DE102010033380A1 - Groß- und offenporiges C/C-Komposit mit hoher innerer Oberfläche, sowie Verfahren zur Herstellung desselben und dessen Anwendung - Google Patents

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Dr. Wiener Matthias
Stephan Braxmeier
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-(C/C-)Komposit, wobei die innere Oberfläche des Trägermaterials aus Kohlenstoff mit einem nanoporösen Kohlenstoffmaterial hoher spezifischer Oberfläche beschichtet ist. Das C/C-Komposit ist groß- und offenporig und weist durch die Beschichtung eine hohe spezifische Oberfläche auf. Das Herstellungsverfahren zeichnet sich durch die Infiltration des Trägermaterials aus Kohlenstoff oder einer organischen Vorstufe mit einer verdünnten Polymerlösung aus. Hierbei wird zunächst über einen Sol-Gel-Prozess mit nachfolgendem Trocknungsschritt eine Polymerschicht auf der inneren Oberfläche des Trägermaterials angelagert und durch Pyrolyse das C/C-Komposit erzeugt. Das Komposit kann für Elektroden insbesondere in Redox-Flow-Batterien, als Katalysatorträger oder zur Filtration eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-(C/C-)Komposit dadurch gekennzeichnet, dass ein Trägermaterial aus Kohlenstoff mit einem nanoporösen Kohlenstoffmaterial hoher spezifischer Oberfläche beschichtet ist, dabei sind unter Nanoporen Poren kleiner als 1 μm zu verstehen.
  • Für das Verfahren wird ein Trägermaterial aus Kohlenstoff (z. B. Holzkohle, Graphit, Kohlenstoff- und Graphitfilze, Kohlenstoff-Schäume oder die organischen Vorstufen dieser Materialientypen) gewählt. Die Beschichtung des Trägermaterials erfolgt über eine flüssige Vorstufe in einem Sol-Gel-Prozess, wobei die Beschichtung zunächst als organische Vorstufe (z. B. poröses Duromer) vorliegt. Da die Vorstufe des C/C-Komposits noch organische Komponenten enthält, wird mit einem Pyrolyseschritt das C/C-Komposit durch Karbonisierung erzeugt.
  • [Stand der Technik]
  • Kohlenstoff-Kohlenstoff-(C/C-)Kompositmaterialien bestehend aus einem Trägermaterial aus Kohlenstoff und einer Pyrokohlenstoffbeschichtung sind aus verschiedenen Quellen bekannt und Stand der Technik. Die Pyrokohlenstoffschicht zeichnet sich durch eine hohe strukturelle Ordnung der Kohlenstoffatome (graphitisch) und eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit aus. Die spezifische Oberfläche der Beschichtung liegt deutlich unter 10 m2/g und die Pyrokohlenstoffbeschichtung weist keine signifikante Nanostrukturierung und keine Nanoporosität (Strukturen < 1 μm) auf. Außerdem führt die Beschichtung mit Pyrokohlenstoff über Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition (CVD)), zu einem C/C-Komposit sehr geringer spezifischer Oberfläche. Weist das Trägermaterial aus Kohlenstoff selbst eine hohe spezifische Oberfläche und relevante Mikroporosität (Poren < 2 nm) auf, so führt die Beschichtung mit Pyrokohlenstoff zu einer signifikanten Verringerung der spezifischen Oberfläche, wobei v. a. keine Mikroporen (Definition Mikroporen in: Sing KSW, Everett DH, Haul RAW, Moscou L, Pierotti RA, Rouquerol J, et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity. Pure and Applied Chemistry 1985; 57:603) mehr detektiert werden.
  • Aus JP6143469AA sind Kohlenstoff- und Graphitfaserformen bekannt, welche mit dichtem Graphit über einen CVD-Prozess beschichtet werden und dessen Schichtdicke 10 μm–1000 μm beträgt.
  • In JP10045473AA und JP10045474AA wird ein kohlefaserverstärkter Kohlenstoff oder auf Graphit basierter Formkörper einer CVD-Behandlung ausgesetzt, wobei eine Beschichtung mit Pyrokohlenstoff erfolgt, der eine Dicke von 10 μm–150 μm aufweist. Die dichte Pyrokohlenstoffschicht weist geringe Verunreinigungen auf und ist erhöht oxidationsbeständig.
  • In JP61219708A wird die Herstellung eines Graphitbasierten Materials beschrieben, welches mit Pyrokohlenstoff über einen CVD-Prozess beschichtet wird. Die Beschichtung wird mit Kohlenwasserstoffen oder halogenierten Kohlenwasserstoffen als Vorstufen bei Temperaturen von 600°C bis 2400°C auf dem Basismaterial abgeschieden.
  • In EP1961701A1 werden Graphit-Partikel der Größe 5 μm–50 μm über einen thermischen CVD-Prozess mit einer Kohlenstoffschicht versehen. Das Komposit weist eine spezifische Oberfläche kleiner 5 m2/g auf.
  • In CN101209837A wird ein makromolekulares Polymer in einem entsprechenden organischen Lösungsmittel gelöst, dessen Siedepunkt unterhalb des Erweichungspunkts des makromolekularen Polymers liegt. Die Lösung wird mit Graphitpartikeln vermischt und der Graphit durch Destillation und Härtung des makromolekularen Polymers beschichtet. Anschließend wird eine Karbonisierung durchgeführt. Die Beschichtung ist glatt und die beschichteten Graphitpartikel agglomerieren nicht.
  • Aus JP60025163A ist eine Elektrode für Redoxflussbatterien bekannt, die aus leitfähigem Kohlenstoffgewebe mit homogen verteilter Aktivkohle besteht und in die Höhlung einer Graphitplatte eingebracht ist.
  • In US005626977A werden dünne Kompositschichten dargestellt, wobei ein Kohlenstoffaerogel, basierend auf Resorzin-Formaldehyd als Bindermaterial für einen granulierten zweiten Kohlenstoff (Kohlenstoffschaum, -fasern, -aerogel) verwendet wird.
  • Es existieren einige Kombinationen verschiedener Kohlenstoffe, allerdings ist kein groß- und offenporiges Trägermaterial aus Kohlenstoff bekannt, bei dem die innere Oberfläche des Trägermaterials mit einer nanoporösen Kohlenstoff- oder kohlenstoffhaltigen Komponente beschichtet ist, die eine hohe spezifische Oberfläche aufweist.
  • Bei den aufgeführten Beispielen, in denen ein C/C-Komposit mittels einer Beschichtung hergestellt wurde, handelt es sich bei der Kohlenstoffbeschichtung ausschließlich um glatte, stark graphitische Kohlenstoffschichten geringer spezifischer Oberfläche ohne Nanoporosität, meist als Pyrokohlenstoff bezeichnet. Diese Pyrokohlenstoffbeschichtungen dienen als Schutz vor thermischen und oxidativen Einflüssen und sind für die Verwendung beispielsweise als Elektrodenmaterial aufgrund ihrer geringen spezifischen Oberfläche ungeeignet.
  • [Aufgabe der Erfindung]
  • Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem groß- und offenporigen Material aus Kohlenstoff und seiner organischen Vorstufe unter Erhalt der großen Poren die spezifische Oberfläche des Gesamtwerkstoffes deutlich, d. h. um mindestens eine Größenordnung, zu erhöhen.
  • Hierzu wird zunächst ein offenporiges Trägermaterial aus Kohlenstoff oder aus einer organischen Vorstufe, insbesondere Holzkohle, poröse Graphitplatten oder -flocken, Kohlenstoff- oder Graphitfaserfilze, Kohlenstoffschäume oder deren organische Vorstufen, über die Infiltration einer flüssigen Phase in einem Sol-Gel-Verfahren mit einer Kohlenstoff-Vorstufe beschichtet. Die Beschichtung kann beispielsweise über die Infiltration des Trägermaterials mit einer Lösung mit Polymerbestandteilen erfolgen, wobei sich die Polymerbestandteile in der nasschemischen Reaktion oder bei der anschließenden Entfernung des Lösungsmittels über Trocknung auf dem Trägermaterial abscheiden und eine polymere Vorstufe der Kohlenstoffbeschichtung bilden. Entscheidend ist dabei die Bildung einer polymeren, nanostrukturierten (z. B. nanoporösen) Schicht über den Sol-Gel-Prozess auf der inneren Oberfläche des Trägermaterials. Das resultierende beschichtete Material bleibt dabei nach wie vor offenporig.
  • Während bei der Pyrokohlenstoffabscheidung durch thermische Zersetzung eines kohlenstoffhaltigen Gases an der Oberfläche des Trägermaterials direkt eine unporöse Kohlenstoffschicht erzeugt wird, wird im Gegensatz dazu in der vorliegenden Erfindung das Trägermaterial mit einer Flüssigkeit infiltriert oder getränkt. Die Flüssigkeit enthält molekulare kohlenstoffhaltige Bestandteile, die durch Polymerisation an der Oberfläche oder in den Poren des Trägermaterials zu einer Beschichtung desselben führen. Die Polymerbeschichtung weist bereits wesentliche strukturelle Eigenschaften, die kennzeichnend für das erfindungsgemäße C/C-Komposit sind, auf, z. B. sphärische Bestandteile der Beschichtung siehe Abbildung 1 (rechts) und , sowie strukturelle Einheiten im Bereich < 1 μm (z. B. Poren).
  • Für die Beschichtung eignen sich beispielsweise Furfurylalkohol, Polyacrylnitril (PAN), sowie Kombinationen aus Hydroxybenzolen (z. B. Phenol, Resorzin) mit Aldehyden (z. B. Formaldehyd, Furfural) oder Melamin-Aldehyden, welche in einem Lösungsmittel (z. B. Wasser, Alkoholen, Ketonen) gelöst sind und zur Beschleunigung der Polymerisation mit einem Katalysator (Base oder Säure) oder einem Härter (z. B. Hexamethylentetramin HMTA) gemischt werden. Das Trägermaterial wird dann mit der verdünnten Polymerlösung infiltriert; die Polymerisation kann thermisch oder chemisch kontrolliert werden bis sie abgeschlossen ist.
  • Nach Abschluss der Polymerisation wird das verbliebene Lösungsmittel durch Trocknung aus dem beschichteten Komposit entfernt.
  • Bei der Verwendung von Hydroxybenzolen und Aldehyden erfolgt die Beschichtung über die Anlagerung der Polymerbausteine an der inneren Oberfläche des Trägermaterials. Entscheidend hierbei ist, dass es im Komposit tatsächlich ausschließlich zu einer Beschichtung des Trägermaterials kommt, und der übliche Sol-Gel-Prozess, welcher zu einer Füllung der Zwischenräume des Trägermaterials führen würde, durch geeignete Wahl der Prozessparameter verhindert wird.
  • Da das Komposit noch organische Bestandteile (Polymere der Beschichtung und z. B. Polyacrylnitril (PAN) oder Pech basierte Faserfilze) enthält, erfolgt die Kohlenstoffkonvertierung durch thermische Zersetzung der organischen Bestandteile bei Temperaturen zwischen 500°C und 1100°C unter einer sauerstofffreien Atmosphäre (Pyrolyse), wodurch das C/C-Komposit erzeugt wird.
  • Zur weiteren Erhöhung der spezifischen Oberfläche des C/C-Komposits, kann sich ein Aktivierungsschritt bei 500°C–1500°C (physikalisch, z. B. mit CO2 oder H2O oder chemisch z. B. mit Alkalihydroxiden/-karbonaten) anschließen. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des C/C-Komposits, insbesondere der Beschichtung bietet sich eine Hochtemperaturbehandlung bei Temperaturen oberhalb von 1100°C an. Für eine, abhängig von der Anwendung, optimale Kombination aus hoher spezifischer Oberfläche und guter elektrischer Leitfähigkeit kann auch eine Kombination von Aktivierung und Hochtemperaturbehandlung erforderlich sein. Hier würde beispielsweise die spezifische Oberfläche des C/C-Komposits zunächst durch eine Aktivierung vergrößert und anschließend die elektrische Leitfähigkeit durch eine Hochtemperaturbehandlung des C/C-Komposits erhöht. Dies ist auch in umgekehrter Reihenfolge möglich.
  • Das erfindungsgemäße großporige C/C-Komposit weist auf der gesamten inneren Oberfläche des ursprünglichen Trägermaterials eine nanoporöse Kohlenstoffbeschichtung auf. Hat das reine Trägermaterial selbst nur eine geringe spezifische Oberfläche (z. B. Holzkohle, gepresster expandierter Graphit, Graphitfaserfilz oder Kohlenstoffschaum), so weist das C/C-Komposit eine signifikant erhöhte spezifische Oberfläche auf, wobei der Unterschied durchaus mehrere Größenordnungen betragen kann. Neben der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche, die vor allem durch die Mikroporosität (Poren < 2 nm) der Kohlenstoffbeschichtung bedingt ist, vergrößert sich die innere Oberfläche des C/C-Komposits auch durch die sphärischen Bestandteile der Kohlenstoffschicht, wie aus REM-Aufnahmen ersichtlich ist (siehe rechts und ).
  • Das großporige C/C-Komposit zeichnet sich z. B. durch geringe Dichte, eine offenporige Überstruktur mit Poren größer 1 Mikrometer, einen geringen Durchflusswiderstand, ein Trägermaterial aus Kohlenstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (> 0,1 S/cm, insbesondere > 1,0 S/cm), sowie eine nanoporöse Kohlenstoffbeschichtung mit hoher spezifischer Oberfläche aus.
  • Deshalb eignet sich das erfindungsgemäße C/C-Komposit für verschiedene Anwendungen, vorzugsweise als Elektrodenmaterial in elektrochemischen Speichern, insbesondere in Redoxflussbatterien (z. B. in den Systemen Vanadium/Vanadium, Vanadium/Brom, Brom/Polysulfid sowie Cer/Zink, Zink/Brom u. a.). Hier ist ein C/C-Komposit aus einem elektrisch hoch leitenden Kohlenstoff hoher, gut zugänglicher Porosität, mit gleichzeitig großen Poren im Bereich von 1 μm–5 mm (z. B. Graphit, gepresster expandierter Graphit, Kohlenstoff- oder Graphitfaserfilz, Kohlenstoffschaum) als Trägermaterial wichtig um auch bei geringen Druckdifferenzen hohe Durchflussraten des Elektrolyten durch die Elektrode zu ermöglichen. Die Durchlässigkeit des Komposits für Flüssigkeiten lässt sich über den Permeabilitätskoeffizienten k quantifizieren:
    Figure 00070001
    mit V . dem pro Zeiteinheit durch das Komposit transportierte Flüssigkeitsvolumen bei einer Querschnittsfläche A senkrecht zum Volumenstrom und einem Druckabfall Δp über der Dicke l des Komposits in Richtung des Stromes. η ist die Viskosität der Flüssigkeit.
  • Die bisher verwendeten Materialien weisen eine geringe massen- und volumenspezifische Oberfläche und damit auch eine dem Elektrolyten (z. B. Vanadium-Ionen) gegenüber geringe aktive Oberfläche auf, was die Leistung der Zelle pro Volumen beschränkt.
  • Die nanoporöse Kohlenstoffbeschichtung, welche eine hohe spezifische Oberfläche aufweist, erhöht die gegenüber dem Elektrolyten aktive Elektrodenoberfläche erheblich, ohne die Durchflussrate des Elektrolyten durch die Elektrode wesentlich zu beeinträchtigen. Insgesamt führt dies zu einer gesteigerten Leistungsdichte pro Volumen im Vergleich zu einer Elektrode mit unbeschichtetem Kohlenstoff.
  • Das C/C-Komposit bietet sich auch für die Verwendung als Elektrodenmaterial in anderen elektrochemischen Anwendungen und anderen Batterieformen an, für die ein grob- und offenporöses Elektrodenmaterial mit hoher Leitfähigkeit und hoher spezifischer Oberfläche vorteilhaft ist, z. B. in Metall-Luft-Batterien (Zn-Luft, Li-Luft).
  • Daneben bietet sich die Verwendung des C/C-Komposits als Katalysatorträger an.
  • Das C/C-Komposit mit hoher spezifischer Oberfläche und großen Poren, die eine gute Durchflussrate ermöglichen eignet sich zudem hervorragend als Adsorber zur Filtration.
  • [Beispiele]
  • Ausführungsbeispiel 1:
  • Als Kohlenstoffträgermaterial dient gepresster expandierter Graphit mit einer Dichte von 0,03 g/cm3 und einer aus Stickstoffsorption nach DIN ISO 9277:2003-05 bestimmten spezifischen Oberfläche SBET von 45 m2/g.
  • Für die Beschichtung wird Resorzin, wässrige 37%-Formaldehydlösung (mit ca. 10% Methanol stabilisiert), deionisiertes Wasser und 0,1N-Na2CO3-Lösung miteinander in einem Becherglas auf einem Magnetrührer vermischt. Das molare Verhältnis Formaldehyd zu Resorzin beträgt F/R = 2, das molare Verhältnis von Resorzin zum Katalysator (Na2CO3) beträgt R/C = 1000 und die Masse von Resorzin und Formaldehyd an der Gesamtmasse der Lösung beträgt 20%.
  • Anschließend wird mit Hilfe von Vakuum-Druck-Infiltration der Graphitpressling in einem Exsikkator mit der Resorzin-Formaldehyd-Lösung infiltriert. Die Probe wird für 24 Stunden auf 90°C aufgeheizt, um eine Beschichtung des Kohlenstoffträgermaterials mit Resorzin-Formaldehyd-Polymeren zu erreichen.
  • Anschließend wird die Flüssigkeit durch konvektive Trocknung entfernt. Um die Polymerbeschichtung in eine Kohlenstoffbeschichtung überzuführen, wird die Probe unter nichtoxidierender Atmosphäre (Argon) für eine Stunde bei 800°C pyrolysiert. zeigt zum Vergleich eine REM-Aufnahme des gepressten expandierten Graphits (links) mit der beschichteten Probe, dem C/C-Komposit (rechts). Das abgeschiedene nanoporöse Kohlenstoffmaterial auf der Graphitoberfläche ist deutlich zu erkennen.
  • Das C/C-Komposit weist eine Dichte von 0,08 g/cm3 auf. Die durch Stickstoffsorption nach DIN ISO 9277:2003-05 bestimmte spezifische Oberfläche hat sich etwa um den Faktor 10 auf SBET = 458 m2/g erhöht. Das Mikroporenvolumen nach t-plot-Verfahren (DIN 66135-2) beträgt 0,16 cm3/g, die externe Oberfläche 39 m2/g. Die signifikant erhöhte spezifische Oberfläche des mit Kohlenstoff beschichteten C/C-Komposits zeigt sich auch deutlich in den adsorbierten Gasmengen der Stickstoff-Sorptionsisothermen bei 77 K von reinem Kohlenstoffträgermaterial (gepresster expandierter Graphit) und dem C/C-Komposit in .
  • Ausführungsbeispiel 2:
  • Ein Graphit-Hartfilz der Dichte 0,1 g/cm3 und einer aus Stickstoffsorption nach DIN ISO 9277:2003-05 bestimmten spezifischen Oberfläche SBET von 0,4 m2/g mit den Abmessungen 10 cm × 10 cm × 1,5 cm wird bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck mit einer verdünnten Polymerlösung getränkt. Diese Lösung besteht aus 27,2 g Resorcin, 39,5 g einer wässrigen 37%-Formaldehydlösung (mit ca. 10% Methanol stabilisiert), 82,7 g deionisiertem Wasser und 0,6 g einer 0,1N-Na2CO3-Lösung. Die Probe wird für 24 Stunden auf 85°C aufgeheizt, um eine Beschichtung des Kohlenstoffträgermaterials mit Resorzin-Formaldehyd-Polymeren zu erzielen. Anschließend wird das Gel bei 40°C konvektiv an Luft bei Atmosphärendruck für 36 Stunden getrocknet. Die so erhaltene organische Vorstufe des C/C-Komposits hat eine Dichte von 0,355 g/cm3. Die organische Vorstufe des C/C-Komposits wird anschließend für 3 Stunden bei 800°C unter nicht-oxidierender Atmosphäre (Argon) pyrolysiert. Das so erhaltene C/C-Komposit weist eine Dichte von 0,226 g/cm3 und eine BET-Oberfläche nach DIN ISO 9277:2003-05 von 389 m2/g auf. Das Mikroporenvolumen nach t-plot-Verfahren (DIN 66135-2) beträgt 0,15 cm3/g, die externe Oberfläche 2 m2/g. zeigt eine REM-Aufnahme des beschichteten C/C-Komposits. Die sphärischen Strukturen der nanoporösen Kohlenstoffbeschichtung mit hoher spezifischer Oberfläche sind deutlich zu erkennen. Der Permeabilitätskoeffizient k liegt bei 7·10–11 m2.
  • Ausführungsbeispiel 3:
  • Als Kohlenstoffträgermaterial dient gepresster expandierter Graphit mit einer Dichte von 0,03 g/cm3 und einer aus Stickstoffsorption nach DIN ISO 9277:2003-05 bestimmten spezifischen Oberfläche SBET von 45 m2/g.
  • Für die Beschichtung wird Phenol, wässrige 37%-Formaldehydlösung (mit ca. 10% Methanol stabilisiert), n-Propanol und 37%-HCl miteinander in einem Becherglas auf einem Magnetrührer vermischt. Das molare Verhältnis Formaldehyd zu Phenol beträgt F/P = 2, das molare Verhältnis von Phenol zum Katalysator (HCl) beträgt P/C = 3 und die Masse von Phenol und Formaldehyd an der Gesamtmasse der Lösung beträgt 15%.
  • Mit Hilfe von Vakuum-Druck-Infiltration wird der Graphitpressling in einem Exsikkator mit der Phenol-Formaldehyd-Lösung infiltriert. Die Probe wird für 24 Stunden auf 90°C aufgeheizt um eine Beschichtung des Kohlenstoffträgermaterials mit Phenol-Formaldehyd-Polymeren zu erreichen. Anschließend wird die Flüssigkeit durch konvektive Trocknung entfernt. Um die Polymerbeschichtung in eine Kohlenstoffbeschichtung überzuführen, wurde die Probe unter nicht-oxidierender Atmosphäre (Argon) für eine Stunde bei 800°C pyrolysiert.
  • Das C/C-Komposit weist eine Dichte von 0,09 g/cm3 auf. Die durch Stickstoffsorption nach DIN ISO 9277:2003-05 bestimmte spezifische Oberfläche beträgt SBET = 267 m2/g.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Trägermaterial aus Kohlenstoff
    2
    nanoporöser Kohlenstoff
    3
    große, offene Poren
    k
    Permeabilitätskoeffizient
    V .
    pro Zeiteinheit durch das Komposit transportiertes Flüssigkeitsvolumen
    A
    Querschnittsfläche senkrecht zum Volumenstrom
    Δp
    Druckabfall
    l
    Dicke des Komposits in Richtung des Flüssigkeitstromes
    η
    Viskosität der Flüssigkeit.
    SBET
    spezifische BET-Oberfläche
    p/p0
    relativer Druck
    STP
    „standard temperature and pressure”
  • [Literatur]
    • [Sing KSW, Everett DH, Haul RAW, Moscou L, Pierotti RA, Rouquerol J, et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity. Pure and Applied Chemistry 1985; 57: 603]
    • [ JP6143469AA ]
    • [ JP10045473AA ]
    • [ JP10045474AA ]
    • [ JP61219708A ]
    • [ EP1961701A1 ]
    • [ CN101209837A ]
    • [ JP60025163A ]
    • [ US005626977A ]
    • [DIN ISO 9277:2003-05]
    • [DIN 66135-2]
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 6143469 AA [0004]
    • JP 10045473 AA [0005]
    • JP 10045474 AA [0005]
    • JP 61219708 A [0006]
    • EP 1961701 A1 [0007]
    • CN 101209837 A [0008]
    • JP 60025163 A [0009]
    • US 005626977 A [0010]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Sing KSW, Everett DH, Haul RAW, Moscou L, Pierotti RA, Rouquerol J, et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity. Pure and Applied Chemistry 1985; 57:603 [0003]
    • DIN ISO 9277:2003-05 [0029]
    • DIN ISO 9277:2003-05 [0033]
    • DIN 66135-2 [0033]
    • DIN ISO 9277:2003-05 [0034]
    • DIN ISO 9277:2003-05 [0034]
    • DIN 66135-2 [0034]
    • DIN ISO 9277:2003-05 [0035]
    • DIN ISO 9277:2003-05 [0038]

Claims (13)

  1. Kohlenstoff-Kohlenstoff-(C/C-)Komposit dadurch gekennzeichnet, dass ein groß- und offenporiges Trägermaterial aus Kohlenstoff oder einer organischen Vorstufe, insbesondere Holzkohle, poröse Graphitplatten oder -flocken, Kohlenstoff- oder Graphitfaserfilze, Kohlenstoffschäume oder deren organische Vorstufen, mit einem nanoporösen Kohlenstoffmaterial hoher spezifischer Oberfläche beschichtet ist und dessen spezifische BET-Oberfläche größer als 50 m2/g beträgt.
  2. C/C-Komposit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es eine Porosität > 50% aufweist.
  3. C/C-Komposit nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass es große, offene Poren im Bereich 1 μm–5 mm mit einem Anteil an der Gesamtporosität von über 70% aufweist.
  4. C/C-Komposit nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass es eine elektrische Leitfähigkeit > 0,1 S/cm, insbesondere > 1,0 S/cm aufweist.
  5. C/C-Komposit nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das unbeschichtete Trägermaterial eine niedrige spezifische BET-Oberfläche kleiner als 50 m2/g aufweist.
  6. C/C-Komposit nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass es einen Permeabilitätskoeffizient größer als 10–12 m2 aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Komposits nach einem der Ansprüche 1 bis 6 entsprechend dadurch gekennzeichnet, dass i. ein Trägermaterial aus Kohlenstoff oder einer organischen Vorstufe, insbesondere Holzkohle, poröse Graphitplatten oder -flocken, Kohlenstoff- oder Graphitfaserfilze, Kohlenstoffschäume oder deren organische Vorstufen, insbesondere Polyacrylonitril (PAN) oder Pech basierte Fasern und Gewebe, ii. mit einer Flüssigkeit, welche Hydroxybenzol-Aldehyd, Furfurylalkohol, Polyacrylonitril (PAN) oder Melamin-Aldehyd, beinhaltet, getränkt wird, iii. über ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wird, iv. getrocknet und bei Temperaturen über 500°C pyrolysiert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung unterkritsch erfolgt, insbesondere bei Temperaturen zwischen 0°C und 120°C an Luft bei Atmosphärendruck (ca. 1013 mbar).
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das C/C-Komposit physikalisch, insbesondere mit einem sauerstoffhaltigen Gas, oder chemisch, insbesondere mit einem Alkalihydroxid oder Alkalikarbonat, aktiviert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das C/C-Komposit einer Hochtemperaturbehandlung bei Temperaturen oberhalb von 1100°C ausgesetzt wird.
  11. Verwendung eines erfindungsgemäßen C/C-Komposits nach einem der oben genannten Ansprüche als Elektrode, vorzugsweise in Metall-Luft-Batterien oder in Redoxflussbatterien, insbesondere in Vanadium-Redoxflussbatterien.
  12. Verwendung eines erfindungsgemäßen C/C-Komposits nach einem der oben genannten Ansprüche als Katalysatorträger.
  13. Verwendung eines erfindungsgemäßen C/C-Komposits nach einem der oben genannten Ansprüche als Adsorber, insbesondere zur Filtration.
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