Son diminutos y comprenden esféricos, partículas fibrosas o en forma de hoja. Y consisten principalmente en el elemento químico carbono. La charla aquí es sobre nanoestructuras de carbono inusuales que los científicos del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam-Golm están produciendo ahora con un método novedoso. Los investigadores ya han demostrado que sus nanoestructuras poseen propiedades catalíticas útiles:por ejemplo, pueden reducir la energía requerida para descomponer el agua por electrólisis. Esta es una propiedad útil para almacenar energía renovable. Y debido a que estas nanopartículas contienen una gran porosidad, los científicos creen que también podrían usarse para almacenar gases, como el dióxido de carbono y en otras aplicaciones.

Si deja una pizza en el horno demasiado tiempo, la masa se vuelve negra. Durante el proceso de carbonización, Los componentes orgánicos de la masa se convierten en especies con alto contenido de carbono. Aunque el efecto es indeseable en la cocina, en realidad, es el objetivo principal de algunos procesos industriales. Un ejemplo de carbonización es la conversión de carbón en coque para aumentar el contenido de carbono. Hollines industriales, como los que se utilizan como pigmentos en neumáticos de automóviles, También tienen un alto contenido de carbono gracias a una combustión incompleta controlada.

Desde hace algunos años, los científicos trabajan en la síntesis controlada de nanomateriales ricos en carbono. Debido a que estas partículas son muy porosas, tienen una gran superficie específica y en algunos casos también son buenos conductores eléctricos, tienen muchas aplicaciones potenciales. Usando técnicas comunes, se obtienen típicamente partículas esféricas. Con la ayuda de un nuevo método, Los investigadores del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam-Golm han logrado producir nanoestructuras no solo esféricas, sino también en forma de láminas y fibrosas.

Las sustancias de partida determinan la estructura de las partículas.

Los investigadores comenzaron con un total de diez disolventes orgánicos diferentes, cada uno de los cuales luego carbonizaron. "Descubrimos que podemos controlar la estructura espacial de las partículas resultantes seleccionando sustancias de partida adecuadas, "dice Tim Fellinger, quien dirige el Grupo de Carbono y Energía en el Instituto Max Planck con sede en Potsdam.

Su Grupo no solo ha producido una variedad de nanoestructuras de carbono, también han encontrado formas de introducir selectivamente elementos distintos del carbono en los productos. Por ejemplo, disolventes que contienen nitrógeno o azufre, como piridina y dimetilsulfóxido, dan lugar a nanoestructuras que contienen hasta un 15 por ciento de nitrógeno o azufre en peso. Introduciendo aditivos adecuados, los investigadores incluso pudieron incorporar metales como el níquel, cobalto y zinc para producir nanocompuestos.

Compuestos de níquel-carbono como catalizadores para la hidrólisis

Los experimentos iniciales con los productos nanoestructurados han descubierto muchas propiedades útiles. Dado que Fellinger's Group también está explorando soluciones de almacenamiento de energía, están investigando el uso catalítico de nanocarbonos en la hidrólisis electroquímica del agua. En esta aplicación, Los nanocompuestos de níquel-carbono en particular han demostrado ser tan eficientes como los catalizadores convencionales. "Pero probablemente serían más económicos de producir que los catalizadores a base de iridio que se usan comúnmente en la actualidad, "dice Fellinger. La hidrólisis se puede utilizar, por ejemplo, para almacenar el exceso de energía eléctrica en forma de hidrógeno durante breves períodos. "Con catalizadores rentables, la producción descentralizada de hidrógeno bajo demanda también es concebible, "Agrega Fellinger. Los riesgos derivados del transporte del gas serían entonces cosa del pasado.

Los científicos quedaron impresionados por lo porosas que son sus nanoestructuras y lo bien que las partículas de carbono adsorben los gases. Algunos productos incluso adsorben los gases mejor que el carbón activado comercial, que fue optimizado para ese propósito. Tim Fellinger encuentra eso notable:a diferencia del carbón activo, no se toman medidas durante el proceso de carbonización para aumentar la capacidad de adsorción. Fellinger cree que esto abre una gran cantidad de aplicaciones potenciales. Por ejemplo, las nuevas partículas podrían resultar útiles en el desarrollo de baterías de próxima generación, p.ej. baterías de litio-azufre o litio-aire.

Una nueva vía de síntesis produce variedad estructural.

Dos enfoques fueron clave para lograr la variedad estructural y las propiedades útiles de las nanoestructuras, ambos eran territorio inexplorado. Primero, los investigadores llevaron a cabo una carbonización instantánea a alta temperatura en estado líquido. Utilizaron un medio de reacción poco común de sales fundidas a más de 500 grados, por ejemplo cloruro de zinc líquido. Segundo, carbonizaron sustancias de partida líquidas. Previamente, los sólidos se carbonizaron principalmente, porque las altas temperaturas requeridas harían que los líquidos orgánicos se evaporaran. Para tal fin, los investigadores simplemente inyectan disolventes disponibles y económicos en la sal líquida.

"Evidentemente, las moléculas líquidas se disocian al entrar en contacto con la masa fundida, incluso antes de que puedan evaporarse, "Tim Fellinger explica." Los productos disociados luego presumiblemente se combinan para formar moléculas más grandes ricas en carbono en unos pocos nanosegundos ". La fusión de cloruro de zinc parece estabilizar este proceso. Debido a que las sales fundidas son fluidos iónicos calientes, Los químicos han acuñado el término síntesis ionotérmica para describir síntesis en tales medios. Estos procesos ya han demostrado su utilidad en química inorgánica. Los investigadores de Max Planck en Potsdam lo están explorando como método de carbonización.

Después de la reacción, simplemente agregan ácido clorhídrico diluido a la mezcla enfriada. Mientras que el ácido disuelve la sal de la mezcla, los nanocarbonos - en forma de negro, Polvo esponjoso:permanecen atrás y se filtran fácilmente. La microscopía electrónica de barrido se utiliza para mostrar las diversas nanoestructuras de los productos obtenidos. Por ejemplo, acetonitrilo, benzonitrilo y dimetilsulfóxido dieron lugar a productos esféricos, como se encuentra en los hollines industriales convencionales. Sin embargo, gotear etilenglicol o glicerol en la sal fundida produce partículas en forma de hoja. Otros líquidos como el etanol, acetona y piridina dan como resultado ramificado, productos fibrosos interconectados. Las partículas esféricas de carbono tienen diez nanómetros de diámetro, mientras que las estructuras fibrosas tienen una longitud de hasta 120 nanómetros.

La sal fundida actúa como lubricante y detergente.

Aunque los mecanismos precisos son todavía una cuestión de especulación, Tim Fellinger cree que el nuevo espectro de estructuras de partículas es completamente plausible:"Sospechamos que la sal fundida actúa como una especie de lubricante, aumentando la movilidad de los fragmentos orgánicos ". Esta movilidad, Sucesivamente, conduce a más formas de organizar los bloques de construcción, el explica. La velocidad a la que esto ocurre puede diferir de un solvente a otro, y esta es una de las razones de la variedad de estructuras. El químico y experto en nanoestructuras también cree que hay otro factor en juego:"La sal reduce la tensión superficial". Esto significa que los fragmentos de carbono ya no tienen que asumir una forma esférica para minimizar su área de superficie, al igual que el agua ya no forma gotas en las superficies después de que se ha agregado el detergente.

Los investigadores también creen que los iones de sal son responsables de la impresionante porosidad de sus nanocarbonos:debido a la baja tensión superficial, la sal y el carbono tienen grandes superficies de contacto durante la síntesis. "Una vez separada la sal, quedan numerosos poros, "Explica Fellinger.

Los investigadores tienen una gran cantidad de nuevas ideas para explorar. Dada la gran cantidad de sales inorgánicas y disolventes orgánicos que se pueden combinar con la nueva técnica, Es probable que haya muchas más variantes compuestas personalizadas con aplicaciones útiles. Los investigadores ahora planean experimentar con otras combinaciones de sal y solvente. También planean investigar más de cerca si las hojas y fibras de carbono que descubrieron tienen ventajas sobre las estructuras esféricas en aplicaciones específicas. "En todo caso, ahora tenemos una nueva herramienta de carbonización versátil en forma de inyección en caliente de disolventes fácilmente disponibles combinados con síntesis ionotérmica, "dice Tim Fellinger.