碳电极性能在埋弧等离子体行为及由此产生的纳米碳颗粒形态中的关键作用

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Critical Role of Carbon Electrode Properties in Submerged Arc Plasma Behavior and Resulting Nanocarbon Particle Morphology

碳电极性质对等离子体行为及纳米碳形态的影响研究。采用两种石墨电极（Rod1细粒低阻，Rod2粗粒高阻）进行直流电弧水冷合成，结合IV-OES分析发现Rod1电压更低、等离子体离子化能谱更窄（<4eV），形成快速淬灭闭合的球形碳纳米洋葱（CNOs）；Rod2电压更高、能谱更宽（>10eV），导致高温不稳定弧产生多壁碳管（MWCNTs）和石墨烯片。揭示了电极微观结构（粒度、孔隙率、电导率）通过调控等离子体能量分布影响产物形貌的机理。

　　

摘要：

本研究探讨了碳电极特性对浸没电弧放电（SAD）过程中纳米碳等离子体行为和形态的影响。实验使用了两种具有不同物理和电学性质的商用石墨棒作为阳极：一种是晶粒细小、电阻率低的Rod 1，另一种是晶粒粗大、电阻率高的Rod 2，它们被置于去离子水中进行直流电弧放电。通过时间同步的电流-电压（I-V）测量以及光发射光谱（OES）分析，获得了等离子体的电离能分布，并结合高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察了所合成纳米碳的形态。结果表明，Rod 1产生的电弧电压较低、稳定性更高，其电离能谱较窄，主要集中在4 eV以下，这导致形成了球形碳纳米洋葱（CNOs），因为电弧迅速熄灭且碳纳米颗粒的壳层能够快速闭合。相比之下，Rod 2产生的电离能谱较宽，能量范围超过10 eV，电弧温度较高且稳定性较差，因此形成了更多的多壁碳纳米管（MWCNTs）和少层石墨烯片。研究揭示了晶粒尺寸、孔隙率和电阻率等微观结构参数对电弧点燃、等离子体能量以及产物选择性的关键影响。这些发现表明，综合运用电学和光谱诊断技术可以优化SAD工艺条件，以实现可调控的纳米材料合成，并强调了电极工程在控制等离子体过程中碳纳米结构生长方面的关键作用。