Kohlenstoffnanoröhren als eigenständige Modifikation des Kohlenstoffs sind zylindrische, aus mehreren Lagen Kohlenstoff aufgebaute Röhren, die über einen Hohlraum im Inneren verfügen. Bereits kurze Zeit nach ihrer Entdeckung, kam die Idee auf, Substanzen in diesen Hohlraum zu füllen. Durch den Einbau von Katalysatormaterial während der Synthese, ist bereits eine Vielzahl von Elementen als Füllmaterial zugänglich. Um jedoch nicht auf Elemente limitiert zu sein, die als Katalysator für die CNT-Synthese dienen, ist es möglich eine postsynthetische Füllung durchzuführen. Hier werden ungefüllte CNT geöffnet und anschließend, unter Ausnutzung der Kapillarkräfte, gefüllt.
In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst verschiedene Methoden zur Füllung untersucht. Neben lösemittelbasierten Methoden wurde mit Salzschmelzen, durch Gasphasentransport und durch Füllung mit einer kovalenten Präkursorverbindung gefüllt. Da metallische Partikel das Ziel waren, folgte im Anschluss an die Füllung mit Salzen, Salzlösungen, oder anderen Präkursoren jeweils eine Reduktion mit Wasserstoffgas bei erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse der Füllung wurden umfassend mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Füllungsgrade wurden mittels Thermogravimetrie bestimmt. So konnten für zahlreiche Elemente eine geeignete Methode zur Füllung mit metallischen Partikeln entwickelt werden.
Im Falle der Füllung mit Zinn konnte zudem gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen der Dauer der Füllreaktion und dem Anteil an drahtartigen Nanostrukturen in den CNT, sowie ein Zusammenhang zwischen der eingesetzten Lösungskonzentration und dem Füllungsgrad besteht. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Synthese von intermetallischen Partikeln in CNT untersucht. Hierbei dienten die Systeme Nickel-Zinn und Cobalt-Zinn, die als vielversprechende Materialien im Einsatz als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren diskutiert werden, als Modellsysteme.
Zunächst wurde gezeigt, dass es nicht möglich ist, aus einem Gemisch des Zinnsalzes und des jeweiligen anderen Salzes erfolgreich intermetallische Partikel herzustellen. Mittels Pulverröntgendiffraktometrie (XRD) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) konnte gezeigt werden, dass lediglich Zinnpartikel in den CNT vorhanden waren.
Schließlich konnte mit dem Verfahren der sequentiellen Füllung eine erfolgreiche Synthese intermetallischer Nanostrukturen bewerkstelligt werden. Hierbei wird die CNT zuerst mit einer Lösung von Zinnchlorid
gefüllt und schließlich reduziert. Anschließend erfolgt eine weitere Füllung mit einem Nickel- bzw. Cobaltsalz und einer nachfolgenden Reduktion. Während dieser zweiten Reduktion erfolgt die Bildung der intermetallischen Nanostrukturen in den CNT. Mittels XRD konnte gezeigt werden, dass tatsächlich intermetallische Strukturen in der Probe enthalten sind und dass man zudem durch das Verhältnis der beiden eingesetzten Elemente (Zinn zu Nickel bzw. Cobalt) Einfluss auf die vorherrschende intermetallische Verbindung nehmen kann. Durch EDX-Linienscans und Elementkarten, die am Transmissionselektronenmikroskop angefertigt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass einzelne, in den CNT befindliche Partikel, tatsächlich aus den beiden Elementen Zinn und Nickel bzw. Cobalt bestehen und somit intermetallisch sind.
Ein erster Test des erhaltenen Materials aus CNT und intermetallischen Nickel-ZinnVerbindungen als Anodenmaterial konnte bereits durchgeführt werden. Die gemessene Kapazität lag bereits im Bereich von Graphit, welches üblicherweise als Anodenmaterial verwendet wird, könnte jedoch durch Erhöhung des Anteils der intermetallischen Verbindung noch weiter gesteigert werden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:30264 |
| Date | 24 January 2017 |
| Creators | Haft, Marcel |
| Contributors | Mertig, Michael, Büchner, Bernd, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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