El catalizador para el crecimiento de nanotubos de carbono (CNT) son principalmente metales de transición como el hierro (Fe), el cobalto (Co) y el níquel (Ni). Estos metales tienen una solubilidad finita del carbono a altas temperaturas, lo que los hace adecuados para la formación de CNT.
El crecimiento de los CNT puede lograrse mediante diversos métodos, como la deposición química en fase vapor (CVD) y la deposición química en fase vapor potenciada por plasma (PECVD). En la CVD, un catalizador de metal de transición se expone a hidrocarburos gaseosos a altas temperaturas. Las especies de carbono se difunden por la superficie del catalizador y reaccionan entre sí para formar pequeños grupos de carbono. Una vez que estos grupos superan un tamaño crítico, se forman cristales de grafeno y la deposición continúa hasta formar una sola capa continua de grafeno. El catalizador desempeña un papel crucial en este proceso, ya que facilita el crecimiento de los clústeres de carbono y proporciona una superficie para la nucleación.
La elección del catalizador también puede afectar al mecanismo de crecimiento y al comportamiento de los CNT. El cobre (Cu) y el níquel (Ni) son dos catalizadores de uso común con propiedades diferentes. El Cu tiene una baja solubilidad en carbono, lo que conduce a un mecanismo de crecimiento basado en la superficie, en el que el grafeno se forma en la superficie del Cu a altas temperaturas. Por otro lado, el Ni tiene una alta solubilidad de carbono, lo que da lugar a un mecanismo que implica la difusión de carbono en la lámina de Ni a altas temperaturas, seguido de la segregación de carbono y la formación de grafeno en la superficie del metal durante el enfriamiento.
Además del catalizador, otros factores como el tiempo de residencia, la temperatura y el caudal del precursor que contiene carbono también pueden influir en el crecimiento de los CNT. Es necesario un tiempo de residencia óptimo para garantizar una acumulación suficiente de la fuente de carbono sin limitar su reposición ni la acumulación de subproductos.
Además, la presencia de hidrógeno también puede influir en el crecimiento de los CNT sintetizados mediante metano y etileno. El metano y el etileno requieren hidrógeno durante la conversión térmica previa al dopaje en nanotubos de carbono. El hidrógeno puede favorecer el crecimiento de los CNT sintetizados mediante metano y etileno reduciendo el catalizador o participando en la reacción térmica. Sin embargo, en el caso del acetileno, el hidrógeno no desempeña un papel significativo en el proceso de síntesis, salvo por su efecto reductor sobre el catalizador.
En general, el catalizador, las condiciones de crecimiento y las características de la fuente de carbono desempeñan un papel clave en el crecimiento de los nanotubos de carbono. Comprender la interacción entre estos factores es crucial para controlar y optimizar el proceso de crecimiento.
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