Вуглеводневі гази (особливо метан CH₄ та етилен C₂H₂) пропонують значні переваги як прекурсори для вуглецевих нанотрубок (CNT) у методах хімічного осадження з парової фази (CVD), головним чином у таких аспектах:
1. Високий вміст вуглецю та ефективність крекінгу
- Високе співвідношення вуглецю-до-водню: такі гази, як метан (CH₄), мають високе атомне співвідношення вуглецю-до-водню, ефективно вивільняючи атоми вуглецю під час піролізу, що призводить до високого виходу вуглецю.
- Помірна температура крекінгу: у процесі CVD (700-1000 градусів) вуглеводневі гази можуть бути крекінговані на поверхні каталізатора, безпосередньо генеруючи атоми вуглецю для росту ВНТ з невеликою кількістю побічних продуктів (переважно водню).
2. Сильна контрольованість процесу
- Просте керування швидкістю потоку та концентрацією газу: регулюючи співвідношення вуглеводневого газу та газу-носія (наприклад, H₂, Ar), можна точно контролювати швидкість подачі вуглецю, що впливає на діаметр, кількість стінок і швидкість росту ВНТ.
- Широке вікно росту: різні вуглеводневі гази (наприклад, метан стабільний, етилен дуже реакційноздатний) підходять для росту різних типів ВНТ (одно-/багато-стінні).
3. Синергічний ефект каталізатора
- Відновлення та активація каталізаторів: атоми водню, отримані в результаті крекінгу вуглеводневих газів, підтримують відновлений стан каталізаторів із перехідними металами (наприклад, Fe, Co, Ni), запобігаючи їх окисленню та дезактивації.
- Помірна розчинність вуглецю: перенасичення вуглецем у частинках каталізатора сприяє зростанню вуглецевих нанотрубок на вершині чи основі.
4. Чистота та якість продукції
- Невелика кількість побічних продуктів: при крекінгу в основному утворюються вуглець і водень, мінімізуючи утворення домішок, наприклад аморфного вуглецю (якщо співвідношення правильно контролюється).
- Менше структурних дефектів: порівняно з киснево{1}}вмісними джерелами вуглецю (такими як етанол), вуглеводневі гази зменшують дефекти, викликані домішками кисню, сприяючи зростанню висококристалічних ВНТ.
5. Економічні аспекти та аспекти безпеки
- Нижча вартість: метан і ацетилен є нафтохімічними побічними продуктами, широко доступними та відносно недорогими.
- Контрольована безпека: швидкість потоку та тиск газу легко контролюються в процесі CVD, а викиди парникових газів є відносно низькими (якщо метан повністю крекується, основним побічним продуктом є водень).
6. Адаптивність програми
- Підходить для масового промислового виробництва: високотекучу газоподібну сировину легко подавати безперервно, що робить її придатною для велико-виробничого обладнання, такого як CVD із псевдозрідженим шаром.
- Можна використовувати в поєднанні з іншими газами: наприклад, додавання невеликої кількості водню може придушити утворення аморфного вуглецю, а додавання невеликої кількості водяної пари може очистити поверхню каталізатора ("-кисневий" CVD).
