Beschreibung

• Kohlenstoff-Hybridmaterialien besitzen hohes Potential als Träger und Katalysator für Photo- und Elektrokatalyse. Ziel ist deren Integration in dreidimensionale hierarchische Architekturen, um intrinsische Vorteile von Kohlenstoff-Hybridmaterialien mit denen drei-dimensionaler hierarchischer Architekturen (große aktive Oberflächen mit leichter Zugänglichkeit) zu kombinieren. Zwei Zielstrukturen sollen realisiert und getestet werden: 1) Kohlenstoff/Titandioxid-Nanoröhrchen (C-TiO2-Nanoröhrchen) enthaltende, optisch transparente Membranen aus selbstgeordnetem nanoporösem anodischen Aluminiumoxid (AAO) für Photokatalyse im sichtbaren Bereich; 2) Felder freistehender mesoporöser Kohlenstoff/Metallnanopartikel-Nanodrähte (C-NP-Nanodrähte) für Elektrokatalyse, die durch Abformen von AAO erhalten werden. Beide Zielstrukturen zeichnen sich verglichen mit Dünnschicht-Konfigurationen durch signifikant größere Oberfläche und im Vergleich zu konventionellen mesoporösen Materialien durch signifikant verbesserte Zugänglichkeit der aktiven Orte aus. Zur Herstellung der Zielarchitekturen wird direkte Carbonisierung von nanostrukturierten Blockcopolymer (BCP)-Strukturen als neues, von Kim und Steinhart entwickeltes Verfahren eingesetzt.Das mit den AAO-Poren verbundene hierarchische Niveau umfasst die topographischen Konturen der C-TiO2-Nanoröhrchen in AAO und der mesoporösen C-NP-Nanodrahtarrays. C-TiO2-Nanoröhrchen in AAO besitzen verglichen mit glatten dünnen Schichten ~1000fach größere Oberflächen pro Membranfläche. Sie überwinden mit katalytisch inaktiver Lichtabsorption durch Kohlenstoff verbundene Probleme, da nur dünne C-TiO2-Schichten die Porenwände des transparenten Trägers AAO bedecken, und sie könnten in Durchfluss-Reaktoren verwendet werden. Felder mesoporöser C-NP-Nanodrähte besitzen verglichen mit glatten Dünnschichtkonfigurationen eine 11fach größere topographische Kontaktfläche zu Elektrolytlösungen. Das hierarchische Niveau der nanoskopischen BCP-Domänenstruktur dient zur Anordnung von TiO2 in den C-TiO2-Nanoröhrchen sowie zur Erzeugung kontinuierlicher Mesoporensysteme mittels quellungsinduzierter Morphologierekonstruktion in BCP-Nanodrahtarrays, die zu C-NP-Nanodrahtarrays weiterverarbeitet werden. Die photokatalytischen Eigenschaften von C-TiO2-Nanoröhrchen in AAO und die elektrokatalytischen Eigenschaften von mesoporösen C-NP-Nanodrahtarrays sollen im Vergleich zu glatten Dünnschichtkonfigurationen mittels ausgewählter Modellreaktionen getestet werden.

Projektlaufzeit

• 01.05.2014 - 30.04.2017

Verbund/Partnerorganisation

• National Research Foundation of Korea (NRF) - Südkorea

Ergebniszusammenfassung

• Im vorliegenden Projekt sollte die direkte Karbonisierung von über quellungsinduzierte Morphologierekonstruktion erhaltenen mesoporösen Blockcopolymer-Monolithen untersucht werden, um so mesoporöse Kohlenstoffmonolithe zu erhalten. Weiterhin sollte die Anwendung besagter Karbonisierungsprodukte in den Bereichen Elektrokatalyse und Photokatalyse untersucht werden. Die Zugänglichkeit mesoporöser Kohlenstoffmaterialien mit diversen Oberflächentopographien, welche den Zugang zu den Mesoporen von außen potentiell erleichtern, wie monolithischer Felder mesoporöser Mikrosphären oder parallel ausgerichteter mesoporöser Nanostäbe, konnte demonstriert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die mesoporöse Struktur von mit Titanoxid beschichteten mesoporösen Blockcopolymer- Membranen im Verlauf der Karbonisierung erhalten bleibt. Die prinzipielle Verwendbarkeit so erhaltener mesostrukturierter Kohlenstoffmaterialien für photokatalytische Anwendungen konnte anhand des Ausbleichens von Methylenblau demonstriert werden. Die in diesem Projekt durch direkte Karbonisierung von Blockcopolymeren erhaltenen Kohlenstoffmaterialien wurden nicht, wie vorgesehen, in der Elektrokatalyse, sondern – da dies ein hochaktuelles Problem ist – als Elektrode in Lithium-Luft-Akkumulatoren getestet. Im Rahmen dieses Projektes konnten allerdings nur sehr vorläufige Resultate erzielt werden. Diese deuten einen erheblichen Optimierungsbedarf der hier verfolgten Syntheseroute an. Ein im Rahmen dieses Projektes noch nicht gelöstes Problem ist der erhebliche Schrumpf beziehungsweise möglicherweise auch Materialverlust bei direkter Karbonisierung mesoporöser Blockcopolymerkörper. Allerdings sollten die in diesem Projekt gewonnenen Erfahrungen hilfreich bei der Optimierung dieses Ansatzes sein. Die im Rahmen des vorliegenden Projektes erhaltenen Ergebnisse machen deutlich, in welche Richtung die Optimierung des hier verfolgten Ansatzes zu erfolgen hat. Um die Vorteile der Verwendung von Blockcopolymeren, wie die einfache Formung monolithischer Strukturen mit schwammartigen kontinuierlichen Porensystemen, voll ausnutzen zu können, müssen den Blockcopolymeren zusätzliche Kohlenstoffquellen zugemischt werden. Es hat sich auch gezeigt, dass die Optimierung des Systems ein eigenes Dissertationsprojekt darstellt.