Fundamentals of the growth mechanism, tailored properties and applications of 3D hollow carbon foams
Creators: name: Marx, Janik
name: Kunststoffe Und Verbundwerkstoffe M-11 (Ed.)
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2019
Subjects: subject: aerographite
subject: CVD process
subject: PNCs
subject: REM
subject: TEM
subject: Raman
classificationCode: 600
subject: Technik

description: Durch die Entdeckung von Kohlenstoffnanostrukturen (1D, 2D Strukturen) im vergangenen Jahrhundert begann in den darauffolgenden Jahren ein Wettlauf zur Verwendung dieses neuen Werkstofftyps mit herausragenden physikalischen Eigenschaften. Aufgrund der geometrischen Beschränkung von 1D und 2D Kohlenstoffstrukturen wurden um die Jahrtausendwende verschiedenste erstellungstechniken entwickelt, um 3D Kohlenstoffstrukturen zu synthetisieren, welche auch als Kohlenstoffschäume bezeichnet werden. Diese bieten auf Basis deren Morphologie gegenüber den bisherigen Strukturen entscheidende Vorteile, womit sich potentiell neue Anwendungsgebiete im Bereich der Energiespeichersysteme und Katalysatoren ergeben. Dabei beeinflussen insbesondere die Wachstumsmechanismen der Kohlenstoffstrukturen die späteren Eigenschaften. Im Zuge dessen entstehen in der Ausbildung der Kohlenstoffanordnung im hexagonalen Gitter immer wieder Defekte, welche die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Struktur verringern. Diese Defekte können durch Ausheilungsprozesse wie eine Hochtemperaturbehandlung verringert werden. Neben Defekten, wurde auch gezeigt, dass die Anzahl der Kohlenstofflagen die Eigenschaften maßgeblich beeinflussen. Diese Arbeit befasst sich mit der Analyse des Wachstumsmechanismus der 3D Kohlenstoffstruktur Aerographit. Dieser Kohlenstoffschaum weist eine tetrapodischen Morphologie auf und zeichnet sich durch dessen hohe mechanische und elektrische Eigenschaften bei einer geringen Dichte von bis ~ 2 mg/cm³ aus. Im Zuge dessen wird vor allem der Einfluss des Wachstumsmechanismus auf die Eigenschaften beziehungsweise die kontrollierte Veränderung der Eigenschaften wie zum Beispiel der elektrischen Leitfähigkeit untersucht. Dabei kann durch eine gezielte Prozessführung, während der Synthese IV von Aerographit in der chemischen Gasphasenabscheidung, die Wandstärke der Tetrapoden gezielt variiert werden. Wobei durch eine nachgeschaltete Temperaturbehandlung von Aerographit, in Abhängigkeit der Temperatur und deren Haltezeit, kommt es zu einer schrittweisen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit. Weiterhin wird in dieser Arbeit eine Variation der Morphologie und des herstellungsprozesses für 3D Kohlenstoffschäume untersucht. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf eine anwendungsbezogene Morphologie und eines vergleichsweise vereinfachten Herstellungsprozesses der neu entwickelten Kohlenstoffstruktur. Der dabei entwickelte Kohlenstoffschaum weist eine globulare Morphologie auf und wird auf Basis eines keramischen Grundkörpers hergestellt. Durch dieses Herstellungsverfahren lassen sich unter Verwendung von thermodynamischen Berechnungen katalytisch aktive Materialien dem keramischen Grundkörper zufügen, welche gezielt nach dem CVD Prozess in dem gebildeten Kohlenstoffschaum verbleiben. Dabei kann diese Methode zu einem beliebig vielfältigen Anwendungsspektrum im Bereich der Katalysatoren führen.
description: The discovery of 1D carbon nanostructures in the 20th century and subsequently of 2D carbon nanostructures in the past century, a competition for possible applications of this material with outstanding physical properties began. Due to the geometric restriction of 1D and 2D carbon structures, a variety of manufacturing techniques have been developed around of the millennium to synthesise 3D carbon structures, which are also referred to as carbon aerogels or carbon foams. Based on their morphology, these structures offer decisive advantages over the existing structures and thus potentially new fields of application arise in the field of energy storage systems and catalysts. The growth mechanism of carbon structures has a property-defining influence on their properties. During their growth, carbon atoms arrange in ideal hexagonal lattices, which can also lead to defects that adversely affect the properties. These defects can be reduced by annealing processes such as a high-temperature treatment. Besides to defects, it was also shown that the number of carbon layers significantly affect the properties. This work concerned with the analysis of the growth mechanism of the 3D carbon structure Aerographite. This carbon foam has a tetrapodal morphology and is distinguished by its high mechanical and electrical properties at a density down to ~2 mg/cm3. Here, the influence of the growth mechanism via ex-situ studies and the tailoring of the properties such as electrical conductivity is investigated. The wall thickness of the tetrapods can be specifically varied by means of a targeted process control during the synthesis of Aerographite in the CVD process. A stepwise increase in the electrical conductivity occurs because of a subsequent temperature treatment of Aerographite, as a function of the temperature and its VI holding time. Additionally, the healing of Aerographite by a thermal treatment and the influence of the graphitisation on the properties of Aerographite is in focus in this work. Furthermore, this study aims a variation of the morphology and the manufacturing process for 3D carbon foams and the identification of possible applications. The focus here is on an application-related morphology and a comparatively simplified manufacturing process of the carbon structure. The developed carbon foam has a hierarchical globular morphology and is produced based on a porous ceramic template. Based on thermodynamic calculations, a wide range of catalytically active materials can be added to the green body, which are remains after the CVD process. Finally, a carbon foam with incorporated catalysts can be used for several applications.