Ze zijn klein en bestaan ​​uit bolvormige, bladachtige of vezelachtige deeltjes. En ze bestaan ​​voornamelijk uit het scheikundige element koolstof. Het gesprek hier gaat over ongebruikelijke koolstofnanostructuren die wetenschappers van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam-Golm nu produceren met een nieuwe methode. De onderzoekers hebben al aangetoond dat hun nanostructuren nuttige katalytische eigenschappen bezitten:ze kunnen de energie verminderen die nodig is om water af te breken door elektrolyse. Dit is een nuttige eigenschap voor het opslaan van duurzame energie. En omdat zulke nanodeeltjes een grote porositeit bevatten, de wetenschappers denken dat ze ook kunnen worden gebruikt om gassen op te slaan, zoals kooldioxide en in andere toepassingen.

Als je een pizza te lang in de oven laat, het deeg wordt zwart. Tijdens het verkolingsproces, organische bestanddelen in het deeg worden omgezet in soorten met een hoog koolstofgehalte. Hoewel het effect in de keuken ongewenst is, het is eigenlijk het hoofddoel van sommige industriële processen. Een voorbeeld van carbonisatie is de omzetting van steenkool in cokes om het koolstofgehalte te verhogen. Industriële roet, zoals die gebruikt worden als pigmenten in autobanden, hebben ook een hoog koolstofgehalte dankzij gecontroleerde onvolledige verbranding.

Wetenschappers werken al enkele jaren aan de gecontroleerde synthese van koolstofrijke nanomaterialen. Omdat dergelijke deeltjes zeer poreus zijn, hebben een groot specifiek oppervlak en zijn in sommige gevallen ook goede elektrische geleiders, ze hebben veel potentiële toepassingen. Door gebruik te maken van gemeenschappelijke technieken, typisch bolvormige deeltjes worden verkregen. Met behulp van een nieuwe methode onderzoekers van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam-Golm zijn er nu in geslaagd om niet alleen bolvormige maar ook bladachtige en vezelige nanostructuren te produceren.

De uitgangsstoffen bepalen de structuur van de deeltjes

De onderzoekers begonnen met in totaal tien verschillende organische oplosmiddelen, die ze elk vervolgens verkoolden. "We ontdekten dat we de ruimtelijke structuur van de resulterende deeltjes kunnen regelen door geschikte uitgangsstoffen te selecteren, " zegt Tim Fellinger, die de Carbon and Energy Group leidt bij het Max Planck Institute in Potsdam.

Zijn groep heeft niet alleen een verscheidenheid aan koolstofnanostructuren geproduceerd, ze hebben ook manieren gevonden om selectief andere elementen dan koolstof in de producten te introduceren. Bijvoorbeeld, oplosmiddelen die stikstof of zwavel bevatten, zoals pyridine en dimethylsulfoxide, resulteren in nanostructuren die tot 15 gewichtsprocent stikstof of zwavel bevatten. Door geschikte additieven te introduceren, de onderzoekers waren zelfs in staat om metalen zoals nikkel, kobalt en zink om nanocomposieten te produceren.

Nikkel-koolstofcomposieten als katalysatoren voor hydrolyse

Eerste experimenten met de nanogestructureerde producten hebben veel nuttige eigenschappen blootgelegd. Omdat Fellinger's Group ook oplossingen voor energieopslag onderzoekt, ze onderzoeken het katalytische gebruik van nanokoolstoffen in de elektrochemische hydrolyse van water. In deze toepassing, Vooral nikkel-koolstof nanocomposieten zijn even efficiënt gebleken als conventionele katalysatoren. "Maar ze zouden waarschijnlijk zuiniger zijn om te produceren dan de op iridium gebaseerde katalysatoren die tegenwoordig algemeen worden gebruikt, " zegt Fellinger. Hydrolyse kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om overtollige elektrische energie gedurende korte perioden in de vorm van waterstof op te slaan. "Met kosteneffectieve katalysatoren, decentrale productie van waterstof op afroep is ook denkbaar, Fellinger vult aan. Risico's met het transport van het gas behoren dan tot het verleden.

De wetenschappers waren onder de indruk van hoe poreus hun nanostructuren zijn en hoe goed de koolstofdeeltjes gassen adsorberen. Sommige producten absorberen gassen zelfs beter dan commerciële actieve kool, die daarvoor is geoptimaliseerd. Tim Fellinger vindt dat opmerkelijk:in tegenstelling tot actieve kool, tijdens het carbonisatieproces worden geen maatregelen genomen om de adsorptiecapaciteit te vergroten. Fellinger gelooft dat dit een schat aan potentiële toepassingen opent. Bijvoorbeeld, de nieuwe deeltjes kunnen nuttig zijn bij de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie, bijv. lithium-zwavel- of lithium-luchtbatterijen.

Een nieuwe syntheseroute zorgt voor structurele variatie

Twee benaderingen waren de sleutel tot het bereiken van de structurele variëteit en nuttige eigenschappen van de nanostructuren, beide waren onontgonnen terrein. Eerst, de onderzoekers voerden onmiddellijke carbonisatie uit bij hoge temperatuur in vloeibare toestand. Ze gebruikten een ongewoon reactiemilieu van zoutsmelt van meer dan 500 graden, bijvoorbeeld vloeibaar zinkchloride. Tweede, ze verkoolden vloeibare uitgangsstoffen. Eerder, vaste stoffen werden voornamelijk verkoold, omdat de vereiste hoge temperaturen ervoor zouden zorgen dat organische vloeistoffen zouden verdampen. Hiertoe, de onderzoekers injecteren eenvoudig goedkope kant-en-klare oplosmiddelen in het vloeibare zout.

"Blijkbaar, de vloeibare moleculen dissociëren bij contact met de smelt, zelfs voordat ze kunnen verdampen, Tim Fellinger legt uit. "De gedissocieerde producten combineren vermoedelijk binnen enkele nanoseconden om grotere koolstofrijke moleculen te vormen." De zinkchloridesmelt lijkt dit proces te stabiliseren. Omdat zoutsmelten hete ionische vloeistoffen zijn, scheikundigen hebben de term ionotherme synthese bedacht om syntheses in dergelijke milieus te beschrijven. Deze processen zijn al nuttig gebleken in de anorganische chemie. De Max Planck-onderzoekers in Potsdam onderzoeken het als carbonisatiemethode.

Na de reactie, ze voegen eenvoudig verdund zoutzuur toe aan het afgekoelde mengsel. Terwijl het zout in het mengsel wordt opgelost door het zuur, de nanokoolstoffen – in de vorm van een zwarte, pluizig poeder – blijft achter en wordt gemakkelijk uitgefilterd. Scanning-elektronenmicroscopie wordt gebruikt om de verschillende nanostructuren van de verkregen producten in beeld te brengen. Bijvoorbeeld, acetonitril, benzonitril en dimethylsulfoxide gaven aanleiding tot bolvormige producten, zoals gevonden in conventionele industriële roet. Echter, het druppelen van ethyleenglycol of glycerol in de zoutsmelt produceert plaatachtige deeltjes. Andere vloeistoffen zoals ethanol, aceton en pyridine resulteren in vertakte, onderling verbonden vezelproducten. De bolvormige koolstofdeeltjes hebben een diameter van tien nanometer, terwijl de vezelachtige structuren tot 120 nanometer lang zijn.

Zoutmelts werken als smeermiddelen en wasmiddelen

Hoewel de precieze mechanismen nog steeds een kwestie van speculatie zijn, Tim Fellinger gelooft dat het nieuwe spectrum van deeltjesstructuren heel aannemelijk is:"We vermoeden dat de zoutsmelt als een soort smeermiddel werkt, het vergroten van de mobiliteit van de organische fragmenten." Deze mobiliteit, beurtelings, leidt tot meer manieren waarop de bouwstenen kunnen worden gerangschikt, hij legt uit. De snelheid waarmee dit gebeurt, kan van oplosmiddel tot oplosmiddel verschillen, en dit is een reden voor de verscheidenheid aan structuren. De scheikundige en nanostructuurexpert denkt ook dat er nog een andere factor aan het werk is:"Het zout verlaagt de oppervlaktespanning." Dit betekent dat de koolstoffragmenten niet langer een bolvorm hoeven aan te nemen om hun oppervlakte te minimaliseren - net zoals water geen druppels meer vormt op oppervlakken nadat wasmiddel is toegevoegd.

De onderzoekers geloven ook dat zoutionen verantwoordelijk zijn voor de indrukwekkende porositeit van hun nanokoolstoffen:vanwege de lage oppervlaktespanning, het zout en de koolstof hebben grote contactoppervlakken tijdens de synthese. "Nadat het zout is afgescheiden, talrijke poriën blijven, ’ legt Fellinger uit.

De onderzoekers hebben een schat aan nieuwe ideeën om te verkennen. Gezien het grote aantal anorganische zouten en organische oplosmiddelen dat met de nieuwe techniek kan worden gecombineerd, er zullen waarschijnlijk nog veel meer op maat gemaakte composietvarianten zijn met handige toepassingen. De onderzoekers gaan nu experimenteren met andere zout-oplosmiddelcombinaties. Ze zijn ook van plan nader te onderzoeken of de koolstofplaten en vezels die ze ontdekten voordelen hebben boven bolvormige structuren in specifieke toepassingen. "In elk geval, we hebben nu een nieuw veelzijdig carbonisatie-instrument in de vorm van de hete injectie van gemakkelijk beschikbare oplosmiddelen in combinatie met ionotherme synthese, ', zegt Tim Fellinger.