中國粉體網訊 碳納米管特殊的結構賦予其優良的物理化學特性，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展，但是仍存在不足，如合成碳納米管的管徑、層數、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、產物品質高等優勢，但具體生長機理尚存較大爭議。
電弧法的影響參數主要包括電源類型、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，氣態碳向陰極漂移時會阻礙自身在陰極的連續沉積，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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