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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Speicherung von Wasserstoff in schichtfönnigen Nanostrukturen, die
aufweisen: Mindestens etwas Kristallinität, Zwischenräume von
circa 0.335 nm bis 0.40 nm, und Chemisorptions-Eigenschaften im
Hinblick auf Wasserstoff an den Oberflächen der Nanostruktur, die
die Zwischenräume
definieren. Die schichtförmigen
Nanostrukturen sind Kohlenstoffnanofasern. Wasserstoff wird in den Zwischenräumen der
Nanostrükturen
chemosorbiert.
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Hintergrund der Erfindung
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Um mit Benzin betriebene Verbrennungsmotoren
zu ersetzen, wurden verschiedene Technologien entwickelt. Ein Grund
dafür ist
die Tatsache, dass innerhalb der vorhersehbaren Zukunft die Petroleumreserven
erschöpft
sein werden. Ein anderer Grund ist der, dass immer striktere Umweltbestimmungen
einen großen
Druck auf Energiegesellschaften und Autohersteller ausüben, um
reiner verbrennende Kraftstoffe und reiner betriebene Autos zu entwickeln.
Der konventionelle Verbrennungsmotor erzeugt Schadstoffe, wie zum
Beispiel Teilchen, Stickstoffoxide, Schwefeloxide, Kohlenwasserstoffe
und Kohlenmonoxid. Obwohl verschiedene alternative Brennstofftechnologien
vorgeschlagen wurden und Gegenstand eines beträchlichen Forschungs- und Entwicklungsaufwands
sind, wird angenommen, dass die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle
eine ideale Alternative zu fossilen Brennstoffsystemen ist. Der
Hauptgrund dafür
ist es, dass Wasserstoff, der von allen Arten erneuerbarer Energien
abgeleitet wird, der einzige Energieträger ist, der ohne Umweltschäden verwendet
werden kann. Die Herstellung von Energie aus Hydroenergie (Energie
aus Wasserstoff) und Sonnenenergie und ihre Überführung in elektrische und thermische
Energie mit einer Brennstoffzelle stellt einen Verfahrenskreislauf
dar, der ohne Begrenzungen wiederholt werden kann, und keine ökologisch
schädlichen
Nebenprodukte produziert.
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Die Misserfolge zur Herstellung eines
praktisch anwendbaren Speichersystems für Wasserstoff haben verhindert,
dass Wasserstoff als Brennstoff für Transportmittel kommerziell
an die vorderste Front kam. Das ideale Wasserstoff Speichersystem
muss leicht, kompakt, relativ billig, sicher, leicht zu verwenden,
und ohne Notwendigkeit zur Regenerierung, wieder verwendbar sein.
Obwohl die Forschung und Entwicklung für solche Technologien wie:
Systeme mit flüssigem
Wasserstoff, Systeme mit komprimiertem Wasserstoff, Metallhydridsysteme,
und Systeme mit Superaktivkohle, weiterläuft, haben alle diese Systeme
schwerwiegende Nachteile. Systeme mit flüssigem Wasserstoff sind zum
Beispiel sehr teuer, in erster Linie weil der Wasserstoff auf circa –252°C gekühlt werden
muss. Ein System mit flüssigem
Wasserstoff wird zum Beispiel circa viermal mehr kosten als eine äquivalente
Menge an Benzin. Außerdem
muss flüssiger
Wasserstoff kalt gehalten werden, um zu verhindern, dass er verdampft,
auch wenn das Fahrzeug geparkt wird. Komprimierter Wasserstoff ist
viel billiger als flüssiger
Wasserstoff, aber viel sperriger. Sogar bei 41.4 MPa (6.000 psig)
würden
Tanks für
komprimierten Wasserstoff, die dazu fähig sind, genügend Brennstoff
für ein
Standard-Familienauto für
circa 350 Meilen zu liefern, das circa Vier- bis Fünffache
an Raum als ein konventioneller Benzintank einnehmen. Ein Tank mit
komprimiertem Wasserstoff ist nicht nur sehr gefährlich, sondern auch übermäßig schwer
und teuer für
ein durchschnittliches Allzweck-Familienauto.
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Metallhydridsysteme speichern Wasserstoff
als Feststoff in Kombination mit anderen Materialien. Metallhydride
werden zum Beispiel durch Einbringen eines Metalls, wie zum Beispiel
Palladium oder Magnesium, in Wasserstoff hergestellt. Das Metall
spaltet die zwei-atomigen Wasserstoffgasmoleküle und bindet die Wasserstoffatome
an das Metall, bis sie durch Erhitzen freigesetzt werden. Die Nachteile
eines Metallhydridsystems sind: (i) Metallhydride wiegen typischerweise
circa achtmal mehr als eine äquivalente
Menge an flüssigem
Wasserstoff oder eine äquivalente
Menge an Benzin; und (ii) sie müssen
auf relativ hohe Temperaturen erhitzt werden, bevor sie Wasserstoff
freisetzen.
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Superaktivkohle ist die Basis für ein anderes
System zur Speicherung von Wasserstoff das anfänglich kommerzielles Potential
zeigte. Superaktivkohle ist ein Material, das ähnlich ist der hochpörösen Aktivkohle, die
in Wasserfiltern verwendet wird, die aber Wasserstoffmoleküle durch
Physisorption bei Temperaturen unter null Grad mäßig halten kann. Je kälter der
Kohlenstoff ist, desto weniger Wärme
ist erforderlich, um die schwachen Kräfte, die den Kohlenstoff und
Wasserstoff zusammenhalten, zu zerstören. Ein wesentlicher Nachteil
eines solchen Systems ist es, dass, um Wasserstoff am Austreten
zu hindern, das System konstant bei sehr tiefen Temperaturen gehalten
werden muss, auch wenn das Fahrzeug geparkt wird.
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Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen zur
Wasserstoffspeicherung wird in Carbon Nanotube Materials for Hydrogen
Storage, Killon, et al, Proceedings of the 1995 U. S. DOE Hydrogen
Program Review, Band II, April 18–21, 1995, Coral Gables, Florida,
diskutiert. Diese Kohlenstoffnanoröhrchen sind von den Kohlenstoffnanofasern
der vorliegenden Erfindung sehr verschieden. Das U.S.-Patent 5,458,784
(Catalytic Materials Limited) lehrt die Entfernung von Verunreinigungen
aus wässerigen
und gasförmigen
Strömen
unter Verwendung von Kohlenstofffilamenten, die eine spezifische
Oberfläche
von circa 50 bis 800 m2/g, eine Kristallinität von circa
50% bis 100%, und einen Abstand zwischen den flachen Graphitschichten
von circa 0.335 nm bis circa 0.67 nm aufweisen.
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Es befindet sich auch eine Technologie
in der Entwicklung, bei der Wasserstoff bei der Reaktion von Eisenpulver
und Wasser freigesetzt wird. Wenn der Fahrer auf das Gaspedal steigt,
wird Dampf auf ein Eisenpulverbett, das sich in langen Röhren befindet,
gesprüht.
Wasserstoffgas bildet sich sofort und wird in eine Brennstoffzelle
injiziert, die dann einen Strom für einen Elektromotor erzeugt.
Das resultierende oxidierte Eisen, oder Rost, bleibt zurück. Ein
wesentlicher Nachteil eines solchen Systems ist es, dass das System
auf mehrere hundert Grad erhitzt werden muss, bevor die wasserstoffbildende
Reaktion auftritt, und das resultierende Metalloxid regeneriert
oder ersetzt werden muss.
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Es besteht deshalb weiterhin ein
großes
Bedürfnis
auf diesem Gebiet für
ein Material, das Wasserstoff speichern kann, und das leicht, kompakt,
relativ billig, sicher, leicht zu verwenden, und ohne Regeneration
wiederverwendbar ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Zusammensetzung bereitgestellt, die umfasst:
- a)
Eine Kohlenstoffnanofaser mit einer Kristallinität von mindestens etwa 90%,
umfassend flache Graphitschichten, die im Wesentlichen senkrecht
oder in einem Winkel zur Längsachse
der Nanofaser stehen, wobei der Abstand zwischen den flachen Graphitschichten
etwa 0.335 nm bis 0.40 nm beträgt,
und
- b) Wasserstoff, der zwischen den flachen Graphitschichten gespeichert
ist.
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In bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen
haben die Nanofasern eine spezifische Oberfläche von etwa 50 bis 800 m2/g, bestimmt durch N2-Absorption
bei –196°C.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die IA und IB sind Isothermen, die das Sorptions-
und Desorptionsverhalten von Aktivkohle beziehungsweise von Kohlenstoffnanofasern
der vorliegenden Erfindung nach Einwirkung von Wasserstoff bei –196°C zeigen.
Es wird der Druck in Torr vs. sorbiertem Volumen dargestellt (cc/g,
Standardtemperatur und Druck (STP)) (1 Torr = 0.133 kPa).
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Die IIA und IIB sind Isothermen, die das Sorptions-
und Desorptionsverhalten von Aktivkohle beziehungsweise Kohlenstoffnanofasern
der vorliegenden Erfindung nachS Einwirkung von Wasserstoff bei
22°C zeigen.
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Die IIIA und IIIB sind Isothermen, die das Sorptions-
und Desorptionsverhalten von Aktivkohle beziehungsweise Kohlenstoffnanofasern
der vorliegenden Erfindung nach Einwirken von Wasserstoff bei 400°C zeigen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die schichtförmigen Nanostrukturen der vorliegenden
Erfindung, die verwendet werden, um Wasserstoff zu speichern, weisen
auf (i) Eine spezifische Oberfläche
von circa 0.2 bis 3000 m2/g, vorzugsweise
von circa 50 bis 800 m2/g, insbesondere
von circa 100 bis 700 m2/g, und in erster
Linie von circa 250 bis 350 m2/g, wobei
die spezifische Oberfläche
mittels N2-Adsorption bei –196°C bestimmt wird; (ii) eine Kristallinität von circa
90% bis 100%, und idealerweise im Wesentlichen 100%; (iii) Zwischenräume von
circa 0.335 nm bis circa 0.40 nm, und insbesondere circa 0.335 nm;
und Oberflächen
der Nanostruktur, die die Zwischenräume definieren, wobei die Oberflächen Chemisorptionseigenschaften
im Hinblick auf Wasserstoff besitzen. Die in der vorliegenden Erfindung
verwendeten Nanostrukturen können
auch einen Durchmesser von circa 0.75 nm bis circa 1000 nm, vorzugsweise
von circa 0.75 nm bis circa 500 nm, und insbesondere von circa 0.75
nm bis 200 nm, aufweisen. „nm"
bedeutet Nanometer.
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Solche Strukturen absorbieren Wasserstoff
in den Zwischenräumen,
und geben ihn in größerer Menge erst
ab, wenn sie auf eine wirksame Temperatur erhitzt werden. Die schichtförmigen Nanostrukturen
sind Kohlenstoff-Nanostrukturen. Obwohl man nicht an eine Theorie
gebunden sein will, wird angenommen, dass die Nanostrukturen der
vorliegenden Erfindung Wasserstoff durch Chemisorption von molekularem
Wasserstoff in den Zwischenräumen
der Nanostruktur speichern. Das heißt, durch einen nicht-dissoziativen
Mechanismus im Gegensatz zu einer Chemisorptionsmethode wie einer
Palladium-Wasserstoffabsorption, bei der das Wasserstoffmolekül gespalten
wird und atomarer Wasserstoff durch Palladium gehalten wird. Es
ist besonders bevorzugt, dass die Nanostrukturen der vorliegenden
Erfindung im Wesentlichen geordnet sind. Das heißt, dass sie im Wesentlichen
in ihrer Gesamtheit eine Graphitstruktur mit einer Kristallinität von mindestens
90%, und insbesondere im Wesentlichen von circa 100%, aufweisen,
und einen Abstand zwischen den flachen Graphitschichten von im Wesentlichen
0.335 nm. In der Graphitstruktur sind die π-Elektronen nicht mit einem
individuellen Kohlenstoffatom assoziert, sondern gleichmäßig auf
alle Kohlenstoffatome in der Graphitschicht aufgeteilt. Als Ergebnis
wird jede flache Graphitschicht eine Elektronenwolke oberhalb und
unterhalb der Schicht aufweisen. Dieses Merkmal verleiht dem Material
einen bestimmen Grad an metallischem Charakter und ermöglicht chemische
Wechselwirkungen mit bestimmten Gas- und Dampfinolekülen, wodurch
verursacht wird, dass sie an die Graphitoberflächen stark gebunden (chemisorbiert)
sind. Im Gegensatz dazu ist Aktivkohle typischerweise amorph (nicht-graphitisch)
und ist deshalb aus einem nicht-geordneten Material aufgebaut, das keineü verfügbaren Elektronenwolken
für chemische
Wechselwirkungen aufweist. In einem solchen Fall werden Gas- und
Dampfmoleküle
an die Oberfläche
durch relativ schwache physikalische Kräfte gehalten (physisorbiert),
und deshalb tendieren ausgewählte
Gasmoleküle
dazu, sich innerhalb der Mikroporen des festen Kohlenstoffs zu befinden.
Um diesen physikalischen Absorptionsprozess zu verstärken, ist
es notwendig, die Temperatur solcher Materialien bei einem sehr
niedrigen Temperaturniveau zu halten, typischerweise bei –196°C.
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Die Kohlenstoff-Nanostrukturen sind
Kohlenstoffnanofasern. Typischerweise ist die Nanostruktur im Wesentlichen
graphitisch, und im Falle von Kohlenstoffnanofasern werden die Zwischenräume durch
den Abstand zwischen flachen Graphitschichten von circa 0.335 nm
gebildet. Der Ausdruck „Kohlenstofffilamente", „Kohlenstoff
Whisker", „Kohlenstoffnanofasein"
und „Kohlenstofffibrillen"
werden von einem Fachmann auf diesem Gebiet manchmal austauschbar
verwendet.
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Für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind Kohlenstofffibrillen,
die manchmal als Kohlenstoffnanoröhrchen bezeichnet werden, von
der Art, wie sie in den U. S.-Patenten 4,663,230 und 5,165,909 beschrieben
wird, von denen beide durch Bezugnahme darauf Be- standteil dieser
Beschreibung sind. Kohlenstoffibrillen werden als im Wesentlichen
zylindri sche diskrete Strukturen beschrieben, die charakterisiert
sind durch einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser zwischen
circa 3.5 nm und 70 nm, eine Länge
von größer als circa
dem Fünffachen,
und vorzugsweise dem Hundertfachen des Durchmessers, und einem äußeren Bereich von
mehreren im Wesentlichen kontinuierlichen Schichten geordneter Kohlenstoff
atome mit c-Achsen, die im Wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse
der Fibrille sind, und mit einem deutlich ausgebildeten Kernbereich. Die
Kohlenstofffibrillen werden katalytisch durch thermische Zersetzung
einer gasförmigen
Kohlenstoff enthaltenden Verbindung hergestellt.
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Kohlenstoffnanoröhrchen sind, anders als die,
die manchmal auch als Kohlenstofffbrillen bezeichnet werden, typischerweise
vom Fulleren-Typ. Solche Strukturen werden in einer Arbeit von M.S.
Dresselhaus et. al., mit dem Titel Fullerenes, auf den Seiten 2087–2092 im
Journal of Materials Research, Band 8, Nr. 8, August 1993 beschrieben;
diese Arbeit wird durch Bezugnahme darauf Bestandteil dieser Beschreibung.
Fullerene sind Cπ-Käfigmoleküle aus einer Kollektion hexagonaler
und pentagonaler Flächen.
Die C60-Fullerene werden typischerweise
als „Buckminsterfullerene"
oder einfach „Buckyballs"
beschrieben. C60-abgeleitete Röhrchen können auf
einfachste Weise definiert werden durch Teilen eines C60-Moleküls am Äquator und
Verbinden der zwei resultierenden Halbkugeln mit einem zylindrischen
Rohr mit einer Dicke einer Monoschicht und mit dem gleichen Durchmesser
wie C60. Kohlenstoffnanoröhrchen können auch
definiert werden als im Wesentlichen Hohlstrukturen aus im Wesentlichen
parallelen Graphitschichten, die in einem Abstand von circa 0.335
nm bis 0.67 nm voneinander angeordnet sind.
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Kohlenstoffnanohüllen (nanoshells), manchmal
auch als Kohlenstoffnanoteilchen bezeichnet, sind typischerweise
polyedrische schichtförmige
Strukturen aus mehreren Kohlenstoff schichten, die im Wesentlichen
geschlossene Hüllen
um Hohlräume
verschiedener Formen und Größen bilden.
Solche Materialien werden beschrieben in einer Arbeit mit dem Titel „Encapsulation
Of Lanthanum Carbide In Carbon Nanotubes And Carbon Nanoparticles"
von Mingqui Liu and John M. Cowley; Carbon, Band 33, Nr. 2, Seiten
225–232;
Elsevier Science Inc., 1995. Für
Zwecke der vorliegenden Erfindung wird ein Metall, das dazu fähig ist,
dissoziativ Wasserstoff zu absorbieren, wie zum Beispiel Lanthan
und Magnesium, in den Hohl- raum oder hohlen inneren Kern der Kohlenstoffnanohülle eingebaut.
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Die Kohlenstoffnanofasern, die die
bevorzugten Kohlenstoff Nanostrukturen der vorliegenden Erfindung
sind, werden hergestellt, indem man sie unter Verwendung eines geeigneten
Katalysators in Gegenwart einer wirksamen Kohlenstoff enthaltenden
Verbindung wachsen lässt.
Sie werden vorzugsweise aus nicht-gestützten katalytischen Metallpulvern
hergestellt; sie können
aber auch auf einem Substrat, auf dem ein katalytischer Metallteilchen-Vorläufer abgeschieden
wurde, hergestellt werden. Nicht-beschränkende Beispiele geeigneter
Substratmaterialien, von denen die Kohlenstoffnanofasern wachsengelassen
werden können,
umfassen: Kohlenstoffmaterialien, insbesondere Kohlenstofffasern;
Oxide, wie zum Beispiel Aluminium oxid und Siliciumoxid; Carbide,
wie zum Beispiel Siliciumcarbid; Nitride, wie zum Beispiel Siliciumnitrid;
und Metallsubstrate, wie zum Beispiel einen Metalldraht, -netz und
-sieb; Cel- lulosematerial; und Polymerschaum. Bevorzugt ist es,
dass das Substrat in einer Form ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus einer Folie, einer Faser und einem Pulver. Wenn ein Metallsubstrat
verwendet wird, aus dem die Nanofasern der vorliegenden Erfindung
wachsengelassen werden, ist es bevorzugt, dass das Metall nicht
ein solches ist, in dem Kohlenstoff leicht aufgelöst werden
kann. Bevorzugte Metallsubstrate sind solche aus Ti, Ta und Al.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann auch eine Mischung aus
Metallpulvern verwendet werden kann. Das heißt, worin alle Teilchen katalytische
Teilchen sind; von denen ein Teil der Teilchen nicht katalytisch
sind; wie zum Beispiel Keramikteilchen. Wie bereits erwähnt, ist
es bei der praktischen Durchführung
der vorlegenden Erfindung besonders bevorzugt, dass die Nanofasern
ohne Verwendung eines Substrats wachsengelassen werden.
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Katalysatoren, die zum Wachsenlassen
der Kohlenstoffnanofasern der vorliegenden Erfin- dung geeignet
sind, sind Metalle der Gruppe VIII, vorzugsweise Katalysatoren auf
Fe- und Ni-Basis. Die Katalysatoren sind typischerweise Legierungen
oder Multimetalle aus einem ersten Metall ausgewählt aus den Metallen der Gruppe
IB des Periodischen Systems der Elemente, und einem zweiten Metall
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Fe, Ni, Co; Zn oder Mischungen davon.
Metalle der Gruppe IB sind Cu, Ag und Au. Bevorzugt sind Cu und
Ag, wobei Cu besonders bevorzugt ist. Die Metalle der Gruppe IB
sind in einer Menge im Bereich von circa 0.5 bis 99 at.% (Atom-%)
vorhanden. Es kann auch ein drittes Metall vorhanden sein. Obwohl
es im Hinblick auf die Art des besonderen dritten Metalls keine
Beschränkung
gibt, ist es bevorzugt, dass es aus der Gruppe ausgewählt ist
bestehend aus Ti, W, Sn und Ta. Wenn ein drittes Metall vorhanden
ist, substituiert es bis zu circa 20 at.%, vorzugsweise bis zu circa
10 at.%, und insbesondere bis zu circa 5 at.% des zweiten Metalls.
Bevorzugt ist es, dass der Katalysator aus Kupfer in Kombination
mit Fe, Ni oder Co besteht. Von einem ökonomischen Gesichtspunkt aus
ist Kupfer in Kombination mit Fe und Ni besonders bevorzugt. Das
heißt,
ein Katalysator, in dem Fe anstelle von einem Teil des Ni verwendet
wird, würde
weniger teuer sein als ein Katalysator, der aus Cu nur in Kombination
mit Ni besteht.
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Die Form der Nanofasern kann irgendeine
geeignete Form sein. Nicht-beschränkende Beispiele geeigneter
Formen umfassen geradlinige, verzweigte, verdrillte, spirale, helicale,
aufgewickelte und bandförmige Formen.
Die am meisten bevorzugte Form für
eine Wasserstoffspeicherung sind verzweigte und geradlinige Nanofasern.
Die flachen Graphitschichten können
verschiedene Orientierungen aufweisen. Sie können zum Beispiel senkrecht
oder in einem Winkel zu der Längsachse
der Nanofaser angeordnet sein. Die spezifische Oberfläche der
Kohlenstoffnanofasern kann außerdem
durch sorgfältige
Aktivierung mit einem geeigneten Ätzmittel, wie zum Beispiel
Kohlendioxid, Dampf, oder die Verwendung eines ausgewählten Katalysators,
wie zum Beispiel eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, erhöht sein.
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Bis zu einem beträchtlichen Grad können die
strukturellen Formen der Filamente der vorliegenden Erfindung kontrolliert
werden. Die Verwendung eines Katalysators, der nur aus Eisen besteht,
wird zum Beispiel vorzugsweise geradlinige Filamente bilden, in
denen die flachen Graphitschichten im Wesentlichen senkrecht zur
Längsachse
der Filamente sind. Der Abstand zwischen den Schichten (die Zwischenräume) liegt
zwischen circa 0.335 nm und 0.67 nm, und vorzugsweise zwischen circa
0.335 nm bis 0.40 nm. Besonders bevorzugt ist es, dass der Abstand
so nahe wie möglich
bei 0.335 nm liegt, das heißt,
dass er im Wesentlichen 0.335 nm beträgt. Der Katalysator kann auch
bis zu circa 99 at.%, sogar bis zu circa 70 at.%, oder sogar bis
zu circa 50 at.%, vorzugsweise bis zu circa 30 at.%, insbesondere
bis zu circa 10 at.% und in erster Linie bis zu circa 5 at.% Kupfer
enthalten, wobei der Rest ein Metall der Gruppe VIII ist, vorzugsweise
Nickel oder Eisen, insbesondere Eisen. Katalysatoren mit einem hohen
Kupfergehalt (70 at.% bis 99 at.%) bilden typischerweise Filamente,
die vorzugsweise helical oder gewickelt sind, und die eine relativ
geringe Kristallinität
(von circa 5 bis 25%) besitzen. Niedrigere Konzentrationen an Kupfer,
zum Beispiel 0.5 bis 30 at.%, weisen die Tendenz auf, dass sie spirale
und verzweigte Filamente bilden, während ein Katalysator mit circa
30 bis 50 at.%, vorzugsweise 30 bis 50 at.% Kupfer vorzugsweise
verzweigte Filamente bildet.
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Wasserstoff kann in der Kohlenstoff
Nanostruktur absorbiert, und zu einem kleineren Grad adsorbiert werden,
indem man Wasserstoff in einen geeigneten Behälter einbringt, der die Kohlenstoff
Nanostrukturen der vorliegenden Erfindung enthält. Typischerweise wird der
Wasserstoff in einen Behälter,
der ein Bett aus diesen Kohlenstoff Nanostrukturen enthält, bei
einem Druck eingebracht, der die Absorption von Wasserstoff in den
Zwischenräumen
der Nanostruktur fördert.
Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegt es, dass
der Behälter
die aus einem Substrat, vorzugsweise einer Kohlenstoifffaser, gewonnenen
Nanostrukturen enthält.
Wenn die Nanostrukturen Kohlenstoffnanofasern sind, die den Kriterien
der vorliegenden Erfindung entsprechen, wird ein Wasserstoffdruck
von mindestens circa 40 kPa (300 Torr) bis zum Druck der Nanostruktursättigung
verwendet (der möglicherweise
so hoch wie einige tausend Torr ist). Bevorzugt ist es, dass mindestens
46.7 Pa (350 Torr), insbesondere mindestens circa 53.3 kPa (400
Torr), und in erster Linie mindestens circa 66.7 kPa (500 Torr)
verwendet werden. Ein Torr ist eine Druckeinheit, die circa 1.316 × 103 Atmosphären entspricht.
Die Temperatur, bei der der Wasserstoff in den Kohlenstoff Nanostrukturen
absorbiert wird, ist irgendeine geeignete Temperatur. Bevorzugt
sind Temperaturen von circa Raumtemperatur (22°C) bis circa 400°C, vorzugsweise
von circa 200°C
bis 400°C,
insbesondere von circa 300°C
bis 400°C.
Wasserstoff kann außerdem
in den Nanofasern bei im Wesentlichen Raumtemperaturen und Drucken
während
eines verlängerten
Zeitraums gespeichert werden, obwohl es wünschenswert sein kann, Temperaturen
von weniger als Raumtemperatur und Drucke von höher als Atmosphärendruck
zu verwenden. Andere Kohlenstoffmaterialien, wie zum Beispiel Aktivkohle,
erfordert extrem niedrige Temperaturen, um den Wasserstoff in der
Struktur zu halten. Wie vorstehend angegeben, beruht dies in erster
Linie darauf, dass Materialien, wie zum Beispiel Aktivkohle, keine
Chemisorptionseigenschaften in Bezug auf Wasserstoff besitzen. Bevorzugt
ist es, dass die Nanostrukturen der vorliegenden Erfindung mindestens
4 Liter, insbesondere mindestens circa 8 Liter, in erster Linie
mindestens circa 16 Liter, und sogar bis zu circa 24 Liter Wasserstoff
aufweisen, der darin pro Gramm des Nanostrukturmaterials gespeichert
ist.
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Wenn ein Substrat zur Herstellung
der Nanofasern der vorliegenden Erfindung verwendet wird, können konventionelle
Methoden verwendet werden, um einen Katalysatormetall-Vorläufer auf
der Oberfläche
des Substrats abzuscheiden. Nicht-beschränkende Beispiele sol- cher
Methoden umfassen eine anfängliche
Nassmethode, Verdampfung, und, wenn das Substrat leitend ist, eine
elektrolytische Abscheidung. Eine typische anfängliche Nassmethode umfasst
das Lösen
eines geeigneten Salzes jedes Metalls des Katalysators in einem
geeigneten Lösungsmittel,
dann Benetzen des Substrats, zum Beispiel von Kohlenstofffasern;
mit der Salzlösung.
Das benetzte Substrat wird dann bei einer Temperatur von mehr als
100°C, vorzugsweise
von circa 105°C
bis circa 120°C,
und insbesondere bei circa 110°C,
getrocknet. Nach dem Trocknen wird es bei einer Temperatur von circa
200°C bis
300°C kalziniert,
wobei die individuellen Metalle in ihre Oxidform überführt werden.
Das so behandelte Substrat wird dann in einer Wasserstoff enthaltenden
Atmosphäre
bei einer Temperatur von circa 400°C bis circa 600°C, vorzugsweise
von circa 450°C
bis 550°C,
während
eines ausreichenden Zeitraums erhitzt, um den Katalysator in einer
geeigneten katalytischen Form herzustellen. Unter ausreichendem
Zeitraum wird ein Zeitraum verstanden, der benötigt wird, um im Wesentlichen
die gesamten Metalloxide in den entsprechenden multimetallischen
Zustand mit einer geeigneten Teilchengröße zu reduzieren. Geeignete
Teilchengrößen sind
von circa 25Å bis
circa 1500Å,
vorzugsweise von circa 50Å bis
circa 1000Å,
und insbesondere von circa 50Å bis
circa 200Å.
Die Katalysatorteilchengröße bestimmt
den Durchmesser der Nanofaser.
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Metallsalze, die zur Verwendung in
der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind Salze, die in Wasser
sowie in organischen Lösungsmitteln
löslich
sind. Nicht-beschränkende
Beispiele von wasserlöslichen
Salzen, die dafür
geeignet sind, umfassen Nitrate, Sulfate und Chloride. Nicht-beschränkende Beispiele
von Salzen; die in organischen Lösungsmitteln
löslich
sind, und hier geeignet sind, umfassen Formiate, Acetate und Oxalate.
Bevorzugt sind die in organischem Lösungsmittel löslichen
Salze, weil das Substrat, wenn es aus Kohlenstofffasern besteht,
nicht vorbehandelt werden muss. Wenn das Substrat ein keramisches
Oxid, Nitrid oder Borid ist, sind jedoch wasserlösliche Salze bevorzugt. Nicht-beschränkende Beispiele
von organischen Lösungsntteln,
die hier zur Verwendung geeignet sind, umfassen: Alkohole, wie zum
Beispiel Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol; Ketone, wie zum
Beispiel Aceton; Acetate und Ester; und aromatische Verbindungen,
wie zum Beispiel Benzol und Toluol.
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Wenn eine wässerige Lösung eines Metallsalzes verwendet
wird, ist es bevorzugt, dass die Oberfläche des Substrats, wenn es
aus Kohlenstofffasern besteht, vorbehandelt wird, um die Oberfläche für den Katalysator
akzeptierbarer zu machen. Eine bevorzugte Methode zum Vorbehandeln
der Kohlenstofffasern ist es, die Faseroberfläche unter Verwendung von atomarem
Sauerstoff, oder einer Verbindung, die atomaren Sauerstoff in einem
Plasma bildet, zu oxidieren. Obwohl auch ein Oxidationsmittel, wie
zum Beispiel Salpetersäure,
verwendet werden kann, ist dies nicht bevorzugt, weil hier die Tendenz
auftreten könnte,
nur die Fehlstellen der Oberfläche
zu oxidieren, anstelle im Wesentlichen die gesamte Oberfläche wie
bei atomarem Sauerstoff Die Oberfläche des Substrats wird vorzugsweise
mit atomarem Sauerstoff während
eines wirksamen Zeitraums bei etwa Raumtemperatur behandelt. Unter
wirksamem Zeitraum wird ein Zeitraum verstanden, vorzugsweise der
minimale Zeitraum, der benötigt
wird, um im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Kohlenstofffasern zu
oxidieren.
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Wenn eine Verdampfungsmethode verwendet
wird, um den Katalysatorvorläufer
abzuscheideg werden flüchtige
Metallsalze, wie zum Beispiel Carbonyle, oder elementares Metall
verwendet. Die Verdampfung kann mit irgendeiner geeigneten Methode,
wie zum Beispiel der Dampfabscheidung, durchgeführt werden.
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Die Nanofasern der vorliegenden Erfindung
werden hergestellt, indem man den Katalysator in einer Heizzone
mit dem Dampf einer geeigneten Kohlenstoff enthaltenden Verbindung
während
eines wirksamen Zeitraums reagieren läßt. Unter einem wirksamen Zeitraum
wird der Zeitraum verstanden, der benötigt wird, um die gewünschte Nanofaser-Strukturanordnung
zu erhalten. Dieser Zeitraum beträgt im Allgemeinen circa 10
Minuten bis circa 8 Stunden, vorzugsweise circa 10 Minuten bis circa
6 Stunden, insbesondere circa 15 Minuten bis 2 Stunden; und in erster
Linie circa 15 Minuten bis circa 1 Stunde. Die Heizzone wird bei
einer Temperatur von der Zersetzungstemperatur der Kohlenstoff enthaltenden
Verbindung bis zur Deaktivierungstemperatur des Katalysators gehalten.
Im Allgemeinen reicht diese Temperatur von circa 500°C bis circa
700°C, und
vorzugsweise von circa 550°C
bis circa 650°C.
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Kohlenstoff enthaltende Verbindungen,
die für
praktische Durchführung
der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind Verbindungen, die
hauptsächlich
aus Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen bestehen, obwohl auch
Kohlenmonoxid verwendet werden kann. Die Kohlenstoff enthaltende
Verbindung, die typischerweise in die Heizzone in gasförmiger Form
eingebracht wird, besitzt im Allgemeinen nicht mehr als 8 Kohlenstoffatome,
vorzugsweise nicht mehr als 6 Kohlenstoffatome, insbesondere nicht
mehr als 4 Kohlenstoffatome, und in erster Linie nicht mehr als
2 Kohlenstoffatome. Nicht-beschränkende
Beispiele solcher Verbindungen umfassen CO, Methan, Ethan, Ethylen,
Acetylen, Propan, Propylen, Butan, Buten, Butadien, Pentan, Penten,
Cyclopentadien, Hexan, Cyclohexan, Benzol, Toluol. Kombinationen
von Gasen sind bevorzugt, insbesondere Kohlenmonoxid und Ethylen.
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Zweckmäßigerweise ist in der Heizzone
eine wirksame Menge an Wasserstoff vorhanden. Unter wirksamer Menge
wird die Mindestmenge von Wasserstoff verstanden, die eine reine
Katalysatoroberfläche
(frei von Kohlenstoffrückstand)
aufrechterhält,
aber nicht so viel, dass eine übermäßige hydrierende
Vergasung oder ein Abbrennen des Kohlenstoffs aus den Nano fasern
und/oder der Fasersubstratstruktur, wenn vorhanden, verursacht wird.
Im Allgemeinen liegt die Menge an vorhandenem Wasserstoff im Bereich
von circa 5 bis 40 Vol.-%, vorzugsweise von circa 10 bis 30 Vol.-%,
und insbesondere von circa 15 bis 25 Vol.-%. Wasserstoff dient zwei
konkurrierenden Funktionen. Auf der einen Seite wirkt er zum Beispiel
als Reinigungsmittel für
den Katalysator, und auf der anderen Seite verursacht er eine hydrierende
Vergasung, oder eine Kohlenstoffverbrennung der Kohlenstoffstruktur.
Für einige
Katalysatorsysteme, wie zum Beispiel Cu : Fe, ist die hydrierende Vergasung
relativ langsam, und es wird deshalb eine wirksame Menge an Wasserstoff
benötigt,
um den Katalysator zu reinigen, um ihn frei von Kohlenstoffrückständen zu
halten und seine Aktivität
aufrechtzuerhalten. Für
andere Katalysatorsysteme, wie zum Beispiel Cu : Ni, wo die Aktivität so hoch
ist; dass eine übermäßige hydrierende
Vergasung auftritt, wird sogar bei relativ niedrigen Gehalten an
Wasserstoff, wenig, wenn überhaupt,
Wasserstoff in der Heizzone benötigt.
Das Cu : Ni ist so aktiv, dass es im Wesentlichen den gesamten Kohlenstoff,
der darauf abgeschieden ist, zur Bildung von Nanofasern verwendet,
und deshalb ist im Allgemeinen kein Kohlenstoffrückstand vorhanden, der entfernt
werden muss.
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Nachdem die Nanofasern ausgebildet
sind, kann es zweckmäßig sein,
die Endstruktur mit einer wässerigen
Lösung
einer anorganischen Säure,
wie zum Beispiel einer Mineralsäure,
zu behandeln, um einen Überschuss
von Katalysatorteilchen zu entfernen. Nicht-beschränkende Beispiele
von Mineralsäuren,
die verwendet werden können,
umfassen Schwefelsäure,
Salpetersäure
und Salzsäure.
Bevorzugt ist Salzsäure.
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Die Ränder der flachen Graphitschichten
können
mit einem geeigneten Ätzmittel,
vorzugsweise Kohlendioxid, Dampf, oder einem geeigneten Katalysator,
wie zum Beispiel einem Alkali- oder Erdalkalimetall, geätzt werden.
Die Nanofasern der vorliegenden Erfindung sind auch zur Speicherung
anderer kleiner Gasmoleküle
geeignet, wie zum Beispiel von He, O2, NO,
N2O,NH3, CO, CO2 und CH4, die ebenfalls
zwischen den Schichten gespeichert werden können.
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Innerhalb des Rahmens der vorliegenden
Erfindung fällt
auch die Behandlung der Nanostrukturen, um kleinere Mengen (circa
1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Nanostruktur)
eines Metalles aufzuweisen, vorzugsweise ein Übergangsmetall, das zur dissoziativen
Absorption von Wasserstoff fähig ist.
Bevorzugte Übergangsmetall-Dissoziationsmittel
umfassen Pd, Pt, Ni, oder alternativ ein Metall ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, La und Mg, das
dissoziativ Wasserstoff absorbieren kann.
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Die vorliegende Erfindung wird unter
Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele detaillierter beschrieben,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung darauf zu beschränken.
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Beispiel 1
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Eine Serie von Versuchen wurde durchgeführt unter
Verwendung von 100 mg Proben eines Kupfer : Nickel-Bimetallpulvers
(Cu : Ni-Verhältnis
= 3 : 7). Jede Probe wurde in ein Quarzglas-Reaktorrohr mit einem Durchmesser
von 2 inch bei Raumtemperatur (circa 22°C) gegeben und dann auf eine
Temperatur von 350°C in
einer 10% Wasserstoff/Helium-Mischung
bei einer Fließrate
von 100 Standard-Kubikzentimeter pro Minute (sccm) in einem greifbaggerartigen
elektrischen Ofen erhitzt. Diese Bedingungen wurden 30 Minuten aufrechterhalten,
dann der Wasserstoffdurchfluss gestoppt, und die Probe zur gewünschten
Reaktionstemperatur nur in Gegenwart von Helium gebracht. Nach Erreichen
der gewünschten
Reaktionstemperatur wurde der Heliumstrom durch einen Ethylenstrom
(100 sccm) ersetzt und die Reaktion 90 Minuten lang durchgeführt. Danach wurde
der Ethylenstrom durch einen Heliumstrom ersetzt. Die Probe wurde
auf Raumtemperatur abgekühlt und
wieder gewogen, um die Menge an gebildetem Kohlenstoff zu bestimmen.
Die Gewichtsveränderungen der
Proben sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben.
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Tabelle
I
Wirkung der Temperatur auf die Kohlenstoff-Nanofaserbildung
durch Wechselwirkung von Cu : Ni (3 : 7) mit Ethylen
-
Eine nachfolgende Prüfung der
Kohlenstoffabscheidungen in einem Rasterelektronenmikroskop zeigte,
dass der Kohlenstoff vollständig
eine faserige oder Nanofaserform aufwies.
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Beispiel 2
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Es wurde nach dem experimentellen
Verfahren des Beispiels 1 gearbeitet; mit der Ausnahme, dass die
Zusammensetzung der Kupfer : Nickel-Bimetallpulver von 80 : 20 bis
0 : 100 geändert
wurde, und die Reaktionstemperatur bei 650°C gehalten wurde. Die Gewichtsänderungen
auf Grund der Kohlenstoffbildung auf den Bimetallpulvern ist in
der nachstehenden Tabelle II angegeben.
Tabelle
II
Wirkung der Katalysatorzusammensetzung auf die Bildung von
Kohlenstoffnanofasern
| Katalysatorzusammensetzung
Cu : Ni-Verhältnis | % Überführung von
Ethylen in Kohlenstoff |
| 80
: 20 | 9.8 |
| 70
: 30 | 59.6 |
| 50
: 50 | 71.0 |
| 30
: 70 | 69.2 |
| 20
: 80 | 63.7 |
| 10
: 90 | 54.3 |
| 0 :
100 | 31.1 |
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Beispiel 3
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Es wurde nach dem gleichen experimentellen
Verfahren wie in Beispiel 1 gearbeitet, mit der Ausnahme, dass die
Reaktionszeit von 0.5 bis 8 Stunden geändert wurde, und die Reaktionstemperatur
wurde auf 600°C
gehalten. Die Gewichtsänderungen
auf Grund der Kohlenstoffbildung auf den Bimetallpulvern sind in der
nachstehenden Tabelle III angegeben. Tabelle
III
Wirkung der Reaktionszeit auf die Ausbeute an Kohlenstoffnanofaser
| Reaktionszeit
(Std.) | % Überführung von
Ethylen in Kohlenstoff |
| 0.5 | 59.5 |
| 1.0 | 67.3 |
| 1.5 | 66.0 |
| 2.0 | 62.4 |
| 3.0 | 58.7 |
| 4.0 | 56.9 |
| 5.0 | 57.8 |
| 6.0 | 56.1 |
| 8.0 | 50.2 |
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In einer Reihe von Vergleichsversuchen
wurden 100 mg Eisen und Nickel und verschiedene Bimetalle dieser
Metalle in ein im Beispiel 1 beschriebenes Reaktorsystem gegeben,
dann anfänglich
in einer 10% Wasserstoff/Helium-Mischung (100 sccm) bei 350°C 30 Minuten
lang erhitzt. Nach dieser Behandlung wurden die Proben auf eine
Temperatur von 600°C
in Helium gebracht. Das Helium wurde durch einen Strom von Ethylen/Wasserstoff
ersetzt, worin das Verhältnis
von Kohlenwasserstoff/Wasserstoff für eine konstante Reaktion von
1.5 Stunden systematisch von 100/0 auf 10/90 variiert wurde. Die
aus diesen Versuchen erhaltenen Daten sind in der nachfolgenden
Tabelle IV angegeben.
-
Tabelle
IV
Ausbeute an Kohlenstoffnanofaser (%) aus verschiedenen Katalysatoren
als Funktion des Ethylen/Wasserstoff Verhältnisses
-
Beispiel 5
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In einer anderen Versuchsreihe wurden
5 Gew.-% eines Katalysators, der aus verschiedenen Verhältnissen
von Kupfer und Nickel bestand, auf Kohlenstofffasern (T-300) abgeschieden.
Dieses Kohlenstofffaser-unterstützte
Katalysatorsystem wurde zunächst
in Luft bei 300°C
während
0.5 Stunden kalziniert und dann in Wasserstoff bei 300°C während 1
Stunde reduziert. Nach dieser Behandlung wurde der gestützte Katalysator
in der in Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtung in einer Ethylen/Wasserstoff
(1 : 1)-Mischung bei 600°C
während
2.0 Stunden umgesetzt. Nach der Umsetzung wurden die Proben auf
Raumtemperatur in Helium abgekühlt
und die Ausbeute an gebildeten Kohlenstoffnanofasern auf den Stammfasern
durch Gewichtsdifferenz bestimmt. Die Werte sind in der nachstehenden
Tabelle V angegeben. Tabelle
V
Wirkung der Katalysatorzusammensetzung auf die Herstellung
von Kohlenstoffnanofasern auf Kohlenstofffasern
| Katalysatorzusammensetzung
Cu : Ni-Verhältnis | Gramm
an abgeschiedenem Kohlenstoff |
| 50
: 20 | 0.017 |
| 50
: 50 | 0.225 |
| 20
: 80 | 0.460 |
| 10
: 90 | 0.502 |
| 0 :
100 | 0.355 |
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Beispiel 6
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Aus der Wechselwirkung von Eisen
mit einem Reaktanten aus einer Mischung aus Kohlenmonoxid, Ethylen
und Wasserstoff bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1100°C wurden
im Wesentlichen geradlinige Kohlenstoffnanofasern hergestellt. Optimale
Filamentausbeuten wurden bei 600°C
aus einer Gasmischung der Zusammensetzung Ethylen, Kohlenmonoxid
und Wasserstoff (3 : 1 : 1) festgestellt. Aus Untersuchungen mittels
hochauflösender
Durchstrahlungs-Elektronenmikroskopie wurde gefunden, dass, wenn
der Katalysator in Form von nichtunterstütztem Eisenpulver vorlag, die
gebildeten Nanofaserstrukturen eine Stapelstruktur aufwiesen, in
der die flachen Graphitschichten im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
der Nanofasern orientiert waren. Der gemessene Abstand zwischen
den flachen Graphitschichten betrug 0.335 nm. Wenn der Eisenkatalysator
auf einem geeigneten Stützmedium,
wie zum Beispiel Graphit, Siliciumdioxid, oder γ-Aluminiumoxid, dispergiert
war, war die Struktur der Nanofasern eine solche, in der die flachen
Graphitschichten in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel
zur Achse der Faser war, angeordnet waren. Nicht-gestützte Katalysatoren
sind deshalb zur Herstellung der am meisten bevorzugten Kohlenstoff
Nanostruktur der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
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Die nachstehende Tabelle VI zeigt
die Wirkung der Gaszusammensetzung auf die Ausbeute an geradlinigen
Kohlenstoffnanofasern aus der Wechselwirkung von C
2H
4-CO-H
2 mit ungestütztem Eisenpulver
bei 600°C
und 60 Minuten. Die Tabelle zeigt auch die Bedeutung der Verwendung
von Kohlenmonoxid in der Gasmischung zur Herstellung von Kohlenstoffnanofasern
aus einem Fe-Katalysator.
Tabelle
VI
| C2H4-CO-H2 Mol-Verhältnis | %
Kohlenstoffnanofaser Ausbeute |
| 80
: 0 : 20 | 0.51 |
| 73
: 7 : 20 | 20.3 |
| 68
: 12 : 20 | 50.3 |
| 60
: 20 : 20 | 68.1 |
| 38
: 42 : 20 | 67.9 |
| 17
: 63 : 20 | 45.9 |
| 0 :
80 : 20 | 21.9 |
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Vergleichsbeispiel A und Beispiel
-
0.397 g Aktivkohle (Norit F) und
0.075 g Kohlenstoffnanofasern (90%–100% Kristallinität und 0.335
nm bis 0.40 nm Abstand zwischen den flachen Graphitschichten) wurden
getrennt von Raumtemperatur (22°C) auf
925°C in
N2 erhitzt, und dann auf Raumtemperatur
abkühlengelassen.
Die Kohlenstoffnanofasern wurden aus einem nicht-gestützten Cu
: Ni(3 : 7)-Bimetallkatalysatorpulver
mit Ethylen und Wasserstoff bei einem Verhältnis von 4 zu 1 bei 600°C hergestellt.
Die Nanofasern wiesen eine Kristallinität von mehr als 90%. Der aktive Kohlenwasserstoff
besaß weniger
als 5% Kristallinität.
Für jede
Probe wurde ein getrennter Versuch durchgeführt, indem man sie in die Pyrex-U-Rohr-Probenkammer
eines Coulter Omnisorb 100CX Unit-Gerätes gab und bei Raumtemperatur
evakuierte, dann mit He bei 150°C
spülte,
um sorbierte Gasspezien aus der Probe zu entfernen. Die Probe wurde
dann auf eine Temperatur von –196°C gebracht.
Dem System wurden dann steigende Mengen an Wasserstoff sequentiell
zudosiert und der Druck bei jeder Stufe der Sequenz bis zur Erreichung
des Gleichgewichtes belassen. Diese Arbeitsweise wurde bis zu einem
Maximum von 220 Torr fortgesetzt. Dies stellt den Absorptionsteil
des Verfahrens dar. Wenn der maximale Druck erreicht war, wurde
der Desorptionsteil des Verfahrens begonnen, worin der Druck des
Systems sequentiell durch Evakuieren reduziert wurde; bis ein Druck
von 0 Torr eneicht war.
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Das Volumen an Wasserstoff, das während dieses
Vorgangs sorbiert und desorbiert wurde, wurde als Funktion des Drucks
gemessen und in Form von Sorptions- und Desorptionsisothermen dargestellt,
die in den IA und IB dargestellt
sind.
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Die Differenz zwischen den Sorptions
(Adsorption/Absorption)- und Desorptionsisothermen stellt die Menge
an irreversibel zurückgehaltenem
(gespeichertem) Wasserstoff dar. Für Aktivkohle (IA)
ist die Menge an gespeichertem Wasserstoff fast vernachlässigbar,
während
es für
die Kohlenstoffnanofasern der vorliegenden Erfindung (IB) ersichtlich ist, dass eine beträchtliche
Menge an Wasserstoff in der Nanostruktur nach der Evakuierung auf
0 Druck bei –196°C absorbiert
(gespeichert) verblieb. Der Wasserstoff wird leicht durch Erhitzen
auf eine Temperatur von mehr als 100°C freigesetzt.
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Vergleichsbeispiel B und Beispiel 8
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Es wurde nach der vorstehenden Arbeitsweise
gearbeitet, mit der Ausnahme, dass 0.235 g Aktivkohle und 0.178
g Kohlenstoffnanofaser verwendet wurden und die Temperatur, bei
der die Isothermen gebildet wurden, 22°C betrug. Die resultierenden
Daten wurden wieder aufgetragen und sind in den IIA und IIB dargestellt. Für Aktivkohle (IIA)
ist die Menge an Wasserstoff, die absorbiert bleibt, fast vernachlässigbar, während es
für die
Kohlenstoffnanofasern der vorliegenden Erfindung (IIB)
ersichtlich ist, dass eine beträchtliche
Menge an Wasserstoff in der Nanostruktur nach Evakuierung auf 0
Torr Druck bei 22°C
absorbiert bleibt.
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Vergleichsbeispiel C und Beispiel 9
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Es wurde nach der vorstehenden Arbeitsweise
gearbeitet, mit der Ausnahme, dass 0.187 mg Aktivkohle und 0.088
g Kohlenstoffnanofaser verwendet wurden, und die Temperatur, bei
der die Isotherrnen gebildet wurden, 400°C betrug. Die resultierenden
Daten wurden wieder aufgetragen und sind in den IIIA und IIIB dargestellt. Für Aktivkohle (IIIa)
ist die Menge an Wasserstoff, der absorbiert bleibt, fast vernachlässigbar,
während
es für
die Kohlenstoffnanofasern der vorliegenden Erfindung (IIIB) ersichtlich ist, dass eine beträchtliche
Menge an Wasserstoff in der Nanostruktur nach Evakuierung auf 0
Torr Druck bei 400°C absorbiert
bleibt.
