Il catalizzatore per la crescita dei nanotubi di carbonio (CNT) è costituito principalmente da metalli di transizione come ferro (Fe), cobalto (Co) e nichel (Ni). Questi metalli hanno una solubilità finita del carbonio ad alte temperature, il che li rende adatti alla formazione dei CNT.
La crescita dei CNT può essere ottenuta con vari metodi, tra cui la deposizione di vapore chimico (CVD) e la deposizione di vapore chimico potenziata al plasma (PECVD). Nella CVD, un catalizzatore di metalli di transizione viene esposto a idrocarburi gassosi ad alte temperature. Le specie di carbonio si diffondono sulla superficie del catalizzatore e reagiscono tra loro per formare piccoli cluster di carbonio. Una volta che questi cluster superano una dimensione critica, si nucleano i cristalli di grafene e la deposizione continua a formare un singolo strato continuo di grafene. Il catalizzatore svolge un ruolo cruciale in questo processo, facilitando la crescita dei cluster di carbonio e fornendo una superficie per la nucleazione.
Anche la scelta del catalizzatore può influenzare il meccanismo di crescita e il comportamento dei CNT. Il rame (Cu) e il nichel (Ni) sono due catalizzatori comunemente utilizzati con proprietà diverse. Il Cu ha una bassa solubilità del carbonio, che porta a un meccanismo di crescita basato sulla superficie, dove il grafene si forma sulla superficie del Cu ad alte temperature. D'altra parte, il Ni ha un'elevata solubilità del carbonio, il che comporta un meccanismo di diffusione del carbonio nella lamina di Ni ad alte temperature, seguito dalla segregazione del carbonio e dalla formazione di grafene sulla superficie del metallo durante il raffreddamento.
Oltre al catalizzatore, anche altri fattori come il tempo di permanenza, la temperatura e la portata del precursore contenente carbonio possono influenzare la crescita dei CNT. Il tempo di permanenza ottimale è necessario per garantire un accumulo sufficiente di fonte di carbonio senza limitare il reintegro della fonte di carbonio o l'accumulo di sottoprodotti.
Inoltre, anche la presenza di idrogeno può influire sulla crescita dei CNT sintetizzati con metano ed etilene. Il metano e l'etilene richiedono idrogeno durante la conversione termica prima del drogaggio in nanotubi di carbonio. L'idrogeno può favorire la crescita dei CNT sintetizzati tramite metano ed etilene riducendo il catalizzatore o partecipando alla reazione termica. Tuttavia, nel caso dell'acetilene, l'idrogeno non gioca un ruolo significativo nel processo di sintesi, se non per il suo effetto riducente sul catalizzatore.
Nel complesso, il catalizzatore, le condizioni di crescita e le caratteristiche della fonte di carbonio giocano tutti un ruolo chiave nella crescita dei nanotubi di carbonio. La comprensione dell'interazione tra questi fattori è fondamentale per controllare e ottimizzare il processo di crescita.
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