Für die Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) gibt es mehrere Methoden, wobei die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufgrund ihrer Kosteneffizienz und strukturellen Kontrollierbarkeit am weitesten verbreitet ist. Bei dieser Methode werden Katalysatoren und thermische Behandlungen eingesetzt, um das Wachstum von CNTs aus gasförmigen Kohlenstoffquellen zu erleichtern. Der Prozess wird von Parametern wie Temperatur, Konzentration der Kohlenstoffquelle und Verweilzeit beeinflusst, die sich erheblich auf die Qualität und Ausbeute der CNTs auswirken.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):
CVD ist eine weit verbreitete Technik für die Synthese von CNTs in großem Maßstab. Dabei werden Kohlenwasserstoffgase bei hohen Temperaturen in Gegenwart von Metallkatalysatoren, in der Regel Eisen, Kobalt oder Nickel, zersetzt. Die Katalysatorteilchen erleichtern die Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhren, indem sie die kohlenstoffhaltigen Gase adsorbieren und es den Kohlenstoffatomen ermöglichen, sich neu anzuordnen und die röhrenförmigen Strukturen zu bilden. Durch die Kontrolle über die Größe des Katalysators und die Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, Gasdurchsatz) lassen sich die Eigenschaften der CNT, wie Durchmesser, Länge und Chiralität, beeinflussen.Katalytische chemische Gasphasenabscheidung (CCVD):
- Hierbei handelt es sich um eine modifizierte Version der CVD, bei der der Katalysator eine aktivere Rolle im Wachstumsprozess spielt. CCVD ermöglicht eine präzisere Kontrolle der CNT-Struktur und -Orientierung und eignet sich daher für Anwendungen, die ausgerichtete oder vertikal orientierte CNTs erfordern. Die Verwendung von Kohlenmonoxid als Ausgangsstoff bei einigen CCVD-Verfahren erhöht die Effizienz und Vielseitigkeit des Prozesses weiter.Andere Methoden:
- Laserablation: Bei dieser Technik wird ein Hochleistungslaser verwendet, um ein Graphittarget zu verdampfen, wobei CNT in der Gasphase entstehen, die dann gesammelt werden. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung hochwertiger, einwandiger CNT, ist jedoch weniger skalierbar und energieintensiver als CVD.
- Lichtbogenentladung: Bei dieser Methode wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen zwei Graphitelektroden in einer inerten Atmosphäre zur Erzeugung von CNTs eingesetzt. Sie ist zwar effektiv, aber im Vergleich zur CVD weniger kontrollierbar und skalierbar.
Umweltfreundliche Rohstoffe und Abfallstoffe: Neuere Methoden konzentrieren sich auf die Verwendung von umweltfreundlichen Materialien oder Abfallstoffen als Kohlenstoffquellen. So werden beispielsweise Kohlendioxid, das durch Elektrolyse in geschmolzenen Salzen abgeschieden wird, und Methanpyrolyse erforscht, um CNTs mit geringeren Umweltauswirkungen herzustellen.
Herausforderungen und Überlegungen:
