Dank ihrer geringen Toxizit\u00e4t, ihrer chemischen Stabilit\u00e4t und ihrer bemerkenswerten elektrischen und optischen Eigenschaften finden Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis immer mehr Anwendungen in den Bereichen Elektronik, Energieumwandlung und -speicherung, Katalyse und Biomedizin. Kohlenstoff-Nano-Ionen (CNOs) sind sicherlich keine Ausnahme. CNOs wurden erstmals 1980 beschrieben und sind Nanostrukturen, die aus konzentrischen Schalen von Fullerenen bestehen und K\u00e4figen in K\u00e4figen \u00e4hneln. Sie bieten zahlreiche attraktive Eigenschaften wie eine gro\u00dfe Oberfl\u00e4che und eine hohe elektrische und thermische Leitf\u00e4higkeit.<\/p>\n\n\n\n
Leider haben die herk\u00f6mmlichen Methoden zur Herstellung von CNOs einige gravierende Nachteile. Einige erfordern raue Synthesebedingungen wie hohe Temperaturen oder Vakuum, andere wiederum sind sehr zeit- und energieaufw\u00e4ndig. Einige Verfahren k\u00f6nnen diese Einschr\u00e4nkungen umgehen, erfordern aber stattdessen komplexe Katalysatoren, teure Kohlenstoffquellen oder gef\u00e4hrliche saure oder basische Bedingungen. Dadurch wird das Potenzial von CNOs stark eingeschr\u00e4nkt.<\/p>\n\n\n\n
Gl\u00fccklicherweise ist noch nicht alle Hoffnung verloren. In einer k\u00fcrzlich in der Zeitschrift Green Chemistry (online verf\u00fcgbar am 25. April 2022 und ver\u00f6ffentlicht in Ausgabe 10 am 21. Mai 2022) ver\u00f6ffentlichten Studie hat ein Team von Wissenschaftlern des Nagoya Institute of Technology in Japan einen einfachen und bequemen Weg gefunden, Fischabf\u00e4lle in \u00e4u\u00dferst hochwertige CNOs zu verwandeln. Das Team, dem Assistant Professor Yunzi Xin, Masterstudent Kai Odachi und Associate Professor Takashi Shirai angeh\u00f6rten, entwickelte einen Syntheseweg, bei dem Fischschuppen, die nach der Reinigung aus Fischabf\u00e4llen gewonnen werden, durch Mikrowellenpyrolyse in wenigen Sekunden in CNOs umgewandelt werden.<\/p>\n\n\n\n
Aber wie k\u00f6nnen Fischschuppen so einfach in CNOs umgewandelt werden? Der genaue Grund daf\u00fcr ist zwar nicht ganz klar, aber das Team glaubt, dass es mit dem in den Fischschuppen enthaltenen Kollagen zu tun hat, das genug Mikrowellenstrahlung absorbieren kann, um einen schnellen Temperaturanstieg zu bewirken. Dies f\u00fchrt zu einer thermischen Zersetzung oder “Pyrolyse”, bei der bestimmte Gase entstehen, die den Aufbau von CNOs unterst\u00fctzen. Das Bemerkenswerte an diesem Ansatz ist, dass er weder komplexe Katalysatoren, noch harte Bedingungen oder lange Wartezeiten ben\u00f6tigt; die Fischschuppen k\u00f6nnen in weniger als 10 Sekunden in CNOs umgewandelt werden!<\/p>\n\n\n\n
Dar\u00fcber hinaus f\u00fchrt dieses Syntheseverfahren zu CNOs mit sehr hoher Kristallinit\u00e4t. Dies ist bei Verfahren, die Biomasseabf\u00e4lle als Ausgangsmaterial verwenden, nur sehr schwer zu erreichen. Au\u00dferdem wird die Oberfl\u00e4che der CNOs w\u00e4hrend der Synthese selektiv und gr\u00fcndlich mit (-COOH)- und (-OH)-Gruppen funktionalisiert. Dies steht in krassem Gegensatz zur Oberfl\u00e4che der mit herk\u00f6mmlichen Methoden hergestellten CNOs, die in der Regel blank ist und in zus\u00e4tzlichen Schritten funktionalisiert werden muss.<\/p>\n\n\n\n
Diese “automatische” Funktionalisierung hat wichtige Auswirkungen auf die Anwendungen von CNOs. Wenn die CNO-Oberfl\u00e4che nicht funktionalisiert ist, neigen die Nanostrukturen aufgrund einer attraktiven Wechselwirkung, die als pi-pi-Stapelung bekannt ist, dazu, zusammenzukleben. Das macht es schwierig, sie in L\u00f6sungsmitteln zu dispergieren, was bei allen Anwendungen, die l\u00f6sungsbasierte Prozesse erfordern, notwendig ist. Da das vorgeschlagene Syntheseverfahren jedoch funktionalisierte CNOs erzeugt, erm\u00f6glicht es eine hervorragende Dispergierbarkeit in verschiedenen L\u00f6sungsmitteln.<\/p>\n\n\n\n
Ein weiterer Vorteil, der mit der Funktionalisierung und der hohen Kristallinit\u00e4t verbunden ist, sind die au\u00dfergew\u00f6hnlichen optischen Eigenschaften. Dr. Shirai erkl\u00e4rt: “Die CNOs zeigen eine ultrahelle Emission von sichtbarem Licht mit einer Effizienz (oder Quantenausbeute) von 40 %. Dieser Wert, der bisher noch nie erreicht wurde, ist etwa zehnmal h\u00f6her als der von bisher bekannten CNOs, die mit herk\u00f6mmlichen Methoden synthetisiert wurden.”<\/p>\n\n\n\n
Um einige der vielen praktischen Anwendungen ihrer CNOs zu zeigen, demonstrierte das Team ihre Verwendung in LEDs und blaues Licht emittierenden d\u00fcnnen Filmen. Die CNOs erzeugten eine \u00e4u\u00dferst stabile Emission, sowohl in festen Bauteilen als auch in verschiedenen L\u00f6sungsmitteln, darunter Wasser, Ethanol und Isopropanol. “Die stabilen optischen Eigenschaften k\u00f6nnten uns in die Lage versetzen, flexible, gro\u00dffl\u00e4chig emittierende Filme und LED-Ger\u00e4te herzustellen”, spekuliert Dr. Shirai. “Diese Erkenntnisse werden neue Wege f\u00fcr die Entwicklung der n\u00e4chsten Generation von Displays und Festk\u00f6rperbeleuchtung er\u00f6ffnen.”<\/p>\n\n\n\n
Dar\u00fcber hinaus ist die vorgeschlagene Synthesetechnik umweltfreundlich und bietet eine unkomplizierte M\u00f6glichkeit, Fischabf\u00e4lle in unendlich viele n\u00fctzliche Materialien umzuwandeln. Das Team ist davon \u00fcberzeugt, dass seine Arbeit zur Erreichung mehrerer UN-Ziele f\u00fcr nachhaltige Entwicklung beitragen w\u00fcrde. Wenn die CNOs in die n\u00e4chste Generation von LED-Beleuchtungen und QLED-Displays einflie\u00dfen, k\u00f6nnten sie au\u00dferdem zu einer erheblichen Senkung der Herstellungskosten beitragen.<\/p>\n\n\n\n