Ein revolutionäres neues Material
„Während sp²- und sp³-Kohlenstoff-Allotrope wie Graphit und Diamant gut bekannt sind, klafft in der Kohlenstoffwissenschaft noch eine große Lücke. „sp-hybridisierte Kohlenstoff-Allotrope sind das fehlende Teil im Kohlenstoff-Puzzle“, sagt Carlo Casari(öffnet in neuem Fenster), ein Physiker in der Abteilung für Energie an der Polytechnischen Universität Mailand(öffnet in neuem Fenster) (Polimi).“ Kohlenstoff-Allotrope sind verschiedene Strukturformen des Elements Kohlenstoff, wobei sp-hybridisierte Kohlenstoff-Allotrope lineare oder polyatomare Kettenstrukturen aufweisen, bei denen die Kohlenstoffatome durch abwechselnde Dreifach- und Einfachbindungen verbunden sind. Laut Casari haben die jüngsten Durchbrüche das Verständnis der Wissenschaft für diese schwer greifbaren Strukturen grundlegend verändert. „Die Wissenschaftler haben nicht nur natürlich vorkommende sp-Kohlenstoffsysteme entdeckt, sondern auch erfolgreich neue Strukturen entwickelt und damit eine kritische Lücke bei Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis geschlossen“, erklärt er. Einer dieser Durchbrüche ist amorphes Graphyne (AGY), ein neues Kohlenstoffmaterial auf Sp-Basis, das im Rahmen des von der EU finanzierten Projekts SCCAMC(öffnet in neuem Fenster) entwickelt wurde.
ine sp‑hybridisierte Kohlenstoffmembran namens amorphes Graphyn
Um zu AGY zu gelangen, begann das von Marie Skłodowska-Curie/Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) (MSCA) unterstützte Projekt mit der Stabilisierung von sp-hybridisiertem Kohlenstoff und der Erforschung seiner Synthese und funktionellen Anwendungen. Yifan Zhang, der MSCA-Stipendiat des Projekts, entwickelte anschließend chemische und physikalische Methoden zur effizienten Herstellung von Kohlenstoff-Atomdrähten, sogenannten Polyynen. „Sp-hybridisierter Kohlenstoff in Form von Ketten oder Drähten stellt die ultimativen eindimensionalen Kohlenstoff-Nanostrukturen mit hervorragenden vorhergesagten Eigenschaften dar“, erklärt Casari, der Projektleiter. Für die Synthese des Polymers entwickelten die Forschenden ein modifiziertes gepulstes Lichtbogenentladungsverfahren, bei dem das Lösungsmittel recycelt werden kann, wodurch der Einsatz chemischer Ressourcen um bis zu 80 % reduziert wird. „Entscheidend ist, dass wir eine Flüssig-Flüssig-Grenzflächensynthesetechnik bei Raumtemperatur verwendet haben, die diese Polyene in stabile, wafergroße amorphe sp²-sp-hybridisierte Kohlenstoffmembranen verwandelt, die wir amorphes Graphyn genannt haben“, bemerkt Zhang. Im Rahmen des Projekts wurde auch nachgewiesen, dass das thermisch behandelte AGY-Material elektrokatalytische Leistungen erbringt und als metallfreier Katalysator eine Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) aufweist. ORR ist eine chemische Reaktion, bei der Sauerstoff Elektronen aufnimmt und reduziert wird, typischerweise zu Wasser oder Wasserstoffperoxid. Es ist ein entscheidender Prozess in Energieumwandlungssystemen wie Brennstoffzellen.
Ein metallfreier Katalysator für nachhaltige Energielösungen
Durch die Demonstration des Potenzials von AGY als metallfreier ORR-Katalysator hat das SCCAMC-Projekt einen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Energielösungen geleistet. Sie hat zudem den Weg für eine edelmetallfreie Brennstoffzelle geebnet. „So wie Graphen hat die Materialwissenschaft und die Nanotechnologie revolutioniert hoffen wir, dass unser innovatives, bei Raumtemperatur synthetisiertes Material seinen Weg in die Labore und Anwendungen auf der ganzen Welt finden wird, um letztendlich flexible Elektronik, fortschrittliche Sensoren und grüne Katalysatoren zu revolutionieren“, schließt Zhang.
