中國粉體網訊 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：反應容器內充入反應氣體（如氦氣或氬氣），石墨置于反應容器內，在內部通過電弧作用生產碳納米管，其電弧溫度最高可達到4000℃上下，制備得到產物碳納米管。通過改變反應過程中催化劑和反應容器內充入氣體含量，可間接控制產物的比例。
根據引弧介質不同，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率大幅降低；一旦反應爐內氣壓過高，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
（中國粉體網編輯整理/江岸）
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