Ny syntesemetode producerer nye nanostrukturer fra kulstof

De er små og består af sfæriske, arklignende eller fibrøse partikler. Og de består hovedsageligt af det kemiske grundstof kulstof. Talen her handler om usædvanlige kulstof-nanostrukturer, som forskere ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam-Golm nu producerer med en ny metode. Forskerne har allerede vist, at deres nanostrukturer besidder nyttige katalytiske egenskaber:f.eks. de kan reducere den energi, der kræves for at nedbryde vand ved elektrolyse. Dette er en nyttig egenskab til lagring af vedvarende energi. Og fordi sådanne nanopartikler indeholder stor porøsitet, forskerne mener, at de også kunne tænkes at blive brugt til at opbevare gasser, såsom kuldioxid og i andre applikationer.

Hvis du lader en pizza stå for længe i ovnen, dejen bliver sort. Under forkulningsprocessen, organiske bestanddele i dejen omdannes til arter med højt kulstofindhold. Selvom effekten er uønsket i køkkenet, det er faktisk hovedformålet med nogle industrielle processer. Et eksempel på karbonisering er omdannelsen af ​​kul til koks for at øge kulstofindholdet. Industrielle soder, som dem der bruges som pigmenter i bildæk, har også højt kulstofindhold takket være kontrolleret ufuldstændig forbrænding.

I nogle år nu har forskere arbejdet på kontrolleret syntese af kulstofrige nanomaterialer. Fordi sådanne partikler er meget porøse, har en stor specifik overflade og er i nogle tilfælde også gode elektriske ledere, de har mange potentielle anvendelser. Ved at bruge almindelige teknikker, typisk opnås sfæriske partikler. Ved hjælp af en ny metode, forskere ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam-Golm er nu lykkedes med at producere ikke kun sfæriske, men også arklignende og fibrøse nanostrukturer.

Udgangsstofferne bestemmer partiklernes struktur

Forskerne startede med i alt ti forskellige organiske opløsningsmidler, hver af dem carboniserede. "Vi fandt ud af, at vi kan kontrollere den rumlige struktur af de resulterende partikler ved at vælge egnede udgangsstoffer, " siger Tim Fellinger, der leder Carbon and Energy Group på det Potsdam-baserede Max Planck Institute.

Ikke alene har hans gruppe produceret en række forskellige kulstofnanostrukturer, de har også fundet måder til selektivt at indføre andre elementer end kulstof i produkterne. For eksempel, opløsningsmidler indeholdende nitrogen eller svovl, såsom pyridin og dimethylsulfoxid, resultere i nanostrukturer indeholdende op til 15 vægtprocent nitrogen eller svovl. Ved at indføre passende tilsætningsstoffer, forskerne var endda i stand til at inkorporere metaller som nikkel, kobolt og zink til fremstilling af nanokompositter.

Nikkel-carbon-kompositter som katalysatorer til hydrolyse

Indledende eksperimenter med de nanostrukturerede produkter har afsløret mange nyttige egenskaber. Fordi Fellinger's Group også udforsker energilagringsløsninger, de undersøger den katalytiske anvendelse af nanocarboner i den elektrokemiske hydrolyse af vand. I denne ansøgning, Især nikkel-carbon nanokompositter har vist sig at være lige så effektive som konventionelle katalysatorer. "Men de ville sandsynligvis være mere økonomiske at producere end de iridium-baserede katalysatorer, der almindeligvis bruges i dag, " siger Fellinger. Hydrolyse kan bruges, for eksempel, at lagre overskydende elektrisk energi i form af brint i korte perioder. "Med omkostningseffektive katalysatorer, den decentraliserede produktion af brint efter behov er også tænkelig, " tilføjer Fellinger. Risici forbundet med transporten af ​​gassen ville da være fortid.

Forskerne var imponerede over, hvor porøse deres nanostrukturer er, og hvor godt kulstofpartiklerne adsorberer gasser. Nogle produkter adsorberede endda gasser bedre end kommercielt aktivt kul, som er optimeret til det formål. Tim Fellinger finder det bemærkelsesværdigt:i modsætning til aktivt kul, der tages ingen foranstaltninger under karboniseringsprocessen for at øge adsorptionskapaciteten. Fellinger mener, at dette åbner op for et væld af potentielle applikationer. For eksempel, de nye partikler kan vise sig nyttige i udviklingen af ​​næste generations batterier, f.eks. lithium-svovl- eller lithium-luft-batterier.

En ny syntesevej producerer strukturel variation

To tilgange var nøglen til at opnå den strukturelle variation og nyttige egenskaber af nanostrukturerne, som begge var uudforsket territorium. Først, forskerne udførte øjeblikkelig karbonisering ved høj temperatur i flydende tilstand. De brugte et usædvanligt reaktionsmiljø med saltsmeltninger ved over 500 grader, for eksempel flydende zinkchlorid. Sekund, de forkullede flydende udgangsstoffer. Tidligere, faste stoffer var hovedsageligt forkullede, fordi de høje temperaturer, der kræves, ville få organiske væsker til at fordampe væk. Til denne ende, forskerne sprøjter simpelthen billige opløsningsmidler ind i det flydende salt.

"Tydeligvis, væskemolekylerne dissocierer ved kontakt med smelten, selv før de kan fordampe, " Tim Fellinger forklarer. "De dissocierede produkter kombinerer sig derefter for at danne større kulstofrige molekyler inden for et par nanosekunder." Zinkchloridsmeltningen ser ud til at stabilisere denne proces. Fordi saltsmelter er varme ioniske væsker, kemikere har opfundet udtrykket ionotermisk syntese for at beskrive synteser i sådanne miljøer. Disse processer har allerede vist sig nyttige i uorganisk kemi. Max Planck-forskerne i Potsdam udforsker det som karboniseringsmetode.

Efter reaktionen, de tilføjer blot fortyndet saltsyre til den afkølede blanding. Mens saltet i blandingen er opløst af syren, nanocarbonerne – i form af en sort, luftigt pulver – forbliver tilbage og filtreres let fra. Scanning elektronmikroskopi bruges til at vise de forskellige nanostrukturer af de opnåede produkter. For eksempel, acetonitril, benzonitril og dimethylsulfoxid gav anledning til sfæriske produkter, som findes i konventionelle industrielle soder. Imidlertid, drypning af ethylenglycol eller glycerol i saltsmelten producerer arklignende partikler. Andre væsker såsom ethanol, acetone og pyridin resulterer i forgrenede, indbyrdes forbundne fibrøse produkter. De sfæriske kulstofpartikler er ti nanometer i diameter, mens de fiberlignende strukturer er op til 120 nanometer lange.

Saltsmelter virker som smøremidler og rengøringsmidler

Selvom de præcise mekanismer stadig er et spørgsmål om spekulation, Tim Fellinger mener, at det nye spektrum af partikelstrukturer er fuldstændigt plausible:"Vi har mistanke om, at saltsmelten fungerer som en slags smøremiddel, øger mobiliteten af ​​de organiske fragmenter." Denne mobilitet, på tur, fører til flere måder, hvorpå byggeklodserne kan arrangeres, forklarer han. Den hastighed, hvormed dette sker, kan variere fra det ene opløsningsmiddel til det næste, og dette er en af ​​grundene til de mange forskellige strukturer. Kemikeren og nanostruktureksperten mener også, at en anden faktor er på spil:"Saltet reducerer overfladespændingen." Det betyder, at kulstoffragmenterne ikke længere skal antage en sfærisk form for at minimere deres overfladeareal – ligesom vand ikke længere danner dråber på overflader, efter at vaskemiddel er tilsat.

Forskerne mener også, at saltioner er ansvarlige for den imponerende porøsitet af deres nanocarboner:på grund af den lave overfladespænding, saltet og kulstoffet har store kontaktflader under syntesen. "Efter at saltet er skilt ud, der er mange porer tilbage, " forklarer Fellinger.

Forskerne har et væld af nye ideer at udforske. I betragtning af det store antal uorganiske salte og organiske opløsningsmidler, der kan kombineres med den nye teknik, der vil sandsynligvis være mange flere tilpassede kompositvarianter med nyttige applikationer. Forskerne planlægger nu at eksperimentere med andre salt-opløsningsmiddelkombinationer. De planlægger også at undersøge nærmere, om de kulstofplader og -fibre, de opdagede, har fordele i forhold til sfæriske strukturer i specifikke applikationer. "I hvert fald vi har nu et nyt alsidigt carboniseringsværktøj i form af varm injektion af let tilgængelige opløsningsmidler kombineret med ionotermisk syntese, " siger Tim Fellinger.