DE10312494A1 - Kohlenstoff-Nanostrukturen und Verfahren zur Herstellung von Nanoröhren, Nanofasern und Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis - Google Patents

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Abstract

Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Nanoröhren, Nanofasern und Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis, umfassend die folgenden Schritte: DOLLAR A È Erzeugen eines Plasmas mit elektrischer Energie, DOLLAR A È Einbringen einer Kohlenstoff-Vorstufe und/oder von einem oder mehreren Kontaktstoffen und/oder Trägerplasmagas in eine Reaktionszone eines luftdichten hochtemperaturbeständigen Gefäßes, das gegebenenfalls eine Wärmeisolierungsfütterung aufweist. DOLLAR A È Verdampfen der Kohlenstoffvorstufe in der Reaktionszone bei sehr hoher Temperatur, vorzugsweise bei 4000 DEG C oder höher, DOLLAR A È Leiten des Trägerplasmagases, der verdampften Kohlenstoff-Vorstufe und des Kontaktstoffs durch eine Düse, deren Durchmesser sich in Richtung des Plasmagasstroms verengt, DOLLAR A È Leiten des Trägerplasmagases, der verdampften Kohlenstoff-Vorstufe und des Kontaktstoffs in eine Abschreckzone zur Keimbildung, zum Anwachsen und Abschrecken, indem mit Fließbedingungen gearbeitet wird, die durch aerodynamische und elektromagnetische Kräfte erzeugt werden, so dass kein bedeutender Rücklauf von Ausgangsmaterialien oder Produkten von der Abschreckzone in die Reaktionszone stattfindet, DOLLAR A È Regeln der Gastemperatur in der Abschreckzone zwischen etwa 4000 DEG C im oberen Teil dieser Zone und etwa 50 DEG C im unteren Teil dieser Zone und Regeln der Abschreckgeschwindigkeit zwischen 10·3· K/s und 10·6· K/s, DOLLAR A È Abschrecken und Extrahieren von Nanoröhren, Nanofasern und anderen Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis aus der ...

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ökonomischen und kontinuierlichen Herstellung von Nanoröhren, Nanofasern und Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis. Die Erfindung betrifft auch neue Kohlenstoff-Nanostrukturen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • Kohlenstofffasern sind seit langem bekannt und viele Verfahren zu deren Herstellung wurden entwickelt, siehe z.B. M. S. Desselhaus, G. Desselhaus, K. Suglhara, LL. Spain und H.A. Goldberg, Graphite Fibers and Filaments, Springer-Verlag, New York (1988).
  • Kurze (Mikron) Längen von Fullerenfaserformen wurden neulich an den Enden von zur Bildung eines Kohlebogens verwendeten Graphitelektroden gefunden, siehe T. W. Ebbesen und P. M. Ajayan, „Large Scale Synthesis of Carbon Nanotubes", Nature, Bd. 358, S. 220-222 (1992) und M. S. Desselhaus, „Down the Straight and Narrow", Nature, Bd. 358, S. 195-196 (16. Juli 1992), und Querverweise darin. Kohlenstoff-Nanoröhren (auch als Kohlenstoff-Fäserchen bezeichnet) sind nahtlose Röhren aus Graphitlagen mit vollständigen Fullerenkappen, die zuerst als konzentrische Multischicht-Röhren oder Multiwand-Kohlenstoff-Nanoröhren und anschließend als Einzelwand-Kohlenstoff-Nanoröhren in Ge genwart von Übergangsmetallkatalysatoren entdeckt wurden. Kohlenstoff-Nanoröhren zeigten vielversprechende Anwendungen, einschließlich für elektronische Vorrichtungen im Nano-Maßstab, Materialien mit hoher Stärke, elektronische Feldemission, Spitzen für die Rastersondenmikroskopie, Gasspeicherung.
  • Gegenwärtig gibt es vier Hauptzugänge für die Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren. Diese schließen die Laserabtragung von Kohlenstoff (Thess, A. et al., Science 273, 483 (1996)), die Lichtbogenentladung eines Graphitstabs (Journet, C. et al., Nature 388, 756 (1997), die chemische Aufdampfung von Kohlenwasserstoffen (Ivanov, V. et al., Chem. Phys. Lett. 223, 329 (1994); Li, A. et al. Science 274, 1701 (1996)) und das Solarverfahren (Fields, Clark L., et al., U.S.-Patent 6,077,401) ein.
  • Die Herstellung von Multiwand-Kohlenstoff-Nanoröhren durch katalytisches Cracken von Kohlenwasserstoffen ist in U.S.-Patent Nr. 5,578,543 beschrieben. Die Herstellung von Einzelwand-Kohlenstoff-Nanoröhren wurde durch Lasertechniken (Rinzler, A.G. et al., Appl. Phys. A. 67, 29 (1998), Bogentechniken (Haffner, J.H. et al., Chem Phys. Lett. 296, 195 (1998) beschrieben.
  • Anders als die Laser-, Bogen- und Solartechniken, wurde von Kohlenstoffaufdampfung auf Übergangsmetallkatalysatoren gefunden, dass dadurch als Hauptprodukt Multiwand-Kohlenstoff-Nanoröhren statt Einzelwand-Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet werden. Jedoch wurde bei der Herstellung von Einzelwand-Kohlenstoff-Nanoröhren durch das katalytische Crackverfahren für Kohlenwasserstoffe ein geringer Erfolg verbucht. Dai et al. (Dai, H. et al., Chem. Phys. Lett. 260, 471 (1996)) zeigen netzähnliche Einzelwand-Kohlenstoff-Nanoröhren, die durch die Zersetzung von Kohlenmonoxid (CO) erhalten werden.
  • In PCT/EP94/00321 ist ein Verfahren zur Umwandlung von Kohlenstoff zu einem Plasmagas beschrieben. Fullerene können durch dieses Verfahren hergestellt werden.
  • Die Verfügbarkeit dieser Kohlenstoff-Nanoröhren in Mengen, die zur praktischen Technologie erforderlich sind, ist problematisch. Verfahren in großem Maßstab zur Herstellung von hochqualitativen Kohlenstoff-Nanoröhren werden benötigt. Weiterhin bilden Nanostrukturen mit genau reproduzierbaren Formen und Größen eine andere Aufgabe dieser Erfindung.
  • DETAILLIERTE BECHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung und Verbesserung, die wir nun beschreiben, legen die Verbesserungen des Verfahrens dar, das zur Herstellung von Nanoröhren, Nanofasern und neuen Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis nötig ist. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren bereitgestellt, das die Fehler und Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
  • Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Nanoröhren, Nanofasern und Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis bereitgestellt. Dieses Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte, vorzugsweise in dieser Reihenfolge.
  • Ein Plasma wird mit elektrischer Energie erzeugt.
  • Eine Kohlenstoff-Vorstufe und/oder ein oder mehrere Kontaktstoffe oder Katalysatoren und/oder ein Trägerplasmagas werden in eine Reaktionszone eingebracht. Diese Reaktionszone liegt gegebenenfalls in einem luftdichten hochtemperaturbeständigen Gefäß, in einigen Ausführungsformen vorzugsweise mit einer Wärmeisolierfütterung vor.
  • Die Kohlenstoff-Vorstufe wird bei sehr hohen Temperaturen in diesem Gefäß, vorzugsweise bei einer Temperatur von 4000°C oder höher verdampft.
  • Das Trägerplasmagas, die verdampfte Kohlenstoff-Vorstufe und der Kontaktstoff werden durch eine Düse geleitet, deren Durchmesser sich in Richtung des Plamagasstroms verengt.
  • Das Trägerplasmagas, die verdampfte Kohlenstoff-Vorstufe und der Kontaktstoff werden durch die Düse in eine Abschreckzone zur Keimbildung, zum Anwachsen und zum Abschrecken geleitet. Diese Abschreckzone wird mit Fließbedingungen betrieben, die durch aerodynamische und elektromagnetische Kräfte erzeugt werden, so dass kein merklicher Rücklauf von Ausgangsmaterial oder Produkten von der Abschreckzone in die Reaktionszone stattfindet.
  • Die Gastemperatur in der Abschreckzone wird zwischen etwa 4000°C im oberen Teil dieser Zone und etwa 50°C im unteren Teil dieser Zone geregelt.
  • Die Nanoröhren, Nanofasern und anderen Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis werden in Folge des Abschreckens extrahiert. Die Abschreckgeschwindigkeit wird vorzugsweise zwischen 103 K/s und 106 K/s (K/s Grad Kelvin pro Sekunde) geregelt.
  • Schließlich werden die Nanoröhren, Nanofasern und Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis von anderen Reaktionsprodukten abgetrennt.
  • das Plasma wird in der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung durch Lenken eines Plamagases durch einen Lichtbogen, vorzugsweise einen Verbundbogen, der durch mindestens zwei, vorzugsweise drei Elektroden gebildet wird, erzeugt.
  • Ferner umfassen Merkmale des beanspruchten Verfahrens, das einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet werden kann, folgendes:
    • – Das Plasma wird durch Elektroden erzeugt, die aus Graphit bestehen.
    • – Der Bogen wird durch Verbinden einer AC-Energiequelle mit Elektroden, vorzugsweise mit einer, bei welcher die Stromfrequenz zwischen 50 Hz und 10 kHz liegt, erzeugt.
    • – Der absolute Druck im Reaktor liegt zwischen 0,1 bar und 30 bar.
    • – Die verwendete Düse besteht an ihrer Innenfläche aus Graphit.
    • – Die Düse wird als kontinuierlicher oder stufenförmiger Kegel gebildet.
    • – Die Düse weist ein Abzugsende auf, das sich steil von der Düsenöffnung erstreckt.
    • – Die verwendete Kohlenstoff-Vorstufe ist ein festes Kohlenstoff-Material, das eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: Ruß, Acetylenruß, Thermalruß, Graphit, Koks, Plasmakohlenstoff-Nanostrukturen, Pyrolit-Kohlenstoff, Kohlenstoff-Aerogel, Aktivkohle oder ein beliebiges anderes festes Kohlenstoff-Material.
    • – Die verwendete Kohlenstoff-Vorstufe ist ein Kohlenwasserstoff, der vorzugsweise aus einem oder mehreren der Folgenden besteht: Methan, Ethan, Ethylen, Acetylen, Propan, Propylen, Schweröl, Abfallöl, Pyrolysebrennstofföl oder einem beliebigen anderen flüssigen Kohlenstoff-Material.
    • – Ein fester Katalysator wird verwendet, der aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Ni, Co, Y, La, Gd, B, Fe, Cu wird in die Reaktionszone eingebracht.
    • – Ein flüssiger Katalysator wird verwendet, der aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Ni, Co, Y, La, Gd, B, Fe, Cu in einer flüssigen Suspension oder als entsprechende organometallische Verbindung, die vorzugsweise der Kohlenstoff-Vorstufe und/oder dem Trägergas zugesetzt wird.
    • – Ein Gas, das eine Kohlenstoff-Vorstufe und/oder den Katalysator trägt, und/oder das Plasma herstellt und/oder die Produkte abschreckt und/oder die Produkte extrahiert, umfasst oder besteht aus einem oder mehreren der folgenden Gase: Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Kohlenmonoxid, Helium oder einem beliebigen anderen reinen Gas ohne Kohlenstoffaffinität, das vorzugsweise sauerstofffrei ist.
    • – Die Gastemperatur in der Reaktionszone ist höher als 4000°C.
    • – Die Gastemperatur in der Abschreckzone wird zwischen 4000°C im oberen Teil dieser Zone und 50°C im unteren Teil dieser Zone geregelt.
    • – Die Fließgeschwindigkeit des Trägerplasmagasstroms wird, abhängig von der Natur des Trägerplasmagases und der elektrischen Energie, zwischen 0,001 Nm3/h bis 0,3 Nm3/h pro kW der in dem Plasmabogen verwendeten elektrischen Energie eingestellt.
    • – Die Fließgeschwindigkeit des Abschreckgases wird abhängig von der Natur des Abschreckgases, zwischen 1 Nm3/h und 1000.0 Nm3/h eingestellt.
    • – Ein Teil des Abgases aus der Reaktion wird als mindestens ein Teil des Gases zum Erzeugen des Plasmas wiederverwertet.
    • – Ein Teil des Abgases aus der Reaktion wird als mindestens ein Teil des Gases zum Erzeugen des Abschreckgases wiederverwertet.
    • – Eine Kohlenstoff-Vorstufe wird durch mindestens einen Injektor, vorzugsweise durch zwei bis fünf Injektoren injiziert.
    • – Eine Kohlenstoff-Vorstufe wird in die Reaktionszone injiziert.
    • – Eine Kohlenstoff-Vorstufe wird mit einem tangentialen und/oder mit einem radialen und/oder mit einem axialen Fließbestandteil in die Reaktionszone injiziert.
    • – Ein Katalysator wird in die Reaktionszone und/oder in die Abschreckzone injiziert.
    • – Das Verfahren wird in völliger Abwesenheit von Sauerstoff oder in Gegenwart einer kleinen Menge an Sauerstoff, vorzugsweise mit einem Atomverhältnis Sauerstoff/Kohlenstoff von weniger als 1/1000 durchgeführt.
    • – Ist das Plasmagas Kohlenmonoxid, wird das Verfahren in Gegenwart von Sauerstoff mit einem maximalen Atomverhältnis Sauerstoff/Kohlenstoff von weniger als 1001/1000 im Plasmagas durchgeführt.
    • – Eines oder mehrere der folgenden Produkte wird/werden wiedergewonnen. i. Ruß ii. Fullerene iii. Einzelwand-Nanoröhren iv. Multiwand-Nanoröhren v. Kohlenstoff-Fasern vi. Kohlenstoff-Nanostrukturen vii. Katalysator
  • Noch eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Reaktor zum Durchführen des Verfahrens dieser Erfindung. Dieser Reaktor umfasst in offener Fließübertragung
    • – einen Kopfabschnitt, umfassend i. mindestens zwei, vorzugsweise drei Elektroden ii. eine Kohlenstoff-Vorstufenversorgung und/oder eine Katalysatorversorgung und/oder eine Gasversorgung.
    • – mindestens einen Injektor für die Injektion der Kohlenstoff-Vorstufe und/oder des Katalysators in die Reaktionszone,
    • – eine Reaktionszone, so in Größe, Form und Materialwahl bestimmt, dass die Gastemperatur während dem Betrieb 4000°C oder höher beträgt, vorzugsweise gut über 4000°C liegt,
    • – eine Abschreckzone, so in Größe, Form und Materialwahl bestimmt, dass die Gastemperatur zwischen 4000°C im oberen Teil dieser Zone und 50°C im unteren Teil dieser Zone regelbar ist,
    • – ein düsenförmiger Regulierkegel, der sich in Richtung der offenen Fließübertragung zwischen der Reaktionszone und der Abschreckzone verengt.
  • Die Elektroden werden verbunden, damit ein Lichtbogen zwischen den Elektroden gebildet wird, wenn eine ausreichende elektrische Energie angelegt wird. Dadurch wird eine Bogenzone erzeugt, in welche das Gas von der Gasversorgung eingespeist werden kann, um ein Plasmagas zu erzeugen, und in welcher die Kohlenstoff-Vorstufe bei einer Verdampfungstemperatur von 4000°C und höher, vorzugsweise gut über 4000°C erwärmt werden kann.
  • Der Reaktor in seiner bevorzugten Struktur weist innen im Wesentlichen eine zylinderförmige Form auf. Typischerweise und vorzugsweise besteht der Reaktor an den hohen Temperaturen ausgesetzten Oberflächen aus Graphit oder bzw. Graphit, das ein hochtemperaturbeständiges Material enthält. Der Reaktor in der bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Kammer mit einer Höhe zwischen 0,5 und 15 m und einen Durchmesser zwischen 5 und 150 cm.
  • In einer spezielleren Ausführungsform umfasst der Reaktor dieser Erfindung Temperaturregelungsvorrichtungen für die Abschreckzone. Diese Temperaturregelungsvorrichtungen sind insbesondere ausgewählt aus einer Wärmeisolierfütterung, einem Flüssigkeitsstrom, vorzugsweise Wasserstrom, Vorrichtung zum indirekten Wärmeaustausch und Injektionsvorrichtungen für Fließ- und/oder temperaturreguliertes Abschreckgas.
  • Die erwähnte Düse ist in der bevorzugten Ausführungsform ein spitzzulaufender Regulierkegel, gefolgt von einem steil erweiternden Abschnitt.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden neue Kohlenstoff-Nanostrukturen bereitgestellt. Diese Kohlenstoff-Nanostrukturen weisen die Form einer linearen, d.h. im Wesentlichen unverzweigten Kette von verbundenen und im Wesentlichen identischen Abschnitten aus Perlen, nämlich Kügelchen oder birnenähnlichen Einheiten oder trompetenförmigen Einheiten auf. Diese trompetenförmigen Einheiten bilden Kohlenstoff-Nanostrukturen, wobei das SEM oder TEM davon einer halskettenähnlichen Struktur gleicht. Diese neuen Kohlenstoff-Nanostrukturen weisen vorzugsweise Durchmesser der kugelförmigen Teile der Kügelchen oder birnenähnlichen Einheiten oder bzw. des großen Endes der trompetenförmigen Einheiten im Bereich von 100 bis 200 nm auf. Die erwähnten Formen sind diejenigen, die in TEM bei einer sehr starken Vergrößerung und in HRTEM sichtbar sind.
  • Die Kohlenstoff-Nanostrukturen dieser Ausführungsform der Erfindung werden zu ziemlich langen Ketten verbunden und in der Regel weisen alle dieser Ketten mindestens fünf miteinander verbundene Perlen auf. Die Strukturen weisen vorzugsweise 20 bis 50 Perlen in einer Kette auf.
  • In noch einer anderen Variation der Kohlenstoff-Nanostrukturen dieser Erfindung werden diese mit einem Katalysatormetall, spezieller mit Nickel oder Nikkel/Cobalt gefüllt oder zumindest im Wesentlichen gefüllt. Diese metallgefüllten Nanostrukturen bilden eine ausgezeichnete Katalysatorquelle für das Verfahren zur Herstellung solcher Nanostrukturen. Das Abtrennen dieser Strukturen von dem Produkt der Abschreckzone und Einbringen der Strukturen zurück in die Reaktionszone ist ein Rücklauf des katalytischen Materials in eingekapselter und fein verteilter Form. In der Reaktionszone selbst werden sowohl der Kohlenstoff als auch das Metall verdampft.
  • In einer Ausführungsform sind die birnenähnlichen Strukturen der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanostrukturen miteinander am Halsteil verbunden.
  • Bevorzugte Anwendungen dieser neuen Nanostrukturen:
    Die vorliegenden Kohlenstoff-Nanoröhren sind verglichen mit herkömmlichen Multiwand-Nanoröhren, die eine perfekte Stapelung von Graphitzylindern zeigen, in der Form unterschiedlich. In diesem Sinne haben die beschriebenen neuen Strukturen, insbesondere solche bambusförmigen Strukturen, z.B. hinsichtlich Gasspeicherung (ein leichterer Weg, Wasserstoff zwischen den Graphitkegeln zu speichern) und auch für Feldemissionseigenschaften, von welchen bekannt ist, dass sie von der Topologie an den Nanoröhrenspitzen abhängen, und insbesondere für den konischen Winkel (bezogen auf die Anzahl an Pentagonen, die an der Spitze vorliegen, Vorteile. Andererseits wurde nie zuvor von halskettenähnlichen Nanorstrukturen berichtet und sie gewähren in einer bevorzugten Ausführungsform beim Einbringen in die Matrix sowohl in ausgerichteter als auch in nicht ausgerichteter Weise die Kombination in Verbundmaterialien. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist somit ein Verbundmaterial, das die halskettenähnlichen Nanostrukturen in einer Matrix, vorzugsweise in einer Polymer-Matrix umfasst. Solche Nanogegenstände erhöhen, verglichen mit herkömmlichen Röhren, die Wechselwirkung zwischen der Nanofaser und dem Wirtmaterial. Sie erhöhen die mechanischen Eigenschaften von Verbundmaterialien. Da die Nanokügelchen spezifisch verbunden sind und einen Metallkatalysator enthalten können, können diese Nanohalsketten auch in der Nanoelektronik verwendet werden.
  • Die Erfindung wird weiter veranschaulicht, wobei bevorzugte Details und Detailkombinationen der Erfindung in Verbindung mit Beispielen und der Zeichnung dargestellt werden, wobei
  • 1 eine schematische Ansicht einer Einrichtung oder einer Apparatur zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung zeigt,
  • 2 eine Variation einer Apparatur von 1 zeigt,
  • 3 noch eine weitere Variation mit einigen zugefügten speziellen Merkmalen einer erfindungsgemäßen Apparatur zeigt,
  • 4 ein SEM-Bild von offenen Multiwand-Nanoröhren zeigt,
  • 5 ein SEM-Bild einer spaghettiähnlichen Anordnung von Multiwand- und halskettenförmigen Nanoröhren zeigt,
  • 6 ein TEM-Bild von erfindungsgemäßen halskettenförmigen Kohlenstoff-Nanoröhren zeigt,
  • 7 ein HRTEM-Bild von Kohlenstoff-Halskettenstrukturen von birnenförmigen Perlen zeigt,
  • 8 ein TEM-Bild von Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer bambusähnlichen Struktur zeigt,
  • 9 ein HRTEM-Bild von Einzelwand-Nanoröhren zeigt.
  • Der Reaktor 1 ist in einer Weise konstruiert, in der er aus zwei verschiedenen, jedoch benachbarten Zonen besteht. Zone A für die Verdampfung der Vorstufe (kohlenstoffhaltige Produkte und katalytische Produkte) wird aufgrund der Wirkung eines Wärmeplasmas und einer geeigneten Wärmeisolierung bei sehr hoher Temperatur gehalten. Zone B für die Keimbildung und Reifung der Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis wird aufgrund einer passenden Wärmeisolierung zwischen 4000°C im oberen Teil und weniger als 50°C im unteren Teil gehalten.
  • In Zone A weist die Geometrie der Innenmontage die Form eines Venturi-Rohrs auf, das insbesondere so konstruiert ist, dass die vollständige Verdampfung der Vorstufen sichergestellt wird. Jede der drei Elektroden 3, von welchen nur zwei in 1 dargestellt sind, ist mit einem der drei Phasen eines elektrischen Dreiphasengenerators verbunden und mit Wechselstrom versorgt. Nach der Aktivierung des elektrischen Generators und Aufbau des Plasmas durch den Kontakt der drei Elektroden werden die Elektroden automatisch weggezogen, und ein Plasmastrom wird in Zone A des Reaktors aufgebaut, der die vollständige Verdampfung der Vorstufe gewährt. Nachdem das Plasma gebildet ist, wird automatisch die Regelung der Elektroden zum Kompensieren ihrer Erosion bewirkt. Zu sammen mit einem Trägerplasmagas werden das kohlenstoffhaltige Produkt und das katalytische Produkt kontinuierlich in Zone A des Reaktors, z.B. in 4 injiziert.
  • Die Quelle der elektrischen Energie ist vom „Dreiphasen"-Typ, womit die Frequenz der Versorgung zwischen 50 Hz und 10 kHz variieren kann. Jede dieser drei Phasen der elektrischen Quelle wird mit einer der drei Elektroden des Reaktors verbunden. Die Erfinder entdeckten, dass eine Frequenzzunahme der elektrischen Versorgung jenseits der 50 Hz, die zwischen 50 Hz und 10 kHz liegen kann, besondere Vorteile erzielt. Diese Frequenzzunahme gewährt einerseits eine Stabilitätzunahme des Plasmas und andererseits eine sehr vorteilhafte Homogenitätszunahme des Gemischs aus dem Plasmagas mit dem verdampften kohlenstoffhaltigen Produkt und dem Katalysatorprodukt aufgrund von bedeutsamen Turbulenzphänomenen in dem Strömungsfeld von Zone A. Diese Turbulenz wird durch die vereinten Wirkungen der Bogenrotation zwischen den drei Elektroden, die aufeinanderfolgend in der Stromfrequenz von Anode zu Kathode wechseln und die elektromagnetischen Kräfte, die durch den Strom in den Elektroden und den Bögen selbst induziert werden, verursacht.
  • In Zone B des Reaktors, die Zone der Keimbildung und des Anwachsens der Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis, wird die Temperatur des Stroms aufgrund einer passenden Isolierung zwischen 4000°C im oberen Teil und weniger als 50°C im unteren Teil gehalten. Der absolute Druck in den Zonen A und B des Reaktors kann zwischen 100 mbar und 30 bar liegen. In diese Zone wird eine bestimmte Menge an kaltem Gas in 5 injiziert, wodurch das Abschrecken der Aerosole und deren Extraktion aus dem Reaktor in 6 durch ein Extraktionssystem, das durch eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein beliebiges anderes auf dem Fachgebiet bekanntes Kühlmittel gekühlt wird, gewährt wird. Anschließend wird das Aerosol zu einem Wärmeaustauscher in 7 befördert, wo es weiter zu einer Stabilisierungstemperatur der beabsichtigen Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis abgekühlt und schließlich durch ein Abtrennungssystem in 8 geleitet wird, wo die Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis von der Gasphase abgetrennt werden. Eventuell werden die Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis in 10 mittels eines in 9 dargestellten luftdichten Ventils entnommen und das Gas in 11 abgelassen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die völlige Regelung der Extraktionsbedingungen und der Abschreckgeschwindigkeit vorgesehen, womit die Qualität der erhaltenen Nanostrukturen geregelt wird. Sowohl die Temperatur, bei welcher das Aerosol extrahiert wird, als auch die Abschreckgeschwindigkeit des Aerosols werden vorzugsweise geregelt, um hochqualitative Produkte sicherzustellen.
  • Bevorzugte Regelungsansätze schließen die folgenden ein. Die Temperatur, bei welcher die Extraktion bewirkt wird und die Verweilzeit für die Produktreifung wird durch die Variation der axialen Position des Injektionspunktes von kaltem Gas in 5 und des Extraktionspunktes in 6 in Zone B geregelt. Die Abschreckgeschwindigkeit wird durch eine Variation der Natur und der Fließgeschwindigkeit von in 5 injiziertem kaltem Gas, durch die Wirksamkeit des in 6 gekühlten Extraktionssystems und durch die Wirksamkeit des Wärmeaustauschers in 7 geregelt.
  • In einer in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird die Zone B des Reaktors durch die Installation eines Rücklaufsystems für den Abschreckgasstrom wie nachstehend beschrieben modifiziert. In Zone B des Reaktors, in welcher die Temperatur zwischen 4000°C im oberen Teil und weniger als 50°C im unteren Teil gehalten wird, wird eine Vorrichtung, die durch eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein beliebiges anders auf dem Fachgebiet bekanntes Kühlmittel gekühlt wird, in 5 eingebracht, wodurch die Extraktion der Aerosole in 6 und die Beförderung zu einem Abtrennungssystem in 7 gewährt wird. Die Temperatur der Zone, bei welcher die Extraktion bewirkt wird, wird durch die Variation der axialen Position des Injektionspunktes von kaltem Gas in 11 und des Extraktionspunktes in 5 reguliert. Die Abschreckgeschwindigkeit wird durch eine Variation der Fließgeschwindigkeit von in Zone B in 11 injiziertem kaltem Gas mittels eines Gebläses 10 durch die Wirksamkeit des in 5 gekühlten Extraktionssystems und durch die Wirksamkeit des Wärmeaustauschers in 6 reguliert. Deshalb hängt die Gasstromgeschwindigkeit im Rücklaufkreislauf von dem in 5 eintretenden Trägergasstrom ab. Das Aerosol wird zu einem Wärmeaustauscher in r befördert, wo es weiter zu einer Stabilisierungstemperatur der beabsichtigten Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis und schließlich durch ein Abtrennungssystem in 7 geleitet wird, wo die Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis von der Gasphase abgetrennt werden. Eventuell werden die Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis mittels eines Ventils 8 in 9 entnommen. Das überschüssige Gasstromäquivalent der Menge des in 4 eintretenden Gases wird in 12 abgelassen.
  • In einer in 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird Zone B des Reaktors durch die Installation eines Rücklaufsystems zum Abschrecken des Gasstroms und des das Plasma selbst versorgenden Trägerplasmagases wie nachstehend beschrieben modifiziert. In Zone B des Reaktors, in welcher die Temperatur zwischen 4000°C im oberen Teil und weniger als 50°C im unteren Teil gehalten wird, wird eine durch eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein beliebiges anderes Kühlmittel gekühlte Vorrichtung in 5 eingebracht, wodurch die Extraktion der Aerosole in 6 und die Beförderung zu einem Abtrennungssystem 7 gewährt wird. Die Temperatur der Zone, durch welche die Extraktion bewirkt wird, wird durch die Variation der axialen Position des Injektionspunkts von kaltem Gas in 12 und des Extraktionspunkts 5 bewirkt. Die Abschreckgeschwindigkeit wird durch eine Variation der Fließgeschwindigkeit von in Zone B in 12 injiziertem kaltem Gas mittels eines Gebläses 10, durch die Wirksamkeit der Extraktion über Extraktionspunkt 5 und durch die Wirksamkeit des Wärmeaustauschers 6 reguliert. Deshalb hängt die Gasstromgeschwindigkeit im Rücklaufkreislauf von dem in 18 eintretenden Trägergasstrom ab. Das Aerosol wird zu einem Wärmeaustauscher 6 befördert, wo es weiter auf eine Stabilisierungstemperatur der beabsichtigten Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis abgekühlt und schließlich durch ein Abtrennungssystem 7 geleitet wird, wo die Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis von der Gasphase abgetrennt werden. Eventuell werden die Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis mittels eines Ventils 8 in 9 entnommen. Ein Teil des in 13 abgelassenen Gases wird als Trägerplasmagas in 14 verwendet. Ein Zufuhrsystem 15 mit einer Gaszufuhr 18 und einem Ventil 16 gewährt die kontinuierliche Zufuhr von festem Kohlenstoff-Material in 4. Das überschüssige Gasstromäquivalent der Menge des in 18 eintretenden Gases wird in 17 abgelassen.
  • Das als Vorstufe verwendete Rohmaterial besteht aus einem oder einer Kombination der folgenden Elemente: Einem kohlenstoffhaltigen Produkt, einem katalytischen Produkt und/oder einem gasförmigen Produkt. Das als kohlenstoffhaltiges Produkt verwendete Produkt kann von fester, flüssiger oder gasförmiger Natur sein.
  • Im Falle von festen kohlenstoffhaltigen Materialien können verschiedene Produktarten verwendet werden, z.B. fein zermahlener Graphit, Acetylenruß, entgaster Ruß, zermahlener Pyrolyt-Kohlenstoff, Aktivkohle, pyrolysierte Kohlenstoff-Aerogele, Plasmakohlenstoff-Nanostrukturen. Der Kohlenstoffgehalt des verwendeten kohlenstoffhaltigen Materials sollte so hoch wie möglich, vorzugsweise höher als 99 Gew.-% sein. Die mittlere Teilchengröße der kohlenstoffhaltigen Materialien sollte so klein wie möglich, vorzugsweise kleiner als 10 μm im Durchmesser sein, um dessen vollständige Verdampfung beim Leiten durch das Plasma sicherzustellen.
  • Im Falle von flüssigen und gasförmigen Kohlenstoff-Vorstufen kann jede beliebige Kohlenwasserstoffart in Betracht gezogen werden.
  • Das mit dem kohlenstoffhaltigen Material verbundene katalytische Material kann aus einem oder einem Gemisch von Elementen bestehen, die für ihre katalytischen Eigenschaften in der Kohlenstoff-Nanoröhrensynthese bekannt sind, wie Ni, Co, Y, La, Gd, B, Fe, Cu. Die katalytischen Materialien werden in Zone A (bevorzugt) oder in Zone B des Reaktors entweder in Form eines mit dem Kohlenstoffmaterial gemischten Pulvers oder in Form einer Abscheidung auf dem Kohlen stoffmaterial oder in Form eines Feststoffs, wobei die Morphologie entsprechend der in dem Reaktor vorherrschenden Hydrodynamik variieren kann, oder in Form einer Flüssigkeit eingebracht. Das Massenverhältnis von Kontaktstoff zu Kohlenstoff kann zwischen 0,1 % und 50% variieren.
  • Im Falle der flüssigen Kohlenstoff-Vorstufen werden die katalytischen Elemente vorzugsweise mit der Flüssigkeit gemischt.
  • Im Falle der gasförmigen Kohlenstoff-Vorstufen werden die katalytischen Elemente vorzugsweise in Form eines Pulvers eingebracht.
  • Im Falle von festen Kohlenstoff-Vorstufen werden die katalytischen Elemente vorzugsweise in Form einer Abscheidung auf dem Kohlenstoff-Material eingebracht.
  • Das Plasmagas ist vorzugsweise ein reines Gas: Helium, Argon, Stickstoff oder ein Gemisch aus einem dieser Gase mit den folgenden Gasen: Helium, Argon, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Wasserstoff
  • Das Abschreckgas kann mit dem Plasmagas identisch sein oder aus einer beliebigen Gasgemischart bestehen.
  • In den folgenden Beispielen sind weitere bevorzugte Merkmale, Merkmalkombinationen und Ausführungsformen dieser Erfindung veranschaulicht.
  • Die Beispiele wurden in einem im Wesentlichen wie in den 1 und 2 dargestellten Reaktoraufbau durchgeführt.
  • Beispiel 1:
  • Der in 1 beschriebene Reaktoraufbau besteht aus einem zylinderförmigen Reaktor mit einer Höhe von 2 Metern aus Edelstahl mit wassergekühlten Wänden und einem Innendurchmesser von 400 mm. Der obere Teil des Reaktors ist mit einer kegelförmigen Wärmeisolierung aus Graphit mit einer Höhe von 500 mm und einem Innendurchmesser zwischen 150 und 80 mm ausgestattet. Drei Elektroden aus Graphit mit einem Durchmesser von 17 mm sind in den Kopf des Reaktors durch ein elektrisch isoliertes Gleitvorrichtungssystem positioniert. Ein mittiger Injektor mit einem Innendurchmesser von 4 mm gewährt das Einbringen der Vorstufe mittels eines Trägerplasmagases in den oberen Teil des Reaktors. Eine Plasmaenergieversorgung, die eine Dreiphasenelektrizitätsquelle von bis zu 666 Hz mit einer maximalen Leistung von 263 kVA, einen RMS-Strombereich von bis zu 600 A und einen RMS-Spannungsbereich von bis zu 500 V einsetzt, wird zur Elektrizitätsversorgung der drei Graphitelektroden verwendet, deren Spitzen in Form einer umgekehrten Pyramide angeordnet sind.
  • Das Trägerplasmagas ist Helium und die Vorstufe ist Ruß mit einer Abscheidung aus Nickel-Cobalt, entsprechend einem Gewichtsverhältnis in Bezug auf den Kohlenstoff von 2,5 Gew.-% für das Nickel und 3 Gew.-% für das Cobalt. Das Gas zum Abschrecken ist Helium.
  • Die folgende Tabelle liefert die Hauptbedienungsbedingungen.
    Figure 00170001
    Figure 00180001
  • Mehr als 98% der injizierten Vorstufenmasse wurden von dem Filter entfernt. Das wiedergewonnene Produkt ist zusammengesetzt aus 40% Einzelwand-Kohlenstoff-Nanoröhren, 5,6% Fullerenen mit 76% C60 und 24% C70, 5% Mul-tiwand-Kohlenstoff-Nanoröhren, etwa 20% Fullerenruß, etwa 30% undefinierten Kohlenstoff-Nanostrukturen mit Katalysatorteilchen. Quantitative und qualitative Messungen der Kohlenstoff-Nanostrukturen werden unter Verwendung von Scanning-Elektronenmikroskopie und Transmissions-Elektronenmikroskopie erzielt. Quantitative und qualitative Messungen der Fullerene (C60 und C70) werden unter Verwendung von Spektroskopie des sichtbaren UV-Bereichs bei den Wellenlängen von 330 nm und 470 nm nach Soxhlet-Extraktion mit Toluol erzielt.
  • Beispiel 2
  • Es wird unter ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel 1, jedoch gemäß der 2 entsprechenden Konfiguration gearbeitet. Das Trägerplasmagas ist Stickstoff mit einer Fließgeschwindigkeit von 2 Nm3/h. Das Abschreckgas ist Stickstoff mit einer Fließgeschwindigkeit von 50 Nm3/h. Die elektrischen Bedingungen sind 350 A und 200 V. Unter diesen Bedingungen werden halskettenförmige Nanostrukturen in sehr hoher Konzentration hergestellt.
  • Beispiel 3
  • Es wird unter ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel 1, jedoch gemäß der 2 entsprechenden Konfiguration gearbeitet. Das Trägerplasmagas ist Helium mit einer Fließgeschwindigkeit von 3 Nm3/h. Das Abschreckgas ist ein Gemisch aus Stickstoff/Helium mit einer Fließgeschwindigkeit von 50 Nm3/h. Die elektrischen Bedingungen sind diejenigen von Beispiel 1. Die Vorstufe ist Ethylen (C2H4), gemischt mit Nickel-Cobalt-Pulver, entsprechend einem Gewichtsverhältnis in Bezug auf den Kohlenstoff von 3 Gew.-% für das Nickel und 2 Gew.-% für das Cobalt. Das wiedergewonnene Produkt ist zusammengesetzt aus 55 Gew.-% Einzelwand-Kohlenstoff-Nanoröhren, 13 Gew.-% Kohlenstoff-Nanofasern und Multiwand-Kohlenstoff-Nanoröhren, dem Rest aus undefinierten Kohlenstoff-Nanostrukturen mit Katalysatorteilchen.
  • Die Kohlenstoff-Nanostrukturen der 4–9 veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung. Die bevorzugten Kohlenstoff-Nanostrukturen dieser Erfindung weisen die Struktur einer linearen Kette aus verbundenen, im Wesentlichen identischen Abschnitten aus Perlen, d.h. Kügelchen oder birnenähnlichen Einheiten oder trompetenförmigen Einheiten, vorzugsweise mit einem Durchmesser der Kügelchen des kugelförmigen Abschnitts der birnenähnlichen Einheiten oder bzw. des großen Durchmessers des trompetenförmigen Abschnitts im Bereich von 100 bis 200 nm auf. Alle Kügelchen oder birnenähnlichen Einheiten zeigen fast denselben Durchmesser. Diese periodischen Graphit-Nanofasern sind durch eine Wiederholung von Multiwand-Kohlenstoff-Kügelchen („halskettenähnliche Struktur) gekennzeichnet, die entlang einer Richtung verbunden sind und häufig ein in ihre Struktur eingekapseltes Metallteilchen enthalten. Die Periodizität dieser Nanostrukturen stellt sie in Beziehung zu Bambus-Nanoröhren, jedoch unterscheiden sie sich deutlich durch ihre periodische halskettenähnliche Struktur und die Gegenwart dieser Metalleinschlüsse.

Claims (21)

  1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Nanoröhren, Nanofasern und Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis, umfassend die folgenden Schritte: – Erzeugen eines Plasmas mit elektrischer Energie, – Einbringen einer Kohlenstoff-Vorstufe und/oder von einem oder mehreren Kontaktstoffen und/oder Trägerplasmagas in eine Reaktionszone eines luftdichten hochtemperaturbeständigen Gefäßes, das gegebenenfalls eine Wärmeisolierungsfütterung aufweist. – Verdampfen der Kohlenstoffvorstufe in der Reaktionszone bei sehr hoher Temperatur, vorzugsweise bei 4000°C oder höher, – Leiten des Trägerplasmagases, der verdampften Kohlenstoff-Vorstufe und des Kontaktstoffs durch eine Düse, deren Durchmesser sich in Richtung des Plasmagasstroms verengt, – Leiten des Trägerplasmagases, der verdampften Kohlenstoff-Vorstufe und des Kontaktstoffs in eine Abschreckzone zur Keimbildung, zum Anwachsen und Abschrecken, indem mit Fließbedingungen gearbeitet wird, die durch aerodynamische und elektromagnetische Kräfte erzeugt werden, so dass kein bedeutender Rücklauf von Ausgangsmaterialien oder Produkten von der Abschreckzone in die Reaktionszone stattfindet, – Regeln der Gastemperatur in der Abschreckzone zwischen etwa 4000°C im oberen Teil dieser Zone und etwa 50°C im unteren Teil dieser Zone und Regeln der Abschreckgeschwindigkeit zwischen 103 K/s und 106 K/s, – Abschrecken und Extrahieren von Nanoröhren, Nanofasern und anderen Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis aus der Abschreckzone, – Abtrennen der Nanoröhren, Nanofasern und Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis von anderen Reaktionsprodukten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plamsa durch Leiten des Plasmagases durch einen elektrischen Bogen, vorzugsweise einen Verbundbogen, der durch mindestens zwei Elektroden gebildet ist, erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale: a. Das Plasma wird durch Elektroden erzeugt, die aus Graphit bestehen. b. Der Bogen wird durch Verbinden einer Wechselstrom-Energiequelle mit Elektroden, vorzugsweise mit einer, bei welcher die Stromfrequenz zwischen 50 Hz und 10 kHz liegt, erzeugt. c. Der absolute Druck im Reaktor liegt zwischen 0,1 bar und 3,0 bar. d. Die verwendete Düse besteht an ihrer Innenfläche aus Graphit. e. Die Düse wird als kontinuierlicher oder stufenförmiger Kegel gebildet. f. Die Düse weist ein stromabwärtiges Ende auf, das sich steil von der Düsenöffnung erstreckt. g. Die verwendete Kohlenstoff-Vorstufe ist ein festes Kohlenstoff-Material, das eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: Ruß, Acetylenruß, Thermalruß, Graphit, Koks, Plasmakohlenstoff-Nanostrukturen, Pyrolit-Kohlenstoff, Kohlenstoff-Aerogel, Aktivkohle oder ein beliebiges anderes festes Kohlenstoff-Material. h. Die verwendete Kohlenstoff-Vorstufe ist ein Kohlenwasserstoff, der vorzugsweise aus einem oder mehreren von Folgendem besteht: Methan, Ethan, Ethylen, Acetylen, Propan, Propylen, Schweröl, Abfallöl, Pyrolysebrennstofföl oder einem beliebigen anderen flüssigen Kohlenstoff-Material. i. Ein fester Katalysator wird verwendet, der aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Ni, Co, Y, La, Gd, B, Fe, Cu wird in die Reaktionszone eingebracht. j. Ein flüssiger Katalysator wird verwendet, der aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Ni, Co, Y, La, Gd, B, Fe, Cu in einer flüssigen Suspension oder als entsprechende organometallische Verbindung, die vorzugsweise der Kohlenstoff-Vorstufe und/oder dem Trägergas zugesetzt wird. k. Ein Gas, das eine Kohlenstoff-Vorstufe und/oder den Katalysator trägt, und/oder das Plasma herstellt und/oder die Produkte abschreckt und/oder die Produkte extrahiert, umfasst oder besteht aus einem oder mehreren der folgenden Gase: Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Kohlenmonoxid, Helium oder einem beliebigen anderen reinen Gas ohne Kohlenstoffaffinität, das vorzugsweise sauerstofffrei ist. i. Die Gastemperatur in der Reaktionszone ist höher als 4000°C. m. Die Gastemperatur in der Abschreckzone wird zwischen 4000°C im oberen Teil dieser Zone und 50°C im unteren Teil dieser Zone geregelt. n. Die Fließgeschwindigkeit des Trägerplasmagasstroms wird, abhängig von der Natur des Trägerplasmagases und der elektrischen Energie, zwischen 0,001 Nm3/h bis 0,3 Nm3/h pro kW der in dem Plasmabogen verwendeten elektrischen Energie eingestellt. o. Die Fließgeschwindigkeit des Abschreckgases wird abhängig von der Natur des Abschreckgases, zwischen 1 Nm3/h und 10000 Nm3/h eingestellt. p. Ein Teil des Abgases aus der Reaktion wird als mindestens ein Teil des Gases zum Erzeugen des Plasmas wiederverwertet. q. Ein Teil des Abgases aus der Reaktion wird als mindestens ein Teil des Gases zum Erzeugen des Abschreckgases wiederverwertet. r. Eine Kohlenstoff-Vorstufe wird durch mindestens einen Injektor, vorzugsweise durch zwei bis fünf Injektoren injiziert. s. Eine Kohlenstoff-Vorstufe wird in die Reaktionszone injiziert. t. Eine Kohlenstoff-Vorstufe wird mit einem tangentialen und/oder mit einem radialen und/oder mit einem axialen Fließbestandteil in die Reaktionszone injiziert. u. Das Verfahren wird in völliger Abwesenheit von Sauerstoff oder in Gegenwart einer kleinen Menge an Sauerstoff, vorzugsweise mit einem Atomverhältnis Sauerstoff/Kohlenstoff von weniger als 1/1000 durchgeführt. v. Ist das Plasmagas Kohlenmonoxid, wird das Verfahren in Gegenwart von Sauerstoff mit einem maximalen Atomverhältnis Sauerstoff/Kohlenstoff von weniger als 1001/1000 im Plasmagas durchgeführt. w. Eines oder mehrere der folgenden Produkte wird/werden wiedergewonnen. i. Ruß ii. Fullerene iii. Einzelwand-Nanoröhren iv. Multiwand-Nanoröhren v. Kohlenstoff-Fasern vi. Kohlenstoff-Nanostrukturen vii. Katalysator
  4. Reaktor zum Durchführen des Verfahrens nach einem der auf das Verfahren gerichteten Ansprüche, umfassend in offener Fließübertragung a. Einen Kopfabschnitt, umfassend i. mindestens zwei, vorzugsweise drei Elektroden ii. eine Kohlenstoff-Vorstufenversorgung und/oder eine Katalysatorversorgung und/oder eine Gasversorgung. zum Bilden eines Lichtbogens zwischen den Elektroden, wenn eine ausreichende elektrische Energie angewandt wird, und Bilden einer Bogenzone, welcher das Gas von der Gasversorgung zugeführt werden kann, um ein Plamagas zu erzeugen, und zum Erwärmen der Kohlenstoffvorstufe auf eine Verdampfungstemperatur von höher als 4000°C, b. mindestens einen Injektor für die Injektion der Kohlenstoff-Vorstufe und/oder des Katalysators in die Reaktionszone, c. eine Reaktionszone, in welcher die Gastemperatur während dem Betrieb 4000°C oder höher ist, d. eine Abschreckzone, in welcher die Gastemperatur zwischen 4000°C im oberen Teil dieser Zone und 50°C im unteren Teil dieser Zone beträgt, e. ein düsenförmiger Regulierkegel, der sich in Richtung der offenen Fließübertragung zwischen der Reaktionszone und der Abschreckzone verengt.
  5. Reaktor nach Anspruch 4 mit im Wesentlichen zylinderförmiger Form.
  6. Reaktor nach Anspruch 4 oder 5, wobei die hoher Temperatur ausgesetzten Oberflächen aus Graphit, enthaltend ein hochtemperaturbeständiges Material, sind.
  7. Reaktor nach Anspruch 4, 5 oder 6, umfassend eine Kammer mit einer Höhe zwischen 0,5 und 5 m und einem Durchmesser zwischen 5 und 150 cm.
  8. Reaktor nach einem der auf Reaktoren gerichteten Ansprüche, umfassend, Temperaturregulierungsvorrichtungen für die Abschreckzone, ausgewählt aus Wärmeisolierungsfütterung, Flüssigkeitsstrom, vorzugsweise Wasserstrom, indirekten Wärmeaustauschvorrichtungen und Vorrichtungen zur Fließ- und/oder temperaturregulierten Abschreckgasinjektion.
  9. Reaktor nach einem der auf Reaktoren gerichteten Ansprüche, wobei der düsenförmige Regulierkegel ein spitz zulaufender Regulierkegel, gefolgt von einem sich steil erweiternden Abschnitt, ist.
  10. Reaktor nach einem der auf Reaktoren gerichteten Ansprüche, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Apparaturmerkmale aus einem oder mehreren der Verfahrensansprüche.
  11. Kohlenstoff-Nanostrukturen mit der Struktur einer linearen Kette aus verbundenen, im Wesentlichen identischen Abschnitten aus Perlen, d.h. Kügelchen oder birnenähnlichen Einheiten oder trompetenförmigen Einheiten, vorzugsweise mit einem Durchmesser der Kügelchen des kugelförmgen Abschnitts der birnenähnlichen Einheiten oder bzw. des großen Durchmessers des trompetenförmigen Abschnitts im Bereich von 100 bis 200 Nanometern, stärker bevorzugt, indem alle Kügelchen oder birnenförmigen Einheiten fast denselben Durchmesser zeigen, und insbesondere umfassend periodische Graphit-Nanofasern, die durch eine Wiederholung von Multiwand-Kohlenstoff-Kügelchen („halskettenähnliche Struktur) gekennzeichnet sind, die entlang einer Richtung verbunden sind, wobei einige der Kügelchen ein in ihre Struktur eingekapseltes Metallteilchen enthalten.
  12. Kohlenstoff-Nanostrukturen nach Anspruch 11, wobei mindestens 5 Perlen, vorzugsweise 20 bis 50 Perlen in einer Kette, zu einer Kette verbunden sind.
  13. Kohlenstoff-Nanostrukturen nach einem der auf Kohlenstoff-Nanostrukturen gerichteten Ansprüche, wobei eine oder mehrere der Perlen mit Katalysator, insbesondere mit ferromagnetischem Metallkatalysator, noch spezieller mit Nickel oder Nickel/Cobalt gefüllt sind.
  14. Kohlenstoff-Nanostrukturen nach einem der auf Kohlenstoff-Nanostrukturen gerichteten Ansprüche, wobei die birnenähnlichen oder glockenähnlichen miteinander durch externe zylinderförmige Graphit-Schichten verbunden sind.
  15. Kohlenstoff-Nanoröhre, die eine Multiwand-Struktur zeigt, wobei verschiedene konische Nanostrukturen (bambusförmige Strukturen) gestapelt sind, wobei die nanoröhrenförmigen Sttrukturen vorzugsweise eine am Ende geschlossene konische Spitze aufweist und das andere Ende entweder offen oder mit einem Metall-Nanoteilchen gefüllt ist.
  16. Kohlenstoff-Nanoröhre nach Anspruch 15 mit einem Außendurchmesser von etwa 100 bis 120 nm und umfassend einen Satz an diskontinuierlichen konischen Hohlräumen.
  17. Kohlenstoff-Nanostrukturen und Kohlenstoff-Nanoröhrennach einem der auf solche Produkte gerichteten Ansprüche, die in statistischer Form angeordnet sind und deren REM gekochten Spaghetti gleicht.
  18. Kohlenstoff-Nanostrukturen, die einzelwändig sind und vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen: – Ein, vorzugsweise beide Ende/n ist/sind offen. – Eine Schicht mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,8 und etwa 2 nm. – Die Länge der Röhren beträgt wenige Mikron.
  19. Kohlenstoff-Nanostrukturen mit im Wesentlichen einer Form, die durch deren REM oder TEM-Ansicht wie in einer der Nanostrukturen zeigenden Abbildung definiert ist.
  20. Verbund aus Kohlenstoff-Nanostrukturen gemäß einem der auf solche Kohlenstoff-Nanostrukturen gerichteten Ansprüche und einer Polymer-Matrix.
  21. Verbund nach Anspruch 20, umfassend vorzugsweise bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polycarbonat, Polyphenylensulfid, Polyester.
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