Kann man aus Kohle Graphit machen? Die Forscher beginnen mit der Suche nach einem neuen Kohlenstofffeststoff

Da der weltweite Appetit auf kohlenstoffbasierte Materialien wie Graphit zunimmt, präsentierten Forscher der Ohio University diese Woche Beweise für einen neuen Kohlenstofffeststoff, den sie „amorphen Graphit“ nannten.

Der Physiker David Drabold und der Ingenieur Jason Trembly begannen mit der Frage: „Können wir Graphit aus Kohle machen?“

„Graphit ist ein wichtiges Kohlenstoffmaterial mit vielen Verwendungsmöglichkeiten. Eine aufstrebende Anwendung für Graphit sind Batterieanoden in Lithium-Ionen-Batterien, und es ist entscheidend für die Elektrofahrzeugindustrie – ein Tesla Model S benötigt durchschnittlich 54 kg Graphit. Solche Elektroden sind am besten aus reinen Kohlenstoffmaterialien hergestellt, die aufgrund der steigenden technologischen Nachfrage immer schwieriger zu bekommen sind“, schreiben sie in ihrem Artikel „Ab initio simulation of amorphous graphite“, der heute in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Ab initio“ bedeutet „von Anfang an“, und ihre Arbeit verfolgt neue Wege zu synthetischen Formen von Graphit aus natürlich vorkommendem kohlenstoffhaltigem Material. Was sie mit mehreren verschiedenen Berechnungen fanden, war ein geschichtetes Material, das sich bei sehr hohen Temperaturen (etwa 3000 Grad Kelvin) bildet. Seine Schichten bleiben aufgrund der Bildung eines Elektronengases zwischen den Schichten zusammen, aber sie sind nicht die perfekten Schichten aus Sechsecken, aus denen ideales Graphen besteht. Dieses neue Material hat viele Sechsecke, aber auch Fünf- und Siebenecke. Diese Ringstörung verringert die elektrische Leitfähigkeit des neuen Materials im Vergleich zu Graphen, aber die Leitfähigkeit ist immer noch hoch in den Bereichen, die hauptsächlich von Sechsecken dominiert werden.

Nicht alle Sechsecke

„In der Chemie wird der Prozess der Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Materialien in eine geschichtete graphitische Struktur durch Wärmebehandlung bei hoher Temperatur als Graphitisierung bezeichnet. In diesem Brief zeigen wir anhand von Ab-initio- und molekulardynamischen Simulationen mit maschinellem Lernen, dass reine Kohlenstoffnetzwerke eine überwältigende Neigung zur Umwandlung haben zu einer Schichtstruktur in einem signifikanten Dichte- und Temperaturfenster, wobei die Schichtung selbst bei zufälligen Ausgangskonfigurationen auftritt. Die flachen Schichten sind amorphes Graphen: topologisch ungeordnete dreifach koordinierte Kohlenstoffatome, die in Ebenen mit Fünfecken, Sechsecken und Siebenecken aus Kohlenstoff angeordnet sind“, sagte Drabold , angesehener Professor für Physik und Astronomie am College of Arts and Sciences der Ohio University.

„Da diese Phase topologisch ungeordnet ist, wird das übliche ‚Stapelregister‘ von Graphit nur statistisch eingehalten“, sagte Drabold. „Die Schichtung wird ohne Van-der-Waals-Korrekturen der Dichtefunktionalkräfte (LDA und PBE) beobachtet, und wir diskutieren die Bildung eines delokalisierten Elektronengases in den Galerien (Leerstellen zwischen den Ebenen) und zeigen, dass die Kohäsion zwischen den Ebenen teilweise auf diese geringe Dichteelektronengas. Die elektronische Leitfähigkeit in der Ebene ist im Vergleich zu Graphen dramatisch reduziert.

Die Forscher erwarten, dass ihre Ankündigung Experimente und Studien anregen wird, die sich mit der Existenz von amorphem Graphit befassen, das möglicherweise durch Exfoliation und/oder experimentelle Oberflächenstruktursonden getestet werden kann.

Trembly, Russ-Professor für Maschinenbau und Direktor des Instituts für nachhaltige Energie und Umwelt am Russ College of Engineering and Technology an der Ohio University, hat teilweise an der umweltfreundlichen Verwendung von Kohle gearbeitet. Er und Drabold – zusammen mit den Physik-Doktoranden Rajendra Thapa, Chinonso Ugwumadu und Kishor Nepal – arbeiteten an der Forschung zusammen. Drabold ist auch Teil des Nanoscale & Quantum Phenomena Institute in OHIO und hat eine Reihe von Artikeln über die Theorie von amorphem Kohlenstoff und amorphem Graphen veröffentlicht. Drabold hob auch die hervorragende Arbeit seiner Doktoranden bei der Durchführung dieser Forschung hervor.

Überraschende Kohäsion zwischen den Ebenen

„Die Frage, die uns dazu geführt hat, war, ob wir Graphit aus Kohle herstellen könnten“, sagte Drabold. „Dieses Papier beantwortet diese Frage nicht vollständig, aber es zeigt, dass Kohlenstoff eine überwältigende Tendenz zur Schichtung hat – wie Graphit, aber mit vielen ‚Defekten‘ wie Fünf- und Siebenecken (fünf- und siebengliedrige Ringe aus Kohlenstoffatomen). passen ganz natürlich in das Netzwerk. Wir präsentieren Beweise dafür, dass amorpher Graphit existiert, und wir beschreiben seinen Bildungsprozess. Aus Experimenten wurde vermutet, dass Graphitisierung in der Nähe von 3.000 K auftritt, aber die Details des Bildungsprozesses und die Art der Unordnung in den Ebenen war unbekannt“, fügte er hinzu.

Die Arbeit der Forscher der Ohio University ist auch eine Vorhersage einer neuen Kohlenstoffphase.

„Bis wir dies taten, war es überhaupt nicht offensichtlich, dass Schichten aus amorphem Graphen (die Ebenen einschließlich Fünfecken und Siebenecken) in einer Schichtstruktur zusammenkleben würden. Ich finde das ziemlich überraschend, und es ist wahrscheinlich, dass Experimentatoren danach suchen werden jetzt, wo seine Existenz vorhergesagt wird“, sagte Drabold. „Kohlenstoff ist das Wunderelement – ​​man kann Leben erschaffen, Diamant, Graphit, Bucky Balls, Nanoröhren, Graphen und jetzt das. Es gibt auch eine Menge interessanter grundlegender Physik darin – zum Beispiel, wie und warum die Flugzeuge binden, das allein ist aus technischen Gründen ziemlich überraschend.“