Die wichtigsten Ausgangsstoffe für Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) sind Kohlenwasserstoffe, insbesondere Acetylen, Methan und Ethylen. Von diesen ist Acetylen der direkteste Ausgangsstoff, da er ohne zusätzlichen Energiebedarf oder thermische Umwandlung während der Synthese verwendet werden kann. Methan und Ethylen hingegen erfordern thermische Umwandlungsprozesse, um direkte Kohlenstoffvorläufer zu bilden, die sich in der Regel in Acetylen umwandeln, bevor sie in Kohlenstoffnanoröhren eingebaut werden.
Acetylen als direkte Vorstufe:
Acetylen (C2H2) ist ein hochreaktiver Kohlenwasserstoff, der direkt zur Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhren beitragen kann. Seine Dreifachbindungsstruktur ermöglicht eine einfache Dissoziation in Kohlenstoff- und Wasserstoffatome, die für das Wachstum von CNTs unerlässlich sind. Für die Verwendung von Acetylen bei der Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren sind in der Regel niedrigere Temperaturen erforderlich, was es im Vergleich zu Methan und Ethylen zu einem energieeffizienteren Ausgangsstoff macht.Methan und Ethylen als indirekte Ausgangsstoffe:
Methan (CH4) und Ethylen (C2H4) können nicht direkt Kohlenstoffnanoröhren bilden und müssen thermisch in Acetylen umgewandelt werden. Bei diesem Umwandlungsprozess werden die Molekülbindungen gebrochen und zu Acetylen umgewandelt, das dann als direkter Vorläufer für CNTs dient. Diese thermische Umwandlung erfordert im Vergleich zur direkten Verwendung von Acetylen höhere Aktivierungsenergien, wodurch der Syntheseprozess energieintensiver wird.
Die Rolle von Wasserstoff und Temperatur bei der Synthese:
Wasserstoff spielt bei der Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren aus Methan und Ethylen eine Rolle, indem er den Katalysator reduziert oder an der thermischen Reaktion teilnimmt und so das Wachstum der CNTs fördern kann. Die Synthesetemperatur ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Niedrigere Temperaturen (unter 400 °C) können durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) erreicht werden, was für die Abscheidung von Kohlenstoffnanoröhren auf Substraten wie Glas für Feldemissionsanwendungen von Vorteil ist.
Technologische Überlegungen:
