Synthese, Selbstorganisation und Carbonisierung von kohlenstoffreichen Amphiphilen zu nanostrukturierten Kohlenstoff-Materialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wurden neue kohlenstoffreiche Amphiphile hergestellt, die „eindimensionalen Kohlenstoffe“ in Form von Oligoinsegmenten enthalten. Diese wurden mit hydrophilen Glykosid-Kopfgruppen verbunden. Hinweise auf die Selbstorganisation dieser Amphiphile in Lösung und Masse wurde durch Analyse der aus den Precursoren gebildeten Kohlenstoff-, bzw. Kohlenstoff/Silikat-Kompositstrukturen erhalten. Schon bei sehr niedrigen Temperaturen von ~350°C bilden sich aus den Amphiphilen reine Kohlenstoffe, die eine „federartige“ Struktur im Nanometerbereich aufweisen. Diese Strukturen entstehen durch Zusammenlagern aufgerollter Kohlenstoffschichten. Die Bildung der Schichten kann dabei durch den amphiphilen Charakter der Precursoren erklärt werden, welcher dazu führt, dass sich die Oligoineinheiten in Strukturen analog zu Membranen klassischer Tenside zusammenlagern und polymerisieren. Die Selbstorganisation der Amphiphile in Lösung konnte durch die hohe Reaktivität der Oligoinsegmente nicht mit klassischen Methoden untersucht werden. Jedoch wurde die Bildung von mizellaren Aggregaten durch deren Replikation in poröse Silikate nachgewiesen, welche, nach Entfernung der Kohlenstoffe, eine mesoporöse Struktur aufwiesen. Erweitert wurde dieser Ansatz durch die Herstellung von mesoporösen Kohlenstoff/Titandioxid-Kompositen. Hierzu wurde ein zweites Amphiphil, das Blockcopolymer F127 zugegeben, welches eine geordnete Mesoporosität in den Titanoxiden erzeugte. Der durch Co-Organisation der Oligoinprecursoren in den Mizellen entstehende Kohlenstofffilm auf den Porenwänden führt dazu, dass die mesoporöse Struktur des TiO2 auch bei hohen Temperaturen und Kristallisation der Porenwände erhalten bleibt. Des Weiteren wurden in diesem Projekt neue amphiphile Precursoren für die Herstellung von N-dotierten Kohlenstoffen entwickelt. Diese basieren auf der ionischen Flüssigkeit N-Methylpyridinium-dicyanamid als hydrophile Kopfgruppe, wobei durch Ersatz der Methyl- durch eine Hexadecylgruppe ein hydrophober Rest eingefügt wurde. Auch diese Precursoren zeigten Selbstorganisation in Lösung, was durch die Herstellung strukturierter N-dotierter Kohlenstoff/Silikat Komposite bewiesen werden konnte. Die hier vorgestellten und untersuchten Kohlenstoffprecursoren haben Potential für die Beschichtung und somit Veredelung von verschiedenen anorganischen Materialien von Metalloxiden bis zu konventionellen Kohlenstoffmaterialien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "A detailed view on the polycondensation of ionic liquid monomers towards nitrogen doped carbon materials" J. Mater. Chem., 2010, 20, 6746 - 6758
Jens Peter Paraknowitsch, Arne Thomas and Markus Antonietti
- "Microporous sulfur-doped carbon from thienyl-based polymer network precursors" Chem. Commun. 2011, 47, 8283-8285
Jens Peter Paraknowitsch, Arne Thomas und Johannes Schmidt
- "Synthesis of mesoporous composite materials of nitrogen-doped carbon and silica using a reactive surfactant approach" J. Mater. Chem. 2011, 21, 15537-15543
Jens Peter Paraknowitsch, Yuanjian Zhang und Arne Thomas
- "Covalent Triazine Frameworks Prepared from 1,3,5-Tricyanobenzene" Chem. Mater. 2013, 25, 1542-1548
P. Katekomol, J. Roeser, M. J. Bojdys, J. Weber und A. Thomas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/cm303751n)
