Syntetiseret mikroporøst 3D-grafenlignende carbonatomer

Zeolites nanoporøse systemer er en ideel skabelon til syntese af tredimensionel (3D) grafenarkitektur, men de høje temperaturer, der kræves for deres syntese, får reaktionerne til at forekomme ikke-selektivt. Teamet fra IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials sænkede den temperatur, der kræves til carboniseringen, ved at indlejre lanthanioner (La3+), et sølvhvidt metalelement, i zeolitporer.

Graphene, en allotrop af kulstof, opdaget for mere end et årti siden har ført til utallige undersøgelser, der søger at låse op for dets enorme potentiale. Zeolitter, almindeligt anvendte mikroporøse faste katalysatorer i den petrokemiske industri, har for nylig tiltrukket opmærksomhed inden for materialevidenskab som en skabelon for kulsyntese. Hver enkelt krystal kendetegnes ved sin unikke porestruktur på 1 nanometer (nm), denne struktur letter indkvartering af carbon nanorør inde i zeolitten. På skrift, disse nanoporøse systemer er en ideel skabelon til syntese af tredimensionel (3D) grafenarkitektur, men zeolitporerne er for små til at rumme omfangsrige molekylære forbindelser som polyaromatiske og furfurylalkohol, der ofte bruges i kulsyntese. Små molekyler som ethylen og acetylen kan bruges som en kulkilde for at opnå en vellykket karbonisering i zeolitporerne, men det kommer til en stor pris. De høje temperaturer, der kræves til syntesen, får reaktionerne til at forekomme ikke-selektivt på de ydre overflader af zeolit ​​såvel som de indre porevægge, resulterer i koksaflejring og forårsager følgelig alvorlige diffusionsbegrænsninger i zeolitporerne.

Teamet fra IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials løste dette problem med en ny tilgang. Første forfatter Dr. KIM Kyoungsoo forklarer:"Kulsyntese af Zeolit-skabelon har eksisteret i lang tid, men problemet med temperaturer har forhindret mange forskere i at udnytte deres fulde potentiale. Her, vores team søgte at finde svaret ved at indlejre lanthanioner (La3+), et sølvhvidt metalelement, i zeolitporer. Dette sænker den nødvendige temperatur til carbonisering af ethylen eller acetylen. Grafenlignende sp2-kulstofstruktur kan selektivt dannes inde i zeolitskabelonen, uden kuldeponering på de ydre overflader. Efter at zeolitskabelonen er fjernet, kulstoframmen udviser den elektriske ledningsevne to størrelsesordener højere end amorft mesoporøst kulstof, hvilket er et ret overraskende resultat. Denne meget effektive syntesestrategi baseret på lanthanionerne gør carbon -ramme dannelsen i porer med mindre end 1 nm diameter lige så let reproducerbar som i mesoporøse skabeloner, og giver således en generel metode til at syntetisere carbon nanostrukturer med forskellige topologier svarende til zeolitporetopologierne, såsom FAU, EMT, beta, LTL, MFI og LTA. Også, al syntesen kan let skaleres op, hvilket er vigtigt for praktiske anvendelser - batterier, brændstoflager og andre zeolitlignende katalysatorbærere. "

IBS -teamet begyndte deres eksperiment med at bruge La3+ -ioner. Dr. KIM belyser, hvorfor dette sølvhvide element viste sig så gavnligt for teamet, "La3+ -ioner er ureducerbare under karboniseringsprocesbetingelser, så de kan blive inde i zeolitporerne i stedet for at flytte til den ydre zeolitoverflade i form af reduceret metalpartikel. Inden for porerne, de kan stabilisere ethylen og pyrocondensationen i mellem for at danne en carbon -ramme i zeolit. "

For at teste denne hypotese sammenlignede teamet mængden af ​​kulstof, der var deponeret i La3+-holdig form af Y zeolit ​​(LaY) -prøve med en lang række andre prøver, såsom NaY og HY. De eksperimentelle resultater viser, at alle LaY, NaY- og HY -zeolitprøver viser hurtig carbonaflejring ved 800 ° C. Imidlertid, når temperaturen falder, der synes at være en dramatisk forskel mellem de forskellige ioniske former for zeolit. Ved 600 ° C, LaY zeolit ​​er stadig aktiv som en carbonaflejringsskabelon. I modsætning, både NaY og HY mister deres kulstofaflejringsfunktioner næsten fuldstændigt.

Fremtidig ansøgning om Zeolite -syntese

Resultaterne, ifølge deres papir offentliggjort i Natur , fremhæve en katalytisk virkning af lanthan til karbonisering. Ved at lave grafen med 3D periodiske nanoporøse arkitekturer, det lover en bred vifte af nyttige applikationer som f.eks. i batterier og katalysatorer, men på grund af manglen på effektive syntetiske strategier, sådanne applikationer har endnu ikke været vellykkede. Ved at udnytte den poreselektive kulstofpåfyldning ved reducerede temperaturer, syntesen kan let skaleres til undersøgelser, der kræver bulkmængder kulstof; især høj elektrisk ledningsevne, hvilket er et meget efterspurgt aspekt til fremstilling af batterier.