Uhlíkové porézní materiály z obnovitelných zdrojů Autor: Roman Pulíček

Obsah Druhá generace Starbon® materiálů Aplikace porézních C-materiálů Úvod Dělění porézních materiálů Mezoporézní uhlíkové materiály Využití přírodních materiálů Starbon® technologie Druhá generace Starbon® materiálů Aplikace porézních C-materiálů Závěr

Úvod Transformace biomasy do stabilní porézní uhlíkové formy Šíroké aplikační možnosti [1]

Dělení porezních materiálů Malá změna v poměru povrch/objem → významný vliv na chem. a fyz. vlastnosti Dělení: Mikroporézní < 2nm 3D kondenzace Mezoporézní 2 – 50nm Adsorpce do vrstev + kapilární kondenzace Makroporézní > 50nm Adsorpce na rovném povrchu [2]

Mezoporézní uhlíkové materiály Hlavní typy syntézy poreních C-materiálů Použití porézních anorganických šablon (hard templating) Přímá karbonizace polymerní směsi (soft templating) Karbonizace aerogelu Tradiční chem. a fyz. aktivace uhlíku

Hard templating Postup metody: Příprava šablony ze silikagelu (porézní SiO2) s kontrolovanou velikostí pórů Impregnace povrchu silikagelu polymerním prekurzorem Polymerace a karbonizace organického prekurzoru Odstranění silikagelové „šablony“ vhodným rozpouštědlem 1979 – patent metody (Knox, Ross) Prekurzorem byla směs fenol/formeladehyd Karbonizace při t > 1000°C v N2 a Ar atmosféře Odstranění silikagelu silným alkalickým roztokem Vznik porezního skelného uhlíku (PGC – Porous glassy carbon) →využití v chromatografii

Využití přírodních materiálů Z polysacharidů lze ve vodní fázy vytvořit mezoskopický gel Gelová struktura zůstane zachována po odstranění rozpouštědla (sušení) → vznik mezoporezního polysach. Polysacharidy mají nízkou teplotu taní Rychlé tání (rozpad H-vazeb) následováno endotermním rozkladem → zničení mezoporezní struktury Musí se použít katalyzátor → silná kyselina (např. p-toluensulfonová) zajístí rychlejší dehydrataci polysacharidu před dosažením teploty endotermního rozkladu (cca 120-150 °C) Dojde k polymeraci a tím k zafixování mezoporezní struktury

Využití přírodních materiálů V počátku výzkumu byl jako prekurzor použit škrob Složen z amylózy (20%) a amilopektinu (80%) Tento škrob vytvoří semikrystalický polysacharidový kompozit s mezoporézní velikostí pórů (4-5nm) Negativní lineární závislost mezopórozity na obsahu amilopektinu ve směsi → klíčový komponent pro vysoce mezoporézní škrob je minimální obsah amylózy [1]

Starbon® technologie Prekurzorem je mezoporezní škrob připraven za použití kyselinového katalyzátoru Vzniká nanostrukturovaný porézní uhlíkový materiál s modifikovatelnými chem. a fyz. vlastnostmi [1]

Starbon® technologie Vlastnosti výsledného produktu Porozní struktura prekurzoru zůstává zachována Lehká změna v morfologii díky „scvrknutí“ při pyrolýze Průměrna velikost pórů je 10nm S rostoucí teplotou (200 - 1000 °C) v 2. fázi karbonizace dochází ke zvýšení mikroporézní složky povrchu S rostoucí teplotou při karbonizaci také dochází ke zvyšování povrchové energie; Poměr C/O: Při 100 °C → 1,20 Při 800 °C → 8,60

Druhá generace Starbon® materiálů Místo škrobu (amylóza, amilopektin) použity jiné lineární polysacharidy Kyselina alginová Získává se z mořských řas Její neporezní strukturu lze stejným způsobem, jako v případě škrobu, převést na mezoporézí aerogel (velikost pórů cca 25nm) [3]

Druhá generace Starbon® materiálů Pektin (polysacharid kys. galakturonové) Hlavní stavební komponenta u rostlin Gelatinaci pektinu lze provést snížením pH roztoku (nemusí se dlouhodobě chladit) Rozdílná morfologii a velikosti pórů Další postup je shodný s původní technologií Výsledkem je mezoporézní materiál o velmi malé hustotě (0,07 g/m3) [4]

Aplikace porézních C-materiálů Heterogenní katalyzátor Esterifikace organických kyselin Acylace alkoholů a aminů Alkylace aromátů Separační medium Chromatografie Elektrochemie

Závěr Technologie Starbon® poskytuje snadnou výrobu mezoporézních uhlíkových materiálů z přírodních zdrojů V závislosti na podmínkách při gelaci a použitém polysacharidu lze připravit širokou řadu uhlíkových materiálů s různými vlastnostmi

Zdroje [1] WHITE, Robin J., Vitaly BUDARIN, Rafael LUQUE, James H. CLARK a Duncan J. MACQUARRIE. Tuneable porous carbonaceous materials from renewable resources. Chemical Society Reviews. 2009, vol. 38, issue 12, s. 3401-3418, [cit. 6. 1. 2015], DOI: 10.1039/b822668g. Dostupné z:  http://xlink.rsc.org/?DOI=b822668g [2] http://www.nippon-bel.co.jp/tech/seminar12_e.html [cit. 6. 1. 2015] [3]https://www.medicinescomplete.com/mc/martindale/2009/images/c9005-32-7.png [cit. 6. 1. 2015] [4]http://patentimages.storage.googleapis.com/WO2001004255A1/imgf000028_0001.png [cit. 6. 1. 2015]

Děkuji za pozornost