碳纳米管（CNT）生长的催化剂主要是过渡金属，如铁（Fe）、钴（Co）和镍（Ni）。这些金属在高温下对碳的溶解度有限，因此适合形成 CNT。
碳纳米管的生长可通过多种方法实现，包括化学气相沉积（CVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。在化学气相沉积过程中，过渡金属催化剂在高温下与气态碳氢化合物接触。碳物种在催化剂表面扩散并相互反应，形成小的碳簇。一旦这些碳簇超过临界尺寸，石墨烯晶体就会成核，然后继续沉积形成连续的单层石墨烯。催化剂在此过程中起着至关重要的作用，它能促进碳簇的生长，并为成核提供一个表面。
催化剂的选择也会影响碳纳米管的生长机制和行为。铜（Cu）和镍（Ni）是两种常用的催化剂，它们具有不同的特性。铜的碳溶解度较低，这导致了一种基于表面的生长机制，即在高温下石墨烯会在铜表面形成。另一方面，镍的碳溶解度高，导致碳在高温下扩散到块状镍箔中，然后在冷却过程中碳偏析并在金属表面形成石墨烯。
除催化剂外，含碳前驱体的停留时间、温度和流速等其他因素也会影响 CNT 的生长。最佳停留时间是确保碳源充分积累的必要条件，同时不会限制碳源补充或副产品积累。
此外，氢的存在也会影响通过甲烷和乙烯合成的 CNT 的生长。甲烷和乙烯在掺入碳纳米管之前的热转换过程中需要氢气。氢气可通过减少催化剂或参与热反应来促进通过甲烷和乙烯合成的碳纳米管的生长。然而，对于乙炔，氢气除了对催化剂有还原作用外，在合成过程中并不起重要作用。
总之，催化剂、生长条件和碳源特性在碳纳米管的生长过程中都起着关键作用。了解这些因素之间的相互作用对于控制和优化生长过程至关重要。
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