03.08.2022 - Nagoya Institute of Technology (NITech)

Umwandlung von Fischabfällen in hochwertiges Nanomaterial auf Kohlenstoffbasis

Wissenschaftler entwickeln eine einfache, schnelle und energieeffiziente Synthesemethode zur Herstellung von außergewöhnlichen Kohlenstoff-Nano-Ionen aus Fischschuppen

Dank ihrer geringen Toxizität, ihrer chemischen Stabilität 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 Käfigen in Käfigen ähneln. Sie bieten zahlreiche attraktive Eigenschaften wie eine große Oberfläche und eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Leider haben die herkömmlichen Methoden zur Herstellung von CNOs einige gravierende Nachteile. Einige erfordern raue Synthesebedingungen wie hohe Temperaturen oder Vakuum, andere wiederum sind sehr zeit- und energieaufwändig. Einige Verfahren können diese Einschränkungen umgehen, erfordern aber stattdessen komplexe Katalysatoren, teure Kohlenstoffquellen oder gefährliche saure oder basische Bedingungen. Dadurch wird das Potenzial von CNOs stark eingeschränkt.

Glücklicherweise ist noch nicht alle Hoffnung verloren. In einer kürzlich in der Zeitschrift Green Chemistry (online verfügbar am 25. April 2022 und veröffentlicht in Ausgabe 10 am 21. Mai 2022) veröffentlichten Studie hat ein Team von Wissenschaftlern des Nagoya Institute of Technology in Japan einen einfachen und bequemen Weg gefunden, Fischabfälle in äußerst hochwertige CNOs zu verwandeln. Das Team, dem Assistant Professor Yunzi Xin, Masterstudent Kai Odachi und Associate Professor Takashi Shirai angehörten, entwickelte einen Syntheseweg, bei dem Fischschuppen, die nach der Reinigung aus Fischabfällen gewonnen werden, durch Mikrowellenpyrolyse in wenigen Sekunden in CNOs umgewandelt werden.

Aber wie können Fischschuppen so einfach in CNOs umgewandelt werden? Der genaue Grund dafür 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 führt zu einer thermischen Zersetzung oder "Pyrolyse", bei der bestimmte Gase entstehen, die den Aufbau von CNOs unterstützen. Das Bemerkenswerte an diesem Ansatz ist, dass er weder komplexe Katalysatoren, noch harte Bedingungen oder lange Wartezeiten benötigt; die Fischschuppen können in weniger als 10 Sekunden in CNOs umgewandelt werden!

Darüber hinaus führt dieses Syntheseverfahren zu CNOs mit sehr hoher Kristallinität. Dies ist bei Verfahren, die Biomasseabfälle als Ausgangsmaterial verwenden, nur sehr schwer zu erreichen. Außerdem wird die Oberfläche der CNOs während der Synthese selektiv und gründlich mit (-COOH)- und (-OH)-Gruppen funktionalisiert. Dies steht in krassem Gegensatz zur Oberfläche der mit herkömmlichen Methoden hergestellten CNOs, die in der Regel blank ist und in zusätzlichen Schritten funktionalisiert werden muss.

Diese "automatische" Funktionalisierung hat wichtige Auswirkungen auf die Anwendungen von CNOs. Wenn die CNO-Oberfläche 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 Lösungsmitteln zu dispergieren, was bei allen Anwendungen, die lösungsbasierte Prozesse erfordern, notwendig ist. Da das vorgeschlagene Syntheseverfahren jedoch funktionalisierte CNOs erzeugt, ermöglicht es eine hervorragende Dispergierbarkeit in verschiedenen Lösungsmitteln.

Ein weiterer Vorteil, der mit der Funktionalisierung und der hohen Kristallinität verbunden ist, sind die außergewöhnlichen optischen Eigenschaften. Dr. Shirai erklärt: "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 höher als der von bisher bekannten CNOs, die mit herkömmlichen Methoden synthetisiert wurden."

Um einige der vielen praktischen Anwendungen ihrer CNOs zu zeigen, demonstrierte das Team ihre Verwendung in LEDs und blaues Licht emittierenden dünnen Filmen. Die CNOs erzeugten eine äußerst stabile Emission, sowohl in festen Bauteilen als auch in verschiedenen Lösungsmitteln, darunter Wasser, Ethanol und Isopropanol. "Die stabilen optischen Eigenschaften könnten uns in die Lage versetzen, flexible, großflächig emittierende Filme und LED-Geräte herzustellen", spekuliert Dr. Shirai. "Diese Erkenntnisse werden neue Wege für die Entwicklung der nächsten Generation von Displays und Festkörperbeleuchtung eröffnen."

Darüber hinaus ist die vorgeschlagene Synthesetechnik umweltfreundlich und bietet eine unkomplizierte Möglichkeit, Fischabfälle in unendlich viele nützliche Materialien umzuwandeln. Das Team ist davon überzeugt, dass seine Arbeit zur Erreichung mehrerer UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung beitragen würde. Wenn die CNOs in die nächste Generation von LED-Beleuchtungen und QLED-Displays einfließen, könnten sie außerdem zu einer erheblichen Senkung der Herstellungskosten beitragen.

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