Sono minuscoli e comprendono sferici, particelle lastriformi o fibrose. E sono costituiti principalmente dall'elemento chimico carbonio. Si parla di nanostrutture di carbonio insolite che gli scienziati del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces di Potsdam-Golm stanno ora producendo con un nuovo metodo. I ricercatori hanno già dimostrato che le loro nanostrutture possiedono utili proprietà catalitiche:ad esempio, possono ridurre l'energia necessaria per abbattere l'acqua mediante elettrolisi. Questa è una proprietà utile per immagazzinare energia rinnovabile. E poiché tali nanoparticelle contengono una grande porosità, gli scienziati ritengono che potrebbero anche essere usati per immagazzinare gas, come l'anidride carbonica e in altre applicazioni.

Se lasci una pizza in forno troppo a lungo, l'impasto diventa nero. Durante il processo di carbonizzazione, i costituenti organici nell'impasto vengono convertiti in specie ad alto contenuto di carbonio. Sebbene l'effetto sia indesiderabile in cucina, è in realtà l'obiettivo principale di alcuni processi industriali. Un esempio di carbonizzazione è la conversione del carbone in coke per aumentare il contenuto di carbonio. fuliggine industriale, come quelli usati come pigmenti nei pneumatici delle automobili, hanno anche un alto contenuto di carbonio grazie alla combustione incompleta controllata.

Da alcuni anni gli scienziati stanno lavorando alla sintesi controllata di nanomateriali ricchi di carbonio. Poiché tali particelle sono altamente porose, hanno una grande superficie specifica e in alcuni casi sono anche buoni conduttori elettrici, hanno molte potenziali applicazioni. Utilizzando tecniche comuni, si ottengono tipicamente particelle sferiche. Con l'aiuto di un nuovo metodo, i ricercatori del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces di Potsdam-Golm sono ora riusciti a produrre nanostrutture non solo sferiche, ma anche lastriformi e fibrose.

Le sostanze di partenza determinano la struttura delle particelle

I ricercatori hanno iniziato con un totale di dieci diversi solventi organici, ciascuno dei quali poi carbonizzato. "Abbiamo scoperto che possiamo controllare la struttura spaziale delle particelle risultanti selezionando sostanze di partenza adatte, "dice Tim Fellinger, che guida il Carbon and Energy Group presso il Max Planck Institute di Potsdam.

Non solo il suo gruppo ha prodotto una varietà di nanostrutture di carbonio, hanno anche trovato modi per introdurre selettivamente elementi diversi dal carbonio nei prodotti. Per esempio, solventi contenenti azoto o zolfo, come piridina e dimetilsolfossido, danno luogo a nanostrutture contenenti fino al 15% in peso di azoto o zolfo. Introducendo opportuni additivi, i ricercatori sono stati persino in grado di incorporare metalli come il nichel, cobalto e zinco per produrre nanocompositi.

Compositi nichel-carbonio come catalizzatori per l'idrolisi

Gli esperimenti iniziali con i prodotti nanostrutturati hanno scoperto molte proprietà utili. Poiché il gruppo di Fellinger sta anche esplorando soluzioni di accumulo di energia, stanno studiando l'uso catalitico dei nanocarburi nell'idrolisi elettrochimica dell'acqua. In questa applicazione, i nanocompositi nichel-carbonio in particolare si sono dimostrati efficienti quanto i catalizzatori convenzionali. "Ma probabilmente sarebbero più economici da produrre rispetto ai catalizzatori a base di iridio comunemente usati oggi, " dice Fellinger. Si può usare l'idrolisi, Per esempio, immagazzinare l'energia elettrica in eccesso sotto forma di idrogeno per brevi periodi. "Con catalizzatori economici, è ipotizzabile anche la produzione decentralizzata di idrogeno su richiesta, " Aggiunge Fellinger. I rischi portati con il trasporto del gas sarebbero quindi un ricordo del passato.

Gli scienziati sono rimasti colpiti da quanto siano porose le loro nanostrutture e da quanto bene le particelle di carbonio assorbano i gas. Alcuni prodotti assorbono persino i gas meglio del carbone attivo commerciale, che è stato ottimizzato a tale scopo. Tim Fellinger lo trova notevole:a differenza del carbone attivo, durante il processo di carbonizzazione non vengono prese misure per aumentare la capacità di adsorbimento. Fellinger crede che questo apra una vasta gamma di potenziali applicazioni. Per esempio, le nuove particelle potrebbero rivelarsi utili nello sviluppo di batterie di prossima generazione, per esempio. batterie al litio-zolfo o al litio-aria.

Un nuovo percorso di sintesi produce varietà strutturale

Due approcci sono stati fondamentali per ottenere la varietà strutturale e le proprietà utili delle nanostrutture, entrambi erano territorio inesplorato. Primo, i ricercatori hanno effettuato una carbonizzazione istantanea ad alta temperatura allo stato liquido. Hanno usato un ambiente di reazione insolito di fusione del sale a oltre 500 gradi, per esempio cloruro di zinco liquido. Secondo, hanno carbonizzato le sostanze di partenza liquide. In precedenza, i solidi erano principalmente carbonizzati, perché le alte temperature richieste farebbero evaporare i liquidi organici. A tal fine, i ricercatori iniettano semplicemente solventi poco costosi disponibili in commercio nel sale liquido.

"Chiaramente, le molecole liquide si dissociano al contatto con il fuso, anche prima che possano evaporare, "Spiega Tim Fellinger. "I prodotti dissociati quindi presumibilmente si combinano per formare molecole più grandi ricche di carbonio entro pochi nanosecondi". La fusione del cloruro di zinco sembra stabilizzare questo processo. Poiché i fusi di sale sono fluidi ionici caldi, i chimici hanno coniato il termine sintesi ionotermica per descrivere le sintesi in tali ambienti. Questi processi si sono già dimostrati utili nella chimica inorganica. I ricercatori di Max Planck a Potsdam lo stanno esplorando come metodo di carbonizzazione.

Dopo la reazione, aggiungono semplicemente acido cloridrico diluito alla miscela raffreddata. Mentre il sale nella miscela viene sciolto dall'acido, i nanocarboni – sotto forma di nero, polvere soffice – rimane indietro e viene facilmente filtrata. La microscopia elettronica a scansione viene utilizzata per mostrare le varie nanostrutture dei prodotti ottenuti. Per esempio, acetonitrile, il benzonitrile e il dimetilsolfossido hanno dato origine a prodotti sferici, come si trova nella fuliggine industriale convenzionale. Però, il gocciolamento di glicole etilenico o glicerolo nel sale fuso produce particelle simili a fogli. Altri liquidi come etanolo, acetone e piridina risultano ramificati, prodotti fibrosi interconnessi. Le particelle sferiche di carbonio hanno un diametro di dieci nanometri, mentre le strutture simili a fibre sono lunghe fino a 120 nanometri.

I fusi di sale agiscono come lubrificanti e detergenti

Sebbene i meccanismi precisi siano ancora oggetto di speculazione, Tim Fellinger ritiene che il nuovo spettro di strutture delle particelle sia del tutto plausibile:"Sospettiamo che il sale fuso agisca come una sorta di lubrificante, aumentando la mobilità dei frammenti organici." Questa mobilità, a sua volta, porta a più modi in cui gli elementi costitutivi possono essere organizzati, lui spiega. La velocità con cui ciò avviene può variare da un solvente all'altro, e questo è uno dei motivi della varietà delle strutture. Il chimico ed esperto di nanostrutture pensa anche che sia all'opera un altro fattore:"Il sale riduce la tensione superficiale". Ciò significa che i frammenti di carbonio non devono più assumere una forma sferica per ridurre al minimo la loro superficie, proprio come l'acqua non forma più gocce sulle superfici dopo l'aggiunta del detersivo.

I ricercatori ritengono inoltre che gli ioni di sale siano responsabili dell'impressionante porosità dei loro nanocarburi:a causa della bassa tensione superficiale, il sale e il carbonio hanno ampie superfici di contatto durante la sintesi. "Dopo che il sale è separato, rimangono numerosi pori, "Fellinger spiega.

I ricercatori hanno una ricchezza di nuove idee da esplorare. Dato il gran numero di sali inorganici e solventi organici che possono essere combinati con la nuova tecnica, è probabile che ci siano molte più varianti composite personalizzate con applicazioni utili. I ricercatori hanno ora in programma di sperimentare altre combinazioni sale-solvente. Hanno anche in programma di indagare più da vicino se i fogli e le fibre di carbonio che hanno scoperto presentano vantaggi rispetto alle strutture sferiche in applicazioni specifiche. "In ogni caso, ora abbiamo un nuovo strumento di carbonizzazione versatile sotto forma di iniezione a caldo di solventi prontamente disponibili combinati con sintesi ionotermica, "dice Tim Fellinger.