Ứng dụng CARBON NANOTUBES

Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Môn học: Hóa Nano. Đề tài: Carbon Nanotubes. Giáo viên hướng dẫn: Cô Nguyễn Ngọc Hạnh. Tổng quan về Carbon Nanotubes, các phương pháp chế tạo ống nano cacbon, ứng dụng của carbon nanotube

tử truyền qua cho thấy rằng các ống này có nhiều lớp carbon, ổng này lồng vào ống kia Các ống sau này được gọi là ống nano carbon da tường (MWCNTs- multi wall carbon nanotubes).

Mặc dù có nhiều tính chất đặc biệt, nhưng không dễ dàng để phân tích ống nano carbon bằng phương pháp quang phổ, do vậy điều này đã cản trở việc nghiên cứu về chúng

Năm 1993, ổng nano carbon đơn tường (SWCNTs- single wall carbon nanotubes) đã được phát hiện, đó là các ống rỗng đường kính từ 1,5 - 2 nm, dài cỡ micrômét vỏ của ống bao gồm các nguyên tử carbon sẳp xếp theo các đỉnh sáu cạnh rất đều đặn Sự phát hiện này đã thúc đẩy sự nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới Phương pháp quang phổ Raman là phương pháp đơn gián, rẻ tiền so với kính hiển vi điện tử, được dùng rộng rãi để nghiên cứu trên CNTs trong thập kỉ trước

2.1 Graphene:

Graphene là một lớp các nguyên tử carbon được xắp xếp thành mạng lục giác hai chiều (mạng hình tổ ong) như chỉ ra trong hình 1 Graphene được phát hiện bởi Andre Geim and Kostya Novoselov vào năm 2004 Graphene là vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt như dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, có độ cứng rất lớn (gấp hàng trăm lần so với thép) và nó gần như trong suốt [3,4] Bởi vậy, vật liệu này đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực ứng dụng quan trọng như tích trữ năng lượng, pin mặt trời, transistors, xúc tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp…

Hình 1: Cấu trúc tinh thể của graphene.

Tính chất của grapheme

• Tính chất cơ : Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường Độ cứng của

graphene lớn hơn rất so với các vật liệu khác (Cứng hơn cả kim cương và gấp khoảng 200 lần so với thép) Đây là nhờ các liên kết cacbon- cacbon trong graphene cũng như sự vắng mặt của bất cứ khiếm khuyết nào trong phần căng cao độ nhất của màng graphene

Bảng 1: Các thông số cơ tính của graphene và thép

• Tính chất điện và nhiệt : Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở

nhiệt độ bình thường Graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần Hơn nữa, các electron đi qua graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt Bản thân graphene cũng

là chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh Độ dẫn nhiệt của graphene cỡ 5000 W/m.K [15] Bên cạnh đó người ta còn quan sát được hiệu ứng Hall lượng tử của graphene ngay tại nhiệt độ phòng [16]

• Một số tính chất khác : Graphene là vật liệu rất mỏng và gần như trong suốt với ánh sáng.

2.2 Graphit

Graphit là một dạng tinh thể khác của cácbon, có cấu trúc lớp, mỗi lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên kết yếu như là một dạng liên kết Van Der Waals Bên trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cácbon liên kiết phẳng với ba nguyên tử cácbon khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 1200

Trong graphite, nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các lớp mạng lục giác song song Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Å (hình 1a), giữa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34 Å như được thể hiện trên (hình 1b) Dạng thù hình phổ biến nhất là than có màu đen như lá cây, gỗ cháy còn lại Về mặt cấu trúc, than là dạng cácbon vô định hình trong đó các nguyên tử cácbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết

Kim cương là một dạng cấu trúc tinh thể khác của cácbon Đây là dạng tinh thể thể hiện rõ nét nhất trạng thái lai hóa sp3 của các nguyên tử cácbon, tồn tại ở dạng lập phương và lục giác Cấu trúc của mạng tinh thể kim cương được thể hiện trên (hình 2a) Ở dạng lập phương, mỗi nguyên tử cácbon liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác ở xung quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ sp3, các liên kết này đều là các liên kết cộng hóa trị Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là rất lớn nên kim cương rất cứng và bền Ô mạng cơ sở của kim cương tạo thành trên cơ sở lập phương tâm mặt Bốn nguyên tử cácbon bên trong chiếm tại các vị trí tọa

độ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4) Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là 1,544 Å Góc cố định giữa các liên kết cộng hóa trị trong mạng kim cương là 109,50 Cũng như graphite, kim cương có độ dẫn nhiệt cao (cỡ 2000W/m.K) và nhiệt độ nóng chảy lớn (cỡ 4500 K)

2.4 Fullerenes

Năm 1985, trong khi nghiên cứu về cácbon Kroto và đồng nghiệp đã khám phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử cácbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình thứ ba này của cácbon được gọi là Fullerenes Fullerenes là một lồng phân tử cácbon khép kín với các nguyên tử cácbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip Fullerenes được biết đến đầu tiên là C60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử cácbon nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều (hình 3a)

(a)Fullerenes c60 (b)Fullerenes c70 (c) Fullerenes c80

Hình 4: fullerenes.

Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cácbon là liên kết sp2 Ngoài ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3, do vậy các nguyên tử cácbon không có tọa độ phẳng mà có dạng mặt cầu hoặc elip Cấu trúc của phân tử C60giống như một quả bóng đá nhiều múi nên để có được một mặt cầu, mỗi ngũ giác được bao quanh bởi năm lục giác Sự có mặt của các ngũ giác cung cấp độ cong cần thiết cho

sự hình thành cấu trúc dạng lồng Năm 1990, Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng điện hồ quang giữa 2 điện cực graphite có chứa C60 và các dạng fullerenes khác như C70, C80 (hình 3b, hình 3c)

Hiện nay, fullerenes có rất nhiều ứng dụng trong thực tế Nhờ có tính chất siêu đàn hồi đặc biệt

là rất bền nên fullerenes có thể ứng dụng để chế tạo các loại áo giáp trong quân sự Ứng dụng đang nổi nên hiện nay là dùng fullerenes để làm chất mang dược phẩm dùng trong y tế Người ta đã cho những ligand bám ở ngoài quả cầu fullerene dùng để ngăn chặn virus HIV tấn công các tế bào

Những thuốc chữa bệnh có sử dụng fullerene đang bắt đầu được bán trên thị trường Việc kết hợp một số loại vật liệu với fullerenes có thể tạo ra những loại vật liệu mới với các tính chất đa dạng như tạo ra các chất siêu dẫn, chất cách điện

3 Tổng quan về ống nano cacbon:

3.1 Giới thiệu ống nano cacbon

- Ống nano carbon (CNTs) là vật liệu nano carbon dạng ống với đường kính ở kích thước nm (1-20 nm) CNTs có chiều dài từ vài nm đến μm Ống nano carbon được phát hiện vào năm 1991 bởi Lijima Với cấu trúc tinh thể đặc biệt và các tính chất cơ học quý (nhẹ, độ cứng rất lớn), tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, tính chất phát xạ điện từ mạnh… Ống nano carbon đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ

- Ống nano carbon gồm hai loại chính:

+ Ống nano carbon đơn tường (SWCNT) có cấu trúc như một tấm graphene cuộn tròn lại thành hình trụ liền (hình 2)

+ Ống nano carbon đa tường (MWCNT)có cấu trúc như nhiều tấm graphene lồng vào nhau và cuộn lại hoặc một tấm graphene cuộn lại thành nhiều lớp (hình 2)

Hình 5: Ống nano Carbon đơn tường và ống nano carbon đa tường

3.2 Lý thuyết về ống nano cacbon (CNTs)

CNTs có cấu trúc giống như các lớp mạng graphene cuộn lại thành dạng ống trụ rỗng, đồng trục Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs được phân thành các loại khác nhau

Cấu trúc của vật liệu CNTs được đặc trưng bởi véc tơ Chiral, kí hiệu là Ch Véc tơ này chỉ hướng

cuộn của các mạng graphene và độ lớn đường kính ống (hình 6a).

a1 và a2 là các véc tơ đơn vị của mạng graphene

Có nhiều cách chọn véctơ cơ sở a1, a2, một trong các cách chọn chỉ ra trong hình 5a dưới đây

=  2

1,2

3

1 a a

, =  −2

1,2

3

2 a a

(2)Với a là hằng số mạng của graphite: a = 0,246 nm

Góc của véc tơ Chiral θ:

)(

2

2cos

2

n

m n

++

+

=θ

(3) Đường kính D của ống được tính theo công thức sau:

Hình 7 Các dạng carbon nanotube

3.3 Tính chất của CNTs

• Tính chất cơ: CNTs là vật liệu có tính chất cơ rất tốt Ống nano carbon cấu tạo chỉ gồm toàn các

nguyên tử carbon ở dạng ống nên chúng rất nhẹ Bên cạnh đó liên kết giữa các nguyên tứ carbon đều là liên kết cộng hoá trị tạo nên một cấu trúc tinh thể hoàn hảo vừa nhẹ vừa bền thích hợp cho việc gia cường các vật liệu như cao su, polymer, kim loại để tăng cường độ bền, độ chống mài mòn…Suất Yuong của CNTs gấp 6, độ bền kéo gấp 375 lần so với thép nhưng lại nhẹ hơn thép rất nhiều

Bảng 2: Các thông số cơ tính của CNTs và thép

• Tính chất điện: Tính chất điện của CNTs phụ thuộc mạnh vào cấu trúc của nó Cụ thể là phụ

thuộc vào véc tơ cuộn ống (chiran) của chúng, cấc ống nano carbon có thể hoặc là chất bán dẫn hoặc là kim loại Sự khác nhau trong các tính chất dẫn điện gây bởi cấu trúc phân tử điều đó dẫn đến cấu trúc dải năng lượng khác nhau Ngoài ra độ dẫn điện cùa ống nano carbon đơn tường cũng phụ thuộc rất nhiều vào lực tác dụng lên ống Điều này sẽ mở ra một hướng mới sử dụng vật liệu CNTs làm cảm biến lực, V.V trong tương lai

Nói chung điện trở suất của ống nano carbon vào cỡ 10 4 ohm /cm ở nhiệt độ phòng( điện trở

suất của đồng là l,678‘6ohm/cm) Cường độ dòng tối đa của CNTs từ 107 – 108 A/cm2 (gấp hàng trăm lần so với cường độ dòng toi đa của kim loại đồng) Ngoài ra, sai hỏng ở ống nano có thể làm thay đổi tính dẫn điện của chúng.

Bảng 3: Phân loại một số đặc trưng dẫn của CNTs

• Tính chất nhiệt: Liên kết C-C giúp CNTs bền với nhiệt độ cao.

Nhiều nghiên cứu cho thấy ống nano carbon là vật liệu dẫn nhiệt tốt Vì khả năng dẫn nhiệt tốt này mà CNTs đã được sử dụng cho việc tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất cao

Nhiệt dung riêng của MWNTs và bó SWNTs phụ thuộc vào các tương tác giữa các ống trong

bó hay các lớp graphene trong MWNTs và đường kính của chúng

Ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt khoảng 3 x 104 W/m.K và đạt giá trị cao nhất 4 x 104 W/m.K ở khoảng 100 K So với graphite và mạng graphene, ở nhiệt độ thấp độ dẫn nhiệt của CNTs cao hơn nhiều, nhưng ở nhiệt độ cao độ dẫn nhiệt của CNTs giảm dần

Hình 8: Độ dẫn nhiệt của CNTs

• Tính chất hóa học: CNTs hoạt động hóa học mạnh hơn so với grapheme, Tuy nhiên, thực tế CNTs

vẫn tương đối trơ về mặt hóa học, ống CNTs có kích thước càng nhỏ thì hoạt động hóa học càng mạnh Để tăng hoạt tính hóa học của ống CNTs, người ta thường tạo các sai hỏng trên ống, biến tính bề mặt của ống, gắn kết với các phân tử hoạt động khác để tạo ra các vi đầu dò nhạy với hoá chất

• Tính chất phát xạ trường: CNTs có khả năng phát xạ điện từ mạnh ngay cả ở điện thế thấp

(10V)

Sự phát xạ trường là quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt của một pha rắn vào chân không, dưới tác dụng của một điện trường tĩnh (khoảng 10 v/cm) Khi áp một điện trường đủ lớn, các điện tử tại bề mặt xuyên hầm qua hàng rào thể và thoát ra ngoài

Với CNTs, do tỷ lệ chiều dài/đường kính lớn (hơn 1000 lần), cấu trúc dạng tip, độ ổn định hóa, nhiệt cao và độ dẫn nhiệt, dẫn điện cũng rất cao nên khả năng phát xạ điện tử là rất cao, ngay ở điện thế thấp

II Các phương pháp chế tạo ống nanô các bon

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau tổng hợp vật liệu CNTs Nhưng phổ biến nhất là

ba phương pháp: phương pháp phóng điện hồ quang, phương pháp sử dụng laser và phương pháp lặng đọng pha hơi hóa học

1 Cơ chế mọc ống cacbon nanotube.

Các hình thức vật lý cụ thể như MWNT, SWNT, vô định hình carbon của carbon rắn kết tủa phụ thuộc vào nhiều yếu tố; bao gồm kích thước hạt xúc tác và tỷ lệ lượng kết tụ (Moisala et al., 2003) Khi tỷ lệ lượng kết tụ lớn hơn tốc độ khuếch tán carbon CNT bắt đầu tăng trưởng

CNTs có đường kính xấp xỉ tương ứng với các hạt xúc tác

Đường kính hạt xúc tác đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định carbon nano cấu trúc tổng hợp Những hạt đường kính khoảng 1 nm chủ yếu hình thành SWNTs (Rao et al., 2001) MWCNTs được hình thành với đường kính hạt chất xúc tác trong khoảng 10 ~ 50 nm với số lượng các lớp ngày càng tăng với đường kính hạt Các hạt có đường kính lớn hơn 50 nm được gọi là nano-onion

Hình 9: cơ chế mọc của ống CNTs.

- Hạt xúc tác kim loại được tạo ra trên đế

- Khí chứa các bon (CmHn) sẽ bị phân ly thành các nguyên tử cacbon và các sản phẩm phụ khác do năng lượng nhiệt năng lượng plasma

- Các sản phẩm sau phân ly sẽ lắng đọng trên các hạt xúc tác đã được chế tạo trên đế ở đây sẽ xảy

ra qua trình tạo liên kết C – C hình thành nên CNTs

Ảnh SEM của CNTS với hạt xúc tác ở đáy ống Ảnh SEM của CNTs với hạt xúc tác ở đỉnh ống

Hình 10: ảnh SEM của CNTs với hạt xúc tác

• Liên kết giữa các hạt xúc tác với đế lớn à các nguyên tử cácbon sẽ lắng đọng ở nửa trên của hạt xúc tác à mọc từ đỉnh của hạt tạo thành CNT

• Liên kết giữa các hạt xúc tác với đế yếu à mọc từ đáy của hạt tạo thành CNTs

• Kích thước hạt xúc tác và các điều kiện chế tạo à vật liệu thu được là SWCNTs hoặc MWCNTs

• Trong phương pháp hồ quang điện, nếu không có xúc tác kim loại trong thanh graphít thì MWCNTs sẽ mọc từ môi trường plasma hơi nguyên tử cácbon

• Đường kính ống nano các bon ß Kích thước hạt xúc tác kim loại

2 Các phương pháp chế tạo ống cacbon nanotube.

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau tổng hợp vật liệu CNTs Nhưng phổ biến nhất là

ba phương pháp: phương pháp phóng điện hồ quang, phương pháp sử dụng laser và phương pháp lặng đọng pha hơi hóa học

Hình 11: Các phương pháp tổng hợp CNTs

Các phương pháp sử dụng để tổng hợp CNTs

(a) Phương pháp phóng điện hồ quang (Arc discharge)

(b) Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (Chemical vapor deposition)

(c) Phương pháp bốc hơi laser (Laser ablation)

(d) Phương pháp đốt phân hủy hydrocarbon (Hydrocarbon flames)

2.1 Phương pháp phóng điện hồ quang

Ban đầu phương pháp này được dùng để chế tạo fullerene C60, kể từ sau khi khám phá ra CNTs thì phương pháp này cũng được sử dụng rộng rãi để chế tạo CNTs

Sự phóng điện hồ quang được thực hiện giữa hai điện cực đặt đối diện và cách nhau một khoảng 1 mm trong một buồng kín có chứa khí trơ (He hoặc Ar) ở áp suất trong khoảng 50 – 700 mbar Giữa hai điện cực có dòng điện một chiều 50 – 100 A và hiệu điện thế trong khoảng 20 – 25

V, nhiệt độ trong buồng lên tới 3000 – 4000 K Khi phóng điện, khí giữa hai điện cực than bị ion hoá trở thành dẫn điện Đó là plasma, vì vậy phương pháp này còn gọi là hồ quang plasma Hiệu suất tổng hợp CNTs phụ thuộc vào độ ổn định của môi trường plasma giữa hai điện cực, mật độ dòng, áp suất khí trơ, cấu hình của điện cực, buồng chân không và một vài yếu tố khác Trong tất

cả các loại khí trơ, heli cho kết quả tạo CNTs tốt nhất vì đây là chất có khả năng ion hóa cao Trong điều kiện chế tạo MWCNTs tối ưu thì quá trình bay hơi cácbon sinh ra một lượng nhỏ muội than cácbon vô định hình và 70% cácbon bốc hơi từ anốt graphit sạch lắng đọng lên trên bề mặt của thanh graphit catốt Điều kiện tổng hợp tối ưu là sử dụng điện thế một chiều với thế 20 V-

25 V và dòng 50 A-100 A D.C và áp suất heli ở 500 Torr Phóng điện hồ quang là một phương pháp đơn giản cho CNTs chất lượng cao và cấu trúc hoàn hảo

CNTs như được thể hiện trên hình 13 Lực ly tâm gây ra bởi sự quay để tạo ra hiện tượng xoáy và gia tốc quá trình bay hơi của nguyên tử cácbon theo phương thẳng đứng với điện cực anốt Hơn nữa quá trình quay làm cho sự phóng điện vi cơ đồng đều và tạo ra plasma ổn định Bởi vậy đã làm tăng thể tích plasma và tăng nhiệt độ plasma Với tốc độ quay là 5000 vòng/phút (rpm) tại nhiệt độ

10250C, hiệu suất tạo CNTs là 60 % Hiệu suất có thể đạt tới 90 % nếu tốc độ quay tăng lớn và nhiệt độ lớn đạt tới 11500C

Trong phương pháp hồ quang điện, để tạo MWCNTs thì không cần sự có mặt của xúc tác Tuy nhiên để tạo SWCNTs thì người ta lại cần sử dụng các chất xúc tác, đặc biệt là các xúc tác kim loại Một số tác giả đã chế tạo SWCNTs bằng cách phóng điện hồ quang bằng điện cực Fe-graphit trong môi trường khí argon Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã tạo ra một hố nhỏ trên thanh graphit anốt, hố này được lấp đầy bởi một hỗn hợp bột kim loại và bột graphit còn catốt là thanh graphit sạch Các chất xúc tác thường được sử dụng để chế tạo SWCNTs bao gồm một số kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và một số kim loại đất hiếm như Y Trái lại hỗn hợp của những chất xúc tác này như Fe/Ni hay Co/Ni lại thường được sử dụng để chế tạo ra bó SWCNTs

Hình 13 Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quay

Tóm lại phương pháp phóng điện hồ quang, với hai điện cực là graphit hoặc than, tinh khiết

có thể thêm các chất xúc tác, các nguyên tử cácbon từ anốt chạy đến catốt tạo ra các ống nanô cácbon và muội fullerenes cùng nhiều sản phẩm phụ khác Đây là phương pháp đơn giản, phổ biến trong chế tạo CNTs và fulerenes sản phẩm tạo ra có cấu trúc hoàn hảo, nhưng không thể điều khiển được đường kính cũng như chiều dài của CNTs

2.2 Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)

Lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) là một trong những phương pháp lắng đọng màng phổ biến nhất CVD có rất nhiều điểm khác so với phương pháp phóng điện hồ quang và phương pháp bốc bay bằng laser Phóng điện hồ quang và bốc bay bằng laser là hai phương pháp thuộc nhóm nhiệt

độ cao (>3000K), thời gian phản ứng ngắn (µs-ms), còn phương pháp CVD lại có nhiệt độ trung bình (700-1473K) và thời gian phản ứng dài tính bằng phút cho đến hàng giờ Mặt hạn chế chính của hai phương pháp phóng điện hồ quang và bốc bay bằng laser chính là CNTs được tạo ra không đồng đều, sắp xếp hỗn độn, độc lập, không theo một quy tắc cho trước hoặc định hướng trên bề mặt Hiện nay có nhiều phương pháp CVD sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau để tổng hợp

CNTs ví dụ như: phương pháp CVD nhiệt, phương pháp CVD tăng cường plasma, phương pháp CVD xúc tác alcohol, phương pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v….

Hệ CVD nhiệt có cấu tạo gồm một ống thạch anh được bao quanh bởi một lò nhiệt (hình 1.11) Bản chất và hiệu suất tổng hợp của tiền chất trong các phản ứng bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như bản chất tự nhiên của xúc tác kim loại và tác dụng của các chất xúc tác này, nguồn hydrocácbon, tốc độ khí, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng v.v… Hầu hết phương pháp CVD nhiệt thường được dùng để chế tạo MWCNTs với nguồn hydrocácbon thường dùng là acetylene (C2H2) hoặc (C2H4) và các hạt nanô Fe, Ni, Co như là các chất xúc tác Nhiệt độ mọc CNTs thông thường nằm trong dải nhiệt độ 500-9000C Ở dải nhiệt độ này các nguyên tử cácbon bị phân tán trên các hạt nanô kim loại và cuối cùng trở thành trung hòa Các nguyên tử cácbon này sau đó lắng đọng lại trở thành dạng CNTs, đường kính của CNTs phụ thuộc vào kích thước của các hạt xúc tác kim loại Với hạt kim loại xúc tác có kích thước là 13 nm thì đường kính của ống CNTs vào khoảng 30 - 40 nm Khi kích thước của hạt xúc tác là 27 nm thì đường kính của ống CNTs dao động từ 100 - 200 nm

Hình 14 Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt

Để tăng hiệu suất mọc CNTs, ngoài việc sử dụng thích hợp các điều kiện như: nhiệt độ, tỷ lệ liều lượng khí cũng như giữa chất xúc tác kim loại, còn sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn như CaCO3, MgCO3, v.v…Có thể tạo lượng lớn ống nanô cácbon bằng cách cho acetylene ngưng đọng trên zêolit có xúc tác là Co và Fe Vì zêolit là chất có nhiều lỗ trống cực nhỏ, các phân

tử dễ dàng lọt vào các lỗ trống đó nên khi cho acetylene ngưng tụ trên Co/Zêolit, ta có được ống nanô cácbon nhiều vách nhưng đồng thời cũng có fullerenes và ống nanô cácbon đơn vách

Phương pháp CVD có khả năng tạo ra sản phẩm lớn và dễ chế tạo với điều kiện nước ta Các bước thực hiện:

Ban đầu ta chuẩn bị lò đốt, gắn đế đã phủ màng xúc tác (màng ở đây là màng kim loai có thể là màng Fe , Ni, Co) được phủ lên đế bằng phương pháp phún xạ, bốc bay nhiệt, laser xung

Sau khi gắn xong ta đốt lò: cho nhiệt độ của lò tới nhiệt độ khoảng từ 700K đến 900K và để chờ trong khoảng thời gian từ 3h đến 4h nhằm để cho màng kim loại phân hủy tạo thành các hạt xúc tác kim loại, mục đích để cacbon mọc tạo thành ống nano cacbon