MWCNT gồm nhiều lớp than chì (graphit). Có hai mô hình được sử dụng để mô tả MWCNT. Trong mô hình thứ nhất có tên gọi Russian doll, MWCNT gồm nhiều ống SWCNT lồng vào nhau. Trong mô hình thứ hai Parchment, MWCNT được mô tả như một tấm graphit cuộn lại. Khoảng cách giữa các lớp trong MWCNT tương đương khoảng cách các lớp graphit trong cấu trúc than chì, xấp xỉ 3.4 Ao
. MWCNT thường có kích thước mao quản trung bình, với đường kính trong trung bình từ 5÷60nm, đường kính ngoài 20÷100nm [62], trong khi đó vật liệu vi mao quản không tìm thấy ở CNT mà chủ yếu có ở vật liệu than hoạt tính [18, 20, 39, 84, 91].
MWCNT có đường kính lớn hơn SWCNT và có độ trơ với hóa chất cao hơn. Năm 2009, nhóm nghiên cứu của giáo sư James Tour ở Đại học Rice dùng KMnO4 trong H2SO4đđ để mở ống MWCNT, công trình được đăng trên tạp chí Nature. MWCNT hai lớp được gọi là DWCNT, được tổng hợp trên quy mô nhỏ vào năm 2003 bằng phương pháp CVD.
Cấu trúc của CNT có thể được xác định nhờ những hình ảnh thu được từ hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Trên hình 1-5 là hình ảnh của cấu trúc MWCNT thu được từ ảnh TEM và phần mềm mô phỏng [65].
Hình 1-5 Ảnh TEM thu được từ hiển vi điện tử truyền qua của cấu trúc MWCNT
Sự phát hiện ra CNT đã khởi động lại các nghiên cứu về cacbon nano sợi, một cấu trúc tương tự của CNT. Đây là một sản phẩm phụ được sinh ra
trong nhiều phản ứng hoá học. CNF (carbon nano fibres) được tạo thành từ những tấm graphen hình nón được xếp chồng lên nhau.
Rodriguez và các cộng sự đã chứng minh rằng cấu trúc và tính chất của CNF có thể được điều chỉnh khi thay đổi các điều kiện của quá trình tổng hợp, ví dụ như: Fe xúc tác cho quá trình tạo thành MWCNT, trong khi đó Ni được sử dụng để tổng hợp CNF [43, 58, 77]. Đây là cơ sở để nghiên cứu lựa chọn xúc tác cho quá trình tổng hợp sau này.
Tính chất đặc biệt của CNT và CNF có được là do cấu trúc nano của nó và do lai hoá sp2 của các liên kết cacbon. Cấu trúc này thể hiện độ bền cơ học cao và các tính chất điện tử khác nhau tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của cấu trúc. Nó cũng được biết đến ở các tính chất đặc biệt khác như trơ về mặt hoá học, bền ở nhiệt độ cao, tỷ trọng nhỏ và bề mặt riêng lớn.