Laser and carbon : nanotube synthesis and annealing

Abstract

Thanks to their predicted and measured properties, carbon nanotubes (CNTs) are becoming viable and superior alternatives to many of materials science’s established materials. Yet, although the divide between model and reality has narrowed, insufficient CNT quality and purity remain major hindrances to the performance of most CNT-based materials. Furthermore, CNT precursors are overwhelmingly high-purity petrochemical substances, hampering sustainable and widespread adoption of CNTs. These two identified challenges were addressed towards synthesis energy and cost efficiency, sustainability and material performance. To this end, single-wall CNTs (SWCNTs) were synthesised in a custom-built oven laser apparatus as the object of this study. Laser annealing was found to quickly and drastically recrystallise defects and remove impurities as measured by Raman spectroscopy, thermogravimetry, electrical resistance and hydrogen adsorption measurements. Results could be reproduced at the micro- and millimetre scale. Composite processing related damage, artificially introduced into SWCNTs, was almost completely reversed by laser annealing. Quality and purity levels equal to that of commercial tubes could be achieved through this technique. A waste product of petroleum refining, fluid catalytic cracking catalyst residue, was successfully employed as carbon precursor for SWCNT synthesis, as well as silica nanowires, onion-like carbons and carbon nanodiamonds.

Aufgrund Ihrer vielfach prognostizierten aber auch bekannten Eigenschaften, werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) zu konkurrenzfähigen und teilweise überlegenen Alternativen zu vielen in der Materialforschung etablierten Materialien. Obwohl sich die „Kluft“ zwischen Modellvorstellungen und Realität verkleinert hat, sind die unzureichende CNT-Qualität und Reinheit noch immer wesentliche Hindernisse für die Performance der meisten CNT-basierten Materialien. Darüber hinaus sind CNT-Vorgänger überwiegend hochreine petrochemische Substanzen, die eine Akzeptanz von CNTs erschweren. Diese Arbeit befasst sich mit den damit verknüpften Herausforderungen nämlich den Zielen Energie-/Kosteneffizienz, Nachhaltigkeit und Performance. Zu diesem Zweck wurden einwandige CNTs (SWCNTs) in einem speziellen Ofen, der mit einem Hochleistungslaser kombiniert wurde, synthetisiert und näher studiert. Die Laserbehandlung heilt Defekte und entfernt Verunreinigungen schnell und effizient. Dies wurde durch Raman-Spektroskopie, Thermogravimetrie, elektrische Widerstandsmessung und schließlich Wasserstoff-Adsorption bestätigt. Die Ergebnisse konnten im Mikro- und Millimeterbereich reproduziert werden. Herstellungsbedingte Defekte in den SWCNTs konnten durch Laserglühen fast vollständig beseitigt werden. Durch diese Technik konnten Qualität und Reinheitsgrade erreicht werden, die denen von handelsüblichen Nanoröhrchen entsprechen. Katalysatorrückstände des Cracking Prozesses während der Erdölraffination wurden dabei für die Synthese von SWCNTs, sowie Silica-Nanodrähten, „Onion-like Carbon“ und Kohlenstoff- Nanodiamanten eingesetzt.