DE60319508T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kohlenstoffnanostrukturen - Google Patents

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    • Y10S977/742Carbon nanotubes, CNTs

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstoffnanostrukturen, die auch als "Nanocarbone" bekannt sind. Solche Strukturen können zum Beispiel Abmessungen in der Größenordnung von wenigen Nanometern bis einigen Hundert Nanometern aufweisen.
  • In den letzten Jahren wuchs das Interesse an Kohlenstoffnanostrukturen, da sie möglicherweise zur Speicherung von Wasserstoff verwendet werden können und damit unter Anderem potentiell bei Brennstoffzellen der nächsten Generation Anwendung finden können. 1996 wurde von Kohlenstoffnanostrukturen berichtet, die bei Raumtemperatur und einem Druck von 120 bar über 50 Gew.-% Wasserstoff speichern können.
  • Kohlenstoffnanostrukturen können eine Reihe von Formen aufweisen, zu denen einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs für Single-Wall Carbon Nanotubes), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWNTs für Multi-Wall Carbon Nanotubes) und Kohlenstoffnanostacks oder Graphit-Nanofasern (GNFs für Graphite Nanofibres) zählen (der Ausdruck "Graphit" wird hierbei im weitläufigen Sinne verwendet). Diese verschiedenen Formen sind nachstehend jeweils in den 1a bis 1c dargestellt. SWNTs bestehen im Wesentlichen aus zylindrisch geformtem Graphit mit einer Wandstärke von einem Atom, während MWNTs aus einer Ansammlung konzentrischer SWNTs bestehen. An den Enden können die röhrenförmigen Kohlenstoffgebilde Abdeckungen aus Kohlenstoffatomen aufweisen bzw. nicht abgedeckt sein. Sie können mit anderen Verbindungen gefüllt sein. Die Graphenebenen (ein Atom dicke Lagen aus graphitischem Kohlenstoff) sind in GNFs entweder in einer Planaren oder einer, einem Fischgrätmuster ähnlichen Anordnung übereinander gestapelt, wobei letztere als Querschnitt durch eine in Wirklichkeit einen Stapel konischer Graphenlagen umfassende Struktur angesehen werden kann. Es wird angenommen, dass der Wasserstoff zwischen den Graphenebenen interstitiell absorbiert wird.
  • Alle der in 1 dargestellten Strukturen zeigen mit dem Kohlenstoff verknüpfte Katalysatorpartikel. Der Katalysator wird üblicherweise so gewählt, dass seine Abmessungen den resultierenden Röhrendurchmessern vergleichbar sind. Die drei wesentlichen Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik, nämlich die Abscheidung mittels elektrischer Bogenentladung, Laserablation oder Gasphasenabscheidung, stützen sich üblicherweise auf das Vorhandensein eines metallischen Pulverkatalysators, wie zum Beispiel Eisen, Kobalt oder Nickel, an dem sich die Kohlenstoffatome zu Nanostrukturen zusammenschließen. Das Wachstum erfolgt in der Nähe des Substrats in einer geordneten Weise, wobei die Wachstumsebene innerhalb der Substratoberfläche angeordnet ist und es üblicherweise wünschenswert ist, dass der Durchmesser, die Länge und manchmal die Ausrichtung der Röhren und Stapel gesteuert werden können. Die resultierenden Nanoröhren können beträchtliche Mengen an Metallpartikeln enthalten, die dann zum Beispiel mit einer Säurespülung entfernt werden müssen. Je nachdem, welches der Verfahren des Stands der Technik verwendet wird, können auch andere Kohlenstoffformen wie beispielsweise reines Graphit hergestellt werden, so dass weitere Reinigungsschritte erforderlich sind, um die Ausbeute an reinen Kohlenstoffnanoröhren zu erhöhen. Jedoch erhöhen sich hierdurch Herstellungszeit und -kosten.
  • In der Druckschrift EP-A-1 129 990 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Plasma unterstützte, chemische Gasphasenabscheidung (PECVD für Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition) zum Abscheiden von Kohlenstoffnanoröhren auf katalytischen Metallsubstraten verwendet wird, bei denen der katalytische Metallfilm vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 200 nm aufweist und dieser so beschrieben ist, dass er zur Unterstützung des Wachstums der Nanoröhren "Inseln" ausbildet. Die Lehre gibt an, dass durch die Verwendung von PECVD statt thermischer CVD (chemische Dampfphasenabscheidung) und durch die Behandlung mehrerer Probenchargen eine höhere Wachstumsrate erreicht werden kann.
  • Die oben angegebenen Verfahren nach dem Stand der Technik sind jedoch Chargenprozesse und ermöglichen keine kontinuierliche Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren in großen Mengen.
  • Ein wichtiges Problem, auf das man bei dem Versuch Nanocarbone zur Speicherung von Wasserstoff zu verwenden trifft, stellt die Reproduzierbarkeit dar. Die sich stark unterscheidenden Berichte über das Wasserstofffassungsvermögen können auf einer mangelhaften Steuerung von Qualität und Quantität bei der Herstellung von Nanocarbonen beruhen.
  • In der Druckschrift EP-A-0 665 187 wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren offenbart, bei dem ein sich axial erstreckender, kohlenstoffhaltiger Anodenstab sukzessive relativ zu einer Kathodenoberfläche ausgerichtet wird, während zwischen diesen ein Gleichstrom eingeprägt wird. Es kommt zu einer Bogenentladung mit der gleichzeitigen Ausbildung von Kohlenstoffnanoröhren an den exponierten Bereichen der Kathodenoberfläche. Die kohlenstoffhaltigen Ablagerungen werden anschließend abgeschabt und aufgefangen. Von diesem Verfahren wird behauptet, dass es einem kontinuierlichen Be trieb zugänglich ist, obwohl dies von der Persistenz der Anode und der Wiederverwendbarkeit der Kathodenoberfläche abhängen würde.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffnanostrukturen angegeben, bei dem die Nanostrukturen auf einem fortlaufend ausgebildeten, länglichen und geheizten, katalytischen Substrat unter Verwendung der chemischen Gasphasenabscheidung zur Ausbildung eines beschichteten Substrats aufwachsen, wobei das Verfahren das Hindurchführen des fortlaufend ausgebildeten Substrats durch eine oder mehrere Abscheidekammern umfasst, worin die Kohlenstoffnanostrukturen in einer kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Weise abgeschieden werden und worin die abgeschiedenen Kohlenstoffnanostrukturen in einem weiteren kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Schritt von dem Substrat entfernt werden.
  • Kohlenstoffnanostrukturen oder "Nanocarbone" sind diskrete, geordnete Strukturen, die von bestimmten katalytischen Stellen ausgehend auf einem Substrat aufwachsen, und die Kohlenstoffnanoröhren, Nanostacks, Nanofasern und dergleichen umfassen, bei denen die Strukturgruppen von der Substratoberfläche ausgehend axial entlang ihrer jeweiligen Längen aufwachsen. Die Kohlenstoffnanoröhren, die als einwandige oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren ausgebildet sein können, können wie die Kohlenstoffnanostacks oder Graphitnanofasern Abmessungen mit zum Beispiel einer Breite von 1 nm bis 500 nm und einer Länge von 1 μm bis mehrere mm aufweisen.
  • Unter "chemischer Gasphasenabscheidung" wird verstanden, dass ein katalytisches Substrat einem Gas ausgesetzt wird, das eine chemische Reaktion eingeht, um auf dem Substrat eine Beschichtung auszubilden; die Beschichtung kann dort ausgebildet werden, wo das Gas auf das katalytische Substrat auftritt, oder andernorts, unterstützt durch die Diffusion von Atomen durch den Katalysator. In diesem Fall wird das Gas von einem kohlenstoffhaltigen Gas gebildet, das dazu führt, dass ein nicht kohlenstoffhaltiges Substrat verwendet werden kann. Der Vorgang muss nicht unter Mitwirkung eines Plasmas erfolgen und besitzt daher den Vorteil, dass er bei Atmosphärendruck ausgeführt werden kann.
  • Das oben angegebene Verfahren ermöglicht die Herstellung von Nanocarbonen in großer Menge und verbessert deren Reproduzierbarkeit. Bei dem vorliegenden Verfahren werden die Nanocarbone vom Substrat entfernt. Im Unterschied hierzu werden CVD-Verfahren üblicherweise zur Herstellung hochdichter Schutzbeschichtungen auf Substraten verwendet, so dass Beschichtung und Substrat ein einheitliches Produkt bilden. Bei den folgenden beiden Literaturquellen wird beispielsweise CVD zur Herstellung integraler Produkte in Form von mit Nanoröhren beschichteten Drähten für die Verwendung als Feldemissionsvorrichtungen verwendet:
    • – TANEMURA, M. ET AL.: "Growth of alignet carbon nanotubes by plasma-enhanced chemical vapor deposition: Optimization of growth parameters", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS (2001), 90(3), 1529–1533, XP002245911
    • – O. NOURY ET AL.: "Growth of carbon nanotubes an cylindrical wires by thermal chemical vapour deposition" CHEMICAL PHYSICS LETTERS, Band 346, 12. Oktober 2001 (2001-10-12), Seiten 349–355, XP002245912.
  • Auch der Erfinder selbst hat zuvor ein CVD-Verfahren für die Herstellung eines mit einer Titaniumkarbid/Siliziumkarbid-Keramik beschich teten Filaments zur Verwendung als Verstärkungsfaser in Verbundmaterialien verwendet (c. f. EP-A-0 598 491 (BRITISH PETROLEUM CO PLC) 25. Mai 1994 (1994-05-25)).
  • Das Verfahren umfasst das Hindurchführen des länglichen Substrats durch eine oder mehrere Beschichtungskammern. Das Substrat kann in eine Richtung entlang seiner eigenen Länge verfahren werden, so dass es in die und/oder aus der Kammer, vor und/oder nach der Abscheidung gefahren werden kann, oder während der Abscheidung mit der gewünschten Geschwindigkeit durch die Abscheidekammer hindurch geführt wird.
  • Die Nanocarbone werden in einer kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Weise abgeschieden. Bevorzugt wird der kontinuierliche Betrieb, bei dem das Substrat in kontinuierlicher Weise durch die Abscheidekammer hindurch geführt wird. Daher können im Gegensatz zu den Chargenbetriebsarten nach dem Stand der Technik große Mengen an Nanostrukturen mit verbesserter Gleichmäßigkeit hergestellt werden, was zu einer erhöhten Reproduzierbarkeit führt. Eine semikontinuierlichen Betriebsweise, bei der das Substrat zum Beispiel in regelmäßigen Abständen inkrementell verfahren bzw. bei der ein neuer Substratabschnitt in die längliche Kammer eingeführt wird, so dass das Substrat nur im ruhenden Zustand der Abscheidung unterworfen ist und beim Einführen eines neuen Abschnitts herausgeführt wird, ist ebenfalls vorgesehen und erzielt ähnliche Vorteile.
  • Das kontinuierliche längliche Substrat kann in Form eines Filaments, Drahts, Bands, Streifens oder eines ähnlichen Elements vorgesehen sein, und es kann ohne zusätzliche katalytische Schicht, Beschichtung oder dergleichen bereits selbst als katalytisches Substrat agieren. Be vorzugt werden ein metallisches Filament bzw. Draht mit einem konstanten kreisförmigen Querschnitt von vorzugsweise weniger als 60 Mikrometer Breite, das auf Wunsch geätzt sein kann. Der Vorteil besteht darin, dass im Wesentlichen die gesamte Oberfläche eines länglichen Substrats für die Abscheidung verfügbar ist, und dass keine zusätzlichen katalytischen Partikel erforderlich sind.
  • Vorzugsweise wird ein elektrisch leitfähiger Draht verwendet, wobei die Verwendung eines metallischen Drahts mit einem Durchmesser von 100 bis 600 Mikrometer bevorzugt wird. Dieser wird üblicherweise auf einer Spule vorgehalten und weist eine Länge von bis zu oder mehr als 1 km auf, wobei er auch in Längen von bis zu oder über 5 km oder sogar 10 km vorgehalten werden kann, so dass eine kontinuierliche Produktion über viele Stunden oder Tage ermöglicht wird. Der Draht wird vorzugsweise aus Stahl, Eisen oder Nickel bzw. Legierungen davon gebildet, kann aber auch andere handelsübliche Drahtlegierungen umfassen, wie zum Beispiel solche, die eines oder mehrere der Legierungselemente Eisen, Nickel, Kobalt und Kupfer enthalten.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der Draht mittels eines durch ihn geleiteten elektrischen Stroms erhitzt. Dieses Heizverfahren wird den herkömmlichen Ofenheizungen gegenüber vorgezogen, da es ein gleichmäßiges Aufheizen über einen größeren Längenabschnitt ermöglicht, wodurch größere Abscheidelängen sowie eine verbesserte Reproduzierbarkeit erzielt werden. Üblicherweise wird Gleichstrom verwendet, der so einzustellen ist, dass er ausreicht, um den Draht auf eine für das Stattfinden des Abscheidevorgangs geeignete Temperatur, üblicherweise auf eine Temperatur zwischen 500°C und 700°C, aufzuheizen. Eine weitere Steuerung der Drahttemperatur kann in verschiedenen Abscheidekammern durch Zugabe von ausgesuchten Gasen unterschiedlicher thermischer Leitfähigkeit erreicht werden.
  • Bei einem elektrischen Beheizen des Drahts wird ein Drahtdurchmesser von 200 bis 500 Mikrometer bevorzugt. Üblicherweise befindet sich der Draht zur Ausbildung eines elektrischen Stromkreises mit einer oder mehreren Flüssigmetallelektroden in elektrischem Kontakt, so dass ein Verschieben des Drahts vor, während oder nach der Abscheidung möglich ist. Die zu- und Abführung des Stroms erfolgt üblicherweise über Quecksilber- oder Quecksilberamalgamelektroden.
  • Das Substrat kann vor der Abscheidung einer Ätzbehandlung unterzogen werden. Bei diesem Arbeitsgang kann eine Oberflächenoxidschicht entfernt werden. Dies kann umfassen, dass Wasserstoff über das Substrat geleitet wird, dem fakultativ zum Erzielen der gewünschten Substrattemperatur ein Gas geringer thermischer Leitfähigkeit beigemischt werden kann. Dieser Arbeitsschritt kann außerdem das Ätzen von Oberflächenungleichmäßigkeiten an der Substratoberfläche umfassen, die abhängig von den erforderlichen Nanostrukturen zum Beispiel in einer Größenordnung von 10 bis 100 nm gewählt werden. Zu diesem Zweck kann ein reaktionsfähiges Gas wie beispielsweise HCl verwendet werden.
  • Tatsächlich wird die resultierende Nanocarbon-"Schicht" nebeneinander abgeschiedene diskrete Strukturen aufweisen, wobei die Oberflächenbedeckung des länglichen Substrats je nach Verweilzeit, Temperatur usw. im Bereich von 10–80% liegen kann.
  • Die abgeschiedenen Nanocarbone werden in einem weiteren kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Schritt vom Substrat entfernt. An grenzend an das kontinuierliche längliche Substrat kann eine Entfernungsvorrichtung angeordnet werden, die mit einer oder mehreren Klingen oder Kanten versehen ist. Die Vorrichtung kann feststehend oder verschiebbar angebracht sein. Eine Aufnahme zum Auffangen des entfernten Materials kann am unteren Bereich der Abscheidekammer vorgesehen sein. Wird das Substrat über zwei Elektrodenkontakte elektrisch beheizt, dann befindet sich die Entfernungsvorrichtung üblicherweise bezüglich der Verfahrrichtung oberhalb der zweiten Elektrode.
  • Die Nanocarbone können von dem länglichen Substrat entfernt werden, indem das beschichtete Substrat durch eine Öffnung oder einen Kanal mit einem geringfügig größeren Querschnitt als der des Substrats hindurchgeführt wird. Beide können eine Bohröffnung aufweisen, die in einem stationären Gehäuse angeordnet ist, durch das das Substrat geschoben wird. Alternativ können beide eine Ring- oder Halbringform aufweisen, die beim Einsatz zum Entfernen der Nanocarbone über einen Bereich des beschichteten Substrats geführt wird.
  • Der Vorteil des vorliegenden Verfahrens liegt darin, dass ein kontinuierlicher Arbeitsablauf an einer frischen Katalysatoroberfläche ermöglicht wird.
  • Als Alternative kann das vorliegende Verfahren ein recyceltes Substrat verwenden. Das Substrat, von dem die Nanoröhren entfernt wurden, kann in einem nachfolgenden, kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Arbeitsgang gereinigt und zur Wiederverwendung der Vorrichtung bei Beginn des Verfahrens fakultativ erneut zugeführt werden. Üblicherweise beinhaltet eine solche Reinigung lediglich ein Aufheizen des Substrats auf ungefähr 600°C in Luftatmosphäre.
  • Die chemische Gasphasenabscheidung kann Plasma unterstützt ausgeführt werden, wird vorteilhafterweise jedoch als plasmafreie thermische CVD (die bei oder in etwa bei Atmosphärendruck erfolgt) durchgeführt.
  • Der Vorteil des elektrischen Aufheizens des Substrats besteht darin, dass es eine behutsame Steuerung in Abhängigkeit von Strom und gewählter Drahtdicke ermöglicht und zu einem gleichmäßig erhitzten Substrat führt. Dadurch lassen sich längere Abscheidelängen und eine verbesserte Reproduzierbarkeit erreichen. Das Erhitzen eines Drahtsubstrats mit Gleichstrom kann somit eine effektive Reaktorlänge von mehreren Metern ermöglichen, die sich nicht verwirklichen ließe, wenn der Draht durch einen Ofen geführt werden müsste oder ein HF-Plasma-CVD-Verfahren verwendet werden würde. Außerdem werden verbesserte Produktionsraten und eine verbesserte Gleichförmigkeit des Produkts erzielt.
  • Das Substrat wird vorzugsweise vor und/oder während der Abscheidung entweder für eine bestimmte Zeit oder kontinuierlich unter Verwendung von Gleichstrom erhitzt. Das längliche Substrat kann als Folie, Filament, Draht, Band oder Streifen ausgebildet sein, obwohl ein elektrisch leitfähiger Draht bevorzugt wird. Üblicherweise wird als Draht ein Stahl-, Eisen- oder Nickeldraht gewählt, wobei Eisen bevorzugt wird.
  • Damit bei der chemischen Gasphasenabscheidung eine Abscheidung von Nanocarbonen erfolgt, muss das Substrat auf eine geeignete Temperatur geheizt werden. Die Temperatur beträgt vorzugsweise zwischen 500°C und 700°C. Reaktionszeit und Temperatur können (z. B. durch Variieren der exponierten Drahtlänge/-geschwindigkeit und, falls elekt risch geheizt wird, durch Variieren von Querschnitt und Strom) mittels routinemäßiger Experimente so eingestellt werden, dass die erwünschten Nanostrukturarten erhalten werden. Das vorliegende Verfahren ist besonders zur Herstellung von MWNTs und GNFs geeignet, die eher geringere Temperaturen und längere Verweilzeiten erfordern als SWNTs.
  • Die vorliegende Erfindung gibt ferner eine Vorrichtung zur Verwendung in einem wie oben beschriebenen Verfahren für die Ausbildung von Nanocarbonen an, wobei das Verfahren umfasst:
    Erhitzen eines Drahtsubstrats, indem durch dieses über zumindest zwei Elektroden ein elektrischer Strom geleitet wird;
    Verfahren des Substrats durch zumindest eine Abscheidekammer, die Gase enthält, die die Nanostrukturen bei Kontakt mit dem heißen Draht abscheiden, und
    Verwenden einer Entfernungseinrichtung zum Entfernen der abgeschiedenen Nanostrukturen, wobei die zweite Elektrode in Verfahrrichtung nach der Entfernungseinrichtung angeordnet ist.
  • Die Vorrichtung weist einen Reaktor mit zumindest einer Abscheidekammer, eine Zufuhreinrichtung für die Zuführung von Gasen in die Abscheidekammer, eine Halteeinrichtung für das Hindurchfurchführen des Substrats durch die Abscheidekammer, zumindest zwei Elektroden für die Zuführung des Heizstroms zum Drahtsubstrat und eine Entfernungseinrichtung zum Entfernen der abgeschiedenen Nanocarbonschicht auf, wobei die zweite Elektrode in dem Rektor in Verschieberichtung nach der Entfernungseinrichtung angeordnet ist.
  • Das Drahtsubstrat kann durch eine Entfernungseinrichtung in der Form einer Öffnung geführt werden, deren Querschnitt geringfügig grö ßer als der des Substrats ist. Die Vorrichtung kann ferner eine Recyclingeinrichtung zum Reinigen des Drahtsubstrats und zum Zurückführen des Substrats an das in Verschieberichtung obere Ende der Abscheidekammer aufweisen.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Nanocarbonen gemäß der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin
  • 1a bis 1c jeweils schematische Ansichten einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre (SWNT), einer mehrwandigen Nanoröhre (MWNT) und einer Graphitnanofaser (GNF) zeigen,
  • 2 eine schematische Teilansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren gemäß der Erfindung zeigt,
  • 3 eine vergrößerte schematische Teilansicht der in 2 dargestellten konischen Entfernungseinrichtung zeigt,
  • 4 eine schematische Teilansicht einer alternativen Entfernungseinrichtung zeigt,
  • 5a und 5b ein TEM bzw. Raman-Spektren der Kohlenstoffnanostrukturen vorstellen, die entsprechend Beispiel 1 auf einem elektrisch beheizten Draht abgeschieden wurden,
  • 6a und 6b ein jeweils ein TEM bzw. ein Raman-Spektrum eines Nanocarbonmaterials vorstellen, das wie im unten beschriebenen Bei spiel 2a auf einem in einem Ofen erhitzen Draht abgeschieden wurde, und
  • 6c ein TEM eines Nanomaterials darstellt, das in Beispiel 2b auf ähnliche Weise abgeschieden wurde.
  • In der 2 ist eine bevorzugte Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstoffnanostrukturen auf einem katalytischen Drahtsubstrat unter Verwendung der chemischen Gasphasenabscheidung dargestellt.
  • Der Reaktor 1 weist zwei zylindrische Glasröhren auf, die vertikal übereinander zur Ausbildung einer oben gelegenen Ätzkammer 2 und einer unten gelegenen Abscheidekammer 3 angeordnet sind. Die Gesamtlänge der Röhren liegt im Bereich von 0,5 bis 4 m, vorzugsweise zwischen 1 bis 2 m. Auf dem Reaktor 1 befindet sich eine drehbare Spule 4, auf der der katalytische Draht bevorratet wird und von der er bei Gebrauch nach unten in die Ätzkammer und anschließend in die Abscheidekammer ausgegeben wird. Das obere Ende der Ätzkammer 2 ist unterhalb der Spule 4 durch eine Elektrode 5 versiegelt, die eine zentrale Aufnahme für flüssiges Quecksilber oder Quecksilberamalgam aufweist, wobei sich am unteren Bereich der Flüssigkeitsaufnahme ein kleines zentrales Loch befindet, durch das der Draht geführt werden kann. Das Loch ist groß genug, um einen metallischen Draht hindurchzuführen, aber klein genug, damit das Flüssigmetall zurückgehalten wird. Es können auch andere geeignete Flüssigmetalle oder Mischungen derselben verwendet werden, wie beispielsweise Quecksilber/Indium, Quecksilber/Cadmium oder Gallium/Indium.
  • Nahe dem oberen bzw. dem unteren Ende der Ätzkammer 2 sind ein Einlass 6 bzw. ein Auslass 7 vorgesehen, durch die gasförmige Reak tanten vorzugsweise in einer nach unten gerichteten Strömung in die Ätzkammer eingelassen bzw. abgeführt werden können. Eine zwischen den Glasröhren angeordnete und ebenfalls mit einer zentralen Bohrung versehene Gasdichtung 8 dient der Trennung der oberen von der unteren Kammer.
  • Die Abscheidekammer 3 weist ebenfalls an ihren Enden jeweils einen Einlass 9 bzw. einen Auslass 10 für die vorzugsweise, wie durch die Pfeile angedeutet, aufwärts gerichtete Zufuhr bzw. Abfuhr gasförmiger Recktanten auf.
  • Der untere Bereich der Abscheidekammer 3 weitet sich zu einer Auffangkammer 13 auf, die die Entfernungseinrichtung 11 und die (nicht gezeigte) Sammelgutaufnahme enthält. Die Entfernungseinrichtung weist, wie in der 3 gezeigt, die Form eines Stumpfkegels auf, der in der Kammer zentral und mit seinem Loch zuoberst angeordnet ist. Der Boden der Abscheidekammer 3 ist mit einer zweiten Elektrode 12 versiegelt, unterhalb derer sich eine weitere Spule 14 befindet, die mit einem (nicht gezeigten) drehzahlveränderlichen Motor verbunden ist.
  • Beispiel 1
  • Bei einem bevorzugten Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren, bei dem die Vorrichtung von 2 Verwendung findet, wird ein Stahl- oder Eisendraht 15 mit einem Durchmesser von üblicherweise 200 bis 500 Mikrometer kontinuierlich durch den Reaktor 1 nach unten abgespult. Am Eintritt in und am Austritt aus dem Reaktor 1 ist der Draht 15 über die zentralen Quecksilber/Quecksilber-amalgamelektroden elektrisch kontaktiert. Der Draht 15 und die zwei Elektroden 5 und 12 bilden daher einen Teil eines kon tinuierlichen elektrischen Stromkreises. Der angelegte Gleichstrom reicht aus, den Draht auf eine Temperatur zu erhitzen, die für das Stattfinden des Abscheidevorgangs geeignet ist, wobei diese Temperatur üblicherweise zwischen 500 und 700°C liegt und im Hinblick auf die Art der erwünschten Nanocarbone ausgewählt werden kann.
  • Die Abspulrate und damit die Verweilzeit sollte unter Berücksichtigung der Reaktorlänge und der erwünschten Strukturarten gewählt werden. Üblicherweise beträgt sie zwischen 1 und 6 cm/min, vorzugsweise zwischen 3 und 5 cm/min; die damit erreichen üblichen Verweilzeiten betrügen somit zwischen 20 und 60 Minuten und insbesondere zwischen 30 und 40 Minuten.
  • Der Draht tritt am oberen Ende des Reaktors 1 in die Ätzkammer 2 ein. Zum Entfernen einer Oberflächenoxidschicht wird über den Einlass 6 Wasserstoff in die Kammer eingeleitet. Zum Modifizieren der Drahttemperatur können außerdem Argon oder andere Gase geringer thermischer Leitfähigkeit beigemengt werden. Außerdem kann zum Ätzen der Oberfläche und zum Erzeugen von für das Wachstum bestimmter Kohlenstoffnanostrukturen geeigneter Unregelmäßigkeiten, ferner noch ein reaktives Gas zusetzt werden. Im vorliegenden Fall werden durch das Zusetzen von Chlorwasserstoff über den Einlass 6 an der Oberfläche des Drahtes Unregelmäßigkeiten mit Abmessungen zwischen 10 und 100 nm erzeugt.
  • Beim Eintritt des Drahtes 15 in die Abscheidekammer 3 beginnt die Abscheidung der Nanoröhren 20, wobei sich die Abscheidung während des Durchfahrens des Drahts 15 durch die Kammer 3 verdickt. Ermöglicht wird die Abscheidung durch den Zusatz geeigneter Gase, die über den Einlass 9 zugeführt werden und vorzugsweise aus einer Kombinati on von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und einem Kohlenwasserstoff bestehen, die üblicherweise in einem Verdünnungsmittel, wie beispielsweise Argon oder Stickstoff aufgenommen ist. Zum Abscheiden von Graphitnanofasern besteht diese Kombination vorzugsweise aus einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, wobei das Drahtsubstrat aus Eisen besteht. Während der Abscheidung werden vorzugsweise eine Temperatur zwischen 550 und 750°C eingehalten, sowie ein Verhältnis CO:H2 von zwischen 6:1 und 2:1.
  • Beim Verlassen des unteren Endes der zweiten Kammer 3 passiert der Draht 15 eine Entfernungseinrichtung 11. Die Entfernungseinrichtung 11 umfasst, wie in 3 gezeigt, einen Konus mit einem kleinen Loch an seiner Spitze, durch das der Draht 15 hindurchgeführt wird, um vom Draht die Nanoröhren in den bereitgehaltenen Sammelbehälter 13 im Boden der Vorrichtung abzuschaben.
  • Zum mechanischen Entfernen des abgeschiednenen Nanomaterials können auch andere Anordnungen verwendet werden. 4 veranschaulicht eine solche Anordnung, bei der die Entfernungseinrichtung 16 aus einem oder mehreren Halbringen 17 besteht, die auf den Draht oder an diesen angrenzend angebracht sind; diese können zum Abschaben des Nanomaterials feststehend angebracht sein oder um den Draht rotieren. Eine andere (nicht gezeigte) Anordnung verwendet eine Spirale, um die Nanoröhren zu entfernen während sich der Draht 15 durch diese hindurch bewegt.
  • Über die Wahl einer geeigneten Länge für die Abscheidekammer und die Steuerung der Geschwindigkeit, mit der sich der Draht 15 durch den Reaktor 1 bewegt, lässt sich die Herstellung von Nanoröhren einfach einstellen. Im Ergebnis besitzen die Nanoröhren eine reproduzierbare Mikrostruktur. Insbesondere stellt das Aufheizen des Drahts durch elektrische Beheizung sicher, dass der Draht gleichförmig und kontrolliert erhitzt wird, wodurch wesentlich größere Abscheidelängen möglich werden, als es bei einem herkömmlichen Einofensystem möglich ist.
  • Damit der Katalysatordraht wieder verwendet werden kann, kann zum Entfernen des nach dem Verlassen des Reaktors 1 auf dem Draht 15 zurückgebliebenen Kohlenstoffs ein (nicht gezeigter) zusätzlicher Arbeitsvorgang vorgesehen werden. Dies kann ein Sicherstellen dessen beinhalten, dass die Temperatur des Drahtes 15 zum Oxidieren jeglichen an der Oberfläche befindlichen Kohlenstoffs mehr als 600°C beträgt. Als Alternative könnte der Kohlenstoff durch Heizen in einer gasförmigen Mischung aus Wasserstoff und einem Gas geringer thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Argon, reduktiv entfernt werden.
  • In einem ähnlichen Versuch, der im kleineren Maßstab durchgeführt wurde, wurde ein Eisendraht mit einem Durchmesser von 200 μm in einen 50 cm langen Einkammer-Vertikalglasrohrreaktor abgespult, worin an einem stationären Abschnitt des Drahtes eine Nanocarbonabscheidung stattfand, bevor dieser weiter nach außen gespult und durch einen neuen Drahtabschnitt ersetzt wurde. Die Verweilzeit der aufeinander folgenden Abschnitte des Drahtes im Reaktor betrug ungefähr eine halbe Stunde. Die Röhre war an beiden Enden mit aus rostfreiem Stahl hergestellten Elektroden ausgestattet, die ~0,5 cm3 Quecksilber enthielten, wobei das Quecksilber als Gasdichtung und zur elektrischem Kontaktierung des Drahts diente. Durch den zur Reduktion des Oberflächenoxids in einer Ar/H2-Mischung befindlichen Abschnitt des Drahtes wurde ein Strom mit 2,5 A geleitet, wonach der Strom auf 1,9 A verringert und eine 80:20 CO:H2-Mischung durch das Rohr geleitet wurde. Es wurde ein Kohlenstoffwachstum auf dem Draht beobachtet.
  • Das TEM von 5a zeigt ein im hohen Maße graphitisches MWNT, das auf dem elektrisch beheizten Draht abgeschieden wurde. Bezeichnenderweise wurden sowohl MWNTs als auch Graphitnanofasern vorgefunden, wobei deren anteilige Mengen durch Variieren der Herstellungsbedingungen verändert werden können. 5b zeigt zwei von dem auf dem Draht aufgewachsenen Material aufgenommene Raman-Spektren. Dass der Kohlenstoff in hohem Maße graphitisch ist, lässt sich an den schmalen Breiten der dargestellten Raman-Linien erkennen. Die obere Kurve ist typisch für MWNTs, die dem in 5a gezeigten ähnlich sind. Die untere Kurve besitzt ein "D"-Signal höherer Intensität, das mit der Ausbildung von Graphitnanofasern in Einklang steht.
  • Die Erfindung kann in anderen Ausführungen ausgebildet werden, ohne dass von ihren wesentlichen Eigenschaften abgewichen wird. Wie oben angegeben könnte die Vorrichtung so abgeändert werden, dass die Ätzkammer weggelassen und unter gewissen Umständen auf einen separaten Ätzabschnitt verzichtet wird. Darüber hinaus ist die Abscheidung, wenn auch vorzugsweise für einen Eisen- oder Stahldraht beschrieben, gleichermaßen auch auf Nickel-, Kobalt- und Kupferdrähte, bzw. auf Drähte aus irgendeiner geeigneten Legierung anwendbar und kann auch auf Bänder, Streifen oder Filamente erstreckt werden.
  • Der Vorgang zum elektrischen Aufheizen des Drahtes kann weiterhin durch eine Abfolge von Öfen ersetzt werden, die die Wärme gleichmäßig entlang der Kammern während des gesamten Vorgangs zum Abscheiden der Nanoröhren abgeben. Bei dieser Anordnung können die Elektroden an den beiden Enden des Reaktors durch normale ringförmige Gasdichtungen ersetzt werden.
  • Eine weitere Veranschaulichung der Erfindung zeigt das nachfolgende Beispiel:
  • Beispiel 2a
  • Auf einem über die Länge eines Ofens beheizten Eisendraht von 200 Mikrometer Durchmesser wurden mittels chemischer Gasphasenabscheidung Kohlstoffnanoröhren hergestellt. Es wurden 0,11 g des Eisendrahts in einen Ofen eingeführt und durch Erhitzen in H2 auf 400°C für eine Stunde geätzt. Daraufhin wurde eine Mischung aus CO und H2 über das Gas gelassen und die Temperatur auf eine Temperatur erhöht, bei der die Abscheidung stattfand. Als vorteilhaft haben sich eine Temperatur von zwischen 550 und 650°C und ein Verhältnis von CO:H2 von zwischen 6:1 und 2:1 herausgestellt. Die Bedingungen wurden über 3,5 Stunden aufrechterhalten, woraufhin der Ofen abkühlte und das Material extrahiert wurde.
  • Es wurden 1,62 g an kohlenstoffhaltigem Material hergestellt. Eine Untersuchung mit einem Transmissionselektronenmikroskop ergab, dass das Produkt aus filamentförmigen Nanocarbonstrukturen mit Durchmessern im Bereich von 20 bis 300 nm (siehe 6a) bestand. Wie der 6b zu entnehmen ist, zeigte das Raman-Spektrum in Übereinstimmung damit, dass die dominanten Strukturen als graphitische Nanofasern ausgebildet sind, ein hohes Verhältnis des "D"-Signalintensität gegenüber der "G"-Signalintensität.
  • Beispiel 2b
  • Bei einem zum Beispiel 2a ähnlichen Experiment wurde ein Eisendraht mit einem Durchmesser von 200 μm entlang der Achse eines vertikalen Röhrenofens abgehängt. Zum Reduzieren der Oberflächenoxidschicht wurde bei 400°C H2 durch den Ofen geleitet. Anschließend wurde eine 90:30 CO:H2-Mischung bei 600°C durch den Ofen geleitet. An der Oberfläche des Drahtes wurden Kohlenstoffnanostrukturen erzeugt. In der 6c ist ein TEM einer sich hierbei typischerweise ergebenden Struktur gezeigt.
  • Diese Beispiele zeigen, dass Kohlenstoffnanoröhren direkt auf einem Draht mit einer Abmessung im Bereich von 200 μm aufwachsen können, auch wenn das Substrat üblicherweise Partikel aufweisen müsste, deren Abmessungen mit den resultierenden Röhrendurchmessern vergleichbar sind, oder das zum Beispiel mittels Plasmaätzen behandelt hätte werden müssen, um Oberflächenunregelmäßigkeiten mit Abmessungen zu erzeugen, die denen der resultierenden Röhren ähnlich sind. Auch wenn der genaue Mechanismus nicht bekannt ist, erscheint es doch so, dass ein Plasmaätzen nicht erforderlich ist, und dass eine Drahtoberfläche (z. B. Eisendrähte mit 100 bis 600 μm) eine ihr eigene Oberflächencharakteristik aufweist oder erzeugt, die sich zum Katalysieren einer Nanocarbonabscheidung eignet.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffnanostrukturen, bei dem die Nanostrukturen auf einem fortlaufend ausgebildeten, länglichen und beheizten katalytischen Substrat aufwachsen, wobei zur Ausbildung eines beschichteten Substrats eine chemische Gasphasenabscheidung verwendet wird, wobei das Verfahren das Hindurchführen des fortlaufend ausgebildeten Substrats durch eine oder mehrere Abscheidekammern umfasst, die Kohlenstoffnanostrukturen in einer kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Weise abgeschieden werden und die abgeschiedenen Kohlenstoffnanostrukturen von dem Substrat in einem weiteren kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Schritt entfernt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das fortlaufend ausgebildete, längliche Substrat in der Form eines Filaments, eines Drahtes, eines Bandes oder eines Streifens vorliegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Substrat selbst als katalytisches Substrat ohne zusätzliche katalytische Schicht oder Beschichtung agiert.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, worin das Substrat von einem elektrisch leitfähigen Draht gebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, worin der Draht aus Stahl, Eisen, Nickel oder Legierungen hiervon gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, worin der Draht mittels Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch diesen beheizt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, worin sich der Draht zur Ausbildung eines elektrischen Stromkreises mit einer oder mit mehreren Flüssigmetallelektroden kontinuierlich so in elektrischem Kontakt befindet, dass eine Bewegung des Drahts während oder nach der Abscheidung möglich ist.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Kohlenstoffnanostrukturen von dem länglichen Substrat durch eine relative Verschiebung des beschichteten Substrats durch eine Öffnung entfernt werden, die einen geringfügig größeren Querschnitt aufweist als das Substrat.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat, von dem die Kohlenstoffnanostrukturen entfernt wurden, in einem nachfolgenden kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Schritt gereinigt wird und fakultativ zur Wiederverwendung zum Ausgangspunkt des Verfahrens zurückgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Substrat in einer Richtung entlang seiner Länge durch eine oder mehrere Abscheidekammern hindurchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Substrat auf eine Temperatur erhitzt wird, die dazu geeignet ist, dass die Abscheidung von Nanocarbonen durch chemische Gas phasenabscheidung stattfindet, wobei die Temperatur vorzugsweise zwischen 500°C und 700°C liegt.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren bei Atmosphärendruck und ohne Plasmaunterstützung durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Verfahren umfasst: Erhitzen eines Drahtsubstrats, indem durch dieses über zumindest zwei Elektroden ein elektrischer Strom geleitet wird; Verfahren des Substrats durch zumindest eine Abscheidekammer, die Gase enthält, die die Nanostrukturen bei Kontakt mit dem heißen Draht abscheiden; und Verwenden einer Entfernungseinrichtung zum Entfernen der abgeschiedenen Nanostrukturen, wobei die zweite Elektrode in Verfahrrichtung nach der Entfernungseinrichtung angeordnet ist.
  14. Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 13, die einen Reaktor mit zumindest einer Abscheidekammer, eine Zufuhreinrichtung für die Zuführung von Gasen in die Abscheidekammer, eine Auflagereinrichtung zum Hindurchführen des Substratdrahts durch die Abscheidekammer, zumindest zwei Elektroden für die Zuführung des Heizstroms zum Drahtsubstrat und eine Entfernungseinrichtung zum Entfernen der abgeschiedenen Kohlenstoffnanostrukturschicht umfasst, wobei die zweite Elektrode im Reaktor in Führungsrichtung hinter der Entfernungseinrichtung angeordnet ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin das Drahtsubstrat durch eine Entfernungseinrichtung geführt wird, die die Form einer Öffnung mit einem geringfügig größeren Querschnitt als der des Substrats aufweist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, die ferner eine Recyclingeinrichtung zum Reinigen des Drahtsubstrats und zu dessen Rückführung an das in Verfahrrichtung obere Ende der Abscheidekammer aufweist.
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