Nanoröhren können auf verschiedene Weise als Katalysatoren verwendet werden.
Eine Methode besteht darin, einen elektrischen Strom durch sie hindurch zu leiten.
Dadurch können sie Elektronen an Moleküle abgeben, die mit den Reaktionsstellen in Kontakt kommen.
Dieser Elektronenübertragungsprozess erleichtert chemische Reaktionen und beschleunigt die Reaktionsgeschwindigkeit.
Wie können Nanoröhren als Katalysator eingesetzt werden? - 7 Schlüsselerkenntnisse
1. Synthesemethoden
Für die Herstellung von Nanoröhren stehen verschiedene Methoden zur Verfügung.
Zu den traditionellen Verfahren gehören die Laserablation und die Bogenentladung.
Das heute gängigste kommerzielle Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD).
Bei modifizierten CVD-Verfahren wird Kohlenmonoxid als Ausgangsstoff verwendet.
Es gibt ein aufstrebendes Feld, das sich auf die Verwendung von umweltfreundlichen Rohstoffen oder Abfallstoffen für die Herstellung von Nanoröhren konzentriert.
So kann beispielsweise Kohlendioxid, das durch Elektrolyse in geschmolzenen Salzen abgeschieden wird, zur Herstellung von Nanoröhren aus grünen Rohstoffen verwendet werden.
Die Methanpyrolyse, d. h. die direkte thermische Zersetzung von Methan zu Wasserstoff und festem Ruß (einschließlich Nanoröhren), ist eine weitere Methode, bei der Abfall- oder Nebenprodukt-Methan als Ausgangsmaterial verwendet wird.
2. Einfluss des Ausgangsmaterials
Auch die Wahl des Ausgangsstoffs kann den Syntheseprozess beeinflussen.
Methan und Ethylen benötigen bei der thermischen Umwandlung vor der Dotierung in Kohlenstoff-Nanoröhren Wasserstoff.
Andererseits spielt Wasserstoff bei der Synthese von Nanoröhren über Acetylen keine große Rolle, abgesehen von seiner reduzierenden Wirkung auf den Katalysator.
Es wurde beobachtet, dass Wasserstoff bei relativ niedrigen Wasserstoffkonzentrationen das Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit Methan und Ethylen synthetisiert wurden, durch die Reduzierung des Katalysators oder die Teilnahme an der thermischen Reaktion fördern kann.
Außerdem ist die Wachstumsrate der mit Ethylen synthetisierten Nanoröhren höher als die der mit Acetylen synthetisierten, was auf einen "polymerisationsähnlichen Bildungsmechanismus" hindeutet.
3. Optimale Verweilzeit
Die Aufrechterhaltung einer optimalen Verweilzeit ist für das Erreichen einer relativ hohen Wachstumsrate von Nanoröhren entscheidend.
Eine zu niedrige Verweilzeit kann dazu führen, dass sich keine ausreichende Kohlenstoffquelle ansammeln kann, was zu Verlusten führt.
Umgekehrt kann eine zu lange Verweilzeit den Nachschub an Kohlenstoffquellen einschränken und zur Anhäufung von unerwünschten Nebenprodukten führen.
4. Grüne Technologien
Nanoröhren haben auch ein erhebliches Potenzial für grüne Technologien.
Sie können in Anwendungen wie Beton, Folien und Elektronik eingesetzt werden, wo ihre einzigartigen Eigenschaften umweltfreundliche Lösungen bieten.
Der wichtigste Markt für Nanoröhren in der grünen Technologie sind jedoch Lithium-Ionen-Batterien.
Da die Bemühungen um die Dekarbonisierung die Elektrifizierung des Automobils vorantreiben, spielen Nanoröhren eine entscheidende Rolle als leitende Zusätze in Lithium-Ionen-Batterien.
Sie werden hauptsächlich in der Kathode als Teil der Leitpaste verwendet.
Die Forschung untersucht auch die Verwendung von Nanoröhren in Batterien der nächsten Generation, wie Lithium-Luft- oder Lithium-Schwefel-Batterien, sowie in Lithium-Metall-Anoden.
5. Umweltauswirkungen
Bei der Bewertung der Umweltauswirkungen von Nanoröhren ist es wichtig, sie mit alternativen Materialien zu vergleichen.
Im Falle von Kohlenstoffnanoröhren als leitende Zusatzstoffe können sie mit Ruß und Graphen verglichen werden.
Ruß hat im Vergleich zu Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren in der Regel höhere CO2-Emissionen pro Kilogramm und erfordert eine höhere Belastung in Verbundwerkstoffen.
Darüber hinaus haben mit Nanoröhrchen verstärkte Reifen laut einer Studie von Michelin eine geringere Freisetzung von Nanopartikeln im Vergleich zu anderen Nanokohlenstoffen gezeigt.
Graphen hingegen hat seine eigenen Herausforderungen in Bezug auf die Energieeffizienz, den Wasserbedarf und die Verwendung aggressiver Chemikalien bei der Herstellung, wie z. B. bei der Methode von Hummer.
6. Nachhaltige Anwendungen
Insgesamt sind Nanoröhren als Katalysatoren und ihre Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen sehr vielversprechend für nachhaltige und grüne Technologien.
7. Verbesserung der Forschungskapazitäten
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