Poröse Kohlenstoffmaterialien sind für Anwendungen von der Katalyse bis zur Energiespeicherung interessant, doch ihre Struktur gezielt einzustellen ist anspruchsvoll. Besonders schwierig ist das bei Biomasse, weil sie chemisch uneinheitlicher aufgebaut ist als synthetische Ausgangsstoffe. Forschende der Northeast Forestry University in Harbin und der Inner Mongolia University zeigen nun, wie sich verflüssigtes Holz dennoch für unterschiedlich geformte Kohlenstoff-Nanomaterialien nutzen lässt.

Emulsion lenkt die Selbstorganisation

Als Rohstoff verwendete das Team chemisch verflüssigtes Holz. Dafür wird fein gemahlenes Holz mithilfe von Phenol und Säuren in kleinere, lösliche Molekülverbände zerlegt. Diese wurden mit weiteren Reaktionspartnern und einem sogenannten weichen Templat kombiniert. Solche Template organisieren sich zu winzigen Mizellen, an denen sich das spätere Material ausrichten kann.

Entscheidend war die Zugabe von Trioctylphosphat. Die wasserabweisende Flüssigkeit bildet in der wässrigen Mischung kleine Tröpfchen und verändert zugleich Form und Anordnung der Mizellen. Über die Menge des Stoffes und den Ethanolgehalt steuerte das Team, ob sich die Bausteine eher frei in der Wasserphase oder bevorzugt an der Grenzfläche der Tröpfchen anordneten. Nach einer hydrothermalen Behandlung und anschließender Carbonisierung unter Stickstoff blieben unterschiedliche poröse Kohlenstoffstrukturen zurück.

So ließ sich die Form von geordneten mesoporösen Nanofasern über hohle Nanofasern bis hin zu schüsselartigen Strukturen verändern. Mesoporös bedeutet, dass das Material sehr kleine Poren im Nanometerbereich enthält. Bei den hohlen Nanofasern betrug der Außendurchmesser nach der Carbonisierung rund 30 Nanometer, die Wand war etwa acht Nanometer dick. Die spezifische Oberfläche lag bei 639 Quadratmetern pro Gramm.

Strom durch Temperaturunterschiede

Die Funktion der hohlen Kohlenstoff-Nanofasern demonstrierte das Team in einem thermoelektrischen Generator. Solche Systeme können Temperaturunterschiede in elektrische Spannung umwandeln. Im Versuchsaufbau erzeugten die Nanofasern aus Temperaturunterschieden elektrische Spannung. Bei einem Temperaturunterschied von einem Kelvin lag sie bei etwa 12,3 Millivolt.

Die Arbeit zeigt damit einen neuen Weg, Form und innere Porenstruktur von Kohlenstoffmaterialien aus einem biogenen Ausgangsstoff gezielt zu beeinflussen. Noch handelt es sich um eine Laborsynthese. Ob sich der Ansatz skalieren lässt und für welche Anwendungen die einzelnen Strukturen besonders geeignet sind, muss weiter untersucht werden.

ag