Die Struktur von Kohlenstoff-Nanomaterialien, insbesondere von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen, besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Bei Kohlenstoff-Nanoröhren wird ein Graphenblatt zu einer nahtlosen Röhre gerollt, die einem Zylinder ähnelt. Die Kohlenstoffatome sowohl in Kohlenstoff-Nanoröhren als auch in Graphen sind sp2-hybridisiert, was ihnen ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht.
Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) sind zylindrische Strukturen mit Durchmessern von etwa 1 nm bis 100 nm. Sie können einwandig (SWNTs) oder mehrwandig (MWNTs) sein, je nachdem, wie viele Graphenschichten in die Röhre eingewalzt sind. SWNTs haben eine einzelne Graphenschicht, die zu einem Rohr gerollt ist, während MWNTs mehrere Schichten haben. Die Struktur von CNTs ähnelt der eines Fullerens mit halber Kappe, wobei ein Ende des Rohrs von einer halben Fullerenstruktur bedeckt ist.
Graphen hingegen ist eine zweidimensionale Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Es kann als eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen betrachtet werden, die aus Graphit gewonnen wird. Graphen hat stabile mechanische Eigenschaften und eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit.
Die einzigartigen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanomaterialien machen sie zu idealen Kandidaten für verschiedene Anwendungen in Bereichen wie Elektronik, Membranen, Abwasserbehandlung, Batterien, Kondensatoren, heterogene Katalyse sowie biologische und medizinische Wissenschaften. Der Synthese von nanostrukturierten Materialien mit gewünschten Eigenschaften wird große Aufmerksamkeit gewidmet, da die Morphologie, Größe und Phasen der Nanomaterialien ihre Eigenschaften und potenziellen Anwendungen stark beeinflussen.
Die Herstellung von Kohlenstoff-Nanomaterialien in großem Maßstab stellt eine große Herausforderung dar. Die Synthese verschiedener Kohlenstoff-Nanomaterialien, darunter Fullerene, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphen, Kohlenstoff aus Karbid, Kohlenstoff-Nanozwiebeln und MXene, kann durch Methoden wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erfolgen.
Im Hinblick auf die Umweltauswirkungen sollten Kohlenstoff-Nanoröhren mit alternativen Materialien wie Ruß und Graphen verglichen werden. Im Vergleich zu Kohlenstoffnanoröhren und Graphen hat Ruß in der Regel höhere CO2-Emissionen und höhere Belastungsanforderungen in Verbundwerkstoffen. Außerdem hat sich gezeigt, dass mit Kohlenstoffnanoröhren verstärkte Reifen im Vergleich zu anderen Nanokohlenstoffen weniger Nanopartikel freisetzen.
Graphen hat zwar zu einer Weiterentwicklung von Kohlenstoffmaterialien geführt, doch seine Produktionsmethode, insbesondere der "Top-Down"-Ansatz, birgt Probleme hinsichtlich der Energieeffizienz, des hohen Wasserbedarfs und des Einsatzes von aggressiven Chemikalien. Die Forschung zu Graphen konzentriert sich auf seine Leitfähigkeit und seine interlaminaren Verbindungen, insbesondere auf seine hervorragende Leitfähigkeit.
Insgesamt verleiht die Struktur von Kohlenstoffnanomaterialien, einschließlich Kohlenstoffnanoröhren und Graphen, ihnen einzigartige Eigenschaften und eröffnet eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Bereichen.
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