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Mesoporous and Crystalline Carbonaceous Materials

Christians, Hauke (2022):
Mesoporous and Crystalline Carbonaceous Materials. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020330,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Mesoporous and Crystalline Carbonaceous Materials
Language: English
Abstract:

Due to their unique property combinations, carbonaceous materials are used in a variety of applications, ranging from high temperature resistant graphites with high electrical conductivity as electrodes to gas tight materials in as bearing rings in applications with high mechanical stress to highly porous adsorption materials. Carbonaceous materials with both mesoporous structures and high temperature stability are becoming more important for applications such as electrochemical applications, adsorption of huge molecules, and other specialty applications. This combination of properties cannot be achieved with “classical” carbonaceous materials, thus current research is focusing on development of such materials.

In this work, two possible methods to obtain these materials are examined, focusing on tuning the properties of obtained carbonaceous materials via the synthesis parameters. Via annealing of commercial activated carbons (highly microporous and amorphous) in a temperature range between 1000 and 1900 °C, carbonaceous materials with drastically increased thermooxidative stability and much larger pores could be obtained. It could be shown how changes in annealing temperature and choice of precursor material could influence pore structure and carbon microstructure to a certain degree.

Furthermore, carbide-derived carbons (CDC) obtained from chlorination of metal carbides at elevated temperatures were examined. It could be shown, that all binary carbides with sodium chloride type crystallite structure were able to yield highly crystalline carbonaceous materials with meso and macropores. The temperature at which a transition from microporous and amorphous carbons to graphitic materials is observed directly correlates with the structure of the precursor material, i.e. their lattice constant. In addition, these CDCs were applied exemplary as support material for platinum catalysts for the oxygen reduction reaction. The properties of the CDCs highly influenced the quality of the catalyst layer on the working electrode, resulting in superimposed effects influencing the electrochemical tests. Therefore, optimization of the test methods is necessary in order to obtain accurate results and to make definite statements. Nevertheless, it could be shown that CDCs in general can be suitable model materials for examining the influence of the catalyst support material on catalyst properties and its activity.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Kohlenstoffmaterialien werden aufgrund ihrer speziellen Eigenschaftskombinationen vielseitig eingesetzt, von hochtemperaturbeständigen Graphiten mit niedrigem elektrischen Widerstand als Elektrodenmaterialien, über gasdichte Werkstoffe in Gleitringanwendungen mit starker mechanischer Beanspruchung bis hin zu hochporösen Adsorptionsmaterialien. Zunehmend an Bedeutung gewinnen Kohlenstoffmaterialien mit mesoporösen Strukturen, aber hoher Temperaturbeständigkeit für den Einsatz in elektrochemischen Anwendungen, die Adsorption von Molekülen mit großer räumlicher Ausdehnung und weiteren Spezialanwendungen. Diese Eigenschaftskombination kann nicht mit "klassischen" Kohlenstoffmaterialien erzielt werden, weshalb die Entwicklung solcher Materialien im Fokus der aktuellen Forschung steht.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit zwei möglichen Methoden solche Materialien zu erhalten, wobei es von besonderem Interesse ist, zu erforschen, wie sich die Eigenschaften der erhaltenen Kohlenstoffe mit Hilfe der Syntheseparameter gezielt steuern lassen. Durch Ausheizen von kommerziellen Aktivkohlen, stark mikroporöse und amorphe Materialien, im Temperaturbereich von 1000 bis 1900 °C konnten Kohlenstoffmaterialien mit stark erhöhter thermooxidativen Beständigkeit erhalten werden, die deutlich größere Poren aufwiesen. Es konnte gezeigt werden, wie durch Einstellen der Ausheiztemperatur und Auswahl des Ausgangsmaterials Porenstruktur und Kohlenstoffmikrostruktur in einem gewissen Maße gezielt beeinflusst werden können.

\noindent Die zweite Gruppe der in dieser Arbeiten untersuchten Materialien bilden die sogenannten karbidabgeleiteten Kohlenstoffe (CDC, eng.: carbide-derived carbon). Diese werden durch Chlorierung von Metallkarbiden bei erhöhten Temperaturen synthetisiert. Es konnte gezeigt werden, dass aus allen binären Karbiden mit Kochsalzstruktur hochkristalline Materialien mit Meso- und Makroporen erhalten werden können. Die Temperatur, bei der der Übergang von mikroporösen, amorphen Kohlenstoffen zu graphitischen Materialien beobachtet wird, hängt dabei direkt mit der Struktur des Ausgangsmaterials bzw. der Gitterkonstante in dieser zusammen. So konnte das erste Mal ein Zusammenhang zwischen diesen beiden Haupteinflussfaktoren in der Chlorierung und der erhaltenen Kohlenstoffstruktur gezeigt werden. Weiterhin wurden die CDCs exemplarisch als Trägermaterial für Platinkatalysatoren in der Sauerstoffreduktionsreaktion eingesetzt. Dabei haben die Eigenschaften der CDCs Auswirkungen auf die Güte der Katalysatorschicht auf der Arbeitselektrode, sodass überlagernde Effekte die Ergebnisse der elektrochemischen Untersuchungen beeinflussen können. So besteht noch Optimierungsbedarf, um genauere Messungen durchführen zu können und eindeutige Aussagen zu treffen. Trotzdem konnte gezeigt werden, dass CDCs prinzipiell dazu geeignet sind, als Modellmaterialien zu fungieren, um den Einfluss des Kohlenstoffträgers auf Katalysatoreigenschaften und -aktivität zu untersuchen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: ix, 87 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Department of Chemistry > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie I
Date Deposited: 03 Jun 2022 12:05
Last Modified: 11 Nov 2022 09:36
DOI: 10.26083/tuprints-00020330
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203307
Referees: Etzold, Prof. Dr. Bastian J. M. ; Kramm, Prof. Dr. Ulrike
Date of oral examination: 23 May 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20330
PPN: 496555049
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