Nachhaltige Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen

Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung veröffentlicht neueste Ergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials

10. September 2020

Seit der Entdeckung der Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs) vor 30 Jahren werden mehrere Tonnen jährlich hergestellt und in den verschiedensten Bereichen eingesetzt, zum Beispiel in Batterien, Filtersystemen oder Fahrradrahmen. Normalerweise findet die Synthese der Kohlenstoffnanoröhrchen bei Temperaturen über 700 °C und mit Hilfe reiner, metallischer Katalysatoren statt. Doch wie kann man diese Synthese nachhaltiger machen und somit auch den Einsatz in neuen Anwendungen ermöglichen? Prof. Joohyun Lim und Prof. Christina Scheu aus der unabhängigen Forschungsgruppe „Nanoanalytik und Grenzflächen“ vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) haben, zusammen mit ihren Kolleginnen und Kollegen von der Yonsei Universität in Seoul (Korea), ihre neuesten Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials publiziert.

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Kohlenstoff-Nanoröhren (unten links), chemische Kartierung von Katalysatorpartikeln (unten rechts) und verfeinertes Schema des Wachstums von Kohlenstoff-Nanoröhren (oben).

„Wir haben herausgefunden, dass die katalytischen Eigenschaften für die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen von der Struktur des Katalysators abhängen. Daher ist eine genaue Analyse mit Elektronenmikroskopie nötig um das Material besser zu verstehen und zu optimieren“, erklärt Prof. Lim, der vor kurzem nach Südkorea zurückkehrte, um dort eine Stelle als Assistenzprofessor in der Fakultät Chemie der Kangwon National Universität anzutreten. In ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Katalysatormaterialien aus Manganoxid, in welche variierende Anteile von Eisen-Ionen eingebracht wurden. Das Hinzufügen von Eisen-Ionen ermöglicht eine deutlich höhere katalytische Aktivität für das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhrchen und das bereits bei Temperaturen von nur 400-500 °C. „Eine Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen bei niedrigeren Temperaturen erlaubt es, ihren Einsatz auf neue Anwendungen auszuweiten – zum Beispiel den Einsatz in Solarzellen.“

Durch eine Kombination verschiedener Techniken und vor allem der (Raster-) Transmissionselektronenmikroskopie konnte das Team das Katalysatormaterial im Detail untersuchen. Mittels verschiedener Spektroskopiemethoden konnten sie aufdecken wie die chemische Zusammensetzung des Katalysators dessen Leistung aber auch die Länge der daraus wachsenden Kohlenstoffnanoröhrchen beeinflusst. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom MPIE waren sogar in der Lage, Katalysatorpartikel in drei Dimensionen mittels Tomographie zu untersuchen und somit deren Verhalten während der Katalyse besser zu verstehen. Untersuchungen an Partikeln, die noch an den Kohlenstoffnanoröhrchen anhafteten, erlaubten neue Erkenntnisse und tiefere Einsichten in die Herstellung der Kohlenstoffnanoröhrchen sowie die Rolle des Eisen-Manganoxid-Katalysators.

Diese Studie demonstriert die Wichtigkeit detaillierter Strukturuntersuchungen auch von bereits bekannten Katalysatormaterialien. Ein tieferes Verständnis ermöglicht Synthesebedingungen zu ermitteln, mit denen sich der Katalysator mit den geeignetsten Eigenschaften herstellen lässt.

1.
J. Lim, X. Jin, S.-J. Hwang, C. Scheu
Structural changes of 2D FexMn1-xO2 nanosheets for low-temperature growth of carbon nanotubes.
Advanced Functional Materials 30 (2020)

Autoren: Anna Frank, Yasmin Ahmed Salem

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