De är små och består av sfäriska, arkliknande eller fibrösa partiklar. Och de består främst av det kemiska grundämnet kol. Talet här handlar om ovanliga kolnanostrukturer som forskare vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam-Golm nu producerar med en ny metod. Forskarna har redan visat att deras nanostrukturer har användbara katalytiska egenskaper:t.ex. de kan minska energin som krävs för att bryta ner vatten genom elektrolys. Detta är en användbar egenskap för att lagra förnybar energi. Och eftersom sådana nanopartiklar innehåller stor porositet, forskarna tror att de också kan tänkas användas för att lagra gaser, såsom koldioxid och i ytterligare tillämpningar.

Om du lämnar en pizza i ugnen för länge, degen blir svart. Under kolningsprocessen, organiska beståndsdelar i degen omvandlas till arter med hög kolhalt. Även om effekten är oönskad i köket, det är faktiskt huvudsyftet med vissa industriella processer. Ett exempel på förkolning är omvandlingen av kol till koks för att öka kolhalten. Industrisot, som de som används som pigment i bildäck, har också hög kolhalt tack vare kontrollerad ofullständig förbränning.

Sedan några år tillbaka har forskare arbetat med kontrollerad syntes av kolrika nanomaterial. Eftersom sådana partiklar är mycket porösa, har en stor specifik yta och är i vissa fall också bra elektriska ledare, de har många potentiella tillämpningar. Genom att använda vanliga tekniker, typiskt erhålls sfäriska partiklar. Med hjälp av en ny metod, forskare vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam-Golm har nu lyckats producera inte bara sfäriska utan även arkliknande och fibrösa nanostrukturer.

Utgångsämnena bestämmer partiklarnas struktur

Forskarna började med totalt tio olika organiska lösningsmedel, var och en som de sedan karboniserade. "Vi fann att vi kan kontrollera den rumsliga strukturen hos de resulterande partiklarna genom att välja lämpliga utgångsämnen, " säger Tim Fellinger, som leder Carbon and Energy Group vid Potsdam-baserade Max Planck Institute.

Inte bara har hans grupp producerat en mängd olika kolnanostrukturer, de har också hittat sätt att selektivt införa andra element än kol i produkterna. Till exempel, lösningsmedel som innehåller kväve eller svavel, såsom pyridin och dimetylsulfoxid, resultera i nanostrukturer som innehåller upp till 15 viktprocent kväve eller svavel. Genom att introducera lämpliga tillsatser, forskarna kunde till och med införliva metaller som nickel, kobolt och zink för att producera nanokompositer.

Nickel-kol-kompositer som katalysatorer för hydrolys

Inledande experiment med de nanostrukturerade produkterna har avslöjat många användbara egenskaper. Eftersom Fellingers Group också utforskar energilagringslösningar, de undersöker den katalytiska användningen av nanokol vid den elektrokemiska hydrolysen av vatten. I denna ansökan, Särskilt nickel-kol nanokompositer har visat sig vara lika effektiva som konventionella katalysatorer. "Men de skulle förmodligen vara mer ekonomiska att tillverka än de iridiumbaserade katalysatorer som vanligtvis används idag, " säger Fellinger. Hydrolys kan användas, till exempel, att lagra överskott av elektrisk energi i form av väte under korta perioder. "Med kostnadseffektiva katalysatorer, den decentraliserade produktionen av vätgas på begäran är också tänkbar, Fellinger tillägger. Risker med transporten av gasen skulle då vara ett minne blott.

Forskarna var imponerade av hur porösa deras nanostrukturer är och hur väl kolpartiklarna adsorberar gaser. Vissa produkter adsorberade till och med gaser bättre än kommersiellt aktivt kol, som var optimerad för detta ändamål. Tim Fellinger tycker att det är anmärkningsvärt:till skillnad från med aktivt kol, inga åtgärder vidtas under förkolningsprocessen för att öka adsorptionskapaciteten. Fellinger tror att detta öppnar upp för en mängd potentiella applikationer. Till exempel, de nya partiklarna kan visa sig användbara i utvecklingen av nästa generations batterier, t.ex. litium-svavel- eller litium-luft-batterier.

En ny syntesväg producerar strukturell variation

Två tillvägagångssätt var nyckeln till att uppnå den strukturella variationen och användbara egenskaper hos nanostrukturerna, som båda var outforskat territorium. Först, forskarna genomförde omedelbar förkolning vid hög temperatur i flytande tillstånd. De använde en ovanlig reaktionsmiljö av saltsmältningar vid över 500 grader, till exempel flytande zinkklorid. Andra, de förkolnade flytande utgångsämnen. Tidigare, fasta ämnen var huvudsakligen karboniserade, eftersom de höga temperaturerna som krävs skulle få organiska vätskor att avdunsta. För detta ändamål, forskarna injicerar helt enkelt billiga lösningsmedel från hyllan i det flytande saltet.

"Tydligen, vätskemolekylerna dissocierar vid kontakt med smältan, även innan de kan avdunsta, " Tim Fellinger förklarar. "De dissocierade produkterna kombineras då förmodligen för att bilda större kolrika molekyler inom några nanosekunder." Zinkkloridsmältan verkar stabilisera denna process. Eftersom saltsmältor är heta joniska vätskor, kemister har myntat termen jonotermisk syntes för att beskriva synteser i sådana miljöer. Dessa processer har redan visat sig användbara inom oorganisk kemi. Max Planck-forskarna i Potsdam undersöker det som förkolningsmetod.

Efter reaktionen, de tillsätter helt enkelt utspädd saltsyra till den kylda blandningen. Medan saltet i blandningen löses av syran, nanokolvätena – i form av en svart, fluffigt pulver – ligger kvar och filtreras lätt bort. Svepelektronmikroskopi används för att visa de olika nanostrukturerna hos de erhållna produkterna. Till exempel, acetonitril, bensonitril och dimetylsulfoxid gav upphov till sfäriska produkter, som finns i konventionella industrisot. Dock, droppande av etylenglykol eller glycerol i saltsmältan producerar arkliknande partiklar. Andra vätskor som etanol, aceton och pyridin resulterar i grenade, sammankopplade fiberprodukter. De sfäriska kolpartiklarna är tio nanometer i diameter, medan de fiberliknande strukturerna är upp till 120 nanometer långa.

Salt smälter fungerar som smörjmedel och rengöringsmedel

Även om de exakta mekanismerna fortfarande är en fråga om spekulationer, Tim Fellinger tror att det nya spektrumet av partikelstrukturer är helt rimligt:​​"Vi misstänker att saltsmältan fungerar som ett slags smörjmedel, öka rörligheten för de organiska fragmenten." Denna rörlighet, i tur och ordning, leder till fler sätt på vilka byggstenarna kan ordnas, han förklarar. Hastigheten med vilken detta sker kan skilja sig från ett lösningsmedel till ett annat, och detta är en anledning till mångfalden av strukturer. Kemisten och nanostrukturexperten tror också att en annan faktor spelar in:"Saltet minskar ytspänningen." Det gör att kolfragmenten inte längre behöver anta en sfärisk form för att minimera sin yta – precis som vatten inte längre bildar droppar på ytor efter att tvättmedel har tillsatts.

Forskarna tror också att saltjoner är ansvariga för den imponerande porositeten hos deras nanokol:på grund av den låga ytspänningen, saltet och kolet har stora kontaktytor under syntesen. "Efter att saltet separerats ut, många porer finns kvar, " förklarar Fellinger.

Forskarna har en mängd nya idéer att utforska. Med tanke på det stora antalet oorganiska salter och organiska lösningsmedel som kan kombineras med den nya tekniken, det kommer sannolikt att finnas många fler anpassade kompositvarianter med användbara applikationer. Forskarna planerar nu att experimentera med andra kombinationer av salt och lösningsmedel. De planerar också att undersöka närmare om de kolskikt och fibrer de upptäckt har fördelar jämfört med sfäriska strukturer i specifika tillämpningar. "Hur som helst, vi har nu ett nytt mångsidigt förkolningsverktyg i form av varminsprutning av lättillgängliga lösningsmedel kombinerat med jonotermisk syntes, säger Tim Fellinger.