Die wichtigste chemische Methode zur Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Bei dieser Methode werden Kohlenwasserstoffgase an einem Metallkatalysator bei hohen Temperaturen zersetzt, was zur Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhren führt. CVD wird wegen seiner Skalierbarkeit und der Kontrolle über die Struktur der Nanoröhren bevorzugt und ist daher das wichtigste kommerzielle Verfahren.
Ausführliche Erläuterung:
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Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD):
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Beim CVD-Verfahren wird ein Vorläufergas, in der Regel ein Kohlenwasserstoff wie Methan oder Ethylen, bei hohen Temperaturen (in der Regel zwischen 600 °C und 1200 °C) über einen Metallkatalysator (häufig Eisen, Kobalt oder Nickel) geleitet. Die Metallkatalysatorteilchen dienen als Keimzellen, in denen sich die Kohlenstoffatome aus dem Gas zersetzen und dann wieder zu der röhrenförmigen Struktur der Nanoröhren zusammensetzen. Das Wachstum der Nanoröhren erfolgt in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Katalysators.Vorbereitung des Katalysators und des Substrats:
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Der Katalysator wird häufig auf einem Substrat abgeschieden, bei dem es sich um einen Siliziumwafer oder eine Keramikplatte handeln kann. Die Katalysatorteilchen müssen die richtige Größe haben (in der Regel 1-100 nm), um das Wachstum der Nanoröhren zu erleichtern. Die Vorbereitung der Katalysatorschicht ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Dichte, Ausrichtung und Qualität der Nanoröhren beeinflusst.
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Prozessparameter:
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Der Erfolg der CNT-Synthese mittels CVD hängt von mehreren Parametern ab, darunter Temperatur, Gasdurchsatz, Druck und die Wahl des Katalysators. So fördern höhere Temperaturen im Allgemeinen ein schnelleres Wachstum, können aber auch zu Defekten in den Nanoröhren führen. Die Gasdurchflussrate beeinflusst die Konzentration der für das Wachstum verfügbaren Kohlenstoffatome, und der Druck kann die Diffusion dieser Atome zur Katalysatoroberfläche beeinflussen.Neue Techniken und Ausgangsstoffe:
Zu den jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet der CVD gehört die Verwendung von Kohlenmonoxid als Ausgangsmaterial in modifizierten katalytischen CVD-Verfahren. Darüber hinaus besteht ein wachsendes Interesse an der Verwendung von umweltfreundlichen oder abfallhaltigen Rohstoffen wie Kohlendioxid, das durch Elektrolyse in Salzschmelzen oder Methanpyrolyse gewonnen wird. Diese Methoden zielen darauf ab, CNTs zu produzieren und gleichzeitig Umweltabfälle zu vermeiden und Treibhausgasemissionen zu reduzieren.
