ก๊าซไฮโดรคาร์บอน (โดยเฉพาะมีเทน CH₄ และเอทิลีน C₂H₂) มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในฐานะสารตั้งต้นสำหรับท่อนาโนคาร์บอน (CNT) ในวิธีการสะสมไอสารเคมี (CVD) โดยส่วนใหญ่มีลักษณะดังต่อไปนี้:
1. ปริมาณคาร์บอนสูงและประสิทธิภาพการแคร็ก
- อัตราส่วนคาร์บอนสูง-ต่อ-อัตราส่วนไฮโดรเจน: ก๊าซ เช่น มีเทน (CH₄) มีอัตราส่วนอะตอมของคาร์บอน-ต่อ- ไฮโดรเจนสูง ซึ่งปล่อยอะตอมของคาร์บอนออกมาอย่างมีประสิทธิภาพในระหว่างการไพโรไลซิส ส่งผลให้ผลผลิตคาร์บอนสูง
- อุณหภูมิการแตกร้าวปานกลาง: ในกระบวนการ CVD (700-1,000 องศา ) ก๊าซไฮโดรคาร์บอนสามารถแตกร้าวบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้เกิดอะตอมของคาร์บอนโดยตรงสำหรับการเจริญเติบโตของ CNT โดยมีผลพลอยได้เพียงเล็กน้อย (ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน)
2. การควบคุมกระบวนการที่แข็งแกร่ง
- ควบคุมอัตราการไหลของก๊าซและความเข้มข้นได้ง่าย: โดยการปรับอัตราส่วนของก๊าซไฮโดรคาร์บอนต่อก๊าซตัวพา (เช่น H₂, Ar) สามารถควบคุมอัตราการจ่ายคาร์บอนได้อย่างแม่นยำ ซึ่งส่งผลต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง จำนวนผนัง และอัตราการเติบโตของ CNT
- กรอบเวลาการเติบโตที่กว้าง: ก๊าซไฮโดรคาร์บอนต่างๆ (เช่น มีเทนมีความเสถียร เอทิลีนมีปฏิกิริยาสูง) เหมาะสำหรับการเจริญเติบโตของ CNT ประเภทต่างๆ (ผนังเดี่ยว-ผนังเดียว/หลาย-)
3. ผลการทำงานร่วมกันของตัวเร่งปฏิกิริยา
- การลดและการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยา: อะตอมไฮโดรเจนที่ผลิตจากการแตกร้าวของก๊าซไฮโดรคาร์บอนจะคงสถานะที่ลดลงของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทรานซิชัน (เช่น Fe, Co, Ni) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการปิดใช้งาน
- ความสามารถในการละลายคาร์บอนปานกลาง: ความอิ่มตัวของคาร์บอนมากเกินไปในอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาส่งเสริมโหมดการเติบโตของส่วนปลายหรือฐานของ CNT
4. ความบริสุทธิ์และคุณภาพของผลิตภัณฑ์
- ผลพลอยได้น้อย: การแคร็กจะก่อให้เกิดคาร์บอนและก๊าซไฮโดรเจนเป็นหลัก ซึ่งช่วยลดการผลิตสิ่งเจือปน เช่น คาร์บอนอสัณฐาน (หากควบคุมอัตราส่วนอย่างเหมาะสม)
- ข้อบกพร่องทางโครงสร้างน้อยกว่า: เมื่อเปรียบเทียบกับออกซิเจน-ที่มีแหล่งคาร์บอน (เช่น เอธานอล) ก๊าซไฮโดรคาร์บอนจะลดข้อบกพร่องที่เกิดจากสิ่งเจือปนของออกซิเจน ซึ่งสนับสนุนการเติบโตของ CNT ที่มีผลึกสูง
5. ด้านเศรษฐกิจและความปลอดภัย
- ต้นทุนที่ต่ำกว่า: มีเทนและอะเซทิลีนเป็นผลพลอยได้จากปิโตรเคมี มีจำหน่ายกันอย่างแพร่หลายและมีราคาไม่แพงนัก
- ความปลอดภัยที่ควบคุมได้: อัตราการไหลของก๊าซและความดันได้รับการตรวจสอบได้ง่ายในกระบวนการ CVD และการปล่อยก๊าซเรือนกระจกค่อนข้างต่ำ (หากมีเทนแตกร้าวอย่างสมบูรณ์ ผลพลอยได้หลักคือไฮโดรเจน)
6. การปรับตัวของแอปพลิเคชัน
- เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากทางอุตสาหกรรม: วัตถุดิบที่มีก๊าซของเหลวสูงสามารถป้อนอย่างต่อเนื่องได้ง่าย ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์การผลิตขนาดใหญ่- เช่น CVD ฟลูอิไดซ์เบด
- สามารถใช้ร่วมกับก๊าซอื่นๆ ได้: ตัวอย่างเช่น การเติมไฮโดรเจนจำนวนเล็กน้อยสามารถระงับการก่อตัวของคาร์บอนอสัณฐาน และการเติมไอน้ำจำนวนเล็กน้อยสามารถทำความสะอาดพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ("ออกซิเจน"- ช่วย CVD)
