Hydrothermal and ionothermal carbon structures : from carbon negative materials to energy applications

• Main Author: Fellinger, Tim-Patrick
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2011
• Subjects: Hydrothermalkohle; ionische Flüssigkeiten; poröse Materialien; Elektrokatalyse; hydrothermal carbon; ionic liquids; porous materials; electrocatalysis; Chemistry and allied sciences
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-57825; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2012/5782/

The needs for sustainable energy generation, but also a sustainable chemistry display the basic motivation of the current thesis. By different single investigated cases, which are all related to the element carbon, the work can be devided into two major topics. At first, the sustainable synthesis of “useful” carbon materials employing the process of hydrothermal carbonisation (HC) is described. In the second part, the synthesis of heteroatom - containing carbon materials for electrochemical and fuel cell applications employing ionic liquid precursors is presented. On base of a thorough review of the literature on hydrothermolysis and hydrothermal carbonisation of sugars in addition to the chemistry of hydroxymethylfurfural, mechanistic considerations of the formation of hydrothermal carbon are proposed. On the base of these reaction schemes, the mineral borax, is introduced as an additive for the hydrothermal carbonisation of glucose. It was found to be a highly active catalyst, resulting in decreased reaction times and increased carbon yields. The chemical impact of borax, in the following is exploited for the modification of the micro- and nanostructure of hydrothermal carbon. From the borax - mediated aggregation of those primary species, widely applicable, low density, pure hydrothermal carbon aerogels with high porosities and specific surface areas are produced. To conclude the first section of the thesis, a short series of experiments is carried out, for the purpose of demonstrating the applicability of the HC model to “real” biowaste i.e. watermelon waste as feedstock for the production of useful materials. In part two cyano - containing ionic liquids are employed as precursors for the synthesis of high - performance, heteroatom - containing carbon materials. By varying the ionic liquid precursor and the carbonisation conditions, it was possible to design highly active non - metal electrocatalyst for the reduction of oxygen. In the direct reduction of oxygen to water (like used in polymer electrolyte fuel cells), compared to commercial platinum catalysts, astonishing activities are observed. In another example the selective and very cost efficient electrochemical synthesis of hydrogen peroxide is presented. In a last example the synthesis of graphitic boron carbon nitrides from the ionic liquid 1 - Ethyl - 3 - methylimidazolium - tetracyanoborate is investigated in detail. Due to the employment of unreactive salts as a new tool to generate high surface area these materials were first time shown to be another class of non - precious metal oxygen reduction electrocatalyst. === Die Notwendigkeit einer nachhaltigen Energiewirtschaft, sowie der nachhaltigen Chemie stellen die Motivation der vorgelegten Arbeit. Auf Grundlage separater Untersuchungen, die jeweils in engem Bezug zum Element Kohlenstoff stehen, kann die Arbeit in zwei Themenfelder geordnet werden. Der erste Teil behandelt die nachhaltige Herstellung nützlicher Kohlenmaterialien mit Hilfe des Verfahrens der hydrothermalen Carbonisierung. Im zweiten Teil wird die Synthese von Bor und Stickstoff angereicherten Kohlen aus ionischen Flüssigkeiten für elektrochemische Anwendungen abgehandelt. Insbesondere geht es um die Anwendung in Wasserstoff-Brennstoffzellen. Als Ergebnis einer sorgfältigen Literatur¬zusammenfassung der Bereiche Hydrothermolyse, hydrothermale Carbonisierung und Chemie des Hydroxymethylfurfurals wird ein chemisch-mechanistisches Modell zur Entstehung der Hydrothemalkohle vorgestellt. Auf der Basis dieses Modells wird ein neues Additiv zur hydrothermalen Carbonisierung von Zuckern vorgestellt. Die Verwendung des einfachen Additivs, genauer Borax, erlaubt eine wesentlich verkürzte und zu niedrigeren Temperaturen hin verschobene Prozessführung mit höheren Ausbeuten. Anhand des mechanistischen Modells wird ein Einfluss auf die Reaktion von Zuckern mit der reaktiven Kohlenvorstufe (Hydroxymethylfurfural) identifiziert. Die chemische Wirkung des Minerals Borax in der hydrothermalen Carbonisierung wird im Folgenden zur Herstellung vielfältig anwendbarer, hochporöser Kohlen mit einstellbarer Partikelgröße genutzt. Zum Abschluss des ersten Teils ist in einer Serie einfacher Experimente die Anwendbarkeit des mechanischen Modells auf die Verwendung „echter“ Biomasse in Form von Wassermelonenabfall gezeigt. Im zweiten Teil werden verschiedene cyano-haltige ionische Flüssigkeiten zur ionothermalen Synthese von Hochleistungskohlen verwendet. Durch Variation der ionischen Flüssigkeiten und Verwendung unterschiedlicher Synthesebedingungen wird die Herstellung hochaktiver, metallfreier Katalysatoren für die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff erreicht. In der direkten Reduktion von Sauerstoff zu Wasser (wie sie in Brennstoffzellen Anwendung findet) werden, verglichen zu konventionellen Platin-basierten elektrochemischen Katalysatoren, erstaunliche Aktivitäten erreicht. In einem anderen Beispiel wird die selektive Herstellung von Wasserstoffperoxid zu sehr geringen Kosten vorgestellt. Abschließend wird anhand der Verwendung der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetracyanoborat eine detaillierte Betrachtung zur Herstellung von graphitischem Borcarbonitrid vorgestellt. Unter Verwendung unreaktiver Salze, als einfaches Werkzeug zur Einführung großer inneren Oberflächen wird erstmals die elektrokatalytische Aktivität eines solchen Materials in der elektrochemischen Sauerstoffreduktion gezeigt.