Aktivierung stickstoffmodifizierter Kohlenstoffmaterialien mit KOH: Untersuchungen zum Porenbildungsprozess sowie zum Stickstoffaustrag

• Antragsteller: Professor Dr. Olaf Klepel
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405653205

Stickstoffhaltige poröse Kohlenstoffmaterialien werden seit ca. zwei Jahrzehnten mit stetig wachsendem Interesse als Materialien für elektrochemische Energiespeicher wie z.B. Superkondensatoren, Akkumulatoren oder Redoxflowbatterien untersucht. Zur Erzeugung der Porosität nimmt die Aktivierung mit KOH mittlerweile eine dominierende Position ein, da – verglichen mit templatgestützten Methoden - diese Methode mit verhältnismäßig geringem Aufwand die Herstellung von Materialien mit großer innerer Oberfläche (bis > 3000 m2/g BET) und hohem Mikroporenanteil ermöglicht. Ausdruck der großen Aktualität dieser Thematik ist u.a. die rege Publikationstätigkeit; so sind z.B. im Web of Science für die entsprechenden Suchbegriffe über 200 Publikationen allein für die letzten zwei Jahre vermerkt. Eine Auswertung der Literatur ergab, dass, trotz vielversprechender Eigenschaften der Materialien hinsichtlich ihrer Verwendung in den o.g. Gebieten, die Aktivierung stickstoffmodifizierter Kohlenstoffmaterialien mit KOH von zwei grundlegenden Problemen betroffen ist. Zum einen geht die Aktivierung mit einem erheblichen Austrag von Stickstoff einher, wobei sich nicht nur die Gesamtmenge an Stickstoff, sondern auch die Mengenverhältnisse verschiedener Stickstofffunktionalitäten zueinander ändern. Die Angaben hierzu sind zum Teil widersprüchlich, wobei aber überwiegend ein Abbau pyridinischer Spezies zugunsten der Bildung pyrrolischer bzw. quaternärer Spezies infolge der Aktivierung mit KOH beschrieben wird. Obwohl das Phänomen des absoluten bzw. auch selektiven Stickstoffaustrags in zahlreichen Publikationen als Beobachtung beschrieben wird; stehen systematische Untersuchungen zu seinen Ursachen bzw. zu Möglichkeiten seiner gezielten (selektiven) Beeinflussung noch weitgehend aus.Neben dem Problem des Stickstoffaustrags ist umgekehrt auch die Beeinflussung der Aktivierungsprozesse durch Stickstoff zu berücksichtigen. Redoxreaktionen spielen eine wesentliche Rolle im Reaktionsnetzwerk der Aktivierung mit KOH. Werden nun elektronische Eigenschaften des zu aktivierenden Materials durch Modifizierung mit Stickstoff verändert, so ist auch ein anderes Ablaufen des Aktivierungsprozesses zu erwarten. Zusammenhänge dieser Art wurden aber in der Literatur bisher selten erwähnt und beschränken sich weitgehend auf die Darstellung der allgemeinen Beobachtung, dass Stickstoff¬modifizierungen den Aktivierungsprozess begünstigen. Erklärungsversuche basieren nur auf Vermutungen, was u.a. auf das Fehlen von systematischen Untersuchungen an geeigneten Referenzsystemen zurückzuführen ist.Es ist daher das Anliegen des Projektes, die Prozesse der Aktivierung stickstoffmodifizierter Kohlenstoffmaterialien mit KOH hinsichtlich der folgenden zwei Fragen zu untersuchen:1. Welche Vorgänge führen zum Austrag von Stickstoff aus der Kohlenstoffmatrix?2. Wie wird der Porenbildungsprozesse durch Stickstoffmodifizierungen beeinflusst?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Michael Bron; Professorin Dr. Grit Kalies