Tugas 10 Review (Metpen)

Carbon nanotubes-properties and applications: a review

Khalid Saeed and Ibrahim

Department of Chemistry, University of Malakand, Khyber Pakhtunkhwa, Pakistan

Review Articles Carbon Letters Vol. 14, No.3, 131-144 (2013) 

Abstrak

Carbon Nanotube (CNT) merupakan satu dari penemuan terunik di lingkup nanoteknologi. CNT telah dikaji dengan teliti selama dua dekade melalui beberapa penelitian di dunia disebabkan oleh adanya potensi besar di berbagai bidang. CNT adalah graphene yang tergulung berhibibridisasi SP². Aspek penting dalam CNT adalah sifatnya ringan, berukuran kecil dengan aspek rasio tinggi, kekuatan tarik baik, sifat konduksi baik, membuat CNT dapat berfungsi sebagai pengisi pada berbagai material yang berbeda seperti polimer, permukaan logam dan keramik. CNT juga berpotensi pada aplikasi di bidang nanoteknologi, nanomedikal, transistor, aktuator, sensor, membran, dan kapasitor. Terdapat beberapa tehnik yang digunakan untuk mensintesisCNTs. Termasuk metodearc-discharge, chemical vaporize deposition (CVD),laser-ablation, dan metode sol-gel. CNTs dapat berbentuk single-walled, double-walled dan multi-walled. CNTs memiliki sifat mekanik, elektrik, dan optik yang unik, semuanya telah dipelajari secara ekstensif. Dalam revies ini fokus pada sintesis, fungsi, sifat dan aplikasi CNTs. Racun CNTs juga dipaparkan secara ringkas. 

1. Pendahuluan

Beberapa tahun terakhir ini, banyak penelitian yang berfokus pada nanoteknologi dan nanokomposit. Para peneliti berfokus pada filler dan memperkenalkannya ke dalam polimer untuk menghasilkan komposit dengan sifat tertentu. Jika pengisi adalah nanomaterial, maka komposit akan berbentuk nanokomposit. Nanoteknologi perlahan lahan membawa perubahan dalam kehidupan sehari hari. 

1.1 Nanoteknologi

Kata “nano” berasal dari bahasa Yunani, yang berarti kerdil (kecil); dalam eksperimen saintis pada level nano (skala atomik) yang dilakukan dengan instrumen saintis dikenal sebagai nanoteknologi, yang telah dikenal baik pada tida dekade terakhir. Kata “nanoteknologi” dicetuskan oleh Nario Taniguchi pada tahun 1974, di Jepang. Dia mengatakan bahwa “Proses nanoteknologi terdiri dari beberapa tahap antara lain: separasi, konsolidasi, dan deformasi material oleh satu atom atau satu molekul”. Nanoteknologi dapat dieksplor secara luas disebabkan karena sifat dan struktur materialnya. 

1.2 Carbon Nanotubes (CNTs) 

CNTs, juga disebut dengan buckytubes, adalah molekul karbon berbentuk silinder dengan sifat yang unik, sehingga berpotensi digunakan pada berbagai aplikasi yang berbeda. Termasuk pada nanoelektronik, optik, dan aplikasi material. CNT juga terbukti memiliki sifat termal, mekanik dan elektrik yang kuat. CNT merupakan family fullerene, yang ditemukan oleh Kroto pada tahun 1985. Buckyballs adalah fullerene berbentuk bola, sedangkan CNTs berbentuk silinder, dengan paling sedikit terdapat satu penutup di ujung berbentuk setengah bola dengan struktur buckyball. Nama CNT ditentukan berdasarkan ukuran, dimana ukuran diameter nanotube berukuran beberapa nanometer. Iijima yang pertama mensintesis multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) pada tahun 1991 menggunakan metode arc-evaporation sederhana. Namun, CNTs ditemukan jauh sebelum penelitian tersebut, yang menggambarkan bahwa karbon memiliki allotof yang berbeda. Pada tahun 1952, Radushkevich dan Luckyanovich melaporkan telah menemukan bentuk karbon seperti cacing. Selama observasinya, CNTs tersebut terbentuk dari dekomposisi karbon monoksida (CO) pada partikel besi pada suhu 600^oC. Pada beberapa eksperimen, gambar transmission electron microscope (TEM) dan karakteristik lainnya, penulis menyimpulkan bahwa hasil tersebut terdiri dari serabut panjang atau karbon kristal berbentuk mie dengan diameter sekitar 50 nm. Penemuan nanotubes yang secara kebetulan menyebabkan keberuntungan di bidang nanoteknologi pada saat itu, demikian juga pada bidang lainnya sebelum dan sesudahnya. 

1.3 Struktur CNTs

CNTs, juga dikenal sebagai fullerenes berbentuk tabung yaitu lembaran grapene yang berbentuk silinder dengan atom karbon berikatan sp². CNTs adalah lembaran grapene yang tergulung membentuk allotrof karbon, termasuk graphite, fullerenes dan CNTs. 

1.4 Tipe CNTs

CNTs dapat dibagi menjadi tiga kategori bergantung pada jumlah tabung yang ada pada CNTs. Yang dideskripsikan berikut ini

1.4.1 Single-walled CNTs

Single-walled CNTs (SWCNTs) terbuat dari lembaran graphene tunggal dengan diameter dari 1-2 nm. Panjangnya dapat bervariasi bergantung pada metode preparasi.

1.4.2 Double-walled CNTs

Nanotube yang terbuat dari dua karbon nanotube konsentris dengan tabung luar menutupi tabung dalam.

1.4.3 Multi-walled CNTs

MWCNTs terdiri dari banyak lapisan graphene yang tergulung dengan diameter antara 2 sampai 50 nm bergantung pada jumlah tabung graphene. Tabung ini memiliki jarak antar lapisan sekitar 0.34 nm.

1.4.4 Tipe yang berdasar pada chiralitas

Ciralitas merupakan faktor penting dalam menentukan sifat elektrik CNTs. Berdasarkan chiralitas terdapat 3 tipe CNTs yaitu chiral, armchair, dan zigzag. 

2. Sintesis CNT

CNTs dapat dipreparasi menggunakan berbagai metode, seperti metode arc-discharge­, Chemical Vapor Deposition (CVD), dan metode laser ablation. 

2.1 Metode Arc-discharge (Pancaran Elektroda)

Pada tahun 1991, Iijima melaporkan keberadaan spesies tabung baru, yang disebut CNTs. Tabung tersebut dihasilkan melalui metode penguapan pancaran elektroda yang sama digunakan dalam mensintesis fullerene di masa lalu. Karbon jarum dengan diameter antara 4 sampai 30 nm dan panjang mencapai 1 mm ditumbuhkan pada ujung elektroda karbon negatif yang berarti evaporasi pancaran eletroda karbon pada arus searah di atas bejana berisi argon (100 Torr). Ebbesen dan Ajayan melaporkan sintesis MWCNTs berskala besar melalui metode ini. 

Pemasangan arc-discharge meliputi dua elektroda tipis dengan posisi vertikal terpasang di tengah-tengah chamber. Elektroda rendah (katoda) menerima sepotong kecil besi selama fase evaporasi. Metode arc-discharge dijalankan diantara dua elektroda pada arus DC 200A bertekanan 20V. Dengan menggunakan tiga komponen, argon, besi, danmethane, dapat digunakan untuk mensintesis SWCNTs. Sintesis nanotube menggunakan metode arc-discharge, telah dilakukan oleh Bethuna dkk dengan menggunakan elektroda tipis anoda dengan lubang jenuh yang diisi dengan campuran bubuk logam murni (Fe, Ni dan Co) dan grafit. Elektroda diuapkan dengan arus yang relatif rendah 95-105 A bertekanan 100-500 Torr di atmosfer He. CNTs berkuantitas besar dihasilkan menggunakan metode ini oleh Journet dkk. Percikan dihasilkan diantara dua grafit elektroda pada reaktor beratmosfer helium (660 mbar). 

2.2 Laser ablation

Pada tahun 1996, Thess dkk mengurangi tinggi yield (>70%) CNTs, dengan cara metode laser ablation dari batang grafit dengan sedikit Ni dan Co bertemperatur 1200^oC.

Metode ini, target grafit dibombardir dengan cahaya laser. Pertumbuhan tabung terjadi sampai beberapa agregat atom katalis berakhir pada nanotube. Partikel besar lainnya melepaskan atau melapisi beberapa karbon meracuni katalis. Hal ini memungkinkan tabung berakhir dengan ujung seperti fullerene atai dengan partikel katalis. 

2.3 Chemical vapor deposition

Pada tehnik sintesis diatas, dua masalah utama yang tersisa adalah realisasi produksi skala besar dan pengaturan sintesis. Namun, pada tahun 1996, CVD ditemukan dapat mensintesis nanotube. Metode ini mampu mengontrol arah penumbuhan pada substrat dan sintesis nanotube kuantitas besar. Selama proses ini, campuran gas hidrokarbon, acetylene, methane atau ethylene dan nitrogen dimasukkan ke dalam chamber reaksi. Selama reaksi, nanotube terbentuk di atas substrat melalui dekomposisi hidrokarbon pada temperatur antara 700^oC-900^oC bertekanan atmosfer. Tehnik ini memiliki dua keutamaan, aitu nanotube dihasilkan pada temperatur rendah, meskipun kualitas kurang baik, dan katalis dapat dideposisikan diatas substrat, yang mengizinkan CNTs dapat diadopsi dengan sturktur yang baik. 

2.4 Penumbuhan fase uap

Tehnik baru ini dimodifikasi dari CVD. Perbedaan utama yaitu pada sintesis CNT langsung dari gas reaksi dan logam katalis di dalam chamber tanpa substrat. Dua furnace ditempatkan didalam chamber reaksi. Katalis yang digunakan adalah ferrocene. Penguapan karbon katalis dijaga relatif pada temperatur rendah dalam furnace pertama. Partikel katalis dibentuk disini dan ketika mereka mencapai furnace kedua dan dekomposisi karbon diserap pada katalis ini melalui difusi, dimana mereka mengubah menjadi CNTs. 

2.5 Metode sintesis Flame

Metode lain adalah metode sintesis flame. Metode ini, memanfaatkan nyala hidrokarbon. Nyala ini membantu mulai dari awal sampai penumbuhan CNTs. Gas seperti CO, CH₄, C₂H₂, C ₂H₄, dan C₂H₆, yang dihadirkan pada tempat nyala/api, yang kaya akan sumber karbon. Reaksi eksotermik dan energi kimia dilepaskan dalam bentuk panas pada penyangga api dengan reaksi deposisi karbon endotermik. Katalis juga dibutuhkan untuk menghasilkan reaksi untuk deposisi padatan karbon hitam. Penumbuhan CNTs pada bahan yang sama dengan CVD. Jika katalis sesuai dengan nyala dan kondisi reaksi yang dibutuhkan, maka CNTs berskala besar dapat diperoleh secara komersial. 

2.6 Trend sintesis CNTs saat ini

Akhir-akhir ini metode nebulized spray pyrolysis telah digunakan untuk mensintesis MWCNTs. Seprotan nebulisasi, merupakan faktor utama pada metode ini, yang dihasilkan oleh ultrasonic atomizer tertentu. MWCNT dengan diameter cukup seragam pada bentuk yang sejajar telah dihasilkan melalui metode ini. Dengan menggunakanultrasonic nebulizer, ferrocene (katalis) danethanol (pelarut dan sumber karbon) disemprotkan ke dalam tabung furnace pada temperatur tetap 800^oC dengan argon berlaju 1 L/menit. Ethanol digunakan sebagai pelarut sama baiknya dengan sumber karbon yang disebabkan non-polusi alami, biaya rendah, produk yang tidak berbahaya (seperti CO) dan mengurangi pemeliharaan. Tingginya penumbuhan pada MWCNTs pada permukaan dapat dihasilkan. Keuntungan menggunakan metode semprotan nebulisasi ini adalah meringankan proses skala industri, reaktan dihasilkan didalam furnace secara terus menerus. 

3. Sifat CNTs

CNTs dilaporkan telah memiliki area permukaan yang tinggi, aspek rasio yang besar dan kekuatan mekanik yang sangat tinggi. Kekuatan tegangan CNTs 100 kali lebih baik dibanding dengan baja, dan sifat konduktifitas termal mencapai tembaga. Sifat unik ini membuat CNTs merupakan kandidat terbaik sebagi pengisi pada polimer dan keramik yang berbeda untuk menghasilkan CNTs yang sesuai dengan keinginan konsumen. Juga telah diprediksi bahwa CNT berbasis field-effect transistors (FETs) akan segera menggantikan silikon mereka berbasis analog yang seimbang. CNTs juga dapat bergabung menghasilkan sifat elektrik, mekanik, dan termal yang unik. 

3.1. Sifat elektrik CNTs

Sifat elektrik CNTs bergantung pada bentuk chiralnya. Beberapa peneliti telah membuktikan sifat konduktif yang unik. Hasil ini disebabkan karena perbedaan geometri seperti cacat, chiralitas, perbedaan diameter dan derajat kristalisasi pada struktur tabung, sehingga berpengaruh pada sifat elektronik CNTs. SWCNTs adalah logam dengan resistivitas dengan rentang dari 0,34 x 10^-4 sampai 1,0 x 10^-4 ohm.cm. Dengan mengingat ikatan atom karbon pada CNTs, yang tersusun dengan kisi hexagonal, setiap atom karbon berikatan kovalen dengan tiga atom karbon tetangganya melalui molekul orbital sp². Sehingga, 4 elektron valensi yang tersisa bebas di setiap unit, dan elektron bebas terdelokalisasi pada semua atom dan memiliki kontribusi terhadap sifat elektrik CNTs. Sehingga CNTs dapat memiliki tipe kondusi atau semi-konduksi bergantung pada tipe chiralitasnya. Semikonduktor SWCNTs biasanya dibentuk dari semikonduktor tipe p. MWCNTs tersusun dari beberapa tabung SWCNTs dan oleh karena itu tidak mungkin menjadi konduktor satu dimensi. Pseudo-gap telah diamati melalui pengukuran I-V, sebagai sifat konduksi murni. 

Berdasarkan pembahasan diatas, diperoleh bahwa sifat elektrik SWCNTs dan MWCNTs relatif baik. Hal ini menarik perhatian sangat besar di berbagai bidang sejak satu dekade yang lalu. SWCNTs, balistik murni dari transfor elektron, yang digambarkan sebagai quantum wires. Di sisi lain, transpor pada MWCNTs ditemukan hampir difusi atau quasi-balistik. CNTs, dengan sifat elektroniknya dapat digunakan sebagai transistor dan dalam aplikasi elektronik baru. Aplikasi terbaru dari nanotube adalah emiter. Aspek penting CNT pada emiter adalah bahwa emisi dapat diperoleh pada tegangan rendah. CNTs juga dapat digunakan sebagai sensor, chip triodes berskala mikron pada frekuensi tinggi (>200 MHz), vakum mikroelektronik dan pembangkit sinar-X. 

3.2. Sifat Mekanik CNTs

Dengan mengingat bahwa CNTs merupakan material yang kuat. Beberapa literatur mengungkapkan bahwa CNTs merupakan material yang sangat kuat, khususnya yang searah dengan sumbu. Rentang modulus Young’s dari 270 sampai 950 Gpa, namun kekuatan tariknya juga sangat tinggi, dalam rentang 11-63 Gpa. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa dalam arah radial, CNTs lebih lunak. Observasi TEM pertama mengenai elastisitas radial menunjukkan gaya Vander Waal’s dapat merusak bentuk dari dua nanotube yang berdekatan. Selanjutnya, indentasi-nano dengan atomic force microscope (ATM) yang dilakukan oleh beberapa peneliti dengan kelompok yang berbeda melakukan pengukuran elastisitas radial SWCNTs. Menunjukkan hasil bahwa CNTs sangat lunak pada arah radial. Elastisitas CNTs karena arah radial sangat penting, khususnya pembentukan nanokomposit CNT dan sifat mekaniknya, dimana tabung yang tertanam dikenakan deformasi yang besar pada arah sebaliknya ketika beban diaplikasikan pada struktur komposit. Karena ikatan karbon-karbon diamati pada grafit terhadap sifat kekuatannya, CNTs juga sangat berpotensi sebagai material paling kaku dengan sturktur terkeras bahkan yang disintesis oleh para saintis. Pengkajian CNTs dengan TEM menujukkan bahwa material fleksibel dan tidak dapat memutus ikatan. Perhitungan sederhana secara teori telah dilakukan untuk memprediksi sifat mekanik CNTs. Percobaan pertama dilakukan oleh Treacy dkk dalam menentukan modulus Young’s untuk individu MWCNTs, yang mengukur amplutudo vibrasi termal dalam CNTs menggunakan TEM. Mereka menyatakan bahwa nanotubes memiliki rata-rata modulus memiliki rata-rata modulus Young’s antara Y=1 – 1,8 Tpa, yang sangat tinggi dibanding dengan modulus Young’s karbon fiber yang ada (Y ≥ 800 Gpa). Berbagai kelompok peneliti melakukan pengukuran langsung mengenai gaya ikatan MWCNTs sebagai fungsi pergeseran pada AFM. Nilai modulus Young’s ditemukan antara 0,32 sampai 1,47 Tpa. Falvo dkk, melakukan observasi mengenai MWCNTs yang dapat membelok dengan sudut yang tajam tanpa mengalami patahan di beberapa struktur menggunakan ujung AFM. Endo dkk, mengobservasi kerusakan ketika penumbuhan CNTs dengan penguapan dalam cairan nitrogen, bagian dalam pipa dapat bertahan pada tekanan ini. Zhu dkk, mengaplikasikan tekanan tinggi (50 Gpa) pada temperatur ruang, menggunakan lecutan gelombang, seperti MWCNTs dengan arc-discharge dengan catatan bahwa tabung tidak rusak tetapi ambruk, perubahan kulit terluar menjadi grapene yang meringkuk ketika inti dalam memperlihatkan inti yang cacat. Berbagai teori dikerjakan pada sifat mekanik CNTs yang dilakukan oleh Sinnot dkk, menemukan bahwa SWCNTs memiliki modulus Young’s yang lebih tinggi dari berlian. Yakobson dan Ru melaporkan mekanisme transformasi CNT dibawah tegangan uniaxial, terutama cacat pentagon-heptagon tabung dibawah tegangan tinggi. Guanghua dkk juga menunjukkan teori bahwa sifat mekanik SWCNTs bergantung pada diameter. Mereka memperkirakan modulus Young’s nanotubes berdiameter sekitar 1 nm, berada pada rentang 0.6 – 0.7 Tpa. Hernandez dkk juga menentukan nilai modulus Young’s yang sudah sesuai dengan eksperimen MWCNTs (1-1,2 Tpa). Mereka juga melaporkan bahwa meningkatnya diameter sebanding dengan peningkatan sifat mekanik dan diameter meningkat dengan nilai tertentu, modulus Young’s tabung mendekati modulus young grafit. Yu dkk, melakukan pengukuran modulus Young’s individu SWCNTs, melaporkan nilanya berada pada rentang 320 sampai 1470 Gpa dan menentukan kekuatan SWCNTs pada lingkaran setiap pengikat yaitu antara 13 sampai 52 Gpa. 

3.3. Sifat Termal CNTs

Struktur grafit tergulung, sangat berperan pada CNTs dan berpengaruh tidak hanya sifat elektronik dan mekaniknya tapi juga sifat termal. Meskipun ukurannya sangat kecil, pentingnya efek kuantum, dan temperatur rendah khususnya konduktivitas termal dan panas menunjukkan bukti secara langsung pada kuantisasi 1 dimensi struktur pita fonon pada CNTs. Penggabungan nanotube murni dan yang difungsikan pada material yang berbeda dapat memiliki konduktivitas termal yang dobel dengan pembebanan hanya 1%, menunjukkan matrial komposit nanotube dapat digunakan pada aplikasi termal dalam industri. Kim dkk, melakukan pengukuran konduktivitas termal pada individu SWCNT dan menemukan menjadi 3.000 W/K (lebih tinggi dari grafit) pada temperatur ruang. Selain ini mereka juga menetukan nilai dengan dua susun lebih tinggi dari besar yang ditentukan untuk gumpalan MWCNTs. Studi yang sama tentang SWCNTs menghasilkan lebih tinggi dari 200 W/Mk untuk SWCNTs. Beberapa faktor yang mempengaruhi sifat termal seperti jumlah mode fonon aktif, panjang lintasan bebas untuk fonon, dan batas permukaan hamburan. Sifat ini juga bergantung pada susunan atomik, diameter dan panjang tabung, jumlah struktur dan morfologi cacat, seperti kehadiran impuritas pada CNTs. 

4. Penyebaran CNTs

Salah satu masalah yang ditemukan dalam CNTs adalah gumpalan tabung yang disebabkan oleh lemahnya gaya intermolekul, terutama pada sulitnya penyebaran pada medium polimerik yang berbeda dan bahkan pada larutan yang berbeda. Fungsionalisasi CNTs dilakukan untuk mengatasi bentuk gumpalan dan buntalan, yang juga meningkatkan penyebaran pada material dan larutan polimetrik. Sehingga, pemurnian atau fungsionalisasi CNTs sangat penting untuk meningkatkan reaktifitas dan homogenitas penyebaran. Pemurnian menghilangkan partikel yang tidak diingiknan terhadap sisa setelah proses sintesis, sedangkan fungsionalisasi diperkenalkan dengan kelompok fungsional tertentu kedalam rantai atau akhir CNTs. Metode berbeda digunakan oleh peneliti untuk fungsionalisasi dan penyebaran CNTs. Termasuk hal berikut: 

4.1 Fungsionalisasi Non-Covalent

Tipe fungsionalisasi berbasis pada gaya Van der Waal’s. Selain gaya ini, juga dilaporkan terdapat gaya hidropobik atau interaksi Pi-Pi. Fungsionalisasi non-kovalen sangat penting dan menarik karena tidak merusak atau mengubah struktur CNTs untuk sebuah perluasan yang besar, yang memberikan sebuah pekembangan yang besar. Selain gaya Van der Waal’s beberapa gaya lain juga terlibat, yang menyebabkan efisiensi fungsionalisasi tipe ini. Beberapa contoh umum tipe fungsionalisasi ini termasuk penggunaan surfaktan, khususnya terhadap SWCNTs, pembalut CNTs dan interaksi protein non-kovalen. 

4.2 Fungsionalisasi Covalent

Fungsionalisasi tipe ini, mengingikan kelompok yang terikat pada sisi dinding atau ujung CNTs secara permanent dengan cara yang tidak dapat diubah. Berbagaikelompok bahan kimia seperticarboxylic, p-aminobenzioc acid, flourine, ditambah kelompok dicholo-carbon terikat secara kovalen dengan material polimerik dan tersebar baik pada larutan berbeda. Kerugian utama pada fungsi kimia adalah produksi cacat CNTs. 

4.3 Penyebaran CNTs menggunakan surfactants

Penggunaan surfaktan juga dilaporkan dengan tujuan penyebaran CNTs dalam material polimerik. Beberapa surfaktan penting sepertipolyethylene glycol, sodium dodecyl sulfate, dan dodecyl-benzena sodium sulfonate biasanya digunakan untuk mengurangi kecenderungan gumpalan CNTs dalam air dan larutan lainnya. Telah dikemukakan bahwa keberadaan cincin benzena bertanggungjawab pada tingginya efisiensi penyebaran CNTs. Interaksi penumpukan-p pada cincin benzena kedalam permukaan CNTs dipercaya dapat meningkatkan rasio penyerapan surfaktan. Juga ditentukan bahwa selain kelompok aromatik, kelompok naphtenic juga memberikan afinitas tabung surfaktan yang baik. 

4.4 Penyebaran secara fisika melalui ultrasonik

Penyebaran secara fisika juga penting untuk menurunkan kecenderungan penggumpalan CNTs. Sonication menyediakan vibrational tertentu untuk menggumpalkan CNTs, mengatasi gaya tarik dengan nanomaterial dan menjadi tersebar dengan pelarut atau material 

5. Aplikasi CNTs

Nanoteknologi merupakan teknologi yang terbaru dan paling berkembang, menyajikan beberapa keuntungan dan manfaat untuk material terbaru dengan sifat yang diperbaiki secara signifikan. Nanoteknologi dapat digunakan pada berbagai bidang dalam aplikasi yang berbeda, termasuk nano-medicine, energi, lingkungan dan sensor. Meskipun bidang nanoteknologi sangat banyak dan merupakan material terbaru, potensi CNTs sangat menjanjikan. Sejak ditemukan oleh Iijima pada tahun 1991, perkembangan nanoteknologi menjadi sangat cepat yang disebabkan karena banyaknya aplikasi yang dapat digunakan. Berbagai penyimak dan peneliti berupaya menghasilkan sifat terbaru dan mengembangkan jumlah aplikasi terbaru di berbagai medan, dari ilmu material, obat-obatan, elektronik dan penyimpanan energi, dengan beberapa studi yang berfokus pada nanoteknologi dan penggunaan CNTs sebagai filler. Aplikasi menarik dari CNTs yang lain adalah dapat digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan konduktivitas dan kapasitas penyerapan yang tinggi dan untuk menghasilkan kekuatan komposit yang tinggi, sumber bahan bakar, divais konversi energi, divais medan emisi, divais penyimpan hidrogen dan divais semikonduktor. Percobaan air limbah melalui CNTs juga sangat berkembang dan menarik untuk diteliti. Terkait masalah utama mengenai CNTs adalah tingginya biaya dan karakteristik tidak terbarukan. Saat ini, upaya dalam mengembangkan metode preparasi CNTs dengan biaya yang rendah. Beberapa aplikasi CNTs yang sangat penting dan menjanjikan didiskusikan dibawah ini. 

5.1 CNTs sebagai pengisi

Penggunaan CNTs sebagai filler pada material berbeda berbentuk nanokomposit merupakan salah satu yang berkembang pada nanoteknologi. Beberapa peneliti bekerja pada bidang nanokomposit mencoba menggunakan CNTs sebagai filler. Ide utama menggabungkan CNTs pada polimerik berbeda dan material lain adalah untuk memperbaiki sifat material. Hal yang telah dilakukan adalah memperbaiki sifat mekanik, elektrik dan termal telah berada pada rentang yang ideal. Garcia-Gutierrez dkk, melakukan preparasi proses pelelehan yang diijeksikan yang dibentuk dengan polybutylene terephthalate (PBT)/ nanokomposit SWCNTs dan menyampaikan bahwa SWCNTs mempengaruhi orientasi polimer selama pencukuran dan juga contoh sifat kristalisasi PBT. Soichia dkk menemukan bahwa modulus tarik dan kekuatan yield meningkat dengan bertambahnya pemuatan SWNT ke dalam SWNTs/polyimide nanocomposite. Dengan penyebaran yang baik, mereka menunjukkan bahwa sifat mekanik polyimide meningkat. Bhattacharyya dkk, dilakukan dengan campuran pencairan styrene maleic anhydride (SMA) dienkapsulasi SWCNTs dengan sebuah matrix dengan polyamide-12 (PA 12) pada extruder sekrup kembar yang berbentuk kerucut. Proses enkapsulasi melalui SMA copolymer menyebabkan besarnya penyebaran SWNT dan sehingga meningkatkan adesi interfacial diantara PA12 dan SMA yang dimodifikasi dengan SWNT. Ini menyebabkan meningkatnya sifat mekanik yang dihasilkan. Saeed dan Park mempreparasikan MWNT/nylon nanokomposit melalui in situ bulk polymerization. Mereka menggunakan MWNTs murni (P-MWNTs) dan MWNTs yang dimurnikan melalui asam untuk memperkuat material dan studi sifat mekanik, termal, elektrik, dan reologis dan juga morfologi strukturan dan temperatur kristalisasi melalui berbagai tehnik dan membandingkan sifat nanokomposit keduanya P-MWNT/nylon dan A-MWNTs/nylon. Telah disimpulkan bahwa A-MWNTs dapat menyebar dengan baik pada nylon dibandingkan dengan P-MWNTs yang menyebabkan hadirnya kelompok fungsional pada A-MWNTs. Temperatur kristalisasi meningkat dengan meningkatnya rasion MWNT dalam nylon. Prashantha dkk, mempreparasikan MWNTs dan polypropylene (MWNT/PP) dan MWNTs dan nanokomposit polypropylene-grafted maleic anhydride (MWNT/PP-g-MA) dan mempelajari sifat reologis, mekanik, dan morfologi nanokomposit dengan berbagai komposisi MWNTs menggunakan tehnik rentang. Mereka melaporkan bahwa MWNTs memiliki penyerapan yang lebih baik pada PP-g-MA dibanding dengan PP, dan dilaporkan bahwa MWNTs dan PP-g-MA memiliki adesi yang baik dan kekuatan inrfacial yang kuat dibandingkan dengan MWNTs/PP karena MWNTs/PP-g-MA memiliki sifat mekanik yang tinggi dan memperbaiki ambang perembesan secara reologis. Zhang dkk, membuat poly (adipic acid-hexamethylene diamine) (PA66) dan F-MWNTs. Amino-MWNTs telah digunakan dalam proses fabrikasi, dan penyebaran A-MWNTs telah meningkatkan pembentukan asam (HCOOH) setelah fungsionalisasi PA66. Material PA66 dicangkokkan kedalam permukaan A-MWNTs. Disimpulkan bahwa panjang rantai PA menurun dengan bertambahnya A-MWNTs, temperatur dekomposisi terhadap PA_MWNTs lebh tinggi dari komposit PA66 murni, dan kekuatan modulus telah diperbaiki dengan penambahan A-MWNTs. 

5.2 Divais Elektronik sebagai sumber medan emisi

CNTs dapat juga digunakan dalam divais elektrik sebagai sumber medan emisi. Hal ini dapat dilakukan ketika diaplikasikan diantara permukaan CNTs dan anoda. Elektron dengan mudah diemisikan dari ujung yang disebabkan adanya lengkungan dalam CNTs dalam bentuk pentagon atau disebabkan teroksidasinya ujung. Dengan prinsip ini, CNTs dapat digunakan untuk pembuatan banyaknya divais elektronik, termasuk layar datar, sumber cahaya yang kuat, lampu yang terang, dan sumber sinar-X. Meskipun CNTs merupakan penghasil emisi yang baik, nanokomposit CNTs juga baik permukaan emisi elektron pada kondisi vakum. Terdapat beberapa keuntungan ketika menggunakan CNTs sebagai penghasil emisi elektron. Termasuk komponen yang berlaku seumur hidup, medan emisi yang stabil padaperiode yang panjang, berpotensi pada ambang emisi yang rendah, ketiadaan vakum ultra yang tinggi, dan densitas arus yang tinggi. Telah dilaporkan bahwa densitas arus yang besar, tingginya mencapai 4 A/cm². 

5.3 Baterai (baterai ion litium)

Litium merupakan unsur yang sangat berguna, memiliki sifat yang unik disebabkan karena rendahnya elektronegatif dan karena elektron mudah didonasikan. Sehingga, kandidat terbaik untuk pembuatan baterai yang ringan dan efisien. Namun, walaupn terdapat beberapa keuntungan tersebut, reaktifitas Li yang tinggi dapat diterapkan, sebagai logam yang kehilangan efieiensinya. Masalah ini dapat diselesaikan dengan mengkombinasikan aplikasi CNTs dan Li melalui penambahan ion Li pada CNTs. Hal ini memungkinkan ion Li⁺ berpindah dari grafit anoda ke katoda. Medium pemisah dibutuhkan antara anoda dan katoda, yang biasanya polyolefin. Secara teori kapasitas penyimpanan Li dikontrol oleh penambahan Li⁺ dan laju de-intercalation [110, 111]. Belakangan ini, Frackowiak dan Beguin menunjukkan bahwa CNTs dapat digunakan pada baterai ion Li. Menurut penulis, kapasitas irreversibel yang tinggi yang memungkinkan penggunaan CNTs. Meunier dkk, melakukan perhitungan untuk menentukan fenomena charging dan discharging pada baterai Li⁺. Mereka menyarankan bahwa rusaknya permukaan material SWNT secara kimia dan mekanik, merupakan salah satu yang dapat meningkatkan penyimpanan elektrokimia baterai. Dengan berbagai kemungkinan ini, beberapa perusahaan elektronik memulai menggunakan karbon nanofiber dan nanotubes sebagai elektroda dalam baterai Li⁺ untuk menambah kapasitas muatan dan waktu pakai. 

5.4 CNTs sebagai superkapasitor dan aktuator)

Karena luasnya area permukaan demikian juga konduktivitas elektrik yang tinggi, CNTs menjadi materail tebaik untuk digunakan sebagai divais elektrokimia. Niu dkk, dan Ma dkk yang pertama menyatakan bahwa elektroda secara pirologi menumbuhkan MWNTs, memungkinkan mencapai kapasitansi spesifik yang sangat tinggi dalam sel individu dalam divais yang tediri dari 38 % berat H₂SO₄ elektrolit. Sel dapat mencapai densitas melebihi 8,000 W/kg. Belakangan ini, studi yang sama dilakukan oleh Frackowiak dan Beguin dan Ma dkk, yang mendemonstrasikan komposit MWNT-polypyrrole yang dapat mencapai kapasitansi 163 F/g. Superkapasitor CNT diaplikasikan untuk divais yang membutuhkan daya tinggi dan kapasitas penyimpanan yang tinggi. Densitas mencapai 20kW/kg pada energi densitas 7 Wh/kg. CNT yang tertanam pada superkapasitor dapat digunakan untuk memberikan asselerasi yang cepat dan tempat penyimpanan energi secara elektrik untuk elektrik kendaraan. Aktuator merupakan divais yang penting, tetapi masalahnya terkait pada efisiensi yang menurun seiring dengan meningkatnya temperatur. Oleh karena itu, aktuator yang dimodifikasi dengan CNT disiapkan oleh beberapa peneliti. Dilakukan relatif pada tegangan rendah dan temperatur tinggi 350^oC. Sebagai contoh, tegangan maksimum diobservasi pada aktuator SWNT adalah 26 Mpa. Nilai ini dibandingkan dengan kekuatan alami, 100 kali lebih besar dari nilai kekuatan alami. 

5.5 Sensor

Sensor adalah divais pendeteksi yang sangat penting, yang sekarang penggunaan di berbagai bidang. Efisiensi biosensor dan sensor molekuler dapat meningkat dengan penambahan CNTs didalamnya. Dengan tehnik chemical force microscopy, Wong dkk yang pertama mendemonstrasikan bahwa memungkinkan untuk pendeteksi fungsi kimia untuk mengikatkan ujung CNT. Sehingga, memungkinkan untuk membangun berbagai tipe sensor yang terdiri dari pellet komposit nanotube, yang sangat sensitif terhadap gas dan yang dapat digunakan untuk memantau puncak pada tanaman kimia. Collins dkk, melaporkan pekerjaan yang telah dilakukan di bidang yang sama bahwa SWNTs sangat sensitif terhadap udara dan kondisi vakum yang dilihat pada tingkat resistansi dengan variasi besar pada sampel SWNT. Mereka juga menambahkan bahwa MWNTs dapat digunakan sebagai sensor yang efisien untuk NH₃, H₂O, CO₂ dan CO. Varghese dkk mendeteksi perubahan tingkat resistansi dan kapasitansi CNTs pada kondisi yang sedikit modifikasi. Pada tahun 2002, sensor dengan sensitifitas tinggi dan sensor ­microwave-resonant dengan respon yang cepat dipreparasi untuk mendeteksi NH₃ menggunakan SWNTs atau MWNTs. Sebagai tambahan pendeteksi gas, CNTs dan kompositnya dapat digunakan sebagai sensor tegangan yang sensitif terhadap lingkungan. Wood dan Wagner mencatat bahwa CNTs sangat sensitif terhadap pencelupan cairan atau proses penanaman polimer, sebagai nanotube yang dibentuk dengan sedikit media cairan yang berbeda. 

5.6 Penyimpan gas dan hidrogen

Disebabkan oleh adanya silinder yang berongga, CNTs dapat bertindak sebagai kontainer logam dan gas yang efisien. Telah ditemukan beberapa bahan kimia penting, seperti logam, logam karbida, dan oxida, dapat diperkenalkan pada inti CNT melalui metode yang berbeda, termasuk percobaan kimia, metode arc-discharge, reaksi zat padat dan tehnik elektrokimia. Namun, masalah utama yang berkaitan dengan tehnik yang dihubungkan denganfakta bahwa CNTs tidak dapat dienkapsulasi pada bahan gas. Studi akhir-akhir ini mengungkapkan bahwa H₂ dan Ar dapat tersimpan berturut-turut pada SWNTs dan MWNTs. Terrones dkk, mendemosntrasikan eksperimen yang memungkinkan memperkenalkan gas nitrogen pada MWNTs menggunakan proses tahap tunggal. Mereka juga melaporkan bahwa MWNTs dapat diisi melalui semprotan pirolisis ferrocene dan larutan benzyl amine. Penelitian yang sama dilakukan oleh Trasobares dkk, tetapi mereka menggunakan bubuk pirolisis ferrocene dan camphor dibawah atmosfer ammonia. Penyimpanan bahan kimia berbeda dalam CNTs bermanfaat dalam pembuatan sel bahan bakar yang digunakan terutama untuk daya kendaraan listrik. Sayangnya, terdapat beberapa kontroversi mengenai penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi. Perlu ditekankan bahwa kapasitas penyimpanan hidrogen pada CNTs berada pada rentang 0.1 sampai 66 wt %. Hirscher dkk, membuktikan pengaruh impuritas terhadap hasil yang dilaporkan sebelumnya menyerap sampai 7%. Berdasarkan tinjauan teori, density functional theory yang digunakan untuk menghitung kapasitas penyimpanan hidrogen pada CNTs. Mekanisme berbeda dimana CNTs memungkinkan menyerap molekul hidrogen, termasuk penyerapan kimia, penyerapan interstisi dan pembengkakan susunan nanotube. 

Situasi diatas jelas menunjukkan bahwa CNTs tidak dapat menjadi material terbaik untuk penyimpanan hidrogen, tetapi eksperimen tambahan dan perhitungan selanjutnya seharusnya dapat mengklarifikasi hal tersebut. Penyerapan gas lain seperti He, NH₃, N₂ dan SF ₆ dalam CNT sebagai buih karbon, yang akhir-akhir ini telah diteliti oleh Tanaka dkk. 

5.7 Scan ujung jarum

Scan ujung jarum sangat penting untuk menentukan gambar dengan resolusi yang tinggi. Jika MWNT diikatkan pada scanning, maka menghasilkan gambar dengan resolusi yang lebih baik dibanding scanning normal. Sekarang ini, Seiko Instruments and Daiken Chemical Company mencoba mengkomersialkan scanning tersebut. Modifikasi ujung nanotube secara kimia dapat digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi zat kimia tertentu dan/atau grup secara biologi. Sensor ini penting untuk mendeteksi tambahan atau keberadaan zat illegal. Kim dan Lieber menentukan secara eksperimen kemungkinan pembuatan jepitannanotube melalui penempelan dua nanotube pada ujung scanning. Alat nano ini dijalankan melalui interaksi elektrostatik antara dua karbon silinder. Pencapaian ini jelas menunjukkan kemajuan pada nanotube dalam teknologi, dan jelas bahwa masa depan yang tidak lama lagi, kemajuan selanjutnya akan terus dicapai. 

5.8 Divais elektronik menggunakan CNTs

CNTs adalah nanomaterial penting yang dapat digunakan dalam divais elektonik untuk memperbaiki sifat divais. Tans dkk, membuat terminal tiga yang dapat digantikan dengan SWNTs. Molekul SWNT adalah semikondukting dan dihubungkan dengan logam nanoelektroda. Hasil pada kapasitansi rendah sangat baik. Masalah utama yang terkait dengan nanotube adalah sulitnya manipulasi, sehingga metode lainnya diperlukan untuk merancang pengontrolan panjang dan sifat elektronik nanotube individu melalui nanostruktur STM. Postma dkk, mendeskripsikan persilangan dan lekukan SWNTs dapat dihasilkan melalui AFM. Tehnik ini memungkinkan untuk memotong nanotubemenjadi pendek menggunakan pengontrol tegangan yang diaplikasikan pada ujung STM dan untuk membuat divais nanotube kecil yang dapat digunakan untuk konstruksi mesin molekuler, arus berskala nano dan material nanoelektrik lainnya. Terdapat beberapa contoh eksperimen yang mengindikasikan bahwa CNTs dapat membawa arus densitas sebesar 10⁹ A/cm², nilai ini lebih rendah dari logam (10⁵ A/cm²). Bachtold dkk, dan Huang dkk mendemonstrasikan pertama kali pembuatan transistor ­field-effect memperlihatkan keuntungan yang besar, rasio on-off yang besar dan pengoperasian temperatur ruang. Penelitian menunjukkan bahwa arus transistor satu, dua dan tiga memiliki rentang operasi digital yang logik. Contohnya temasuk inverter, logik NOR, statis random-acces memory cell, dan osilator cincin AC. Kelompok Harvard melakukan cara yang sama untuk menghasilkan nanowired p-n junction yang bersilangan dan susunan junction yang dikonfigurasi melalui kunci struktur pintu logik OR atau NOR, yang menunjukkan substansi yang besar. Mereka juga menggunakan untuk pengembangan tehnologi komputer terbaru di masa yang akan datang. Derycke dkk, mendemonstrasikan bahwa CNTs dapat digunakan sebagai FET. Peneliti juga menunjukkan CNTs murni yang memiliki sifat seperti transistor tipe-p, dimana nanotube didoping dengan divais tipe-n. Kedua tipe ini dapat diintegrasikan untuk membuat inverter tegangan. Jaavey dkk mendemostrasikan bahwa adanya kemungkinan untuk menghasilkan cincin logik seperti pintu logik NOR atau OR menggunakan susunan FETs nanotube tipe-p dan -n, yang sulit untuk mengontrol chiralitas tabung dengan sifat elektronik. Ollins dkk, menyatakan bahwa adanya kemungkinan untuk mengupas lapisan terluarMWNTs yang dihasilkan dari ­arc discharge sampai menghasilkan sifat elektronik yang diinginkan. Namun, penumbuhan yang dikontrol untuk mencapai chiralitas yang diinginkan akan diinvestigasi dan dieksplorasi untuk aplikasi elektrik yang lebih. Blase dkk, juga melakukan hipotesis yang sama dan mendemonstrasikan sifat elektronik CNT yang dapat dimanfaatkan dengan material polimerik untuk mewujudkan aplikasi elektrik yang diinginkan. 

5.9 Aplikasi CNTs di bidang medis

Memberikan keuntungan yang meningkat terkait dengan teknologi ilmu pengobatan yang berhubungan dengan terapi gen, perlakuan kanker, inovasi baru untuk penyakit yang mengancam kehidupan, ilmu nanomedicine yang berkembang dengan cepat. Sifat unik dan karakteristik CNTs memungkinkan secara sains untuk mengembangkan wilayah baru dalam nanomedicine. SWNTs dan MWNTs telah terbukti berpotensi untuk menjadi alternatif yang tepat dan efektif dari metode pengiriman obat sebelumnya. Mereka dapat melalui membran, membawa pengobatan terapeutik, vaksin, dan asam nukleus mendalam sampai ke target substrat. Mereka menjadi kendaraan ideal tanpa racun, dimana pada beberapa kasus, meningkatnya kelarutan obat, menghasilkan efisiensi yang tinggi dan aman. Secara keseluruhan, studi akhir-akhir ini tentang CNTs menunjukkan pengobatan yang sangat menjanjikan. 

6. Racun pada CNTs dan cara mengontrolnya

Disebabkan karena sifat fisika dan kimia yang luar biasa dari CNTs, pemakaiannya dalam industri telah sangat serius, tetapi masalah yang terjadi pada penggunaannya, khususnya masalah pada racun. CNTs dapat merugikan pada kesehatan manusia, khususnya paru-paru manusia, yang berada pada jalur terbuka. Banyaknya perhatian dari peneliti mengenai hal ini. Sehingga, merupakan tahap pasti yang harus diminimalkan adalah mengenai racun CNTs. Studi akhir-akhir ini menunjukkan bahwa panjang dan kekakuan nanotube CNTs sangat berpengaruh terhadap pro-perangsangan akibat CNTs. Namun, peneliti selanjutnya menentukan pengaruh yang mungkin dari sifat physiochemical yang lain. Karakteristik permukaan mempengaruhi pro-perangsangan akibat nanopartikel berbentuk bola, dapat diharapkan untuk menggabungkan CNTs dalam material polimerik yang akan memodifikasi sifat permukaan CNTs, dimana dapat mengubah racun tanpa mempengaruhi sifat dan potensial untuk digunakan dalam aplikasi selanjutnya.

Tugas 9 Review (Metpen)

Synthesis of carbon nanotubes by catalytic chemical vapour deposition: A review on carbon sources, catalysts and substrates 

 

Khurshed A. Shah, Bilal A.Tali

Nanomaterials Research Laboratory, Department of Physics, Govt. Degree ollege for Women, K.P. Road, Anantnag 192101, India

Material Science in Semiconductor Processing 41 (2016) 67-82 

Abstrak

Carbon Nanotubes (CNTs) telah dikaji secara extensif selama dua dekade yang lalu dan tehnik Catalytic Chemical Vapour Deposition (CCVD) tanpa lelah digunakan oleh peneliti untuk menghasilkan CNT dengan berbagai konfigurasi kristalografi. Dalam paper ini, aspek material sumber karbon, katalis dan substrat dengan sistesis CCVD CNT direview secara jelas dengan perkembangan terbaru dan memahami akan bidang tersebut. Peran material dalan sintesis CNT untuk menjelaskan keterbaruan literatur yang ditinjau. Laporan penelitian terbaru dan temuannya disajikan yang berhubungan dengan aspek yang mempengaruhi penumbuhan seperti temperatur, tekanan uap dan konsentrasi katalis pada pembentukan CNT. Selain penemuan terbaru, juga akan dibahas penumbuhan istimewa dari CNT. Dari literatur review ini ditemukan bahwa diffusibilitas karbon dan solubilitas karbon pada berbagai katalis merupakan dua faktor penting yang menentukan nukleasi dan penumbuhan CNT. Bahkan, katalis terentu pada beberapa katalis logam transisi dapat diperbaiki untuk memperbaiki kinerja katalis dengan tambahan air, udara, alkohol dll. Selama proses CCVD dapat meningkatkan aktivitas dan garansi hidup katalis selain untuk meningkatkan hasil CNT. 

1. Pendahuluan

Pasaran CNT menjadi panas/laku disebabkan karena aplikasi komersial yang berbeda beda dan setiap tahun terdapat sejumlah publikasi jurnal CNT dan hak paten terus dikembangkan. Hal ini disebabkan sifat mekanik, elektrik dan optikalnya yang luar biasa, CNT telah mendorong penelitian secara ekstensif sejak ditemukan oleh Sumio Iijima di awal tahun 1990an sebagaimana telah dilaporkan pada tahun 1952 oleh Radushkevich dan Lukyanovich. Idealnya CNT digambarkan sebagai silinder graphene berskala nano (yang dibentuk oleh lembar graphite satu atom tipis tergulung yang disebut graphene) yang ujungnya tertutup oleh setengah molekul fullerene, yang terdiri dari dua tipe, struktur yang terdiri hanya satu silinder yang disebut Single Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs) yang pertama kali diobservasi oleh Iijima dan Ichihashi di tahun 1993, sedangkan struktur yang terdiri dari dua atau lebih silinder graphene konsentris yang disebut Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs). Idealnya SWCNTs diklasifikasikan menjadi tiga berdasarkan kristalografi yaitu zigzag, armchair dan chiral, bergantung bagaimana lembaran graphene tergulung. Pada konfigurasi zigzag, ikatan C-C yang berhadapan di setiap hexagon adalah paralel terhadap sumbu tabung, sedangkan bentuk armchair yaitu ikatan C-C tegak lurus terhadap sumbu, selain susunan tersebut, ikatan C-C yang berlawanan yang terletak pada sudut sumbu tabung, menghasilkan nanotube spiral yang disebut chiral. 

SWCNT dapat bersifat logam atau semikonduktor yang mempunyai celah pita antara 0.4 sampai 2 eV, namun MWCNTs yang memiliki celah pita nol akan bersifat logam (dalam kasus MWCNTs dimana konduksi listrik melalui kulit terluar dan diameter nanotube terluar besar akan menghasilkan celah pita 0 eV), sehingga sifat listrik keduanya berbeda. Perbedaan ini disebabkan karena cara tergulungnya lembar graphene dengan berbagai variabel di sepanjang tingginya dan menghasilkan SWCNT sehingga memiliki berbagai struktur chiral. Rentang diameter SWCNT (0,4-3 nm) lebih kecil dari MWCNT, karenanya SWCNT menarik untuk dibuat material elektronik nano. Jumlah dinding MWCNT dapat bervariasi dari 2 sampai > 100 dan biasanya penumbuhannya tegak lurus terhadap substrat. Bahkan, panjang MWCNT yang lurus secara vertikal, relatif lebih mudah untuk diukur. 

Pada tahun 2006 karbon berstruktur nano ditemukan yang disebut sebagai few walled carbon nanotubes (FWCNTs) telah dilaporkan terdiri dari 2 – 6 lapisan dinding, panjangnya sekitar 10 mikrometer dan diameter dalam rentang 2 – 8 nm. Mereka memiliki sifat elektronik dan mekanik yang luar biasa ketika lapisan terluar nanotubes difungsikan pada sejumlah aplikasi yang berhubungan dengan medan emisi dan generasi CNT selanjutnya diperkuat berbasis material komposit. Terdapat beberapa golongancarbon nanostructure yang disebut sebagai carbon nanofibers (CNFs) yang memiliki morfologi yang unik pada graphene yang terbalik dari sumbu serat menghasilkan tepi bidang yang terekspos pada permukaan interior dan eksterior pada serat. Yang disebut sebagai stacked-cup carbon nanotubes (SCCNTs). Diamteer CNFs berada pada rentang 50 – 200 nm dan dihasilkan dengan cara yang sama ketika menghasilkan CNTs, sehingga terdapat perbedaan yang jelas, berdampak pada kinerja dan aplikasi secara komersial. 

CNT juga terbukti memiliki aspek rasio yang luar biasa dan panjangnya ditemukan beberapa centimeter. Sifat kekuatan CNT bergantung pada strukturnya seperti diameter. SWCNTs dan MWCNTs memiliki area permukaan yang tinggi per satuan berat, sifat mekanik yang baik, konduktivitas listrik yang tinggi pada keadaan logam dan konduktivitas temal yang tinggi. 

Sifat CNT yang menarik ini menyebabkan sekarang ini munculnya investigasi aplikasi yang meluas. Review aplikasi CNTs ini, melaporkan preparasi dengan metode yang berbeda dan produksi besar besaran. Berbagai aplikasi CNT termasuk: elektromagnetik danmicrowave absorbing coatings, thermal interface materials, divais transport elektronik dan ionik seperti aktuator, super kapasitor, baterai, fiber, sensor, pentimpanan energi dan divais konversi energi, divais sumber radiasi dan semikonduktor berukuran nanometer, nanotube dengan aspek rasio yang tinggi (kawat konduktif listrik dengan diameter pada beskala nanometer) sebagai medan emisi pada ujung untuk aplikasi seperti layar medan emisi, tabung X-ray, sumber elektron untuk mikroskop dan litografi, tabung penyimpan gas, vacuum microwave amplifier, scanning probe tips. Selain doping CNTs dapat juga disesuaikan dengan respon elektronik, oleh karena itu CNTs dapat juga bertingak sebagai transistor atau unsur logik. Ikatan kovalen yang kuat menyebabkan konduktivitas termal yang tinggi dan aspek rasio CNTs yang tinggi dapat digunakan pada aplikasi interconnect. Mereka juga dapat digunakan sebagai membran pada pemurnian air dan pemisahan gas. 

Aplikasi diatas akan terus dipikirkan untuk memperoleh tehnik sintesis yang sesuai, sehingga dapat menghasilkan material dengan puritas yang tinggi dengan jumlah yang banyak. Selanjutnya, penumbuhan yang dikontrol dengan pola litografi yang tepat, dibutuhkan untuk aplikasi nano elektronik dan fotonik untuk mengetahui bagaimana mengontrol sintesis CNTs menjadi hal penting untuk mengintegrasikan berbagai teknologi berstruktur nano. Telah ditemukan beberapa tehnik yang dikembangkan untuk sintesis CNTs, salah satu yang terbaik adalah Catalyst Chemical Vapour Deposition (CCVD) yang sesuai dengan kebutuhan diatas. Meskipun terdapat tehnik lain yang dapat digunakan untuk sintesis seperti arc discharge dan laser ablation, namun CVD merupaakn teknik yang serbaguna dan menjanjikan untuk menghasilkan produksi massal dan integrasi divais secara langsung. 

Hidrokarbon berbasis fosil dan tanaman adalah dua sumber karbon utam yang digunakan untuk sintesis CNTs menggunakan metode CVD. Beberapa fosil bahan bakar hidrokarbon adalah methane, gas alami, acetylene, benzene dll, adalah sumber karbon yang lazim digunakan dalam penelitian CNTs. Beberapa juga melaporkan kegunaan prekursor alami untuk sintesis CNTs seperti camphor, turpentine oil, minyak palm dll. Di sisi lain, nanopartikel logam transisi (Fe, Ni dan Co) adalah katalis yang biasa digunakan untuk penumbuhan CNTs. Namun, akhir akhir ini CNTs juga ditumbuhkan dengan logam mulia, katalis nanopartikel keramik, dan nanopartikel semikonduktor. Material dianggap tidak mampu mengkatalis penguraian hidrokarbon dan bentuk bulk mereka tidak memiliki fungsi katalis untuk menghasilkan graphite. Hal ini menyebabkan interpretasi baru yang merupakan peran katalis dalam penumbuhan nanotube dimana hanya berperan pada lengkungan berskala nano dan adsorpsi karbon. Untuk meningkatkan pemahaman secara struktural yang dibutuhkan untuk CVD dalam mensintesisi CNT dan dikuatkan secara teori tentang pentingnya katalis adalah sebagian yang turut menentukan lengkungan partikel berskala nano. 

Dalam penumbuhan CNTs melalui CCVD adalah pembentukan katalis logam nanopartikel yang dibutuhkan tidak dilakukan di permukaan substrat. Substrat membantu pembentukan nanopartikel dan substrat tertentu yang digunakan secara meluas pada penelitian termasuk alumina, silikon dan magnesium oxide. Namun, CNT untuk aplikasi elektronik, biasanya substrat yang konduktif yang harus digunakan. Seperti kasus lapisan katalis yang seharusnya lebih tipis untuk menghasilkan sisa katalis yang cukup untuk mengkatalisasi penumbuhan CNT. Oleh karena itu untuk penumbuhan CNT berkualitas tinggi akan menggunakan lapisan perintang difusi sebagai tambahan diantara katalis dan substrat logam. 

CNTs di seluruh dunia diinvestigasi secara ketat oleh pada saintis dan enginer dengan beberapa metode variasi CCVD nanostuktur merupakan tehnik yang sangat populer dan menjanjikan. Namun, sampai saat ini beberapa artikel revies menyoroti parameter yang berperan, aspek material dll, namun yang perlu diketahui bahwa artikel tersebut tidak membahas perkembangan terbaru yang mengarah pada penumbuhan yang dikontrol oleh ciralitas, bi-metal baru dan katalis tri-metal yang digunakan dengan ketat selama beberapa tahun yang lalu dan sumber karbon baru. Oleh karena itu, memang dibutuhkan pengkajian yang lengkap, mendalam dan review literatur secara komprehensif untuk menghasilkan review literatur terbaru yang menggabungkan beberapa perkembangan sesuai bidang tersebut. Paper ini bertujuan menyediakan review terbaru kepada pembaca yang berkenaan dengan perkembangan terbaru dan penemuan sintesis CNT menggunakan CCVD, dengan pembahasan yang dibatasi dengan aspek material. 

Studi ini disusun sebagai berikut penempatan katalis, substrat alami, kontrol temperatur dan preparasi katalis yang memegang peranan penting dalam menentukan sifat dasar dan konfigurasi yang dihasilkan. Namun, point terpenting katalis terhadap penumbuhan yield yang istimewa dalam menghasilkan CNT dengan arah diameter dan distribusi chiralitas. Pada section selanjutnya disajikan perkembangan terbaru mengenai pengenalan tehnik CVD terkhusus pada sumber karbon (prekursor) CNT, katalis CNT, substrat CNT, perspektif kedepan dan kesimpulan dari paper ini. 

2. Tehnik Chemical Vapour Deposition (CVD)

Berbagai metode dalam menghasilkan CNT seperti arc discharge,chemical vapour deposition (CVD), laser ablation,flame synthesis, high pressure carbon monoxide (HiPco), electrolysis, pyrolysis dll. Namun, akhir akhir ini metode yang sering digunakan adalah sintesis CNT menggunakan metode CVD yang dapat dilakukan dengan sederhana dengan biaya yang rendah. Metode ini awalnya bekembang pada tahun 1960an dan 1970an yang sukses digunakan dalam menghasilkan karbon fiber dan karbon nanofiber. Pada tahun 1996 CVD muncul kembali dengan metode yang berpotensi digunakan dalam skala besar dan untuk mensintesis CNT. 

Sintesis CNT melalui metode CVD, katalis dideposisi di atas permukaan substrat dan selanjutnya katalis bernukleasi yang dibawa melalui pengetsaan secara kimia (misal ammonia) atau anelling secara termal. Sebelum menyiapkan material penyangga kemudian ditempatkan kedalam tabung reaktor untuk proses penumbuhan. Setelah reaktor/furnace dipanaskan dan mencapai temperatur (600^oC – 1200^oC), campuran gas hidrokarbon (seperti ethylene, methane, acetylene dll) dan proses gas (nitrogen, hidrogen dan argon) yang bereaksi didalam ruang diatas furnace katalis logam selama satu periode (biasanya 15 – 60 menit) dan ketika berlangsung dekomposisi dari karbon prekursor, CNT tumbuh pada partikel katalis didalam reaktor yang terkumpul dari didnding reaktor dan di permukaan penyangga setelah pendinginan menuju ke temperatur ruang. Partikel katalis dapat berada diatas atau dibawah carbon nanotube. 

Mekanisme penumbuhan CNTs walaupun terdapat beberapa kontroversi namun semua berusaha membuat teori yang valid yang dapat terbukti secara experimen dan secara teori. Walaupun, sebagian tahap dasar secara umum menyatakan bahwa produksi CNT secara kimia tanpa memperhatikan apakah penumbuhan terjadi pada fase gas atau pada permukaan penyangga. Kenyataannya sekarang ada dua mekanisme penumbuhan CNTs yang diterima, VLS (vapour-liquid-solid) dan VSS (vapour-solid-solid). Dalam mekanisme VLS pertama tama gas hidrokarbon diserap dan dipisahkan pada permukaan dari partikel katalis kebentuk dasar atom karbon, kedua atom karbon dilarutkan kedalam katalis nanopartikel berbentuk cairan karbida metastabil dan kemudia berdifusi kedalam partikel. Terakhir karbon padat mengendap di ujung partikel membentuk carbon nanotube. Dalam mekanisme VSS pertama tama gas hidrokarbon memisahkan diri dan selanjutnya atom karbon dissosiasi akan berdifusi pada partikel katalis dan terakhir karbon mengendap dan membentuk carbon nanotube. Bentuk fisik pengendapan karbon bergantung pada beberapa parameter, termasuk ukuran partikel katalis dan laju pengendapan. Oleh karena itu, mekanisme penumbuhan CNTs dengan proes CVD secara umum dibagi menjadi dua metode yang berbeda: penumbuhan dasar/akar dan penumbuhan ujung. Pada penumbuhan akar/dasar, partikel katalis teletak di permukaan penyangga dan interaksi partikel penyangga menjadi hal yang dipertimbangkan. Kebalikannyam mekanisme penumbuhan ujung mengambil tempat ketika katalis terangkat dari penyangga permukaan selama penumbuhan CNTs disebabkan oleh rendahnya interaksi penyangga dengan katalis. Secara eksperimen telah dibuktikan mekanisme penumbuhan akar dan mekanisme penumbuhan ujung yang dilakukan oleh Cassell dkk. 

Ada beberapa cara lain yang digunakan dalam metode CVD sepertiwater assisted CVD, oxygen assited CVD,hot-filament CVD, microwave plasma CVD atau radiofrequency CVD. Secara historis dekomposisi katalis hidrokarbon diketahui dapat menghasilkan karbon fiber sejak karbon filamen dihasilkan melalui sianogen diatas porselen red-hot pada tahun 1890. Pada tahun 1980an, Endo mengembangkan reaktor katalis floating menggunakan partikel katalis berdiameter 10 nm. Metode yang penggunaannya meluas ini, menggunakan prekursor aerosol dalam menghasilkan CNT, dimana dalam pirolisis hidrokarbon karena adanya katalis logam transisi (Fe, Ni, Co, dll), menghasilkan MWCNTs dan SWCNTs. Parameter utama dalam penumbuhan CNT pada metode CVD adalah atmosfer/suasana, sumber karbon, katalis dan penumbuhan temperatur. Temperatur rendah (300 ^o – 800^oC) menghasilkan MWCNTs, sedangkan temperatur tinggi (600^o – 1150^oC) biasanya menghasilkan SWCNTs. Double Walled Carbon Nanotubes (DWCNTs) dihasilkan menggunakan tehnik CVD meliputi prosedur preparasi katalis yang komplit. Selanjutnya, sampel DWCNTs secara umum juga terdiri SWCNTs dan Triple-Walled Carbon Nanotubes (TWCNTs). 

CVD juga memungkinkan menghasilkan metode serbaguna dalam menghasilkan CNTs yang didoping dengan ataom B, N atau keduanya. Yang mengizinkan penumbuhan CNT berbagai bentuk, seperti bubuk, lapisan tipis, sejajar atau terjerat/berimpit, lurus atau melingkar, bahkan menginginkan bangunan nanotube yang sesuai standar pada pola substrat. Bahkan, CCVD dianggap sebagai cara yang paling disukai dalam menghasilkan CNTs dalam skala besar dan murni jika dibandingkan dengan metode arc discharge dan laser ablation. Kedua hidrokarbon cair seperti benzena, alkohol dll dan hidrokarbon padat seperti camphor, naphthalene digunakan sebagai prekursor dalam CVD. Jika hidrokarbon padat digunakan sebagai prekursor CNT, maka dapat berlangsung pada temperatur rendah di dalam tabung reaksi. Camphor, naphthalene, ferrocene dll, dimana material alami yang tidak stabil secara langsung terjadi dari pada ke fase uap, dan CVD dilakukan ketika katalis melewati zona temperatur tinggi. Ini berarti seperti halnya prekursor CNT, prekursor katalis pada CVD juga dapat digunakan pada berbagai bentuk, padat, cair atau gas. 

Kelebihan metode CVD meliputi:

· Tehnik yang sederhana, ekonomis dan dapat terukur untuk produksi CNT secara massal.

· Hidrokarbon sangat bermanfaat pada berbagai bentuk baik padat, cair dan gas dan berbagai substrat.

· Juga dapat digunakan untuk penumbuhan CNTs dengan bentuk berbeda seperti CNTs sejajar atau berimpit, lurus atau melingkar atau nanotube dengan bentuk yang diinginkan sesuai pola pada substrat. 

Permintaan CNTs ke seluruh dunia terus meningkat dari hari ke hari dan dapat melebihi 1000 trilliun/tahun, namun harga jumlah besar SWCNTs dan MWCNTs akan sangat tinggi mencapai 1 – 10 kali lipat dari harga carbon fiber. Namun, tidak mungkin dapat dikontrol kemurnian dan sifat CNT dalam skala industri. Karena itu untuk massa produksi masih perlu ditemukan tehnik yang lebih tepat dan tehnik CVD merupakan tehnik yang menjanjikan dalam menghasilkan CNT berskala besar, seperti ratusan perusahaan di seluruh dunia yang sibuk menghasilkan dan mengkomersialisasikan CNTs dalam skala besar. Beberapa tehnik yang dimiliki kelompok peneliti telah siapa dibeli oleh beberapa industri. 

Analisis CVD dalam mensintesis CNT, memeng merupakan tehnik yang sangat populer dalam menghasilkan CNTs dan dipercaya sebagai metode yang cocok dalam menghasilkan CNT yang berkualitas baik dan berskala besar. Selain itu juga sangat sederhana, murah dan serbaguna dalam penumbuhan CNT dengan bentuk yang berbeda. Tehnik ini membutuhkan sumber karbon yang dapat berbentuk padat, cair dan gas, katalis berukuran nanopartikel dan substrat sebagai material penyangga untuk katalis nanopartikel. Sintesis CNT melalui metode CCVD meliputi beberapa parameter seperti hidrokarbon, katalis, temperatur, tekanan, laju aliran gas, waktu deposisi, geometri reaktor dll. Namun, untuk membatasi pembahasan ini, dengan mengacu pada judul paper, maka hanya akan membahas tiga parameter antara lain: hidrokarbon, katalis dan penyangga katalis (substrat). 

3. Sumber Karbon CNT

Struktur molekuler sumber karbon memiliki pengaruh yang kuat tehadap morfologi dalam menghasilkan CNTs dan prekursor dan tekanan uap yang layak, dapat meningkatkan laju penumbuhan CNT dan waktu hidup katalis. Hidrokarbon linear seperti methane, ethylene, acethilene dll dapat menghasilkan CNT hollow yang lurus yang didekomposisi secara termal ke dalam atom karbon atau dimers/trimers karbon linear, sedangkan hidrokarbon cyclic seperti benzene, xylene, fullerene, cyclohexene dll relatif menghasilkan CNTs melengkung yang sering dijembatani oleh dinding tabung. Temperatur rendah CVD menghasilkan MWCNTs, sedangkan prosedur temperatur tinggi menghasilkan SWCNTs. SWCNT membutuhkan energi yang lebih tinggi dibanding ketika membentuk MWCNTs dan memiliki diameter yang lebih kecil, kurva yang tinggi dan tegangan energi yang tinggi. Inilah mengapa kebanyakan hidrokarbon MWCNTs lebih mudah tumbuh dari SWCNTs, sedangkan penumbuhan SWCNTs dari hidrokarbon yang dipilih yang bertanggungjawab terhadap stabilitas temperatur tinggi seperti methane, carbon monoxide dll. Di sisi lain efisiensi sumber karbon MWCNTs tidak stabil pada temperatur yang lebih tinggi dan hal itulah yang menyebabkan pendeposisian senyawa karbon dalam skala besar lebih dari nanotubes. Pada tahun 2010, Plata dkk, menyampaikan beberapa pendapat hidrokarbon individu beserta dengan ethylene dan hidrogen pada reaktor berdinding dingin yang mengandung katalis panas lokal dan menunjukkan beberapa alkin untuk meningkatkan sintesis MWCNT. Mereka mendemonstrasikan mekanisme pembentukan CNT yang berbeda dimana prekursor yang mungkin utuh selama pembentukan ikatan C-C, merubah hipotesis bahwa prekursor terpisah menjadi C atau C₂ sebelum pengendapan dari logam. 

Berbagai penelitian juga menggunakan beberapa tipe sumber karbon untuk mensintesis CNT dengan penumbuhan melalui CCVD kebanyakan menggunakan methane, acethylene, ethane, benzene, ethylene, xylene, carbon monoxide, isobutane dan ethanol. Selain itu senyawa organik lainnya seperti, polimer tertentu, karbonisasi dari acrylonitrile, poly-furfuryl-alcohol dan amino-di-chloro-s-triazine telah sukses digunakan untuk menumbuhkan CNTs. Sumber karbon alami untuk sintesis CNTs seperti camphor, turpentine oil, eucalyptus oil, minyak kelapa, minyak palm.

 

Awal penelitian sintesis CNT dengan metode CVD oleh Endo dkk, melaporkan bahwa MWCNTs tumbuh pada suhu 1100^oC pada nanopartikel besi sebagai katalis dan menggunakan benzena sebagai sumber karbon, sedangkan Jose-Yacaman dkk mensintesis MWCNTs spiral pada 700^oC dari achetylene pada katalis yang sama. MWCNTs juga dapat disintesis dari sumber karbon yang lain termasuk fullerene. Disisi lain, penggunaan nanopartikel Mo sebagai katalis, oleh Dai dkk pertama kali menghasilkan SWCNTs dari karbon monoxide yang tidak seimbang pada temperatur 1200^oC. Kemudian, penelitian penumbuhan SWCNT dari ethylene, methane, benzene, acetylene, fullerene dan cyclohexane dll. Maruyama dkk menggunakan alkohol CVD dalam mensintesis SWCNTs dengan puritas yang tinggi temperatur rendah pada Fe-Co dengan penyangga zeolite dan karena ethanol menjadi prekursor CNT yang populer pada metode CVD selama ini karena penumbuhan CNTs dengan ethanol menghasilkan bentuk yang bebas dari karbon amorf, yang dietsa dengan OH. Bahkan dilaporkan bahwa ethanol CVD dapat menghasilkan SWCNTs yang sejajar secara vertikal dan dengan memberikan achetylene yang diselingi dengan ethanol secara signifikan dapat membantu ethanol untuk meningkatkan aktivitas katalis sehingga meningkatkan penumbuhan laju CNTs. Bahkan, Joshi pada tahun 2010 menumbuhkan CNTs super panjang dengan menggunakan metode CCVD yang dibantu dengan hidrogen/air dan ethylene senagai sumber karbon. Dari studi ini ditemukan bahwa hidrogen/air seharusnya menentapkan rasio yang tepat untuk membentuk penumbuhan yang super panjang bersama dengan susunan nanotubes berkualitas tinggi, dan menuju ke arah partikel katalis dan lapisan penyangga dengan komposisi permukaan yang kompleks. 

Selain hidrokarbon populer yang disebutkan diatas, senyawa organik, khususnya polimer telah digunakan untuk menghasilkan CNTs. Pada tahun 2009 Han dkk, beberapa sumber karbon yang sarat akan polimer contohnya pada alumina sangat baik untuk mendefenisikan ukuran pori dan karbonisasi pada rentang temperatur antara 400 – 600^oC selama 3 jam untuk menentukan MWCNTs pada diameter yang diinginkan. Sankaran dkk menghasilkan MWCNTs yang didoping dengan N dari karbonisasi poly pyrrole ke dalam alumina dan membran zeolit dimana menunjukkan kapasitas penyimpanan hidrogen lebih baik dari MWCNTs murni yang dihasilkan dari poly phenyl acetylene pada kondisi yang sama. Selanjutnya, pirolisis tri-propyl amine dengan kristal aluminophosphate (AFI) berskala nano (0,73 nm) menghasilkan diameter SWCNT yang lebih kecil (o,4 nm) dan pirolisis amino-dichloro-s-triazine pada substrat silika berpola menghasilkan CNTs dengan puritas yang tinggi. 

Dekade yang lalu senyawa logam organik seperti metallocene (cobaltocene, ferroce, nickelocene) dan nickel phthalocyanine digunakan sebagai sumber karbon dengan katalis, namun, penumbuhan CNTs dengan enkapsulasi sangat tinggi dan yield yang sangat rendah. Penelitian lain yaitu CNTs Y-junction dibentuk melalui pirolisis thiophene dengan metallocene, dan pirolisis sederhana saccharides pada temperatur tinggi 1300^oC menghasilkan MWCNTs lurus dan spiral. Beberapa tanaman pohon kamper hidrokarbon digunakan secara luas oleh Kumar dkk menghasilkan MWCNTs, SWCNTs dan Vertically-Aligned Carbon Nanotubes (VA-CNTs) pada substrat quartz dan silikon. Camphor juga digunakan secara meluas untuk menghasilkan CNTs produksi massal dan susunan CNT yang padat dan sangat tinggi. Namun, akhir akhir ini Zdrejek dkk pada tahun 2015 mendemonstrasikan sintesis SWCNTs dan MWCNTs menggunakan metode CCVD menggunakan sumber karbon alami propane. Mereka menemuka bahwa volume SWCNTs dan MWCNTs dapat disesuaikan sesuai temperatur penumbuhan. 

Sebagai tambahan pada laporan diatas adalah, beberapa kelompok peneliti seluruh dunia mengguakan berbagai material kombinasi untuk menghasilkan VA-CNTs yang panjang, nanotubes bercabang, nanotube yang didoping dll. Dalam proses CCVD Li dkk mensintesis MWCNTs lurus secara vertikal menggunakan C₂H₂ sebagai sumber karbon dan NH ₃ adalah logam katalis sebelum perlakuan, Cui dkk mensintesis dinding tipis, CNTs yang didoping dengan N pada quartz slides menggunakan acetonitrile sebagai sumber karbon dan ferrocene sebagai katalis, Du dkk mensintesis SWCNTs panjang dan CNTs yang bercabang menggunakan dimethyl sulphide (C₂H₆S) sebagai sumber karbon dan Co/MgO sebagai katalis. Selanjutnya, Feng dkk mensintesis DWCNTs pada satu tahap proses reaksi CCVD menggunakan acetone sebagai sumber karbon, ferrocene sebagai sumber katalis Fe dan thiopene sebagai promotor sintesis. Pada tahun 2012, VA-CNTs berdensitas tinggi untuk aplikasi interconnect yang tumbuh pada dinding termal CVD yang dingin menggunakan aliran gas acetylene sebagai sumber karbon dan pada tahun 2014 Ghorannesviss dkk mempelajari pengaruh penumbuhan temperatur terhadap penumbuhan CNTs menggunakan ethanol sebagai sumber karbon. Selain itu, carbon nanotubes juga dapat disintesis dari bahan bakar lokal seperti minyak tanah, LPG, gas batu bara, gas alami, limbah plastik, dan rumput hijau sebagai sumber karbon. 

SWCNT lebih baik dari MWCNTs pada aplikasi nano elektronik yang disebabkan karena celah pita nanotube akan bergeser menyebabkan sedikit perubahan pada diameter nanotubes dan sudut yang membentuk, namun hubungan struktur dan kegunaannya dapat dieksploitasi seluruhnya hanya dengan struktur alami SWCNTs. Tantangan terbesar selama dua dekade yang lalu adalah menghasilkan satu tipe SWCNTs yang dikontrol oleh struktur selama proses penumbuhan dan saat ini peneliti mencoba mengontrol chiralitas SWCNTs selama proses penumbuhan. Di awal tahun 2013, Maoshuai He dkk melaporkan penumbuhan CNTs yang istimewa dengan populasi tabung (6,5) yang tinggi pada 500^oC menggunakan CO sebagai sumber karbon, sedangkan Yang dkk menunjukkan SWCNTs dengan chiralitas single (12,6) dapat secara langsung dihasilkan dengan kelimpahan tungsten berbasis bimetallic alloy lebih besar dari 92% sebagai katalis dan ethanol sebagai sumber karbon.

Dalam menganalisis penumbuhan CNT menggunakan metode CCVD biasanya menggunakan sumber karbon methane, acetylene, ethane dan ethanol. Tambahan acetylene dalam ethanol CVD dapat melindungi aktivitas katalis selain itu tambahan air membantu mencapai penumbuhan CNTs yang super panjang. Namun, senyawa organik, senyawa logam organik dan pohon sukses menghasilkan penumbuhan SWCNTs, MWCNTs dan CNTs secara umum. Sebagai kesimpulan, secara eksperimen hampir semua material yang mengandung unsur karbon dapat dianggap sebagai prekursor CNT tertentu, identifikasi sumber karbon yang murah dan tersedia dimana seharusnya menyebabkan seluruh chiralitas mengontrol penumbuhan CNTs melalui CVD membutuhkan investigasi selanjutnya. 

4. Katalis CNT

Dalam mensintesis CNTs menggunakan metode CVD, katalis memainkan peran yang sangat penting dan memperbaiki karakteristik yield yang diinginkan melalui katalis sehingga memperbaiki kualitas CNTs. Nanopartikel katalis bertindak sebagai nukleasi untuk penumbuhan CNT dan dengan demikian dapat dianggap sebagai bapak hasil nanotube. Secara umum partikel katalis yang berukuran nanometer dibutuhkan dalam sintesis SWCNT, sedangkan MWCNTs dapat dihasilkan tanpa katalis. Fungsi katalis untuk menguraikan hidrokarbon pada temperatur rendah dari temperatur dekomposisi spontan melalui panas dan pembentukan CNTs melalui nukleasi baru.Nukleasi SWCNTs membutuhkan partikel katalis, oleh karena itu perhatian besar yang berhubungan dengan peran katalis dalam pembentukan embrio SWCNTs, tetapi peran keseluruhan tidak pernah melaporkan konflik dan kontradiksi mekanisme penumbuhan pada literatur tersebut. CNTs murni dapat tercapai melalui dekomposisi/penguraian hidrokarbon hanya di permukaan katalis, dan mencegah pirolisis udara. 

Dalam sintesis CNTs menggunakan CVD yang menggunakan katalis nanopartikel logam transisi. Ukuran partikel katalis akan mendikte ukuran diameter tabung, secara umum ketika ukuran partikel katalis beberapa nm, akan membentuk SWCNTs, sedangkan partikel dengan beberapa puluh nm biasanya akan membentuk MWCNTs. Namun, kehadiran diameter, panjang dan chiralitas CNTs dapat cukup hanya dikontrol melalui proses tunggal menyebabkan tidak komplitnya peran katalis pada nukleasi dan penumbuhan nanotubes. Ditemukan bahwa katalitik sintesis dengan CVD pada carbon nanotubes menyangkut difusi karbon di permukaan dan atau bulk pada partikel katalis logam. Interaksi secara kimia dan mekanik sangat kuat pada semua tahap penumbuhan CNT dan oleh karena itu, interaksi seharusnya dipahami lebih jauh untuk sintesis CNTs yang efisien. Interaksi CNT-CNT atau CNT-substrat ditambah dengan penyusunan dan aktivitas katalis menentukan penumbuhan CNTs pada konfigurasi yang terisolasi, kusut atau sejajar. Logam transisi (biasanya Fe, Co, Ni) yang berbentuk nanopartikel ditemukan sebagai katalis yang lebih efektif dengan alasa:

1. Pada temperatur tinggi, karbon memiliki kelarutan yang tinggi pada logam.

2. Karbon memiliki laju difusi yang tinggi pada logam.

Selain hal tersebut, tekanan uap pada kesetimbangan rendah dan titik cair yang tinggi memberikan rentang temperatur yang luas pada CVD dari sumber karbon. Dan juga ditemukan bahwa Fe, CO, dan Ni memiliki pelekatan yang kuat pada penumbuhan CNTs (lebih dari logam transisi yang lain), oleh karena itu mereka lebih efisien pada pembentukan CNTs dengan cekungan tinggi (diameter pendek) seperti SWCNTs. Penambahan logam transisi yang dimaksud diatas seperti In, Cu, Ag, Pd, Mn, Mo, Cr, Al dan Au juga digunakan sebagai katalis pembentuk SWCNT. Selain katalis logam, CNTs juga dihasilkan menggunakan nanopartikel berlian dan semikonduktor (Si dan Ge) sebagai katalis dan sapphire dan goresan lapisan tipis SiO ₂. Selanjutnya, akhir tahun 2015, Hu dkk mensintesis SWCNTs yang memiliki densitas tinggi sekitar 130 SWCNTs mikrometer^-1 melalui metode CVD menggunakan ethanol katalis Trojan yang dianalogikan dengan tentara yang muncul dari rumah Trojan di kisah Greek Story. Penumbuhan jejeran SWCNT direalisasikan sebagai kandidat yang kuat untuk FETs dan transistor frekuensi radio. 

5. Substrat CNT

Pada penumbuhan CNT, katalis digunakan sesuai dengan substrat material untuk kualitas dan yield CNTs. Material substrat, morfologi permukaan dan sifat tekstur berpengaruh pada yield dan kualitas penumbuhan CNTs. Tidak hanya aktivitas pada penyangga tapi juga interaksi dengan katalis dan lingkungan penumbuhan, sehingga interkasi katalis dan substrat seharusnya dipelajari dengan penuh perhatian. Interaksi baik secara fisik maupun secara kimia mungkin terjadi antara substrat dan material katalis. Interaksi secara fisika seperti gaya van-der-Walls dan gaya elektrostatik, mencegah bergeraknya partikel katalis pada material penyangga, mengurangi difusi termal dan sintering partikel logam pada material substrat. Hasilnya stabil pada distribusi ukuran partikel katalis selama sintesis CNTs. Interaksi secara kimia antara partikel katalis dan permukaan substrat juga membantu menjaga distribusi ukuran partikel katalis selama penumbuhan CNTs. Selanjutnya, pada tahun 2007 oleh Noda dkk, melaporkan bahwa substrat oxide pada dasarnya digunakan sebagai penyangga secara fisika untuk katalis logam yang memiliki peran terhadap penumbuhan CNT. Perkembangan secara signifikan terjadi pada tahun 2015 oleh Ghosh dkk, substrat graphite yang dilakukan secara kimia menentukan lapisan graphene dan kemudian menyimpan lapisan Pt dengan ketebalan 0,2 nm. Mereka menemukan bahwa penumbuhan SWCNTs melalui CVD dengan ethanol pada substrat adalah semikonduktor dengan distribusi diameter yang sempit. 

Berbagai substrat yang digunakan pada CVD untuk penumbuhan CNT adalah silicon, silicon carbide, graphite, quartz, silica, alumina, magnesium oxide, calcium carbonate (CaCO₃), zeolite, dan NaCl dll. Hai dkk, menginvestigasi pengaruh perbedaan material penyangga pada katalis CoO. Mereka memeriksa silica, titania, ceria, magnesia, alumina, zeolite dan penyangga calcium oxide menggunakan methane sebagai prekursor karbon. Mereka menemukan bahwa penumbuhan pada temperatur 700 ^oC, kapasitas karbon menurun dari alumina > ceria > zeolite > silica > titania > calcium oxide > magnesia. Sebagai tambahan, penemuan oleh Qingwen dkk, menunjukkan bahwa tidak ada pembentukan SWCNT pada substrat silica, zirconium oxide dan calcium oxide dibawah kondisi eksperimen yang sama dan menggunakan katalis Fe dan Mo, sedangkan substrat alumina dan magnesium oxide menghasilkan SWCNTs tetapi beberapa material penyangga magnesium oxide adalah substrat yang lebih efisien dalam menghasilkan SWCNTs. Pada tahun 2007 Noda dkk melaporkan bahwa katalis Fe/Al₂O_x dan Fe/Al₂O₃ menghasilkan nanotube dalam jumlah besar bahkan lebih tebal dari substrat. Mereka menemukan bahwa limpahan nanotubes tumbuh tebal hanya jika menggunakan katalis Fe/Al₂O_x dengan ketebalan Fe < 0,6 nm dan tidak untuk katalis Fe/Al₂O ₃. Mereka selanjutnya menginvestigasi pengaruh penambahan air sampai level tertentu dapat menambah laju penumbuhan nanotube, tapi penambahan terlalu banyak akan menurunkan kualitas.

Tahap batas butir atau kristalin pada material penyangga memiliki peran yang sangat penting pada penumbuhan dan orientasi CNT. Arah penumbuhan CNT diatur melalui orientasi kristalografi pada permukaan substrat yang terekspos. Dengan memaparkan beberapa laporan, penumbuhan CNT yang istimewa pada 90^o di permukaan Si (100), 60^o di permukaan Si (111). Namun, pada substrat kristal tunggal MgO (001) menghasilkan penumbuhan CNT yang istimewa sepanjang arah (110), sedangkan pada tahun 2011 He dkk menumbuhkan CNTs secara orthogonal pada partikel alumina berskala mikro melalui CVD campuran ferrocene-xylene pada temperatur 400^oC. 

Secara umum prakondisi untuk material penyangga pada stabilitas termal dan kimia dibawah proses penumbuhan. Karena itu penumbuhan secara langsung pada substrat silikon atau pada logam sulit ditemukan disebabkan difusi material katalis pada substrat dan pembentukan silika atau alloys diatas pemanasan temperatur CNT. Sebagai contoh, beberapa perhatian mengenai penempatan katalis Ni secara langsung ke dalam substrat silikom, beberapa penelitian menyatakan bahwa pembentukan nickel silicide menghentikan nukleasi partikel katalis dari lapisan tipis sehingga menghambat penumbuhan. Namun, Nihei dkk, menegaskan hal yang berlawanan yang menunjukkan penumbuhan langsung nanotube dari nickel silicide. Telah terdapat banyak pembahasan, mengenai apakah CNTs dengan substrat silicon lebih baik dari yang terbuat dari substrat silicon dioxide. Beberapa penelitian yang mengatakan bahwa penumbuhan CNTs akan lebih selektif pada Si daripada SiO₂, sementara yang lain menegaskan hal yang berlawanan. Kontradiksi ini menyebabkan substrat dengan material katalis dan lingkungan penumbuhan, meluasnya kegunaan under-layers yang datang karena keberadaannya. 

Interaksi antara katalis dan material underlayer banyak sekali dan kompleks. Pemilihan underlayer sangat kritis untuk sintesis CNT. Silicon oxide, magnesium oxide dan aluminium oxide termasuk dari beberapa material underlayer terpopuler untuk penumbuhan CNT. Hata dkk, sukses mensintesis tinggi beberapa millimeter, hamparan kristalin SWCNTs yang sejajar secara vertikal dengan katalis iron pada alumina underlayer. Sebagai tambahan pada sifat material, juga ketebalan underlayer ditemukan berpengaruh pada penumbuhan CNT. Delzeit dkk, sintesis CNTs pada ketebalan lapisan Ir dengan 20 nm tetapi penumbuhan tidak muncul ketika ketebalan lapisan Ir berkurang sampai pada 5 nm atau meningkat sampai pada 40 nm. Burt dkk, melaporkan rentang temperatur optimum penting terhadap penumbuhan CNT menganalisis perkembangan mikrostruktur pada underlayer Al. Pada tahun 2010 Nessim dkk, mengobservasi bahwa temperatur melting dan ketebalan underlayer berpengaruh terhadap penumbuhan CNT dengan membandingkan penumbuhan pada lapisan Ta dan Pd dengan berbagai ketebalan. Namun, penumbuhan pada underlayer konduktif sangat kritis untuk aplikasi elektronik karena dibutuhkan kontak elektrik antara CNT dan substrat dimana CNT ditumbuhkan. Penumbuhan CNT pada lapisan konduktif interaksi kinetik meningkat antara katalis dan underlayer disebabkan oleh pencampuran dan pembentukan senyawa intermetallic pada temperatur penumbuhan, sehingga secara kritis mengurangi dosis termal. 

6. Perspektif kedepan

Perspektif kedepan yang berkenaan dengan sintesis CNT melalui CCVD sebagai berikut:

1. Diameter penumbuhan CNT melalui metode CCVD berkenaan dengan ukuran katalis yang digunakan, oleh karena itu banyak hal yang dapat dilakukan yang memungkinkan cara menyediakan partikel katalis untuk ukuran yang persis sama, sehingga sintesis SWCNTs dengan diameter tertentu dapat dicapai.

2. Banyaknya aplikasi yang memerlukan diketahuinya hubungan antara logam katalis yang digunakan dengan sifat penumbuhan CNTs. Oleh karena itu masih banyak yang perlu terus dipelajari dan terus dieksploitasi dalam aplikasi berbagai industri termasuk aplikasi divais.

3. Karena berbagai impuritas seperti NO₂, SO₂, NO ₃ dan uap dll, yang ditambah selama proses penumbuhan CNTs dengan metode CCVD, oleh karena itu dibutuhkan studi lebih lanjut mengenai hal tersebut.

4. Pengontral chiralitas pada penumbuhan CNTs melalui metode CCVD belum dicapai, namun telah ditemukan penyangga yang digunakan dengan katalis titik lebur yang tinggi untuk chiralitas tertentu pada penumbuhan CNTs.

Tugas 8 Review Jurnal

Fluidized bed catalytic chemical vapor deposition of carbon nanotubes-a revies

Firoozeh Danafar, A. Fakhru’l-Razi, Mohd Amran Mohd Salleh, Dayang Radiah Awang Biak

Chemical Engineering Journal 155 (2009) 37 – 48 

1. Pendahuluan

Carbon Nanotubes merupakan Graphene yang tergulung, dimana graphene merupakan material yang berasal dari susunan carbon yang berhibridisasi sp ³ berikatan secara hexagonal, membentuk silinder dengan diameter berukuran nanometer dan panjang berukuran millimeter. Bentuk CNT terbagi menjadi 3 kategori utama, single walls, double walls dan multiwalls. Struktur Single wall CNTs (SWCNTs) dapat digambarkan sebagai lapisan tipis satu atom dari grafit berbentuk silinder, sedangkan Multi Walls CNTs (MWCNT) merupakan kumpulan SWCNT yang terkonsentris. Sifat SWCNTs dipegaruhi oleh cara tergulungnya lembarangraphene tersebut yang dikenal dengan vektor chiral, yang selanjutnya menentukan apakah SWCNTs tersebut bersifat logam atau semikonduktor. SWCNTs memiliki sifat optik dan listrik yang lebih baik dari MWCNTs, akan tetapi MWCNTs memiliki sifat resistansi kimia yang lebih baik dari SWCNTs. 

Penumbuhan CNT dapat dilakukan dengan beberapa metode, antara lain: arc discharge, laser ablation dan CCVD. Metode CCVD merupakan metode yang penggunaannya telah meluas dan dapat menghasilkan CNTs dalam jumlah yang besar, sehingga dapat dikomersialisasikan. Hal yang menarik pada penumbuhan CNTs dengan metode CCVD ini adalah penggunaannya hanya memerlukan temperatur rendah sehingga biaya dapat diminimalisasi, tingkat kemurnian yang tinggi, kemungkinan menghasilkan CNTs yang sejajar dan berpotensi untuk menghasilkan CNTs dalam jumlah yang besar. 

2. Sintesis CNTs menggunakan metode catalytic chemical vapor deposition (CCVD)

Penumbuhan CNT dengan metode CCVD dilakukan dengan mengalirkan sumber gas pada katalis ke dalam tunggu pemanas. Terdapat 2 proses sistem kongfigurasi dari CCVD, yaitu horizontal dan vertikal. Tehnik floating dan fixed-bed catalyst termasuk ke dalam sistem kongfigurasi horizontal, dimana floating catalist menggunakan katalis campuran dan reaktan yang diberikan pada fase gas di dalam reaktor yang dijaga pada temperatur tinggi dimana reaksi CCVD berlangsung. Katalis fase gas mengalami transformasi di dalam reaktor dan membentuk partikel katalis aktif in-situ berfase padat berukuran nano. Kekurangan metode ini adalah sulitnya mencegah penggabungan/peleburan partikel. Hanya ketika nano-katalis padat menempel dipermukaan reaktor, sehingga memiliki waktu yang cukup untuk membentuk CNTs. Beberapa katalis berfase gas dan berfase padat yang tidak menempel di dinding reaktor tidak dapat bereaksi pada temperatur yang tinggi akan menjalar ke reaktan yang tidak terpakai dan gas pembawa atau gas hasil reaksi (hidrogen) sehingga secara dramatis menurunkan efisiensi proses. 

Pada proses fixed-bed, katalis fase padat ditempatkan pada wadah didalam reaktor dan reaktan yang berfase gas dimasukkan ketika temperatur operasional tercapai. Efisiensi penumbuhan CNT dalam proses ini sangat dibatasi oleh ketidakhomogenan antara kontak antara gas-padat dan perbedaan/gradien temperatur. Pada reaktor fixed bed horizontal, sumber gas carbon berdifusi ke partikel katalis menjadi terbatas disebabkan karena semakin banyaknya CNT yang tumbuh yang akan menutupi permukaan sehingga mengurangi efektivitas katalis di permukaan. 

Sistem fluidized bed CVD (FBCVD) terdiri dari furnace dan reaktor dalam posisi vertikal dimana partikel katalis bergantung pada aliran gas di atasnya. Keuntungan proses FBCVD dibanding kedua sistem sebelumnya yaitu floating dan fixed-bed catalyst, yaitu seperti pada metode floating catalyst sangat baik dalam transfer panas dan massa serta nanopartikel katalis menempati permukaan yang cukup luas dan kuat untuk tidak ikut bergerak bersama aliran gas reaktan/pembawa/produk. Besarnya daerah kontak antara reaktan dengan serbuk katalis menyebabkan reaksi kimia dan transfer panas menjadi lebih efektif. Banyaknya katalis yang tersedia sebanding dengan penumbuhan CNT, sehingga FBCNT lebih efektif dibanding dengan tipe lain dalam metode CVD untuk mensintesis CNT dalam jumlah yang besar. 

Dalam skala mikroskopik, mekanisme model pertumbuhan CNT dengan metode CCVD terdiri dari 3 tahap yang menyebabkan karbon padat dengan struktur sp ² berbentuk tabung. Tahapan tersebut berturut turut antara lain dissosiasi (pemisahan) molekul hidrokarbon oleh katalis, saturation (penyerapan) atom karbon ke dalam nanopartikel katalis dan presipitasion (pengendapan) atom karbon dari katalis dalam bentuk CNT. Sifat CNT yang terbentuk, termasuk dimensi, jumlah dinding, chiralitas dan grapitization (perubahan struktur mikro) ditentukan oleh proses dan mekanisme pertumbuhan. Oleh karena itu, parameter yang mempengaruhi CCVD seharusnya dipertimbangkan dengan baik untuk mensintesis CNT. Berdasarkan beberapa literatur, parameter yang mempengaruhi adalah katalis, temperatur, sumber karbon dan waktu. 

2.1. Katalis

Peran katalis sangat penting dalam mensintesis CNT dengan metode CCVD dan oleh karena itu untuk memperbaiki karakteristik katalis yang diinginkan dilakukan dengan memperbaiki proses penumbuhan sebaik mungkin. Dalam proses CCVD, katalis merupakan material yang bekerja sebagai dekomposisi (pengurai) hidrokarbon dan pembentukan CNT, akan tetapi telah ditemukan bahwa katalis hanya memiliki kemampuan untuk dekomposisi (penguraian) molekul hidrokarbon, bukan penyebab terbentuknya CNT. Hasil ini menegaskan bahwa pemilihan katalis harus lebih hati hati karena merupakan faktor yang mendominasi sintesis CNT dalam metode CCVD. Logam transisi dalam bentuk nanopartikel dianggap sebagai katalis yang paling efektif. Faktor yang mempengaruhi kekuatan CNT berdasarkan sifat khas dari katalis antara lain: (a) aktifitas katalis dalam dekomposisi (menguraikan) senyawa karbon yang tidak stabil, (b) kemampuan pembentukan karbida metastabil, dan (c) difusi karbon melalui dan diatas partikel logam. 

Terdapat dua tahap penting dalam sintesis CNT dengan metode CCVD yaitu diawali dengan tahap preparasi katalis dilanjutkan dengan tahap kehadiran katalis. Pemilihan katalis dan penyangga dengan mengulangi proses dengan katalis dan penyangga yang berbeda untuk memperbaiki hasil secara signifikan. Interaksi antara penyangga dan nanopartikel logam baik sifat kimia maupun sifat fisika sangat dipengaruhi oleh nanopartikel katalis. Batas ukuran dan penentuan partikel logam oleh porositas penyangga merupakan interaksi fisika, sedangkan interaksi kimia mempengaruhi stuktur listrik dari sifat katalis nanopartikel. Kedua interaksi secara kimia dan secara fisika tidak hanya pada penyangga dan material katalis tapi juga orientasi kristalografik, tingkat kekasaran permukaan dan sifat porositas penyangga. Kaidah umum yang dihasilkan yaitu interaksi lemah dihasilkan pada ujung penumbuhan, sedangkan interaksi kuat pada dasar penumbuhan. Kekuatan interaksi antara logam dan penyangga akan memperbaiki dispersi (penyebaran), distribusi ukuran yang sempit, serta mengurangi sintering dan aglomerasi (penumpukan) dari logam aktof tertentu. Disisi lain kekuatan interaksi antara logam dan penyangga akan menghalangi pengurangan prekursor oxida dari logam aktof tertentu. 

Hasil penumbuhan CNT dengan katalis yang sama tetapi penyangga yang berbeda disarankan yang memiliki substrat dengan daerah permukaan yang luas, seperti alumina dan silika. Tingginya permukaan memungkinkan sumber karbon segera berdifusi pada partikel katalis logam. Sehingga, untuk memaksimalkan permukaan tidak hanya dengan menggunakan katalis nanopartikel heterogen. Pada dasarnya, peran katalis antara lain: (a) menyebarkan phase aktif, (b) mencegah sintering katalis dan (c) memperbaiki kekuatan mekanik. 

 

Secara umum katalis heterogen menentukan struktur pori penyangga, akan tetapi tidak berperan penting pada penumbuhan CNT dengan metode CCVD. Pori-pori tersebut tidak aktif jika tidak mengandung katalis logam aktof tertentu. Jika logam katalis aktif tertentu tersedia di dalam pori, maka akan mempercepat karbon memenuhi pori dan menghalangi penambahan reaktan hidokarbon. 

Kesepakatan dalam literatur ilmiah bahwa logam transisi dalam bentuk nanopartikel dapat menghasilkan CNT dan diameter luar nanotube yang terbentuk berhubungan langsung dengan ukuran partikel katalis. Faktor lain yang mempengaruhi aktivitas penyangga katalis adalah tingkat menyebarnya nanologam tersebut diatas penyangga. Optimasi partikel nanopartikel logam dan penyebarannya pada penyangga menyebabkan meningkatnya jumlah tempat yang aktif untuk dekomposisi hidrokarbon. Berdasarkan pengalaman secara sains dan tehnologi bahwa dengan metode sintesis menggunakan katalis heterogen dapat memenuhi persyaratan untuk memhasilkan CNT dengan struktur dan komposisi yang kuat. 

 

Beberapa strategi untuk sintesis penyangga katalis logam, dan yang umum dilakukan adalah metode sol-gel, impregnation (peresapan), co-precipitation (pengendapan), dan CVD. Efektifitas dari metode tersebut sangat bergantung pada sifat permukaan penyangga melalui interaksi dengan logam aktif. Metode sintesis sol-gel telah dilaporkan memiliki sifat distribusi homogen yang tinggi terhadap logam transisi pada penumbuhan nanotube yang lurus, akan tetapi aktivitas penyangga katalis mempengaruhi kondisi setiap single CNT dan seharusnya dapat dikonrol dengan teliti untuk membuat metode tersebut reproduksibel. Penyebaran partikel logam pada penyangga juga bergantung pada rasio kandungan logam – penyangga dalam proses preparasi. Rasio kandungan antara logam dan penyangga menyebabkan sintesis ini memperoleh hasil yang maksimum. Dengan meningkatkan persentase logam bukan hanya berguna untuk menambah tersedianya zat aktif pada penumbuhan CNT, akan tetapi juga meningkatkan rata rata ukuran partikel dalam logam . Dengan meningkatkan logam katalis pada penyangga, dapat meningkatkan laju dan hasil serta lebih mengaktifkan katalis yang tersedia untuk pendeposisian karbon. Setelah optimal, maka dapat membuat partikel logam membesar di area sempit tertentu. 

Logam Fe, Co, dan Ni telah dianggap sebagai katalis terefektif untuk penumbuhan CNT. Akan tetapi, tantangannya adalah logam mana yang lebih aktif dan menghasilkan kualitas CNT yang terbaik. Secara umum, logam Fe menghasilkan kualitas CNT yang lebih rendah dibanding Co dan Ni. Gabungan dua transisi (logam alloy) antara logam transisi yang satu dengan logam transisi atau bukan logam transisi dapat memperbaiki kualitas CNT dan menurunkan temperatur reaksi . Walaupun pemilihan dan preparasi katalis merupakan faktor yang sangat menentukan dalam sintesis CNT, terdapat sejumlah mekanisme yang dapat menyebabkan tidak aktifnya katalis dan karenanya menurunkan kinerja reaktor. Peracunan, pengotordan sintering menyebabkan tingginya temperatur atau lamanya waktu reaksi dalam metode ini. Perubahan fase dalam penyangga katalis juga sering muncul yang selain menyebabkan tingginya temperatur yang dibutuhkan, juga menyebabkan berkurangnya area permukaan sehingga berdampak pada berkurangnya jumlah laju reaksi pada tempat yang aktif. Sebagai akibatnya, parameter yang mempengaruhi proses sintesis CNT yang lain harus diperhitungkan secara bersama. 

2.2. Temperatur

Setiap tahap dalam penumbuhan CNT yang dibahas pada subbab 2.1 diproses secara termal dan oleh karena itu perlu karakterisasi batas temperatur di setiap tahap. Temperatur awal untuk sintesis CNT pada metode CCVD yang sering dilaporkan lebih tinggi dari 500^oC tapi hasil ini bukan temperatur maksimum. Pada awalnya, dipercaya bahwa temperatur yang sangat tinggi cocok untuk pembentukan SWCNT dibanding MWCNT, akan tetapi dengan adanya metode CVD ini, khususnya FBCVD, merubah pendapat yaitu penumbuhan SWCNT harus dijaga pada temperatur rendah. Beberapa laporan yang dihasilkan seperti pada tabel dibawah. 

Pengaruh temperatur terhadap morfologi CNT yang terbentuk merupakan salah satu topik terpopuler yang sering dibahas. Muataz dkk, membahas mengenai peran temperatur pada sintesis CNT menggunakan metode floating catalyst, dengan benzena dan ferrocene berturut-turut sebagai prekursor dan katalis. Mereka menekankan bahwa sintesis MWCNT terjadi diatas temperatur 500^oC dan jumlah dinding maksimum serta impuritas yang rendah terjadi pada temperatur 850 ^oC. Pada temperatur yang lebih tinggi, CNT yang terbentuk seperti nanofiber. Mereka juga mengungkapkan kepastian hubungan antara diameter rata-rata, panjang CNT dan temperatur. Mereka mengemukakan bahwatemperatur merupakan faktor yang mendominasi diameter CNT. Hal yang sangat berpengaruh terhadap meningkatnya temperatur adalah meningkatnya ukuran partikel logam selama penumbuhan CNT, dan konsekuensinya berdampak pada diameter CNT. Akan tetapi, beberapa laporan juga terjadi ketidakkonsistenan tentang pengaruh temperatur pada mekanisme penumbuhan CNT. Kim, dkk gagal mengamati pengaruh temperatur pada diameter CNT, akan tetapi mampu mengamati bahwa temperatur yang tingi menyebabkan semakin panjangnya kristalin nanotube. Son dkk, menyimpulkan bahwa sintesis diameter CNT dari methane dengan metode fluidized bed menurun dengan meningkatnya temperatur. Namun, temperatur jelas mempengaruhi laju pertumbuhan, kemurnian (puritas) dan kristalin CNT pada CNT tersebut. 

Paradoks dari sintesis CNT tentang temperatur yang tinggi bahkan tanpa cacat, yaitu baik untuk kristal nanotube, termasuk parameter yang menarik seperti yield dan puritas, tetapi temperatur yang sangat tinggi juga memiliki beberapa kekurangan antara lain: deformasi katalis, sintering penyangga katalis, pembentukan alloy pada katalis bimetal dan pembentukan amorf karbon. meskipun pada kasus yang jarang terjadi, CNT yang dihasilkan pada temperatur lebih tinggi dari 1000^oC, namun CNT berbentuk non-tubular dapat dihasilkan metode CVD. Hal ini mengungkapkan bahwa ketika temperatur sekitar 1000^oC tidak hanya terjadi pirolisissumber karbon, tapi juga ketika akan dimulainya pirolisis CNT. Akibat lain dari perubahan temperatur terkhusus pada sintesis SWCNT adalah distribusi diameter dan chiralitas. Bahkan, ukuran dan bentuk nanopartikel katalis akan lebih stabil pada temperatur rendah, terutama dalam mengontrol ukuran dan chiral nanotubes menjadi lebih baik .

 

2.3. Sumber karbon

Selain temperatur dan katalis, sumber karbon juga mempunyai peranan penting dalam penumbuhan, karakteristik dan sifat CNT, karena mereka memiliki energi ikat, tipe dan reaktif dalam senyawa serta sifat termodinamika tersendiri. Perbandingan karakteristik CNT yang dihasilkan berhubungan dengan struktur kimia dari hidokarbon dan pembentukan CNT. Hernadi dkk, telah mendeklarasikan bahwa hidrokarbon tak jenuh memiliki yield dan laju/nilai deposisi yang lebih tinggi dari gas jenuh. Sebagai tambahan, karbon gas jenuh cenderung menghasilkan filamen grafitisasi (proses perubahan karbon yang strukturnya relatif tak teratur menjadi struktur yg teratur) yang tinggi dengan sedikit dinding dibanding dengan gas tak jenuh. Sehingga, disarankan menggunakan hidrokarbon jenuh untuk menghasilkan penumbuhan SWCNT dan menggunakan hidrokarbon tak jenuh untuk menghasilkan penumbuhan MWCNT. Akan tetapi, SWCNT diperoleh dari hidrokarbon tak jenuh dengan tingkat keenceran yang tinggi. Li dkk, menunjukkan bahwa struktur kimia hidrokarbon, seperti straigh-chained ring (rantai lurus berbentuk cincin) atau seperti struktur benzena, secara signifikan lebih berpengaruh pada sifat termodinamik (misal, entalpi) sumber karbon pada pembentukan CNT. Selain kongfigurasi, fungsional senyawa hidrokarbon juga turut menentukan kualitas material yang dihasilkan. Penumbuhan SWCNT murni dapat dilakukan pada temperatur rendah menggunakan alkohol dengan berbagai katalis. Penulis menyimpulkan bahwa alkohol lebih baik digunakan sebagai sumber karbon untuk penumbuhan SWCNT dari hidrokarbon dan hal ini wajar karena disebabkan adanya radikal OH^- untuk mengetsa karbon amorf yang terendap. Namun, Herdani dkk dan Qian dkk menyarankan bahwa dengan menggunakan katalis tertentu maka tidak mempengaruhi morfologi CNT. 

Sintesis CNT menginginkan sumber karbon yang stabil secara kinetik, dimana sumber karbon mengalami dekomposisi pirolisis paling sedikit pada proses temperatur. Pada umumnya, sumber karbon yang digunakan adalah ethylene, acetylene, methane, ethanol dan CO. Akhir akhir ini, yen dkk, melaporkan bahwa CNT dapat disintesis dari padatan polimer polucarbosilane dan polyethylene menggunakan metode FBCVD. Hasil eksperimen mengindikasikan bahwa sintesis CNT dari PE memiliki kualitas yang lebih baik dan derajat grafitisasi yang lebih tinggi. Menyebabkan rendahnya biaya dan tersedianya sumber alami, mereka menggunakan sumber karbon tersebut dengan tujuan untuk memperoleh hasil CNT pada skala luas dengan biaya yang murah. Hal ini membutuhkan sumber karbon alami yang mahal dan terbatas. Bahkan, gas organik sangat bersifat racun, berbahaya dan sulit untuk disimpan dan diangkut. Karena itu, batu bara, LPG dan gas alami sangat baik digunakan untuk mensintesis CNT. Akan tetapi, terdapat kekurangan dalam menggunakan sumber karbon alami yaitu adanya impuritas (pengotor) yang akan mempengaruhi proses dan reaksi, dan juga dapat menimbulkan kerusakan terhadap peralatan. Hal ini menjadi penting untuk diperhatikan dalam meningkatkan yield dan kualitas CNT yang dihasilkan dari sumber karbon alami. Penjelasan yang layak diperhatikan adalah pengaruh gas tertentu dalam gas batubara dan gas alami. Untuk dapat menghasilkan CNT yang komersial, harus disuplay oleh sumber karbon dengan konversi (perubahan) yang tinggi, murah, tersedia, dan menghasilkan CNT dengan cacat yang rendah. 

Kualitas sumber karbon jelas mempengaruhi reaksi dan karenanya dalam proses terdapat nilai arus kritis. Jelas bahwa pada laju alir yang rendah, reaktan tidak cukup untuk bereaksi dengan katalis dan konsentrasi sumber karbon dikontrol dari dekomposisi. Semakin tinggi laju alir, maka semakin meningkatkan laju dekomposisi, tetapi setelah titik kritis, meningkatnya laju alir tidak signifikan terhadap peningkatan laju dekomposisi atau penumbuhan CNT, yang dapat dikontrol oleh partikel katalis tertentu . Penumbuhan SWCNT atau MWCNT, faktanya dapat dihasilkan dengan mengontrol laju sumber karbon dan beberapa sumber karbon yang berlebih akan menghasilkan struktur yang acak. 

2.4. Gas pembawa

Dalam proses sintesis CNT, beberapa prekursor karbon tertentu diberikan kedalam reaktor dalam bentuk gas. Untuk mengurangi pembentukan amorf karbon dan menurunkan waktu kontak antara sumber karbon dan katalis, sumber karbon diencerkan oleh gas pembawa. Chamber juga harus dijaga agar bebas oksigen dengan menggunakan gas pembawa (carrier gas) selama proses untuk mencegak terjadinya oksidasi karbon. Hal penting yang perlu ditekankan bahwa gas pembawa seharusnya merupakan gas non-reaktif. Argon, hidrogen dan nitrogen merupakan gas pembawa yang terpopuler karena mereka mudah membentuk atmosfer inert, gas lain yang biasa digunakan adalah helium atau NH₃. Secara umum, gas pembawa dapat mempengaruhi penumbuhan dan karenanya mempengaruhi struktur dan sifat CNT. 

Qingwen dkk, melaporkan pengaruh gas pembawa cyclohence dengan metode CVD. Ketika menggunakan Argon sebagai gas pembawa akan menghasilkan MWCNT, sedangkan ketika menggunakan hydrogen sebagai gas pembawa akan menghasilkan SWCNT . Studi yang relevan dikaji oleh Mi dkk, membandingkan pengaruh NH ₃ dan nitrogen sebagai gas pembawa terhadap struktur dan morfologi CNT. Dalam kasus, yang menggunakan ferrocene sebagai katalis dan acetylene sebagai sumber karbon, dan NH₃ sebagai gas pembawa menghasilkan CNT dengan struktur seperti bambu dengan diameter dibandingkan dengan yang menggunakan nitrogen. Pernyataan diatas, cukup sesuai dengan hasil yang diperoleh oleh Kukovitsky dkk. Penulis menyimpulkan bahwa kondisi gas alami memiliki pengaruh penting terhadap gerakan dan proses sintesis dari partikel katalis, dan oleh karena itu kekuatan pada interaksi logam-penyangga berubah. 

Urutan peristiwa yang terjadi dalam proses sintesis CNT dengan metode CVD antara lain: gas reaktan masuk ke dalam reaktor melalui aliran yang dibuat, difusi gas melalui batas lapisan (boundary layer), gas yang datang ke permukaan substrat, gas hasil reaksi difusi dari permukaan melalui boundary layer. Berbagai fenomena transfor, baik secara difusi maupun konveksi dan proses reaksi yang mendasari metode CVD yang melibatkan beberapa tumbukan antar molekul. Tumbukan tersebut mentransfer energi dan momentum ke pasangan tumbukannya, atau menyebabkan transfer massa antara satu bagian ke bagian yang lain. Sifat transfer gas yang meliputi beberapa komponen, termasuk viskositas dan konduktivitas termal, koefisien difusi panas dan massa mempengaruhi temperatur, tekanan dan komposisi campuran. Jelasnya, cara berdifusi dalam proses penumbuhan CNT yaitu dimana gas panas memaksa katalis untuk menempel pada media dan memperlambat penumbuhan CNT. Sehingga dapat disimpulkan bahwa lingkungan/kondisi gas alami secara intensif mempengaruhi semua tahap sintesis CNT menggunakan CVD.

Perlu diperhatikan bahwa, H₂ umumnya dianggap sebagai gas reaktif dibanding sebagi gas pembawa. Hal ini dipercaya bahwa hidrogen yang tersedia di logam katalis berkurang/menyebar di lingkungan sekitarnya dan karenanya deposisi karbon dipermukaan katalis mencegah peracunan yang menyebabkan berkurangnya pembentukan karbon deposisi yang tidak diinginkan. Namun, Qian dkk, mengungkapkan bahwa tidak ada perbedaan yang nyata pada morfologi CNT baik yang menggunakan katalis unreduced, maupun yang menggunakan katalis reduced. Mereka juga melaporkan bahwa ketika menggunakan katalis unreduced konversi/perubahan methane sebagai sumber karbon meningkat secara signifikan. Kelompok berbeda juga mengungkapkan hasil yang sesuai, yaitu dengan menggunakan gas pembawa Argon atau Nitrogen menghasilkan CNT dengan kualitas yang baik. 

Meskipun keberadaan H₂ sangat penting dalam menghasilkan SWCNT, hasil terbaik yang diungkapkan oleh Son dkk adalah, tanpa menggunakan H ₂ diameter yang dihasilkan menurun dan kristalisasinya meningkat. Selanjutnya, Liu dkk, menguji pengaruh konsentrasi H₂ terhadap morfologi CNT, menekankan bahwa dengan meningkatkan konsentrasi H ₂ membawa perubahan besar pada CNT yang terbentuk dalam hal jumlah dinding dan diameter. Hidrogen dengan konsentrasi tinggi mempercepat sintering partikel logam dan konsekuensinya memperbesar diameter CNT. Bukti yang menyakinkan telah dilaporkan sebelumnya mengenai kebergantungan ukuran katalis terhadap pembentukan CNT. Pengamatan mengenai pengaruh konsentrasi hidrogen pada struktur lapisan karbon telah sesuai terhadap apa yang telah dilaporkan oleh Xiong dkk. Oleh karenanya, sintesis SWCNT atau MWCNT dapat dilakukan dengan memperhatikan konsentrasi H­₂ . Disamping semua itu, perlu diketahui dengan baik bahwa penumbuhan nanofiber dapat ditingkatkan dengan atmosfer hidrogen. 

Hasil ini mengaindikasikan bahwa senyawa gas yang mengalir memiliki pengaruh yang kuat terhadap sintesis CNT dengan metode CVD . Yang berperan pada tahap reaksi CVD, stabilitas katalis dan aktivitasnya. Oleh karena itu, gas pembawa memiliki dampak terhadap karakteristik morfologi dan struktur pada penumbuhan CNT dan keseragamannya . Lebih mendalam lagi, tak bisa dipungkiri bahwa suasana gas mempengaruhi sintesis CNT metode CCVD. Oleh karena itu dibutuhkan ketelitian dan pembahasan yang mendalam mengenai hal tersebut. 

2.5. Kecepatan dan waktu proses

Lamanya pengoperasian yang baik ditentukan oleh hasil dan proses yang berkualitas, dan yang terpenting adalah faktor ekonomi dalam pemprosesannya. Dalam proses CCVD, terdapat waktu optimum yaitu ketika melebihi waktu tersebut maka nukleasi menjadi lebih sulit dan menonaktifkan nanopartikel katalis yang mulai muncul. Namun, terdapat perbedaan waktu optimum yang besar sehubungan dengan parameter dan katalis alami, sebagaimana halnya dengan sumber karbon. Nukleasi CNT, mengakumulasi atom karbon di dalam partikel katalis ketika mencapai konsentrasi kritis, yang berhubungan dengan laju deposisi. Kouravelou dan Sotirchos dalam studinya membuktikan bahwa laju deposisi bergantung pada prekursor alami karbon dan komposisi katalis sebagaimana halnya dengan temperatur. 

 

Sementara itu, telah dilaporkan bahwa CNT memiliki perbedaan morfologi apabila dilakukan dengan waktu reaksi yang berbeda. Lamouroux, percaya bahwa waktu reaksi yang singkat akan menyesuaikan penumbuhan SWCNT. Kim dkk, melaporkan bahwa diameter CNT ditentukan oleh lamanya waktu pemanasan dalam tabung reaktor. Sesuai dengan penyataan mereka, Roman dan somenath menunjukkan bahwa rata rata diameter MWCNT meningkat seiring dengan lamanya proses CVD, kemungkinan disebabkan oleh sintering dan tumpukan partikel. Selanjutnya, panjang CNT dikontrol oleh lamanya waktu deposisi. Qian dkk, menyimpulkan bahwa sampel CNT pada periode yang berbeda mempunyai stabilitas termal yang berbeda, yaitu dimulai dari penumbuhan CNT pada kestabilan termal yang rendah dan cacat yang berat jika dibandingan dengan penumbuhan tabung sepenuhnya. Hal ini menyatakan bahwa reaksi kinetik sangat dibutuhkan selama sintesis CNT dikendalikan . 

Penelitian Roman dan Somenath, telah menunjukkan bahwa lamanya waktu alir, waktu yang dibutuhkan fluida di dalam reaktor, juga berperan penting dalam penumbuhan CNT melalui proses CCVD. Berdasarkan dari hasil yang mereka dapatkan dengan metode fixed-bed-reaktor, pada waktu tinggal yang sangat rendah hanya CNT dengan bentuk bukan non-tubular. Ketika waktu tinggal ditingkatkan, maka konsentrasi radikal aktif dan zat perantara gas meningkat, oleh karena itu mereka bergabung kembali ( recombine) dan membentuk molekul yang lebih besar. Pada kondisi ini, radikal aktif menangkap atom C yang tersedia, jika tdk membentuk CNT maka akan membentuk atom karbon yang lain. 

Tersedianya area permukaan yang khusus untuk reaksi CCVD dan karena kuatnya pengaruh lama sintesis danspace velocity. Space velocity adalah volume laju alir relatif terhadap massa katalis. Beberapa parameter penting telah dibahas yang dapat menjadi pertimbangan selama pengukuran dalam proses katalis seperti penyaringan katalis ( catalyst screening), penentuan proses parameter, kondisi optimasi proses katalis, dan penonaktifan. Pada dasarnya,space velocity akhirnya dapat ditentukan padaa pilot plant. Hal ini bermanfaat, dengan catatan bahwa space velocity pada fluidized bed reactors relatif lebih tinggi dibandingkan dengan fized bed, karenanya baik untuk mensintesis CNT berdinding satu atau rangkap . Space velocity yang tinggi mencegah pengaruh difusi luar dalam partikel katalis dan dapat diperoleh dengan menggunakan laju alir gas yang tinggi atau bukan berbagai dasar katalis yang padat/rapat. Kendala yang sering muncul pada laju alir yang tinggi bahwa terus berkurang sampai pada lingkungan dasar katalis dan akhirnya mempengaruhi kualitas deposisi. Bahkan, terdapat beberapa kesulitan pada kecepatan gas yang tinggi untuk meningkatkan pengaruh kestabilan fluidisasi katalis dan ukuran density yang rendah dalam reaktor. Liu dkk, mendemostrasikan metode singkat meningkatkan space velocity untuk mensintesis DWCNT. Space velocity ynag tinggi dicapai oleh katalis yang tersedia dalam jumlah sedikit di dalam fluidized bed reactor. Namun, parameter yang menonjol secara sistematis masih menjadi rahasia di sebagian besar penelitian mengenai sintesis CNT metode CVD baik fixed atau fluidized bed.

 

3. Sintesis CNT menggunakan tehnik fluidization

Fluidized bed reactor memiliki aplikasi yang meluas di bidang industri, seperti reaktor kimia dengan tipe yang berbeda, memecahkan katalis cair, pembakaranfluidized bed, fluidized bed bio-filter atau aplikasi coating pada padatan. Fluidized bed reactor mampu menghasilkan kontak antara gas dan padatan serta pencampuran partikel dengan baik, mempermudah mengontrol dengan ketat reaksi eksotermal, menyediakan gas untuk partikel dan bed untuk dinding CNT dengan baik. Akhir akhir ini, fluidized bed reactor dengan penyangga katalis nano logam mampu telah ditemukan memiliki efektivitas yang sama dalam memproduksi CNT. FBCVD secara khusus menggunakan reaktor vertikal yang tertutup dengan pemanas listrik. Sumber karbon dan gas pembawa bercampur mengalir ke atas penyangga partikel katalis dengan kontak yang baik dengan reaktan. Produksi massal dari CNT, jika ditinjau berdasarkan ketahanan, fleksibilitas dan produktivitas yang tinggi, maka tehnik FBCVD memberikan kemampuan lebih di banding dengan tehnik fixed bed dan floating catalyst. Bahkan, FBCVD mudah ditingkatkan dan dapat dioperasikan secara terus menerus dengan biaya yang rendah dalam skala produksi CNT.

Pada dasarnya, fluidization menyediakan space velocity yang tinggi yang menyebabkan efisiensi kontak antara gas dan padatan dan karenanya meningkatkan transfer massa dan energi. Hal ini sesuai dengan tercapainya proses yield yang tinggi, hasil yang homogen, murni dan selektif. Bahkan proses yang fleksibel terhadap parameter pengoperasian seperti campuran gas, temperatur yang dapat diatur sesuai hasil yang diinginkan. Selanjutnya, tersedianya space untuk penumbuhan CNT dan waktu resistansi mereka dapat dikontrol dengan tepat serta aktivitas katalis yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan produksi massal yang baik dengan pertumbuhan yang seragam. Meskipun terdapat beberapa kelebihan, jika terdapat perencanaan dan pengoperasion fluidized bed reactor yang salah maka dapat menyebabkan perubahan secara teori jauh dari sempurna. 

Fasilitas lain yang disediakan oleh fluidized bed reactor didemonstrasikan oleh Xu dan Zhu yang menitikberatkan keunggulan lain dari reaktor dalam menghasilkan CNT secara massal. Mereka mengembangkan tehnik baru yaitu metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) yaitu menambahkan satu tahap preparasi dengan menyebarkan katalis pada logam-penyangga dilanjutkan oleh metode FBCVD. Beberapa kelebihan metode ini dibanding dengan metode konvensional (seperti: impregnation/ peresapan, pertukaran ion, presipitasi bersama, pengkristalan bersama) karena menghilangkan operasi pengeringan, dan karenanya meminimalkan aggregat/penggumpalan atau pertumbuhan ukuran kristal diatas partikel logam penyangga yang disebabkan oleh pengoperasian. Aktivitas penyangga partikel katalis yang disiapkan telah diuji selama sintesis CNT dengan metode FBCVD menggunakan achetylene. Hasil ini membuktikan bahwa untuk semua katalis logam penyangga yang tersimpan pada logam memiliki tingkat penyebaran yang tinggi pada permukaan partikel penyangga . Dengan mencoba mengembangkan FBCVD menuju produksi secara massal, See dkk, menyelidiki beberapa parameter dan mereka pengaruh FBCVD menggunakan fractional factorial design. Namun, dibutuhkan pemahaman yang mendalam dan lebih jauh mengenai parameter pengoperasion untuk menghasilkan CNT yang komersial dan memiliki kualitas dan kuantitas yang baik. Kajian umum mengenai prinsip fluidization memberi kontribusi yang baik pada FBCVD. 

Kualitas fluidization secara teliti berhubungan dengan sifat partikel, seperti kerapatan partikel, ukuran partikel dan distribusinya serta karakteristik permukaan. Geldart mengklasifikasikan powders ke dalam 4 kategori berdasarkan sifat fluidization-nya pada kondisi ambient. Type A merupakan partikel dengan ukuran 20-100 mm, memiliki struktur kohesi yang agak ramping. Tipe B adalah material padat seperti gelas dan pasir dengan diameter sekitar 150 mm. Tipe C adalah partikel yang lebih kecil dan lebih ringan dibanding tipe A, biasanya dengan diameter kurang dari 20 mm. Tipe D merupakan partikel yang besar, yang berode satu millimeter atau lebih. Partikel ukuran nano, seperti yang diklasifikasikan oleh Geldart, berada dalam kelompok C, tapi sifat fluidization nya berbeda dari partikel C secara konvensional karena dimensinya dan kerapatannya jauh lebih kecil. Partikel C Geldart sulit untuk dialirkan karena memiliki gaya kohesi yang besar yang menyebabkan bentuk dan saluran dalam wadahnya (bed) retak. Walaupun nanopartikel dengan muatan permukaan yang besar diharapkan dapat dengan mudah dialirkan yang disebabkan oleh pembentukan gumpalan.Fluidization tipe ini disebut agglomerate particulate fluidization.

 

Pada dasarnya kualitas fluidization dinyatakan oleh rasio kecepatan aliran gas yang digunakan terhadap kecepatanfluidization minimum (U/U_mf). Kecepatan fluidization minimum adalah kecepatan aliran luar yang diberikan gaya dari atas yang sama dengan tinggi partikel sesungguhnya dalam bed. Penurunan tekanan gas yang melintasi bed menjadi konstan dengan meningkatnya kecepatan gas. Kecepatan fluidization minimum bergantung pada ukuran dan kerapatan partikel, kelompok Geldart dan sifat baik dari zat cair. Nilai U_mf secara eksperimen biasanya ditentukan oleh pengukuran penurunan tekanan sebagai fungsi dari kecepatan gas. Dan juga hubungannya dapat diprediksi secara empirik atau semi-empirik. Namun, hasil dari berbagai persamaan tidak akurat yang secara praktis menyebabkan perbedaan sifat partikel. 

Masalah yang menonjol dalam sintesis CNT dengan metode FBCVD berhubungan dengan penentuan kualitas fluidization, karena berubahnya karakteristik bed pada sejumlah reaksi dan temperatur tinggi.Partikel katalis diawali dengan fluidization dan sifatfluidization dapat dengan mudah diprediksi pada kondisiambient berdasarkan klasifikasi Galdert. Namun, karakterisasi fluidization pada perlakuan perubahan temperatur, dimana di atas 500^oC muncul perbedaan dari kondisi ambient yang ditempati. Hal ini disebabkan karena pengaruh sifat gas pada grup dan mungkin berdampak serius pada pengoperasian fluidized bed. Bahkan, U_mf secara signifikan menghasilkan distribusi ukuran berbeda terhadap fresh bed yang disebabkan oleh elutriasi, attrition (pengurangan), gumpalan partikel, berubahnya karakteristik solid bed disebabkan oleh reaksi, densitas, dan viskositas fluida, perubahan ini disebabkan oleh raksi dan temperatur. 

Venegonia dkk, mengkaji penumbuhan CNT dengan metode FBCVD dengan mengukur U_mf partikel SiO₂, yang terdapat pada kelompok B di pengklasifikasian pada suhu 25 dan 550^oC, dan ditemukan bahwa diperoleh U_mf = 517 cm min^-1 dan menurun menjadi 57 cm min^-1.Dengan berdasar pada observasi ini, Morancais dkk, menunjukkan selama sintesis CNT, U_mf kurang lebih dibagi 6 setelah berjalan sekitar 120 menit, karena menurunnya kerapatan butir dengan tajam; dan konsekuensinya meningkatkan rasio fluidization. Karena itu, terbukti bahwa U/U_m = 0,87 dengan diameter reaktor 5,3 cm, menghasilkan kondisi optimum dalam membentuk kualitasfluidization dan MWCNT. Mereka juga mengungkapkan bahwa yield karbon cenderung meningkat ketika rasio U/U_mf menurun, dengan pemberian jumlah karbon yang sama, karena meningkatnya waktu tinggal prekursor gas di dalam bed. Berbeda dengan hal tersebut, son dkk, melaporkan bahwa laju aliran gas 2U_mf, transfer massa dan panas relatif lebih rendah, dan yang utama adalah berkurangnya yield karbon dan membesarnya diameter CNT dibanding dengan laju aliran gas 4U_mf. Hasil ini sesuai dengan yang diungkapkan oleh See dkk, Corrias dkk, dan Venegonia dkk, yang menggunakan rasio fluidization lebih besar dari satu. Belakangan ini, Philippe dkk, secara komprehensif (lengkap/meluas) mempelajari model kinetik dari CNT dengan metode FBCVD yang mengindikasikan bahwa U_mf menurun dengan durasi sampai 30 menit dan selanjutnya meningkat secara teratur, dengan hubungan Ergun dimana U_mf bergantung pada dp³ (r_P - r_g) 

Dalam mensintesisi CNT menggunakan metode FBCVD, pada mulanya beberapa katalis sesuai dengan static bed heingh H₂, yang menyediakan karakteristik operabilitas dari fluidized bed. Oleh karena itu, tantangan yang terkait dengan tempat massa katalis dalam reaktor tidak hanya berpengaruh pada pembentukan CNT tapi juga pada kondisi fluidization . Pertama tama, harus teliti dalam mempersiapkan kegiatan pembentukan CNT. Selanjutnya, memilih katalis yang sesuai untuk menentukan sifatfluidizationnya. Namun, awalnya memanfatkan sejumlah katalis pada tabel 2 di bawah, untuk digunakan sebagai perbandingan.Son dkk, berkomentar bahwa jika static bed heigh H_s lebih kecil dari diameter luar reaktor (seperti: shallow bed) maka kualitas fluidization jelek. Penambahan bubuk alumina 114.3 mm sebagai partikel inert, dapat memperbaiki hasil CNT, diameter rata rata CNT dan ukuran gumpalan CNT sebagai akibat dari partikel inert. Berdasarkan komentar mereka, See dan Harris juga menggunakan 40 g CaCO₃ murni sebagai tambahan 70 g katalis (Fe-CO supported). Namun, beberapa penelitian bersikeras menyatakan bahwa kecilnya intial bed height cukup efektif untuk mensintesis CNT menggunakan FBCVD karena secara signifikan menurunkan bed density dan memperluas laju bed. Bahkan, katalis dalam jumlah besar memerlukan laju gas yang sangat tinggi untuk kondisi homogen di dalam reaktor dan untuk transportasi di dalam reaktor. Pembatalan bahwa kecepatan gas yang sangat tinggi menyebabkan kompleksnya penskalaan. Berdasarkan kekhasan/keganjilan ini, maka diperlukan desain reaktor dan kondisi operasi yang sesuai. 

Mengingat struktur CNT, yang memiliki kedua dimensi nanomatrix (yang berhubungan dengan jari-jari) dan mikroskopik (berhubungan dengan panjang). Jelas bahwa sifat CNT pada hasil ahkhir dengan metode FBCVD merupakan bubuk hitam yang kenyal (black spongy powder) dengan densitas bulk yang rendah. Selanjutnya dengan pengamatan mikroskopik menunjukkan bahwa hasil partikel yang dihasilkan lebih banyak berstruktur jaringan 3D dibanding dengan CNT yang berstruktur penggaris/individu. Wang dkk, menemukan CNT yang kusut dan gumpalan yang gembur/longgar dengan luas ukuran distribusi, berada di klasifikasi Geldart-A. Selanjutnya Hao dkk, melakukan observasi dan mengungkapkan bahwa selama dalam proses, gumpalan yang besar berubah menjadi lebih kecil, oleh karena itu rata-rata diameter gumpalan yang tertinggal di dalam reaktor mendekati konstan. Berdasarkan kesimpulan mereka bahwa morfologi gumpalan nanotubes disediakan oleh proses fluidizasi yang baik selama proses penumbuhan dan menyebabkan tingginya kualitas hasil produksi dalam skala besar dengan biaya yang murah. Morancais dkk, juga mengamati MWCNT berbentuk 3D dengan potongan yang acak yang berukuran sekitar 110-225 mm. Kebalikan dengan bentuk yang diamati, mereka berpendapat bahwa jika fenomena gumpalan muncul, konversi karbon dan laju penumbuhan MWCNT menjadi menurun dan terjadi gumpalan pada kondisi fluidizasi yang rendah, dimana kurangnya campuran powder yang menyebabkan rendahnya aliran gas.

Sebelumnya, FBCVD tidak dapat menghasilkan CNT yang lurus dengan anggapan dihambat oleh proses ini.Perbandingan penumbuhan CNT dengan katalis yang sama antara fixed bed dan fluidized bed, menunjukkan bahwa dengan metode FBCVD akan menghasilkan CNT dengan area permukaan spesifik yang tinggi dan stabilitas termal yang baik. Bahkan, menyebabkan transfer massa dan panas lebih efektif, diameter CNT lebih kecil dengan sedikit cacat kisi, jika dibandingkan dengan fixed bed. Perlu menjadi perhatian bahwa dengan metode FBCVD menghasilkan CNT dengan diameter rata rata yang kecil dan tingkat kristalin yang tinggi dan sifat pancaran yang baik. 

Dengan pertimbahan hasil yang diperlihatkan, sangat beralasan untuk mendeklarasikan sifat yang menonjol dari CNT dengan metode FBCVD menjadi kabur/tidak jelas. Sifat hidrodinamik dan termodinamik pada penumbuhan CNT ini belum dipahami. Review ini sukses mengkaji beberapa topik yang berbeda sebelum melakukan produksi CNT dalam skala besar dengan mengaplikasikan FBCVD.

1. Pengoptimasian hasil CNT berkarakteristik fluidization, yakni diameter katalis-penyangga, tinggi static bed, nilai laju alir.
2. Pengkajian sifat panas, massa dan momentum CNT
3. Pengkajian interaksi faktor parametrik
4. Pengkajian morfologi partikel dan yang mempengaruhi proses, khususnya gumpalan/tumpukan
5. Perancangan proses secara berkesinambungan.

Kesimpulan

Produksi CNT secara massal menjadi tantangan utama dan genting/kritis untuk aplikasi selanjutnya. Secara signifikan, beberapa tahun terakhir terus dikembangan metode baru CVD untuk hasil yang komersial. Hal ini didukung melalui penggunaan fluidized bed reactors. Pedoman yang mendasar untuk mengontrol FBCVD diperoleh dari investigasi dengan mekanisme yang berbeda, yang ditentukan dari stuktur dan karakteristik CNT yang dihasilkan. Akan tetapi, penelitian FBCVD akan terus memperbaiki yield, purity, dan selectivity CNT. Beberapa tantangan dan ke-ambigu-an terkait CVD dan FBCVD telat disoroti dalam makalah ini. Dan telah diselidiki sebelumnya, baik secara teori maupun secara eksperimen, sehingga wajib untuk mempelajari efektifitas parameter pada proses FBCVD. Ini akan memberikan kontribusi terhadap desain dan pengoperasian hasil CNT yang komersial. Saat ini masih dibutuhkan banyak eksperimen secara khusus dalam skala atas dengan mempertimbangkan faktor biaya