Os catalisadores para o crescimento de nanotubos de carbono (CNT) são principalmente metais de transição, como o ferro (Fe), o cobalto (Co) e o níquel (Ni). Estes metais têm uma solubilidade finita de carbono a altas temperaturas, o que os torna adequados para a formação de CNTs.
O crescimento dos CNTs pode ser conseguido através de vários métodos, incluindo a deposição química de vapor (CVD) e a deposição química de vapor melhorada por plasma (PECVD). Na CVD, um catalisador de metal de transição é exposto a hidrocarbonetos gasosos a altas temperaturas. As espécies de carbono difundem-se na superfície do catalisador e reagem umas com as outras para formar pequenos aglomerados de carbono. Quando estes aglomerados excedem um tamanho crítico, os cristais de grafeno nucleiam-se e a deposição continua a formar uma camada única e contínua de grafeno. O catalisador desempenha um papel crucial neste processo, facilitando o crescimento de aglomerados de carbono e fornecendo uma superfície para a nucleação.
A escolha do catalisador também pode afetar o mecanismo de crescimento e o comportamento dos CNT. O cobre (Cu) e o níquel (Ni) são dois catalisadores comummente utilizados com propriedades diferentes. O Cu tem baixa solubilidade em carbono, levando a um mecanismo de crescimento baseado na superfície, onde o grafeno se forma na superfície do Cu a altas temperaturas. Por outro lado, o Ni tem uma elevada solubilidade em carbono, o que resulta num mecanismo que envolve a difusão do carbono na folha de Ni a altas temperaturas, seguida da segregação do carbono e da formação de grafeno na superfície do metal durante o arrefecimento.
Para além do catalisador, outros factores como o tempo de residência, a temperatura e o caudal do precursor contendo carbono podem também influenciar o crescimento dos CNT. É necessário um tempo de residência ótimo para garantir uma acumulação suficiente de fonte de carbono sem limitar a reposição da fonte de carbono ou a acumulação de subprodutos.
Além disso, a presença de hidrogénio também pode ter impacto no crescimento dos CNT sintetizados através de metano e etileno. O metano e o etileno requerem hidrogénio durante a conversão térmica antes da dopagem em nanotubos de carbono. O hidrogénio pode promover o crescimento de CNTs sintetizados através de metano e etileno, reduzindo o catalisador ou participando na reação térmica. No entanto, no caso do acetileno, o hidrogénio não desempenha um papel significativo no processo de síntese, exceto pelo seu efeito redutor no catalisador.
De um modo geral, o catalisador, as condições de crescimento e as características da fonte de carbono desempenham um papel fundamental no crescimento dos nanotubos de carbono. Compreender a interação entre estes factores é crucial para controlar e otimizar o processo de crescimento.
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