电弧等离子体法制备碳纳米材料生长机理及相关理论研究

The arc discharge method has attracted much attention for preparing carbon nanomaterials with following advantages, large scale, environmentally benign, and low cost. Due to the high temperature of the arc and the instability of the arc, the formation mechanism of carbon nanomaterial is still unclear by the arc plasma method. In order to solve this problem, the carbon nanomaterials (multiwall carbon nanotubes and nano graphite particles) grown in anode deposit is selected without using catalyst. The temperature field, velocity field, and mass fraction distribution of carbon species are obtained by employing high-speed camera, optical emission spectroscopy (OES), and numerical simulation. Therefore, the nucleation temperature of different carbon nanomaterials is calculated by homogenous phase nucleation equation. The nanomaterial growth theory “nucleation-condensation-coagulation” in thermal plasma is employed to deduce the formation mechanism of carbon nanomaterials. The target of this project is providing theory for preparing carbon nanomaterials controllably by the arc plasma method. This project will provide scientific significance for preparing carbon nanomaterial with large scale, accelerating the application of carbon nanomaterial.

电弧等离子体法在碳纳米材料的制备中具有产量大、环境污染小、成本低等优点而受到广泛的关注。但由于电弧等离子体本身具有的高温特性和不稳定性，使碳纳米材料的生长机理至今尚不清楚。针对这一科学问题，本项目以无催化剂条件下阳极沉积物中碳纳米材料（多壁碳纳米管和纳米石墨颗粒）为研究对象，将高速摄像机和原子吸收光谱等离子体诊断手段与数值模拟方法相结合，获得温度场分布、速度场分布、碳颗粒（原子、离子）的质量分数等信息。依据纳米材料均相成核公式，计算出不同碳纳米材料的均相成核温度；根据纳米材料在热等离子体条件下“成核-冷凝-凝并”的生长理论，推测其生长机理，建立碳纳米材料的生长模型，为电弧等离子体法对碳纳米材料的可控制备提供理论指导。该研究对于电弧法大规模制备碳纳米材料，进而推进碳纳米材料的应用具有重要的科学意义。

电弧等离子体法在碳纳米材料的制备中具有产量大、环境污染小、效率高等优点而受到广 泛的关注。但由于电弧等离子体本身具有的高温特性和不稳定性，使碳纳米材料的生长机理至今尚不清楚。本项目首次提出以无催化剂条件下阳极沉积物中碳纳米材料为研究对象，将高速摄像机和原子吸收光谱等离子体诊断手段与数值模拟方法相结合，推测碳纳米材料的生长机理。首先，使用不同气氛（氩气、氮气、氢气和其中两者的混合气体）作为直流电弧的缓冲气体来制备碳纳米材料，氩气、氮气和氢气分别是无定形碳球 (ASCNs)、单壁碳纳米角 (SWCNHs) 和少层石墨烯 (FLG)生长的关键。其次，通过COMSOL Multiphysics软件求解磁流体动力学方程组和碳蒸气质量守恒方程，得到了温度、速度、碳质量分数和碳簇数密度。在大电流条件下，相同位置的电流密度、温度和速度更大，且阳极表面温度的提高增强了阳极的蒸发，对应着更大的蒸发质量通量和碳质量分数。此外，较大的电流和压力条件对应着更高的碳簇数密度。然后，在电弧放电过程中，用双色测温法和高速相机结合带通滤波器测量了碳电极的表面温度。由于阴极射流和阳极射流的相互竞争是不同弧根贴附形式形成的原因。由于在放电时洛伦兹力不平衡，扩散弧根贴附形式下弧斑旋转严重，是导致合成的碳纳米材料纯度较低的原因。最终，基于上述结果得出碳纳米材料生长的机理：氩气对于ASCNs的形成起到淬火作用；C-N键促进了SWCNHs的形成；氢终止碳悬挂键利于FLG形成。由于氢浓度不同导致石墨烯岛边缘C-H键数量不同，部分C-H键位被C-C键取代，导致结构稳定的碳纳米笼和多面石墨生长。提出了氢诱导边缘生长模型(HIMG)，深入地解释了FLG的生长机理。该研究为电弧等离子体法对碳纳米材料的可控制备提供理论指导，利于电弧法大规模制备碳纳米材料，进而推进碳纳米材料的应用具有重要的科学意义。