Τα αέρια υδρογονάνθρακα (ιδιαίτερα το μεθάνιο CH4 και το αιθυλένιο C2H2) προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα ως πρόδρομες ουσίες για νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) στις μεθόδους χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD), κυρίως στις ακόλουθες πτυχές:
1. Υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα και απόδοση πυρόλυσης
- Υψηλή αναλογία άνθρακα-προς-υδρογόνου: Αέρια όπως το μεθάνιο (CH4) έχουν υψηλή αναλογία ατόμων άνθρακα-προς{{4}υδρογόνου, απελευθερώνοντας αποτελεσματικά άτομα άνθρακα κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης, με αποτέλεσμα υψηλή απόδοση άνθρακα.
- Μέτρια θερμοκρασία πυρόλυσης: Στη διαδικασία CVD (700-1000 μοίρες ), τα αέρια υδρογονάνθρακα μπορούν να σπάσουν στην επιφάνεια του καταλύτη, δημιουργώντας απευθείας άτομα άνθρακα για ανάπτυξη CNT με λίγα υποπροϊόντα (κυρίως υδρογόνο).
2. Ισχυρή δυνατότητα ελέγχου διαδικασίας
- Εύκολος έλεγχος του ρυθμού ροής και της συγκέντρωσης αερίου: Προσαρμόζοντας την αναλογία αερίου υδρογονάνθρακα προς φέρον αέριο (π.χ. H2, Ar), ο ρυθμός παροχής άνθρακα μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια, επηρεάζοντας έτσι τη διάμετρο, τον αριθμό των τοιχωμάτων και τον ρυθμό ανάπτυξης των CNT.
- Ευρύ παράθυρο ανάπτυξης: Διαφορετικά αέρια υδρογονάνθρακες (π.χ. το μεθάνιο είναι σταθερό, το αιθυλένιο είναι εξαιρετικά δραστικό) είναι κατάλληλα για την ανάπτυξη διαφόρων τύπων CNT (μονό-τοίχωμα/πολλαπλών{4}}τοιχωμάτων).
3. Συνεργική επίδραση καταλύτη
- Μείωση και ενεργοποίηση καταλυτών: Τα άτομα υδρογόνου που παράγονται από τη διάσπαση αερίων υδρογονανθράκων διατηρούν τη μειωμένη κατάσταση των καταλυτών μετάλλων μετάπτωσης (π.χ. Fe, Co, Ni), αποτρέποντας την οξείδωση και την απενεργοποίησή τους.
- Μέτρια διαλυτότητα άνθρακα: Ο υπερκορεσμός του άνθρακα στα σωματίδια του καταλύτη προάγει τον τρόπο ανάπτυξης κορυφής ή βάσης των CNTs.
4. Καθαρότητα και ποιότητα προϊόντος
- Λίγα υποπροϊόντα: Η πυρόλυση παράγει κυρίως άνθρακα και αέριο υδρογόνο, ελαχιστοποιώντας την παραγωγή ακαθαρσιών όπως ο άμορφος άνθρακας (αν η αναλογία ελέγχεται σωστά).
- Λιγότερα δομικά ελαττώματα: Σε σύγκριση με τις πηγές άνθρακα-που περιέχουν οξυγόνο (όπως η αιθανόλη), τα αέρια υδρογονανθράκων μειώνουν τα ελαττώματα που προκαλούνται από ακαθαρσίες οξυγόνου, ευνοώντας την ανάπτυξη CNT υψηλής κρυσταλλικότητας.
5. Οικονομικές πτυχές και πτυχές ασφάλειας
- Χαμηλότερο κόστος: Το μεθάνιο και το ακετυλένιο είναι πετροχημικά υποπροϊόντα, ευρέως διαθέσιμα και σχετικά φθηνά.
- Ελεγχόμενη ασφάλεια: Ο ρυθμός ροής και η πίεση αερίου παρακολουθούνται εύκολα στη διαδικασία CVD και οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου είναι σχετικά χαμηλές (εάν το μεθάνιο πυρολύεται πλήρως, το κύριο υποπροϊόν είναι το υδρογόνο).
6. Προσαρμοστικότητα εφαρμογής
- Κατάλληλο για βιομηχανική μαζική παραγωγή: Οι υψηλής ρευστότητας αέριες πρώτες ύλες είναι εύκολο να τροφοδοτούνται συνεχώς, καθιστώντας τις κατάλληλες για εξοπλισμό παραγωγής μεγάλης-κλίμακας, όπως CVD ρευστοποιημένης κλίνης.
- Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με άλλα αέρια: Για παράδειγμα, η προσθήκη μικρής ποσότητας υδρογόνου μπορεί να καταστείλει τον σχηματισμό άμορφου άνθρακα και η προσθήκη μικρής ποσότητας υδρατμού μπορεί να καθαρίσει την επιφάνεια του καταλύτη («οξυγόνο-υποβοηθούμενο» CVD).
