DE102005029155B4 - Process for the production of particles - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Fullerenen oder Kohlenstoff-Nanoröhren, bei dem zwischen mindestens zwei in einem Gehäuse angeordneten Elektroden (2a, 2b) Bogenentladungen gepulst gezündet und/oder mit modulierter elektrischer Stromstärke betrieben werden und mittels einer Gasströmung (5), die zwischen den Elektroden (2a, 2b) hindurch geführt wird, gebildete Partikel ausgetrieben und gesammelt werden sowie eine Erwärmung, bei der unterschiedliche Temperaturen in verschiedenen Zonen (1a, 1b, 1c) in Strömungsrichtung des Gasstromes (5) eingehalten werden, durchgeführt wird; wobei in einer ersten Zone (1a) die Innentemperatur auf 1200°C stabi- lisiert, in einer zweiten sich daran anschließenden Zone (1b) eine Innentemperatur von 700°C und in einer nachfolgend angeordneten Zone (1c) eine Temperatur von 600°C eingehalten werden.Process for the production of fullerenes or carbon nanotubes, in which arc discharges are ignited in a pulsed manner between at least two electrodes (2a, 2b) arranged in a housing and / or operated with a modulated electrical current intensity and by means of a gas flow (5) which flows between the electrodes ( 2a, 2b) is passed through, formed particles are expelled and collected, and heating is carried out in which different temperatures are maintained in different zones (1a, 1b, 1c) in the flow direction of the gas stream (5); the internal temperature stabilized at 1200 ° C. in a first zone (1a), an internal temperature of 700 ° C. in a second adjoining zone (1b) and a temperature of 600 ° C. maintained in a subsequent zone (1c) will.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln, wie insbesondere Fullerenen bzw. Kohlenstoff-Nanoröhren.The invention relates to an arrangement and a method for the production of particles, in particular fullerenes or carbon nanotubes.
Neben anderen Verfahren ist es bekannt Partikel plasma-chemisch oder durch CVD- bzw. PVD-Technologien herzustellen. Dabei ist neben den hohen Herstellungs- und Anlagenkosten auch die Rate der so herstellbaren Partikel relativ gering.Among other methods, it is known to produce particles plasma-chemically or by CVD or PVD technologies. In addition to the high manufacturing and equipment costs, the rate of particles that can be produced in this way is relatively low.
Außerdem können Variationen beim Betrieb der dafür genutzten Anlagentechnik, wenn überhaupt nur in geringem Umfang durchgeführt oder berücksichtigt werden.In addition, variations in the operation of the equipment used for this purpose, if at all carried out or considered only to a small extent.
So ist aus
Eine Möglichkeit zur Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch eine Gleichstrom-Bogenentladung an einer Kohlenstoffelektrode ist von Y. Ando et al. in „Mass production of high quality single-wall carbon nanotubes by H2-N2 arc discharge”; Diamond & Related Materials; Vol. 14, S. 729–732; 2004 beschrieben.One way to form carbon nanotubes by a DC arc discharge on a carbon electrode is described by Y. Ando et al. in "Mass production of high quality single-wall carbon nanotubes by H 2 -N 2 arc discharge"; Diamond & Related Materials; Vol. 14, pp. 729-732; 2004 described.
H. Schulz et al. beschreiben in „Ultra hydrophobic wetting behaviour of amorphous carbon films”; Surface& Coatings Technology; 2005; Vol. 200, S. 1123–1126 Wege für die Ausbildung amorpher Kohlenstoffschichten auf Substraten.H. Schulz et al. describe in "Ultra Hydrophobic Wetting Behavior of Amorphous Carbon Films"; Surface & Coatings Technology; 2005; Vol. 200, pp. 1123-1126 Avenues for the formation of amorphous carbon layers on substrates.
Toshiki Sugai et al. beschreiben in „Production of fullerenes and single-wall carbon nanotubes by high-temperature pulsed arc discharge”; J. Chem. Phys. 112; pp. 6000–6005; (2000) wie Fullerene oder Kohlenstoff-Nanoröhren mittels gepulst betriebener Bogenentladung hergestellt werden können.Toshiki Sugai et al. describe in "Production of fullerenes and single-wall carbon nanotubes by high-temperature pulsed arc discharge"; J. Chem. Phys. 112; pp. 6000-6005; (2000) how fullerenes or carbon nanotubes can be produced by means of pulsed arc discharge.
Aus
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die kostengünstige Herstellung von Partikeln mit erhöhter Ausbeute vorzuschlagen.It is therefore an object of the invention to propose possibilities for the cost-effective production of particles with increased yield.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a method according to
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with the features described in the subordinate claims.
Die Anordnung ist dabei so ausgebildet, dass in einem Gehäuse mindestens zwei Elektroden in einem Abstand zueinander angeordnet sind, die als Kathode und Anode geschaltet sind und zwischen denen eine gepulste Bogenentladung betrieben wird. Die Bogenentladung kann aber auch mit einem modulierten elektrischen Strom allein oder zusätzlich zum gepulsten Betrieb betrieben werden, wobei dann die Bogenleistung durch die sich verändernde elektrische Stromstärke variiert werden kann. So kann eine Bogenentladung zeitweise mit hoher Leistung und dann mit geringer Leistung, bis kurz vor dem Erlöschen des Bogens betrieben werden.The arrangement is designed so that at least two electrodes are arranged in a housing at a distance from each other, which are connected as the cathode and anode and between which a pulsed arc discharge is operated. The arc discharge can also be operated with a modulated electric current alone or in addition to the pulsed operation, in which case the arc power can be varied by the changing electric current. Thus, an arc discharge can be operated at times with high power and then with low power until just before the extinction of the arc.
Zum Austreiben und ggf. auch zur Beeinflussung der Partikelbildung wird über einen Gaseinlass ein Gasstrom zwischen den Elektroden und zumindest nahezu orthogonal zu den zwischen den Elektroden brennenden Bögen hindurch und auch an den jeweiligen Oberflächen der Elektroden entlang geführt. Die so gebildeten Partikel können hinter den Elektroden gesammelt werden.For expelling and possibly also for influencing the particle formation, a gas flow is conducted through the gas inlet between the electrodes and at least substantially orthogonally to the sheets burning between the electrodes and also along the respective surfaces of the electrodes. The particles thus formed can be collected behind the electrodes.
Es können auch mehr als zwei Elektroden eingesetzt werden, wobei dann Bogenentladungen zwischen unterschiedlichen Elektroden gezündet und betrieben werden können, was durch entsprechende elektrische Ansteuerung der Elektroden erreicht werden kann.It is also possible to use more than two electrodes, in which case arc discharges between different electrodes can be ignited and operated, which can be achieved by corresponding electrical activation of the electrodes.
Durch elektrische Umschaltung kann aber auch ein Wechsel der Elektroden erreicht werden, so dass eine Elektrode einmal Kathode und nach Umschaltung dann Anode sein kann, was für die jeweils andere Elektrode dann invers erfolgen soll.By electrical switching but also a change of the electrodes can be achieved so that one electrode can be cathode and after switching then anode, which is then to be done inversely for the respective other electrode.
Vorteilhaft können die Bogenentladungen mittels eines ebenfalls gepulst betriebenen Laserstrahls gezündet werden, der für eine jeweilige Zündung auf eine Oberfläche einer der Elektroden gerichtet wird. Durch Bewegung und/oder Verschwenkung des Laserstrahles kann der Auftreffort variiert und der jeweilige Fußpunkt des gezündeten Bogens beeinflusst werden.Advantageously, the arc discharges can be ignited by means of a pulse laser also operated pulsed, which is directed for a respective ignition on a surface of one of the electrodes. By movement and / or pivoting of the laser beam, the place of impact can be varied and the respective base point of the ignited arc can be influenced.
Die Zündung von Bogenentladungen kann aber auch mit einer erhöhten Zündspannung, unter Einsatz von zusätzlichen Zündelektroden oder der Erzeugung eines temporären Kurzschlusses an zwei Elektroden erreicht werden. Dabei kann eine Zündelektrode auch bewegbar sein, so dass eine Zündung an unterschiedlichen Oberflächenbereichen erreicht werden kann.The ignition of arc discharges can also with an increased ignition voltage, using additional ignition electrodes or the Generation of a temporary short circuit to two electrodes can be achieved. In this case, an ignition electrode can also be movable, so that ignition at different surface areas can be achieved.
In einer bevorzugten Ausführung ist eine der Elektroden als Hohlzylinder oder auch Teil eines Zylinders, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Zylindersegmente ausgebildet.In a preferred embodiment, one of the electrodes is designed as a hollow cylinder or also part of a cylinder, for example in the form of one or more cylinder segments.
Die zweite Elektrode kann dann vollständig oder teilweise im Inneren der ersten Elektrode angeordnet sein. Die zweite Elektrode kann platten-, stab- oder auch zylinderförmig ausgebildet sein.The second electrode can then be arranged completely or partially inside the first electrode. The second electrode may be plate, rod or cylindrical.
Vorteilhaft kann es auch sein, mindestens eine der beiden Elektroden in Längsrichtung, also auch in Strömungsrichtung des Gasstromes in Segmente zu unterteilen, die jeweils einzeln elektrisch ansteuerbar sind, so dass dann an den Segmenten unterschiedliche Parameter der gezündeten und betriebenen Bogenentladungen eingehalten werden können. Durch geeignete elektrische Schaltung der Segmente kann eine Bogenentladung auch zwischen Elektrode und Segmenten betrieben werden, die nicht unmittelbar gegenüberliegend angeordnet sind und so der Bogen zeitweise in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtet ist. Mit einer solchen Ausführung kann auch ein „Ziehen” des Fußpunktes des Bogens auf der Oberfläche einer Elektrode erfolgen, so dass eine Vergleichmäßigung des Abtrages an Elektroden, ähnlich wie bei einer lokal veränderten Zündung mit einem Laserstrahl erreicht werden kann.It can also be advantageous to subdivide at least one of the two electrodes into segments in the longitudinal direction, that is to say also in the flow direction of the gas stream, which are each individually electrically controllable, so that different parameters of the ignited and operated arc discharges can then be maintained at the segments. By suitable electrical circuit of the segments, an arc discharge can also be operated between the electrode and segments, which are not arranged directly opposite each other and so the arc is temporarily aligned at an obliquely inclined angle. With such an embodiment, a "pulling" of the foot of the arc on the surface of an electrode can be carried out so that a homogenization of the Abtrag to electrodes, similar to a locally changed ignition can be achieved with a laser beam.
Im Falle der Herstellung von Partikeln aus bzw. mit Kohlenstoff sollte zumindest eine der Elektroden aus reinem Kohlenstoff oder überwiegend mit Kohlenstoff gebildet sein, wobei im letzteren Fall zusätzlich weitere Stoffe, beispielsweise Ni, Mo, Fe Rh, Pt, Cr, Sc, Y, B, Tb, Er, Lu oder Gemische aus diesen enthalten sein können.In the case of the production of particles from or with carbon, at least one of the electrodes should be formed of pure carbon or predominantly carbon, in the latter case additional substances, for example Ni, Mo, Fe, Rh, Pt, Cr, Sc, Y, B, Tb, Er, Lu or mixtures of these may be included.
Die Gasströmung kann in gesteuerter bzw. geregelter Form durch den Gaseinlass erfolgen. Dabei können der Volumenstrom, die Strömungsgeschwindigkeit und der Innendruck berücksichtigt werden.The gas flow can take place in controlled or regulated form through the gas inlet. The volume flow, the flow velocity and the internal pressure can be taken into account.
Bevorzugte Strömungsgeschwindigkeiten liegen im Bereich 0,01 bis 100 m/s und der Innendruck sollte im Bereich 103 bis 107 Pa eingehalten werden.Preferred flow rates are in the range 0.01 to 100 m / s and the internal pressure should be maintained in the
Der Gasstrom kann zusätzlich durch eine Absaugung, die auf der dem Gaseinlass gegenüber liegenden Seite angeordnet ist, unterstützt und stabilisiert werden.In addition, the gas flow can be assisted and stabilized by an exhaust, which is arranged on the side opposite the gas inlet.
Der Gasstrom kann aus bzw. mit einem inerten Gas, beispielsweise Helium oder Argon, aber auch mit Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder einem Gas einer Metall- oder Kohlenstoff-Verbindung gebildet werden.The gas stream can be formed from or with an inert gas, for example helium or argon, but also with nitrogen, oxygen, hydrogen or a gas of a metal or carbon compound.
In Strömungsrichtung hinter dem Gaseinlass kann ein zweiter Gaseinlass angeordnet sein, über den ein zweiter Gasstrom zuführbar ist. Der zweite Gasstrom kann bevorzugt aus oder mit einem Reaktivgas gebildet werden. Mit einem solchen Reaktivgas kann einmal Einfluss auf die Partikelbildung genommen werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit beim Prozess gebildete Verbindungen chemisch umzuwandeln, so dass beispielsweise toxische Verbindungen in ungefährliche Verbindungen überführt und an die Umwelt abgegeben werden können.In the flow direction behind the gas inlet, a second gas inlet may be arranged, via which a second gas stream can be fed. The second gas stream may preferably be formed from or with a reactive gas. With such a reactive gas can be influenced once on the particle formation. However, it is also possible to chemically convert compounds formed in the process so that, for example, toxic compounds can be converted into harmless compounds and released to the environment.
Es soll eine Temperierung vorgesehen werden, wobei bei erhöhten Temperaturen gearbeitet werden soll. Hierfür kann die Anordnung mit Gehäuse und Elektroden in einem Ofen angeordnet werden, wobei es sich dabei besonders vorteilhaft um einen Zonenofen handeln sollte, mit dem unterschiedliche Temperaturen in Strömungsrichtung des Gasstromes einstellbar sind.It should be provided a tempering, to be operated at elevated temperatures. For this purpose, the arrangement can be arranged with housing and electrodes in an oven, which should be particularly advantageous to a zone oven, with the different temperatures in the flow direction of the gas stream can be adjusted.
Eine Temperaturerhöhung kann aber auch mit mindestens einer Heizeinrichtung, die an der Anordnung vorhanden ist, erreicht werden. Auch hier sollen unterschiedliche Temperaturen in Strömungsrichtung einstellbar sein. Günstig kann es auch sein den/die Gasstrom/ströme vor Einführung zu erwärmen.However, a temperature increase can also be achieved with at least one heating device which is present on the arrangement. Again, different temperatures should be adjustable in the direction of flow. It may also be favorable to heat the gas stream (s) before introduction.
Die Partikelbildung kann bereits bei Raumtemperatur erfolgen. Es kann aber auch in einem mittleren Temperaturbereich von ca. 500°C sowie im Bereich hoher Temperaturen ca. 1000°C und darüber hinaus gearbeitet werden. Bevorzugt sind Temperaturen im Bereich 600 bis 1200°C.The particle formation can already take place at room temperature. It can also be used in an average temperature range of about 500 ° C and in the range of high temperatures about 1000 ° C and beyond. Preference is given to temperatures in the range 600 to 1200 ° C.
Die Bogenentladungen können mit elektrischen Spannungen zwischen 10 und 50 V, elektrischem Strom zwischen 50 A und 5 kA, mit Pulsdauern von 10 ns bis 10 ms, bei einer Pulsfrequenz zwischen 0,5 Hz und 10 kHz, bevorzugt 100 Hz bis 1,5 kHz betrieben werden. Für die Zündung der Bogenentladungen können aber deutlich höhere elektrische Spannungen erforderlich sein.The arc discharges can with electrical voltages between 10 and 50 V, electrical current between 50 A and 5 kA, with pulse durations of 10 ns to 10 ms, at a pulse frequency between 0.5 Hz and 10 kHz, preferably 100 Hz to 1.5 kHz operate. But for the ignition of the arc discharges significantly higher electrical voltages may be required.
Die gebildeten Partikel können dann einer Sammeleinrichtung zugeführt und mit dieser aus dem Gasstrom separiert werden. Im einfachsten Fall kann dies eine Fläche sein auf die der die Partikel mitführende Gasstrom auftrifft oder diese überstreicht, so dass sich die Partikel auf der Fläche ablagern und ggf. dort aufwachsen. Dabei kann eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes im Bereich der Sammeleinrichtung vorteilhaft sein.The particles formed can then be fed to a collecting device and separated therefrom from the gas stream. In the simplest case, this can be an area on which the particle-carrying gas stream impinges or sweeps over it, so that the particles deposit on the surface and possibly grow there. In this case, it may be advantageous to reduce the flow velocity of the gas stream in the region of the collecting device.
Eine Sammeleinrichtung kann aber auch elektrostatisch wirkend ausgebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit Magnete oder Elektromagnete an einer Sammeleinrichtung vorzusehen.However, a collecting device can also be formed electrostatically acting. However, it is also possible to provide magnets or electromagnets to a collector.
In letzt genanntem Fall können ferromagnetische Partikel sehr effektiv separiert und gesammelt werden.In the latter case, ferromagnetic particles can be separated and collected very effectively.
Mit der Erfindung können Fullerene oder Kohlenstoff-Nanoröhren kostengünstig und gegenüber den bekannten Lösungen mit erhöhter Bildungsrate erhalten werden.With the invention, fullerenes or carbon nanotubes can be obtained inexpensively and in comparison to the known solutions with increased formation rate.
Mit der Erfindung kann aber auch eine Agglomeration von gebildeten Partikeln, zu sogenannten „Clustern”, erreicht werden.With the invention, however, an agglomeration of particles formed, so-called "clusters", can be achieved.
Mit der Erfindung können aber auch metallische Partikel, als reine Metalle, Metalllegierungen oder Metallverbindungen (z. B. Carbide) in Partikelform hergestellt werden. Dabei können mindestens eine Elektrode aus oder mit dem jeweiligen Metall und/oder eine geeignet Metallgaskomponente im Gasstrom eingesetzt werden.With the invention, however, metallic particles, as pure metals, metal alloys or metal compounds (eg carbides) in particle form can also be produced. In this case, at least one electrode made of or with the respective metal and / or a suitable metal gas component can be used in the gas stream.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Dabei zeigt:Showing:
Die in
Das Verfahren kann dabei wie folgt beschrieben werden:
Zwischen den zwei konzentrisch angeordneten Elektroden
Between the two concentrically arranged
Die Elektroden
Der Werkstoff der äußeren Elektrode
Die Bogenentladung wird in einer Gasströmung
Die nun gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhren gelangen im Gasstrom in die nächste Zone
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2005
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Also Published As
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