Kohlenstoffe: vom Ruß zu den Carbon

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Pia Brinkerhoff
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1 Kohlenstoffe: vom Ruß zu den Carbon Nanotubes Ruße haben hervorragende Pigmenteigenschaften (lichtecht, unlöslich, hohe Brillanz), deshalb werden sie seit frühgeschichtlicher Zeit zum Schwarzfärben benutzt und zu diesem Zweck gezielt ilthergestellt tllt Bereits 1550 v. Chr. wird in einem ägyptischen Papyrus die Anwendung von Kohle für medizinische Zwecke beschrieben; später auch von Hippokrates und Plinius d.ä. (Tierkohle, Blutkohle) 1811 wird Knochenkohle in England erstmals zum Entfärben von Zuckerlösungen verwendet Ab 1909 die ersten industriell gefertigten Aktivkohlen

2 Die verschiedenen Formen Diamant (farblos, Dichte g/cm 3, extrem hart (Mohs Härte 10, Mineral) Graphit (schwarz, Dichte g/cm 3 Mineral (Flockengraphit, Kropfmühl)) Kohlen Aktivkohle Ruße (Gasruß, Flammruß, Acetylenruß...) Glaskohlenstoff Schaumkohlenstoff Kohlenstofffasern Graphit Whisker Fullerene, Nanotubes

3 Kohlenstoffformen Größe der graphitischen Bereiche

4 Kohlenstoffformen

5 Graphitische Kohlenstoffe Graphitelektroden, Aktivkohle, Ruße (natürliche Graphite, Teere, Naphtha, bestimmte Polymere) Die verschiedenen Produkte unterscheiden sich in der Lateralen Größe der Graphitschichten Zahl der übereinander liegenden Graphitschichten Grad der Fehlordnung Kish-Graphit, HPG

6 Kohlenstofformen Aktivierte Kohlen: Aktivkohle BET-berfläche: m 2 /g Pyrolyse: Hochtemperaturbehandlung im Vakuum oder Schutzgas Aktivierung: Temperaturbehandlung in Gegenwart von reaktiven Gasen (H 2, C 2 )

7 Kohlenstoffasern ( H N C N H N N H H C ) Fasern aus graphitischem Kohlenstoff Nicht-graphitierte Faser NMEX) Nach der Aktivierung berflächen bis zu 2000 m 2 /g

8 Graphiteinlagerungsverbindungen Quellung von Graphit erstmals beobachtet 1841 (Schafhäutl) Graphitoxid 1860 Alkaligraphiteinlagerungs- verbindungen 1926 Strukturbestimmungen (Schleede&Wellmann 1932; Hofmann&Rüdorff 1938) Ab 1950 international großer Boom ab 1976 (Vogel)

9 Alkalimetalleinlagerung Solvatkomplexe von Metall- Einlagerungsverbindungen Metall-Anordnungen auf dem Graphit-Kohlenstoffnetz

10 Graphitoxid Structure of graphite oxide is almost settled H Low molecular model system XRD of limited use only; graphite oxide is almost amorphous MAS-NMR on 13 C (Mermoux et al. 1991, He et al. 1996,1998 H H But, what about water? H H H H H H H H New structural model: 60 ppm epoxide functions (Hofmann) 70 alcohol functions (Russ) 130 ppm unreacted aromatic areas H H H H H H H H H H H H Graphite oxide is hydrophilic, under special circumstances it can swell to infinity forming a colloidal solution Location of water, dynamics????? H H H H

11 Graphit: eine unendliche Geschichte Einlagerungsverbindungen 1841 Schafhäutl Graphitoxid 1860 Hofmann&Rüdorff >1928 Ubbelohde >1947 Herold-Schule >1950 USA >1976 (Physiker)

12 Neue Entwicklungen Neue mesoporöse Kohlenstoffformen (carbon replicas) Öffnung der nanotubes durch xidation (analog zur Bildung von G) Einführung von Sauerstoff ins Kohlenstoffnetz (Bezug zur Bildung von G); experimentell und theoretisch Rechnungen zur Struktur von G Supraleitung und Ferromagnetismus in Graphit Physikalische Eigenschaften von graphene (isolierten Graphitebenen) Herstellung: strippen mit Tesa vom HPG epitaktisches Wachstum auf SiC berflächen Deposition aus G Kolloid und Reduktion Reduziertes Graphitoxid in Polymer Nanocomposites

13 Graphen An den sog. K-Punkten berühren sich das Valenz- und das Leitungsband: Graphen ein Halbleiter mit verschwindender Bandlücke Da die Schrödinger-Gleichung in der Nähe der K-Punkte formal der Dirac-Weyl-Gleichung für masselose Neutrinos entspricht, verhalten sich die Elektronen in Graphen formal wie ultrarelativistische Teilchen. (aus Phys. Blätter, Nr. 7/2007) SdH bei der gate Spannung Vg = 60 V vs. B, und bei B = 12 T als Funktion von Vg (T = 20 K blau; T = 80 K grün; T = 140 K rot) QHE: T = 4K, B = 4 T; für eine isolierte graphene Schicht und für eine Doppellage (insert)

15 Ausgangsinteresse Astrophysik (C im interstellaren Staub) Fullerene 1985 Smalley et al. C 60 Nachweis im Massenspektrum 1989 Krätschmer, Hufmann, Nachweis in Lichtbogen-Ruß 1990 isoliert über Lösungsmittelbehandlung aus Lichtbogenruß C 60 C 70 Buckminster Fuller Geodesic Dome auf der Expo in Montreal 1967

16 Fullerene Endohedrale Komplexe: 60 60, M = La, Y, Sc, Ce,..., Na, K, Rb, Cs, Ni nur massenspektroskopisch k nachgewiesen M@C 82 ist dagegen isolierbar TDAE + C 60 -, bei T<16.1 K ferromagnetisch Addition von Halogenen unter Öffnung der Doppelbindungen: C 60 F 60, C 60 Cl 6, C 60 Br 6, C 60 Br 8, C 60 Br 24

17 Fullerenchemie

18 Fullerene: Metallkomplexe Aus: K. Lee, H. Song, J. T. Park, [60]Fullerene-Metal Cluster Complexes: Novel Bonding Modes and Electronic Communication, Acc. Chem. Res. 2003, 36,

19 Polymere

20 Alkalimetalleinlagerung K 6 C 60 K 3 C 60

21 Supraleitung in den Alkalimetallverbindungen Zum Vergleich: C 8 M: K(100mK) Cs(180mK)

22 Kohlenstoffzwiebeln

23 Nanotubes Iijima 1992 Peapods

24 Nanotubes

25 Nanotubes: Chemie

26 Nanotubes: Chemie

27 Nanotubes: Chemie

28 rientiertes Aufwachsen von nanotubes Science, 283, 22 Januar 1999

29 Nanotubes: Elektronik Logische Bauelemente bilden die Grundlage von Computern. Die folgenden Elemente wurden bereits mit Nanotubes erzeugt: Inverter (NT) NR (Variationen AND, R, NAND, XR, etc.) Flip-Flop-Speicher-Element Flop (SRAM) Ring szillator

30 Literatur. Vohler et al.,ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, VCH M. Inagaki, New Carbons. Control of Structure and Functions, Elsevier 2000 H. Kroto, Chem. Rev. 1991, 91, 1213 A. Hirsch, Chem. in unserer Zeit 1994, 28, 79 P.M. Ajayan, jy Chem. Rev. 1999, 99, 1787 S. Banerjee et al. Adv. Mater. 2005, 17, 17

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