De nanoporeuze systemen van zeolieten zijn een ideale sjabloon voor de synthese van driedimensionale (3D) grafeenarchitectuur, maar de hoge temperaturen die nodig zijn voor hun synthese zorgen ervoor dat de reacties niet-selectief plaatsvinden. Het team van het IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials verlaagde de temperatuur die nodig was voor de carbonisatie door lanthaanionen (La3+) in te bedden, een zilverwit metalen element, in zeolietporiën.

grafeen, een allotroop van koolstof, meer dan tien jaar geleden ontdekt, heeft geleid tot talloze onderzoeken die het enorme potentieel ervan proberen te ontsluiten. zeolieten, veelgebruikte microporeuze vaste katalysatoren in de petrochemische industrie, hebben onlangs de aandacht getrokken op het gebied van materiaalwetenschap als een sjabloon voor koolstofsynthese. Elk afzonderlijk kristal onderscheidt zich door zijn unieke poriënstructuur van 1 nanometer (nm), deze structuur vergemakkelijkt de accommodatie van koolstofnanobuisjes in de zeoliet. Op papier, deze nanoporeuze systemen zijn een ideale sjabloon voor de synthese van driedimensionale (3D) grafeenarchitectuur, maar de zeolietporiën zijn te klein voor omvangrijke moleculaire verbindingen zoals polyaromatische en furfurylalcohol die vaak worden gebruikt bij koolstofsynthese. Kleine moleculen zoals ethyleen en acetyleen kunnen worden gebruikt als koolstofbron om succesvolle carbonisatie in de zeolietporiën te bereiken, maar het kost veel. De hoge temperaturen die nodig zijn voor de synthese zorgen ervoor dat de reacties niet-selectief plaatsvinden op de externe oppervlakken van de zeoliet en de interne poriewanden, wat resulteert in cokesafzetting en bijgevolg ernstige diffusiebeperkingen in de zeolietporiën veroorzaakt.

Het team van het IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials loste dit raadsel op met een nieuwe aanpak. Eerste auteur Dr. KIM Kyoungsoo legt uit:"Zeoliet-template koolstofsynthese bestaat al heel lang, maar het probleem met temperaturen heeft veel wetenschappers verhinderd om hun volledige potentieel te benutten. Hier, ons team zocht het antwoord door lanthaanionen (La3+) in te bedden, een zilverwit metalen element, in zeolietporiën. Dit verlaagt de temperatuur die nodig is voor de carbonisatie van ethyleen of acetyleen. Grafeenachtige sp2-koolstofstructuur kan selectief worden gevormd in de zeolietsjabloon, zonder koolstofafzetting aan de buitenoppervlakken. Nadat de zeolietsjabloon is verwijderd, het koolstofraamwerk vertoont de elektrische geleidbaarheid twee ordes van grootte hoger dan amorfe mesoporeuze koolstof, wat een vrij verbluffend resultaat is. Deze zeer efficiënte synthesestrategie op basis van de lanthaanionen maakt de vorming van koolstofraamwerk in poriën met een diameter van minder dan 1 nm even gemakkelijk reproduceerbaar als in mesoporeuze sjablonen, en biedt dus een algemene methode om koolstofnanostructuren te synthetiseren met verschillende topologieën die overeenkomen met de zeolietporiëntopologieën, zoals FAU, EMT, bèta, LTL, MFI en LTA. Ook, alle synthese kan gemakkelijk worden opgeschaald, wat belangrijk is voor praktische toepassingen - batterijen, brandstofopslag en andere zeolietachtige katalysatordragers."

Het IBS-team begon hun experiment door La3+-ionen te gebruiken. Dr. KIM legt uit waarom dit zilverwitte element zo gunstig bleek voor het team, "La3+-ionen zijn niet-reduceerbaar onder omstandigheden van het carbonisatieproces, zodat ze in de zeolietporiën kunnen blijven in plaats van naar het buitenste zeolietoppervlak te gaan in de vorm van gereduceerde metaaldeeltjes. Binnen de poriën, ze kunnen ethyleen en de pyrocondensatie tussentijds stabiliseren om een ​​koolstofraamwerk in zeoliet te vormen."

Om deze hypothese te testen, vergeleek het team de hoeveelheid koolstof die werd afgezet in een La3+-bevattende vorm van Y-zeoliet (LaY)-monster met een groot aantal andere monsters zoals NaY en HY. De experimentele resultaten geven aan dat alle LaY, NaY- en HY-zeolietmonsters vertonen een snelle koolstofafzetting bij 800°C. Echter, naarmate de temperatuur daalt, er blijkt een dramatisch verschil te bestaan ​​tussen de verschillende ionische vormen van zeoliet. Bij 600°C, de LaY-zeoliet is nog steeds actief als koolstofafzettingssjabloon. In tegenstelling tot, zowel NaY als HY verliezen hun koolstofafzettingsfuncties bijna volledig.

Toekomstige toepassing voor zeolietsynthese

De resultaten, volgens hun paper gepubliceerd in Natuur , benadrukken een katalytisch effect van lanthaan voor carbonisatie. Door grafeen te maken met 3D periodieke nanoporeuze architecturen, het belooft een breed scala aan nuttige toepassingen, zoals in batterijen en katalysatoren, maar door het gebrek aan efficiënte synthetische strategieën, dergelijke toepassingen zijn nog niet succesvol geweest. Door gebruik te maken van de poriënselectieve koolstofvulling bij lagere temperaturen, de synthese kan gemakkelijk worden opgeschaald voor studies die grote hoeveelheden koolstof vereisen; in het bijzonder hoge elektrische geleidbaarheid, wat een veelgevraagd aspect is voor de productie van batterijen.