EP1901995A2 - Carbon nanoparticles, production and use thereof - Google Patents

Carbon nanoparticles, production and use thereof

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EP1901995A2
EP1901995A2 EP06762488A EP06762488A EP1901995A2 EP 1901995 A2 EP1901995 A2 EP 1901995A2 EP 06762488 A EP06762488 A EP 06762488A EP 06762488 A EP06762488 A EP 06762488A EP 1901995 A2 EP1901995 A2 EP 1901995A2
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EP
European Patent Office
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carbon nanoparticles
carbon
nanoparticles according
spherical
fibers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06762488A
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German (de)
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Inventor
Peter Axmann
Margret Wohlfahrt-Mehrens
Ulrich Storr
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Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Futurecarbon GmbH
Original Assignee
Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Futurecarbon GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/127—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by thermal decomposition of hydrocarbon gases or vapours or other carbon-containing compounds in the form of gas or vapour, e.g. carbon monoxide, alcohols
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • Y10T428/2918—Rod, strand, filament or fiber including free carbon or carbide or therewith [not as steel]

Definitions

  • Carbon nanoparticles their preparation and their use
  • the present invention relates to carbon nanoparticles of fibers or tubes which are morphologically present in the form of separate spherical and / or spherical secondary agglomerates, a process for their preparation and their use.
  • Nanomaterials Solid substances with nanoscopic particle sizes are called nanomaterials. Compared to microscopic particle sizes, this can lead to sudden changes in properties or even new product properties. Nanomaterials are attributed a high technical application potential. Compared with the variety of new nanoscopic material systems, however, only a few nanomaterials have already been established on the market.
  • carbon nanoparticles in the form of tubes or fibers also referred to as carbon nanotubes or fibers
  • arc discharge a carbon gas is generated between two carbon electrodes, from which carbon nanotubes are formed in the presence of a catalyst or even without a catalyst.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a carbon target is evaporated under Ar or He atmosphere by means of a laser. Upon cooling, the carbon units condense and form carbon nanomaterials.
  • a gaseous carbon source under reaction conditions for example methane, ethene or CO, as well as a catalyst, which usually contains active components from the series of transition elements Fe, Co and Ni, are used.
  • a catalyst which usually contains active components from the series of transition elements Fe, Co and Ni.
  • carbon nanotubes are deposited on the catalyst particles.
  • the Navonoubes are entangled here and fall in loose powder form.
  • Carbon, Vol. 41 (2003), pp. 539-547 describes the production of carbon nanotubes by a CVD process in which acetylene is used as carbon source and an iron catalyst. Again, the carbon nanotubes form entanglements.
  • the invention is therefore based on the object to provide carbon nanoparticles of fibers or tubes, in which the emission of nanoscopic units including carbon nanoparticles and metal nanoparticles is reduced to the environment and in terms of their separation and processing and Further processing in technically advanced processes are improved. Furthermore, a simple process for their production should be specified.
  • the invention thus provides carbon nanoparticles of fibers or tubes or combinations thereof, which are morphologically present in the form of macroscopic, mutually delimited spherical and / or spherical secondary agglomerates.
  • the invention further provides a process for the preparation of the carbon nanoparticles by a CVD process using nanoporous catalyst particles having a spherical and / or spherical secondary structure which contain as catalytically active components nanoparticulate metals and / or metal oxides or their precursors.
  • the invention relates to the use of the carbon nanoparticles, for example as adsorbents, additives or active materials in energy storage systems, in supercapacitors, as filter media, as supports for catalysts, as sensors or as a substrate for sensors or as additives for polymers, ceramics, Metals and metal alloys, glasses, textiles and composites, such as carbon composites.
  • the carbon nanoparticles according to the invention differ from conventional carbon nanoparticles in that they are morphologically present in the form of macroscopic, sharply delimited spherical and / or spherical secondary agglomerates.
  • the carbon nanoparticles according to the invention can be better used and optimized with respect to their technical further processing in comparison to the prior art.
  • the fibers or tubes of the carbon nanoparticles according to the invention typically have a diameter of 1-500 nm, preferably 10-100 nm, more preferably 10-50 nm.
  • the size of the secondary agglomerates is controllable by the size of the catalyst particles, the composition of the catalyst and the choice of synthesis parameters, such as carbon source, concentrations, temperatures and reaction time.
  • the shape of the final product is determined by the catalyst predetermined morphology.
  • the secondary agglomerates according to the invention preferably have a diameter of 500 nm to 1000 ⁇ m. The relative particle size distribution remains in the final product in comparison to the particle size distribution of the catalyst despite a strong volume increase.
  • the carbon originating from gaseous carbon sources dissolves in the catalytically active metal and can then be deposited again in nanoscopic form.
  • the secondary agglomerates contain no core of the catalyst particle, but consist entirely of carbon nanomaterials that are entangled in one another.
  • the carbon nanofibers of the present invention may be herringbone type as well as platelet-type and screw-type.
  • the carbon nanotubes can be of the single-walled or multi-walled type or of the loop type.
  • the circumference Up of the nanoparticles in two-dimensional projection and the circumference of a circle of equal area Uk in a ratio in the range of Uk: Up is from 1.0 to 0.65.
  • the preparation of the carbon nanoparticles according to the invention is carried out by a CVD method using nanoporous catalyst particles having a spherical and / or spheroidal secondary structure which contain nanoparticulate metals or their precursors as catalytically active components.
  • These catalyst particles may additionally contain metal oxides or their precursors, which serve as a substrate for the actually catalytically active metals.
  • the catalyst metal is in particular Fe, Co, Ni and Mn. Both the pure metals and metal oxide / metal composites can be used, as well as their precursors.
  • sparingly soluble compounds such as hydroxides, carbonates or other compounds that can be converted into catalytically active metals or metal / support composites can be used.
  • the carbon source used is the carbonaceous compounds used according to the prior art, which are reacted at the respective reaction temperature. be present in the gas, such as methane. Ethene, acetylene, CO,
  • Figures 2a, 2b and 2c are SEM images of the product of Example 1
  • Figures 5a, 5b and 5c are SEM images of the product of Example 2.
  • Figures 7a and 7b are SEM images of the catalyst used in Example 3.
  • Figures 8a, 8b, 8c and 8d are SEM images of the product of Example 3.
  • FIGS. 10a and 10b SEM images of the catalyst from Example 4.
  • Figures 13a and 13b are SEM images of the catalyst from Example 5
  • Figures 14a, 14b, 14c and 14d are SEM images of the product of Example 5.
  • Example 1 Preparation of Multi-walled Carbon Nanotube Spherical Aggregates via a Co / Mn-Based Catalyst
  • the catalyst is prepared by continuously combining three educt solutions.
  • Solution II 3130 ml of a solution of 960.4 g of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O and
  • the individual solutions are metered simultaneously with a constant metering rate over a period of 24 h in a 1 1 reactor, which allows intensive mixing and is equipped with an overflow, is continuously discharged through the product suspension.
  • the precipitation reaction takes place at 50 0 C.
  • the product is taken from the overflow.
  • the suspension has a deep blue-violet color.
  • the solid is separated on a suction filter from the mother liquor, then washed six times with 100 ml of demineralized water and then dried at 80 0 C for 30 h in a drying oven.
  • a pulverulent, readily flowable, violet precursor having a spherical particle morphology is obtained.
  • Figure 4 shows a size comparison between the catalyst particles used and the carbon nanoproduct obtained.
  • Example 2 Production of multi-walled carbon nanotube aggregates via a (Co, Mn) CO 3 catalyst
  • a catalyst according to Example 1 is used directly without prior activation for the production of multi-walled carbon nanotubes.
  • the conversion to multi-walled carbon nanotubes takes place as in Example 1 without a preceding reduction step.
  • the product shows a uniform distribution in the thickness of the nanotubes, as can be seen from the SEM images in Figures 5a, 5b, and 5c.
  • the TEM images in Figures 6a and 6b demonstrate the presence of multi-walled carbon nanotubes.
  • Example 3 Production of multi-walled carbon nanotube aggregates with narrow particle distribution over a (Co, Mn) CO 3 catalyst
  • a catalyst according to Example 1 is classified by sieving size and a particle size fraction of 20 microns - 32 microns used without prior activation directly as a catalyst.
  • Figures 7a and 7b show SEM images of the catalyst sieve fraction used.
  • Figures 10a and 10b show SEM images of the catalyst.
  • the activation of the catalyst takes place during heating between 300 0 C and 600 0 C by reduction of the precursor with H 2 for about 20 min. (Gas mixture 24 l / h C 2 H 4 , 6 l / h H 2 ).
  • the synthesis takes place at 500-600 0 C 2 h with a mixture of 32 l / h C 2 H 4 , 81 / h H 2 instead.
  • Figures I I a and I Ib show SEM images of the product. The morphological expression as sharply demarcated spherical and / or spherical secondary structures is preserved.
  • Figures 13a and 13b show SEM images of the catalyst sieve fraction> 20 ⁇ m.
  • the carbon nanofibers are synthesized under carbon monoxide / hydrogen (20: 8) over a four-hour period. A black voluminous product is obtained.

Abstract

The invention relates to carbon nanoparticles from fibers or tubes or combinations thereof, which have the morphology of macroscopic, spherical and/or spheroid secondary agglomerates, separated from each other. The invention also relates to a method for producing carbon nanoparticles by a CVD method using nanoporous catalyst particles having a spherical and/or spheroid secondary structure and comprising nanoparticulate metals and/or metal oxides or the precursors thereof as the catalytically active components. The inventive carbon nanoparticles are suitable for use in adsorbents, additives or active materials in energy accumulating systems, in supercapacitors, as filtering media, as catalysts or supports for catalysts, as sensors or as substrate for sensors, as additives for polymers, ceramics, metals and metal alloys, glasses, textiles and composite materials.

Description

Kohlenstoff-Nanopartikel, deren Herstellung und deren Verwendung Carbon nanoparticles, their preparation and their use
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft Kohlenstoff-Nanopartikel aus Fasern bzw. Röhrchen, welche morphologisch in Form voneinander abgegrenzter sphärischer und/oder sphäroider Sekundäragglomerate vorliegen, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.The present invention relates to carbon nanoparticles of fibers or tubes which are morphologically present in the form of separate spherical and / or spherical secondary agglomerates, a process for their preparation and their use.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Bei festen Stoffen mit nanoskopischen Partikelgrößen spricht man von sogenannten Nanomaterialien. Im Vergleich zu mikroskopischen Partikelgrößen können hierbei sprunghafte Eigenschaftsänderungen oder sogar neue Pro- dukteigenschaften auftreten. Nanomaterialien wird ein hohes technisches Anwendungspotential zugeschrieben. Verglichen mit der Vielfalt an neuen nanoskopischen Materialsystemen haben sich jedoch erst wenige Nanomaterialien bereits am Markt etabliert.Solid substances with nanoscopic particle sizes are called nanomaterials. Compared to microscopic particle sizes, this can lead to sudden changes in properties or even new product properties. Nanomaterials are attributed a high technical application potential. Compared with the variety of new nanoscopic material systems, however, only a few nanomaterials have already been established on the market.
Gründe sind darin zu sehen, dass auf der gesamten Produktionslinie technische Prozesse auf makroskopische Partikel optimiert sind und nicht oder nur unzureichend bei Nanomaterialien angewandt werden können. Dieses Problem erstreckt sich von der Materialsynthese über die Aufarbeitung, Abtrennung und Stabilisierung der Einzelpartikel bis hin zur Verarbeitung zu tech- nischen Zwischen- oder Fertigprodukten.Reasons can be seen in the fact that on the entire production line technical processes are optimized for macroscopic particles and can not or only insufficiently be applied to nanomaterials. This problem extends from material synthesis through the processing, separation and stabilization of the individual particles to the processing into intermediate or finished technical products.
Auch über toxikologische Effekte nanoskopischer Materialien liegen bisher keine umfassenden Erkenntnisse vor, so dass zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zur Vermeidung der Emission von Nanopartikeln ergriffen werden müssen.There are also no comprehensive findings on the toxicological effects of nanoscopic materials so that additional safety measures must be taken to avoid the emission of nanoparticles.
Stand der TechnikState of the art
Zur Synthese von Kohlenstoff-Nanopartikeln in Form von Röhrchen bzw. Fa- sern, auch als Kohlenstoffnanotubes oder -fasern bezeichnet, werden im wesentlichen drei Techniken eingesetzt, nämlich Lichtbogen-Entladung, Laser- Ablation und CVD (Chemical Vapor Deposition) . Bei der Lichtbogen-Entladung wird zwischen zwei Kohleelektroden ein Kohlenstoffgas erzeugt, aus dem sich in Gegenwart eines Katalysators oder auch ohne Katalysator Kohlenstoffnanotubes bilden.For the synthesis of carbon nanoparticles in the form of tubes or fibers, also referred to as carbon nanotubes or fibers, essentially three techniques are used, namely arc discharge, laser ablation and CVD (Chemical Vapor Deposition). During arc discharge, a carbon gas is generated between two carbon electrodes, from which carbon nanotubes are formed in the presence of a catalyst or even without a catalyst.
Bei der Laser-Ablation wird ein Kohlenstoff-Target unter Ar- oder He-Atmo- sphäre mit Hilfe eines Lasers verdampft. Bei Abkühlung kondensieren die Kohlenstoffeinheiten und bilden Kohlenstoffnanomaterialien.In laser ablation, a carbon target is evaporated under Ar or He atmosphere by means of a laser. Upon cooling, the carbon units condense and form carbon nanomaterials.
Mit Hilfe der Lichtbogen-Entladung und der Laser-Ablation können zwar Na- notubes guter Qualität hergestellt werden, die sich begrenzt für Forschungsanwendungen eignen, für die industrielle Produktion sind diese Verfahren jedoch nicht geeignet.However, with the help of arc discharge and laser ablation, good quality nanotubes can be produced that are limited in research applications but are not suitable for industrial production.
Bei der CVD-Methode werden eine unter Reaktionsbedingungen gasförmige Kohlenstoffquelle, beispielsweise Methan, Ethen oder CO, sowie ein Katalysator, der üblicherweise aktive Komponenten aus der Reihe der Übergangselemente Fe, Co und Ni enthält, eingesetzt. Bei geeigneten Temperaturen scheiden sich Kohlenstoffnanotubes auf den Katalysatorteilchen ab. Beispielsweise ist es aus Chemical Physics Letters 364 (2002), S. 568-572 bekannt, Kohlen- stoffnanotubes durch CVD in einem Wirbelbettreaktor herzustellen. Die Na- notoubes sind hierbei verknäuelt und fallen in loser Pulverform an.In the CVD method, a gaseous carbon source under reaction conditions, for example methane, ethene or CO, as well as a catalyst, which usually contains active components from the series of transition elements Fe, Co and Ni, are used. At suitable temperatures, carbon nanotubes are deposited on the catalyst particles. For example, it is known from Chemical Physics Letters 364 (2002), pp. 568-572, to produce carbon nanotubes by CVD in a fluidized bed reactor. The Navonoubes are entangled here and fall in loose powder form.
Carbon, Vol. 41 (2003), S. 539-547 beschreibt die Herstellung von Kohlenstoffnanotubes durch ein CVD -Verfahren, bei dem Acetylen als Kohlenstoffquelle und ein Eisenkatalysator eingesetzt werden. Auch hier bilden die Kohlenstoffnanotubes Verknäuelungen aus.Carbon, Vol. 41 (2003), pp. 539-547 describes the production of carbon nanotubes by a CVD process in which acetylene is used as carbon source and an iron catalyst. Again, the carbon nanotubes form entanglements.
Bei keinem der oben beschriebenen CVD -Verfahren fallen die Kohlenstoff - Nanopartikel morphologisch in Form deutlich voneinander abgegrenzter Sekundäragglomerate an, sondern bilden nicht eindeutig definierbare Agglomeratstrukturen.In none of the CVD methods described above do the carbon nanoparticles morphologically appear in the form of clearly separated secondary agglomerates, but form not clearly definable agglomerate structures.
Obwohl Kohlenstoff an sich nicht als toxisch einzustufen ist, ist auch bei den Kohlenstoffnanotubes der Sicherheitsaspekt ein wesentlicher Gesichtspunkt. Zum einen ist ein Gefährdungspotential von herkömmlichen Kohlenstoffmaterialien bisher nicht auszuschließen, zum anderen werden bei der Herstellung der Materialien fein verteilte Übergangsmetalle wie Co oder Ni eingesetzt, die sowohl im Katalysator als auch in den Kohlenstoffnanotubes enthalten sind.Although carbon is not considered to be toxic in itself, the safety aspect is also an important consideration for carbon nanotubes. On the one hand, a risk potential of conventional carbon materials can not be ruled out, on the other hand, finely divided transition metals such as Co or Ni are used in the manufacture of the materials, the are contained in both the catalyst and in the carbon nanotubes.
Es besteht daher ein dringender Bedarf, sowohl die Partikelemissionen bei Kohlenstoff-Nanopartikeln soweit wie möglich zurückzudrängen als auch Kohlenstoff-Nanopartikel vorzusehen, die hinsichtlich ihrer weiteren Verar- beitbarkeit verbessert sind.There is therefore an urgent need both to suppress as far as possible the particle emissions of carbon nanoparticles and to provide carbon nanoparticles which are improved with respect to their further processability.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Kohlenstoff-Nanopartikel aus Fasern bzw. Röhrchen vorzusehen, bei denen die Emission nanoskopi- scher Einheiten einschließlich Kohlenstoff-Nanopartikel als auch Metall-Na- nopartikel an die Umgebung verringert ist und die hinsichtlich ihrer Abtrennung und Aufarbeitung sowie Weiterverarbeitbarkeit in technisch weiterführenden Prozessen verbessert sind. Ferner soll ein einfaches Verfahren zu de- ren Herstellung angegeben werden.The invention is therefore based on the object to provide carbon nanoparticles of fibers or tubes, in which the emission of nanoscopic units including carbon nanoparticles and metal nanoparticles is reduced to the environment and in terms of their separation and processing and Further processing in technically advanced processes are improved. Furthermore, a simple process for their production should be specified.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch Kohlenstoff-Nanopartikel ge- maß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß Anspruch 1 1.The abovementioned object is achieved by carbon nanoparticles according to claim 1 and a process for their preparation according to claim 11.
Bevorzugte bzw. zweckmäßige Ausführungsformen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Mögliche Verwendungen erfindungsgemäj3er Kohlenstoff-Nanopartikel sind in den Ansprüchen 14-20 genannt.Preferred or expedient embodiments of the subject of the application are specified in the subclaims. Possible uses of carbon nanoparticles according to the invention are mentioned in claims 14-20.
Gegenstand der Erfindung sind somit Kohlenstoff-Nanopartikel aus Fasern bzw. Röhrchen oder Kombinationen hiervon, welche morphologisch in Form makroskopischer, voneinander abgegrenzter sphärischer und/oder sphäroider Sekundäragglomerate vorliegen.The invention thus provides carbon nanoparticles of fibers or tubes or combinations thereof, which are morphologically present in the form of macroscopic, mutually delimited spherical and / or spherical secondary agglomerates.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung der Kohlenstoff-Nanopartikel durch ein CVD-Verfahren unter Verwendung nano- poröser Katalysatorteilchen mit sphärischer und/oder sphäroider Sekun- därstuktur, welche als katalytisch aktive Komponenten nanopartikuläre Metalle und/oder Metalloxide oder deren Vorläufer enthalten. Gegenstand der Erfindung ist schließlich die Verwendung der Kohlenstoff-Na- nopartikel, etwa als Adsorbentien, Additive oder Aktivmaterialien in Energiespeichersystemen, in Superkondensatoren, als Filtermedien, als Träger für Katalysatoren, als Sensoren oder als Substrat für Sensoren oder als Additive für Polymere, Keramiken, Metalle und Metalllegierungen, Gläser, Textilien und Verbundwerkstoffe, wie Kohlenstoff- Verbundwerkstoffe.The invention further provides a process for the preparation of the carbon nanoparticles by a CVD process using nanoporous catalyst particles having a spherical and / or spherical secondary structure which contain as catalytically active components nanoparticulate metals and / or metal oxides or their precursors. Finally, the invention relates to the use of the carbon nanoparticles, for example as adsorbents, additives or active materials in energy storage systems, in supercapacitors, as filter media, as supports for catalysts, as sensors or as a substrate for sensors or as additives for polymers, ceramics, Metals and metal alloys, glasses, textiles and composites, such as carbon composites.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanopartikel unterscheiden sich gegenüber herkömmlichen Kohlenstoff-Nanopartikeln darin, dass sie morphologisch in Form makroskopischer, voneinander scharf abgegrenzter sphärischer und/oder sphäroider Sekundäragglomerate vorliegen.The carbon nanoparticles according to the invention differ from conventional carbon nanoparticles in that they are morphologically present in the form of macroscopic, sharply delimited spherical and / or spherical secondary agglomerates.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass gemäß der Erfindung scharf abgegrenzte Sekundärteilchen vorgesehen werden können, die aus Kohlenstoff- nanofasern und/oder -röhrchen aufgebaut sind. Hierbei wurde herausgefunden, dass die Form der Sekundäragglomerate nahezu vollständig die Partikelform des erfindungsgemäß eingesetzten Katalysators abbildet, wobei im Ver- hältnis zu den eingesetzten Katalysatorteilchen eine Volumenzunahme zu beobachten ist, die in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen etwa das 350-fache der Ausgangsstruktur überschreiten kann.Surprisingly, it has been found that, according to the invention, sharply demarcated secondary particles can be provided, which are constructed from carbon nanofibers and / or tubes. It was found that the shape of the secondary agglomerates almost completely reflects the particle shape of the catalyst used according to the invention, wherein a volume increase is observed in relation to the catalyst particles used, which can exceed about 350 times the starting structure, depending on the reaction conditions.
Durch die scharfe Umgrenzung der Sekundäragglomerate und die Möglichkeit durch Wahl geeigneter Katalysatormorphologien gezielte Formen der Sekundäragglomerate zu erzeugen, sind die erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanopartikel im Hinblick auf ihre technische Weiterverarbeitung im Vergleich zum Stand der Technik besser einsetz- und optimierbar.Due to the sharp delimitation of the secondary agglomerates and the possibility to produce targeted forms of the secondary agglomerates by selecting suitable catalyst morphologies, the carbon nanoparticles according to the invention can be better used and optimized with respect to their technical further processing in comparison to the prior art.
Die Fasern oder Röhrchen der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanopartikel weisen typischerweise einen Durchmesser von 1 -500 nm, vorzugsweise 10- 100 nm, weiter vorzugsweise 10-50 nm auf.The fibers or tubes of the carbon nanoparticles according to the invention typically have a diameter of 1-500 nm, preferably 10-100 nm, more preferably 10-50 nm.
Die Größe der Sekundäragglomerate ist durch die Größe der Katalysatorteil- chen, die Zusammensetzung des Katalysators sowie die Wahl der Syntheseparameter, wie etwa Kohlenstoffquelle, Konzentrationen, Temperaturen und Reaktionszeit steuerbar. Die Form des Endprodukts wird durch die Katalysator- morphologie vorgegeben. Vorzugsweise besitzen die erfindungsgemäßen Se- kundäragglomerate einen Durchmesser von 500 nm bis 1000 um. Die relative Partikelgrößenverteilung bleibt im Endprodukt im Vergleich zur Partikelgrö- J3enverteilung des Katalysators trotz starker Volumenzunahme erhalten.The size of the secondary agglomerates is controllable by the size of the catalyst particles, the composition of the catalyst and the choice of synthesis parameters, such as carbon source, concentrations, temperatures and reaction time. The shape of the final product is determined by the catalyst predetermined morphology. The secondary agglomerates according to the invention preferably have a diameter of 500 nm to 1000 μm. The relative particle size distribution remains in the final product in comparison to the particle size distribution of the catalyst despite a strong volume increase.
Hinsichtlich des Mechanismus für das Wachstum der Fasern bzw. Röhrchen wird angenommen, dass bei höheren Temperaturen sich der aus gasförmigen Kohlenstoffquellen stammende Kohlenstoff in dem katalytisch aktiven Metall lösen und sich dann in nanoskopischer Form wieder abscheiden kann. Die Sekundäragglomerate enthalten vielfach keinen Kern des Katalysatorparti- kels, sondern bestehen vollständig aus ineinander verknäulten Kohlenstoff- nanomaterialien.With regard to the mechanism for the growth of the fibers or tubes, it is assumed that at higher temperatures, the carbon originating from gaseous carbon sources dissolves in the catalytically active metal and can then be deposited again in nanoscopic form. In many cases, the secondary agglomerates contain no core of the catalyst particle, but consist entirely of carbon nanomaterials that are entangled in one another.
Die erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanofasern können vom Fischgrätentyp als auch vom Blättchen (Platelet) -Typ und Screw-Typ sein. Die Kohlenstoff- nanoröhrchen können vom einwandigen oder mehrwandigen Typ oder vom Loop-Typ sein.The carbon nanofibers of the present invention may be herringbone type as well as platelet-type and screw-type. The carbon nanotubes can be of the single-walled or multi-walled type or of the loop type.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass der Umfang Up der Nanopartikel in zweidimensionaler Projektion und der Umfang eines Kreises gleicher Fläche Uk in einem Verhältnis im Bereich von Uk:Up von 1 ,0 bis 0,65 liegt.According to the invention, it is preferred that the circumference Up of the nanoparticles in two-dimensional projection and the circumference of a circle of equal area Uk in a ratio in the range of Uk: Up is from 1.0 to 0.65.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanopartikel erfolgt durch ein CVD-Verfahren unter Verwendung nanoporöser Katalysatorteilchen mit sphärischer und/oder sphäroider Sekundärstuktur, welche als katalytisch aktive Komponenten nanopartikuläre Metalle oder deren Vorläufer enthalten. Diese Katalysatorteilchen können zusätzlich Metalloxide oder deren Vorläufer enthalten, die als Substrat für die eigentlich katalytisch aktiven Metalle dienen. Als Katalysatormetall eignet sich insbesondere Fe, Co, Ni und Mn. Es können sowohl die reinen Metalle als auch Metalloxid/Metallkomposite eingesetzt werden, ebenso wie deren Vorläufer. Als Vorläufer können schwerlösliche Verbindungen, wie Hydroxide, Carbonate oder andere Verbindungen, die in katalytisch wirksame Metalle oder Metall/Träger-Komposite überführt werden können, verwendet werden.The preparation of the carbon nanoparticles according to the invention is carried out by a CVD method using nanoporous catalyst particles having a spherical and / or spheroidal secondary structure which contain nanoparticulate metals or their precursors as catalytically active components. These catalyst particles may additionally contain metal oxides or their precursors, which serve as a substrate for the actually catalytically active metals. The catalyst metal is in particular Fe, Co, Ni and Mn. Both the pure metals and metal oxide / metal composites can be used, as well as their precursors. As precursors, sparingly soluble compounds such as hydroxides, carbonates or other compounds that can be converted into catalytically active metals or metal / support composites can be used.
Als Kohlenstoffquelle werden die gemäß Stand der Technik eingesetzten kohlenstoffhaltigen Verbindungen eingesetzt, die bei der jeweiligen Reaktionstem- peratur gasförmig vorliegen, wie zum Beispiel Methan. Ethen, Acetylen , CO,The carbon source used is the carbonaceous compounds used according to the prior art, which are reacted at the respective reaction temperature. be present in the gas, such as methane. Ethene, acetylene, CO,
Ethanol, Methanol, Synthese- und Biogasgemische.Ethanol, methanol, synthesis and biogas mixtures.
Die Bedingungen für das CVD-Verfahren sind dem Fachmann bekannt und entsprechen denjenigen des Standes der Technik.The conditions for the CVD process are known to those skilled in the art and correspond to those of the prior art.
Bevorzugte AusführungsformenPreferred embodiments
Die Erfindung wird mit Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele und die beiliegenden Abbildungen näher erläutert. In den Abbildungen zeigen hierbeiThe invention will be explained in more detail with reference to the following examples and the accompanying drawings. In the pictures show here
Abbildungen Ia und Ib REM-Aufnahmen des aktivierten Katalysators aus Beispiel 1Figures Ia and Ib SEM images of the activated catalyst from Example 1
Abbildungen 2a, 2b und 2c REM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 1Figures 2a, 2b and 2c are SEM images of the product of Example 1
Abbildungen 3a und 3b TEM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 1Figures 3a and 3b TEM images of the product of Example 1
Abbildung 4 Größenvergleich der eingesetzten Katalysatorpartikel sowie des Produkts aus Beispiel 1 anhand von REM-AufnahmenFigure 4 Size comparison of the catalyst particles used and the product of Example 1 using SEM images
Abbildungen 5a, 5b und 5c REM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 2Figures 5a, 5b and 5c are SEM images of the product of Example 2
Abbildungen 6a und 6b TEM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 2Figures 6a and 6b TEM images of the product of Example 2
Abbildungen 7a und 7b REM-Aufnahmen des in Beispiel 3 eingesetzten KatalysatorsFigures 7a and 7b are SEM images of the catalyst used in Example 3
Abbildungen 8a, 8b, 8c und 8d REM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 3Figures 8a, 8b, 8c and 8d are SEM images of the product of Example 3
Abbildungen 9a und 9b TEM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 3Figures 9a and 9b TEM images of the product of Example 3
Abbildungen 10a und 10b REM-Aufnahmen des Katalysators aus Beispiel 4Figures 10a and 10b SEM images of the catalyst from Example 4
Abbildungen I Ia und I Ib REM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 4 Abbildungen 12a und 12b TEM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 4Figures I Ia and Ib IEM images of the product of Example 4 Figures 12a and 12b TEM images of the product of Example 4
Abbildungen 13a und 13b REM-Aufnahmen des Katalysators aus Beispiel 5Figures 13a and 13b are SEM images of the catalyst from Example 5
Abbildungen 14a, 14b, 14c und 14d REM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 5Figures 14a, 14b, 14c and 14d are SEM images of the product of Example 5
Abbildungen 15a und 15b TEM-Aufnahmen des Produkts aus Beispiel 5Figures 15a and 15b TEM images of the product of Example 5
Beispiel 1: Herstellung von sphärischen Aggregaten aus mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotubes über einen Co/Mn-basierten KatalysatorExample 1: Preparation of Multi-walled Carbon Nanotube Spherical Aggregates via a Co / Mn-Based Catalyst
Herstellung des KatalysatorsPreparation of the catalyst
Der Katalysator wird durch kontinuierliche Vereinigung dreier Eduktlösungen hergestellt.The catalyst is prepared by continuously combining three educt solutions.
Lösung I:Solution I:
3050 ml einer Lösung von 1 172,28 g (NH4J2CO3 (stöchiometrisch) in demineralisiertem Wasser3050 ml of a solution of 1 172.28 g (NH 4 J 2 CO 3 (stoichiometric) in demineralized water
Lösung II: 3130 ml einer Lösung aus 960,4 g Co(NO3)2*6 H2O undSolution II: 3130 ml of a solution of 960.4 g of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O and
828,3 g Mn(NO3I2 *4 H2O828.3 g of Mn (NO 3 I 2 .4H 2 O
Lösung III:Solution III:
960 ml einer 10,46 molaren Ammoniak-Lösung960 ml of a 10.46 molar ammonia solution
Die Einzellösungen werden gleichzeitig mit jeweils konstanter Dosiergeschwindigkeit über einen Zeitraum von 24 h in einen 1 1 Reaktor eindosiert, der eine intensive Durchmischung erlaubt und mit einem Überlauf ausgestattet ist, über den kontinuierlich Produktsuspension ausgetragen wird. Die Fällungsreaktion findet bei 500C statt. Nach 20 h Vorlauf wird mit der Produktnahme aus dem Überlauf begonnen. Die Suspension hat eine tiefe blau-violette Farbe. Der Feststoff wird auf einer Filternutsche von der Mutterlauge separiert, anschließend sechsmal mit je 100 ml demineralisiertem Wasser gewaschen und dann bei 800C über 30 h im Trockenofen getrocknet. Man erhält ein pulverförmiges, gut fließ fähiges, violettes Vorprodukt mit sphärischer Partikelmorphologie. Aktivierung des KatalysatorsThe individual solutions are metered simultaneously with a constant metering rate over a period of 24 h in a 1 1 reactor, which allows intensive mixing and is equipped with an overflow, is continuously discharged through the product suspension. The precipitation reaction takes place at 50 0 C. After 20 hours of flow, the product is taken from the overflow. The suspension has a deep blue-violet color. The solid is separated on a suction filter from the mother liquor, then washed six times with 100 ml of demineralized water and then dried at 80 0 C for 30 h in a drying oven. A pulverulent, readily flowable, violet precursor having a spherical particle morphology is obtained. Activation of the catalyst
2 g des Vorproduktes werden im Korundschiffchen bei einer Temperatur von 5500C für zwei Stunden einem Formiergasstrom von 5% H2 / 95%N2 ausgesetzt und zu einem schwarzen Pulver umgesetzt, das als Katalysator eingesetzt werden kann. XRD-Spektren des Pulvers zeigen die Reflexmuster von metallischem Cobalt neben MnO. Abbildungen Ia und I b zeigen REM- Aufnahmen des aktivierten Katalysators in Form sphärischer Partikel.2 g of the precursor are exposed in Korundschiffchen at a temperature of 550 0 C for two hours a Formiergasstrom of 5% H 2 /95% N 2 and converted to a black powder, which can be used as a catalyst. XRD spectra of the powder show the reflection patterns of metallic cobalt besides MnO. Figures Ia and Ib show SEM images of the activated catalyst in the form of spherical particles.
Herstellung von Kohlenstoff-Nanopartikeln 0,2 g des aktivierten Katalysators werden in einem Keramikschiffchen in einen Röhrenofen eingebracht. Nach zehnminütigem Spülen des Ofens mit Helium bei 30 1 /h wird bei einer Ofentemperatur von 500-7000C ein Gemisch aus Ethen 10 l/h und Helium 5 1 /h kontinuierlich über einen Zeitraum von 5 h über die Probe geleitet.Preparation of Carbon Nanoparticles 0.2 g of the activated catalyst are introduced into a tube furnace in a ceramic boat. After rinsing the furnace with helium for ten minutes at 30 1 / h, a mixture of ethene 10 l / h and helium 5 l / h is continuously passed over the sample over a period of 5 h at an oven temperature of 500-700 0 C.
Es wurden 1 1 ,2 g eines schwarzen voluminösen Produkts erhalten.There were obtained 1 1, 2 g of a black bulky product.
REM-Aufnahmen des Produkts sind in Abbildungen 2a, 2b und 2c gezeigt. Die morphologische Ausprägung als scharf abgegrenzte sphärische und/oder sphäroide Sekundärstrukturen bleibt erhalten. REM-Aufnahmen in hoher Vergrößerung zeigen, dass die Kugeln vollständig aus faserförmigen Komponenten aufgebaut sind (Abbildungen 2b und 2c). TEM-Aufnahmen (Abbildungen 3a und 3b) weisen das Vorliegen von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotu- bes nach.SEM images of the product are shown in Figures 2a, 2b and 2c. The morphological expression as sharply demarcated spherical and / or spherical secondary structures is preserved. SEM images at high magnification show that the spheres are completely made up of fibrous components (Figures 2b and 2c). TEM images (Figures 3a and 3b) demonstrate the presence of multi-walled carbon nanotubes.
Abbildung 4 zeigt einen Größenvergleich zwischen den eingesetzten Katalysator-Partikeln und dem erhaltenen Kohlenstoff-Nanoprodukt.Figure 4 shows a size comparison between the catalyst particles used and the carbon nanoproduct obtained.
Beispiel 2: Herstellung von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotube-Aggre- gaten über einen (Co, Mn)CO3 KatalysatorExample 2: Production of multi-walled carbon nanotube aggregates via a (Co, Mn) CO 3 catalyst
Ein Katalysator gemäß Beispiel 1 wird ohne vorhergehende Aktivierung direkt für die Herstellung von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotubes eingesetzt. Die Umsetzung zu mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotubes erfolgt wie in Beispiel 1 ohne vorhergehenden Reduktionsschritt. Das Produkt zeigt eine gleichmäßige Verteilung in der Dicke der Nanoröhrchen, wie an Hand der REM-Aufnahmen in den Abbildungen 5a, 5b und 5c zu sehen. Die TEM-Aufnahmen der Abbildungen 6a und 6b weisen das Vorliegen von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotubes nach.A catalyst according to Example 1 is used directly without prior activation for the production of multi-walled carbon nanotubes. The conversion to multi-walled carbon nanotubes takes place as in Example 1 without a preceding reduction step. The product shows a uniform distribution in the thickness of the nanotubes, as can be seen from the SEM images in Figures 5a, 5b, and 5c. The TEM images in Figures 6a and 6b demonstrate the presence of multi-walled carbon nanotubes.
Beispiel 3: Herstellung von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotube-Aggre- gaten mit enger Partikelverteilung über einen (Co, Mn)CO3 KatalysatorExample 3: Production of multi-walled carbon nanotube aggregates with narrow particle distribution over a (Co, Mn) CO 3 catalyst
Ein Katalysator gemäß Beispiel 1 wird über Siebung nach Größe klassiert und eine Partikelgrößenfraktion von 20 μm - 32 μm ohne vorherige Aktivierung direkt als Katalysator eingesetzt. Abbildungen 7a und 7b zeigen REM-Aufnahmen der eingesetzten Katalysator-Siebfraktion.A catalyst according to Example 1 is classified by sieving size and a particle size fraction of 20 microns - 32 microns used without prior activation directly as a catalyst. Figures 7a and 7b show SEM images of the catalyst sieve fraction used.
Die Umsetzung zu mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotubes erfolgt wie in Beispiel 1.The conversion to multi-walled carbon nanotubes takes place as in Example 1.
Man erhält sphärische Aggregate aus mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotubes mit enger Partikelgrößenverteilung. Bei vergleichbaren Umsetzungsbedingungen läßt sich also die Größe der sphärischen Kohlenstoff-Nanotube-Aggregate über die Größe der Katalysatorpartikel einstellen. REM-Aufnahmen des Produkts bei verschiedenen Vergrößerungen sind in Abbildungen 8a, 8b, 8c und 8d gezeigt.Spherical aggregates of multi-walled carbon nanotubes with narrow particle size distribution are obtained. At comparable reaction conditions, therefore, the size of the spherical carbon nanotube aggregates can be adjusted by the size of the catalyst particles. SEM images of the product at various magnifications are shown in Figures 8a, 8b, 8c and 8d.
Die TEM-Aufnahmen der Abbildungen 9a und 9b bestätigen das Vorliegen von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanotubes.The TEM images in Figures 9a and 9b confirm the presence of multi-walled carbon nanotubes.
Beispiel 4: Herstellung von sphäroiden Kohlenstoff-Nanofaser-Einheiten vom Typ „Fischgräten" über einen Ni/Mn-basierten KatalysatorExample 4: Preparation of Herringbone Spheroid Carbon Nanofiber Units via a Ni / Mn Based Catalyst
Herstellung des KatalysatorsPreparation of the catalyst
Eduktlösungen:starting solutions:
Lösung I:Solution I:
2400 ml einer Lösung aus 1 195,8 g Mn(NO3)2*4H2O und 1385,4 g Ni(NO3)2*6H2O in demineralisiertem Wasser - Lösung II:2400 ml of a solution of 1 195.8 g of Mn (NO 3 ) 2 * 4H 2 O and 1385.4 g of Ni (NO 3 ) 2 * 6H 2 O in demineralised water - Solution II:
7220 ml einer Lösung aus 1361 ,4 g Na2CO3 (wasserfrei) in demineralisiertem Wasser Die Synthese erfolgt durch kontinuierliche Vereinigung der Einzellösungen wie unter Beispiel 1 beschrieben . Die Reaktionstemperatur beträgt für diesen Katalysator 400C. Produktnahme beginnt nach 20 h aus dem Überlauf. Der Feststoff wird auf einer Filternutsche von der Mutterlauge separiert, anschließend sechsmal mit je 100 ml demineralisiertem Wasser gewaschen und dann bei 80°C über 30 h im Trockenofen unter Schutzgas getrocknet. Das Produkt ist pulverförmig und von hellbrauner Farbe. Es verfärbt sich beim Lagern in Gegenwart von Luft dunkel.7220 ml of a solution of 1361.4 g of Na 2 CO 3 (anhydrous) in demineralized water The synthesis is carried out by continuous combination of the individual solutions as described in Example 1. The reaction temperature for this catalyst is 40 ° C. Product recovery begins after 20 hours from the overflow. The solid is separated on a suction filter from the mother liquor, then washed six times with 100 ml of demineralized water and then dried at 80 ° C for 30 h in a drying oven under inert gas. The product is powdery and light brown in color. It darkens when stored in the presence of air.
Abbildungen 10a und 10b zeigen REM-Aufnahmen des Katalysators.Figures 10a and 10b show SEM images of the catalyst.
Aktivierung des Katalysators und Synthese der Kohlenstoff-Nanofasern vom Fischgräten-TypActivation of the catalyst and synthesis of herringbone-type carbon nanofibers
Die Aktivierung des Katalysators erfolgt beim Aufheizen zwischen 3000C und 6000C durch Reduktion des Vorprodukts mit H2 über ca. 20 min. (Gasmischung 24 l/h C2H4, 6 l/h H2) .The activation of the catalyst takes place during heating between 300 0 C and 600 0 C by reduction of the precursor with H 2 for about 20 min. (Gas mixture 24 l / h C 2 H 4 , 6 l / h H 2 ).
Die Synthese findet bei 500-6000C 2 h mit einer Mischung aus 32 l/h C2H4, 81 /h H2 statt.The synthesis takes place at 500-600 0 C 2 h with a mixture of 32 l / h C 2 H 4 , 81 / h H 2 instead.
Abbildungen I I a und I Ib zeigen REM-Aufnahmen des Produkts. Die morphologische Ausprägung als scharf abgegrenzte sphärische und/oder sphäroide Sekundärstrukturen bleibt erhalten.Figures I I a and I Ib show SEM images of the product. The morphological expression as sharply demarcated spherical and / or spherical secondary structures is preserved.
Die TEM-Aufnahmen der Abbildungen 12a und 12b bestätigen das Vorliegen von Kohlenstoff-Nanofasern mit Fischgräten-Struktur.The TEM images in Figures 12a and 12b confirm the presence of herringbone carbon nanofibers.
Beispiel 5: Herstellung von blumenartigen Kohlenstoff-Nanofaser-Einhei- ten vom Typ „platelet" über einen Fe-basierten KatalysatorExample 5 Production of Flower-Type Carbon Nanofiber Units of the "platelet" Type via an Fe-based Catalyst
Herstellung des KatalysatorsPreparation of the catalyst
Lösung I:Solution I:
3000 ml einer Lösung aus 1084,28 g Fe(II)SO4*7H2O in demineralisiertem Wasser - Lösung II:3000 ml of a solution of 1084.28 g of Fe (II) SO 4 * 7H 2 O in demineralised water - Solution II:
6264 ml einer Lösung aus 426,3 g (NH4J2CO3 (stöchiometrisch) in demineralisiertem Wasser. Die Synthese erfolgt durch kontinuierliche Vereinigung der Einzellösungen wie unter Beispiel 1 beschrieben, wobei die Reaktionstemperatur für diesen Katalysator 45°C beträgt. Produktnahme beginnt nach 20 h aus dem Überlauf. Der Feststoff wird auf einer Filternutsche von der Mutterlauge separiert, anschließend sechsmal mit je 100 ml demineralisiertem Wasser gewaschen und dann bei 800C über 30 h im Trockenofen getrocknet. Alle Schritte werden unter Stickstoff durchgeführt. Das Produkt ist pulverförmig und von hellbrauner Farbe. Es verfärbt sich beim Lagern in Gegenwart von Luft dunkel.6264 ml of a solution of 426.3 g (NH 4 J 2 CO 3 (stoichiometric) in demineralized water. The synthesis is carried out by continuous combination of the individual solutions as described in Example 1, wherein the reaction temperature for this catalyst is 45 ° C. Product intake starts after 20 hours from the overflow. The solid is separated on a suction filter from the mother liquor, then washed six times with 100 ml of demineralized water and then dried at 80 0 C for 30 h in a drying oven. All steps are carried out under nitrogen. The product is powdery and light brown in color. It darkens when stored in the presence of air.
Abbildungen 13a und 13b zeigen REM-Aufnahmen der Katalysator-Siebfraktion > 20 um.Figures 13a and 13b show SEM images of the catalyst sieve fraction> 20 μm.
Aktivierung des Katalysators und Synthese der platelet-Kohlenstoff-Nanofa- sernActivation of the catalyst and synthesis of the platelet carbon nanofibers
2 g des Vorproduktes werden im Korundschiffchen bei einer Temperatur von 3800C für zwei Stunden in einem Helium / Wasserstoff-Gemisch (2/3 : 1 /3) aktiviert.2 g of the precursor are activated in a corundum boat at a temperature of 380 0 C for two hours in a helium / hydrogen mixture (2/3: 1/3).
Die Synthese der Kohlenstoff-Nanofasern erfolgt unter Kohlenmonoxid/ Wasserstoff-Strom (20:8) über einen Zeitraum von vier Stunden. Man erhält ein schwarzes voluminösen Produkt.The carbon nanofibers are synthesized under carbon monoxide / hydrogen (20: 8) over a four-hour period. A black voluminous product is obtained.
REM-Aufnahmen des Produkts bei verschiedenen Vergrößerungen sind in den Abbildungen 14a, 14b, 14c und 14d gezeigt. Es entstehen scharf abgegrenzte Sekundäragglomerate in Form blumenartiger Einheiten, deren Außenumfang sphäroid ist.SEM images of the product at various magnifications are shown in Figures 14a, 14b, 14c and 14d. There are sharply demarcated secondary agglomerates in the form of flower-like units whose outer circumference is spheroidal.
Die TEM-Aufnahmen der Abbildungen 15a und 15b bestätigen das Vorliegen von Kohlenstoff-Nanotubes vom Blättchen (platelet)-Typ. The TEM images of Figures 15a and 15b confirm the presence of platelet-type carbon nanotubes.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kohlenstoff-Nanopartikel aus Fasern bzw. Röhrchen oder Kombinationen hiervon, welche morphologisch in Form makroskopischer, voneinander abgegrenzter sphärischer und/oder sphäroider Sekundäragglomerate vorliegen.1. Carbon nanoparticles of fibers or tubes or combinations thereof, which morphologically present in the form of macroscopic, delimited spherical and / or spherical secondary agglomerates.
2. Kohlenstoff-Nanopartikel nach Anspruch 1 , wobei die Fasern oder Röhrchen einen Durchmesser von 1 nm bis 500 nm, vorzugsweise 10 nm bis 100 nm, weiter vorzugsweise 10 nm bis 50 nm, aufweisen.2. Carbon nanoparticles according to claim 1, wherein the fibers or tubes have a diameter of 1 nm to 500 nm, preferably 10 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 50 nm.
3. Kohlenstoff-Nanopartikel nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei die Sekundäragglomerate einen Durchmesser von 500 nm bis 1000 um aufweisen.3. carbon nanoparticles according to claim 1 and / or 2, wherein the secondary agglomerates have a diameter of 500 nm to 1000 microns.
4. Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 -3, wobei die Fasern vom Fischgrätentyp sind.A carbon nanoparticle according to any one of claims 1 to 3, wherein the fibers are herringbone type.
5. Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 -3, wobei die Fasern vom Screw-Typ sind.The carbon nanoparticles of any one of claims 1 to 3, wherein the fibers are of the screw type.
6. Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 -3, wobei die Fasern vom Blättchen (platelet) -Typ sind.The carbon nanoparticles of any one of claims 1 to 3, wherein the fibers are of the platelet type.
7. Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 -3, wobei die Röhrchen vom einwandigen Typ sind.The carbon nanoparticles of any one of claims 1 to 3, wherein the tubes are of the single-walled type.
8. Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 -3, wobei die Röhrchen vom mehrwandigen Typ sind.The carbon nanoparticles of any one of claims 1 to 3, wherein the tubes are of the multi-walled type.
9. Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 -3, wobei die Röhrchen vom Loop-Typ sind.A carbon nanoparticle according to any one of claims 1 to 3, wherein the tubes are of the loop type.
10. Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 -3, wobei die Sekundäragglomerate Kombinationen aus Fasern und/oder Röhrchen ver- schiedener Typen gemäß den Ansprüchen 4-9 umfassen. 10. Carbon nanoparticles according to any one of claims 1-3, wherein the secondary agglomerates comprise combinations of fibers and / or tubes of different types according to claims 4-9.
1 1 . Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 10, wobei der Umfang Up der Nanopartikel in zweidimensionaler Projektion und der Umfang eines Kreises gleicher Fläche Uk in einem Verhältnis im Bereich von Uk:Up von 1 ,0 bis 0, 65 liegt.1 1. Carbon nanoparticles according to any one of claims 1-10, wherein the circumference Up of the nanoparticles in two-dimensional projection and the circumference of a circle of equal area Uk in a ratio in the range of Uk: Up from 1, 0 to 0, 65.
12. Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 10, erhältlich durch ein CVD-Verfahren unter Verwendung nanoporöser Katalysatorteilchen mit sphärischer und/oder sphäroider Sekundärstuktur, welche als kata- lytisch aktive Komponenten nanopartikuläre Metalle und/oder Metalloxide oder deren Vorläufer enthalten.12. Carbon nanoparticles according to any one of claims 1-10, obtainable by a CVD method using nanoporous catalyst particles having a spherical and / or sphäroider secondary structure containing as catalytically active components nanoparticulate metals and / or metal oxides or their precursors.
13. Verfahren zur Herstellung der Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 1 1 durch ein CVD-Verfahren unter Verwendung nanoporöser Katalysatorteilchen mit sphärischer und/oder sphäroider Sekun- därstuktur, welche als katalytisch aktive Komponenten nanopartikuläre Metalle und/oder Metalloxide oder deren Vorläufer enthalten.13. A process for the preparation of the carbon nanoparticles according to any one of claims 1-11 by a CVD process using nanoporous catalyst particles having a spherical and / or spherical secondary structure which contains as catalytically active components nanoparticulate metals and / or metal oxides or their precursors contain.
14. Verwendung der Kohlenstoff-Nanopartikel gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 - 12 als Adsorbentien.14. Use of the carbon nanoparticles according to any one of claims 1-12 as adsorbents.
15. Verwendung der Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 12 als Additive oder Aktivmaterialien in Energiespeichersystemen.15. Use of the carbon nanoparticles according to any one of claims 1-12 as additives or active materials in energy storage systems.
16. Verwendung der Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprü- che 1 - 12 in Superkondensatoren.16. Use of the carbon nanoparticles according to any one of claims 1 - 12 in supercapacitors.
17. Verwendung der Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 12 als Filtermedien.17. Use of the carbon nanoparticles according to any of claims 1-12 as filter media.
18. Verwendung der Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 12 als Katalysatoren oder Träger für Katalysatoren.18. Use of the carbon nanoparticles according to any of claims 1-12 as catalysts or supports for catalysts.
19. Verwendung der Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 12 als Sensoren oder Substrat für Sensoren. 19. Use of the carbon nanoparticles according to any one of claims 1-12 as sensors or substrate for sensors.
20. Verwendung der Kohlenstoff-Nanopartikel nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 12 als Additive für Polymere, Keramiken, Metalle und Metalllegierungen, Gläser, Textilien und Verbundwerkstoffe. 20. Use of the carbon nanoparticles according to any one of claims 1-12 as additives for polymers, ceramics, metals and metal alloys, glasses, textiles and composite materials.
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