Poröser Kohlenstoff mit maßgeschneiderter 3D-Architektur

Eine der größten Herausforderungen in der Materialsynthese ist, dass die meisten Herstellungsverfahren nur die Kontrolle über eine Größenskala im Endprodukt ermöglichen. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es poröse Kohlenstoffmaterialien mit Strukturen herzustellen, welche auf der Nanostruktur- (< 100 nm), Mikrostruktur- (< 1 m) und Architektur-Ebene (> 10 m) maßgeschneidert sind. Um dies zu erreichen, werden zwei Materialsynthesetechniken kombiniert: 1. Templategestützte Sol-Gel-Chemie: ein bottom-up Verfahren, bei dem eine Lösung (Sol) in ein festes Netzwerk umgewandelt wird, wobei die Form von nanostrukturierten Schablonen in der Endstruktur erhalten bleibt 2. Additive Fertigung mittels Vat-Photopolymerisation: Ein Prozess, bei dem flüssiges Harz selektiv durch gezielte, lichtaktivierte Polymerisation in einen festen Zustand überführt wird. Die Hauptidee des Projekts besteht darin, lichtempfindliche Gruppen an Chemikalien wie Resorcin oder Tannin anzukoppeln. Diese werden dann auf Polymerpartikel wie Polystyrol-Nanofasern beschichtet, die als Template-Partikel dienen. Das modifizierte und templategestützte Partikel wird anschließend als kolloidale Suspension (Sol) verarbeitet und dient als Ausgangsmaterial für die Vat- Photopolymerisation, zur Bildung eines Gels. Nach dem Trocknen entstehen hochporöse Materialien. Durch Erhitzen dieser porösen Materialien in einer inerten Gasatmosphäre (wie Argon oder Stickstoff, die unerwünschte Oxidation unterdrückt), werden die Template-Partikel entfernt, und das Material wird in porösen Kohlenstoff umgewandelt, der, beispielsweise, aus hohlen Nanostrukturen wie Nanofasern besteht. Durch die Integration der Vat-Photopolymerisation in den Sol-Gel-Prozess wird eine zusätzliche Größensteuerung eingeführt, insbesondere im Bereich von 100 nm bis 1 m. Die Vat- Photopolymerisation nutzt eine gezielte Steuerung der UV-Lichteinstrahlung, um spezifische Bereiche innerhalb eines flüssigen Harzes zu verfestigen, welches die modifizierten Resorcin- oder Tanninmoleküle enthält. Dieser Syntheseansatz ermöglicht somit eine Kontrolle über mehrere Größenskalen: von der Nanostruktur- (mittels Variation der Sol-Gel-Chemie Parameter) bis zur Mikrostruktur- und Architekturebene, wodurch eine präzise Anpassung chemischer und physikalischer Materialeigenschaften ermöglicht wird. Die Fähigkeit, die Porosität des Materials auf mehreren Größenskalen präzise zu steuern, eröffnet neue Möglichkeiten für verschiedene Anwendungen, insbesondere im Bereich der Energiespeicherung. Durch die Kontrolle der Porosität eines Materials kann beispielsweise die spezifische Oberfläche vergrößert und somit die elektrochemische Leistung verbessert werden. Darüber hinaus könnte eine Struktur aus hohlen Nanofasern aufgrund einer verbesserten mechanischen Stabilität zu schnelleren Lade- und Entladevorgängen in Batterien führen. Der vorgeschlagene Ansatz zur Materialsynthese eröffnet somit spannende neue Möglichkeiten für die Anpassung sowohl physikalischer als auch chemischer Eigenschaften. Materialien, die mit dieser Methode hergestellt werden, sind vielversprechende Kandidaten für moderne Anwendungsbereiche wie Festkörperbatterien und Brennstoffzellen.