation af ethylbenzen og hydrogenering af nitrobenzen; og elektrokatalyse, f.eks. hydrogenudviklingsreaktion og oxygenreduktionsreaktion. Dette arbejde åbner et nyt vindue til syntese af CM'er med ønskede bestanddele og strukturer.