Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) können mit verschiedenen Methoden synthetisiert werden, wobei die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) für die kommerzielle Produktion am weitesten verbreitet ist. Bei dieser Methode werden Katalysatoren und Kohlenwasserstoffgase verwendet, um CNT auf einem Substrat wachsen zu lassen. Andere Methoden sind die Laserablation, die Bogenentladung und die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), die eine Synthese bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht. Neuere Methoden erforschen die Verwendung von umweltfreundlichen oder Abfallstoffen wie Kohlendioxid, das durch Elektrolyse in geschmolzenen Salzen oder Methanpyrolyse aufgefangen wird, um CNTs herzustellen und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren.
Synthesemethoden:
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Chemische Gasphasenabscheidung (CVD): Diese Methode ist in der Industrie aufgrund ihrer Skalierbarkeit und ihrer Fähigkeit, qualitativ hochwertige CNTs herzustellen, weit verbreitet. Bei der CVD wird ein mit Katalysatorpartikeln beschichtetes Substrat bei hohen Temperaturen einem Kohlenwasserstoffgas ausgesetzt. Das Gas zersetzt sich an der Katalysatoroberfläche, und die Kohlenstoffatome lagern sich ab, um CNTs zu bilden. Der Prozess kann durch die Einstellung von Parametern wie Temperatur, Gasdurchsatz und Katalysatortyp optimiert werden.
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Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD): Bei der plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) wird ein Plasma eingesetzt, um die chemische Reaktion bei niedrigeren Temperaturen zu verstärken, so dass sie sich für die Abscheidung von CNT auf temperaturempfindlichen Substraten wie Glas eignet. Diese Methode ist vielversprechend für Anwendungen, die eine Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen erfordern, wie z. B. die Integration von Elektronik.
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Laserablation und Lichtbogenentladung: Dies sind frühere Methoden für die CNT-Synthese. Bei der Laserablation wird ein Hochleistungslaser verwendet, um ein Graphittarget zu verdampfen, während bei der Bogenentladung ein elektrischer Lichtbogen zwischen zwei Graphitelektroden erzeugt wird. Beide Methoden erzeugen CNTs, sind aber im Vergleich zur CVD weniger kontrollierbar und skalierbar.
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Neue Methoden unter Verwendung von umweltfreundlichen oder Abfallrohstoffen: Dazu gehören Verfahren wie die Elektrolyse von Kohlendioxid in geschmolzenen Salzen und die Methanpyrolyse. Diese Methoden zielen darauf ab, Abfallgase in wertvolle CNT umzuwandeln, wodurch die Umweltbelastung verringert und eine nachhaltige Kohlenstoffquelle geschaffen werden kann.
Reinigungsmethoden:
Die Reinigung von CNTs ist von entscheidender Bedeutung, da bei der Synthese häufig Mischungen von CNTs mit unterschiedlichen Strukturen und Größen sowie Verunreinigungen wie amorpher Kohlenstoff und metallische Katalysatorpartikel anfallen. Zu den gängigen Reinigungsmethoden gehören:
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Oxidation: Verwendung starker Oxidationsmittel wie Salpetersäure, um Verunreinigungen selektiv abzubrennen, während die CNTs intakt bleiben. Mit dieser Methode können die CNTs auch funktionalisiert werden, was ihre Löslichkeit und Reaktivität verbessert.
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Trennungstechniken: Dazu gehören Zentrifugation, Chromatographie und Elektrophorese, mit denen die CNTs aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften getrennt werden können.
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Mechanische Methoden: Wie z. B. Beschallung und Filtration, mit denen CNTs physikalisch von Verunreinigungen getrennt werden können.
Diese Synthese- und Reinigungsmethoden werden ständig weiterentwickelt, um die Qualität und Nachhaltigkeit der CNT-Produktion zu verbessern und sie für eine breite Palette von Anwendungen nutzbar zu machen.
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