DISSERTATION_BURZLER_RAPHAELA.pdf - OPUS - Universität ...

3. Rohstoffspezifikation
OBERFLÄCHENFUNKTIONALITÄTEN
Aktivkohlenstoffe enthalten neben ihrem Hauptelement des Kohlenstoffs auch andere Elemente,
wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, die als Heteroatome bezeichnet
werden. Nicht zu vergessen sind auch anorganische Inhaltsstoffe, z.B. mineralische Bodenbestandteile,
wenn der Aktivkohlenstoff seinen Ursprung in einem biologischen Rohstoff hat.
Wasserstoff ist immer an Randatomen der Graphenschichten chemisch gebunden und Sauerstoff,
Stickstoff und Schwefel können sowohl an den Rändern, als auch innerhalb des Ringsystems
der Graphenschichten gebunden sein. Alle diese Heteroatome beeinflussen die Eigenschaften
der Kohlenstoffe auf unterschiedliche Weise, allerdings den größten Einfluss besitzen
vorhandene Sauerstoffatome, besonders wenn sie am Rand gebunden sind. Ein effizienter,
industrieller Einsatz von Aktivkohlenstoffen erfordert demnach insbesondere ein hohes Wissen
über diese Sauerstoffkomplexe an der Oberfläche. Die vielen verschiedenen Sauerstoffgruppen
auf Kohlenstoffoberflächen besitzen Dipolmomente, aufgrund der Elektronegativität von
Sauerstoffatomen und haben beispielsweise einen deutlichen Effekt auf die Form von
Adsorptionsisothermen bei polaren Adsorbaten [163] (vgl. Kapitel 4.3). Dieser Einfluss ist
besonders wichtig bei Systemen wie dem elektrochemischen Doppelschichtkondensator, bei
dem die Adsorption aus einer Lösung erfolgt, denn bei wässrigen Lösungsmitteln adsorbieren
die Wassermoleküle an der Kohlenstoffoberfläche bevorzugt an den Stellen, an denen die
Sauerstoffkomplexe vorhanden sind. Aufgrund dessen ist ein wichtiger Aspekt in der Analytik
von Aktivkohlenstoffen die Bestimmung der vorhandenen Sauerstoffmenge und in welcher
chemischen Anordnung der Sauerstoff vorliegt. Die Abbildung 3.14 fasst einige Beispiele an
Sauerstoff-Oberflächenfunktionalitäten zusammen, die auf Kohlenstoffoberflächen gefunden
wurden.
Abbildung 3.14: Sauerstoff-Oberflächenfunktionalitäten von Aktivkohlenstoff: a) Phenol-
Gruppe, b) Carboxyl-Gruppe, c) Carboxyl-Anhydrid-Gruppe, d) Ether-Gruppe, e) zyklische
Peroxid-Gruppe, f) normale Lakton-Gruppe, g) fluoreszierende Lakton-Gruppe, h) chinonartige
Carbonyl-Gruppe und i) Phenol-/Chinon-Gruppe mit Wasserstoff-Bindung [164]
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