Røntgenanalyse af kulstofnanostrukturer hjælper materialedesign

Nanostrukturer lavet af kulstof er ekstremt alsidige. De kan absorbere ioner i batterier og superkondensatorer, opbevare gasser og afsaltet vand. Hvor godt de klarer den aktuelle opgave afhænger i høj grad af nanoporernes strukturelle træk. En ny undersøgelse fra HZB har nu vist, at strukturelle ændringer, der opstår på grund af morfologiovergang med stigende temperatur i syntesen, også kan måles direkte, ved hjælp af småvinklet røntgenspredning. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet Kulstof .

Optimerede nanoporøse carboner kan tjene som elektroder til hurtig elektron- og iontransport eller forbedre ydeevnen af ​​energilagrings- og konverteringsenheder. Således justering af størrelsen, form, og fordeling af porer er stærkt påkrævet. Teamet på HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials samarbejdede med en gruppe på University of Tartu, Estland, at undersøge nanoarkitekturen, indre overflade, størrelse, form og fordeling af nanoporer i afhængighed af syntesebetingelserne.

Kollegaer i Estland producerede en række nanoporøse carbonatomer ved at reagere et pulver af molybdæncarbid (Mo ₂ C) med gasformig klor ved 600, 700, 800, 900, og 1000 grader Celsius. Afhængigt af de valgte synteseforhold, det nanoporøse kulstof udviser forskellige egenskaber såsom overfladeareal, porøsitet, elektronisk og ionisk ledningsevne, hydrofilicitet og elektrokatalytisk aktivitet.

Overfladestrukturer blev analyseret ved transmissionselektronmikroskopi ved HZB. Det indre overfladeareal af nanocarbonmaterialer undersøges normalt ved adsorption af gas. Imidlertid, denne metode er ikke kun forholdsvis unøjagtig, den indeholder heller ingen information om formen og størrelsen af ​​porerne. For dybere indsigt, Dr. Eneli Härk og hendes kolleger på HZB arbejdede med lillevinklet røntgenstråling, en teknik, der gør det muligt at opnå information om forskellige strukturelle træk på nanometerskalaen, herunder den gennemsnitlige porestørrelse.

Småvinklet røntgenspredning giver ikke kun information om det præcise indre overfladeareal og den gennemsnitlige porestørrelse, men også på deres vinklethed, dvs. skarpe kanter af dannede porer, som spiller en stor rolle for funktionaliseringen af ​​materialerne. "SAXS -analysen opsummerer en enorm mængde mikroporer, der udelader vildledende antagelser, hvorved materialets nanostrukturelle arkitektur direkte relateres til makroskopiske tekniske parametre, der undersøges inden for teknik, " forklarer Härk.

Hovedformålet var at forstå strukturel dannelse, og elektrokemiske karakteristika af carbon som funktion af syntesetemperaturen. "For optimal funktion, ikke kun det høje indre overfladeareal er afgørende, men porerne skal have den helt rigtige form, størrelse og fordeling, siger Härk.