直流等离子体电弧法：单壁碳纳米管规模化制备新突破

       单壁碳纳米管因其独特的一维管状石墨烯结构，被公认为当前zui具产业化潜力的先进碳材料之一。其同时具备超高电导率、优异热导率、极高力学强度以及优异电子迁移率，在新能源、电池导电剂、柔性电子、导热复合材料、透明导电膜及高性能结构增强材料等领域具有重要应用价值。尤其在锂离子电池体系中，仅需极低添加量（0.05%–0.2%）即可显著提升电极导电网络连续性，从而改善倍率性能、循环寿命及低温性能，因此已成为高端电池导电剂的重要发展方向[1]。

       前述推送中已对微波等离子体法制备单壁碳纳米管进行了介绍，其在结构调控和反应响应方面具有一定优势。从当前产业化发展路径来看，直流等离子体电弧法凭借高温、高能量密度及快速连续反应特征，在单壁碳纳米管规模化稳定生产方面展现出更突出的工程应用潜力。湖南天际自主研发设计的直流等离子体电弧单壁碳纳米管生产装备，面向低成本量产需求，通过协同构建高温电弧反应场与催化生长体系，推动碳源高效转化与单壁碳纳米管持续生成，突破了传统制备方法在产能释放、运行稳定性及连续工业化生产方面的限制，形成了装备成熟、性能可靠、易于扩产的工程化优势。

图1 直流等离子体电弧法制备单壁碳纳米管工艺流程

    流程亮点     

       直流等离子体电弧法制备过程如图1所示，在真空或低压惰性气氛中，通过石墨阳极与阴极之间施加直流高压大电流形成稳定电弧等离子体，在3000–5000 ℃高温作用下使石墨碳源与催化剂快速汽化，形成碳蒸气及纳米级金属团簇，并在腔体内部温度梯度与气氛对流作用下于催化颗粒表面完成单壁碳纳米管生长。具备反应速度快、碳利用率高等特点。产物主要为单壁碳纳米管，此外还能获得少量多壁碳纳米管，无定形碳、碳纳米颗粒、催化剂颗粒等。

图2 单壁碳纳米管电镜图

   技术特点和核心优势   

1.高温直流电弧反应场实现快速生成。通过直流高压大电流在惰性气氛中形成稳定等离子体，电弧中心温度可达3000–5000 ℃，使石墨碳源与催化剂在短时间内快速汽化，为单壁碳纳米管高效生成提供高能量密度反应条件。

2.催化生长与温度梯度协同提升产物质量。 石墨阳极中引入Fe催化剂，在碳蒸气输运与温度梯度作用下完成催化析出与单壁碳纳米管生长，有利于提升单壁管比例及产物稳定性。

3.装备运行稳定，适应连续化生产需求。恒流电源和真空腔体协同运行，有效保证电弧稳定性与反应连续性，满足长时间稳定制备要求。

4.具备低成本规模化工程应用优势。装备结构相对成熟，由电源、腔体、电极及气路组成，维护简便、易于扩产，在单壁碳纳米管低成本、大规模稳定制备方面具有较强工程适配能力。

图3 设备模型图

参考文献： 

[1] Sultan S M , Azahurin N S , Mohamad A .Synthesis and Characteristics of Carbon Nanotube Using Plasma Arc Discharge[J].ELEKTRIKA- Journal of Electrical Engineering, 2018, 17(3):20-22.DOI:10.11113/elektrika.v17n3.109.