Đây là phương pháp có triển vọng nhất để sản xuất CNT và CNF nhờ chi phí sản xuất thấp và hiệu suất cao. Hơn nữa, phương pháp này tương đối đơn giản khi chuyển từ phòng thí nghiệm sang áp dụng thực tế. Việc làm sạch cacbon nano thu được cũng dễ dàng và đơn giản bằng cách loại bỏ xúc tác và chất mang [81]. Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên việc phân huỷ hỗn hợp khí chứa cacbon dưới dạng hydrocacbon hay monoxit cacbon và hydro trên các hạt xúc tác kim loại chuyển tiếp trong khoảng nhiệt độ từ 600 - 1000°C. Cấu trúc và hiệu suất của các cấu trúc cacbon phụ thuộc vào nhiều thông số của quá trình tổng hợp như: bản chất của kim loại xúc tác, kích thước của hạt kim loại xúc tác, nhiệt độ, thời gian tổng hợp cũng như lưu lượng và thành phần của khí. Phương pháp này được áp dụng trong việc tổng hợp chọn lọc CNT đơn lớp hay đa lớp [17, 53], cũng như tổng hợp CNF [55]. CNF gần đây đã được tổng hợp với độ chọn lọc và hiệu suất cao sử dụng xúc tác Ni trên chất mang cacbon [76]. Những tương tác có thể có giữa các hạt Ni và chất mang cacbon dường như là nguyên nhân mang lại độ chọn lọc và hiệu suất cao của phương pháp này. CNF được tổng hợp theo phương pháp này có đường kính trung bình khoảng 30nm và gần như không chứa cacbon vô định hình.
Hệ thống thiết bị cho quá trình tổng hợp CNT theo phương pháp phân huỷ xúc tác các khí chứa cacbon tương đối dễ thực hiện, bao gồm: một thiết bị phản ứng hình ống bằng quartz, một lò nung đa vùng và các phụ kiện như đồng hồ đo lưu lượng, van điều chỉnh,..
Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tổng hợp cacbon nano bằng phương pháp CVD
Cấu trúc của các vật liệu cacbon nano thu được từ sơ đồ này có thể minh họa trong hình 1-10.
Hình 1-10 Cấu trúc của vật liệu cacbon nano thu được theo CVD
Ngày nay, phương pháp CVD được sử dụng rộng rãi do tính linh hoạt của nó. Mặt khác, chi phí đầu tư và vận hành thấp, kiểm soát được quá trình hình thành CNT cũng như khả năng mở rộng qui mô công nghiệp [56, 74, 99].