Nanoskaliges Material bietet neue Möglichkeit, Feuer zu kontrollieren

Hochtemperaturflammen werden zur Herstellung verschiedenster Materialien eingesetzt. Sobald Sie jedoch ein Feuer entfacht haben, kann es schwierig sein, die Wechselwirkung der Flamme mit dem Material, das Sie verarbeiten möchten, zu kontrollieren. Forscher haben nun eine Technik entwickelt, die mithilfe einer moleküldünnen Schutzschicht kontrolliert, wie die Hitze der Flamme mit dem Material interagiert – das Feuer zähmt und es Benutzern ermöglicht, die Eigenschaften des verarbeiteten Materials fein abzustimmen.

„Feuer ist ein wertvolles technisches Werkzeug – schließlich ist ein Hochofen nur ein intensives Feuer“, sagt Martin Thuo, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaft und -technik an der North Carolina State University. „Sobald man jedoch ein Feuer entfacht hat, hat man oft kaum Kontrolle darüber, wie es sich verhält.

„Unsere Technik, die wir inverse thermische Degradation (ITD) nennen, verwendet einen nanoskaligen dünnen Film über einem Zielmaterial. Der dünne Film verändert sich als Reaktion auf die Hitze des Feuers und reguliert die Menge an Sauerstoff, die an das Material gelangen kann. Das bedeutet, dass wir die Geschwindigkeit steuern können, mit der sich das Material erwärmt – was wiederum Einfluss auf die chemischen Reaktionen hat, die im Material stattfinden. Grundsätzlich können wir feinabstimmen, wie und wo das Feuer das Material verändert.“

So funktioniert ITD. Sie beginnen mit Ihrem Zielmaterial, beispielsweise einer Zellulosefaser. Diese Faser wird dann mit einer nanometerdicken Molekülschicht überzogen. Anschließend werden die beschichteten Fasern einer intensiven Flamme ausgesetzt. Die äußere Oberfläche der Moleküle verbrennt leicht, wodurch die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung steigt. Doch die innere Oberfläche der molekularen Beschichtung verändert sich chemisch und es entsteht eine noch dünnere Glasschicht um die Zellulosefasern. Dieses Glas begrenzt die Menge an Sauerstoff, die zu den Fasern gelangen kann, und verhindert so, dass die Zellulose in Flammen aufgeht. Stattdessen glimmen die Fasern – langsam brennen sie von innen nach außen.

„Ohne die Schutzschicht des ITD würde die Beflammung von Zellulosefasern lediglich zu Asche führen“, sagt Thuo. „Mit der Schutzschicht des ITD erhält man am Ende Carbonrohre.

„Wir können die Schutzschicht so gestalten, dass die Sauerstoffmenge, die das Zielmaterial erreicht, eingestellt wird. Und wir können das Zielmaterial so gestalten, dass es gewünschte Eigenschaften erzeugt.“

Die Forscher führten Proof-of-Concept-Demonstrationen mit Zellulosefasern durch, um Kohlenstoffröhren im Mikromaßstab herzustellen.

Die Forscher konnten die Dicke der Kohlenstoffrohrwände steuern, indem sie die Größe der Zellulosefasern kontrollierten, mit denen sie begannen; durch Einbringen verschiedener Salze in die Fasern (wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit weiter gesteuert wird); und durch Variieren der Sauerstoffmenge, die durch die Schutzschicht gelangt.

„Wir haben bereits mehrere Anwendungen im Sinn, die wir in zukünftigen Studien untersuchen werden“, sagt Thuo. „Wir sind auch offen für eine Zusammenarbeit mit dem Privatsektor, um verschiedene praktische Anwendungen zu erkunden, beispielsweise die Entwicklung technischer Kohlenstoffrohre für die Öl-Wasser-Trennung – die sowohl für industrielle Anwendungen als auch für die Umweltsanierung nützlich wären.“

Der Artikel „Räumlich gerichtete Pyrolyse über thermisch morphende Oberflächenaddukte“ ist in der Zeitschrift Angewandte Chemie erschienen. Co-Autoren sind Dhanush Jamadgni und Alana Pauls, Ph.D. Studenten an der NC State; Julia Chang und Andrew Martin, Postdoktoranden an der NC State; Chuanshen Du, Paul Gregory, Rick Dorn und Aaron Rossini von der Iowa State University; und E. Johan Foster an der University of British Columbia.

-Schiffsmann-

Hinweis für Redakteure:Die Zusammenfassung der Studie folgt.

„Räumlich gerichtete Pyrolyse durch thermisch transformierende Oberflächenaddukte“

Autoren: Chuanshen Du und Paul Gregory, Iowa State University; Dhanush U. Jamadgni, Alana M. Pauls, Julia J. Chang, Andrew Martin und Martin Thuo, North Carolina State University und Iowa State University; Rick W. Dorn und Aaron J. Rossini, Iowa State University und US-Energieministerium; E. Johan Foster, University of British Columbia

Published: July 19, 2023, Angewandte Chemie

DOI: 10.1002/ange.202308822

Abstrakt: Es ist oft schwierig, die Verbrennung räumlich zu steuern oder die damit verbundene Kinetik abzustimmen – daher handelt es sich um eine außer Kontrolle geratene Reaktion. Durch die Kopplung der pyrolytischen chemischen Umwandlung mit Massentransport und Reaktionsgeschwindigkeiten (Damköhler-Zahl) haben wir jedoch eine räumlich gerichtete Zündung mit gleichzeitigem Wechsel von der Verbrennung zur Pyrolyse (geringes Oxidationsmittel) erzielt. Dadurch entsteht bei der Zündung eine „Oberfläche-dann-Kern“-Reihenfolge mit gleichzeitiger Änderung der Brenngeschwindigkeit. Dabei werden auf Zellulosefasern gepfropfte Alkysilane zu nicht brennbarem SiO2 pyrolysiert, wodurch die Ausbreitung der Oberflächenentzündung beendet und somit die Flammenausbreitung gehemmt wird. Das Aufrechterhalten hoher Temperaturen löst jedoch eine Entzündung in der Masse der Fasern aus, jedoch unter eingeschränktem Gasfluss (Oxidationsmittel und/oder Abfall), was im Vergleich zur offenen Flamme (Liñáns Gleichung) zu einer deutlich geringeren Ausbreitungs- und Pyrolyserate der Entzündung führt. Dies führt zu einer thermischen Zersetzung von innen nach außen und bei geschickter Wahl der Bedingungen zur Bildung von Graphitröhren. Angesichts der Temperaturabhängigkeit begünstigt oder hemmt die Aufnahme von Fasern mit einem exotherm oxidierenden Synthon (MnCl2) oder einer Wärmesenke (KCl) die Pyrolyse, was zu einer einstellbaren Wandstärke führt. Wir wenden diesen Ansatz an, um magnetische, paramagnetische oder oxidhaltige Kohlenstofffasern herzustellen. Angesichts der Oberflächenempfindlichkeit veranschaulichen wir die Herstellung von Röhren mit nm- und μm-Durchmesser aus Fasern geeigneter Größe.