Kleine constructies gemaakt van koolstof zijn een nuttig en veelzijdig hulpmiddel dat in verschillende industrieën kan worden gebruikt, waaronder water- en afvalwaterbehandeling, gas en olie en energieopslag. Om deze nanostructuren te creëren, werden van oudsher synthetische en natuurlijke polymeren gebruikt als uitgangspunt om de chemische reactie op gang te brengen die nodig is om de nanogestructureerde koolstoffen te creëren. Dit wordt een voorloper genoemd.
Zowel natuurlijke als synthetische polymeren hebben echter beperkingen. Het is moeilijk om zo precies te zijn met natuurlijke polymeren vanwege hun complexiteit en synthetische polymeren zijn moeilijk en duur om te produceren.
Recent onderzoek heeft een alternatief aangetoond voor polymeerprecursoren door warmte te gebruiken om kleine organische moleculen om te zetten in organische metaalzouten en vervolgens in poreuze koolstoffen. Het proces waarbij de moleculen worden verwarmd om een nieuw materiaal te creëren, wordt pyrolyse genoemd.
De studie is gepubliceerd in Nano-onderzoek op 22 oktober.
“Het directe doel van het gebruik van kleine moleculen als voorlopers is om de koolstofbereiding te vereenvoudigen door het polymerisatieproces te vermijden”, zegt Hai-Wei Liang, een professor en onderzoeker aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei.
“Belangrijker is dat dit concept van het gebruik van kleine moleculen de structurele diversiteit van voorlopers voor koolstofbereiding aanzienlijk kan vergroten en zo een weg zou kunnen banen om de relatie tussen koolstofmateriaaleigenschappen en voorloperstructuren te bestuderen.”
Eerder onderzoek naar kleine organische moleculen als alternatief voor polymeerprecursoren had te maken met beperkingen vanwege hun syntheseomstandigheden, waardoor kleine moleculen ontstonden die vluchtiger waren. Deze studie bouwt voort op eerder onderzoek dat aantoonde dat het gebruik van ionische vloeistoffen, een zout in vloeibare toestand, enkele van deze beperkingen zou kunnen oplossen.
Ze gingen nog een stap verder en gebruikten organische metaalzouten, ook wel ionische vaste stoffen genoemd, in plaats van ionische vloeistoffen, omdat organische metaalzouten zowel organische als anorganische materialen zijn. Deze combinatie van organische en anorganische materialen helpt de organische metaalzouten om sjablonen te vormen voor de koolstofnanostructuren. Ze laten ook zien dat een breed scala aan kleine organische moleculen als voorlopers kunnen worden gebruikt, zolang ze maar zure groepen bevatten die in zout kunnen veranderen.
“De moeilijkheid om kleine moleculen voor koolstofbereiding te gebruiken, komt voornamelijk van hun hoge vluchtigheid, die gemakkelijk kan worden overwonnen door de transformatie van kleine moleculen in organische metaalzouten. Dit komt omdat de oorspronkelijke zwakke intermoleculaire kracht die moleculen bij elkaar houdt, wordt vervangen door robuuste elektrostatische kracht na de zoutvorming, waardoor de vluchtigheid wordt verlaagd”, aldus Liang.
Een ander voordeel van het gebruik van deze methode is de veelzijdigheid van de organische metaalzouten. Door de componenten van de organische metaalzouten te veranderen, kunnen de eigenschappen van de koolstofnanostructuren op moleculair niveau worden gecontroleerd.
Vooruitkijkend zullen onderzoekers de verschillende manieren waarop deze techniek kan worden gebruikt blijven onderzoeken. “Vervolgens zullen we doorgaan met het onderzoeken van de structurele relatie tussen koolstofmaterialen en moleculaire voorlopers om goed gedefinieerde regels vast te stellen om de rationele synthese van koolstofmaterialen op moleculair niveau te begeleiden. Uiteindelijk hopen we het voordeel van deze methode te gebruiken bij het beheersen van koolstof structuren en samenstellingen om de op maat gemaakte synthese van geavanceerde functionele koolstofmaterialen voor gerichte toepassingen te bereiken, “zei Liang.
Lei Tong et al, De brug bouwen van kleine organische moleculen naar poreuze koolstoffen via ionisch vast principe, Nano-onderzoek (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4997-8
Nano-onderzoek
Geleverd door Tsinghua University Press