Die vorliegende Arbeit untersucht das Wachstum von Kohlenstoff-Nanopartikeln, hauptsächlich Few‑Layer Graphen (FLG), hergestellt aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen in einem Mikrowellenplasmareaktor. Neben der Analyse der hergestellten Kohlenstoffpartikel werden zu diesem Zweck unterschiedliche in situ und inline Methoden angewandt, um den Syntheseprozess zu charakterisieren. Das Plasma wird mithilfe der optischen Emissionspektroskopie (OES) und die Konzentration gebildeter molekularer Produkte quantitativ und semiquantitativ mit Infrarot-Absorptionsspektrometrie und Gaschromatographie untersucht. Die Methoden werden zur Interpretation zusätzlich mit Reaktionskinetischen‑ und Gleichgewichtssimulationen der Gasphasenchemie auf Basis von Verbrennungsmechanismen verglichen. Das Wachstum der FLG-Partikel wird durch ortsaufgelöste thermophoretische Probennahme untersucht.

Der erste Teil der Arbeit untersucht die Strukturbildung und Morphologie der wachsenden Kohlenstoffpartikel entlang des Reaktors durch thermophoretische Probennahme. Die Partikel ändern entlang der Reaktorachse ihre Morphologie. Die ersten nah am Plasma gewonnene FLG-Partikel sind flach. Über mikroskopische Analyse kann hier, im Einklang mit der allgemeinen Theorie für das Wachstum von Kohlenstoffpartikeln, die Bildung von Monolagengraphen für den vorliegenden Prozess nachgewiesen werden. Durch den Vergleich von Proben, die an unterschiedlichen Stellen entlang des Reaktors entnommen werden, zeigt sich, dass sich sie FLG-Partikel der Reaktorachse zunehmend falten und kompaktere Strukturen bilden. Dieser Vorgang wird durch Messungen der zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz bestätigt und erklärt die typische Morphologie der gewonnenen Proben.

Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Präkursormischungen und Konzentrationen auf das gebildete Kohlenstoffpartikelprodukt. Bei den eingesetzten Präkursoren handelt es sich dabei um Ethanol, Ethen und verschiedene Ethen/Wasser-Gemische. Insbesondere der Einfluss von Sauerstoff in der Mischung und das dadurch resultierende C/O-Verhältnis wird betrachtet und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen im Einklang mit der Literatur, dass niedrige C/O-Verhältnisse vorteilhaft für die Bildung von FLG sind, wohingegen größere Verhältnisse zu Mischungen mit graphitischen oder rußartigen Partikeln führen. Sauerstofffreie Präkursoren zeigen bei Verringerung ihrer eingesetzten Konzentration ebenfalls den Trend einer bevorzugten Erzeugung von FLG. Die Ausbeute an Kohlenstoffpartikeln skaliert dabei mit der Konzentration an eingesetzten Präkursor und der Menge an zugegebenem Wasser. Die Zugabe von geringeren Präkursor- oder höheren Wasserkonzentrationen lässt die Ausbeute sinken. OES-Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Plasmatemperaturen für alle untersuchten Fälle gleich sind und somit unterschiedliche Temperaturbedingungen für die Partikelbildung wahrscheinlich ausgeschlossen werden können. Die aufgenommenen FTIR-Spektren zeigen semiquantitativ, dass die Zugabe von Wasser Konzentrationsänderungen der gebildeten Gasspezies verursacht. Mit steigendem Wasseranteil wird zunehmend mehr CO gebildet und die Menge einfacher Kohlenwasserstoffe wie C₂H₂ nimmt ab. Diese beobachteten Trends lassen sich mit reaktionskinetischen Simulationen reproduzieren. Auf Basis der Ergebnisse der angewandten In-situ-Methoden und Simulation, lässt sich der Einfluss von Sauerstoff über einen Konzentrationsänderung erklären. Der vorhandene Sauerstoff reagiert dabei mit Kohlenstoff zu CO und reduziert so die zu Verfügung stehende Konzentration an Wachstumsspezies für die Bildung von Kohlenstoffpartikeln.

Der dritte Teil der Arbeit hat das Ziel, die für Wasser gewonnenen Erkenntnisse auf weitere Sauerstoffträger zu übertragen. Wasser wird dabei durch Lachgas (N₂O), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und molekularen Sauerstoff (O₂) substituiert. Anhand von Simulation wird für alle Sauerstoffträger eine vergleichbare Reduktion der Partikelbildung erwartet. Eine Validierung der Simulationen mittels Gaschromatographie zeigt für CO und C₂H₂ eine relative Abweichung von maximal ~20 %. Die Ausbeute an Kohlenstoffpartikeln wird für alle Sauerstoffträger entsprechend der Erwartung reduziert. In der Analyse der hergestellten Partikel lässt sich aber erkennen, dass nicht alle Sauerstoffträger die Bildung rußartiger Partikel unterbinden. Experimente mit niedrigen C/O-Verhältnissen bei der Zugabe von CO₂ führen weiterhin zu der Bildung andersartiger Kohlenstoffpartikel. Proben, die mit thermophoretischer Probennahme gewonnen werden, zeigen bereits nah am Plasma, d.h. nah am Beginn des Partikelwachstums, Unterschiede der Zusammensetzung. Anhand von OES-Spektren können markante Zerfallsprodukte der Sauerstoffträger nachgewiesen werden. Die CO₂-Spektren zeichnen sich im Gegensatz zu N₂O und O₂ durch die unerwartete Bildung von C₂- und C aus. Die ermittelte Temperatur der C₂‑Lumineszenz ist deutlich höher als die sonstigen bestimmten Temperaturen und lässt deshalb wahrscheinlich auf die Bildung durch einen Nichtgleichgewichtseffekt schließen. Diese zusätzlichen Kohlenstoffspezies sind dann möglicherweise in der Lage, die Nukleation von festen Partikeln zu beeinflussen, was zu der Bildung zusätzlicher rußartiger Partikel führt.