Synthesis and characterization of novel carbon-based nanoporous materials for energy storage applications

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Rasantes Bevölkerungswachstum und ein verstärkter Wunsch nach Gütern und Komfort werden in den nächsten Jahrzehnten zu einem starken Anstieg des Weltenergieverbrauchs führen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, müssen die bestehenden Energiesysteme effizienter genutzt werden, sowie noch effizientere Technologien entwickelt werden. Eine sehr vielversprechende Gruppe von Energiespeichermedien sind Superkondensatoren, aufgrund ihrer hohen Energieausbeute und langen Lebensdauer. Ein Superkondensator besteht aus zwei Elektroden mit großen spezifischen Oberflächen. Das am häufigsten eingesetzte Material für Superkondensatorelektroden ist Aktivkohle. Studien betonen die Verwendung von "activated carbon cloth" (ACC), das die Vorteile von Aktivkohle (z.B. große spezifische Oberfläche) mit den Vorteilen eines Tuches (d.h. Flexibilität und Elastizität) verbindet. "Polymer-derived ceramics" (PDCs) waren aufgrund ihrer Eigenschaften wie außerordentliche Oxidations- und Kriechbeständigkeit, auch bei ultrahohen Temperaturen, und ihres geringen Energieverbrauchs während der Synthese Gegenstand beträchtlicher Forschungsarbeiten. Abhängig von der gewählten Syntheseroute können PDCs mehrere andere interessante Eigenschaften wie katalytische oder nanoporöse Eigenschaften aufweisen. Durch die Kombination von PDCs mit ACC könnten daher Nanoverbundwerkstoffe (d.h. Verbundwerkstoffe mit mindestens einer Phase mit Dimensionen im Nanometerbereich) erhalten werden, die sich sehr gut für Energiespeicheranwendungen wie Wasserstoffspeicherung oder als Elektroden in Superkondensatoren eignen könnten. In dieser Arbeit wurden ein im Labor hergestellter ACC und ein kommerziell erhältlicher ACC mit verschiedenen PDCs imprägniert. Die PDCs bestehen aus Polysilazan, das mit verschiedenen Organometallverbindungen im Toluol-Reflux in unterschiedlichen Verhältnissen gemischt wurde. Durch anschließende Pyrolyse wurden die imprägnierten Tücher in die endgültigen Nanoverbundwerkstoffe umgewandelt. Entlang des Herstellungsprozesses wurden mehrere Charakterisierungsmethoden eingesetzt, um die mikrostrukturellen und morphologischen Veränderungen zu untersuchen. Elektrochemische Studien wurden durchgeführt, um die Eignung der hergestellten Nanoverbundwerkstoffe für Energiespeicheranwendungen zu überprüfen. Die Porositätseigenschaften der Materialen wurden ermittelt, um diese mit den elektrochemischen Eigenschaften des Materials in Verbindung zu bringen. Es wurde festgestellt, dass sowohl die spezifische Oberfläche als auch das Gesamtporenvolumen im Vergleich zu reinem ACC abnahmen. Dies lässt sich auf eine mögliche Porenblockierung als Folge des Imprägnierungsprozesses zurückführen. Die gewählte Imprägnierungs-Route führte auch zu einer sehr inhomogenen Imprägnierung. Die elektrochemischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass die hergestellten Nanoverbundwerkstoffe aufgrund einer verringerten Hystereseschleife (d.h. Energiespeicherfähigkeit) nicht als Elektroden für Superkondensatoren geeignet sind.

Details

Titel in ÜbersetzungSynthese und Charakterisierung von neuartigen kohlenstoffbasierten nanoporösen Materialien für Energiespeicheranwendungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung23 Okt. 2020
StatusVeröffentlicht - 2020