CN113860287B - 一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统和方法。该系统包括粉末进料单元、等离子体电弧炉单元、气路和冷却辅助单元，以及收集单元；制备方法为：将等离子体电弧炉引弧至反应区预热至指定温度，再将粉末催化剂及助剂，经进料装置利用载气由电弧炉阴极进入石墨坩埚中，经高温化学反应获得单壁碳纳米管产物，进而利用石墨坩埚外围载气吹出炉体，通过收集单元获得最终产物。本发明装置及方法利用局限于深型石墨坩埚中的电弧形成的高温区，获得更高的反应温度及更长的反应停留时间，同时利用电弧等离子的活化作用，可制备得到具有高结晶度的单壁碳纳米管，且可实现连续、高效率制备，具有重大商业价值。

Description

一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统和方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统和方法。

背景技术

单壁碳纳米管可视为单层石墨的卷曲结构，全碳碳共价键结构，且其表面缺陷低、结晶程度高，展现出优越的综合性能，包括超高的力学强度、优异的导电性和高的热导率等。尤其是作为导电材料时，优异的导电性和超大的长径比，使其作为导电填料时候具有超低的导电阈值，甚至可低至十万分之一，是现有导电材料所无法比拟的。因此，单壁碳纳米管在电化学储能、催化、复合材料、功能涂层等领域展现出巨大的市场竞争力。

目前，单壁碳纳米管的制备方法主要有：电弧烧蚀法、激光法、化学气相沉积法、等离子体法等。采用浮动化学气相沉积技术，在反应体系中引入弱氧化剂水，实现对无定形碳的刻蚀，保持催化剂活性，从而获得高质量的单壁碳纳米管。

还有将过渡金属催化剂与99.99％的石墨粉按比例充分混合后制得阳极棒，阴极采用纯石墨棒；将阳极石墨在充有含一氧化碳的缓冲气体的电弧室内与阴极石墨棒正对，进行电弧放电；通过控制阴阳两极间的放电电流和放电电压和一氧化碳压力，即可制得直径可控的单壁碳纳米管。现有技术存在采用电弧放电真空室，电弧放电真空室与真空泵相连接，电弧放电真空室内设有石墨阴极和石墨阳极，石墨阴极和石墨阳极与直流电源相连接，在石墨阴极和石墨阳极上分别设相配合的上球冠形石墨板和下球冠形石墨板，上球冠形石墨板和下球冠形石墨板形成球冠型电容器。该发明使合成的单壁碳纳米管的纯度在55％以上。虽然现有报道单壁碳纳米管制备方法已经获得重要进展，但普遍存在产率低、纯度低、石墨化程度不高等不足，且高昂的成本严重制约了其大规模应用。单壁碳纳米管由于管径细、表面曲率大，构建完美的sp2杂化结构需要跨越很高的反应势垒，如何高效批量化制备单壁碳纳米管依然存在很大的挑战。

发明内容

本发明公开了一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统和方法，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统，所述系统包括粉末进料单元、等离子体电弧炉单元、气路和冷却辅助单元，以及收集单元；

所述粉末进料单元，用于将原料和催化剂充分混合后送入所述等离子体电弧炉内；

所述等离子体电弧炉单元，用于通过放电形成电弧作为热源在反应区形成具有涡流的高温区，延长在原料和催化剂在具有涡流的高温区的反应时间，并提高反应温度；

所述气路和冷却辅助单元，用于向粉末进料单元提供载气，同时向等离子体电弧炉单元供气，形成螺旋气流将生成的单壁碳纳米管带出高温区并冷却，送入到收集单元；

所述收集单元，用于回收单壁碳纳米管；

其中，所述粉末进料单元通过与所述等离子体电弧炉的一端连接，所述收集单元通过管路与所述等离子体电弧炉的另一端连接，所述气路和冷却辅助单元通过管路分别与所述粉末进料单元和等离子体电弧炉单元连接，所述收集单元与所述离子体电弧炉单元连接。

进一步，所述等离子体电弧炉单元包括：等离子体电弧炉、石墨坩埚、水冷电极和进气管；

其中，所述石墨坩埚作为阳极设置在所述等离子体电弧炉内部的中心位置，所述水冷电极作为阴极从所述等离子体电弧炉单元的顶部插入等离子体电弧炉单元的内部，并与所述石墨坩埚开口上方，且水冷电极一端与所述粉末进料单元连接；

所述进气管的一端沿着所述等离子体电弧炉单元的内壁切线方向进入等离子体电弧炉单元内部，另一端与气源连接。

进一步，所述石墨坩埚内腔高度和内径的比例为0.5:1-10:1。

进一步，所述收集单元包括连接管、收集罐、多孔过滤结构和反吹气连接口；

其中，所述连接管的一端与所述等离子体电弧炉单元连接，另一端与所述收集罐连接，所述多孔过滤结构设置在所述收集罐内部；

所述反吹气连接口设置在所述收集罐的顶部。

进一步，所述多孔过滤结构为不锈钢网、多孔陶瓷、多孔烧结金属中的一种。

本发明的另一目的是提供一种采用上述的制备系统制备单壁碳纳米管的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)称取一定量催化剂和助催化剂粉，经过研磨充分混合，装入粉末进料单元；

S2)将等离子体电弧炉单元内抽真空排气，随后切换电弧气体，待压力稳定后开启电弧电源，产生等离子体电弧在石墨坩埚内形成涡流，将炉膛温度升高一定温度(电弧气从石墨坩埚的上方垂直吹入到石墨坩埚内部，形成翻滚的涡流，使石墨坩埚的内温度快速升高至1000-1500摄氏度)；

S3)将碳源气和载气混合后经过粉末进料单元，携带催化剂和助催化剂一并经水冷电极的阴极进入等离子体电弧炉的石墨坩埚内进行充分的反应(形成翻滚的涡流使进入石墨坩埚内的碳源气、催化剂和助催化剂进行充分接触)；

S4)生成的碳纳米管随着螺旋气流上升，并冷却，再进入收集单元，收集饱和后，反吹多孔介质，分离后获得高结晶度的单壁碳纳米管。

进一步，所述S1)中催化剂为二茂铁、二茂镍、二茂钴、羰基铁、羰基镍或羰基钴中的任意一种；所述助催化剂为硫粉、硒粉、硫化铁、硫化亚铁、硫化镍或硫化钴中的任意一种，催化剂和助催化剂的重量比例为1:1～20:1。

进一步，所述S2)中等离子体电弧炉单元的功率10～500kw，电流10A-1000A，电压1V-500V；

所述电弧气为氮气、氩气、氦气、氢气、水蒸气的任意一种及两种或者三种任意混合比例的混合气，流量1L/min-200L/min；所述炉膛温度700-1500℃。

进一步，所述S3)中碳源气为甲烷、乙烯、乙炔、丙烯或丙烷中的任意一种；所述载气为氮气、氩气、氦气与氢气的混合气体；

其中，碳源气体的体积为5-80％；氢气体积为0.1-50％，其余为惰性气体，流量为1L/min-500L/min；所述粉末进料器的进料量范围0.01克/分钟-50克/分钟。

进一步，所述S4)中螺旋进气管的气体为惰性气体，气流量为0.2L/min-20L/min；

所述惰性气体为氮气、氩气和氦气的任意一种。

本发明的优点包括：由于采用上述技术方案，本发明的采用深型石墨坩埚和等离子体电弧炉相互配合在电弧辐射热的作用下形成一个具有一定深度深井高温区域，由阴极进来的碳源气流，能够在深型坩埚中形成上下翻滚的涡流，是碳源气与催化剂在高温坩埚中充分反应，获得更长的反应时间、更高的反应温度有利于高结晶单壁碳纳米管的形成；同时围绕石墨坩埚外围的螺旋气流场，使由坩埚中飘逸出来的产物迅速向上输送，实现产物的连续出料，形成稳定连续的反应；采用等离子体电弧作为高温介质，催化剂及反应气经过等离子裂解，能够活化气态碳源，降低反应势垒，获得高结晶度的单壁碳纳米管产物，产物的产量提高至少20％。

附图说明

图1为本发明的一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统结构示意图。

图2为本发明的离子体电弧炉单元的电弧炉的俯视图以说明螺旋进气管方式。图3为本发明方法的实施例1制备的碳纳米管产物扫描电子显微图片和拉曼光谱图。

图4为本发明方法的实施例2制备的碳纳米管产物扫描电子显微图片和拉曼光谱图。

图5为本发明方法的实施例3制备的碳纳米管产物扫描电子显微图片和拉曼光谱图。

图6为本发明方法的实施例4制备的碳纳米管产物扫描电子显微图片和拉曼光谱图。

图7为本发明方法的实施例5制备的碳纳米管产物扫描电子显微图片和拉曼光谱图。

图中：

1.气路和冷却辅助单元；2.粉末进料单元；3.等离子体电弧炉；4.水冷电极；5.石墨坩埚；6.螺旋进气管；7.收集单元；8.反吹气体接口；9.多孔过滤介质；10.收集罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统，所述系统包括粉末进料单元2、等离子体电弧炉单元、气路和冷却辅助单元1，以及收集单元7；

所述粉末进料单元2，用于将原料和催化剂充分混合后送入所述等离子体电弧炉内；

所述等离子体电弧炉单元，用于通过放电形成高温电弧作为热源形成具有涡流的高温区，延长在原料和催化剂在具有涡流的高温区的反应时间，提高反应温度；

所述气路和冷却辅助单元1，用于向粉末进料单元提供载气，同时向等离子体电弧炉单元供气，形成螺旋气流将碳纳米管带出高温区，并冷却；

所述收集单元7，用于收集单壁碳纳米管；

其中，所述粉末进料单元2通过与所述等离子体电弧炉单元的一端连接，所述收集单元7通过管路与所述等离子体电弧炉单元的另一端连接，所述气路和冷却辅助单元1通过管路分别与所述粉末进料单元2和等离子体电弧炉单元连接，所述收集单元7与所述等离子体电弧炉单元连接。

所述等离子体电弧炉单元包括：等离子体电弧3、石墨坩埚5、水冷电极4和螺旋进气管6；

其中，所述石墨坩埚5作为阳极设置在所述等离子体电弧炉内部的中心位置，所述水冷电极4作为阴极从所述等离子体电弧炉的顶部插入到等离子体电弧炉的内部，且端部位于与所述石墨坩埚5的开口上方，且水冷电极4一端与所述粉末进料单元2连接；

所述螺旋进气管6的一端沿着所述等离子体电弧炉的内壁切线方向进入等离子体电弧炉内部，另一端与气源连接，如图2所示。

所述石墨坩埚5内腔高度和内径的比例为0.5:1-10:1。

所述收集单元7包括连接管、收集罐10、多孔过滤结构9和反吹气连接口8；

其中，所述连接管的一端与所述等离子体电弧炉连接，另一端与所述收集罐10连接，所述多孔过滤结构9设置在所述收集罐10内部；

所述反吹气连接口8设置在所述收集罐10的顶部。

所述多孔过滤结构9为不锈钢网、多孔陶瓷、多孔烧结金属中的一种。

一种采用上述的制备系统制备单壁碳纳米管的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)称取一定量催化剂和助催化剂粉，经过研磨充分混合，装入粉末进料单元；

S2)将等离子体电弧炉单元内抽真空排气，随后切换电弧气体，待压力稳定后开启电弧电源，产生等离子体电弧在石墨坩埚内形成涡流，将炉膛温度升高一定温度；

S3)将碳源气和载气混合后经过粉末进料单元，携带催化剂和助催化剂一并经水冷电极的阴极进入等离子体电弧炉的石墨坩埚内进行充分的反应；

S4)生成的碳纳米管随着螺旋气流上升，并冷却，再进入收集单元，收集饱和后，反吹多孔介质，分离后获得高结晶度的单壁碳纳米管。

所述S1)中催化剂为二茂铁、二茂镍、二茂钴、羰基铁、羰基镍或羰基钴中的任意一种；所述助催化剂为硫粉、硒粉、硫化铁、硫化亚铁、硫化镍或硫化钴中的任意一种，催化剂和助催化剂的重量比例为1:1～20:1。

所述S2)中等离子体电弧炉单元的功率10～500kw，电流10A-1000A，电压1V-500V；

所述电弧气为氮气、氩气、氦气、氢气、水蒸气的任意一种及两种或者三种任意混合比例的混合气，流量1L/min-200L/min；所述炉膛温度1000-1500℃。

所述S3)中碳源气为甲烷、乙烯、乙炔、丙烯或丙烷中的任意一种；所述载气为氮气、氩气、氦气与氢气的混合气体；

其中，碳源气体的体积为5-80％；氢气体积为0.1-50％，其余为惰性气体，流量为1L/min-500L/min；所述粉末进料器的进料量范围0.01克/分钟-50克/分钟。

所述S4)中进气管的气体为惰性气体，气流量为0.2L/min-20L/min；

所述惰性气体为氮气、氩气和氦气的任意一种。

石墨坩埚5外围的螺旋气流置于高温区外，形成一股向上的载气，只有经石墨坩埚5上沿飘逸出来的产物才能与此螺旋气流接触被带出去，进入到收集单元中，因此可以实现一个很好的产物分离输运的作用。这种两部分的气流场的相互配合，很好的实现了产物充分反应，以及产物快速带出的双重作用。

实施例1

采用如图1所示的单壁碳纳米管的高效制备装置，由粉末进料单元、等离子体电弧炉和收集单元及气路、冷却等辅助系统组成。其中等离子体电弧炉的石墨坩埚内腔高度和内径的比例为3:1，收集单元采用多孔烧结金属为过滤介质。制备过程：

S1)按二茂铁和硫粉比例5:1称取，经过研磨充分混合，装入粉末进料单元；

S2)将等离子体电弧炉弧内抽真空排气，随后切换氩气电弧气体，流量5L/min，待压力稳定后开启电弧电源，设置为电流500A，电压100V，产生等离子体电弧，形成的涡流将炉膛温度升至1000℃；

S3)开启气路和冷却辅助单元和进料装置，将碳源气和载气混合后，经过粉末进料单元，携带催化剂和助催化剂一并经电弧阴极进入电弧炉石墨坩埚进行反应，其中以甲烷(30％)为碳源气，氢气(30％)，氩气(40％)为惰性气体，总流量30L/min；粉末进料器的进料量速率为1克/分钟。

S4)产物随着反应尾气及环绕石墨坩埚外围的辅助螺旋气流一并进入收集单元，其中螺旋气流为流量为0.5L/min的氩气，收集饱和后，反吹多孔介质，分离后获得最终产物，产率提高了至少20％，本实施例产物的扫描电子显微镜照片和拉曼光谱，其中拉曼光谱在1450和1550附近的峰对应为碳材料的D峰和G峰，峰强比值G/D比为47，如图3所示。

实施例2

采用如图1所示的单壁碳纳米管的高效制备装置，由粉末进料单元、等离子体电弧炉和收集单元及气路、冷却等辅助系统组成。其中等离子体电弧炉的石墨坩埚内腔高度和内径的比例为0.5:1，收集单元采用不锈钢网为过滤介质。制备过程：

S1)按羰基铁和硫化铁粉比例1:1称取，经过研磨充分混合，装入粉末进料单元；

S2)将等离子体电弧炉弧内抽真空排气，随后切换氮气电弧气体，流量1L/min，待压力稳定后开启电弧电源，设置为电流100A，电压10V，产生等离子体电弧，形成的涡流将炉膛温度升至1200℃；

S3)开启气路和冷却辅助单元和进料装置，将碳源气和载气混合后，经过粉末进料单元，携带催化剂和助催化剂一并经电弧阴极进入电弧炉石墨坩埚进行反应，其中以乙烯(5％)为碳源气，氢气(50％)，氮气(45％)为惰性气体，总流量1L/min；粉末进料器的进料量速率为0.01克/分钟。

S4)产物随着反应尾气及环绕石墨坩埚外围的辅助螺旋气流一并进入收集单元，其中螺旋气流为流量为0.2L/min的氮气，收集饱和后，反吹多孔介质，分离后获得最终产物。本实施例产物的扫描电子显微镜照片和拉曼光谱，其中拉曼光谱在1450和1550附近的峰对应为碳材料的D峰和G峰，峰强比值G/D比为15，如图4所示。

实施例3

采用如图1所示的单壁碳纳米管的高效制备装置，由粉末进料单元、等离子体电弧炉和收集单元及气路、冷却等辅助系统组成。其中等离子体电弧炉的石墨坩埚内腔高度和内径的比例为10:1，收集单元采用多孔陶瓷为过滤介质。制备过程：

S1)按二茂镍和硫化镍比例20:1称取，经过研磨充分混合，装入粉末进料单元；

S2)将等离子体电弧炉弧内抽真空排气，随后切换氦气电弧气体，流量200L/min，待压力稳定后开启电弧电源，设置为电流1000A，电压500V，产生等离子体电弧，形成的涡流将炉膛温度升至1500℃；

S3)开启气路和冷却辅助单元和进料装置，将碳源气和载气混合后，经过粉末进料单元，携带催化剂和助催化剂一并经电弧阴极进入电弧炉石墨坩埚进行反应，其中以丙烯(80％)为碳源气，氢气(20％)，总流量1L/min；粉末进料器的进料量速率为50克/分钟。

S4)产物随着反应尾气及环绕石墨坩埚外围的辅助螺旋气流一并进入收集单元，其中螺旋气流为流量为20L/min的氦气，收集饱和后，反吹多孔介质，分离后获得最终产物。本实施例产物的扫描电子显微镜照片和拉曼光谱，其中拉曼光谱在1450和1550附近的峰对应为碳材料的D峰和G峰，峰强比值G/D比为12，如图5所示。

实施例4

采用如图1所示的单壁碳纳米管的高效制备装置，由粉末进料单元、等离子体电弧炉和收集单元及气路、冷却等辅助系统组成。其中等离子体电弧炉的石墨坩埚内腔高度和内径的比例为5:1，收集单元采用不锈钢网为过滤介质。制备过程：

S1)按二茂钴和硫化钴比例10:1称取，经过研磨充分混合，装入粉末进料单元；

S2)将等离子体电弧炉弧内抽真空排气，随后切换氩气(60％)和氢气(40％)混合气电弧气体，流量10L/min，待压力稳定后开启电弧电源，设置为电流1000A，电压100V，产生等离子体电弧，形成的涡流将炉膛温度升至1300℃；

S3)开启气路和冷却辅助单元和进料装置，将碳源气和载气混合后，经过粉末进料单元，携带催化剂和助催化剂一并经电弧阴极进入电弧炉石墨坩埚进行反应，其中以甲烷(30％)为碳源气，氢气(40％)，氩气(30％)为惰性气体，总流量50L/min；粉末进料器的进料量速率为2克/分钟。

S4)产物随着反应尾气及环绕石墨坩埚外围的辅助螺旋气流一并进入收集单元，其中螺旋气流为流量为1L/min的氩气，收集饱和后，反吹多孔介质，分离后获得最终产物，产率提高了至少30％，本实施例产物的扫描电子显微镜照片和拉曼光谱，其中拉曼光谱在1450和1550附近的峰对应为碳材料的D峰和G峰，峰强比值G/D比为72，如图6所示。

实施例5

采用如图1所示的单壁碳纳米管的高效制备装置，由粉末进料单元、等离子体电弧炉和收集单元及气路、冷却等辅助系统组成。其中等离子体电弧炉的石墨坩埚内腔高度和内径的比例为5:1，收集单元采用不锈钢网为过滤介质。制备过程：

S1)按二茂铁和硒粉比例5:1称取，经过研磨充分混合，装入粉末进料单元；

S2)将等离子体电弧炉弧内抽真空排气，随后切换氩气(60％)和水蒸气(40％)混合气电弧气体，流量5L/min，待压力稳定后开启电弧电源，设置为电流500A，电压100V，产生等离子体电弧，将炉膛温度升至1200℃；

S3)开启气路和冷却辅助单元和进料装置，将碳源气和载气混合后，经过粉末进料单元，携带催化剂和助催化剂一并经电弧阴极进入电弧炉石墨坩埚进行反应，其中以甲烷(50％)为碳源气，氢气(40％)，氩气(10％)为惰性气体，总流量20L/min；粉末进料器的进料量速率为1克/分钟。

S4)产物随着反应尾气及环绕石墨坩埚外围的辅助螺旋气流一并进入收集单元，其中螺旋气流为流量为2L/min的氩气，收集饱和后，反吹多孔介质，分离后获得最终产物，产率提高了至少25％，本实施例产物的扫描电子显微镜照片和拉曼光谱，其中拉曼光谱在1450和1550附近的峰对应为碳材料的D峰和G峰，峰强比值G/D比为80，如图7所示。

以上对本申请实施例所提供的一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统和方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (8)

1.一种等离子体电弧法制备单壁碳纳米管的系统，其特征在于，所述系统包括粉末进料单元、等离子体电弧炉单元、气路和冷却辅助单元，以及收集单元；

所述粉末进料单元，用于将原料和催化剂充分混合后送入所述等离子体电弧炉内；

所述等离子体电弧炉单元，用于通过放电形成等离子体作为热源在反应区形成具有涡流的高温区，延长在原料和催化剂在具有涡流的高温区的反应时间，并提高反应温度；

所述气路和冷却辅助单元，用于向粉末进料单元提供供料载气，同时向等离子体电弧炉单元内供气，形成螺旋气流将生成的单壁碳纳米管带出高温区并冷却；

所述收集单元，用于收集冷却后单壁碳纳米管；

其中，所述粉末进料单元通过与所述等离子体电弧炉的一端连接，所述收集单元通过管路与所述等离子体电弧炉的另一端连接，所述气路和冷却辅助单元通过管路分别与所述粉末进料单元和等离子体电弧炉单元连接，所述收集单元与所述等离子体电弧炉单元连接；

所述等离子体电弧炉单元包括：等离子体电弧炉、石墨坩埚、水冷电极和螺旋进气管；

其中，所述石墨坩埚作为阳极设置在所述等离子体电弧炉内部的中心位置，所述水冷电极作为阴极从所述等离子体电弧炉的顶部插入到等离子体电弧炉的内部，且端部位于所述石墨坩埚的开口上方，水冷电极的另一端与所述粉末进料单元连接；

所述螺旋进气管的一端沿着所述等离子体电弧炉的内壁切线方向进入等离子体电弧炉单元内部，另一端与气源连接；

所述石墨坩埚内腔高度和内径的比例为0.5:1-10:1。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述收集单元包括连接管、收集罐、多孔过滤结构和反吹气连接口；

其中，所述连接管的一端与所述等离子体电弧炉单元连接，另一端与所述收集罐连接，所述多孔过滤结构设置在所述收集罐内部；

所述反吹气连接口设置在所述收集罐的顶部。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多孔过滤结构为不锈钢网、多孔陶瓷、多孔烧结金属中的一种。

4.一种采用如权利要求1-3任意一项所述的系统制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：S1)称取一定量催化剂和助催化剂粉，经过研磨充分混合，装入粉末进料单元；

S2)将等离子体电弧炉单元内抽真空排气，随后切换电弧气体，待压力稳定后开启电弧电源，产生等离子体电弧在石墨坩埚内形成涡流，将炉膛温度升高一定温度；

S3)将碳源气和载气混合后经过粉末进料单元，携带催化剂和助催化剂一并经水冷电极的阴极进入等离子体电弧炉的石墨坩埚内进行充分的反应；

S4)生成的碳纳米管随着螺旋气流上升，并冷却，再进入收集单元，收集饱和后，反吹多孔介质，分离后获得高结晶度的单壁碳纳米管。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述S1)中催化剂为二茂铁、二茂镍、二茂钴、羰基铁、羰基镍或羰基钴中的任意一种；所述助催化剂为硫粉、硒粉、硫化铁、硫化亚铁、硫化镍或硫化钴中的任意一种，催化剂和助催化剂的重量比例为1:1～20:1。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述S2)中等离子体电弧炉单元的功率10～500kw，电流10A-1000A，电压1V-500V；

所述电弧气为氮气、氩气、氦气、氢气、水蒸气的任意一种及两种或者三种任意混合比例的混合气，流量1L/min-200L/min；所述炉膛温度1000-1500℃。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述S3)中碳源气为甲烷、乙烯、乙炔、丙烯或丙烷中的任意一种；所述载气为氮气、氩气、氦气与氢气的混合气体；

其中，碳源气体的体积为5-80％；氢气体积为0.1-50％，其余为惰性气体，流量为1L/min-500L/min；所述粉末进料单元的进料量范围0.01克/分钟-50克/分钟。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述S4)中螺旋进气管的气体为惰性气体，气流量为0.2L/min-20L/min；

所述惰性气体为氩气和氦气的任意一种。

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