综述：火焰法制备碳纳米管：设计、生长机制及应用

这篇综述系统阐述了碳纳米管（CNTs）的火焰合成技术，重点探讨了催化剂类型（如Fe/Ni基）、火焰构型（预混/扩散火焰）对CNTs形貌的影响，归纳了三种成核模式（气-液-固/VLS、尖端/基体生长）和四大应用领域（储能、医疗、催化、环境修复）。文章对比了电弧法（AD）、化学气相沉积（CVD）等传统方法的优劣，指出火焰法兼具低成本（<1000℃）和高效率（产率>90%）优势，特别适合大规模制备缺陷丰富的功能性CNTs。

　　

Abstract

碳纳米管（CNTs）凭借其卓越的机械性能（抗拉强度300 GPa）、超高电导率（10⁶ S m^?1）和独特的一维结构，成为纳米材料领域的明星。从1991年电弧放电法（AD）首次制备CNTs至今，其合成技术已发展出激光烧蚀（LA）、化学气相沉积（CVD）等十余种方法，但普遍面临高能耗或贵金属催化剂依赖的瓶颈。火焰合成法以碳氢燃料同时作为碳源和能源，在预混火焰（如CH₄/O₂）中实现CNTs的原位生长，设备简单且反应速度极快，展现出工业化潜力。

Introduction

CNTs的sp²杂化结构赋予其3500 W m^?1 K^?1的热导率和1315 m² g^?1的比表面积。传统CVD法虽能制备高纯度CNTs，但需铂族金属催化剂；而火焰法通过调控乙烯/空气比例，在Ni/Al₂O₃催化剂上即可获得多壁碳纳米管（MWCNTs）。值得注意的是，扩散火焰中温度梯度会形成"洋葱状"碳层，这对CNTs的缺陷调控至关重要。

生长机制

气-液-固（VLS）机制是火焰法的主流理论：金属催化剂颗粒（如Fe₂O₃）在高温下熔融为液滴，碳原子溶解后从过饱和液滴中析出形成管状结构。实验发现，当火焰温度低于800℃时更易获得单壁碳纳米管（SWCNTs），这与催化剂粒径分布直接相关。

应用前景

在锂离子电池领域，火焰法制备的CNTs作为导电添加剂可使容量提升20%；医疗方面，其表面丰富的羧基（-COOH）能高效负载抗癌药物阿霉素。环境修复中，CNTs对重金属离子的吸附容量达300 mg g^?1，远超活性炭材料。

挑战与展望

当前火焰法的瓶颈在于难以精确控制CNTs的手性（chirality）。未来或可通过脉冲火焰结合分子筛催化剂，实现特定直径SWCNTs的选择性生长。随着绿色燃料（如生物质乙醇）的应用，该技术有望在碳中和背景下迎来突破。