Als Katalysator für das Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) dienen vor allem Übergangsmetalle wie Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Nickel (Ni). Diese Metalle haben eine begrenzte Löslichkeit von Kohlenstoff bei hohen Temperaturen und sind daher für die Bildung von CNTs geeignet.
Das Wachstum von CNTs kann durch verschiedene Methoden erreicht werden, darunter die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD). Bei der CVD wird ein Übergangsmetallkatalysator bei hohen Temperaturen gasförmigen Kohlenwasserstoffen ausgesetzt. Die Kohlenstoffarten diffundieren auf der Katalysatoroberfläche und reagieren miteinander, um kleine Kohlenstoffcluster zu bilden. Sobald diese Cluster eine kritische Größe überschreiten, bilden sich Graphenkristalle, und die Abscheidung wird fortgesetzt, um eine kontinuierliche, einlagige Graphenschicht zu bilden. Der Katalysator spielt bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle, da er das Wachstum von Kohlenstoffclustern erleichtert und eine Oberfläche für die Keimbildung bietet.
Auch die Wahl des Katalysators kann sich auf den Wachstumsmechanismus und das Verhalten der CNTs auswirken. Kupfer (Cu) und Nickel (Ni) sind zwei häufig verwendete Katalysatoren mit unterschiedlichen Eigenschaften. Cu hat eine geringe Kohlenstofflöslichkeit, was zu einem oberflächenbasierten Wachstumsmechanismus führt, bei dem sich bei hohen Temperaturen Graphen auf der Cu-Oberfläche bildet. Andererseits hat Ni eine hohe Kohlenstofflöslichkeit, was zu einem Mechanismus führt, bei dem der Kohlenstoff bei hohen Temperaturen in die Ni-Folie diffundiert, gefolgt von einer Entmischung des Kohlenstoffs und der Bildung von Graphen auf der Metalloberfläche beim Abkühlen.
Neben dem Katalysator können auch andere Faktoren wie Verweilzeit, Temperatur und Durchflussrate des kohlenstoffhaltigen Vorläufers das Wachstum der CNTs beeinflussen. Eine optimale Verweilzeit ist notwendig, um eine ausreichende Anreicherung der Kohlenstoffquelle zu gewährleisten, ohne die Nachlieferung der Kohlenstoffquelle oder die Anreicherung von Nebenprodukten einzuschränken.
Darüber hinaus kann auch die Anwesenheit von Wasserstoff das Wachstum von CNT beeinflussen, die mit Methan und Ethylen synthetisiert wurden. Methan und Ethylen benötigen bei der thermischen Umwandlung vor der Dotierung in Kohlenstoffnanoröhren Wasserstoff. Wasserstoff kann das Wachstum der mit Methan und Ethylen synthetisierten CNTs fördern, indem er den Katalysator reduziert oder an der thermischen Reaktion teilnimmt. Im Falle von Acetylen spielt Wasserstoff jedoch, abgesehen von seiner reduzierenden Wirkung auf den Katalysator, keine wesentliche Rolle im Syntheseprozess.
Insgesamt spielen der Katalysator, die Wachstumsbedingungen und die Eigenschaften der Kohlenstoffquelle eine wichtige Rolle für das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren. Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen diesen Faktoren ist entscheidend für die Kontrolle und Optimierung des Wachstumsprozesses.
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