Systematische Charakterisierung von Kohlenstoffnanomaterialien mit hohem Durchsatz
Kohlenstoffnanomaterialien sind eine sehr große Familie der Allotrope von Kohlenstoff in verschiedenen physikalischen Formen mit unterschiedlichen physikalischen, chemischen, thermischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Zu diesen Materialien gehören Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Fullerene, Kohlenstoffquantenpunkte und Nanodiamanten. Selbst innerhalb der Unterklasse der Kohlenstoffnanoröhren gibt es einwandige, mehrwandige und einzeln doppelte mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren. Die Wände selbst (die durch das „Rollen“ einer Graphenplatte entstehen) können zickzackförmig, chiral oder armchair sein – Namen, die das Verhältnis der Kohlenstoffatome über mehrere hexagonale Ringe hinweg beschreiben. Um die Anwendung zu beschleunigen, ist ein besseres Verständnis der physiochemischen Eigenschaften spezifischer Kohlenstoffnanomaterialien und deren Zusammenhang mit der Leistung erforderlich. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen leistete das Team des Projekts TACOMA einen wesentlichen Beitrag zur Schließung dieser Wissenslücke durch die Entwicklung und Anwendung der weichen In-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie und der Phasenübergangs-Photoenergiemeter.
Funktionelle Sauerstoffgruppen und Metallreste
Elektronenorbitale bestimmen die wahrscheinlichsten Positionen der Elektronen um einen Atomkern. Hybride Orbitale entstehen, wenn zwei oder mehr Orbitale „kombiniert“ werden, und Kohlenstoffnanomaterialien sind durch sp2- oder sp3-Hybridisierung gekennzeichnet. Stipendiat Sami Sainio von der Universität Oulu kommentiert: „Die Eigenschaften und die Anwendbarkeit von Kohlenstoffnanomaterialien hängen direkt mit ihrer Hybridisierung und ihrer orbitalen Orientierung und möglicherweise mit anderen Parametern zusammen. Neben der Hybridisierung und der orbitalen Orientierung haben wir die Funktionalisierung von Sauerstoff und Metallen an der Oberfläche untersucht.“ TACOMA versuchte, die wichtigsten sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf den Oberflächen von Kohlenstoffnanomaterialien zu ermitteln und herauszufinden, welche Metalle in diesen Materialien vorhanden sind. Außerdem sollte im Rahmen des Projekts analysiert werden, welchen Beitrag die Materialien an den beobachteten elektrochemischen Leistungen haben.
Phasenübergangs-Photoenergiemeter, betrieben mit weicher Röntgenabsorptionsspektroskopie
Sainio hat sich zwei Spitzentechnologien zunutze gemacht – Phasenübergangs-Photoenergiemeter und weiche Röntgenabsorptionsspektroskopie. Bei der weichen Röntgenabsorptionsspektroskopie wird Synchrotronstrahlung im Vakuum genutzt, um Elektronen anzuregen und elementspezifische atomare Informationen über lokale chemische und elektronische Strukturen zu erhalten. Phasenübergangs-Photoenergiemeter sind Thermometer, die bei nahezu null Kelvin arbeiten und den Nachweis einzelner Photonen unterstützen, die bei der Abregung freigesetzt werden. Zusammen mit anderen Fachleuten an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) in den USA setzte Sainio industrielle Automatisierung ein, um die Nutzergemeinschaft angesichts der weit entfernten Anforderungen der COVID-19-Pandemie besser bedienen zu können. Dadurch konnte der Durchsatz der SSRL-Beamlines 8-2 und 10-1 im Vergleich zum manuellen Betrieb um das Zehnfache gesteigert werden, wodurch Sainio und andere Nutzende die Oberflächenchemie einer Vielzahl verschiedener Materialien systematisch charakterisieren konnten.
Strenge wissenschaftliche Methode: garantierter Weg zum Erfolg
„Wir wissen jetzt, dass fast alle Kohlenstoffnanomaterialien einige Metallverunreinigungen aufweisen und dass die 13 verschiedenen untersuchten Kohlenstoffnanomaterialien eine bemerkenswert ähnliche Oberflächenfunktionalisierung mit Sauerstoff aufweisen. Dies deutet darauf hin, dass das Verhalten der Materialien das Ergebnis einer Kombination von Eigenschaften ist und dass die Sauerstofffunktionalitäten eine weniger wichtige Rolle spielen könnten als bisher angenommen“, erklärt Sainio. Sainio hob die Notwendigkeit und den Wert einer strengen wissenschaftlichen Methode hervor. Ein Großteil der Forschung konzentriert sich auf Oberflächeneigenschaften und Oberflächenfunktionalisierung, da Oberflächen eine Schnittstelle zu anderen Materialien bilden. Der rigorose Ansatz mit hohem Durchsatz von TACOMA hat verdeutlicht, dass die Oberflächenfunktionalisierung nicht unbedingt der „Heilige Gral“ ist, wenn es darum geht, Kohlenstoffnanomaterialien mit exotischen Eigenschaften für Anwendungen zu entwickeln. Solche strategischen Studien werden der Wissenschaft dazu verhelfen, Kohlenstoffnanomaterialien auf standardisierte Weise zu charakterisieren und Modelle zu erarbeiten, mit denen sich die Eigenschaften von noch nicht charakterisierten Materialien genau vorhersagen lassen. „Interessierte können sich nun unsere Ergebnisse ansehen und fundierte Entscheidungen darüber treffen, ob und welche dieser Materialien für ihre Anwendungen infrage kommen“, so Sainio abschließend.
Schlüsselbegriffe
TACOMA, Kohlenstoffnanomaterialien, Oberflächen-Sauerstoff-Funktionalisierung, SSRL, Synchrotron, weiche Röntgenabsorptionsspektroskopie, Phasenübergangs-Photoenergiemeter
