中國粉體網(wǎng)訊   碳納米管特殊的結構賦予其優(yōu)良的物理化學特性,，在力學,、電子、光學,、熱力學及高溫抗氧化等眾多領域具有廣闊地應用前景,。近年來，盡管碳納米管的合成技術突飛猛進的發(fā)展,，但是仍存在不足,，如合成碳納米管的管徑、層數(shù),、長度,、螺旋性（手性）及石墨化程度存在差異，限制其進一步應用,。

目前,，碳納米管合成方法主要有化學氣相沉積、聚合反應合成法,、電弧放電法（物理氣相沉積）與激光燒蝕法,。其中，化學氣相沉積法合成的碳納米管石墨化程度遠低于電弧放電法,、激光燒蝕法等高溫方法,。激光燒蝕法的成本高于電弧放電法。因而一定程度上在制備高度石墨化程度的碳納米管,，尤其是高結晶單壁碳納米管,，電弧放電法具有明顯優(yōu)勢。

電弧放電法是制備納米材料常用的方法之一,。在采用電弧法制備納米材料過程中,，隨著電流增加，極間電壓減小,，弧柱電位梯度降低,；弧柱電流密度升高，且極斑電流密度更高,。最早采用電弧法制備的碳納米材料是富勒烯,。由于該方法所制備的碳納米材料的缺陷少、純度高,，逐漸被用來制備碳納米管,、碳納米角、石墨烯等碳納米材料,。其反應裝置示意圖如下：

電弧放電制備單壁碳納米管的裝置示意圖

電弧放電法制備過程為：反應容器內(nèi)充入反應氣體（如氦氣或氬氣）,，石墨置于反應容器內(nèi),，在內(nèi)部通過電弧作用生產(chǎn)碳納米管，其電弧溫度最高可達到4000℃上下,，制備得到產(chǎn)物碳納米管,。通過改變反應過程中催化劑和反應容器內(nèi)充入氣體含量，可間接控制產(chǎn)物的比例,。

根據(jù)引弧介質不同,，電弧法可分為真空電弧放電與溶液電弧放電。溶液電弧放電法產(chǎn)量很低,，因此尚未得到推廣,；而真空電弧放電法具有合成設備簡單、操作便捷,、產(chǎn)物品質高等優(yōu)勢,，但具體生長機理尚存較大爭議。

電弧法的影響參數(shù)主要包括電源類型,、引弧氣體類型與壓力以及催化劑體系,，這些參數(shù)綜合在一起對最終生長的碳納米管純度與質量產(chǎn)生重要影響。

陰陽極外接的電源直接控制著電弧的電流和電壓,，決定陰陽極間電場強度分布（能量分布）,，而能量分布會影響電弧等離子體的溫度。實驗表明,，采用直流電源,，氣態(tài)碳向陰極漂移時會阻礙自身在陰極的連續(xù)沉積，而交流電源與脈沖直流電源不會,。然而交流電源生長碳納米管時間只占一半,，這大幅降低其生產(chǎn)效率。

電弧放電的本質是通過氣態(tài)帶電粒子導電完成傳質傳熱,。不同的反應氣氛對碳納米管的生長具有重要影響,。引弧氣體的選擇主要取決于電離式、導熱性以及導電性,。目前,，最常用的引弧氣體主要是氫氣、氮氣,、氦氣與氬氣,。其中，氫氣導熱性最高,，且對碳納米管生長的淬火效果最佳,。

直流電弧法中采用不同引弧氣體合成碳納米材料的反應機理圖

此外，引弧氣體的壓力對碳納米管的制備也十分關鍵。在電弧放電制備碳納米管過程中,，引弧氣體壓力既為氣體分子提供能量,，又為離子流動設置壁壘以確保其穩(wěn)定性。實驗表明,，生長碳納米管的最佳氣壓介于40kPa～93.3kPa之間：當反應爐內(nèi)氣壓低于40kPa時,，較低的離子濃度導致電弧等離子體穩(wěn)定性下降，從而使碳納米管的產(chǎn)率大幅降低,；一旦反應爐內(nèi)氣壓過高,，高離子濃度阻礙氣態(tài)碳從陽極向陰極沉積,，降低碳納米管產(chǎn)率,。

參考資料：

阮超，電弧放電法制備碳納米管研究進展

于紅剛,，磁場輔助電弧放電法制備單壁碳納米管

何燕,，電弧法分散碳納米管中不同金屬電極的實驗性研究

敬成偉，基于電弧作用下碳納米管分散方法研究

葉凱,，直流電弧等離子體法制備納米材料的研究進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）

注：圖片非商業(yè)用途,，如侵權告知刪除