Cho đến thời điểm này, cơ chế mọc (growth) ống than nano với chất xúc tác kim loại vẫn chưa rõ ràng, hầu hết vẫn cịn là giả thuyết. Hiện nay, cơ chế mọc ống than nano vẫn đang là một vấn đề đối với việc điều khiển quá trình tổng hợp ống than nano.
Nhiều mơ hình mọc ống than nano được đưa ra dựa trên nền tảng sự nhiệt phân của các hydrocarbon trên bề mặt kim loại. Phương pháp lắng đọng hơi hĩa học yêu cầu cĩ sự tham gia của lớp chất xúc tác kim loại, nhưng trong phĩng điện hồ quang và phân ly bằng laser thì cĩ thể khơng, vì ống than nano được hình thành trực tiếp ngay trong pha khí plasma carbon.
Mơ hình mọc ống than nano từ các hạt xúc tác kim loại (Fe, Co, Ni,…) như sau :
Tương tác đế-xúc tác mạnh Fe CxHy CxHy CxHy CxHy Tương tác đế-xúc tác yếu Fe CxHy CxHy CxHy CxHy CxHy
Cơ chế mọc từ dưới lên (Base-growth)
Cơ chế mọc từ trên xuống (Tip-growth)
Hình 1.11 : Mơ hình mọc ống than nano với xúc tác là hạt kim loại
Tùy thuộc lực tương tác giữa hạt xúc tác kim loại và đế xúc tác mà quá trình tổng hợp ống than nano cĩ thể từ phía dưới hình thành dần lên trên (base-growth) hoặc hình thành từđỉnh xuống (tip-growth); hoặc cả về hai phía của hạt xúc tác.
14
Cơ chế mọc của ống than nano cĩ thểđược diễn tả theo bốn bước như sau: Bề mặt
Hạt rắn
Đế Đế
Đế Đế
Hình 1.12 : Sơđồ mơ hình cơ chế mọc ống than nano với hạt xúc tác kim loại [9]
¾ Bước đầu tiên, khí hydrocarbon phân ly trên bề mặt kim loại thành carbon và hydro,
¾ Bước thứ hai, bao gồm sự khuếch tán các nguyên tử carbon vào bề mặt kim loại và lắng đọng dần bao quanh bề mặt hạt kim loại,
¾ Bước thứ ba, sau khi bao tồn bộ bề mặt hạt kim loại, trên đỉnh hạt xúc tác hình thành mầm nhú của ống than nano,
¾ Cuối cùng, ống than nano mọc dần lên trên nền hạt kim loại xúc tác.
Quá trình mọc ống than nano diễn ra rất nhanh. Hầu hết quá trình mọc diễn ra ngay trong thời điểm đầu tiên. Tốc độ mọc lên tới 60 µm/phút.
Tùy thuộc vào kích thước hạt nano kim loại, mà hình dạng và đường kính ống than nano được tổng hợp trên nền xúc tác. Ngồi ra, chất lượng và hình dạng của ống than nano cũng phụ thuộc vào nhiệt độ tổng hợp. Thơng thường, nhiệt độ tổng hợp từ 550 – 750oC cho ống nano đa vách và từ 850 – 1.000oC cho ống nano đơn vách.
Chiều dài ống than phụ thuộc vào nguồn carbon (khí hydrocarbon) cung cấp cho quá trình tổng hợp. Và khơng phải hạt xúc tác kim loại nào cũng tham gia vào sự hình thành ống than nano.