Nanostructuren gemaakt van koolstof zijn extreem veelzijdig. Ze kunnen ionen absorberen in batterijen en supercondensatoren, gassen opslaan en water ontzilten. Hoe goed ze de taak aankunnen, hangt grotendeels af van de structurele kenmerken van de nanoporiën. Een nieuwe studie van de HZB heeft nu aangetoond dat structurele veranderingen die optreden als gevolg van morfologie-overgang bij toenemende temperatuur van de synthese ook direct kunnen worden gemeten, met behulp van kleine-hoek röntgenverstrooiing. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof .

Geoptimaliseerde nanoporeuze koolstoffen kunnen dienen als elektroden voor snel elektronen- en ionentransport of de prestaties van apparaten voor energieopslag en -conversie verbeteren. Dus de afstembaarheid van de grootte, vorm, en verdeling van poriën is zeer vereist. Het team van het HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials werkte samen met een groep van de Universiteit van Tartu, Estland, om de nanoarchitectuur te onderzoeken, binnenoppervlak, maat, vorm en verdeling van nanoporiën afhankelijk van de synthesecondities.

Collega's in Estland produceerden een reeks nanoporeuze koolstoffen door een poeder van molybdeencarbide (Mo ₂ C) met gasvormig chloor bij 600, 700, 800, 900, en 1000 graden Celsius. Afhankelijk van de gekozen synthesecondities, de nanoporeuze koolstof vertoont verschillende eigenschappen zoals oppervlakte, porositeit, elektronische en ionische geleidbaarheid, hydrofiliciteit en elektrokatalytische activiteit.

Oppervlaktestructuren werden geanalyseerd met transmissie-elektronenmicroscopie bij de HZB. Het binnenoppervlak van nanokoolstofmaterialen wordt meestal onderzocht door adsorptie van gas. Echter, deze methode is niet alleen relatief onnauwkeurig, het bevat ook geen informatie over de vorm en grootte van de poriën. Voor diepere inzichten, Dr. Eneli Härk en haar collega's bij HZB werkten met kleine-hoek röntgenverstrooiing, een techniek die het mogelijk maakt om informatie te verkrijgen over verschillende structurele kenmerken op nanometerschaal, inclusief de gemiddelde poriegrootte.

Röntgenverstrooiing onder een kleine hoek geeft niet alleen informatie over het precieze binnenoppervlak en de gemiddelde poriegrootte, maar ook op hun hoekigheid, d.w.z., scherpe randen van gevormde poriën, die een grote rol spelen bij de functionalisering van de materialen. "De SAXS-analyse vat een enorme hoeveelheid microporiën samen, waarbij misleidende veronderstellingen worden weggelaten, waardoor de nanostructurele architectuur van het materiaal rechtstreeks wordt gerelateerd aan macroscopische technische parameters die in engineering worden onderzocht, ’ legt Härk uit.

Het belangrijkste doel was om structurele vorming te begrijpen, en elektrochemische eigenschappen van koolstof als functie van de synthesetemperatuur. "Voor een optimale werking, niet alleen het hoge binnenoppervlak is cruciaal, maar de poriën moeten precies de juiste vorm hebben, grootte en distributie, ’ zegt Hark.