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液体中电弧放电生成碳纳米材料及其磁场控制的实验研究

邢刚  
【摘要】:碳纳米材料是目前纳米科技领域中研究最为活跃的一个分支,其潜在的应用前景十分宽广和诱人。因此,对碳纳米材料的制备方法和生成机理的研究也成为近期的热点。其中,液体(水、液氮等)中电弧放电法制备碳纳米材料的方法,因为不需要密封的反应室、冷却装置和真空系统,很有可能成为低成本、大批量制备碳纳米材料的有效方法。为了实现这个目标,就需要深入研究液体电弧放电过程中碳纳米材料的生长机理,电弧放电各参数和外加磁场对其影响。因此,本文进行了大量的实验研究和相应的理论分析。 本文首先设计了一套水中碳电弧放电的实验装置,进行了一系列不同电流下的放电实验,在所选用的实验条件下,确定了有利于生成碳纳米材料的电流范围(25~120A)。通过扫描电镜和高分辨透射电镜的观测和分析可知:阴极沉积物中含有大量多壁碳纳米管,由阳极蒸发产生的碳粒子在阴极表面定向沉积而成;而水面漂浮物中的主要结构是碳纳米洋葱和不规则的多面体纳米颗粒,由各向同性的碳粒子在气泡壁附近形核并生长而成。通过对气体产物的气相色谱分析明确了水中碳电弧发生的主要化学反应是C+H2O=CO+H2,为等离子体区的理论分析提供了实验依据。通过对水中碳电弧的研究可知,影响碳纳米材料生成的主要因素包括:电弧电流的大小和方向、电弧等离子体的稳定性、放电介质的化学性质和冷却效果、阴极表面形状等。为了具体地研究这些因素对碳纳米材料生成过程的影响,分别进行了交流、催化剂、液氮以及锥形阴极等一系列不同条件下碳电弧放电的实验,得到了多壁碳纳米管、碳纳米洋葱、单壁碳纳米角团簇和碳包裹纳米钴颗粒等多种纳米结构,并分析了其各自的形成原因和各种因素所起到的作用。 在总结各种实验现象和实验结果的基础上,结合电弧理论和相变原理,建立了一个液体中电弧放电生成碳纳米材料的物理模型。模型指出:在电弧稳定燃烧的过程中,液体被电弧的高温所加热,在弧柱周围形成气泡,为电弧提供了一个气体氛围的放电环境。阳极石墨棒蒸发出大量的碳粒子,一些碳粒子与液体发生化学反应,生成活性气体。其余碳粒子则可以分为两部分:一部分沿着弧柱区运动至阴极,在温度较低的阴极表面定向沉积,沿着电弧的轴向生长成多壁碳纳米管;而另一部分则运动至气泡壁附近,形成各种球状碳纳米结构。气泡中可能存在的活性气体也会影响碳纳米材料的形成过程,并对所生成的产物进行刻蚀。该模型解释了液体电弧放电过程中各种碳纳米结构形成的机理,并为进一步的实验研究提供了理论依据。 根据液体电弧放电模型可知,电弧的稳定性和碳粒子运动的定向性对纳米结构的生成过程有重要影响。为了研究这些影响,本文分别对液体中电弧施加了横向低频交变磁场和纵向恒定磁场,横向磁场扰动电弧而破坏了碳粒子的定向性,纵向磁场则束缚电弧而增强了碳粒子的定向性。通过对产物的分析,进一步为放电模型提供了有力的实验支持,得到了一些很有研究价值的新结构,并对它们的形成过程进行了初步的理论推测。其中,横向磁场作用下碳电弧放电得到了一种单壁管缠绕结构,而纵向磁场作用下碳电弧放电则得到了一种空心筒状结构,这两种结构目前还没有相关报道。通过施加横向磁场还首次在水中生成了单壁碳纳米角,与激光蒸发法和液氮中电弧放电法相比,有望大大降低单壁碳纳米角的生产成本。此外,通过施加横向交变磁场,还增加了碳纳米洋葱、碳纳米角团簇等球状纳米颗粒的产量。 本文通过放电模型的建立,完善了目前已有的液体电弧法制备碳纳米材料的理论。首次引入外加磁场来控制液体中电弧形态和碳粒子的运动方向,实现了对产物中碳纳米结构的初步控制,并得到了一些新颖的碳纳米结构,如单壁管缠绕结构和空心筒状结构。该部分内容在国内外相关研究领域中尚属空白,具有很大的探索意义。


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