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.
Qual é o catalisador para o crescimento de nanotubos de carbono? 5 factores-chave explicados
1. Catalisadores de metais de transição
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.
2. Escolha do catalisador
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, o que leva a um mecanismo de crescimento baseado na superfície, em que 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.
3. Condições de crescimento
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.
4. O papel do hidrogénio
Além disso, a presença de hidrogénio também pode influenciar o crescimento dos CNT sintetizados através de metano e etileno.
O metano e o etileno necessitam de 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.
5. Interação dos factores
De um modo geral, o catalisador, as condições de crescimento e as caraterísticas 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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