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Massenfertigung

Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus Altpapier hergestellt

Die Produktion von Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Chemical Vapor Deposition (CVD) Verfahren ist energieaufwendig und teuer. Eine neue Produktionsmethode erzeugt die winzigen Gebilde aus Altpapier.

Swansea (Wales). Obwohl Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein noch relatives neues Material ist, scheinen die Anwendungsmöglichkeiten dieser winzigen Gebilde, die aus einer oder mehreren Schichten von Kohlenstoffatomen bestehen, nahezu grenzenlos zu sein. Neben der Chemie, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen zum Beispiel als Katalysatoren nutzt, lassen sich diese mikroskopisch kleinen Gebilde beispielsweise auch in der Technik zur Herstellung von Computern und Touchscreens sowie in der Medizin verwenden.

Derzeit werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen meistens mit dem Chemical Vapor Deposition (CVD) Verfahren hergestellt, dass es ermöglicht durch die katalytische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen auf einer Oberfläche parallel angeordnete Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu erzeugen. Die Vorbereitung des dafür notwendigen Materials ist aber sehr teuer und benötige viel Energie.

Alternative Herstellungsverfahren für Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Die Wissenschaft sucht aus diesem Grund bereits seit langem neue Herstellungsverfahren, mit denen Kohlenstoff-Nanoröhrchen günstiger und energiesparender erzeugt werden können. Kürzlich stellten Forscher Queen’s University in Belfast beispielsweise ein Verfahren vor, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Aktivkohle aus Abfallprodukten der Bierherstellung erzeugen kann. In der Vergangenheit gab es außerdem Versuche, bei denen zur Produktion von Kohlenstoff-Nanoröhrchen Papier als Wachstumssubstrat genutzt werden.

Laut Bruce Brinson, Autor einer nun im Journal of Carbon Research publizierten Studie, waren die Ergebnisse allerdings nicht zufriedenstellend. Wissenschaftler der Rice University und der Swansea University haben aus diesem Grund erneut untersucht, ob es bessere Methoden gibt, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus Papier zu erzeugen. Wie Brinson erklärt, haben die Wissenschaftler sich dazu „altes Zeitungspapier vorgenommen, da es massenweise hergestellt wird, eine große Oberfläche aufweist und günstig ist.“

Chemische Zusammensetzung beeinflusst Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wachstum

Bei der Analyse unterschiedlicher Sorten Zeitungspapier zeigte sich, dass lediglich Papier, dessen Leimungsmittel Kaolin enthält, dazu geeignet ist Kohlenstoff-Nanoröhrchen herzustellen. Andere Zeitungspapiere, die zum Beispiel Calciumcarbonat oder Titandioxid als Füllstoffe nutzen, besitzen hingegen keine Oberfläche, die zum Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden kann. Wie Varun Shenoy Gangoli, Co-Autor der Studie erklärt, „beeinflusst die chemische Natur des Substrats den Wachstumskatalysator, der in unserem Fall Eisen war, offenbar entscheidend.“

Behandlung mit Aluminiumoxid (Al2O3) und Eisennitrat-Nonahydrat (Fe(NO3)3 x 9H2O)

Beim mehrstufigen Herstellungsprozess wird das alte Zeitungspapier im ersten Schritt mit Aluminiumoxid (Al2O3) und Eisennitrat-Nonahydrat (Fe(NO3)3 x 9H2O) behandelt. Anschließend wird es 30 Minuten lang auf 400 Grad Celsius erhitzt. Bei diesem Kalzinierungsprozess entstehen Verkohlungsrückstände, aus denen in einer CVD-Kammer dann Kohlenstoff-Nanoröhrchen erzeugt werden.

Laut den Wissenschaftlern konnten so halbleitende und metallische Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt werden, deren Durchmesser zwischen einem und vier Nanometern liegt. Die Forscher sind der Ansicht, dass in Zukunft Zeitungspapier im Vergleich zu bisherigen Materialien eine als deutlich umweltfreundlichere Alternative in der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Produktion genutzt werden könnte.

Andrew Barron, Co-Autor der Studie konstatiert, dass „die Wissenschaftler mit ihrer Arbeit ein System entwickelt haben, das die Kosten dramatisch reduziert und die künftige Massenfertigung einwandiger Kohlenstoff-Nanotubes maßgeblich beeinflussen könnte.“ Die Studienautoren erklären jedoch, dass bevor ein industrieller Einsatz erfolgen kann noch weitere Verfeinerungen der Herstellungsprozess nötig sind.

Journal of Carbon Research, doi: 10.3390/c5040066

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