WO2014195415A1 - Verfahren zur herstellung mehrwandiger kohlenstoffnanoröhrchen, mehrwandiges kohlenstoffnanoröhrchen und kohlenstoffnanoröhrchenpulver - Google Patents

Verfahren zur herstellung mehrwandiger kohlenstoffnanoröhrchen, mehrwandiges kohlenstoffnanoröhrchen und kohlenstoffnanoröhrchenpulver Download PDF

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carbon nanotubes
carbon nanotube
substrate
reactor
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Heiko Hocke
Oliver Felix-Karl SCHLÜTER
Volker Michele
Leslaw Mleczko
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Bayer Materialscience Ag
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    • C01P2006/11—Powder tap density

Definitions

  • the invention relates to a method for producing multi-walled carbon nanotubes. Furthermore, the invention relates to multi-walled carbon nanotubes and one of these
  • Carbon nanotube carbon nanotube powder Carbon nanotube carbon nanotube powder.
  • Carbon nanotubes in the prior art are understood to mean mainly cylindrical carbon tubes with a diameter between 3 and 100 nm and a length which is a multiple of the diameter. These tubes consist of one or more layers of ordered carbon atoms and have a different nucleus in morphology. These carbon nanotubes are for example also referred to as “carbon fibrils” or “hollow carbon fibers”. Carbon nanotubes have long been known in the literature. Although Iijima
  • CCVD Deposition of carbon from gaseous hydrocarbons at reaction conditions
  • Carbon donors called acetylene, methane, ethane, ethylene, butane, butene, butadiene, benzene and other carbon-containing reactants.
  • the catalysts usually include metals, metal oxides or decomposable or reducible metal components.
  • metals metal oxides or decomposable or reducible metal components.
  • candidate metals for metals Fe, Mo, Ni, V, Mn, Sn, Co, Cu and others are mentioned.
  • the individual metals usually alone have a tendency to catalyze the formation of nanotubes.
  • high yields of nanotubes and small amounts of amorphous carbons are advantageously achieved with metal catalysts containing a combination of the above-mentioned metals.
  • catalyst systems based on the prior art are based on combinations containing Fe or Ni.
  • the formation of carbon nanotubes and the properties of the formed tubes depend in complex ways on the metal component used as catalyst or a combination of several metal components, the carrier material used and the catalyst-carrier interaction, the reactant gas and partial pressure, an admixture of hydrogen or other gases , the reaction temperature and the residence time or the reactor used. Optimization represents a special challenge for a technical process.
  • the metal component used in the CCVD and referred to as a catalyst is consumed in the course of the synthesis process. This consumption is due to a deactivation of the metal component, for. B. due to deposition of carbon on the entire particle, which leads to the complete coverage of the particle (this is known to the skilled person as "Encapping".) A reactivation is usually not possible or economically not useful
  • the catalyst here comprises the whole of the support and the catalyst used, and owing to the described consumption of catalyst, a high yield of carbon nanotubes, based on the catalyst used, is an essential requirement for catalyst and process.
  • Typical structures of carbon nanotubes are those of the cylinder type (tubular structure).
  • the cylindrical structures are differentiated between single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). Common procedures to their
  • Production are eg arc discharge, laser ablation, chemical vapor deposition (CVD process) and catalytic vapor deposition (CCVD process).
  • CVD process chemical vapor deposition
  • CCVD process catalytic vapor deposition
  • Such cylindrical carbon tubes can also be produced.
  • Iijima (Nature 354, 1991, 56-8) reports the formation of carbon tubes in the arc process which consist of two or more graphene layers rolled up into a seamlessly closed cylinder and nested together. Depending on the rolling vector, chiral and achiral arrangements of the carbon atoms along the longitudinal axis of the carbon fiber are possible.
  • doped carbon nanotubes in which the properties of the tubes are modified by the doping of the carbon layers with foreign atoms.
  • Doped carbon nanotubes are promising candidates for further miniaturized nano-scale electronic circuits.
  • suitable and efficient production processes are required.
  • Oberlin, Endo and Koyama have described in the prior art a way of producing cylindrical carbon nanotubes (Carbon 14, 1976, 133) wherein aromatic hydrocarbons, such as benzene, are reacted on a metal catalyst at about 1100 ° C. in a fly-back reactor. This forms carbon nanotubes with a graphitic core, which is however covered with a coating of amorphous carbon.
  • a method for producing doped carbon nanotubes is known from WO 2009/080204 AI.
  • catalytic growth of nitrogen-doped carbon nanotubes takes place in a fluidized bed.
  • a targeted doping of the carbon nanotubes, in particular a different doping of the respective carbon layers, is not possible with the method.
  • an object of the present invention to provide a method for the production of carbon nanotubes, with which the number of graphene-like layers of carbon nanotubes can be directly increased.
  • the invention is based on the object to provide a method with which the thickness growth of carbon nanotubes can be adjusted specifically.
  • One of the objects of the invention is to provide a process by means of which carbon nanotubes can be produced with targeted doping in specific graphene-like layers.
  • the invention is based on the object to provide corresponding carbon nanotubes and a corresponding carbon nanotube powder available.
  • carbon nanotubes can be used as the substrate.
  • examples of carbon nanotube types are: single-wall nanotubes with a single graphene-like layer, multi-wall nanotubes with multiple graphene-like layers; Carbon nanotubes with a tubular structure, bamboo, winding or scroll structure; so-called capped carbon nanotubes, in which at least one tubular graphene-like layer is closed at their ends by fullerene hemispheres; or any combination of the aforementioned species and carbon nanofibers.
  • the substrate is placed in a moving bed of a reactor.
  • a reactor with a moving bed is procedurally delimited in particular by a fixed bed reactor and by a reactor without a bed, such as, for example, an entrained flow reactor.
  • the substrate In a reactor with a bed, the substrate is spatially located above a support.
  • the substrate In the case of a fixed bed reactor, for example, the substrate can be contained in an upwardly opened boat, the boat serving as a carrier here. The substrate is therefore in the process during the process
  • the substrate is mixed with a moving bed while performing the process.
  • the substrate is preferably first applied to the surface of a carrier, by which the substrate is held in the reactor and spatially localized.
  • the substrate is then mixed, for example by a movement of the carrier or by the passage of the substrate through a gas stream.
  • the mixing of the substrate leads to improved heat and mass transport within the substrate and to a more efficient reaction sequence.
  • the substrate is not spatially located above a support, but is moved through the reactor, for example along with a gas flow.
  • a moving bed reactor graphitic carbon can be deposited on the carbon nanotube.
  • a soot layer especially in the form of amorphous carbon, on the nanotubes was found.
  • Oberlin, Endo and Koyama have been unable to observe any graphitic deposition of carbon even in the case of a flow reactor, ie a bedless reactor.
  • the substrate is preferably presented as a powder, in particular as a free-flowing powder.
  • the flowability of the powder according to DIN EN ISO 6186 is preferably 5 mL / s to 100 mL / s, in particular 10 mL / s to 70 mL / s. As a result, a good mixing of the substrate in the moving bed is achieved during the process.
  • the flowability can be determined, for example, with the free-flowing device from the company Karg-Industrietechnik (Code No. 1012,000) Model PM and a 15 mm nozzle according to Standard ISO 6186.
  • the substrate can first with a bulk density according to DIN EN ISO 60 of preferably 20 to 500 kg / m 3 , more preferably from 20 to 450 kg / m 3 , in particular from 80 to 350 kg / m 3 , be placed on the support of the reactor.
  • the surface of the substrate used is preferably greater than 20 m 2 / g, preferably greater than 100 m 2 / g, in particular greater than 200 m 2 / g. As a result, a larger surface for graphitic deposition is available, so that the yield can be increased.
  • the carbonaceous precursor preferably contains or consists of an optionally substituted aliphatic, cyclic, heterocyclic, aromatic or heteroaromatic compound or a mixture thereof.
  • Aliphatic means unbranched, branched and / or cyclic alkane, alkene or alkyne.
  • the aliphatic molecules have from about 1 to about 20, more preferably from about 1 to about 12, and most preferably from about 2 to about 6 carbon atoms.
  • the carbon-containing precursor is an at least partially unsaturated or aromatic compound or the precursor contains such a compound or a mixture thereof.
  • partially unsaturated compounds are unbranched, branched and / or cyclic alkenes or alkynes, which may be optionally substituted.
  • Alkene as used herein means a hydrocarbon base element which contains at least one carbon-carbon double bond.
  • Carbon-containing precursors which can be used according to the invention are, for example, ethylene, propene, butene, butadiene, pentene, isoprene, hexene, 1-, 2- or 3- Heptene, 1-, 2-, 3- or 4-octene, 1-nonene or 1-decene in question, which may be optionally substituted, such as acrylonitrile.
  • Alkyne as used herein means a hydrocarbon base element containing at least one carbon-carbon triple bond.
  • Carbon-containing precursors which can be used in accordance with the invention include, for example, ethyne, propyne, butyne, pentyne, hexyne, 1-, 2- or 3-heptin, 1 - 2-, 3-, or 4-octyne, nonyne or decyne, which may be optionally substituted.
  • Suitable cyclic alkenes or alkynes are nonaromatic, mono- or multicyclic ring systems of, for example, from about 3 to about 10, preferably from about 5 to about 10, carbon atoms which, in the case of the cycloalkenes, have at least one carbon atom.
  • Carbon double bond in the case of cycloalkynes contain at least one carbon-carbon triple bond.
  • monocyclic cycloalkenes are cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene and the like.
  • An example of a multicyclic alkene is norbornene.
  • the carbonaceous precursor may also contain or consist of an optionally substituted heterocyclic molecule.
  • heterocyclic means a mono- or multicyclic ring system of from about 3 to about 10, preferably from about 5 to about 10, more preferably from about 5 to about 6 carbon atoms wherein one or more carbon atoms in the ring system are replaced by heteroatoms.
  • Heteroatom as used herein means one or more atoms of oxygen, sulfur, nitrogen, boron, phosphorus or silicon, with the respective oxidized forms being included in a preferred embodiment of the invention, those containing as carbon
  • Precursors used heterocyclic compounds at least one carbon-carbon or carbon-heteroatom double bond.
  • Aromatic molecule or “aromatic compound” as used herein includes optionally substituted carbocyclic and heterocyclic compounds containing a conjugated double bond system. Heterocyclic aromatics are also referred to as “heteroaromatics.” Examples of aromatic molecules according to the invention are optionally substituted monocyclic aromatic rings having 0 to 3 heteroatoms independently selected from O, N and S, or 8 to 12 membered aromatic bicyclic ring systems 0 to 5 heteroatoms which are selected independently of one another from O, N and S.
  • Suitable carbonaceous precursors which can be used according to the invention are, for example, optionally substituted benzene, naphthalene, anthracene, pyridine, quinoline, isoquinoline, pyrazine, quinoxaline, acridine, pyrimidine, Quinazoline, pyridazine, cinnoline, furan, benzofuran, isobenzofuran, pyrrole, indole, isoindole, thiophene, benzothiophene, imidazole, benzimidazole, purine, pyrazole, indazole, oxazole, benzoxazole, isoxazole, benzisoxazole, thiazole and / or benzothiazole in question.
  • substituents may be purely aliphatic or one or more heteroatoms According to a preferred embodiment, the substituents are selected from the group consisting of C 1 -C 10 aliphatic, C 3 -C 10 cycloaliphatic, C 10 -C 10 aryl, 5-10-membered heteroaryl or 3-10-membered Heterocyclyl Ci- to Cö-haloalkyl, ci- bis
  • carbonaceous precursors which have achieved good to very good results in practice are unsaturated hydrocarbons such as ethylene or acrylonitrile and aromatic molecules such as benzene or pyridine.
  • Carbon nanotubes for the formation of further graphene-like layers may, for example, have a tubular structure or else a scroll structure.
  • Process parameters are given below examples of process conditions in which graphitic deposition could be detected.
  • the process conditions include in particular the important parameters of the process temperature and the movement of the moving bed.
  • the movement of the bed is determined, for example, by the gas flow through the fluidized bed.
  • the duration of the process as well as the type of precursor used can be important for the production of the carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes can be removed from the reactor. Due to the graphene-like layers deposited on the carbon nanotubes during the process, these now have, on average, a larger outer diameter.
  • a process temperature in the range of 850 ° C to 1300 ° C preferably in the range of 900 ° C to 1300 ° C, in particular from 950 ° C to 1300 ° C are set. Measurements have shown that below a temperature of 850 ° C no significant deposition of graphitic carbon occurs. Above 1300 ° C, the thermal loads on the reactor become so great that only special reactor materials can be used, making the process expensive and uneconomical.
  • the proportion of active catalyst material which could cause carbon nanotube elongation in the moving bed during the process is less than 5000 ppm, preferably less than 1000 ppm, especially less than 500 ppm. In this way, the growth in thickness can be increased, ie the proportion of precursor carbon deposited graphitically on the carbon nanotube.
  • Catalysts which cause carbon nanotube elongation are used in particular in the production of carbon nanotubes in known processes.
  • iron, cobalt or nickel-containing catalysts are often used for this purpose.
  • the amount of catalyst in parts per million refers to the weight fraction of the catalyst metal in the total weight of the substrate. Furthermore, this specification is limited to the proportion of catalyst particles that are actively available for catalysis in the substrate. Passivated catalyst particles, in particular by encapsulation, such as, for example, catalyst particles enclosed in the interior of carbon nanotubes, are irrelevant in the present case and are therefore not taken into account in the quantitative specification.
  • the low concentrations of the catalysts which are advantageous for the process can be achieved by using purified, in particular acid-cleaned, carboniianotubes for the substrate. In the catalytic production of Carbon ion tubes regularly remain residues of the catalyst used in the produced carbon nanotube powder.
  • the process conditions in particular temperature, pressure and / or gas composition in the reactor, are chosen such that the kinetic constant for the thickness growth of the carbon nanotubes, i. for the graphitic deposition of carbon on the outer graphene layers of the carbon nanotubes is greater than the kinetic constant for the elongation of the carbon nanotubes caused by catalyst components.
  • the kinetic constants are adjusted via the process conditions such that the ratio of the carbon which is consumed for the thickness increase to the carbon consumed for the growth in length is greater than 1, preferably greater than 5, in particular greater than 10.
  • catalytic processes such as carbon nanotube elongation, typically show higher turnover than noncatalytic processes such as carbon nanotube thickness growth.
  • the abovementioned ratios can therefore be achieved in particular at the highest possible process temperatures, preferably at process temperatures of more than 900 ° C., in particular of at least 950 ° C.
  • a fluidized bed of a fluidized bed reactor is used as the moving bed.
  • the substrate is deposited on a carrier, in particular a carrier plate.
  • a gas stream is introduced into the substrate, so that the substrate and the gas stream form a so-called fluidized bed.
  • the fluidized bed is characterized by a liquid-like behavior in which the individual particles of the substrate are mixed in the gas stream.
  • a good heat and mass transfer is achieved in the fluidized bed, so that there are substantially homogeneous process conditions in the fluidized bed. This promotes uniform graphitic deposition of carbon on the carbon nanotubes.
  • a fluidized bed reactor for example, a quartz fluidized-bed reactor can be used, in which the reactor is essentially formed by a quartz glass housing, for example a quartz glass tube.
  • the moving bed may also be provided by a rotary tube reactor.
  • a rotary tube reactor has a reactor tube, the longitudinal axis of which is aligned at a small angle of, for example, 1-5 ° to the horizontal.
  • the reactor tube is rotatably supported about its longitudinal axis and driven for rotation about this axis.
  • the substrate is first applied to the inner surface of the reactor tube.
  • the reactor tube is rotated about its longitudinal axis, while a carbon-containing precursor is introduced into the reactor tube.
  • a gas flow through the fluidized bed is adjusted for the process conditions causing the graphitic deposition to give a stable fluidization. With this gas flow range, experimentally good yields were found in the graphitic deposition of carbon.
  • gas mixtures for example a mixture of an inert carrier gas with the carbonaceous precursor.
  • Stable fluidization means that the gas flow has a velocity that is greater than or equal to the minimum fluidization velocity.
  • WO 2007/118668 A2 the content of which should be incorporated herein by reference.
  • formula (1) on page 7 of WO 2007/118668 A2 for determining the minimum fluidization rate.
  • a precursor entry into the reactor of 0.0001 to 1 g, preferably 0.001 to 0.2 g, in particular 0.005 to 0.1 g, per gram of substrate and set per minute. This precursor entry has proven to be advantageous for a high yield of the method. With a lower precursor entry, too little carbon is available for optimal graphitic deposition. With a higher precursor entry, a part of the precursor is not reacted or even deposited in non-graphitic form, so that the results of the method are impaired.
  • the process can be carried out continuously, quasi-continuously or batchwise.
  • carbon nanotubes are continuously fed to the fluidized-bed reactor as a substrate and / or processed carbon nanotubes are removed.
  • a discontinuous procedure the Process carried out in successive batches (batches).
  • a substrate is introduced, and the substrate, which has been converted as completely as possible to the product, is substantially completely removed from the fluidized-bed reactor at the end of the process.
  • a quasi-continuous procedure only a certain portion of the product is removed from the fluidized-bed reactor at the end of a procedure and the substrate is filled up again accordingly.
  • the process time is adjusted so that the diameter distribution of the carbon nanotubes produced after the end of the process, a diameter ratio D90 / D10 of less than 4, preferably less than 3. More preferably, the process time is set so that the diameter ratio D90 / D10 of the produced carbon nanotubes is compared with the corresponding diameter ratio of the starting material, i. the carbon nanotube submitted as substrate is reduced by at least 20%, preferably by at least 30%, in particular by at least 40%.
  • the graphitic deposition of the carbon is preferably on carbon nanotubes which have a below average diameter with respect to the substrate since they have a larger surface area to weight ratio and therefore in proportion a larger reaction area for the deposition of the carbon.
  • the diameter value D90 or D10 means that 90% and 10%, respectively, of the carbon nanotubes are smaller than this diameter.
  • the diameter ratio D90 / D10 corresponds to the quotient of D90 and D10.
  • the carbonaceous precursor according to another embodiment of the process contains or consists of an at least partially unsaturated or aromatic compound.
  • such molecules such as benzene or ethylene
  • a carbon-carbon or carbon-heteroatom double bond or in particular an aromatic ring thus favor graphitic deposition.
  • the production of carbon nanotubes with individual doped graphene-like layers can be achieved in a further preferred embodiment of the method in that the carbon-containing precursor contains or consists of a compound which comprises carbon and at least one heteroatom from the group consisting of nitrogen, boron, phosphorus or silicon, is used.
  • the carbonaceous precursor may also contain at least two compounds, at least one of which comprises carbon and at least one other thereof comprises an element selected from nitrogen, boron, phosphorus or silicon.
  • the carbonaceous precursor may also contain at least two compounds, at least one of which comprises carbon and at least one other thereof comprises an element selected from nitrogen, boron, phosphorus or silicon.
  • oxygen, nitrogen, boron, phosphorus or silicon other impurities suitable for doping are also suitable in the embodiment described above.
  • graphene-like layers can be deposited on the carbon nanotubes in the substrate in a targeted manner, which have a doping corresponding to the precursor.
  • carbon nanotubes can be produced which have different layers with different doping or both doped and undoped layers.
  • a first precursor may be introduced in a first step and a second precursor may be introduced into the moving bed in a second, temporally downstream step.
  • a second precursor may be introduced into the moving bed in a second, temporally downstream step.
  • successive different graphene-like layers in particular doped and undoped or differently doped layers, can be deposited on the carbon nanotube.
  • the alternating introduction of different precursors can produce carbon nanotubes with layers that alternate with respect to their doping.
  • the object underlying the invention is achieved in a multi-walled carbon nanotube comprising at least a first and a second graphene-like layer, wherein the second layer is arranged in the cross section of the carbon nanotube outside the first layer, according to the invention, that one of the two layers, a first doping and the other of the two layers has a second, different type of doping or is undoped.
  • the second layer ie the outer layer, may have a first doping, while the first layer, ie the inner layer, is undoped or has a second, different type of doping.
  • the first layer ie the inner layer
  • the second layer ie the outer layer is undoped or has a second, different type of doping.
  • the specific doping of individual graphene-like layers allows the properties of the carbon nanotubes to be adjusted as required. This results in new fields of application for the carbon nanotubes.
  • the targeted adjustment of the electrical or electronic properties of the carbon nanotubes can be used as components in electronic circuits.
  • the carbon nanotubes can be used as catalysts.
  • the carbon nanotubes can be specifically functionalized by the doping.
  • doping can be used to adjust the compatibility of the carbon nanotubes with other materials, for example for use in composite materials. Another possible potential of the selectively doped carbon nanotubes results in the range of electrode materials and lithium-ion batteries.
  • use of the carbon nanotubes as a conductivity additive or anode material comes into question.
  • the carbon nanotubes described above are preferably prepared by one of the previously described methods. Conversely, the methods described above are preferably used to prepare such carbon nanotubes.
  • the second layer of the carbon nanotube is arranged in cross-section outside the first layer.
  • Such an arrangement is understood to mean that the first layer is a layer further inward with respect to the cross section of the carbon nanotube and the second layer is farther out, i.e., more so. a further away from the center of the cross section location.
  • the first and the second layer can lie directly above one another. Alternatively, further layers may be arranged between the first and the second layer.
  • the first and second layers may each have a tubular structure such that each of the two layers has a tubular shape, with the second layer surrounding the first layer.
  • the layers can also be present in a scroll structure, in which a structure of several superimposed, graphene-like layers is wound up. An outer graphene-like layer of this winding can then be regarded as the second layer and an inner graphene-like layer as the first layer.
  • combinations are possible, for example, with tubular inner layers and outer layers of the scroll type or vice versa.
  • a doping is understood to mean that the otherwise graphene-like structure of a layer in addition to the carbon atoms additionally has foreign atoms, preferably at least 1.5 at.%, Preferably at least 2 at.%, More preferably at least 5 at.%, In particular at least 10 at.%. These can be arranged, for example, instead of carbon atoms on lattice sites or impurities of the graphene lattice.
  • An undoped layer is understood to be a graphene-like layer which has not been deliberately doped by foreign atoms, so that the defects within this layer lie in the natural impurity region, ie in particular in the region ⁇ 1 at.%, In particular ⁇ 0.5 at.%.
  • one of the layers is doped with nitrogen, boron, phosphorus or silicon or a combination thereof.
  • the properties, in particular the electrical properties, of the layers can be changed in a targeted manner.
  • the other of the two layers is preferably undoped in this case or has a doping with a different type of foreign atom from the group nitrogen, boron, phosphorus or silicon.
  • a next preferred embodiment of the carbon nanotube is characterized in that the carbon nanotube has a third graphene-like layer, that the second layer is arranged in the cross section of the carbon nanotube within the third layer, and that the first and third layers are undoped.
  • a carbon nanotube with alternating layers is provided in which a doped layer is surrounded by two undoped layers.
  • Such a carbon nanotube can be produced, for example, by one of the methods described above, in which various precursors are introduced into the moving bed at a time interval.
  • the object underlying the invention is further solved by a carbon nanotube powder containing the above-described carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes of the carbon nanotube powder preferably have an average diameter of 3 to 100 nm, preferably 5 to 50 nm, in particular 10 to 25 nm. This diameter range corresponds to frequent technical specifications and can be easily achieved with the invention.
  • the diameter distribution of the carbon nanotubes after carrying out the method has a diameter ratio D90 / D10 of less than 4, preferably less than 3. In a further embodiment, the diameter distribution of the carbon nanotubes after performing the method
  • Diameter ratio which is at least 20%>, preferably at least 30%>, in particular at least 40% lower than the diameter ratio of the starting material introduced as a substrate.
  • the production can be carried out, for example, as described above for the process by appropriate adjustment of the process duration.
  • the carbon nanotube powder preferably has a purity of at least 90%, preferably of at least 95%, in particular of at least 97%.
  • the purity in the present case is understood to mean the proportion in% by weight of carbon nanotubes in the powder compared with other constituents, in particular amorphous carbon and inorganic metal oxides. It has been found that carbon nanotube powders of high purity can be produced by the present invention.
  • the area ratio D / G of the D band to the G band in the Raman spectrum can be used.
  • the D band is about 1300 cm -1 and the G band (graphite band) is about 1588 cm -1 .
  • the integrals of the Raman spectrum are calculated via the D band and the G band and then put into proportion.
  • the carbon nanotube powder preferably has a D / G ratio of less than 1.5, preferably less than 1, in the Raman spectrum.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the method according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of a graph structure with possible
  • Fig. 5 shows another embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the method according to the invention using a fluidized bed reactor.
  • the fluidized-bed reactor 2 has a reactor housing 4 which surrounds a reactor space 6.
  • the reactor housing 4 is presently designed as a closed quartz glass tube on both sides.
  • the reactor chamber 6 is bounded below by a support plate 8, which has a plurality of nozzle openings 10.
  • the reactor 2 also has a gas inlet 12 and a gas outlet 14, which are arranged so that a gas can flow via the gas inlet 12 through the nozzle openings 10 into the reactor chamber 6 and leave it again through the gas outlet 14.
  • a condensation trap 15 may be provided to determine the amount of unreacted during the process precursor material can.
  • condensation trap 15 instead of or in addition to a condensation trap 15, appropriate devices for exhaust aftertreatment, such as, for example, exhaust gas burners, filters, scrubbers and the like, may also be provided at this location.
  • a pulverulent substrate 18 made of carbon nanotubes as starting material is introduced into the reactor chamber 6 via an access 16 provided for this purpose (see arrow 20) and applied to the carrier plate 8 with a bulk density of, for example, 20 to 450 kg / m 3 .
  • a process gas such as nitrogen is introduced via the gas inlet 12 into the reactor 2 (see arrow 22), which is guided through the nozzle openings 10 (see arrow 24) into the substrate 18.
  • the process gas flowing through the nozzle openings 10 forms with the substrate 18 a fluidized bed 26, in which the mixture of the process gas and the substrate is in a fluidizing, ie a liquid-like, state. In the fluidized bed 26, there is a strong mixing of the substrate and a good heat balance.
  • the substrate is in the reactor 2 in a moving bed 27 before.
  • a process temperature in the range of 950 ° C to 1300 ° C, in particular 1000 ° C is set by heating means provided for this purpose (not shown).
  • the process gas can be heated by the heating means to the desired temperature before being introduced into the fluidized bed.
  • the heat energy then stored in the process gas is transferred to the substrate in the fluidized bed.
  • a carbonaceous precursor, in particular ethylene or benzene, is now introduced into the fluidized bed 26. This can be done via the inlet 12 together with the process gas or by a separate input. When using a gaseous precursor this can also be used as a process gas.
  • the precursor reacts in the fluidized bed 26 and, under suitably adjusted process conditions, leads to the deposition of graphitic carbon onto the carbon nanotube.
  • the process product i. the modified by the deposition of graphitic carbon Kohlenstoffiianorschreibchen the substrate 18 are removed through the access 16 again from the fluidized bed reactor 2 (arrow 28).
  • the carbon nanotubes in the substrate 18 have, on average, an increased diameter and an increased bulk density at the end of the process, since graphite-like layers have formed around the individual carbon nanotubes due to the graphitic deposition.
  • the access 16 may have a lock through which the starting material or at the end of the process, the product can be performed at the beginning of the process. In this case, a gas exchange of the fluidized bed reactor take place.
  • a lock is provided in particular for discontinuous operation. However, a continuous or quasi-continuous procedure is also possible.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the method using a rotary tube reactor.
  • the rotary tube reactor 32 has a tube 34, the longitudinal axis 38 is inclined ⁇ by a small angle of, for example, 1 ° to 5 ° to the horizontal surface 36.
  • the tube 34 is rotatable about its longitudinal axis 38 by means of a drive (arrow 40) provided for this purpose.
  • a substrate 42 made of carbon nanotubes as educt is introduced into the tube 34 (arrow 44) and applied to the inner tube wall with a bulk density of, for example, 20 to 450 kg / m 3 .
  • the tube 34 is rotated by means of the drive, so that the substrate 42 in the tube 34 is now in a moving bed 45.
  • the substrate 42 is thoroughly mixed during the process in this way. Furthermore, a good heat balance results within the substrate.
  • a process temperature in the range of 950 ° C to 1300 ° C, in particular 1000 ° C is set via provided heating means (not shown).
  • a carbonaceous precursor such as ethylene or benzene is introduced into the tube 34 (arrow 46).
  • the precursor can be introduced into the tube, for example, alone or with a process gas such as nitrogen.
  • the precursor reacts under suitably set process conditions so that carbon is deposited graphitically on the carbon nanotube of the substrate 42.
  • Excess precursor material or a process gas transporting the precursor material can emerge from the tube 34 on the other side (arrow 48).
  • the process gas with the carbonaceous precursor material can also be guided in the same direction as the substrate.
  • the product of the process ie the carbon nanotubes modified by the deposition of graphitic carbon in the substrate 42, can be removed from the tube 34 (arrow 50).
  • the carbon nanotubes contained in the substrate have an increased diameter at the end of the process because the graphitic deposition of carbon has led to the formation of further graphene-like layers around the individual carbon nanotubes.
  • FIGS. 3a-3e show exemplary embodiments of carbon nanotubes according to the invention, which can be produced, in particular, by the method according to the invention.
  • Fig. 3a shows a first carbon nanotube 60 in a schematic isometric view.
  • the carbon nanotube 60 has a first inner graphene-like layer 64 and a second outer graphene-like layer 62.
  • the first and second graphene-like layers 62, 64 each have a tubular structure. While the first graphene-like layer 64 is undoped, the second graphene-like layer 62 has nitrogen doping. In the graphene structure of the second layer 62, therefore, nitrogen atoms are embedded in carbon lattice sites.
  • FIG. 3b shows another carbon nanotube 70 in cross-section with a first layer 72, a second layer 74 and a third layer 76.
  • the first and third layers 72 and 76 are undoped while the second layer 74 has nitrogen doping.
  • Carbon nanotubes as shown in Figures 3a and 3b can be prepared by the method of the present invention.
  • For the carbon nanotube 60 of FIG. 3 a This is done by depositing a carbon nanotube containing carbon and nitrogen, such as pyridine, into the moving bed during the process, and then placing the nitrogen-doped second layer 62 on a carbon nanotube initially introduced only from the first layer 64.
  • nitrogen-doped second layer 62 By introducing only one carbon-containing precursor into the moving bed in an optional further step, finally a third undoped graphene-like layer can be deposited so that the structure of FIG. 3b results.
  • FIG. 3 c shows another carbon nanotube 80 in cross section with a wound structure (winding structure) in which a single layer of graphene is wound up, resulting in a first inner layer 82 and an outer second layer 84.
  • the inner layer 82 is doped with silicon while the outer layer 84 is undoped.
  • the carbon nanotube 80 can be produced by the method according to the invention by applying a second undoped graphene-like layer 84 of carbon to a carbon nanotube with a wound structure consisting of a silicon-doped, graphene-like layer by introducing a carbon-containing precursor into the moving bed is applied.
  • Fig. 3d shows another carbon nanotube 90 in cross-section, which has a first inner layer 92 in the form of a wound structure and an outer layer 94 with a tubular structure.
  • the inner layer 92 is undoped while the outer layer 94 is doped with nitrogen.
  • This carbon nanotube can be prepared by the described method by applying the tubular, nitrogen-doped graphene-like second layer 94 to a carbon nanotube having a wound structure from the substrate by introducing a carbon- and nitrogen-containing precursor into the moving bed.
  • FIG. 3e shows a cross-section of a further carbon nanotube 100, which has a scroll structure with three graphene-like layers 102a-102c as well as an outer wound structure 104 inside.
  • the layers of the scroll structure 102a-102c are undoped while the outer layer 104 is doped with nitrogen.
  • the carbon nanotube 100 can be made by the described method by applying the further wound doped layer 104 to a carbon nanotube having a scroll structure from the substrate by introducing a carbon- and nitrogen-containing precursor into the moving bed of the reactor.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a graphene-like layer.
  • the carbon atoms 122 are in a characteristic hexagonal crystal structure arranged diatomic base, which gives a honeycomb-shaped arrangement of the carbon atoms 122.
  • a proportion of foreign atoms 124 is deliberately introduced into the graphene layer 120.
  • the foreign atoms can sit at carbon lattice sites (124a), replacing one carbon atom at a time.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of another embodiment of the method according to the invention.
  • a carbon nanotube substrate is placed in a moving bed of a reactor.
  • a carbonaceous precursor is introduced into the moving bed.
  • the precursor in the moving bed reacts under suitable process conditions that cause graphitic deposition of carbon on the carbon nanotubes of the substrate.
  • the carbon nanotubes are discharged from the reactor. These carbon nanotubes discharged as a process product differ from the carbon nanotubes presented as process in that additional graphene-like layers were deposited on at least part of the carbon nanotubes.
  • a quartz glass fluidized bed reactor was used with a quartz glass tube with 5 cm inner diameter.
  • carbon nanotubes of the type Baytubes (R) C 150 P were used (unless stated otherwise). These carbon nanotubes were (unless stated otherwise) acid-purified to remove catalyst residues to a large extent.
  • the amount of deposited substance was determined by weight. From the ratio of weight to weight, the yield, i. calculated the relative weight gain of the substrate.
  • the quality of the carbon nanotube powder was examined after conducting the procedure by transmission electron microscopy (TEM). The TEM also determined the diameter distribution of the carbon nanotubes.
  • the quality of the deposited layers was examined by optical Raman measurements on the carbon nanotube powder.
  • the relative signal strengths for the sp 3 -covalent and for the sp 2 -covalent carbon-carbon bonds were determined from the Raman spectrum and compared with each other.
  • the sp 2 -covalent bonds correspond to the bonding type in graphite or graphene and therefore show a graphene-like structure of the layers.
  • the sp 3 -covalent bonds correspond to the type of bond in the diamond and indicate the presence of amorphous carbon in the carbon nanotubes. A small ratio sp 3 / sp 2 is therefore an indication that the carbon was deposited graphitically.
  • the impurity concentration in the product was furthermore determined by means of X-ray photoelectron spectroscopy.
  • Tables 1 and 2 give the following data:
  • Precursor The precursor used in each experiment.
  • Process gas flow N2 Nitrogen gas flow through the fluidized bed in 1 / min.
  • Process gas flow F hydrogen gas flow through the fluidized bed in 1 / min.
  • Precursor inlet precursor gas stream through the fluidized bed in 1 / min below
  • Yield Weight increase of the substrate in percent, calculated from: 100% * (weighted weight) / initial weight.
  • TEM D90 / D10 ratio of diameter values D90 and D10.
  • Raman D / G Ratio of the Raman signals for the D-band and the G-band.
  • Impurity content percentage of impurities in at.% (Element given in each case), determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
  • the experiments L and M shown in Table 2 are comparative experiments in which carbon-free precursors were used. Therefore, in these experiments, no deposition of carbon on the carbon nanotube, so that the substrate also experienced no weight gain and the yield is zero.
  • a ratio of the Raman signals D / G of about 1 was measured for these carbon nanotubes as in the output signal. From this comparison, it can be seen that the predominantly graphitic growth of carbon in the Raman measurement is indicated by an sp 3 / sp 2 signal ratio of 1 or less.
  • the experiments C to F are a series of experiments with pyridine as a precursor, in which the process temperature was changed at otherwise substantially constant experimental conditions. At 1000 ° C in experiment C, a good yield of 41% is achieved. The ratio of the Raman signals at 0.78 indicates a predominant graphitic deposition of the carbon. With decreasing process temperature, a decrease in the yield was observed until at a process temperature of 850 ° C only a yield of 9% was reached. Since the precursor pyridine is a carbon- and nitrogen-containing precursor, the deposited graphene-like layers are nitrogen-doped in the experiments C to F. Exposure values of 1.5 at.% To 2.8 at.% Were detected by XPS studies.
  • experiment G acid-purified carbon nanotubes from another manufacturer, namely the type Nanocyl (TM) NC 7000, were used as the substrate. Even with these carbon nanotubes, a very good yield of 70% could be achieved.
  • carbon nanotubes of the type Baytubes (R) C 150 P were used as a substrate, which, however, were not acid washed, so that the substrate contained a certain proportion of catalyst residues. Nevertheless, a yield of 53% could be achieved at a temperature of 1000 ° C.
  • experiment H shows that targeted thickness growth of carbon nanotubes can be achieved even in the presence of catalyst residues, for example, if the process parameters are chosen so that in particular the kinetic constant for the thickness growth is greater than the kinetic constant for the growth of carbon nanotubes caused by catalyst components ,
  • Tables 1 and 2 show the D90 / DIO ratio of the TEM-determined diameter distribution of the carbon nanotubes. These values provide information about the diameter distribution of the carbon nanotubes. Since the graphitic deposition is preferentially on the smaller diameter carbon nanotubes, the diameter distribution becomes narrower in the course of the process. In the experiments carried out, the process duration in the range of 6 and 20 minutes was still relatively short. In all deposition experiments, this resulted in a D90 / D10 diameter ratio of significantly less than 4, while the starting material had a ratio significantly greater than 4. By increasing the process time to at least 20 or at least 30 minutes can be achieved that the diameter distribution becomes even narrower and the D90 / D10 ratio is correspondingly smaller.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100), umfassend folgende Schritte: Vorlage eines Substrats (18, 42) aus Kohlenstoffnanoröhrchen in einem bewegten Bett (27, 45) eines Reaktors (2, 32), Einbringen eines kohlenstoffhaltigen Precursors in das bewegte Bett (27, 45), Reaktion des Precursors in dem bewegten Bett (27, 45) unter geeigneten Prozessbedingungen, die ein graphitisches Abscheiden von Kohlenstoff auf den Kohlenstoffnanoröhrchen des Substrats (18, 42) bewirken, Austrag der Kohlenstoffnanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100) aus dem Reaktor (2, 32). Die Erfindung betrifft auch ein mehrwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100) aufweisend mindestens eine erste und eine zweite graphenartige Lage (62, 64, 72, 76, 84, 92, 94, 102, 104, 120), wobei die zweite Lage im Querschnitt des Kohlenstoffnanoröhrchens (60, 70, 80, 90, 100) außerhalb der ersten Lage angeordnet ist, wobei eine der beiden Lagen (62, 64, 72, 76, 84, 92, 94, 102, 104, 120) eine erste Dotierung aufweist und die andere der beiden Lagen (62, 64, 72, 76, 84, 92, 94, 102, 104, 120) eine zweite, andersartige Dotierung aufweist oder undotiert ist. Weiterhin betrifft auch ein Kohlenstoffnanoröhrchenpulver.

Description

Verfahren zur Herstellung mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhrchen, mehrwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen und Kohlenstoffnanoröhrchenpulver
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhrchen. Weiterhin betrifft die Erfindung mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen sowie ein diese
Kohlenstoffnanoröhrchen aufweisendes Kohlenstoffnanoröhrchenpulver.
Unter Kohlenstoffnanoröhrchen werden im Stand der Technik hauptsächlich zylinderförmige Kohlenstoffröhren verstanden mit einem Durchmesser zwischen 3 und 100 nm und einer Länge, die ein Vielfaches des Durchmessers beträgt. Diese Röhrchen bestehen aus einer oder mehreren Lagen geordneter Kohlenstoffatome und weisen einen in der Morphologie unterschiedlichen Kern auf. Diese Kohlenstoffnanoröhrchen werden beispielsweise auch als„carbon fibrils" oder„hollow carbon fibres" bezeichnet. In der Fachliteratur sind Kohlenstoffnanoröhrchen seit langem bekannt. Obwohl Iijima
(Publikation: S. Iijima, Nature 354, 56-58, 1991) allgemein als Entdecker der Nanotubes bezeichnet wird, sind diese Materialien, insbesondere faserformige Graphitmaterialien mit mehreren Graphenschichten, schon seit den 70er bzw. frühen 80er Jahren bekannt. Tates und Baker (GB 1469930A1, 1977 und EP 0 056 004 A2, 1982) beschrieben erstmals die Abscheidung von sehr feinem faserförmigen Kohlenstoff aus der katalytischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen.
Allerdings werden die auf Basis kurzkettiger Kohlenwasserstoffe hergestellten Kohlenstofffilamente nicht näher in Bezug auf ihren Durchmesser charakterisiert.
Die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit Durchmessern kleiner 100 nm ist erstmals in EP 205 556 Bl bzw. WO 86/03455 AI beschrieben. Für die Herstellung werden hier leichte (d.h. kurz- und mittelkettige aliphatische oder ein- oder zweikernige aromatische) Kohlenwasserstoffe und ein auf Eisen basierender Katalysator eingesetzt, an dem Kohlenstoffträgerverbindungen bei einer Temperatur oberhalb von 800 - 900°C zersetzt werden. Die heute bekannten Methoden zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen
Lichtbogen-, Laserablations- und katalytische Verfahren. Bei vielen dieser Verfahren werden Ruß, amorpher Kohlenstoff und Fasern mit hohen Durchmessern als Nebenprodukte gebildet. Bei den katalytischen Verfahren kann zwischen der Abscheidung an eingetragenen Katalysatorpartikeln und der Abscheidung an in-situ gebildeten Metallzentren mit Durchmessern im Nanometerb ereich (sogenannte Flow- Verfahren) unterschieden werden. Bei der Herstellung über die katalytische
Abscheidung von Kohlenstoff aus bei Reaktionsbedingungen gasförmigen Kohlenwasserstoffen (im folgenden CCVD; Catalytic Carbon Vapour Deposition) werden als mögliche Kohlenstoffspender Acetylen, Methan, Ethan, Ethylen, Butan, Buten, Butadien, Benzol und weitere, Kohlenstoff enthaltende Edukte genannt.
Die Katalysatoren beinhalten in der Regel Metalle, Metalloxide oder zersetzbare bzw. reduzierbare Metallkomponenten. Beispielsweise sind im Stand der Technik als für Katalysatoren in Frage kommende Metalle Fe, Mo, Ni, V, Mn, Sn, Co, Cu und weitere genannt. Die einzelnen Metalle haben zwar meist schon alleine eine Tendenz, die Bildung von Nanotubes zu katalysieren. Allerdings werden laut Stand der Technik hohe Ausbeuten an Nanotubes und geringe Anteile amorpher Kohlenstoffe vorteilhaft mit Metallkatalysatoren erreicht, die eine Kombination der oben genannten Metalle enthalten.
Besonders vorteilhafte Katalysatorsysteme basieren gemäß dem Stand der Technik auf Kombinationen, die Fe oder Ni enthalten. Die Bildung von Kohlenstoffnanoröhrchen und die Eigenschaften der gebildeten Röhrchen hängen in komplexer Weise von der als Katalysator verwendeten Metallkomponente oder einer Kombination mehrerer Metallkomponenten, dem verwendeten Trägermaterial und der Wechselwirkung zwischen Katalysator und Träger, dem Eduktgas und -partialdruck, einer Beimischung von Wasserstoff oder weiteren Gasen, der Reaktionstemperatur und der Verweilzeit bzw. dem verwendeten Reaktor ab. Eine Optimierung stellt eine besondere Herausforderung für einen technischen Prozess dar.
Anzumerken ist, dass die bei der CCVD verwendete und als Katalysator bezeichnete Metallkomponente im Laufe des Syntheseprozesses verbraucht wird. Dieser Verbrauch ist auf eine Desaktivierung der Metallkomponente zurückzuführen, z. B. aufgrund von Abscheidung von Kohlenstoff auf dem gesamten Partikel, die zur vollständigen Bedeckung des Partikels führt (dem Fachmann ist dies als„Encapping" bekannt). Eine Reaktivierung ist in der Regel nicht möglich bzw. wirtschaftlich nicht sinnvoll. Es werden oftmals nur maximal wenige Gramm Kohlenstoffnanoröhrchen pro Gramm Katalysator erhalten, wobei der Katalysator hier die verwendete Gesamtheit von Träger und Katalysator umfasst. Aufgrund des geschilderten Verbrauchs an Katalysator stellt eine hohe Ausbeute an Kohlenstoffnanoröhrchen bezogen auf den eingesetzten Katalysator eine wesentliche Anforderung an Katalysator und Verfahren dar.
Übliche Strukturen von Kohlenstoffnanoröhrchen sind solche vom Zylinder-Typ (tubuläre Struktur). Bei den zylindrischen Strukturen unterscheidet man zwischen den einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (SWCNT; Single Wall Carbon Nano Tubes) und den mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (MWCNT; Multi Wall Carbon Nano Tubes). Gängige Verfahren zu ihrer
Herstellung sind z.B. Lichtbogenverfahren (arc discharge), Laser Ablation (laser ablation), chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD process) und katalytisch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CCVD process).
Nach einem Lichtbogenverfahren können ebenfalls derartige zylindrische Kohlenstoffröhrchen hergestellt werden. Iijima (Nature 354, 1991, 56-8) berichtet über die Bildung von Kohlenstoffröhrchen im Lichtbogenverfahren, die aus zwei oder mehr Graphenlagen bestehen, die zu einem nahtlos geschlossen Zylinder aufgerollt und ineinander geschachtelt sind. Abhängig vom Aufrollvektor sind chirale und achirale Anordnungen der Kohlenstoffatome entlang der Längsachse der Kohlenstofffaser möglich.
Mit dem in der WO 2009/036877 A2 beschriebenen Verfahren können Kohlenstoffnanoröhrchen hergestellt werden, die eine sogenannte Scroll-Struktur aufweisen, bei der ein oder mehrere Graphitschichten bestehend aus zwei oder mehr übereinander geordneten Graphitschichten eine gerollte Struktur bilden.
Weitere bekannte Strukturen von Kohlenstoffnanoröhrchen sind in einem Übersichtsartikel von Milne et al. beschrieben (Milne et al., Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, 2003, Volume X, S. 1 - 22; ISBN 1-58883-001-2). Bei diesen Strukturen handelt es sich um die „Herring-bone"-Struktur, die cup-stacked- und die stacked- Struktur, die bamboo-Struktur und die platelet-Struktur. Mittels Elektrospinning von Polyacrylnitril und anschließender Graphitisierung können ebenfalls Kohlenstoffnanofasern erzeugt werden (Jo et al., Macromolecular Research, 2005, Vol. 13, S. 521-528).
Mit der steigenden industriellen und technologischen Bedeutung der Kohlenstoffnanoröhrchen sind auch die Anforderungen an die Beschaffenheit und die Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhrchen bzw. der aus diesen Zusammengesetzen Kohlenstoffnanoröhrchenpulver gestiegen. So ist einerseits ein erhöhter Bedarf an Kohlenstoffnanoröhrchen mit großem Durchmesser, d.h. mit einer Mehrzahl graphenartiger Kohlenstoff-Lagen, feststellbar. Andererseits werden auch Kohlenstoffnanoröhrchenpulver mit einer vorgegebenen Durchmesserverteilung nachgefragt.
Weiterhin besteht auch ein allgemeines Interesse an dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen, bei denen die Eigenschaften der Röhrchen durch die Dotierung der Kohlenstofflagen mit Fremdatomen modifiziert sind. Dotierte Kohlenstoffnanoröhrchen stellen beispielsweise aussichtsreiche Kandidaten für weiter miniaturisierte elektronische Schaltkreise im Nanobereich dar. Zur gezielten Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit vorgegebenen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich des Durchmessers oder der Dotierung, sind geeignete und effiziente Herstellungsverfahren erforderlich. Im Stand der Technik wurde von Oberlin, Endo und Koyama ein Weg zur Herstellung zylindrischer Kohlenstoffnanoröhrchen beschrieben (Carbon 14, 1976, 133) dabei werden aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzen an einem Metallkatalysator bei etwa 1100 °C in einem Flugstromreaktor umgesetzt. Hierbei bilden sich Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem graphitischen Kern, der allerdings mit einem Überzug aus amorphem Kohlenstoff überdeckt ist. Ein gezieltes Dickenwachstum, bei dem die Zahl der graphenartigen Lagen der Kohlenstoffnanoröhrchen erhöht wird, ist mit diesem Verfahren nicht direkt möglich.
Ein weiterer Prozess zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen wird in der EP 0 205 556 AI (Hyperion Catalysis International) beschrieben, bei dem Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen oberhalb von 800 - 1000°C über einen eisenhaltigen Katalysator umgesetzt werden. Ein gezieltes Aufwachsen graphenartiger Lagen auf Kohlenstoffnanoröhrchen ist jedoch auch mit diesem Verfahren nicht möglich.
In einem Aufsatz von Huang et al. (Small 2007, 3, 1735) wird ein nicht-katalytisches Schichtenwachstum auf vorgegebenen Kohlenstoffnanoröhrchen beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die Kohlenstoffnanoröhrchen zwischen zwei Goldelektroden durch einen Stromfluss joulesch auf ca. 2000 °C geheizt, so dass sich amorpher Kohlenstoff auf den Nanoröhrchen abscheidet. Ein Wachstum graphenartiger Kohlenstofflagen auf den Nanoröhrchen ist auch mit diesem Verfahren nicht erzielt worden. Zudem ist dieses Verfahren auch sehr aufwändig.
Ein Verfahren zur Herstellung dotierter Kohlenstoffnanoröhrchen ist aus der WO 2009/080204 AI bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt ein katalytisches Wachsen von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Wirbelschicht. Eine gezielte Dotierung der Kohlenstoffnanoröhrchen, insbesondere eine unterschiedliche Dotierung der jeweiligen Kohlenstofflagen, ist mit dem Verfahren jedoch nicht möglich.
Im Ergebnis ist es mit dem zuvor beschriebenen Stand der Technik daher bisher nicht möglich, Kohlenstoff graphitisch auf vorgegebenen Kohlenstoffnanoröhrchen abzuscheiden und so die Anzahl der graphenartigen Lagen der Kohlenstoffnanoröhrchen zu erhöhen. Insbesondere kann der Durchmesser der Kohlenstoffnanoröhrchen bisher nicht gezielt eingestellt werden. Weiterhin erlauben die bekannten Verfahren auch keine gezielte Dotierung einzelner Lagen der Kohlenstoffnanoröhrchen.
Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen zur Verfügung zu stellen, mit dem die Anzahl der graphenartigen Lagen von Kohlenstoffnanoröhrchen direkt erhöht werden kann. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem das Dickenwachstum von Kohlenstoffnanoröhrchen gezielt eingestellt werden kann. Der Erfindung liegt unter anderem auch die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Kohlenstoffnanoröhrchen mit gezielten Dotierungen in bestimmten graphenartigen Lagen hergestellt werden können. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, entsprechende Kohlenstoffnanoröhrchen sowie ein entsprechendes Kohlenstoffnanoröhrchenpulver zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgaben werden zumindest teilweise erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhrchen gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
Vorlage eines Substrats aus Kohlenstoffnanoröhrchen in einem bewegten Bett eines Reaktors,
- Einbringen eines kohlenstoffhaltigen Precursors in das bewegte Bett,
Reaktion des Precursors in dem bewegten Bett unter geeigneten Prozessbedingungen, die ein graphitisches Abscheiden von Kohlenstoff auf den Kohlenstoffnanoröhrchen des Substrats bewirken,
Austrag der Kohlenstoffnanoröhrchen aus dem Reaktor.
Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass bei einem Verfahren mit diesen Schritten Kohlenstoff graphitisch auf den im Substrat vorliegenden Kohlenstoffnanoröhrchen abgeschieden werden kann, so dass sich um die einzelnen Kohlenstoffnanoröhrchen zusätzliche graphenartige Lagen bilden. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Katalysator-abhängigen graphitischen Längenwachstum kommt es erfindungsgemäß zu einem weitgehend Katalysatorunabhängigen Dickenwachstum. Auf diese Weise kann der Durchmesser der Kohlenstoffnanoröhrchen gezielt vergrößert werden (sog. epitaktisches Wachstum).
Als Substrat können grundsätzlich alle Arten von Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet werden. Beispiele für Kohlenstoffnanoröhrchen-Arten sind: Single-wall Nanoröhrchen mit einer einzigen graphenartigen Lage, Multi-wall Nanoröhrchen mit mehreren graphenartigen Lagen; Kohlenstoffnanoröhrchen mit tubulärer Struktur, Bambus-, Wickel- oder Scroll-Struktur; sogenannte Capped-Carbon-Nanotubes, bei denen zumindest eine röhrenartige graphenartige Lage an ihren Enden durch Fulleren-Halbkugeln abgeschlossen ist; oder auch jede mögliche Kombination der zuvor genannten Arten sowie Kohlenstoffnanofasern. Das Substrat wird in einem bewegten Bett eines Reaktors vorgelegt. Ein Reaktor mit einem bewegten Bett ist verfahrenstechnisch insbesondere von einem Festbettreaktor sowie von einem Reaktor ohne Bett, wie zum Beispiel einem Flugstromreaktor, abzugrenzen. Bei einem Reaktor mit einem Bett ist das Substrat räumlich oberhalb eines Trägers lokalisiert. Bei einem Festbettreaktor kann das Substrat beispielsweise in einem nach oben geöffneten Schiffchen enthalten sein, wobei das Schiffchen hier als Träger dient. Das Substrat befindet sich während des Verfahrens daher im
Wesentlichen in Ruhe.
Im Gegensatz dazu wird das Substrat bei einem bewegten Bett während der Durchführung des Verfahrens durchmischt. Hierzu wird das Substrat vorzugweise zunächst auf die Oberfläche eines Trägers aufgebracht, durch den das Substrat im Reaktor gehalten und räumlich lokalisiert wird.
Während des Verfahrens wird dann das Substrat durchmischt, beispielsweise durch eine Bewegung des Trägers oder durch das Durchströmen des Substrats mit einem Gasstrom. Die Durchmischung des Substrats führt zu einem verbesserten Wärme- und Stofftransport innerhalb des Substrats und zu einem effizienteren Reaktionsablauf.
Bei Reaktoren ohne Bett, wie zum Beispiel Flugstromreaktoren, ist das Substrat hingegen räumlich nicht oberhalb eines Trägers lokalisiert, sondern wird durch den Reaktor bewegt, beispielsweise zusammen mit einem Gasstrom. In Versuchen hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung eines Reaktors mit einem bewegten Bett graphitischer Kohlenstoff auf den Kohlenstoffiianoröhrchen abgeschieden werden kann. Im Gegensatz dazu wurde bei Versuchen mit einem Festbettreaktor lediglich das Abscheiden einer Rußschicht, insbesondere in Form von amorphem Kohlenstoff, auf den Nanoröhrchen festgestellt. Wie einleitend ausgeführt haben Oberlin, Endo und Koyama auch bei einem Flugstromreaktor, also einem Reaktor ohne Bett, kein graphitisches Abscheiden von Kohlenstoff beobachten können.
Es wurde demnach erfindungsgemäß erkannt, dass die Verwendung eines bewegten Betts eine entscheidende Rolle für das graphitische Abscheiden von Kohlenstoff auf Kohlenstoffiianoröhrchen spielt. Das Substrat wird bevorzugt als Pulver, insbesondere als rieselfähiges Pulver vorgelegt. Die Rieselfähigkeit des Pulvers nach DIN EN ISO 6186 beträgt vorzugsweise 5 mL/s bis 100 mL/s, insbesondere 10 mL/s bis 70 mL/s. Hierdurch wird während des Verfahrens eine gute Durchmischung des Substrats im bewegten Bett erreicht. Die Rieselfähigkeit kann beispielsweise mit dem Rieselfähigkeitsgerät von der Firma Karg-Industrietechnik (Code-Nr. 1012.000) Modell PM und einer 15 mm Düse gemäss Norm ISO 6186 bestimmt werden.
Für eine gute Ausbeute, d.h. eine hohe Abscheiderate von graphitischem Kohlenstoff auf den Kohlenstoffnanoröhrchen, kann das Substrat zunächst mit einer Schüttdichte nach DIN EN ISO 60 von vorzugweise 20 bis 500 kg/m3, weiter bevorzugt von 20 bis 450 kg/m3, insbesondere von 80 bis 350 kg/m3, auf dem Träger des Reaktors angeordnet werden.
Die Oberfläche des eingesetzten Substrats gemessen als BET entsprechend DIN ISO 9277 ist vorzugsweise größer als 20 m2/g, bevorzugt größer 100 m2/g, insbesondere größer 200 m2/g. Dadurch steht eine größere Oberfläche zur graphitischen Abscheidung zur Verfügung, so dass die Ausbeute erhöht werden kann.
Der kohlenstoffhaltige Precursor enthält oder besteht bevorzugt aus einer wahlweise substituierten aliphatischen, cyclischen, heterocyclischen, aromatischen oder heteroaromatischen Verbindung oder einer Mischung hieraus.
Aliphatisch bedeutet dabei unverzweigtes, verzweigtes und/oder cyclisches Alkan, Alken oder Alkin. Bevorzugt weisen die aliphatischen Moleküle etwa 1 bis etwa 20, insbesondere etwa 1 bis etwa 12 und besonders bevorzugt etwa 2 bis etwa 6 Kohlenstoffatome auf.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass sich besonders gute Ergebnisse einstellen, wenn es sich bei dem kohlenstoffhaltigen Precursor um ein zumindest teilweise ungesättigtes oder aromatisches Verbindung handelt oder der Precursor eine solche Verbindung oder eine Mischung daraus enthält. Beispiele für teilweise ungesättigte Verbindungen sind unverzweigte, verzweigte und/oder cyclische Alkene oder Alkine, welche wahlweise substituiert sein können.
„Alken" wie hier verwendet bedeutet dabei ein Kohlenwasserstoff Grundelement, das mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindung enthält. Als erfindungsgemäß einsetzbare kohlenstoffhaltige Precursor kommen beispielsweise Ethylen, Propen, Buten, Butadien, Penten, Isopren, Hexen, 1-, 2- oder 3-Hepten, 1-, 2-, 3-, oder 4-Octen, 1-Nonen oder 1-Decen in Frage, wobei diese wahlweise substituiert sein können, wie z.B. Acrylnitril. „Alkin" wie hier verwendet bedeutet ein Kohlenwasserstoff Grundelement, das mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff Dreifachbindung enthält. Als erfindungsgemäß einsetzbare kohlenstoffhaltige Precursor kommen beispielsweise Ethin, Propin, Butin, Pentin, Hexin, 1 -, 2- oder 3-Heptin, 1 -, 2-, 3-, oder 4-Octin, Nonin oder Decin in Frage, wobei diese wahlweise substituiert sein können.
Als cyclische Alkene oder Alkine kommen nicht-aromatische, mono- oder multicyclische Ringsystene von beispielsweise etwa 3 bis etwa 10, vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 10 Kohlenstoffatomen in Frage, die im Falle der Cycloalkene mindestens eine Kohlenstoff-
Kohlenstoff Doppelbindung, im Falle der Cycloalkine mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff Dreifachbindung enthalten. Beispiele für monocyclische Cycloalkene sind Cyclopenten, Cyclohexen, Cyclohepten und dergleichen. Ein Beispiel für ein multicyclisches Alken ist Norbornen.
Der kohlenstoffhaltige Precursor kann auch ein wahlweise substituiertes heterocyclisches Molekül enthalten oder aus diesem bestehen. Dabei bedeutet „heterocyclisch" ein mono- oder multicyclisches Ringsystem von etwa 3 bis etwa 10, vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 10, insbesondere bevorzugt etwa 5 bis etwa 6 Kohlenstoffatomen, wobei ein oder mehrere Kohlenstoffatome in dem Ringsystem durch Heteroatome ersetzt sind.
„Heteroatom" wie hier verwendet bedeutet ein oder mehrere Atome von Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff, Bor, Phosphor oder Silizium, wobei die jeweils oxidierten Formen mit umfasst sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthalten die als kohlenstoffhaltige
Precursoren eingesetzten heterocyclischen Verbindungen mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Heteroatom Doppelbindung.
„Aromatisches Molekül" oder„aromatische Verbindung" wie hier verwendet umfasst wahlweise substituierte carbocyclische und heterocyclische Verbindungen, die ein konjugiertes Doppelbindungssystem enthalten. Heterocyclische Aromaten werden auch als„Heteroaromaten" bezeichnet. Beispiele für erfindungsgemäße aromatische Moleküle sind wahlweise substituierte monocyclische aromatische Ringe mit 0 bis 3 Heteroatomen, die unabhängig voneinander aus O, N und S ausgewählt sind, oder 8- bis 12-gliedrige aromatische bicyclische Ringsysteme mit 0 bis 5 Heteroatomen, die unabhängig voneinander aus O, N und S ausgewählt sind. Als erfindungsgemäß einsetzbare kohlenstoffhaltige Precursor kommen beispielsweise wahlweise substituiertes Benzol, Naphthalin, Anthracen, Pyridin, Chinolin, Isochinolin, Pyrazin, Chinoxalin, Acridin, Pyrimidin, Chinazolin, Pyridazin, Cinnolin, Furan, Benzofuran, Isobenzofuran, Pyrrol, Indol, Isoindol, Thiophen, Benzothiophen, Imidazol, Benzimidazol, Purin, Pyrazol, Indazol, Oxazol, Benzoxazol, Isoxazol, Benzisoxazol, Thiazol und/oder Benzothiazol in Frage. Wenn hier von„wahlweise substituiert" die Rede ist, so ist damit gemeint, dass das Molekül bzw. die Verbindung entweder unsubstituiert sein kann oder mehrere, bevorzugt 1 bis 3, Substituenten tragen kann. Die Substituenten können rein aliphatisch sein oder ein oder mehrere Heteroatome enthalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Substituenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ci- bis Cio-aliphatisch, C3- bis Cio-cycloaliphatisch, CÖ- bis Cio-Aryl, 5- bis 10-gliedriges Heteroaryl oder 3- bis 10-gliedriges Heterocyclyl Ci- bis Cö-Halogenalkyl, Ci- bis
Cio-alkoxy, Halogen, NO2, -OH, -CN, -Sulfo, -Phosphono und -Silanyl.
Beispiele für kohlenstoffhaltige Precursor, die in der Praxis gute bis sehr gute Ergebnisse erzielt haben, sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Ethylen oder Acrylnitril und aromatische Moleküle wie Benzol oder Pyridin.
Die Verwendung eines Reaktors mit einem bewegten Bett ermöglicht, dass Prozessbedingungen eingestellt werden können, bei denen Kohlenstoff graphitisch auf den Kohlenstoffnanoröhrchen im Substrat abgeschieden wird. Beim graphitischen Abscheiden von Kohlenstoff kommt es, insbesondere im Gegensatz zum Abscheiden von amorphem Kohlenstoff, auf den
Kohlenstoffnanoröhrchen zur Ausbildung weiterer graphenartiger Lagen. Diese Lagen können beispielsweise eine tubuläre Struktur, oder auch eine Scroll-Struktur aufweisen.
Die Parameter für die Prozessbedingungen, bei denen ein graphitisches Abscheiden erfolgt, sind zum Teil vom verwendeten Reaktor abhängig. Als Anhaltspunkte für typische
Verfahrensparameter werden weiter unten Beispiele für Prozessbedingungen angegeben, bei denen ein graphitisches Abscheiden nachgewiesen werden konnte. Die Prozessbedingungen umfassen insbesondere die wichtigen Parameter der Prozesstemperatur sowie der Bewegung des bewegten Bettes. Bei Wirbelschichtreaktoren wird die Bewegung des Bettes beispielsweise durch den Gasfluss durch die Wirbelschicht bestimmt. Weiterhin können auch die Prozessdauer sowie die Art des verwendeten Precursors für die Herstellung der Kohlenstoffnanoröhrchen wichtig sein.
Nach Durchführung des Verfahrens können die Kohlenstoffnanoröhrchen dem Reaktor entnommen werden. Aufgrund der während des Verfahrens auf den Kohlenstoffnanoröhrchen abgeschiedenen graphenartigen Lagen weisen diese nunmehr im Durchschnitt einen größeren äußeren Durchmesser auf. Für die Prozessbedingungen die das graphitische Abscheiden bewirken, kann bevorzugt eine Prozesstemperatur im Bereich von 850 °C bis 1300 °C, vorzugsweise im Bereich von 900 °C bis 1300 °C, insbesondere von 950 °C bis 1300 °C eingestellt werden. Messungen haben ergeben, dass unterhalb einer Temperatur von 850 °C keine nennenswerte Abscheidung von graphitischem Kohlenstoff erfolgt. Oberhalb von 1300 °C werden die thermischen Belastungen für den Reaktor so groß, dass nur noch spezielle Reaktormaterialien eingesetzt werden können, durch welche das Verfahren teuer und unwirtschaftlich würde. Die höchsten Ausbeuten des Verfahrens wurden experimentell in einem bevorzugten Bereich zwischen 950°C und 1050°C festgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der Anteil an aktivem Katalysatormaterial, welches ein Längenwachstum von Kohlenstoffiianoröhrchen bewirken könnte, im bewegten Bett während des Verfahrens weniger als 5000 ppm, vorzugsweise weniger als 1000 ppm, insbesondere weniger als 500 ppm. Auf diese Weise kann das Dickenwachstum erhöht werden, d.h. der Anteil des als Precursor eingebrachten Kohlenstoffs, der graphitisch auf den Kohlenstoffiianoröhrchen abgeschieden wird.
Katalysatoren, die ein Längenwachstum von Kohlenstoffiianoröhrchen bewirken, werden insbesondere bei der Herstellung von Kohlenstoffiianoröhrchen in bekannten Verfahren eingesetzt. Beispielsweise werden hierzu häufig Eisen-, Kobalt- oder Nickel-haltige Katalysatoren verwendet.
Es hat sich heraus gestellt, dass die Gegenwart derartiger Katalysatoren bei dem beschriebenen Verfahren das Dickenwachstum der Kohlenstoffiianoröhrchen verringern kann. Dies ist vermutlich dadurch begründet, dass der durch die Precursoren zur Verfügung gestellte Kohlenstoff für das durch die Katalysatoren angeregte Längenwachstum der Kohlenstoffiianoröhrchen verbraucht wird, so dass für ein graphitisches Abscheiden und so für ein Dickenwachstum der Kohlenstoffiianoröhrchen nicht mehr ausreichend Kohlenstoff zur Verfügung steht.
Die Angabe der Katalysatormenge in Teilen pro Million (ppm) bezieht sich auf den Gewichtsanteil des Katalysatormetalls am Gesamtgewicht des Substrats. Weiterhin ist diese Angabe auf den Anteil der Katalysatorteilchen beschränkt, die im Substrat aktiv für eine Katalyse zur Verfügung stehen. Passivierte Katalysatorteilchen, insbesondere durch Encapping wie zum Beispiel im Inneren von Kohlenstoffiianoröhrchen eingeschlossene Katalysatorteilchen, sind vorliegend irrelevant und daher in der Mengenangabe nicht berücksichtigt. Die für das Verfahren vorteilhaften geringen Konzentrationen der Katalysatoren können in einer weiteren Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass für das Substrat gereinigte, insbesondere säuregereinigte Kohlenstoffiianoröhrchen verwendet werden. Bei der katalytischen Herstellung von Kohlenstoffiianoröhrchen bleiben regelmäßig Reste des verwendeten Katalysators im hergestellten Kohlenstoffnanoröhrchenpulver zurück. Dies ist beispielsweise bei kommerziell erhältlichen Kohlenstoffiianoröhrchen, wie Baytubes(R) C 150 P, der Fall. Diese Katalysatorenreste können durch eine Säurewäsche, insbesondere mit Salzsäure, aus dem Kohlenstoffnanoröhrchenpulver größtenteils entfernt werden, so dass säuregereinigte Kohlenstoffiianoröhrchen nur noch sehr geringe Katalysatorrestgehalte aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Prozessbedingungen, insbesondere Temperatur, Druck und/oder Gaszusammensetzung im Reaktor, so gewählt, dass die kinetische Konstante für das Dickenwachstum der Kohlenstoffiianoröhrchen, d.h. für das graphitische Abscheiden von Kohlenstoff auf den äußeren Graphenschichten der Kohlenstoffiianoröhrchen, größer ist als die kinetische Konstante für das durch Katalysatorbestandteile verursachte Längenwachstum der Kohlenstoffiianoröhrchen. Bevorzugt werden die kinetischen Konstanten über die Prozessbedingungen so eingestellt, dass das Verhältnis von dem für das Dickenwachstum verbrauchen Kohlenstoff zu dem für das Längenwachstum verbrauchten Kohlenstoff größer 1 , bevorzugt größer 5, insbesondere größer 10 ist. Bei moderaten Temperaturen zeigen katalytische Prozesse wie das Längenwachstum der Kohlenstoffiianoröhrchen in der Regel einen höheren Umsatz als nicht-katalytische Prozesse wie das Dickenwachstum der Kohlenstoffiianoröhrchen. Die zuvor genannten Verhältnisse können daher insbesondere bei möglichst hohen Prozesstemperaturen erreicht werden, vorzugsweise bei Prozesstemperaturen von mehr als 900 °C, insbesondere von mindestens 950 °C.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als bewegtes Bett eine Wirbelschicht eines Wirbelschichtreaktors verwendet. Bei einem Wirbelschichtreaktor wird das Substrat auf einem Träger, insbesondere einer Trägerplatte, abgelegt. Durch im Träger vorgesehene Düsenöffnungen wird ein Gasstrom in das Substrat eingeleitet, so dass das Substrat und der Gasstrom eine sogenannte Wirbelschicht ausbilden. Die Wirbelschicht zeichnet sich durch ein flüssigkeitsähnliches Verhalten aus, bei der die einzelnen Teilchen des Substrats im Gasstrom durchmischt werden. Neben der guten Durchmischung des Substrats wird in der Wirbelschicht auch ein guter Wärme- und Stofftransport erreicht, so dass in der Wirbelschicht im Wesentlichen homogene Prozessbedingungen vorliegen. Hierdurch wird ein gleichmäßiges graphitisches Abscheiden von Kohlenstoff auf den Kohlenstoffiianoröhrchen begünstigt. In Versuchen wurden mit dem Wirbelschichtreaktor entsprechend hohe Ausbeuten erreicht. Als Wirbelschichtreaktor kann beispielsweise ein Quarzwirbelschichtreaktor verwendet werden, bei dem der Reaktor im Wesentlichen durch eine Quarzglas einhausung, beispielsweise ein Quarzglasrohr, gebildet wird. Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann das bewegte Bett auch durch einen Drehrohrreaktor bereitgestellt werden. Ein Drehrohrreaktor weist ein Reaktorrohr auf, dessen Längsachse in einem geringen Winkel von beispielsweise 1 - 5° zur Horizontalen ausgerichtet ist. Das Reaktorrohr ist drehbar um seine Längsachse gelagert und zur Drehung um diese Achse antreibbar. Für die Durchführung des Verfahrens wird zunächst das Substrat auf die Innenfläche des Reaktorrohres aufgebracht. Anschließend wird das Reaktorrohr um seine Längsachse gedreht, während ein Kohlenstoff-haltiger Precursor in das Reaktorrohr eingebracht wird. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, bei der als bewegtes Bett die Wirbelschicht eines Wirbelschichtreaktors verwendet wird, wird für die Prozessbedingungen, die das graphitische Abscheiden bewirken, ein Gasfluss durch die Wirbelschicht so eingestellt, dass eine stabile Fluidisierung gegeben ist. Mit diesem Gasflussbereich wurden experimentell gute Ausbeuten beim graphitischen Abscheiden des Kohlenstoffs festgestellt. Zur Steuerung der Ausbeute und des Prozesses selbst können auch Gasgemische, z.B. ein Gemisch aus einem inerten Trägergas mit dem kohlenstoffhaltigen Precursor verwendet werden.
Unter einer stabilen Fluidisierung wird verstanden, dass der Gasfluss eine Geschwindigkeit aufweist, welche größer oder gleich der Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit ist. Zur Bestimmung der Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit wird auf die WO 2007/118668 A2 verwiesen, deren Inhalt durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Beschreibung sein soll. Insbesondere wird auf die Formel (1) auf Seite 7 der WO 2007/118668 A2 zur Bestimmung der Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit verwiesen. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird für die Prozessbedingungen, die das graphitische Abscheiden bewirken, ein Precursoreintrag in den Reaktor von 0,0001 bis 1 g, bevorzugt 0,001 bis 0,2 g, insbesondere 0,005 bis 0,1 g, pro Gramm Substrat und pro Minute eingestellt. Dieser Precursoreintrag hat sich experimentell als vorteilhaft für eine hohe Ausbeute des Verfahrens herausgestellt. Bei einem geringeren Precursoreintrag steht für ein optimales graphitisches Abscheiden zu wenig Kohlenstoff zur Verfügung. Bei einem höheren Precursoreintrag wird ein Teil des Precursors nicht umgesetzt oder sogar in nicht graphitischer Form abgeschieden, so dass die Ergebnisse des Verfahrens beeinträchtigt werden.
Das Verfahren kann kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Bei einer kontinuierlichen Verfahrensführung werden dem Wirbelschichtreaktor kontinuierlich Kohlenstoffnanoröhrchen als Substrat zugeführt und/oder prozessierte Kohlenstoffnanoröhrchen entnommen. Bei einer diskontinuierlichen Verfahrensweise wird das Verfahren in aufeinanderfolgenden Chargen (Batches) durchgeführt. Für eine Charge wird ein Substrat vorgelegt, und das möglichst vollständig zum Produkt umgewandelte Substrat wird dem Wirbelschichtreaktor am Ende des Verfahrens im Wesentlichen vollständig entnommen. Bei einer quasi-kontinuierlichen Verfahrensweise wird dem Wirbelschichtreaktor am Ende eines Verfahrensablaufs nur ein gewisser Teil des Produkts entnommen und das Substrat entsprechend wieder aufgefüllt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, insbesondere beim quasi-kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verfahren, wird eine Prozessdauer zwischen 10 bis 600 min., bevorzugt 10 bis 120 min. eingestellt.
Bevorzugt wird die Prozessdauer so eingestellt, dass die Durchmesserverteilung der hergestellten Kohlenstoffnanoröhrchen nach Ende des Verfahrens ein Durchmesserverhältnis D90 / D10 von kleiner 4, bevorzugt kleiner 3 aufweisen. Weiter bevorzugt wird die Prozessdauer so eingestellt, dass das Durchmesserverhältnis D90 / D10 der hergestellten Kohlenstoffnanoröhrchen gegenüber dem entsprechenden Durchmesserverhältnis des Edukts, d.h. der als Substrat vorgelegten Kohlenstoffnanoröhrchen, um mindestens 20 %>, bevorzugt um mindestens 30 %>, insbesondere um mindestens 40 % verringert ist. Es wurde festgestellt, dass das graphitische Abscheiden des Kohlenstoffs bevorzugt auf Kohlenstoffnanoröhrchen erfolgt, welche in Bezug auf das Substrat einen unterdurchschnittlichen Durchmesser aufweisen, da diese ein größeres Oberflächen-zuMassen Verhältnis und daher im Verhältnis eine größere Reaktionsfläche für das Abscheiden des Kohlenstoffs aufweisen. Durch diesen Effekt erhöht sich der Durchmesser der dünneren Kohlenstoffnanoröhrchen im Durchschnitt schneller als der Durchmesser der dickeren Kohlenstoffnanoröhrchen, so dass im Ergebnis die Durchmesserverteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen enger wird.
Der Durchmesserwert D90 bzw. D10 bedeutet, dass 90% bzw. 10% der Kohlenstoffnanoröhren einen geringeren als diesen Durchmesser haben. Das Durchmesserverhältnis D90 / D10 entspricht dem Quotienten von D90 und D10.
Der kohlenstoffhaltige Precursor enthält gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens eine zumindest teilweise ungesättigte oder aromatische Verbindung oder besteht hieraus. In Versuchen hat sich gezeigt, dass derartige Moleküle, wie beispielsweise Benzol oder Ethylen, ein graphitisches Abscheiden von Kohlenstoff bewirken. Eine Kohlenstoff-Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Heteroatom Doppelbindung bzw. insbesondere ein aromatischer Ring begünstigen demnach das graphitische Abscheiden. Die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit einzelnen dotierten graphenartigen Lagen kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens dadurch erreicht werden, dass der kohlenstoffhaltige Precursor eine Verbindung enthält oder daraus besteht, das Kohlenstoff und mindestens ein Heteroatom aus der Gruppe Stickstoff, Bor, Phosphor oder Silizium umfasst, verwendet wird. Alternativ kann der kohlenstoffhaltige Precursor auch mindestens zwei Verbindungen enthalten, wobei mindestens eine davon Kohlenstoff und mindestens eine andere davon ein Element aus der Gruppe Stickstoff, Bor, Phosphor, oder Silizium umfasst. Anstelle von Sauerstoff, Stickstoff, Bor, Phosphor, oder Silizium kommen in der zuvor beschriebenen Ausführungsform auch andere zur Dotierung geeignete Fremdatome in Betracht.
Bei dieser Ausführungsform können auf den Kohlenstoffnanoröhrchen im Substrat gezielt graphenartige Lagen abgeschieden werden, welche eine dem Precursor entsprechende Dotierung aufweisen. Hierdurch können beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen erzeugt werden, die verschiedene Lagen mit unterschiedlicher Dotierung bzw. sowohl dotierte als auch undotierte Lagen aufweisen.
Bei dem Verfahren kann beispielsweise in einem ersten Schritt ein erster Precursor und in einem zweiten, zeitlich nachgelagerten Schritt ein zweiter Precursor in das bewegte Bett eingebracht werden. Auf diese Weise können nacheinander verschiedenartige graphenartige Lagen, insbesondere dotierte und undotierte bzw. verschiedenartig dotierte Lagen, auf den Kohlenstoffnanoröhrchen abgeschieden werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen durch individuelle Dotierung gezielt zu beeinflussen und damit bedarfsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchen zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise können durch das alternierende Einbringen verschiedener Precursoren Kohlenstoffnanoröhrchen mit hinsichtlich ihrer Dotierung alternierenden Lagen hergestellt werden.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen, aufweisend mindestens eine erste und eine zweite graphenartige Lage, wobei die zweite Lage im Querschnitt des Kohlenstoffnanoröhrchens außerhalb der ersten Lage angeordnet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine der beiden Lagen eine erste Dotierung aufweist und die andere der beiden Lagen eine zweite, andersartige Dotierung aufweist oder undotiert ist. Beispielsweise kann die zweite Lage, d.h. die äußere Lage, eine erste Dotierung aufweisen, während die erste Lage, d.h. die innere Lage undotiert ist oder eine zweite, andersartige Dotierung aufweist. Alternativ kann die erste Lage, d.h. die innere Lage, eine erste Dotierung aufweisen, während die zweite Lage, d.h. die äußere Lage undotiert ist oder eine zweite, andersartige Dotierung aufweist. Durch die gezielte Dotierung einzelner graphenartiger Lagen können die Eigenschaften der Kohlenstoffhanoröhrchen bedarfsgemäß eingestellt werden. Hieraus ergeben sich neue Einsatzgebiete für die Kohlenstoffhanoröhrchen. Durch die gezielte Einstellung der elektrischen bzw. elektronischen Eigenschaften sind die Kohlenstoffhanoröhrchen als Komponenten in elektronischen Schaltungen einsetzbar. Durch gezielte Einstellung der chemischen Eigenschaften können die Kohlenstoffhanoröhrchen als Katalysatoren eingesetzt werden. Hierzu lassen sich die Kohlenstoffhanoröhrchen durch die Dotierung gezielt funktionalisieren. Weiterhin kann durch die Dotierung die Kompatibilität der Kohlenstoffhanoröhrchen mit anderen Materialien eingestellt werden, beispielsweise für den Einsatz in Verbundmaterialien. Ein weiteres mögliches Potential der gezielt dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen ergibt sich im Bereich von Elektrodenmaterialien und der Lithium-Ionen Batterien. Insbesondere kommt eine Verwendung der Kohlenstoffhanoröhrchen als Leitfähigkeitsadditiv oder Anodenmaterial in Frage.
Die zuvor beschriebenen Kohlenstoffhanoröhrchen werden bevorzugt mit einem der zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt. Umgekehrt werden die zuvor beschriebenen Verfahren bevorzugt dazu verwendet, derartige Kohlenstoffhanoröhrchen herzustellen.
Die zweite Lage des Kohlenstoffnanoröhrchens ist im Querschnitt außerhalb der ersten Lage angeordnet. Unter einer solchen Anordnung wird verstanden, dass es sich bei der ersten Lage um eine in Bezug auf den Querschnitt des Kohlenstoffnanoröhrchens weiter innen liegende Lage und bei der zweiten Lage um eine weiter außen, d.h. eine weiter vom Mittelpunkt des Querschnitts entfernte Lage handelt.
Die erste und die zweite Lage können unmittelbar übereinander liegen. Alternativ können zwischen der ersten und der zweiten Lage auch weitere Lagen angeordnet sein.
Die erste und die zweite Lage können beispielsweise jeweils eine tubuläre Struktur aufweisen, so dass jede der beiden Lagen eine Röhrenform aufweist, wobei die zweite Lage die erste Lage umschließt. Alternativ können die Lagen auch in einer Scroll-Struktur vorliegen, bei der eine Struktur aus mehreren übereinanderliegenden, graphenartigen Lagen aufgewickelt ist. Eine äußere graphenartige Lage dieser Wicklung kann dann als zweite Lage und eine innere graphenartige Lage als erste Lage angesehen werden. Weiterhin sind auch Kombinationen möglich, beispielsweise mit tubulären inneren Lagen und äußeren Lagen vom Scroll-Typ oder umgekehrt. Unter einer Dotierung wird verstanden, dass die ansonsten graphenartige Struktur einer Lage neben den Kohlenstoffatomen zusätzlich auch Fremdatome aufweist, vorzugsweise mindestens 1,5 at.%, bevorzugt mindestens 2 at.%, weiter bevorzugt mindestens 5 at.%, insbesondere mindestens 10 at.%. Diese können beispielsweise anstelle von Kohlenstoffatomen an Gitterplätzen oder Störstellen des Graphengitters angeordnet sein. Unter einer undotierten Lage wird eine graphenartige Lage verstanden, welche nicht gezielt durch Fremdatome dotiert wurde, sodass die Störstellen innerhalb dieser Lage im natürlichen Störstellenbereich, d.h. insbesondere im Bereich < 1 at.%, insbesondere < 0,5 at.%, liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kohlenstoffnanoröhrchens ist eine der Lagen mit Stickstoff, Bor, Phosphor oder Silizium oder einer Kombination hiervon dotiert. Durch eine Dotierung mit einer oder mehreren Arten dieser Fremdatome können die Eigenschaften, insbesondere die elektrischen Eigenschaften, der Lagen gezielt geändert werden. Die andere der beiden Lagen ist in diesem Fall bevorzugt undotiert oder weist eine Dotierung mit einer andersartigen Fremdatomart aus der Gruppe Stickstoff, Bor, Phosphor oder Silizium auf.
Eine nächste bevorzugte Ausführungsform des Kohlenstoffnanoröhrchens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffnanoröhrchen eine dritte graphenartige Lage aufweist, dass die zweite Lage im Querschnitt des Kohlenstoffnanoröhrchens innerhalb der dritten Lage angeordnet ist und dass die erste und die dritte Schicht undotiert sind. Auf diese Weise wird ein Kohlenstoffnanoröhrchen mit alternierenden Schichten bereitgestellt, bei der eine dotierte Lage durch zwei undotierte Lagen umgeben wird. Ein derartiges Kohlenstoffnanoröhrchen ist beispielsweise durch eins der oben beschriebenen Verfahren herstellbar, bei dem in zeitlichen Abstand verschiedene Precursoren in das bewegte Bett eingebracht werden.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird weiterhin auch durch ein Kohlenstoffnanoröhrchenpulver gelöst, welches die oben beschriebenen Kohlenstoffnanoröhrchen enthält.
Bevorzugt weisen die Kohlenstoffnanoröhrchen des Kohlenstoffnanoröhrchenpulvers einen mittleren Durchmesser von 3 bis 100 nm, vorzugsweise 5 bis 50 nm, insbesondere 10 bis 25 nm auf. Dieser Durchmesserbereich entspricht häufigen technischen Vorgaben und kann mit der Erfindung ohne weiteres erreicht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Durchmesserverteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen nach Durchführung des Verfahrens ein Durchmesserverhältnis D90 / D10 von kleiner 4, bevorzugt kleiner 3 auf. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Durchmesserverteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen nach Durchführung des Verfahrens ein
Durchmesserverhältnis auf, das mindestens 20 %>, bevorzugt mindestens 30 %>, insbesondere mindestens 40 % geringer ist als das Durchmesserverhältnis des als Substrat vorgelegten Edukts. Diese Ausführungsformen sind vorteilhaft, da neue Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhrchen häufig eine vorgegebene, in der Regel enge Durchmesserverteilung erfordern. Diese ist mit den erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchen und dem entsprechenden
Kohlenstoffnanoröhrchenpulver erreichbar. Die Herstellung kann beispielsweise wie zuvor für das Verfahren beschrieben durch entsprechende Einstellung der Prozessdauer erfolgen.
Das Kohlenstoffnanoröhrchenpulver weist bevorzugt eine Reinheit von mindestens 90 %, bevorzugt von mindestens 95 %, insbesondere von mindestens 97 %, auf. Unter der Reinheit wird vorliegend der Anteil in Gew.-% an Kohlenstoffnanoröhrchen im Pulver gegenüber anderen Bestandteilen wie insbesondere amorphem Kohlenstoff und anorganischen Metalloxiden verstanden. Es hat sich herausgestellt, dass mit der vorliegenden Erfindung Kohlenstoffnanoröhrchenpulver mit hoher Reinheit hergestellt werden können.
Als Maß für den hohen Anteil an graphitischem Kohlenstoff im Kohlenstoffnanoröhrchenpulver kann das Flächenverhältnis D / G der D-Bande zur G-Bande im Ramanspektrum herangezogen werden. Die D-Bande (disorder band) liegt bei ungefähr 1300 cm"1 und die G-Bande (graphite band) liegt bei ungefähr 1588 cm"1. Zu Berechnung des Flächenverhältnisses D / G werden die Integrale des Ramanspektrums über die D-Bande und über die G-Bande berechnet und dann ins Verhältnis gesetzt. Das Kohlenstoffnanoröhrchenpulver zeigt im Ramanspektrum bevorzugt ein D/G- Verhältnis von kleiner 1,5, bevorzugt von kleiner 1 auf.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie konkrete Beispiele für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich im Folgenden aus der Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele sowie experimenteller Ergebnisse. Hierbei wird auch auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens unter
Verwendung eines Wirbelschichtreaktors, ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Drehrohrreaktors, Fig. 3a - e Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kohlenstoffnanoröhrchen, die insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Graphenstruktur mit möglichen
Positionen von Dotieratomen und
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Wirbelschichtreaktors. Der Wirbelschichtreaktor 2 weist ein Reaktorgehäuse 4 auf, das einen Reaktorraum 6 umgibt. Das Reaktorgehäuse 4 ist vorliegend als beidseitig geschlossenes Quarzglasrohr ausgebildet. Der Reaktorraum 6 wird nach unten durch eine Trägerplatte 8 begrenzt, welche eine Mehrzahl an Düsenöffnungen 10 aufweist. Der Reaktor 2 weist weiterhin einen Gaseinlass 12 und einen Gasauslass 14 auf, die so angeordnet sind, dass ein Gas über den Gaseinlass 12 durch die Düsenöffnungen 10 in den Reaktorraum 6 strömen und diesen durch den Gasauslass 14 wieder verlassen kann. Am Gasauslass 14 kann eine Kondensationsfalle 15 vorgesehen sein, um die Menge von während des Verfahrens nicht umgesetztem Precursormaterial bestimmen zu können.
Anstelle oder zusätzlich zu einer Kondensationsfalle 15 können an dieser Stelle auch entsprechende Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung wie zum Beispiel Abgasbrenner, Filter, Abgaswäscher und dergleichen vorgesehen sein.
Zu Beginn des Verfahrens wird über einen dafür vorgesehenen Zugang 16 ein pulverförmiges Substrat 18 aus Kohlenstoffnanoröhrchen als Edukt in den Reaktorraum 6 eingeführt (s. Pfeil 20) und mit einer Schüttdichte von beispielsweise 20 bis 450 kg/m3 auf die Trägerplatte 8 aufgebracht. Ein Prozessgas wie zum Beispiel Stickstoff wird über den Gaseinlass 12 in den Reaktor 2 eingeleitet (vgl. Pfeil 22), welches durch die Düsenöffnungen 10 (vgl. Pfeil 24) in das Substrat 18 geführt wird. Das durch die Düsenöffnungen 10 strömende Prozessgas bildet mit dem Substrat 18 eine Wirbelschicht 26 aus, in der sich das Gemisch aus dem Prozessgas und dem Substrat in einen fluidisierenden, d.h. einem Flüssigkeits-ähnlichen Zustand, befindet. In der Wirbelschicht 26 kommt es zu einer starken Durchmischung des Substrats sowie zu einem guten Wärmeausgleich. Durch die Wirbelschicht 26 liegt das Substrat im Reaktor 2 in einem bewegten Bett 27 vor.
Innerhalb des Reaktorraums 6, insbesondere innerhalb der Wirbelschicht 26, wird durch dazu vorgesehene Heizmittel (nicht gezeigt) eine Prozesstemperatur im Bereich von 950°C bis 1300°C, insbesondere 1000°C eingestellt. Beispielsweise kann das Prozessgas vor dem Einleiten in die Wirbelschicht durch die Heizmittel auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden. Die dann im Prozessgas gespeicherte Wärmeenergie wird in der Wirbelschicht auf das Substrat übertragen. Ein kohlenstoffhaltiger Precursor, insbesondere Ethylen oder Benzol, wird nun in die Wirbelschicht 26 eingebracht. Dies kann über den Einlass 12 zusammen mit dem Prozessgas erfolgen oder auch durch einen separaten Eingang. Bei Verwendung eines gasförmigen Precursors kann dieser gleichzeitig auch als Prozessgas verwendet werden.
Innerhalb des Reaktorraums 6 reagiert der Precursor in der Wirbelschicht 26 und führt bei geeignet eingestellten Prozessbedingungen zur Abscheidung von graphitischem Kohlenstoff auf den Kohlenstoffiianoröhrchen.
Nach Ende des Prozesses kann das Verfahrensprodukt, d.h. die durch die Abscheidung von graphitischem Kohlenstoff veränderten Kohlenstoffiianoröhrchen des Substrats 18, durch den Zugang 16 wieder aus dem Wirbelschichtreaktor 2 entnommen werden (Pfeil 28). Die Kohlenstoffnanoröhrchen im Substrat 18 weisen am Ende des Verfahrens im Durchschnitt einen erhöhten Durchmesser und eine erhöhte Schüttdichte auf, da sich durch das graphitische Abscheiden weitere graphenartige Lagen um die einzelnen Kohlenstoffnanoröhrchen gebildet haben. Der Zugang 16 kann eine Schleuse aufweisen, durch die zu Beginn des Verfahrens das Edukt bzw. am Ende des Verfahrens das Produkt geführt werden kann. Hierbei kann ein Gasaustausch des Wirbelschichtreaktors stattfinden. Eine Schleuse wird insbesondere für den diskontinuierlichen Betrieb vorgesehen. Es ist jedoch auch eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Verfahrensweise möglich.
Beispiele für geeignete Prozessbedingungen werden im Zusammenhang mit der Beschreibung von Versuchsergebnissen weiter unten dargestellt.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens unter Verwendung eines Drehrohrreaktors. Der Drehrohrreaktor 32 weist ein Rohr 34 auf, dessen Längsachse 38 um einen kleinen Winkel α von beispielsweise 1° bis 5° zum horizontalen Untergrund 36 geneigt ist. Das Rohr 34 ist mittels eines dafür vorgesehenen Antriebs (Pfeil 40) um seine Längsachse 38 drehbar.
Zu Beginn des Verfahrens wird ein Substrat 42 aus Kohlenstoffnanoröhrchen als Edukt in das Rohr 34 eingeführt (Pfeil 44) und mit einer Schüttdichte von beispielsweise 20 bis 450 kg/m3 auf die inneren Rohrwand aufgebracht. Das Rohr 34 wird mittels des Antriebs in Drehung versetzt, so dass das Substrat 42 im Rohr 34 nun in einem bewegten Bett 45 vorliegt. Das Substrat 42 wird auf diese Weise während des Verfahrens gut durchmischt. Weiterhin ergibt sich innerhalb des Substrats ein guter Wärmeausgleich. Innerhalb des Rohres 34, insbesondere innerhalb des Substrats 42, wird über vorgesehene Heizmittel (nicht dargestellt) eine Prozesstemperatur im Bereich von 950°C bis 1300°C, insbesondere 1000°C eingestellt. Von einer Seite des Rohres 34 wird ein kohlenstoffhaltiger Precursor wie zum Beispiel Ethylen oder Benzol in das Rohr 34 eingebracht (Pfeil 46). Der Precursor kann beispielsweise allein oder mit einem Prozessgas wie Stickstoff in das Rohr eingebracht werden. Im bewegten Bett des Drehrohrreaktors 32 reagiert der Precursor unter geeignet eingestellten Prozessbedingungen, so dass Kohlenstoff graphitisch auf den Kohlenstoffnanoröhrchen des Substrats 42 abgeschieden wird. Überschüssiges Precursormaterial oder ein das Precursormaterial transportierendes Prozessgas kann an der anderen Seite des Rohres 34 wieder aus diesem heraustreten (Pfeil 48). Das Prozessgas mit dem kohlenstoffhaltigen Precursormaterial kann alternativ auch in dieselbe Richtung geführt werden wie das Substrat. Nach Ende des Prozesses kann das Verfahrensprodukt, d.h. die durch die Abscheidung von graphitischem Kohlenstoff veränderten Kohlenstoffnanoröhrchen im Substrat 42, aus dem Rohr 34 entnommen werden (Pfeil 50). Die in dem Substrat enthaltenen Kohlenstoffnanoröhrchen weisen am Ende des Verfahrens einen erhöhten Durchmesser auf, da das graphitische Abscheiden von Kohlenstoff zur Bildung weiterer graphenartiger Lagen um die einzelnen Kohlenstoffnanoröhrchen geführt hat.
Die Fig. 3a - 3e zeigen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kohlenstoffnanoröhrchen, die insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind. Fig. 3 a zeigt ein erstes Kohlenstoffnanoröhrchen 60 in schematischer isometrischer Ansicht. Das Kohlenstoffnanoröhrchen 60 weist eine erste innere graphenartige Lage 64 und eine zweite äußere graphenartige Lage 62 auf. Die erste und zweite graphenartige Lage 62, 64 haben jeweils tubuläre Struktur. Während die erste graphenartige Lage 64 undotiert ist, weist die zweite graphenartige Lage 62 eine Stickstoffdotierung auf. In der Graphenstruktur der zweiten Lage 62 sind also Stickstoffatome an Kohlenstoff-Gitterplätzen eingelagert.
Fig. 3b zeigt ein weiteres Kohlenstoffnanoröhrchen 70 im Querschnitt mit einer ersten Lage 72, einer zweiten Lage 74 und einer dritten Lage 76. Die erste und dritte Lage 72 und 76 sind undotiert, während die zweite Lage 74 eine Stickstoffdotierung aufweist.
Kohlenstoffnanoröhrchen wie sie in Fig. 3 a und 3b gezeigt sind, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Für das Kohlenstoffnanoröhrchen 60 aus Fig. 3 a wird dazu auf ein im Substrat vorgelegtes, ursprünglich nur aus der ersten Lage 64 bestehendes Kohlenstoffnanoröhrchen durch Einbringen eines Kohlenstoff- und Stickstoff-haltigen Precursors, wie zum Beispiel Pyridin, in das bewegte Bett während des Verfahrens die mit Stickstoff-dotierte zweite Lage 62 abgeschieden. Indem in einem optionalen weiteren Schritt nur ein Kohlenstoff- haltiger Precursor in das bewegte Bett eingebracht wird, kann abschließend noch eine dritte undotierte graphenartige Lage abgeschieden werden, sodass sich die Struktur aus Fig. 3b ergibt.
Fig. 3c zeigt ein weiteres Kohlenstoffnanoröhrchen 80 im Querschnitt mit einer gewickelten Struktur (Wickel-Struktur), bei der eine einzelne Graphenschicht aufgewickelt ist, so dass sich eine erste innere Lage 82 und eine äußere zweite Lage 84 ergeben. Die innere Lage 82 ist mit Silizium dotiert, während die äußere Lage 84 undotiert ist. Das Kohlenstoffnanoröhrchen 80 lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen, indem auf ein im Substrat vorgelegtes Kohlenstoffnanoröhrchen mit gewickelter Struktur bestehend aus einer mit Silizium dotierten, graphenartigen Schicht durch das Einbringen eines Kohlenstoff-haltigen Precursors in das bewegte Bett eine zweite undotierten graphenartigen Lage 84 aus Kohlenstoff aufgebracht wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat sich die im Verfahren abgeschiedene Lage unmittelbar an die ursprüngliche Graphenschicht angeschlossen, so dass sich der Eindruck einer kontinuierlichen gewickelten Graphenschicht ergibt. Fig. 3d zeigt ein weiteres Kohlenstoffnanoröhrchen 90 im Querschnitt, welches eine erste innere Lage 92 in Form einer gewickelten Struktur sowie eine äußere Lage 94 mit tubulärer Struktur aufweist. Die innere Lage 92 ist undotiert, während die äußere Lage 94 mit Stickstoff dotiert ist. Dieses Kohlenstoffnanoröhrchen kann mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden, indem auf ein Kohlenstoffnanoröhrchen mit gewickelter Struktur aus dem Substrat durch Einbringen eines kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Precursors in das bewegte Bett die tubuläre, stickstoffdotierte graphenartigen zweiten Lage 94 aufgebracht wird.
Fig. 3e zeigt ein weiteres Kohlenstoffnanoröhrchen 100 im Querschnitt, welches im Innern eine Scroll-Struktur mit drei graphenartigen Lagen 102a - 102c sowie ein äußere gewickelte Struktur 104 aufweist. Die Lagen der Scroll-Struktur 102a - 102c sind undotiert, während die äußere Lage 104 mit Stickstoff dotiert ist. Das Kohlenstoffnanoröhrchen 100 kann mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden, indem auf ein Kohlenstoffnanoröhrchen mit Scroll-Struktur aus dem Substrat durch Einbringen eines Kohlenstoff- und Stickstoff-haltigen Precursors in das bewegte Bett des Reaktors die weitere, gewickelte dotierte Lage 104 aufgebracht wird.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer graphenartigen Lage. In einer graphenartigen Lage 120 sind die Kohlenstoffatome 122 in einer charakteristischen hexagonalen Kristallstruktur mit zweiatomiger Basis angeordnet, welche eine bienenwabenförmige Anordnung der Kohlenstoffatome 122 ergibt. Bei Dotierung einer graphenartigen Lage wird gezielt ein Anteil an Fremdatomen 124 in die Graphenschicht 120 eingebracht. Die Fremdatome können an Kohlenstoffgitterplätzen sitzen (124a) und so jeweils ein Kohlenstoffatom ersetzen. Durch die Dotierung der graphenartigen Lage 120 mit Fremdatomen können die Eigenschaften der Lage, insbesondere die elektrische Eigenschaften, gezielt verändert werden. Durch eine gezielte Dotierung einzelner Lagen eines Kohlenstoffnanoröhrchens können damit die gewünschten Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhrchen eingestellt werden. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Beim Verfahren 130 wird in einem ersten Schritt 132 ein Substrat aus Kohlenstoffnanoröhrchen in einem bewegten Bett eines Reaktors vorgelegt. In einem zweiten Schritt 134 wird ein kohlenstoffhaltiger Precursor in das bewegte Bett eingebracht. In einem dritten Schritt 136 reagiert der Precursor in dem bewegten Bett unter geeigneten Prozessbedingungen, die ein graphitisches Abscheiden von Kohlenstoff auf den Kohlenstoffnanoröhrchen des Substrats bewirken. In einem vierten Schritt 138 werden die Kohlenstoffnanoröhrchen aus dem Reaktor ausgetragen. Diese als Verfahrensprodukt ausgetragenen Kohlenstoffnanoröhrchen unterscheiden sich von den als Verfahrensedukt vorgelegten Kohlenstoffnanoröhrchen dadurch, dass zumindest auf einem Teil der Kohlenstoffnanoröhrchen zusätzliche graphenartige Lagen abgeschieden wurden.
Im Folgenden werden konkrete Ausführungsbeispiele für die Durchführung des erfindungsmäßen Verfahrens sowie die Ergebnisse durchgeführter Versuche dargestellt. Durchführung der Versuche:
Für die Versuche wurde ein Quarzglaswirbelschichtreaktor mit einem Quarzglasrohr mit 5 cm Innendurchmesser verwendet. Für das Ausgangssubstrat wurden (soweit nicht anders angegeben) Kohlenstoffnanoröhrchen vom Typ Baytubes(R) C 150 P verwendet. Diese Kohlenstoffnanoröhrchen wurden (soweit nicht anders angegeben) säuregereinigt, um Katalysatorreste weitgehend zu entfernen.
Bei jedem Versuch wurden (soweit nicht anders angegeben) ca. 30 g Kohlenstoffnanoröhrchen (Einwaage) im Reaktor als Substrat vorgelegt und in einem Gasstrom aus Stickstoff und Wasserstoff (beispielsweise ca. 2 1/min. Stickstoff und ca. 6 1/min. Wasserstoff) auf die gewünschte Abscheidetemperatur aufgeheizt. Anschließend wurde der gewünschte Precursor durch das vorgelegte Bett transportiert. Flüssige Precursoren wurden dazu mittels Spritzenpumpe in einen Verdampfer befördert und vom Stickstoffgasstrom durch das vorgelegte Bett transportiert. Gasförmige Precursoren wurden unmittelbar in den Stickstoffgasstrom eingeleitet und so durch das vorgelegte Bett transportiert. Nach Ende des Prozesses wurden die Kohlenstoffnanoröhrchen dem Reaktor wieder entnommen.
Die Menge der abgeschiedenen Substanz wurde durch Auswaage bestimmt. Aus dem Verhältnis der Auswaage zur Einwaage wurde die Ausbeute, d.h. die relative Gewichtszunahme des Substrats berechnet. Die Qualität des Kohlenstoffnanoröhrchenpulvers wurde nach Durchführung des Verfahrens im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht. Im TEM wurde zudem auch die Durchmesserverteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen bestimmt.
Weiterhin wurde die Qualität der abgeschiedenen Lagen durch optische Raman-Messungen an dem Kohlenstoffnanoröhrchenpulver untersucht. Zu diesem Zweck wurden aus dem Raman-Spektrum die relativen Signalstärken für die sp3-kovalenten und für die sp2-kovalenten Kohlenstoff- Kohlenstoff-Bindungen ermittelt und zueinander ins Verhältnis gesetzt. Die sp2-kovalenten Bindungen entsprechen dem Bindungstypus im Graphit bzw. Graphen und zeigen daher eine graphenartige Struktur der Lagen. Die sp3-kovalenten Bindungen entsprechen hingegen dem Bindungstypus im Diamant und zeigen bei den Kohlenstoffnanoröhrchen das Vorliegen von amorphem Kohlenstoff an. Ein kleines Verhältnis sp3/sp2 ist daher ein Indiz dafür, dass der Kohlenstoff graphitisch abgeschieden wurde.
Bei den Ergebnissen für die Raman-Messungen ist zu beachten, dass diese keine absoluten Verhältnisse zwischen sp3- und sp2-Bindungen wiedergeben. Entscheidend ist der relative Vergleich zu den Vergleichsversuchen bzw. zum Ausgangsmaterial, d.h. zum vorgelegten Substrat.
Bei der Verwendung von Fremdatom-haltigen Precursoren wie Stickstoff- oder Silizium-haltigen Precursoren wurde weiterhin die Fremdatomkonzentration im Produkt mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie ermittelt. Ergebnisse der Versuche:
Entsprechend der obigen Versuchsbeschreibung wurden verschiedene Versuche (A - N) durchgeführt. Bei den Versuchen A und B wurden Kohlenstoff-haltige Precursoren zur Abscheidung undotierter graphitischer Lagen eingesetzt. Weiterhin wurden Versuche mit dem aromatischen Stickstoff- und Kohlenstoff-haltigen Precursor Pyridin (Versuche C - H) sowie mit dem Silizium- und Kohlenstoff-haltigen Precursor C6H19NS12 (Versuch I), mit einem ungesättigten Stickstoff- und Kohlenstoff-haltigen Precursor Acrylnitril (Versuch J) und mit einem heterocyclischen, substituierten Stickstoff- und Kohlenstoff-haltigen Precursor Imidazol (Versuch K) zur Abscheidung von mit Stickstoff bzw. mit Silizium dotierten Schichten durchgeführt. Die Versuche L und M dienen als Vergleichsversuche mit den Precursoren Wasserstoff und Stickstoff. Weiterhin wurde ein Vergleichsversuch N mit Graphit anstelle von Kohlenstoffnanoröhrchen als Substrat durchgeführt Die Versuchsparameter der einzelnen Versuche sowie die Ergebnisse der Qualitätsuntersuchungen sind in den nachfolgenden Tabellen 1 und 2 zusammengefasst:
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Tabelle 1
Figure imgf000028_0001
Tabelle 2
(1) Für den Versuch G wurden als Substrat 20 g säuregereinigte Kohlenstofmanoröhrchen vom Typ Nanocyl(TM) NC 7000 verwendet.
(2) Für den Versuch H wurden als Substrat nicht-gereinigte Kohlenstoffnanoröhrchen vom Typ Baytubes(R) C 150 P verwendet.
(3) Für den Versuch K wurde als Precursor eine Mischung aus 120 g Ethanol und 100 g Imidazol verwendet.
(4) Für den Versuch N wurde als Substrat Graphit anstelle von Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet.
Im Einzelnen sind in den Tabellen 1 und 2 folgende Daten angegeben:
Precursor: Der im jeweiligen Versuch verwendete Precursor.
Schüttdichte: Schüttdichte des Substrats nach DIN EN ISO 60 in kg/i
Einwaage.
Temperatur: Prozesstemperatur in der Wirbelschicht
Prozessgasstrom N2: Stickstoff-Gasstrom durch die Wirbelschicht in 1/min.
Prozessgasstrom F : Wasserstoff-Gasstrom durch die Wirbelschicht in 1/min.
Precursorzufluss : Precursor-Gasstrom durch die Wirbelschicht in 1/min unter
Normb edingungen.
Precursor- Precursormenge, die während des gesamten
Gesamtmenge: Prozesses durch die Wirbelschicht geleitet wird
Zeit: Dauer des Prozesses (vom Beginn bis zum Ende
Precursorzuführung) in Minuten.
Ausbeute: Gewichtszuwachs des Substrats in Prozent, berechnet aus: 100 % *(Auswaage - Einwaage) / Einwaage.
TEM-Mittelwert: Statistischer Mittelwert der im TEM bestimmten
Durchmesserverteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen. TEM D90/D10: Verhältnis der Durchmesserwerte D90 und D10.
Raman D/G: Verhältnis der Raman-Signale für die D-Bande und die G-Bande.
Fremdatomgehalt: Anteil der Fremdatome in at.% (Element jeweils angegeben), bestimmt durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS).
Ergebnis: Ergebnis des Versuchs hinsichtlich einer effizienten Abscheidung graphitischen Kohlenstoffs auf den Kohlenstoffnanoröhrchen; ++: sehr gut; + : gut; o: befriedigend; - : schlecht; Vergleich: Vergleichsversuch.
Bei den in Tabelle 2 dargestellten Versuchen L und M handelt es sich um Vergleichsversuche, bei denen Kohlenstoff-freie Precursoren verwendet wurden. Daher erfolgte bei diesen Versuchen keine Abscheidung von Kohlenstoff auf den Kohlenstoffnanoröhrchen, so dass das Substrat auch keine Gewichtszunahme erfuhr und die Ausbeute entsprechend Null ist. In den Raman-Messungen wurde für diese Kohlenstoffnanoröhrchen ein Verhältnis der Raman-Signale D / G von etwa 1 wie beim Ausgangssignal gemessen. Aus diesem Vergleichswert ergibt sich, dass das vorrangig graphitische Aufwachsen von Kohlenstoff bei der Raman-Messung durch ein sp3/sp2-Signalverhältnis von 1 oder kleiner 1 angezeigt wird.
In den Versuchen A und B in Tabelle 1 wurden Kohlenstoff-haltige Precursoren verwendet. Beide Versuche zeigen eine gute Ausbeute von 40 % bzw. 49 %. Das Verhältnis der Raman-Signale ist für Versuch C mit Benzol deutlich unter 1 , so dass der Kohlenstoff im Wesentlichen graphitisch auf die Kohlenstoffnanoröhrchen abgeschieden wurde. Für Ethylen in Versuch B lag das Verhältnis der Raman-Signale bei den angegebenen Versuchsbedingungen bei 1. Dies deutet an, dass der abgeschiedene Kohlenstoff die gleiche Graphitisierung aufweist wie die Kohlenstoffnanoröhrchen des Ausgangsmaterials.
Die Versuche C bis F sind eine Versuchsreihe mit Pyridin als Precursor, bei der bei ansonsten im Wesentlichen gleichbleibenden Versuchsbedingungen die Prozesstemperatur verändert wurde. Bei 1000 °C in Versuch C wird eine gute Ausbeute von 41 % erreicht. Das Verhältnis der Raman- Signale zeigt mit 0,78 ein überwiegendes graphitisches Abscheiden des Kohlenstoffs an. Mit sinkender Prozesstemperatur wurde ein Absinken der Ausbeute beobachtet, bis bei einer Prozesstemperatur von 850 °C nur noch eine Ausbeute von 9 % erreicht wurde. Da es sich bei dem Precursor Pyridin um einen Kohlenstoff- und Stickstoff-haltigen Precursor handelt, sind die abgeschiedenen graphenartigen Lagen bei den Versuchen C bis F Stickstoff- dotiert. Mittels XPS -Untersuchungen wurden Dotierungswerte von 1,5 at.% bis 2,8 at.% nachgewiesen.
Beim Versuch G wurden als Substrat säuregereinigte Kohlenstoffnanoröhrchen eines anderen Herstellers, nämlich vom Typ Nanocyl(TM) NC 7000 verwendet. Auch mit diesen Kohlenstoffnanoröhrchen konnte eine sehr gute Ausbeute von 70 % erzielt werden. Beim Versuch H wurden als Substrat wiederum Kohlenstoffnanoröhrchen vom Typ Baytubes(R) C 150 P verwendet, die jedoch nicht säuregewaschen wurden, so dass das Substrat einen gewissen Anteil an Katalysatorresten enthielt. Gleichwohl konnte bei einer Temperatur von 1000 °C eine Ausbeute von 53 % erreicht werden. Damit zeigt Versuch H, dass ein gezieltes Dickenwachstum von Kohlenstoffnanoröhrchen auch in Anwesenheit von Katalysatorresten gelingen kann, wenn zum Beispiel die Prozessparameter so gewählt werden, dass insbesondere die kinetische Konstante für das Dickenwachstum größer ist als die kinetische Konstante für das durch Katalysatorbestandteile verursachte Längenwachstum der Kohlenstoffnanoröhrchen.
Versuch I wurde mit dem neben Kohlenstoff auch Silizium enthaltenden Precursor C6H19NS12 durchgeführt, mit dem Silizium-dotierte graphenartige Lagen abgeschieden werden können. Bei diesem Versuch wurden ein Si-Gehalt im Produkt von 4,7 at.% und eine Ausbeute von 30 % erreicht.
Die Versuche J und K wurden wiederum mit Stickstoff-haltigen Precursoren, nämlich mit Acrylnitril bzw. 1 -Methylimidazol durchgeführt. Beim Versuch K wurde hierzu als Precursor eine Mischung aus 120 g Ethanol und 100 g Imidazol verwendet.
Für viele der oben genannten Versuche ist in den Tabellen 1 und 2 das D90 / DIO-Verhältnis der im TEM bestimmten Durchmesserverteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen angegeben. Diese Werte geben Auskunft über die Durchmesserverteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen. Da das graphitische Abscheiden bevorzugt auf den Kohlenstoffnanoröhrchen mit kleinerem Durchmesser erfolgt, wird die Durchmesserverteilung im Laufe des Prozesses enger. Bei den durchgeführten Versuchen war die Verfahrensdauer im Bereich von 6 und 20 Minuten noch relativ kurz. In allen Versuchen mit einer Abscheidung führte dies zu einem Durchmesserverhältnis D90 / D10 von signifikant kleiner 4, während das Ausgangsmaterial ein Verhältnis von deutlich über 4 aufwies. Durch eine Erhöhung der Verfahrensdauer auf mindestens 20 oder mindestens 30 Minuten kann erreicht werden, dass die Durchmesserverteilung noch enger und das D90/D10-Verhältnis entsprechend kleiner wird.
Versuch N in Tabelle 2 zeigt abschließend noch ein Vergleichsbeispiel, bei dem als Substrat Graphit anstelle von Kohlenstofmanoröhrchen verwendet wurde. Trotz gleichem Precursor und gleicher Prozesstemperatur wie beim Versuch E konnte bei diesem Versuch keine Abscheidung von Kohlenstoff beobachtet werden, so dass die Ausbeute entsprechend 0 % beträgt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100), umfassend folgende Schritte:
Vorlage eines Substrats (18, 42) aus Kohlenstoffnanoröhrchen in einem bewegten Bett (27, 45) eines Reaktors (2, 32),
Einbringen eines kohlenstoffhaltigen Precursors in das bewegte Bett (27, 45),
Reaktion des Precursors in dem bewegten Bett (27, 45) unter geeigneten
Prozessbedingungen, die ein graphitisches Abscheiden von Kohlenstoff auf den
Kohlenstoffnanoröhrchen des Substrats (18, 42) bewirken,
Austrag der Kohlenstoffnanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100) aus dem Reaktor (2, 32).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Prozessbedingungen, die das graphitische Abscheiden bewirken, eine
Prozesstemperatur im Bereich von 850 °C bis 1300 °C, vorzugweise im Bereich von 900 °C bis 1300 °C, insbesondere von 950 °C bis 1300 °C eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Anteil an Katalysatoren, die ein Längenwachstum von Kohlenstoffnanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100) bewirken, im bewegten Bett (27, 45) während des Verfahrens weniger als 5000 ppm, vorzugsweise weniger als 1000 ppm, insbesondere weniger als 500 ppm beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass für das Substrat (18, 42) gereinigte, insbesondere säuregereinigte,
Kohlenstoffnanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100) verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Prozessbedingungen, insbesondere Temperatur, Druck und/oder
Gaszusammensetzung im Reaktor, so gewählt werden, dass das Verhältnis der kinetischen Konstante für das Dickenwachstum der Kohlenstoffnanoröhrchen zur kinetischen
Konstante für das durch Katalysatorbestandteile verursachte Längenwachstum der Kohlenstoffnanoröhrchen größer 1, bevorzugt größer 5, insbesondere größer 10 ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass als bewegtes Bett (27, 45) eine Wirbelschicht (26) eines Wirbelschichtreaktors (2) verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Prozessbedingungen, die das graphitische Abscheiden bewirken, ein
Precursoreintrag in den Reaktor (2, 32) von 0,0001 bis 1 g pro Gramm Substrat (18, 42) und pro Minute eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der kohlenstoffhaltige Precursor eine wahlweise substituierte aliphatische, cyclische, heterocyclische, aromatische und/oder heteroaromatisches Verbindung oder eine Mischung hieraus enthält oder daraus besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die aliphatische oder heterocyclische Verbindung zumindest teilweise ungesättigt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der kohlenstoffhaltige Precursor eine Verbindung enthält oder daraus besteht, die Kohlenstoff und mindestens ein Heteroatom aus der Gruppe Stickstoff, Bor, Phosphor oder Silizium umfasst; oder der kohlenstoffhaltige Precursor mindestens zwei Verbindungen enthält, wobei mindestens eine davon Kohlenstoff und mindestens eine andere davon ein Element aus der Gruppe Stickstoff, Bor, Phosphor, oder Silizium umfasst.
11. Mehrwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100), insbesondere herstellbar nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend mindestens eine erste und eine zweite graphenartige Lage (62, 64, 72, 76, 84, 92, 94, 102, 104, 120), wobei die zweite Lage im Querschnitt des Kohlenstoffnanoröhrchens (60, 70, 80, 90, 100) außerhalb der ersten Lage angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine der beiden Lagen (62, 64, 72, 76, 84, 92, 94, 102, 104, 120) eine erste Dotierung aufweist und die andere der beiden Lagen (62, 64, 72, 76, 84, 92, 94, 102, 104, 120) eine zweite, andersartige Dotierung aufweist oder undotiert ist.
12. Kohlenstoffhanoröhrchen nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine der Lagen (62, 64, 72, 76, 84, 92, 94, 102, 104, 120) mit Stickstoff, Bor, Phosphor oder Silizium dotiert ist.
13. Kohlenstoffnanoröhrchenpulver aufweisend Kohlenstoffhanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 11 oder 12.
14. Kohlenstoffnanoröhrchenpulver nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kohlenstoffhanoröhrchen (60, 70, 80, 90, 100) einen mittleren Durchmesser zwischen 3 und 100 nm, vorzugsweise zwischen 5 und 50 nm, insbesondere zwischen 10 und 25 nm aufweisen.
15. Kohlenstoffnanoröhrchenpulver nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kohlenstoffnanoröhrchenpulver ein Durchmesserverhältnis D90 / D10 von kleiner 4, bevorzugt kleiner 3 aufweist.
16. Kohlenstoffnanoröhrchenpulver nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kohlenstoffnanoröhrchenpulver eine Schüttdichte von 20 bis 500 kg/m3 aufweist.
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