Die Vorläuferstrukturen werden durch einfaches Erhitzen bei niedriger Temperatur (< 200°C) in mesoporöse und amorphe Materialien umgewandelt.
Quelle: BAM
In den letzten Jahrzehnten haben mesoporöse Übergangsmetallphosphate (TMPs) als potenzielle kostengünstige funktionelle Materialien für die Elektrochemie und Elektrokatalyse immens an Aufmerksamkeit gewonnen. Mesoporöse Materialien weisen eine Porengröße zwischen 2 und 50 nm auf. Die Mesoporosität ist für elektrochemische Anwendungen von Vorteil, da sie einen erleichterten Massentransfer von Ionen durch das Material ermöglicht und das Material gleichzeitig eine erhöhte Reaktivität aufgrund einer größeren Oberfläche aufzeigt. Die Synthese mesoporöser TMPs ist äußerst anspruchsvoll und erfolgt in der Regel unter Verwendung harter oder weicher Templates, chemische Vorlagen für die Bildung der mesoporösen Strukturen (z. B. rigide Silikate oder weiche Lipide/Fette). In beiden Fällen muss das Template durch chemisches Ätzen oder Erhitzen entfernt werden. Dieser Entfernungsprozess ist höchst problematisch, da die Porenstruktur, das Material selbst oder dessen chemische Zusammensetzung dabei wahrscheinlich beschädigt oder verändert wird. In unserer Arbeit haben wir mesoporöse TMPs mit einer Template-freien Methode synthetisiert, um diese Problematiken zu umgehen.
Die Generierung der Mesoporösität beruht auf der thermischen Zersetzung einer Metallphosphat-Vorläuferverbindung namens Struvit, welches verschiedene Metallkationen z. B. Ni oder Co, Wasser und Ammoniak in dessen Kristallstruktur enthält. Durch einfaches, kontrolliertes Erhitzen von Struvitkristallen entgasen Wasser und Ammoniak langsam aus der Verbindung, was zur Bildung (meso-)poröser und amorpher Gerüststrukturen führt. Das Material besteht im Wesentlichen aus Phosphatgruppen, gebunden an Metallkationen, die ursprünglich isoliert in den Struvitvorläufern vorhanden waren. Diese Entwicklung von Mesoporen wurde von uns im Detail charakterisiert. Unsere Annahme ist, dass die kostengünstigen, umweltfreundlichen Übergangsmetallstruvite als Recyclingprodukte aus industriellen und landwirtschaftlichen Abwässern gewonnen und in mesoporöse TMP umgewandelt werden könnten. In dieser Form könnten diese Materialien aufgrund ihrer größeren Oberfläche/Reaktivität direkt in der Elektrochemie eingesetzt werden. Insbesondere bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff könnten diese Verbindungen die Wasserspaltungsreaktion beschleunigen. Auf diese Weise können Metallphosphate z. B. für Wasserstoffanwendungen recycelt werden und einen Beitrag zu einer umweltfreundlichen Kreislaufwirtschaft leisten.
Template-free synthesis of mesoporous, amorphous transition metal phosphate materials
Stephanos Karafiludis, Ana Guilherme Buzanich, Christian Heinekamp, Annett Zimathies, Glen J. Smales, Vasile-Dan Hodoroaba, Johan E. ten Elshof, Franziska Emmerling and Tomasz M. Stawski
Veröffentlicht in Nanoscale, 2023, 15, 3952–3966, Open Access
BAM Abteilung Materialchemie
BAM Fachbereich Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie
BAM Fachbereich Strukturanalytik
BAM Fachbereich Synthese und Streuverfahren nanostrukturierter Materialien