Für das Wachstum von Nanoröhren werden hauptsächlich drei Verfahren eingesetzt: Laserablation, Bogenentladung und chemische Gasphasenabscheidung (CVD), wobei CVD das kommerziell dominierende Verfahren ist. Darüber hinaus gibt es Variationen und Weiterentwicklungen dieser Verfahren, wie die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und die Verwendung alternativer Ausgangsstoffe wie Kohlendioxid und Methan.
Laserablation und Lichtbogenentladung:
Dies sind die traditionellen Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren. Bei der Laserablation wird der Kohlenstoff mit einem Laser verdampft, während bei der Bogenentladung ein Hochstrombogen zwischen Kohlenstoffelektroden die für die Verdampfung des Kohlenstoffs erforderliche Wärme erzeugt. Beide Verfahren erfordern hohe Temperaturen und sind effektiv, werden aber aufgrund ihrer Energieintensität und der Komplexität der Prozesse im kommerziellen Bereich weniger häufig eingesetzt.Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):
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CVD ist die am weitesten verbreitete Methode für die kommerzielle Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren. Sie beinhaltet die Zersetzung eines kohlenstoffhaltigen Gases bei hohen Temperaturen (in der Regel über 800 °C) auf einem mit einem Katalysator beschichteten Substrat. Die Katalysatorpartikel erleichtern das Wachstum der Nanoröhren, indem sie Keimbildungsstellen bereitstellen. CVD ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Eigenschaften und die Ausrichtung der Nanoröhren und ist daher für verschiedene Anwendungen geeignet.Modifizierte CVD-Verfahren:
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Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD): Bei dieser Methode werden die chemischen Reaktionen bei der CVD durch ein Plasma verstärkt, wodurch niedrigere Abscheidungstemperaturen (möglicherweise unter 400 °C) möglich sind. Dies ist von Vorteil für Anwendungen, die eine Abscheidung auf temperaturempfindlichen Substraten erfordern, wie z. B. Glas für Feldemissionsgeräte. PECVD erhöht die Aktivität der Reaktanten, was zu einem effizienteren und kontrollierten Wachstum der Nanoröhren führt.
Verwendung alternativer Ausgangsstoffe: Zu den Innovationen bei der CVD gehören die Verwendung von Kohlenmonoxid, von durch Elektrolyse in Salzschmelzen abgeschiedenem Kohlendioxid und von Methanpyrolyse. Diese Methoden zielen darauf ab, Abfall oder grüne Rohstoffe zu nutzen, um die Umweltbelastung zu verringern und die Kosten zu senken. Bei der Methanpyrolyse wird Methan beispielsweise in Wasserstoff und festen Kohlenstoff, einschließlich Nanoröhren, umgewandelt, wodurch die Kohlenstoffemissionen effektiv gebunden werden.
Herausforderungen und Überlegungen:
