Neuer Kohlenstoff schafft Porositäts-Rekord

Forscher der Cornell University erreichen ihr Ziel mit einer Reaktion aus der Raketentechnik

Hochporöser Kohlenstoff unter dem Elektronenmikroskop (Foto: Giannelis Group/Provided)

Ithaca (pte004/20.12.2024/06:15) - Emmanuel Giannelis von der Cornell University ( https://www.cornell.edu/ ) hat mit seinem Postdoc Nikolaos Chalmpes einen Kohlenstoff hergestellt, dessen innere Oberfläche so groß ist wie ein Football-Spielfeld. Pro Gramm sind es 4.800 Quadratmeter. Je größer die innere Oberfläche ist, desto mehr Schadstoffe kann ein solches Material adsorbieren. Eine Vielzahl von Poren ermöglicht eine Energiedichte von 60 Wattstunden pro Liter, was auch Elektroden in Batterien verbessert.

Struktur und reine Luft

"Mehr Oberfläche pro Masse zu haben, ist sehr wichtig, aber man kann an einen Punkt gelangen, an dem kein Material mehr übrig ist, nur noch Luft. Die Herausforderung besteht also darin, so viel Porosität zu erzeugen und trotzdem noch so viel Strukturmaterial übrig zu behalten, dass man es in der Praxis nutzen kann", unterstreicht Gianellios.

Mit diesem Balanceakt hat er Chalmpes betraut. Dieser hatte bereits Materialien mithilfe sogenannter hypergolischer Reaktionen entwickelt. Diese treten spontan auf, wenn bestimmte Chemikalien gemischt werden. Es erfolgt dann eine schnelle, intensive Energiefreisetzung. Hypergolität ist beispielsweise bei manchen Raketentreibstoffen zu beobachten. Getrennt aufbewahrt sind sie harmlos, explodieren aber schlagartig, wenn sie zusammengeführt werden.

Explosive Zucker-Umwandlung

Ausgangsmaterial ist ein Zucker, wie er auch im Haushalt zum Süßen von Kaffee, Tee und Speisen genutzt wird. Wird dieses Pulver mit einer bestimmten Chemikalie vermischt, kommt es zu einer hypergolen Reaktion. Aus dem Kohlehydrat entstehen durch Hitze und Druck Kohlenstoffnanoröhrchen und Ringe aus je fünf Kohlenstoffatomen. Im letzten Schritt werden weniger stabile Strukturteile mit Kaliumhydroxid weggeätzt. Mikroskopisch kleine Poren bleiben übrig.

In Zusammenarbeit mit dem Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung Demokritos ( https://www.demokritos.gr/ ) haben die Forscher nachgewiesen, dass das nanoporöse Material fast doppelt so viel CO2 an sich binden kann wie herkömmliche Aktivkohle und bereits nach zwei Minuten 99 Prozent der Menge an CO2 verschluckt hat, die insgesamt möglich ist. Damit ist es eines der am schnellsten wirkenden Sorptionsmittel seiner Art, sagen die Wissenschaftler.

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