Forscher an der Cornell University haben ein nanoporöses Kohlenstoffmaterial mit der bisher höchsten berichteten Oberfläche entwickelt. Die Durchbruch nutzt eine chemische Reaktion, die an die Zündung von Raketentreibstoff erinnert, und könnte zur Verbesserung von Kohlendioxid-Abscheidungs- und Energiespeichertechnologien verwendet werden, um möglicherweise die nächste Batteriegeneration voranzutreiben. Die Erhöhung der Porosität von Kohlenstoff ist der Schlüssel zur Verbesserung seiner Leistung in Anwendungen wie der Schadstoffadsorption (wo Schadstoffe an der Oberfläche des Materials haften) und der Energiespeicherung. Das neue Material weist eine Oberfläche von 4.800 Quadratmetern pro Gramm auf – vergleichbar mit der Größe eines amerikanischen Fußballfeldes oder 11 Basketballfeldern, zusammengefasst in einem einzigen Teelöffel.

Eine vielversprechende Zukunft für Batterien
„Es ist sehr wichtig, mehr Oberfläche pro Masse zu haben, aber man kann an einen Punkt kommen, an dem kein Material mehr übrig ist. Es ist einfach nur Luft“, sagte Seniorautor Emmanuel Giannelis vom Department of Materials Science and Engineering der Cornell Ingenieurschule. „Die Herausforderung besteht also darin, wie viel dieser Porosität Sie einführen können und dennoch eine Struktur zurückbleibt, zusammen mit genug Ausbeute, um praktisch damit arbeiten zu können.“ Giannelis arbeitete mit dem Postdoktoranden Nikolaos Chalmpes zusammen, der hypergole Reaktionen – hochenergetische chemische Reaktionen, die typischerweise für den Raketenantrieb verwendet werden – anpasste, um diesen Kohlenstoff zu synthetisieren. Chalmpes erklärte, dass sie durch Feinabstimmung des Prozesses eine ultrahohe Porosität erreichen konnten. Zuvor wurden solche Reaktionen ausschließlich in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, aber ihre schnelle und intensive Natur erwies sich als ideal für die Erzeugung neuartiger Nanostrukturen. Der in ACS Nano beschriebene Prozess beginnt mit Sucrose und einem Schablonenmaterial, das die Bildung der Kohlenstoffstruktur führt. In Kombination mit spezifischen Chemikalien erzeugt die hypergole Reaktion Kohlenstoffröhren, die hochreaktive fünfgliedrige molekulare Ringe enthalten. Eine anschließende Behandlung mit Kaliumhydroxid entfernt weniger stabile Strukturen und hinterlässt ein Netzwerk mikroskopischer Poren. Die Forscher sagen, dass das Material Kohlendioxid fast doppelt so effektiv wie konventionelle Aktivkohlen adsorbiert und in unter zwei Minuten 99% seiner Gesamtkapazität erreicht. Es zeigte auch eine volumetrische Energiedichte von 60 Wattstunden pro Liter – viermal höher als bei kommerziellen Alternativen. Dies macht es besonders vielversprechend für Batterien und kleine Stromzellen, wo eine effiziente Energiespeicherung in kompakten Räumen entscheidend ist und eröffnet Wege für die Gestaltung von Elektrokatalysatoren und Nanopartikellegierungen.