Bei der Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) kommen hauptsächlich drei Verfahren zum Einsatz: Laserablation, Bogenentladung und chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Von diesen Verfahren ist die CVD aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Skalierbarkeit sowohl in der Forschung als auch bei kommerziellen Anwendungen die am häufigsten verwendete Technik.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):
CVD ist ein Verfahren, bei dem kohlenstoffhaltige Gase bei hohen Temperaturen zersetzt werden, um Kohlenstoff in Form von Nanoröhren auf einem Substrat abzuscheiden. Diese Methode ermöglicht eine genaue Kontrolle über die Abmessungen und die Ausrichtung der CNTs und eignet sich daher für verschiedene Anwendungen wie Elektronik, Verbundwerkstoffe und Energiespeicherung. Die für die CVD erforderliche Temperatur liegt in der Regel über 800 °C, doch Fortschritte bei der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) haben die Synthese bei wesentlich niedrigeren Temperaturen (unter 400 °C) ermöglicht. Dies ist besonders vorteilhaft für die Integration von CNTs in temperaturempfindliche Substrate wie Glas für Feldemissionsanwendungen.Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD):
Bei der plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) wird ein Plasma eingesetzt, um die chemischen Reaktionen im Abscheidungsprozess zu verbessern und so die erforderliche Temperatur zu senken. Diese Technologie ist von entscheidender Bedeutung für die In-situ-Herstellung von CNT bei niedrigen Temperaturen, was für die Kombination von nanoelektronischen Bauelementen mit der herkömmlichen mikroelektronischen Verarbeitungstechnologie unerlässlich ist. Die Fähigkeit, CNT bei niedrigeren Temperaturen zu synthetisieren, eröffnet die Möglichkeit, integrierte Schaltkreise mit sehr großer Kapazität und in sehr großem Maßstab herzustellen.
Innovationen bei den Rohstoffen:
Bei herkömmlichen CVD-Verfahren werden häufig Kohlenwasserstoffe wie Methan oder Ethylen als Ausgangsstoffe verwendet. Es besteht jedoch ein wachsendes Interesse an der Verwendung von umweltfreundlichen Rohstoffen oder Abfallstoffen für die Synthese von CNT. So kann z. B. Kohlendioxid verwendet werden, das durch Elektrolyse in geschmolzenen Salzen abgeschieden wird, obwohl es Bedenken hinsichtlich der Qualität der auf diese Weise hergestellten CNT gibt. Die Methanpyrolyse, bei der Methan direkt thermisch zu Wasserstoff und festem Kohlenstoff (einschließlich CNTs) zersetzt wird, ist eine weitere neue Methode. Unternehmen wie CarbonMeta Technologies und Huntsman erforschen die Verwendung von Abfall- oder Nebenproduktmethan als Ausgangsstoff, wodurch Kohlenstoffemissionen in einer physikalischen Form gebunden werden könnten, anstatt sie als Treibhausgase freizusetzen.
Prozessoptimierung und Ökobilanzierung:
