Effects of Partial Oxidation on the Microstructure of Wood Derived Carbons

Die Umwandlung von Holz in fortschrittliche Kohlenstoffmaterialien basiert auf der teilweisen Erhaltung seiner hierarchischen Struktur nach thermischen Behandlungen. Im Gegensatz zu isotropen Materialien weist Holz eine natürliche Anisotropie auf, die auf die Ausrichtung der Zellulosefibrillen entlang der Wachstumsrichtung des Baums innerhalb seiner lignozellulosischen Matrix zurückzuführen ist. In dieser Masterarbeit wurde ein Oxidationsschritt vor der Pyrolyse eingeführt, um die Auswirkungen des strukturellen Abbaus bei fünf verschiedenen Temperaturen zu untersuchen: 250°C, 275°C, 287°C, 300°C und 325°C. Diese Temperaturen liegen unterhalb der Schwelle für die vollständige Zersetzung von Zellulose und Lignin und ermöglichen eine selektive Modifikation der Matrix durch den gezielten Abbau von Hemizellulose. Ziel war es, die Ausrichtung der Zellulosefasern zu bewahren, indem die anschließende Pyrolyse bei 800°C unter zwei verschiedenen Heizraten (7°C/min, 1°C/min) und Atmosphären (Stickstoff, Vakuum) durchgeführt wurde. Abschließend erfolgte eine Aktivierung bei 800°C mit CO₂, wodurch nanoporöse Kohlenstoffe mit gewisser Anisotropie entstanden.
Zur Bewertung der strukturellen Modifikationen wurde Weitwinkel-Röntgenbeugung (WAXD) eingesetzt, um die Kristallstruktur der Zellulose anhand ihrer Intensitätskurven zu untersuchen. Dabei lag der Fokus auf den Ebenen <110>, <11̅0> und <020> über alle thermischen Schritte hinweg. Für die pyrolysierten Proben wurden die Kristallitgrößen von turbostratischen Nanokohlenstoffen für die In-Ebene (Lₐ) und die Aus-der-Ebene (Lc) gemäß den <100>- bzw. <002>-Ebenen berechnet. Aus der azimuthalen Intensitätsverteilung der pyrolysierten Proben wurde ein Parameter η als Maß für die bevorzugte Orientierung ermittelt. Über WAXD hinaus wurde mittels Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) der Dichte-Kontrastunterschied zwischen Zellulose und der lignozellulosischen Matrix für vor-oxidierte Proben sowie Details der Porenstruktur für die pyrolysierten Proben analysiert. Zusätzlich wurden Gassorptionsmessungen (N₂ bei 77K und CO₂ bei 273K) durchgeführt, um das spezifische Porenvolumen (SPV), die spezifische Oberfläche (SSA) und die Porengrößenverteilung (PSD) der pyrolysierten und aktivierten Proben zu bestimmen.
Ein zentrales Ergebnis der Untersuchung ist, dass Proben, die einer teilweisen Oxidation bei 287°C unterzogen wurden, eine Zersetzung der Hemizellulose aufwiesen, während die kristalline Zellulosefaserstruktur weitgehend erhalten blieb. Dies deutet auf eine kontrollierbare Methode zur teilweisen Zersetzung der lignozellulosischen Matrix hin. Zudem zeigte Holz, das bei 287°C vor-oxidiert und anschließend bei 800°C mit einer Heizrate von 1°C/min unter Vakuum pyrolysiert wurde, eine verbesserte Entwicklung der Porenstruktur sowie den höchsten Grad an bevorzugter Orientierung, wobei etwa 12% des Kohlenstoffs entlang der Wachstumsrichtung des Baums ausgerichtet blieben. Die abschließende Aktivierung bei 800°C mit CO₂ führte zu einer ausgeprägten Porenstrukturentwicklung und einer hohen Materialausbeute für dieselbe Voroxidationstemperatur von 287°C, gefolgt von einer Pyrolyse bei 800°C mit einer Heizrate von 1°C/min. Dies unterstreicht das Potenzial, anisotrope Merkmale nach thermischen Behandlungen zumindest teilweise zu bewahren, und weist auf mögliche Wege hin, Holz-Nanokohlenstoffe für fortschrittliche funktionale Anwendungen gezielt zu gestalten.