Ein internationales Team unter Beteiligung des Departments CBI der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) stellt eine neuartige Syntheseroute zu Kohlenstoffmaterialien in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications vor.
Kohlenstoffmaterialien spielen aufgrund ihrer großen Oberfläche bei gleichzeitiger guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit eine zentrale Rolle bei der Entwicklung effizienter und nachhaltiger Energiesysteme. Traditionelle Synthesewege für Kohlenstoffmaterialien beruhen meist auf energieintensiven, langwierigen Hochtemperatur-Pyrolysen, bei denen über Stunden externe Wärme zugeführt werden muss, um die Ausgangsstoffe in Kohlenstoffe umzuwandeln – ein Prozess, der sich anschaulich mit dem Verkohlen einer im Ofen vergessenen Pizza vergleichen lässt.
Publikation in Nature Communications
In ihrer kürzlich in Nature Communications erschienenen Publikation beschreiben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler – unter der Beteiligung des Lehrstuhls für Power-to-X-Technologien – einen neuartigen Syntheseweg zu Kohlenstoffen, die praktisch nur aus ein oder wenigen Atomlagen bestehen und eine sehr große Oberfläche aufweisen. Anders als das bekannte Graphen sind diese Kohlenstoffe hoch ungeordnet und 3D-vernetzt.
Die Forschung zur neuen Synthese ist aus einer unerwarteten Beobachtung hervorgegangen: Für eine Polyanilin‑HClO₄-Mischung kann durch einen sanften Trigger (z. B. leichte Erwärmung, Mikrowellen‑Einstrahlung oder mechanische Anregung) eine schnelle thermischen Zersetzung ausgelöst werden. In sehr kurzer Zeit setzt die Mischung die chemische Energie frei. Unter starker Gasentwicklung und kurzzeitig extrem hohen Temperaturen, aber auch schneller Abkühlung, wird das Polymer karbonisiert. Das einzigartige Kohlenstoffmaterial entsteht. Dieser Syntheseweg erinnert an das Aufpoppen von Popcorn – die Struktur entsteht durch spontane Gasfreisetzung innerhalb kürzester Zeit.
Die Forschenden konnten zeigen, dass katalytische Metalle bereits in der Startmischung beigemengt werden können und in der Ein‑Schritt‑Synthese hochaktive Single‑Atom‑Katalysatoren entstehen. Diese Katalysatorplattform ist für zahlreiche nachhaltige elektrochemische Technologien von großem Interesse, darunter Brennstoffzellenkathoden sowie Katalysatoren für die elektrochemische Kohlendioxid‑Reduktion.
Weitere Informationen:
Prof. Dr.-Ing. Bastian Etzold
Lehrstuhl für Power-to-X-Technologien