در جلسه ی قبلی در مورد پیش ماده ها و تکنیک های سنتز نانو لوله ها صحبت کردیم . در این جلسه در مورد کاتالیزورهای مورد استفاده و بسترهای مورد نیاز برای سنتز نانو لوله ها صحبت خواهیم کرد .

کاتالیزورهای CNT    :

برای سنتز نانو لوله های کربنی به طور معمول  نانو ذرات فلزی برای تجزیه هیدروکربن در دمایی پایین تر از دمای تجزیه ی خود به خود هیدروکربن نیاز هست . فلزات معمول مورد استفاده آهن ، نیکل و کبالت است . دو دلیل عمده برای استفاده از این فلزات وجود دارد : 1) حلالیت بالای کربن در این فلزات  در دمای بالا   2 ) سرعت انتشار بالای کربن در این فلزات . علاوه بر این ، نقطه ی ذوب بالا و فشار بخار تعادل پایین این فلزات  پنجره ی وسیعی از دمای CVD   برای طیف وسیعی از پیش مواد کربن پیشنهاد میکند . ملاحظات اخیر این است که آهن ، کبالت و نیکل دارای چسبندگی قوی با نانو لوله های در حال رشد است و بنابراین  برای تولید نانو لوله ی تک دیوراه بسیار مفیداند .ارگانو متالوسن های آلی( متالوسن ترکیبی است که معمولا از دو آنیون سیکلو پنتا دی انیل  تشکیل شده است که به یک مرکز فلزی با حالت اکسیداسیون II   پیوند شده است . این مواد فرمول کلی (C5H5)2M   را ارند .  متالوسن ها  و مشتقات آن خاصیت کاتالیزوری از خود نشان میدهند  با این حال متالوسن به ندرت در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد . متالوسن ها زیر مجموعه ای از کلاس بزرگ ترکیبات آلی فلزی هستند که به آنها ترکیبات ساندویچی نیز میگویند .  دو پنج ضلعی ،  آنیون سیکلو پنتا دی آنیل هستند با یک حلقه در مرکز که نشان دهنده ی پایداری آروماتیکی آنهاست . اولین متالوسنی که شناسایی و طبقه بندی گردید فروسن بود . )مانند فروسن ، کبالتوسن و نیکلوسن به طور گسترده ای به عنوان کاتالیزور برای تولید نانو لوله های کربنی مورد استفاده قرار میگیرد . این مواد نانو ذراتی فلزی را که تجزیه هیدرو کربن را  کاتالیز میکند در جا آزاد می سازند . اندازه ی کاتالیزور ، قطر لوله را مشخص میکند . از این رو نانو ذرات فلزی با اندازه ی کنترل شده ، با سایر روشهای قابل اعتماد از پیش سنتز می شوند . فیلم های نازک کاتالیزور که بر روی بسترهای مختلفی پوشش داده شده اند نیز در تولید نانو لوله های یکنواخت موثر است . کلید اساسی برای تولید نانو لوله های خالص ، دستیابی به تجزیه ی هیدروکربن بر روی سطح کاتالیزور و جلوگیری از پیرولیز هوایی است . اخیرا رشد نانو لوله های کربنی با بازده بالا  بر روی ورقه های استیل ضد زنگ  در دمای 730 درجه سانتیگراد و بدون استفاده از کاتالیزورهای اضافی مشاهده شده است .   این مطالعه ثابت میکند که در کل نیازی نیست که کاتالیزرو از نانو ذرات باشد . حتی یک فلز توده ای نیز می تواند فرآیند رشد نانو لوله ها را تسریع کند . علاوه بر این آلیاژها خاصیت کاتالیزوری بیشتری نسبت به فلزات خالص دارند . با ترکیب فلزات مختلف در نسبتها ی مختلف و با دقت بر کنترل شرایط پخت کاتالیزور  می توان به فازهای کریستالوگرافی جدیدی دست یافت که می تواند فعالیت کاتالیزوری بالاتری در رشد نانو لوله ها داشته باشد .

پشتیبان کاتالیزور :

کاتالیزورهای یکسان ممکن است در شرایط مختلف و بر روی بسترهای  مختلف متفاوت عمل کنند . بسترهای معمول  مورد استفاده در CVD  کوارتز ، سیلیکون ، سیلیکون کاربید ، سیلیکا ، آلومینا ، آلومینا-سیلیکات ، منیزیوم اکسید است. برای رشد کارآمد نانو لوله ها ، تعامل بستر و کاتالیزور باید با بیشترین توجه بررسی شود . واکنش بستر -فلز  رفتار کاتالیزوری فلز را متوقف میکند . مواد بستر ، شکل سطحی آن و خواص بافت  تا حد زیادی بر روی عملکرد و کیفیت نانو لوله های تولید شده تاثیر می گذارد . بسترهای زئولیتی با کاتالیزورهای قرار گرفته در نانو حفره های آن، بازده قابل توجهی در رشد نانو لوله ها با قطر باریک دارد . مواد آلومینا پشتیبان کاتالیزور بهتری نسبت به سیلیکا هستند زیرا تعامل پشتیبان و فلز در آلومینا قوی تر از سیلیکا است که این موضوع  باعث انتشار بالای فلز می شود .  چنین تعاملاتی از انباشته شدن فلز و تشکیل کلاسترهای ناخواسته ی بزرگ  جلوگیری  میکند .   تشکیل کلاسترهای برزگ و انباشته شدن فلز باعث ایجاد نانو لوله های معیوب میگردد .

 

شکل 1: رشد نانو لوله ها بر روی بستر Al2O3

 

 

کاتالیزورهای جدید برای سنتز نانو لوله های کربنی :

 

تحولات اخیر در سنتز  و شناسایی نانو مواد  کاتالیزورهای بسیاری را برای رشد نانو لوله های کربنی ایجاد کرده است . به غیر از فلزات واسطه ای که به صورت گسترده به عنوان کاتالیزور مورد استفاده قرار میگیرند ، طیف  وسیعی از فلزات دیگر مانند مس ، پالادیوم ، پلاتینیوم ، منیزیم ، کروم ، قلع ، نقره ، منگنز و آلومینیوم  نیز به طور موفقیت آمیزی  برای ایجاد نانو لوله های کربنی تک دیوراه مورد استفاده قرار گرفته است . بر خلاف فلزات واسطه ، فلزات نجیب مانند طلا، نقره ، پلاتین ،پالادیوم حلالیت بسیار کمتری برای کربن دارند اما  وقتی اندازه ی انها بسیار کم باشد ( کمتر از 5 نانو متر ) می توانند کربن را برای رشد نانو لوله ها در خود حل کنند . اخیرا رشد کنترل شده ی نانو لوله ی تک دیوراه بر روی نانو ذرات طلا که بر سیلسیم رسوب داده شده بود گزارش شده است . مشخص شد که کاتالیزور فعال، آلیاژ طلا و سیلسیم است که تقریبا 80 درصد این آلیاژ طلا می باشد . اگرچه مس یک فلز واسطه است اما اثر کاتالیزوری ناچیزی در رشد نانو لوله ها  در گذشته از خود نشان می داد . در واقع مس به عنوان آلاینده ی جانبی در نظر گرفته می شد توسعه های اخیر نشان می دهد که مس می تواند رشد نانو لوله ها را به صورت موثری کاتالیز کند . تجزیه ی متان و اتانول در دمای 825 تا 925 درجه سانتیگراد بر روی نانو ذرات مس که توسط ویفرهای سیلیکون پشتیبانی می شود ، مقدار زیادی از نانو لوله های کربنی تک دیواره  تولید میکند . نانو ذرات مس توسط احیای CuCl2   در حضور نانو ذرات Cu2O   سنتز می شدند . رنیوم (Re  ) یک کاتالیست نادر است که  برای رشد نانو لوله ها مورد استفاده قرار میگیرد . نانو لوله های کربنی تک دیوراه و چند دیواره ی دیامغناطیسی از تجزیه ی متان بر روی کاتالیزورهای رنیوم ایجاد می شوند. سناریوی فعلی این است که هر فلز حاوی کربن  می تواند در تولید نانو لوله ها به کار رود و هر فلزی می تواند رشد نانو لوله ها را کاتالیز کند . بنابراین دامنه های گسترده ای برای کاوش فلزات جدید در رشد نانو لوله ها وجود دارد .