Kohlenstoffverbindungen - eine Frage der Oberfläche und wie man diese bestimmt

Kohlenstoff kommt in vielen unterschiedlichen allotropen Modifikationen vor, die sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften besitzen und daher in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Kohlenstoff kommt in vielen unterschiedlichen allotropen Modifikationen vor, die sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften besitzen und daher in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz kommen. Ruß (Carbon Black) wird als Pigment und in der Kautschukindustrie eingesetzt, Diamant als Schleifmittel, Graphit aufgrund der Schichtstruktur als Schmiermittel, leitfähige Modifikationen wie Graphit und CNT als Beimengung zu Polymeren, um deren Leitfähigkeit zu erhöhen, aber auch als Elektrodenmaterial, z.B bei der Brennstoffzelle (SOFC) oder Energiespeichern (Li-Ionen-Batterien).

Obwohl sich die Modifikationen makroskopisch stark unterscheiden, ist die Oberflächenchemie vergleichbar, allerdings auch sehr komplex. Bedingt durch Herstellung, Aufreinigung und gezielte Oberflächenmodifizierung entstehen unterschiedliche funktionelle Gruppen (wie Carboxyle, Lactone, Phenole, Carbonyle, Anhydride), die einen entscheidenden Einfluss auf die Verarbeitung und die Produkteigenschaften haben.

Zur Charakterisierung der Oberflächengruppen werden oft spektroskopische Methoden verwendet, die aber lediglich qualitative Aussagen ermöglichen. Die quantitative Bestimmung erfolgt zumeist mittels Boehm-Titration (https://de.wikipedia.org/wiki/Boehm-Titration). Dabei wird eine volumetrische Titration (Rücktitration) bei unterschiedlichen pH-Werten durchgeführt, um zwischen unterschiedlichen Gruppen zu differenzieren. Dieses Verfahren ist allerdings sehr zeitaufwändig und die Auswertung ungenau. Zudem werden nicht nur die funktionellen Gruppen auf der Oberfläche erfasst, sondern auch im Bulk (bei Agglomeraten und porösen Materialien), die nur einen geringen Einfluss auf die Verarbeitung und Produkteigenschaften haben.

Bestimmung der funktionellen Gruppen mit dem Stabino ®:

Sowohl die Messung der pH-Abhängigkeit des Zetapotentials, wie auch die Bestimmung der Oberflächenladung liefern wichtige Informationen über die Art und Anzahl der funktionellen Gruppen von Kohlenstoffverbindungen.

- pH-Titration

Bei der pH-Titration wird die Abhängigkeit des Zetapotentials vom pH-Wert bestimmt. So lassen sich einerseits Stabilitätsbereiche erkennen, andererseits der isoelektrische Punkt bestimmen. Bild 1 verdeutlicht den Einfluss der Herstellungsbedingungen auf die Stabilitätsbereiche und den IEP.

Die Kenntnis des IEP gestattet es, schnell und präzise geeignete Ausgangsstoffe für unterschiedliche Anwendungen zu identifizieren und stabile pH-Wert Bereiche zu erkennen.  

- Polyelektrolyt-Titration

Sehr viel detailliertere Informationen über die Oberflächenchemie erhält man bei der Bestimmung der Oberflächenladungsdichte. Bild 2 zeigt den Einfluss unterschiedlicher Reaktionsbedingungen bei der Oxidation flammenpyrolytisch hergestellten Rußes auf die Oberflächenladungsdichte.

SampleTitrantVol. (ml)Charge C/gCharge µeq/g
1 Sample 1 no oxidationP-DADMAC0,0170,042431
2 Sample 2 mild oxidationP-DADMAC0,821,97920507
3 Sample 3 strong oxidationP-DADMAC4,32110,42308026

Bei der Titration adsorbiert das Poly-DADMAC auf der Partikeloberfläche und neutralisiert die Ladung. Dabei werden nur die frei zugänglichen Gruppen erfasst. Neben der Quantifizierung der Adsorptionsplätze bzw. Koordinationsstellen eignet sich die Polyelektrolyttitration ebenso zur Qualitätskontrolle.

Die Kombination beider Verfahren, d.h. die Messung der Oberflächenladungsdichte bei verschiedenen pH-Werten, ermöglicht die Differenzierung der funktionellen Oberflächengruppen aufgrund ihrer Säurestärke (Bild 3).

SampleTitrantVol. (ml)Charge C/gCharge µeq/g
Graphite pH 11 P-DADMAC0,2570,1551607
Graphite pH 9 P-DADMAC0,1480,089966
Graphite pH 7 P-DADMAC0,0780,047488 

 

Die Polyelektrolyt-titration gibt Aufschluss über die Ladungsverhältnisse bei unterschiedlichen pH-Werten, durch Differenzbildung kann man die Ladungsmenge den unterschiedlichen funktionellen Gruppen zuordnen.

Fazit:

Mit dem Stabino® lassen sich sehr schnell und reproduzierbar Stabilitätsbereiche diverser Kohlenstoffverbindungen bestimmen und miteinander vergleichen.

Die Bestimmung der Ladungsdichte ermöglicht eine schnelle Quantifizierung der funktionellen Gruppen auf der Oberfläche. Neben der Zeitersparnis bei der Ladungsbestimmung liegt ein wesentlicher Vorteil darin, dass, im Gegensatz zur Böhm-Titration, nur die auf der Oberfläche lokalisierten und somit reaktionsfähigen funktionellen Gruppen erfasst werden.

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