Kohlenstoffbasierte Katalysatoren für Photo- und Elektrokatalyse mit hoher spezifischer Oberfläche durch direkte Carbonisierung von hierarchischen Blockcopolymer-Architekturen

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Steinhart
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259423099

Kohlenstoff-Hybridmaterialien besitzen hohes Potential als Träger und Katalysator für Photo- und Elektrokatalyse. Ziel ist deren Integration in dreidimensionale hierarchische Architekturen, um intrinsische Vorteile von Kohlenstoff-Hybridmaterialien mit denen drei-dimensionaler hierarchischer Architekturen (große aktive Oberflächen mit leichter Zugänglichkeit) zu kombinieren. Zwei Zielstrukturen sollen realisiert und getestet werden: 1) Kohlenstoff/Titandioxid-Nanoröhrchen (C-TiO2-Nanoröhrchen) enthaltende, optisch transparente Membranen aus selbstgeordnetem nanoporösem anodischen Aluminiumoxid (AAO) für Photokatalyse im sichtbaren Bereich; 2) Felder freistehender mesoporöser Kohlenstoff/Metallnanopartikel-Nanodrähte (C-NP-Nanodrähte) für Elektrokatalyse, die durch Abformen von AAO erhalten werden. Beide Zielstrukturen zeichnen sich verglichen mit Dünnschicht-Konfigurationen durch signifikant größere Oberfläche und im Vergleich zu konventionellen mesoporösen Materialien durch signifikant verbesserte Zugänglichkeit der aktiven Orte aus. Zur Herstellung der Zielarchitekturen wird direkte Carbonisierung von nanostrukturierten Blockcopolymer (BCP)-Strukturen als neues, von Kim und Steinhart entwickeltes Verfahren eingesetzt.Das mit den AAO-Poren verbundene hierarchische Niveau umfasst die topographischen Konturen der C-TiO2-Nanoröhrchen in AAO und der mesoporösen C-NP-Nanodrahtarrays. C-TiO2-Nanoröhrchen in AAO besitzen verglichen mit glatten dünnen Schichten ~1000fach größere Oberflächen pro Membranfläche. Sie überwinden mit katalytisch inaktiver Lichtabsorption durch Kohlenstoff verbundene Probleme, da nur dünne C-TiO2-Schichten die Porenwände des transparenten Trägers AAO bedecken, und sie könnten in Durchfluss-Reaktoren verwendet werden. Felder mesoporöser C-NP-Nanodrähte besitzen verglichen mit glatten Dünnschichtkonfigurationen eine 11fach größere topographische Kontaktfläche zu Elektrolytlösungen. Das hierarchische Niveau der nanoskopischen BCP-Domänenstruktur dient zur Anordnung von TiO2 in den C-TiO2-Nanoröhrchen sowie zur Erzeugung kontinuierlicher Mesoporensysteme mittels quellungsinduzierter Morphologierekonstruktion in BCP-Nanodrahtarrays, die zu C-NP-Nanodrahtarrays weiterverarbeitet werden. Die photokatalytischen Eigenschaften von C-TiO2-Nanoröhrchen in AAO und die elektrokatalytischen Eigenschaften von mesoporösen C-NP-Nanodrahtarrays sollen im Vergleich zu glatten Dünnschichtkonfigurationen mittels ausgewählter Modellreaktionen getestet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Süd-Korea
• Partnerorganisation: National Research Foundation of Korea, NRF
• Beteiligte Person: Professor Dr. Dong Ha Kim