Kleine Strukturen aus Kohlenstoff sind ein nützliches und vielseitiges Werkzeug, das branchenübergreifend eingesetzt werden kann, einschließlich in der Wasser- und Abwasserbehandlung, Gas und Öl sowie Energiespeicherung. Um diese Nanostrukturen zu erzeugen, wurden herkömmlicherweise synthetische und natürliche Polymere als Ausgangspunkt verwendet, um die chemische Reaktion einzuleiten, die notwendig ist, um die nanostrukturierten Kohlenstoffe zu erzeugen. Dies wird als Vorläufer bezeichnet.
Jedoch haben sowohl natürliche als auch synthetische Polymere Einschränkungen. Bei natürlichen Polymeren ist es aufgrund ihrer Komplexität schwierig, so genau zu sein, und synthetische Polymere sind schwierig und teuer herzustellen.
Jüngste Forschungen haben eine Alternative zu Polymervorläufern aufgezeigt, indem kleine organische Moleküle mithilfe von Wärme in organische Metallsalze und dann in poröse Kohlenstoffe umgewandelt werden. Der Prozess des Erhitzens der Moleküle, um ein neues Material zu erzeugen, wird als Pyrolyse bezeichnet.
Die Studie wurde veröffentlicht in Nanoforschung am 22. Oktober.
„Der direkte Zweck der Verwendung kleiner Moleküle als Vorläufer besteht darin, die Kohlenstoffherstellung zu vereinfachen, indem der Polymerisationsprozess vermieden wird“, sagte Hai-Wei Liang, Professor und Forscher an der University of Science and Technology of China in Hefei.
„Noch wichtiger ist, dass dieses Konzept der Verwendung kleiner Moleküle die strukturelle Vielfalt von Vorläufern für die Kohlenstoffherstellung erheblich erweitern kann und somit einen Weg ebnen könnte, um die Beziehung zwischen Kohlenstoffmaterialeigenschaften und Vorläuferstrukturen zu untersuchen.“
Frühere Forschungen zu kleinen organischen Molekülen als Alternative zu Polymervorläufern waren aufgrund ihrer Synthesebedingungen, die flüchtigere kleine Moleküle erzeugten, mit Einschränkungen konfrontiert. Diese Studie baut auf früheren Untersuchungen auf, die zeigten, dass die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten, bei denen es sich um ein Salz in flüssigem Zustand handelt, einige dieser Einschränkungen lösen könnte.
Sie gingen noch einen Schritt weiter und verwendeten anstelle von ionischen Flüssigkeiten organische Metallsalze, auch ionische Feststoffe genannt, da organische Metallsalze sowohl organische als auch anorganische Materialien sind. Diese Kombination aus organischen und anorganischen Materialien hilft den organischen Metallsalzen, Vorlagen für die Kohlenstoff-Nanostrukturen zu bilden. Sie zeigen auch, dass eine Vielzahl kleiner organischer Moleküle als Vorstufen verwendet werden können, solange sie Säuregruppen enthalten, die sich in Salz umwandeln können.
„Die Schwierigkeit, kleine Moleküle für die Kohlenstoffherstellung zu verwenden, liegt hauptsächlich an ihrer hohen Flüchtigkeit, die leicht durch die Umwandlung kleiner Moleküle in organische Metallsalze überwunden werden kann. Dies liegt daran, dass die ursprünglich schwache intermolekulare Kraft, die Moleküle zusammenhält, durch eine robuste elektrostatische Kraft ersetzt wird nach der Salzbildung, wodurch die Flüchtigkeit gesenkt wird“, sagte Liang.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung dieses Verfahrens ist die Vielseitigkeit der organischen Metallsalze. Durch Veränderung der Bestandteile der organischen Metallsalze lassen sich die Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanostrukturen auf molekularer Ebene steuern.
Mit Blick auf die Zukunft werden die Forscher weiterhin die verschiedenen Möglichkeiten untersuchen, wie diese Technik eingesetzt werden kann. „Als nächstes werden wir die strukturelle Beziehung zwischen Kohlenstoffmaterialien und molekularen Vorläufern weiter untersuchen, um klar definierte Regeln festzulegen, die die rationale Synthese von Kohlenstoffmaterialien auf molekularer Ebene steuern. Letztendlich hoffen wir, den Vorteil dieser Methode bei der Kontrolle von Kohlenstoff zu nutzen Strukturen und Zusammensetzungen, um die maßgeschneiderte Synthese fortschrittlicher funktioneller Kohlenstoffmaterialien für gezielte Anwendungen zu erreichen“, sagte Liang.
Lei Tong et al, Aufbau der Brücke von kleinen organischen Molekülen zu porösen Kohlenstoffen über das ionische Festkörperprinzip, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4997-8
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press