カーボンナノチューブ（CNT）の成長触媒は、主に鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）などの遷移金属である。
これらの金属は高温での炭素の溶解度が有限であるため、CNTの形成に適している。
カーボンナノチューブ成長の触媒とは？5つの主要因を解説
1.遷移金属触媒
CNTの成長は、化学気相成長法（CVD）やプラズマエンハンスト化学気相成長法（PECVD）など、さまざまな方法で実現できる。
CVDでは、遷移金属触媒を高温のガス状炭化水素にさらす。
炭素種は触媒表面で拡散し、互いに反応して小さな炭素クラスターを形成する。
このクラスターが臨界サイズを超えると、グラフェンの結晶が核となり、析出が続いて連続的な単層グラフェンが形成される。
触媒は、炭素クラスターの成長を促進し、核形成のための表面を提供することで、このプロセスにおいて重要な役割を果たしている。
2.触媒の選択
触媒の選択も、CNTの成長メカニズムや挙動に影響を与える。
銅(Cu)とニッケル(Ni)は、異なる特性を持つ2つの一般的に使用される触媒である。
Cuは炭素の溶解度が低く、高温でCu表面にグラフェンが形成される表面ベースの成長メカニズムにつながる。
一方、Niは炭素溶解度が高いため、高温で炭素がバルクのNi箔に拡散し、冷却中に炭素が偏析して金属表面にグラフェンが形成されるというメカニズムになる。
3.成長条件
触媒のほかに、炭素含有前駆体の滞留時間、温度、流量などの要因もCNTの成長に影響を与える。
炭素源の補充や副生成物の蓄積を制限することなく、十分な炭素源の蓄積を確保するには、最適な滞留時間が必要である。
4.水素の役割
さらに、水素の存在も、メタンやエチレンを通して合成されたCNTの成長に影響を与える可能性がある。
メタンとエチレンは、カーボンナノチューブにドープする前の熱変換の際に水素を必要とする。
水素は、触媒を還元したり熱反応に参加したりすることで、メタンやエチレンを介して合成されたCNTの成長を促進する可能性がある。
しかし、アセチレンの場合、水素は触媒の還元作用を除けば、合成プロセスにおいて重要な役割を果たすことはない。
5.要因の相互作用
全体として、触媒、成長条件、炭素源の特性はすべて、カーボンナノチューブの成長に重要な役割を果たす。
これらの要因の相互作用を理解することは、成長プロセスを制御し最適化する上で極めて重要である。
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