Raketgeïnspireerde reactie levert koolstof op met een recordoppervlak

Met behulp van een chemische reactie geïnspireerd op de ontsteking van raketbrandstof hebben Cornell-onderzoekers een nanoporeuze koolstof ontwikkeld met het grootste oppervlak ooit gerapporteerd, een doorbraak die nu al gunstig blijkt te zijn voor technologieën voor het afvangen en opslaan van koolstofdioxide.

Wetenschappers streven er voortdurend naar om de porositeit van koolstof te verbeteren, waardoor een groter deel van het oppervlak van het materiaal bloot komt te liggen en de prestaties ervan worden geoptimaliseerd bij toepassingen zoals het adsorberen van verontreinigende stoffen en het opslaan van elektrische energie.

Een nieuwe synthesetechniek gedetailleerd in het journaal ACS Nano duwt het oppervlak van koolstof naar een ongekende 4.800 vierkante meter per gram, wat overeenkomt met ongeveer de grootte van een voetbalveld verpakt in een theelepel materiaal.

“Het hebben van meer oppervlak per massa is erg belangrijk, maar je kunt een punt bereiken waarop er geen materiaal meer over is. Het is alleen maar lucht”, zegt senior auteur Emmanuel Giannelis, Walter R. Read Professor bij de afdeling Materials Science and Engineering, in Cornell-techniek. “De uitdaging is dus hoeveel van die porositeit je kunt introduceren en toch structuur overhoudt, samen met voldoende opbrengst om er iets praktisch mee te doen.”

Om deze uitdaging aan te pakken schakelde Giannelis postdoctoraal onderzoeker Nikolaos Chalmpes in, die materialen had ontwikkeld met behulp van hypergolische reacties, die spontaan optreden wanneer bepaalde chemicaliën zich vermengen en een snelle, intense uitbarsting van energie vrijgeven.

“Ik probeerde te begrijpen hoe ik deze onontdekte reacties kon benutten en controleren voor het synthetiseren van verschillende koolstofnanostructuren, en na het aanpassen van verschillende parameters ontdekte ik dat we mogelijk een ultrahoge porositeit konden bereiken”, zegt Chalpes, hoofdauteur van het onderzoek. “Tot dan toe werden deze reacties alleen gebruikt in raket- en vliegtuigsystemen, en diepe ruimtesondes voor voortstuwing en hydraulisch vermogen.”

De techniek begint met sucrose en een sjabloonmateriaal om de koolstof in een gestructureerde vorm te helpen vormen. Wanneer gemengd met specifieke chemicaliën ontbrandt de hypergolische reactie, waardoor koolstofbuizen worden gevormd met een hoge concentratie aan reactieve moleculaire ringen bestaande uit vijf koolstofatomen, in plaats van de typische zesringen die in de meeste koolstofstructuren worden aangetroffen.

De laatste stap bestaat uit het behandelen van het materiaal met kaliumhydroxide, waardoor minder stabiele structuren worden weggeëtst, waardoor een ingewikkeld netwerk van microscopisch kleine poriën ontstaat.

“Als je deze zeer snelle reactie uitvoert, ontstaat er een perfecte situatie waarin het systeem niet kan ontspannen en naar de laagste energietoestand kan gaan, wat het normaal gesproken zou doen”, zei Giannelis. “Vanwege de snelheid van hypergolische reacties kun je het materiaal in een metastabiele configuratie opvangen die je niet kunt krijgen door de langzame opwarming van een normale reactie.”

Samen met medewerkers van Cornell en het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, Demokritos, in Griekenland, hebben de onderzoekers aangetoond dat het nanoporeuze materiaal koolstofdioxide kan adsorberen met bijna tweemaal de capaciteit van traditionele actieve kool, en 99% van zijn totale capaciteit kan opvangen in slechts twee keer. minuten, waardoor het een van de snelst werkende sorptiemiddelen in zijn soort is.

Het nieuwe materiaal is ook veelbelovend op het gebied van energieopslag en bereikt een volumetrische energiedichtheid van 60 wattuur per liter, vier keer groter dan in de handel verkrijgbare actieve kool.

“Deze aanpak biedt een alternatieve strategie voor het ontwerpen en synthetiseren van op koolstof gebaseerde materialen die geschikt zijn voor sorptiemiddelen, katalysatordragers en actieve materialen voor supercondensatoren, vooral in toepassingen die ruimte-efficiëntie vereisen”, zegt Chalmpes, die de techniek ook gebruikt om nieuwe legeringen van nanodeeltjes te maken.

“Bovendien bieden de unieke experimentele omstandigheden van hypergolische reacties een andere route voor het ontwerp en de synthese van elektrokatalysatoren met verbeterde eigenschappen.”