基底抛光和CO2 添加促进一步化学气相沉积法在铝箔上生长高密度垂直排列碳纳米管阵列

研究人员通过一步催化化学气相沉积法（CCVD），在615°C的中等温度下，成功克服了垂直排列碳纳米管（VACNT）生长过程中的催化剂失活和高度限制问题。通过基底抛光和添加CO2 ，实现了近1毫米高、密度超过100 mg/cm3 的VACNT阵列生长，为热管理等领域的大规模应用提供了新思路。

　　

在能源存储、热管理和机械增强等领域，垂直排列碳纳米管（VACNT）因其独特的结构和性能备受关注。然而，传统两步催化化学气相沉积（CCVD）法在低温（如615°C）下生长VACNT时，面临催化剂快速失活、生长高度受限以及密度与高度难以兼得的难题。这些问题严重制约了VACNT在柔性电子和热界面材料等领域的应用。

为了解决这些挑战，来自中国的研究团队在《Carbon Trends》上发表了一项突破性研究。他们采用一步CCVD法，通过优化基底处理和气体组成，成功实现了铝箔上高密度、毫米级VACNT的低温生长。研究团队发现，基底抛光可减少表面粗糙度对碳纳米管成核的负面影响，而添加CO₂
则通过延缓催化剂失活和抑制碳纳米管降解，将生长时间延长至320分钟，最终获得高度达800微米、密度超过100 mg/cm³
的VACNT阵列。

研究采用了多项关键技术：1）通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征碳纳米管形貌和直径；2）利用拉曼光谱分析碳纳米管的结构缺陷；3）结合热重分析评估样品纯度；4）通过气相沉积参数调控优化生长条件。

研究结果分为几个关键部分：
3.1 长时合成无CO₂
时的饱和与厚度下降
发现超过160分钟后，VACNT生长停滞甚至出现厚度回退，低纯度铝基底上碳杂质更显著。

3.2 添加CO₂
实现高密度厚层生长
CO₂
:C₂
H₂
体积比为1时效果最佳，高纯度铝基底上生长速率达6.2 μm/min，且无密度-高度权衡现象。

3.3 有无CO₂
的对比表征
TEM显示CO₂
使碳纳米管壁数增加（6-8层），但拉曼光谱表明结构缺陷未显著变化。

3.4 长时合成降解机制探究
证实降解仅发生于“热”样品，可能与气相铁颗粒催化氧化有关，而CO₂
通过抑制该过程维持生长。

3.5 高度与密度的关系
一步CCVD法突破了传统两步法的密度-高度权衡线，实现“双高”特性。

这项研究的意义在于：1）为低温下VACNT的大规模生产提供了可行方案；2）揭示了CO₂
在延缓催化剂失活中的作用机制；3）证明基底粗糙度对生长稳定性的关键影响。该成果不仅推动了碳纳米管在柔性器件中的应用，也为其他纳米材料的可控合成提供了新思路。