Activation of nitrogen modified carbons by KOH: Investigation of pore formation processes and, respectively, the release of nitrogen

• Applicant: Professor Dr. Olaf Klepel
• Subject Area: Technical Chemistry ; Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2019 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 405653205

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projekts wurden die Kohlenstoffquelle, der Harnstoffgehalt, die KOH-Konzentration und die Karbonisierungstemperatur bei der Synthese von porösen, stickstoffdotierten Kohlenstoffmaterialien variiert, um die Rolle des Stickstoffs während der Aktivierung auf die Bildung von Porosität und umgekehrt den Einfluss der KOH-Aktivierung auf den Gehalt von Stickstoff in Kohlenstoffmaterialien zu erklären. Ergänzend dazu wurde die Aktivierung ausgehend von Zwischenprodukten der KOH-Aktivierung untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Bildung von Porosität in den Kohlenstoffen durch die KOH-Aktivierung stark vom Stickstoffgehalt des Ausgangsmaterials beeinflusst wird. Es wurde dabei eine direkte Proportionalität zwischen Stickstoffgehalt des Ausgangsmaterials und erzeugtem Porenvolumen gefunden. Ein hoher Stickstoffgehalt führt zu einer hohen Menge an instabilen Stickstoffgruppen, die durch die Einwirkung von KOH als gasförmige Spezies (NH3, HCN, N2) ausgetragen werden. Der Austrag stickstoffhaltiger Gruppen allein erklärt jedoch die Bildung der Porosität nur zu maximal 10%. Die Hauptwirkung der Stickstoffspezies im Kohlenstoffmaterial besteht im Katalysieren von während des Aktivierungsprozesses ablaufenden Redoxreaktionen zwischen Kohlenstoff und CO2 bzw. H2O und somit in der Vergasung fester Kohlenstoffspezies, was zur Bildung von Porosität führt.

Publications

• Nitrogen release and pore formation through KOH activation of nitrogen-doped carbon materials: an evaluation of the literature. Carbon Letters, 31(4), 581-592.
  Wabo, Samuel Ghomsi & Klepel, Olaf
  
• „Contribution of nitrogen to the creation of porosity in carbon materials obtained by KOH activation“, 34. Deutsche Zeolith-Tagung, 21.-23. Februar 2023, Wien.
  S. G. Wabo & O. Klepel
  
• „A Comparative Investigation of Surface Interactions of Porous Materials using Nitrogen and Argon Adsorption“, Adsorption Week, 14.-15. Mai 2024, Leipzig.
  S. Helle, S.G. Wabo & O. Klepel
  
• „Investigating the Influence of Carbonisation Temperature on Pore Formation in Nitrogen-Doped Carbon Materials“, 35. Deutsche Zeolith-Tagung, 28. Februar - 1. März 2024, Jena.
  S. G. Wabo & O. Klepel