电弧放电法
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10
电弧参数
冷却速度
青 衣
文献阅读
电流对用可控温度电弧放电法合成的单壁碳纳米管的影响
青 衣
11
图：自行设计的一个温度可控的电弧 放电法制备碳纳米管的装置。
气氛：He 500Torr 温度：500℃ 阳极石墨棒：直径10mm，长100mm 内孔：直径7mm，长70mห้องสมุดไป่ตู้。 电极间距：2mm 催化剂：Ni/Co 2.5:2.5at.% 实验电流：80A，100A，150A， 200A，240A，280A。 样品的收集：反应内壁的沉积物和电 极和内壁间网状物质（soot）。
墨电极在电弧 产生的高温下 蒸发，在阴极 沉积出纳米管。
青 衣
5
图：石墨电弧法工艺简图 1—真空计 2—进料系统 3—石墨阳极 4—接真空泵 5—惰性气体 6—水冷系统 7—石墨阴极 8—冷却循环系统 9—真空泵
催化电弧法 • 在阳极中掺杂不同的金属催化剂（Fe，Co，Ni，Y 等），利用两极的弧光放电来制备纳米碳管。
青 衣
18
小结与展望
高纯度和高产率纳米碳管的制备是碳纳米管的研究重点，催化
电弧放电法是一个制备高性能碳纳米管良好工艺。
在电弧法制备碳纳米管的过程中，电弧电流及电压，惰性气体 种类及压力，电极冷却速度等因素在制备过程中发挥很重要的作 用。 目前研究重点主要集中于寻找资源丰富，价格低廉的碳源；优 化现有的催化剂以及探索催化活性更高的催化剂；优化其工艺条
9
催化剂
金属催化剂对纳米碳管的形核与生长有重要的影响， 在管束生长过程中,金属催化剂原子将两根相邻的纳米碳管 的开口边缘连接起来,从而避免了每根纳米碳管端帽的自然 封闭,有利于形成较长的管束。
表现为电弧等离子体中电场与温度场的协同作用。电 场约束了形成碳纳米管的碳碎片的飞行方向，温度场提供 了碳纳米管生成的高温环境。 起弧时，温度达到了3000℃至5000℃，如果没有很好 地让电极降温,不仅会影响到电极起弧的寿命,而且热量传 到整个反应室内,让碳灰等产物烧结,很难沉积下来。
电弧放电加热蒸发法制 备碳纳米管
主讲人 胡洋 13721584 主席 赵春晓13721585
青 衣
目录
1
2 3 4
青 衣
2
电弧放电法工艺简介 电弧放电制备碳纳米管的工艺参数
文献阅读 小结及展望
电弧放电法工艺简介
电弧理论
电弧的实质是一种气体放电现象， 在一定的条件下能使两极之间的气体 空间导电，是电能转化为热能和光能 的过程。
青 件，开发出更先进的生产工艺。 衣
19
参考文献
[1] He D, Zhao T, Liu Y, et al. The effect of electric current on the synthesis of single- walled carbon nanotubes by temperature controlled arc discharge[J]. Diamond and Related Materials, 2007, 16(9): 1722-1726. [2] Zhang H, Xue X, Wang D, et al. The effect of different kinds of inert gases and their pressures on the preparation of carbon nanotubes by carbon arc method[J]. Materials chemistry and physics, 1999, 58(1): 1-5. [3] Takizawa M, Bandow S, Torii T, et al. Effect of environment temperature for synthesizing singlewall carbon nanotubes by arc vaporization method[J]. Chemical physics letters, 1999, 302(1): 146-150. [4] 胡平安 , 王贤保 , 刘云圻 , 等 . 碳纳米管的最新制备技术及生长机理 [J]. 化学通报 , 2002, 12: 794-799. [5] 王敏 , 赵红 , 张相育 , 等 . 电弧法制备单壁碳纳米管的机理及进展 [J]. 化学工程师 , 2006, 12: 014. [6] 刘畅, 成会明. 电弧放电法制备纳米碳管[J]. 新型炭材料, 2001, 16(1): 67-71. [7] 杨晓华 , 兑卫真 , 江伟 , 等 . 电弧法制备纳米碳管的工艺研究 [J]. 材料热处理学报 , 2004, 25(6): 16-l9.
青 衣
20
2013年12月10号
青 衣
8
工艺参数对纳米碳管产物的影响
单位长度电弧产生的能量可以表示为
电弧电场强度 电弧电流
电弧弧柱的 温度是由电流大 小、气体介质种 类、气体介质压 力及电极材料等 因素所决定的。 青 衣
Q=E· I
70-200A，过低时 电弧不稳定，过 高时则会使无定 形碳、石墨微粒 等杂质增多。
介质气体的压力，气压 高时气体分子(或离子、 气体介质的质量、 ＋ 电子) 相互碰撞的几率 导热性能及解离 大,电弧热量散失快,促 程度。 使E 值增加。
青 图：各个电流下生成的碳黑的 XRD图 衣
16
图：100A（a）和150A（c） 阴极沉淀物的背散射电子 图。以及对应的Ni-Co粒子 分布图（b）（d） Ni-Co重量百分比 分别为6.5%和 7.6%，可以看出 大量的催化剂在 阴极上沉积，且 电流越大，沉积 量越多。 青 衣
17
图：电弧放电时催化剂和电子运动原理 图，箭头显示的是粒子运动方向。
铁系元素（Fe，Co,Ni）→稀土元 素和澜系→双元合金系 （Fe/Ni,Co/Ni,Ni/Y等） 例：1999年, Takizawa等人用掺有 Ni/Y催化剂的碳棒通过电弧放电法制 备单壁碳纳米管,600℃下产率可达70%。 青 衣
图：催化电弧法装置简图
6
半连续氢电弧法
改进方法：与传统电弧法不同的是， 阴极和阳极成一斜角（30°~50°） 阴极为一根石墨棒，阳极由混合均 匀的石墨粉和催化剂组成。阳极和 阴极的位置皆可调。 优点：实现制备的半连续化，用氢 气取代氦气，不仅可降低成本，而 且有效提高了单壁纳米碳管的质量 和产量，这是因为氢气可刻蚀反应 中生成的无定形碳等杂质并促进催 化剂蒸发。 青 衣
14
Correspond to the breathing mode of SWCNT .
d（SWCNT）=223.75/λ 1.38nm 1.32nm 1.27nm，1.23nm
G mode associated with the splitting of the E2 mode of graphite.
图：半连续氢电弧法制 备碳纳米管。
7
液氮放电法
如图将石墨阳极插入到含有液 氮的反应室内，与已装有的短铜棒 （或石墨棒）阴极接触产生电弧后， 在电弧区生成的纳米碳管落下，沉 积在桶的底部，反应室的底部呈漏 斗状，并由一阀门密封，该阀门定 期自动打开，使纳米碳管从反应室 流出。 采用这种方法可以制备出高质 量的多壁碳纳米管。 青 衣 图：液氮放电法装置简图
青 衣
12
实验结果
图：不同放电电流 下，炭黑的产率以 及SWCNT的纯度。
最佳电流是100A, 获得了55%的纯度。
青 衣
13
图：在不同电流下 的生成的SWCNT的 TEM图。 （a）100A （b）150A （c）200A （d）在100A条件下 生成的SWCNT高分辨 率TEM图。
青 衣
根据比例尺， SWCNT的直径在 1.3nm左右。
电弧的带电粒子主要由气体空间
中气体的电离和电极电子发射两个过 程产生。 青
衣
3
电弧放电特点
电弧能量集中，温度高，亮度大。 电弧是一束游离的气体。 电弧由三部分组成，阴极区，阳极区， 弧柱区。
电弧是一种自持放电现象。维持电
弧稳定燃烧的电压较低。 青 衣
图：电弧的三个组成部分
4
（石墨）电弧法制备碳纳米管 原理：阳极石
G/D可以在一定程度上反 应碳黑中SWCNT的纯度。
D mode attibuted to the disorder-induced phonon mode of impurities. 图：100A产生的碳黑的拉曼散射光谱图 青 衣
15
讨论
比其他的峰值要高， 因此反应室气氛中更 多的催化剂有助于 SWCNT的生长。
从图我们可以看到，由于电场的作 用，部分催化剂被吸附到了阴极上， 其它部分和碳原子一起蒸发到了气 氛中，而这正是对催化起作用的部 分。随着电流的增加，由中子和带 电粒子所组成的等离子体的密度增 加，由于阳极粒子与电子的漂流速 度与电场强度成正比，因此更多的 阳极物质被蒸发掉了。电流越大， 越多的催化剂吸附在阴极上，更有 利于形成无定形的碳颗粒和碳束， 因此导致了碳黑中SWCNT的减少。
电弧参数
冷却速度
青 衣
文献阅读
电流对用可控温度电弧放电法合成的单壁碳纳米管的影响
青 衣
11
图：自行设计的一个温度可控的电弧 放电法制备碳纳米管的装置。
气氛：He 500Torr 温度：500℃ 阳极石墨棒：直径10mm，长100mm 内孔：直径7mm，长70mห้องสมุดไป่ตู้。 电极间距：2mm 催化剂：Ni/Co 2.5:2.5at.% 实验电流：80A，100A，150A， 200A，240A，280A。 样品的收集：反应内壁的沉积物和电 极和内壁间网状物质（soot）。
墨电极在电弧 产生的高温下 蒸发，在阴极 沉积出纳米管。
青 衣
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图：石墨电弧法工艺简图 1—真空计 2—进料系统 3—石墨阳极 4—接真空泵 5—惰性气体 6—水冷系统 7—石墨阴极 8—冷却循环系统 9—真空泵
催化电弧法 • 在阳极中掺杂不同的金属催化剂（Fe，Co，Ni，Y 等），利用两极的弧光放电来制备纳米碳管。
青 衣
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小结与展望
高纯度和高产率纳米碳管的制备是碳纳米管的研究重点，催化
电弧放电法是一个制备高性能碳纳米管良好工艺。
在电弧法制备碳纳米管的过程中，电弧电流及电压，惰性气体 种类及压力，电极冷却速度等因素在制备过程中发挥很重要的作 用。 目前研究重点主要集中于寻找资源丰富，价格低廉的碳源；优 化现有的催化剂以及探索催化活性更高的催化剂；优化其工艺条
9
催化剂
金属催化剂对纳米碳管的形核与生长有重要的影响， 在管束生长过程中,金属催化剂原子将两根相邻的纳米碳管 的开口边缘连接起来,从而避免了每根纳米碳管端帽的自然 封闭,有利于形成较长的管束。
表现为电弧等离子体中电场与温度场的协同作用。电 场约束了形成碳纳米管的碳碎片的飞行方向，温度场提供 了碳纳米管生成的高温环境。 起弧时，温度达到了3000℃至5000℃，如果没有很好 地让电极降温,不仅会影响到电极起弧的寿命,而且热量传 到整个反应室内,让碳灰等产物烧结,很难沉积下来。
电弧放电加热蒸发法制 备碳纳米管
主讲人 胡洋 13721584 主席 赵春晓13721585
青 衣
目录
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青 衣
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电弧放电法工艺简介 电弧放电制备碳纳米管的工艺参数
文献阅读 小结及展望
电弧放电法工艺简介
电弧理论
电弧的实质是一种气体放电现象， 在一定的条件下能使两极之间的气体 空间导电，是电能转化为热能和光能 的过程。
青 件，开发出更先进的生产工艺。 衣
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参考文献
[1] He D, Zhao T, Liu Y, et al. The effect of electric current on the synthesis of single- walled carbon nanotubes by temperature controlled arc discharge[J]. Diamond and Related Materials, 2007, 16(9): 1722-1726. [2] Zhang H, Xue X, Wang D, et al. The effect of different kinds of inert gases and their pressures on the preparation of carbon nanotubes by carbon arc method[J]. Materials chemistry and physics, 1999, 58(1): 1-5. [3] Takizawa M, Bandow S, Torii T, et al. Effect of environment temperature for synthesizing singlewall carbon nanotubes by arc vaporization method[J]. Chemical physics letters, 1999, 302(1): 146-150. [4] 胡平安 , 王贤保 , 刘云圻 , 等 . 碳纳米管的最新制备技术及生长机理 [J]. 化学通报 , 2002, 12: 794-799. [5] 王敏 , 赵红 , 张相育 , 等 . 电弧法制备单壁碳纳米管的机理及进展 [J]. 化学工程师 , 2006, 12: 014. [6] 刘畅, 成会明. 电弧放电法制备纳米碳管[J]. 新型炭材料, 2001, 16(1): 67-71. [7] 杨晓华 , 兑卫真 , 江伟 , 等 . 电弧法制备纳米碳管的工艺研究 [J]. 材料热处理学报 , 2004, 25(6): 16-l9.
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2013年12月10号
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工艺参数对纳米碳管产物的影响
单位长度电弧产生的能量可以表示为
电弧电场强度 电弧电流
电弧弧柱的 温度是由电流大 小、气体介质种 类、气体介质压 力及电极材料等 因素所决定的。 青 衣
Q=E· I
70-200A，过低时 电弧不稳定，过 高时则会使无定 形碳、石墨微粒 等杂质增多。
介质气体的压力，气压 高时气体分子(或离子、 气体介质的质量、 ＋ 电子) 相互碰撞的几率 导热性能及解离 大,电弧热量散失快,促 程度。 使E 值增加。
青 图：各个电流下生成的碳黑的 XRD图 衣
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图：100A（a）和150A（c） 阴极沉淀物的背散射电子 图。以及对应的Ni-Co粒子 分布图（b）（d） Ni-Co重量百分比 分别为6.5%和 7.6%，可以看出 大量的催化剂在 阴极上沉积，且 电流越大，沉积 量越多。 青 衣
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图：电弧放电时催化剂和电子运动原理 图，箭头显示的是粒子运动方向。
铁系元素（Fe，Co,Ni）→稀土元 素和澜系→双元合金系 （Fe/Ni,Co/Ni,Ni/Y等） 例：1999年, Takizawa等人用掺有 Ni/Y催化剂的碳棒通过电弧放电法制 备单壁碳纳米管,600℃下产率可达70%。 青 衣
图：催化电弧法装置简图
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半连续氢电弧法
改进方法：与传统电弧法不同的是， 阴极和阳极成一斜角（30°~50°） 阴极为一根石墨棒，阳极由混合均 匀的石墨粉和催化剂组成。阳极和 阴极的位置皆可调。 优点：实现制备的半连续化，用氢 气取代氦气，不仅可降低成本，而 且有效提高了单壁纳米碳管的质量 和产量，这是因为氢气可刻蚀反应 中生成的无定形碳等杂质并促进催 化剂蒸发。 青 衣
14
Correspond to the breathing mode of SWCNT .
d（SWCNT）=223.75/λ 1.38nm 1.32nm 1.27nm，1.23nm
G mode associated with the splitting of the E2 mode of graphite.
图：半连续氢电弧法制 备碳纳米管。
7
液氮放电法
如图将石墨阳极插入到含有液 氮的反应室内，与已装有的短铜棒 （或石墨棒）阴极接触产生电弧后， 在电弧区生成的纳米碳管落下，沉 积在桶的底部，反应室的底部呈漏 斗状，并由一阀门密封，该阀门定 期自动打开，使纳米碳管从反应室 流出。 采用这种方法可以制备出高质 量的多壁碳纳米管。 青 衣 图：液氮放电法装置简图
青 衣
12
实验结果
图：不同放电电流 下，炭黑的产率以 及SWCNT的纯度。
最佳电流是100A, 获得了55%的纯度。
青 衣
13
图：在不同电流下 的生成的SWCNT的 TEM图。 （a）100A （b）150A （c）200A （d）在100A条件下 生成的SWCNT高分辨 率TEM图。
青 衣
根据比例尺， SWCNT的直径在 1.3nm左右。
电弧的带电粒子主要由气体空间
中气体的电离和电极电子发射两个过 程产生。 青
衣
3
电弧放电特点
电弧能量集中，温度高，亮度大。 电弧是一束游离的气体。 电弧由三部分组成，阴极区，阳极区， 弧柱区。
电弧是一种自持放电现象。维持电
弧稳定燃烧的电压较低。 青 衣
图：电弧的三个组成部分
4
（石墨）电弧法制备碳纳米管 原理：阳极石
G/D可以在一定程度上反 应碳黑中SWCNT的纯度。
D mode attibuted to the disorder-induced phonon mode of impurities. 图：100A产生的碳黑的拉曼散射光谱图 青 衣
15
讨论
比其他的峰值要高， 因此反应室气氛中更 多的催化剂有助于 SWCNT的生长。
从图我们可以看到，由于电场的作 用，部分催化剂被吸附到了阴极上， 其它部分和碳原子一起蒸发到了气 氛中，而这正是对催化起作用的部 分。随着电流的增加，由中子和带 电粒子所组成的等离子体的密度增 加，由于阳极粒子与电子的漂流速 度与电场强度成正比，因此更多的 阳极物质被蒸发掉了。电流越大， 越多的催化剂吸附在阴极上，更有 利于形成无定形的碳颗粒和碳束， 因此导致了碳黑中SWCNT的减少。