Bei der Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) werden mit Hilfe eines Katalysators und eines kohlenstoffhaltigen Gases bei hohen Temperaturen Kohlenstoffschichten abgeschieden und Nanoröhren gebildet. Diese Methode ist in hohem Maße skalierbar, kostengünstig und ermöglicht die Kontrolle über die Struktur der CNTs. Das Verfahren umfasst in der Regel die folgenden Schritte: Katalysatorvorbereitung, Gaseinleitung, thermische Behandlung und CNT-Wachstum.
Vorbereitung des Katalysators: Der Katalysator, häufig ein Metall wie Eisen, Kobalt oder Nickel, wird auf einem Substrat abgeschieden. Die Wahl des Katalysators und seine Dispersion sind entscheidend für das Wachstum und die Ausrichtung der CNTs. Die Katalysatorteilchen dienen als Keimzellen für das Wachstum der CNTs.
Gaseinleitung: Ein kohlenstoffhaltiges Gas, z. B. Methan, Ethylen oder Kohlenmonoxid, wird in die Reaktionskammer eingeleitet. Diese Gase liefern die für die CNT-Synthese benötigte Kohlenstoffquelle. Die Durchflussmenge und die Zusammensetzung des Gases können die Qualität und die Ausbeute der CNTs beeinflussen.
Thermische Behandlung: Die Reaktionskammer wird auf eine hohe Temperatur erhitzt, die je nach verwendetem Katalysator und Gas typischerweise zwischen 500 °C und 1200 °C liegt. Diese hohe Temperatur ist notwendig für die Zersetzung des kohlenstoffhaltigen Gases und die Bildung von Kohlenstoffatomen, die sich zu CNTs verbinden.
CNT-Wachstum: Die Kohlenstoffatome diffundieren zu den Katalysatorteilchen und beginnen, zu Nanoröhren zu wachsen. Je nach den Bedingungen und dem verwendeten Katalysator kann der Wachstumsmechanismus entweder ein Spitzenwachstum oder ein Basiswachstum sein. Spitzenwachstum liegt vor, wenn das Nanoröhrchen von der Spitze des Katalysatorpartikels aus wächst, während Basiswachstum vorliegt, wenn das Wachstum von der Unterseite des Partikels ausgeht.
Das CVD-Verfahren kann durch verschiedene Techniken wie plasmaunterstützte CVD, photounterstützte CVD und laserunterstützte CVD modifiziert werden, um die Wachstumsrate zu erhöhen und die Eigenschaften der CNTs zu steuern. Darüber hinaus wird die Verwendung von umweltfreundlichen Rohstoffen oder Abfallstoffen wie Methanpyrolyse oder Kohlendioxidelektrolyse erforscht, um die Umweltauswirkungen der CNT-Synthese zu verringern.
Insgesamt ist die CVD-Methode ein vielseitiger und skalierbarer Ansatz für die Herstellung von CNTs mit einem hohen Maß an Kontrolle über ihre Struktur und Eigenschaften. Es sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die mechanistischen Details des Prozesses zu verstehen und die Betriebsparameter zu optimieren, um den Energieverbrauch, den Materialbedarf und die Umweltauswirkungen zu verringern.
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