CN1293595C - 用于合成碳纳米结构的电弧电极 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造碳纳米结构的电弧电极结构，其包括设置在室内的一个第一电极以及两个或多个第二电极。所述电极连接到一个电压电位上以产生一个电弧等离子体区。第一电极具有一个倾斜表面，倾斜表面上有多个用于容纳催化剂的孔。第一电极的倾斜表面、以及该多个第二电极的定位可以控制电弧等离子体的方向和区域。另外，第一电极具有一个中心孔，该中心孔可以是盲孔或通孔。盲孔收集由第一电极倾斜表面上滑落的不需要的沉积物。通孔或者可将炭黑和碳纳米结构从室中取出，或者可将有机蒸气引入室内。当通孔用来将有机蒸气引入室内时，其引导蒸气通过电弧等离子体区，从而通过CVD过程制成碳纳米结构，而不是从碳电极上剥离。

Description

用于合成碳纳米结构的电弧电极
技术领域
本发明涉及一种用于合成碳纳米结构的电弧电极结构，以及利用其制造碳纳米结构的方法。更具体地说，本发明涉及一种用来产生电弧等离子体放电、以便通过消耗含碳电极或通过化学气相淀积(CVD)工艺来合成碳纳米结构的电极装置。可制得的碳纳米结构包括单壁纳米管(SWNT)、多层壁纳米管(MWNT)、富勒烯(fullerene)、内含金属的富勒烯(endohedralmetallofullerene)、碳纳米纤维、以及其它含碳纳米材料。
背景技术
在相关领域中，利用在一个阳极和一个阴极之间的电弧放电来制造碳纳米结构。例如，可参见的有1999年9月28日公开的日本专利11-263609；D.T.Colbert等人在1994年11月18日的科学杂志(science magzine)第266卷上发表的“富勒烯纳米管的生长和烧结(Growth and Sintering of fullereneNanotubes)”；Lowell D.Lamb等人在1993年大不列颠Elsevier Science有限公司出版的物理化学固体杂志(Journal of Phys.Chem.Solids)第54卷第12期第1635-143页上发表的“富勒烯的制造(Fullerene Production)”；以及美国专利6,063,243。因为仅使用一个阳极和一个阴极，因此只能得到一个有限的电弧等离子体区。另外，这些电极包括彼此相对的平面。由于仅仅平的电极表面彼此相对，因此即使不是不可能，也很难控制电弧等离子体的方向和区域。因此，很难控制最终制得的碳纳米结构。另外，在电弧等离子体区域之外的区域，温度下降很快。由于电弧等离子体区域的尺寸有限，以及由于电弧等离子体区域外部的温度低，反应物快速淬熄，而没有进行热退火。这种反应物的快速淬熄导致无定形碳和其它不需要的物质的大量产出，从而导致碳纳米结构的产出率很低。因此，利用这些装置和方法只能制得短的SWNT。
这种相关技术的阳极通常是其中混有催化剂的碳棒。具有低沸点或升华点的催化剂很容易从热电极中跑出，因此利用不完全。
在炭黑生成过程中，炭黑通常沉积在电弧电极室的内壁上，于是必须被采集。正如Lamb等人在“富勒烯的制造”中所指出的，炭黑的采集存在着极大的健康风险。因此炭黑的采集必须小心地进行，而这意味着速度缓慢和高费用。因此炭黑的采集是一项艰苦的工作，特别是在大电极室中尤其如此。
最后，在传统的电弧一化学气相淀积装置中，有机蒸气通过不在该电极中心的入口被引入。也就是说，在该相关技术的结构中，气态反应物被引入到电弧等离子体放电区域的旁边。参见Ando等人于2000年6月23日在Elsevier Science B.V.的化学物理学小册子323(Chemical Physics letters323)上发表的“利用电弧等离子体射流方法来大规模生产单壁碳纳米管(Mass production of single-wall carbon nanotubes by the arc plasma jetmethod)”。因此，有机蒸气没有受到热电极的预热，并没有被完全地和均匀地引入电弧等离子体区域，这将导致SWNT的产出率较低。并且，两个电极都没有被流动的有机蒸气冷却。而且，因为有机蒸气从电弧等离子体区域的旁边经过，因此既有相当量的有机蒸气未被利用，也有相当一部分电弧等离子体区域未被充分利用。
在另一个典型的CVD装置中，气体通过一个由炉子加热的旋转管。然而，为了防止该管不被熔化，该过程只能在约1000℃下进行。因此由于温度的限制，大量的(多达约90％的)气体没被利用或者被浪费了。因此，该过程效率非常低。
发明内容
本发明的一个目的就是解决上面所指出的现有技术中的问题。更具体地说，本发明的一个目的是提供一种电弧电极结构，以及有关的装置，其解决了上面指出的现有技术中的问题。本发明的另一目的是提供一种用来高效地制造尤其是SWNT这样的碳纳米结构的电极结构，其中SWNT的产出率得到了提高。
为了解决前述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种电弧电极装置，用于制造碳纳米结构，包括：室；第一电极，具有第一端部、第二端部、以及在所述第一端部和所述第二端部之间延伸的主体，所述第一电极设置在所述室内，并连接到第一电位上，第一电位是正电位和负电位中的一个；以及至少两个第二电极，每个都具有第一端部和第二端部，所述至少两个第二电极设置在所述室内，并连接到第二电位上，所述第二电位是所述正电位和负电位中的另一个，其中所述至少两个第二电极的所述第二端部被设置成与所述第一电极的所述第一端部相对，以便在每个所述第二电极和所述第一电极之间形成间隙，其中，所述第一电极和所述至少两个第二电极中的至少一个含碳。
根据本发明的另一方面，提供一种电弧电极装置，用于制造碳纳米结构，包括：室；第一电极，设置在所述室内，所述第一电极具有第一端部、第二端部、在所述第一端部和所述第二端部之间延伸的纵轴、以及具有沿着所述纵轴延伸的中心孔的主体，其中所述第一端部包括一个倾斜表面，该倾斜表面沿相对于所述纵轴倾斜的方向延伸，以及至少一个第二电极，设置在所述室内，并具有第一端部和第二端部，所述第二电极第二端部被设置成靠近所述倾斜表面，以便在其间形成间隙，其中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个含碳。
根据本发明的又一方面，提供一种制造碳纳米结构的方法，包括：在具有多个壁的室内设置第一石墨电极和至少两个第二碳电极，从而使所述至少两个第二电极与所述第一电极隔着一间隙相对；向室内提供一种气氛，所述气氛包括惰性气体和第一压力；以及在所述至少两个第二电极和所述第一电极之间提供一个电压，从而在每个所述至少两个第二电极和所述第一电极之间形成电弧，以制造碳纳米结构，其中，所述设置步骤包括设置所述至少两个第二电极，以便在提供所述电压时，使所述电弧结合在一起。
综上所述，本发明可使电弧等离子的方向和区域得到调节，从而可控制最终的产物。也就是说，由于本发明包括具有倾斜表面的环形电极，因此可容易地调节电弧等离子体的方向和区域。此外，由于该电极包括倾斜表面，因此它可以自动清洁。也就是说，否则将聚集在平的电极表面上的沉积物将从本发明电极的倾斜表面上滑落，由此清洁了该电极表面。另外，该电极的该倾斜表面上包括多个孔，这些孔用于容纳催化剂，即使当催化剂达到其沸点或升华点时也如此。所述孔具有不同的深度，从而在电弧放电的整个持续时间内，催化剂可被连续地、均匀地分布在整个电弧等离子体区域内。
除了一个电极上的倾斜表面以外，本发明还包括多个与该第一电极倾斜表面相对设置的第二电极。设置至少两个第二电极有利于电弧等离子体的方向和区域的可调性。第二电极布置得使它们的电弧结合成而产生更大的、更热的电弧等离子体区域，这使得反应时间更长。更长的反应时间又导致更长的SWNT、以及其更高的产出率。
本发明的又一目的在于提供一种电弧电极结构，其使得碳纳米结构很容易被收集和热退火。第一电极中具有一个中心通孔。通孔连接到一个出口管上，出口管又与收集箱和泵相连。该泵通过中心孔将炭黑抽吸到收集箱内，从而炭黑不会沉积在电极室的内壁上。用这样的方式，可容易地、安全地和快速地收集炭黑。另外，当通过热电极的中心通孔抽吸炭黑时，炭黑被热退火，由此完善了该纳米结构。也就是说，当炭黑沿着该中心孔移动时，来自于电极的热量可使反应时间更长，而这将制得更长的SWNT，并且可除去纳米结构中的悬空键(dangling bond)。
可选地，该第一电极中心通孔可用来将有机蒸气、气体(包括惰性气体)和催化剂引入电极室，而不是使用该中心通孔来从电极室中除去炭黑。也就是说，本发明的装置可通过CVD、由气体原料来制造碳纳米结构，而不是通过分裂碳电极来制造。于是通过选取引入到电弧等离子体区的气体，碳纳米结构的类型和尺寸很容易得到控制。由于气体通过在一个电极中的中心孔引入，所述气体在到达电弧等离子体区之前得到预热，由此提高了碳纳米结构的产出率。类似地，气体穿过电极的引入冷却了该电极，由此提高了安全性和电极的使用寿命。另外，由于气体通过该电极的中心引入，电弧等离子体区域位于中心通孔的上方，因此气体必定通过电弧等离子体区，从而可利用更大部分的电弧等离子体区。通过如此引入有机蒸气，未利用的气体的量降低了，这又降低了碳纳米结构的制造成本。
通过参照附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的上述和其他目的和优点将变得更加显然，其中在所有这几个视图中，相同的附图标记指代相同的或相应的部件。
附图说明
图1是本发明第一实施例的用于制造碳纳米结构的一个室和电弧电极的示意图；
图2是沿图1的II-II线剖开的电弧电极的部分剖面示意图；
图3是图1所示的一个电弧电极的侧面示意图；
图4是本发明第二实施例的用于制造碳纳米结构的一个室和电弧电极的示意图；
图5是本发明第三实施例的用于制造碳纳米结构的一个室和电弧电极的示意图；
具体实施方式
第一实施例
图1-3显示出本发明的第一实施例。用于制造碳纳米结构的装置包括室1、第一电极20、或多个第二电极40、以及调整机构50。
室1包括包围室内部5的壁2。壁2被构造成允许冷却流体流过其中。冷却流体可被引导通过冷却流体入口4，并从冷却流体出口8流出，以便冷却该室内部5。另外，室1包括入口6和出口10，从而可在室内部5内形成气体保护气氛。气体保护气氛包括任何诸如，举例来说，氦或氩这样的惰性气体。此外，气体保护气氛可包括氢气或氢气和惰性气体的混合物，并通常在约300托至约760托的压强下。气体保护气氛的具体组成成份取决于人们希望得到的碳纳米结构的种类。另外，该室还包括一观察窗12，从而用户可以观察到设置于室内部5中的第一电极20和一个或多个第二电极40。
第一电极20包括第一端部21、第二端部33、以及在所述两端部之间沿纵轴31延伸的主体27。主体27具有设置于其中的中心盲孔29。也就是说，中心孔29不是从第一端部21到第二端部33贯穿整个第一电极20。通过安装到第二端部33上的连接件14，第一电极20被连接到一电压电位上，并被安装在室内部5中。
第一端部21包括一朝着中心孔29倾斜的倾斜表面23。该倾斜表面23被设置成相对于纵轴31成角度θ。参见图3。角度θ可以从约20°到约小于60°，但优选在约30°到约45°之间。角度θ应如此选定从而倾斜表面23可影响第一电极20的清洁，还可影响在第一电极20和该一个或多个第二电极40之间的电弧的形状。
在碳纳米结构的生产过程中，倾斜表面23有助于清洁第一电极20的第一端部21。也就是说，当在第一电极20和一个或多个第二电极40之间施加电压时，沉积物倾向于形成在第一端部21上。然而，由于该倾斜表面23的存在，沉积物从第一端部21上滑落并滑进中心孔29中。当角度θ变大时，倾斜表面23变平，沉积物不会从其上滑落。
另外，倾斜表面23有助于形成由第一电极20和第二电极40产生的电弧的形状。当使用两个或多个第二电极40时，这也是优选的，倾斜表面23使得电弧等离子体的区域和方向可被调节从而可以控制最终产品。也就是说，当角度θ变小时，每个第二电极40的电弧等离子体区域更多地指向第一电极21的中心，较少的电弧等离子体区域位于第二电极40的端部上方，即，较少的电弧等离子体区域位于沿第一电极20的倾斜表面23径向向外处。当来自于两个或多个第二电极40的电弧等离子体区域指向第一电极21的中心时，由此多个电弧结合生成一个更大的、更热的、并增加了反应时间的电弧等离子体区。因此，增加了碳纳米结构的产出率和尺寸。当角度θ变大时，第一电极20的第一端部21变平并接近传统技术的电极结构(即其θ＝90°)，此时即使不是不可能，也很难控制电弧等离子体的区域和方向。
另外，如图2所示，倾斜表面23具有多个设置于其上的孔25。孔25容纳有在碳纳米结构的制造过程中所使用的催化剂。因为催化剂被容纳在孔25中，因此很容易根据放电的不同而改变催化剂。也就是说，第一电极20在放电过程中不被消耗，因此孔25保持它们的形状和容纳催化剂的能力。因此，孔25只需被清扫干净并充填新的催化剂。
每个孔25具有从约2mm至约10mm的深度，但优选为约5mm。如果孔25太深，催化剂会熔化并沉积在该孔的底部，于是不能被用于在第一电极20的倾斜表面23处的反应。因此，应选择这样的深度，从而即使当催化剂熔化或升华时，催化剂也可被保持在孔25中，并与倾斜表面23足够接近，从而可被利用。
另外，当第一电极的第一端部21的直径为约20cm，中心孔29的直径为约4cm时，每个孔25具有从约3mm到约10mm的直径。然而，优选地，每个孔25的直径范围为从约4mm至约8mm。如果每个孔25的直径变得过大，则在倾斜表面23上不能形成足够数量的孔，因此没有足够量的催化剂来用于反应。这对于增加中心孔29的、范围为从约0cm至约6cm的直径或者减少第一电极第一端部21的、范围为从约5cm至约30cm的直径来说同样如此。而且，当孔25的直径太大时，很难获得孔25相对于第一电极20的表面面积的理想分布。
图2示出的孔25具有相同的直径，但是它们不必需如此。另外，不必每个孔25都具有相同的深度。实际上，优选的是孔25具有不同的深度，以便可从电弧放电开始直到第二电极40消耗完为止，连续地供给催化剂。也就是说，有些孔25较浅，因此催化剂很快就从此蒸发了，而其他的孔25则较深，因此催化剂蒸发得较慢，并持续较长的一段时间。重要的是孔25分布在整个倾斜表面23上，以便从电弧放电开始直到第二电极40消耗完为止，能通过蒸发连续地向电弧等离子体区供给催化剂。并且孔25越多，在电弧放电过程中就越容易实现这种连续的、均匀的催化剂供给。
尽管示出的第一电极20的横截面为圆形，然而可以使用任何其他的截面形状，如，举例来说，椭圆形、矩形、正方形、五边形、六边形、八边形等等。另外，在本实施例中，第一电极20由石墨制成(以承受电弧等离子体区在操作过程中约4000℃的温度)并连接到负电压电位，由此形成为阴极。
另外，在电弧放电过程中，第一电极20可旋转。通过旋转第一电极20，较容易在消耗第二电极40的整个时间内连续地供给催化剂，并且较容易均匀地将催化剂供给到电弧等离子体区域。也就是说，通过旋转第一电极20，容纳着催化剂的孔25移动穿过电弧等离子体区，并且在电弧等离子体区之外的一些孔25可进入并穿过电弧等离子体区。于是，催化剂可连续地和更均匀地分布在整个电弧等离子体区上。
一个或多个第二电极40设置在室1内，以便与第一电极20的倾斜表面23相对。当使用多个第二电极40时，可得到一个更大的和更热的电弧等离子体区域。另外，电弧的汇聚或重叠使得电弧等离子体区的温度更均匀。每个第二电极40包括第一端部41和第二端部42。第一端部41连接到调整机构50上，而第二端部42与倾斜表面23相对，以便在每个第二端部和倾斜表面23之间形成间隙47。由于第二电极40在电弧放电过程中消耗很快，并得到了与倾斜表面23大致平行的倾斜表面，因此可沿着垂直于倾斜表面23的直线从第二端部42的中心到倾斜表面23来测量间隙47。在该实施例中，第二电极连接到正电压电位上，于是成为阳极。另外，在本实施例中，因为催化剂由第一电极20中的孔25提供，每个第二电极可由纯碳制得。纯碳棒比其中含有催化剂的碳棒便宜。当然，即使由第一电极20中的孔25供给催化剂，一个或多个第二电极40中也可包括催化剂。
调整机构50将第二电极40连接到室1上，并连接到一电压电位上。调整机构50包括一个板52、螺纹柱54和螺母56。
板52安装有第二电极40，从而第二电极可相对于彼此进行调节。也就是说，当使用两个第二电极40时，它们间隔开一个距离45，并且该间距可调。由于第二电极安装到板52上，因此该距离45是可调节的，从而它们可以在箭头B的方向上朝着彼此移动或者彼此远离。尽管本实施例中仅示出两个第二电极40，然而可以使用任何数量的第二电极40。第二电极40数量的增加使得电弧等离子体区域的可能尺寸增加了，并提高了温度，并因此增加了制得的碳纳米结构的数量。并且当使用多于两个的第二电极40时，板52包括一装配结构，该结构允许每个第二电极40可相对于其他的第二电极40移动，从而每个第二电极40之间的距离45可调。在本发明的一个优选实施例中，距离45设定为约8cm，这促使电弧理想结合。当存在大量的第二电极40时，它们可设置在一个直径长度等于距离45的长度的圆上。
另外，螺纹柱54安装在板52上，并在室1内延伸并贯穿壁2。螺母56连接到螺纹柱54上，以便将板52以及由此将第二电极40安装在室内部5中。螺母56和螺纹柱54使得第二电极可在箭头A的方向上移动，以便调节间隙47的距离。螺母56既可手动调节也可由自动控制器(未示出)调节，以便相对于第一电极20来定位第二电极40。在本发明的优选实施例中，间隙47的距离可在从约2mm到约5mm的范围内来设定，优选在从约2mm到约3mm的范围内来设定。如果间隙47太大，则不能产生电弧，而如果间隙47太小，仅仅形成小的电弧等离子体区。再者，较大尺寸的电弧等离子体区得到较长的反应时间，而这又导致较大的碳纳米结构以及这种结构的较高的产出率。
调整机构的结构对于本发明来说并不严格，并且可以是允许第二电极40连接到一电压电位上的任何机构，以及允许调节第二电极40之间的距离45并可调节间隙47的机构。
现在将描述利用本发明该实施例来制造SWNT的优选操作。
由石墨制得并具有与纵轴31成约30°角θ的倾斜表面23的第一电极20设置于直径约10mm的纯碳第二电极40之下，从而不需要的沉积物被收集在中心盲孔29中。
倾斜表面23上的孔25填充有(通常到其顶部)催化剂，如，举例来说，硫、磷、镍、钇、钴、或它们的混合物。催化剂的种类取决于要制造的碳纳米结构的类型。例如，通过改变催化剂，可高效地制得下述碳纳米结构的任何一种或多种：单壁纳米管(SWNT)；多层壁纳米管(MWNT)；富勒烯(fullerene)、内含金属的富勒烯(endohedral metallofullerene)、碳纳米纤维；以及其它纳米结构。对于SWNT的制造，用硫催化剂可制得较大直径的管。该实施例的一个重要特征在于，由于石墨第一电极20在其倾斜表面23上具有孔25，因此它容易向电弧等离子体区供给催化剂。也就是说，催化剂可被容易地引入孔25，其后，被方便地提供给电弧等离子体区。另外，由于第一电极20不被消耗，因此即使在电弧放电过程中，孔25也可保持其形状。因此，即使达到催化剂的沸点或升华点以后，孔25也可保持催化剂；催化剂不会从第一电极20中跑出。
接着，向室内部5填充气体保护气氛，该气体保护气氛包括诸如氦或氩这样的惰性气体、诸如氢气这样的气体、或它们的混合物。尽管可以使用任何一种惰性气体，然而含有H2的气氛趋于制得长度较长的SWNT，而含有He的气氛趋于制得较短的SWNT(应指出的是为了制得富勒烯，必须使用He气氛)。在室内部5中形成气体保护气氛以后，室入口6和室出口10上的阀关闭，以便保持约500托的H2静态气体保护气氛。
第二电极40彼此相隔约8cm，这形成了具有较大电弧等离子体区的结合电弧。接着，把第一电极20和第二电极40设置成带有约2mm至约3mm的间隙47而彼此相对。
此外，第一电极20连接到负电压电位上，以用作阴极，而第二电极40连接到正电压电位上，以用作阳极。接着，将约30至约35伏特之间的直流(DC)电压和约200安培的电流施加到第一电极20和第二电极40上，由此通过电弧放电而产生电弧等离子体区。电弧放电进行约30分钟到1小时以消耗完阳极。随着第二电极40的消耗，调整机构50可被操作来使第二电极40向着第一电极20移动，以便维持在约30和约35伏特之间的电压。电极40的消耗所产生的炭黑包括所需的碳纳米结构，并位于室1的内壁3上。
在上述条件下，可达到约0.3至约1g/分钟的炭黑生产率，其中SWNT的产出率大于50％重量百分比。制得的SWNT的直径通常为约1.2至约1.8纳米，长度大于约100微米。
尽管在上述对装置的操作中描述了DC电压，然而交流(AC)电压也可用于本发明的装置。另外，尽管优选约200安培的电流，也可使用从约100至约300安培的电流。
第二实施例
在图4中示出了本发明的第二实施例。与在第一实施例中所图示和描述的元件相同的元件使用相同的附图标记，因此，此处省略了对这种元件的描述。
在本发明的该实施例中，室1包括出口管16、收集箱18、以及泵19。出口管16连接到第一电极20和收集箱18上。收集箱18又连接到泵19上。另外，第一电极20包括一个中心孔29’，该中心孔延伸贯穿整个第一电极20，并连接到出口管16上。
于是，室5的内部与泵19相连通，从而通过开动泵19以产生从室内部5到收集箱18的流动，可很容易地将由在第一电极20和第二电极40之间电弧放电而制得的炭黑收集到收集箱18中。从室内部5的流出速率设定为足以防止显著数量的炭黑聚集在内壁表面3上的值。在泵19从室内部5抽取炭黑和气体时，室入口6使得相应量的气体进入室内部5内，以便维持室内部5内的压力。
于是，该实施例具有容易收集炭黑的优点。炭黑，包括副产物和所需的碳纳米结构，被收集在收集箱18内，而不是沉积在收集室1的内壁表面3上。也就是说，由于在室1的内壁表面3上不会形成显著数量的炭黑，因此不必进行费时的、昂贵的、并可能是不安全的炭黑收集过程。
本实施例的另一个优点是在碳纳米结构与炭黑一起通过第一电极20的中心孔29’被抽出时，其被加热退火。第一电极20由电弧放电加热。第一电极第一端部21的表面达到约4000℃，而主体27随着其延伸远离该第一端部21而逐渐冷却。因此，沿中心孔29’形成了温度梯度。当炭黑被抽吸通过该温度梯度时，炭黑中的碳纳米结构可反应更长时间，并变得更完美。也就是说，当抽吸碳纳米结构通过第一电极20的中心孔29’时，其得到了加热退火，以便消除悬空键(dangling bond)。本发明该实施例形成的较长的反应时间也可获得较长的纳米管，并增加产出率。在内含金属的富勒烯(metallofullerene)的制造中，这种较长的反应时间特别有益。在本发明的一个优选实施例中，中心孔29’约30cm以使碳纳米结构加热退火。
图4显示出设置于第二电极40之上的第一电极20，从而形成于第一电极20上的沉积物会滑落到室内部5的底部。在这样的结构中，在第二电极40中包含约7.5％至约20％重量百分比的量的催化剂。但是第一电极20可以设置在第二电极40之下，于是象在第一实施例中一样提供催化剂。用第一电极20供给催化剂的优点超过了收集到与所需的纳米结构一起的不需要的电极沉积物的缺点，所述收集将发生在第一电极20位于第二电极40之下的情况下。
第三实施例
在图5中示出本发明第三实施例。与在第一和第二实施例中所图示和描述的元件相同的元件使用相同的附图标记，因此，此处省略了对这些元件的描述。然而，在该实施例中，碳纳米结构由以气态引入的碳成份构造而成。也就是说，本实施例是CVD(化学气相淀积)过程。
该实施例的室1具有引入管16’和室出口10；室入口6不是必须的，但是如果需要也可包括在内。也就是说，引入管16’连接到第一电极20的中心通孔29’上，并向电弧等离子体区和室内部5提供气体。相等量的气体通过室出口10排出室1，以便在电弧放电过程中使室内部5内的压力保持恒定。
碳纳米结构正是由通过中心孔29’引入的气体的成份制成或累积而成。也就是说，含有催化剂和碳纳米结构原材料的气体通过中心通孔29’供给到电弧等离子体区。在电弧等离子体区，将足够能量施加给气体，以便引起生成碳纳米结构的反应。然而在气体到达电弧等离子体区之前，它通过由电弧放电加热的第一电极20的中心通孔29’。于是，在到达电弧等离子体区之前，该气体得到了预热。由于该气体得到了预热，可以得到更好的碳纳米结构产出率。
气体含有制造碳纳米结构用的催化剂和原材料，因此，很容易控制碳纳米结构的尺寸和制造。也就是说，所引入气体的流率和浓度控制制得的纳米结构的类型和量。例如该气体可包括混有惰性气体和催化剂的有机蒸气。在这种装置中：有机蒸气包括CH4、CH2＝CH2、CH≡CH、CH3CH2CH3中的任何一种或多种；而催化剂可包括单独使用或结合使用的S、硫醇噻吩(thiol thiophene)、C10H10Fe、C10H10Ni或C10H10Co。另外，在该实施例中，由于氢气清洁催化剂表面，所以内部室5具有含有H2的气氛，从而增加了制得的碳纳米结构的产出率。氢也可与有机蒸气和催化剂一起引入。另外，内部室压力约为1个大气压。
尽管在本实施例中，催化剂以气态引入，催化剂也可象前面的实施例一样包含在第一电极20或第二电极40中。也就是说，催化剂可以下述三种方式中的任一种或多种加入电弧等离子体区：a)利用通过引入管16’引入的气体加入；b)利用第一电极20中的孔25加入；或c)利用第二电极40加入。
另外，本发明的结构导致碳纳米结构生产效率的提高。正如所指出的那样，第一电极20的倾斜表面23可以控制电弧等离子体的方向和区域。由此，通过选取适当的角度θ、第二电极间距45和电极间隙47，可以在中心开口29’上方的整个大范围内均匀地形成电弧等离子体区。于是，由于气体通过第一电极20的中心引入，并且电弧等离子体区均匀地形成在中心开口29’上方，因此气体由于整个电弧等离子体区的更完全的利用而被均匀地消耗。也就是说，由于气体必须经过电弧等离子体区，因此只有很小量的通过中心孔29’引入的气体未被消耗。而且，由于气体通过具有4000℃温度(比通常的CVD工艺的温度高得多)的电弧等离子体区，本发明可得到比通常的CVD方法高得多的效率。于是，利用本发明该实施例，可高效地制得碳纳米结构。
由于倾斜表面23允许对电弧等离子体区的控制，因此有可能仅仅使用一个第二电极40，尽管这不是优选的。也就是说，可以由一个第二电极40来控制电弧等离子体的方向和区域，以便这种电弧等离子体区位于中心开口29’之上方。然而，这种电弧等离子体区不如使用两个或多个第二电极40所得到的电弧等离子体区大，于是，其碳纳米结构的生产能力、产出率、质量不如在使用两个或多个第二电极40时高。
在本实施例中，碳纳米结构制造的主要来源是由气体成份来形成的(尽管有些是靠消耗第二电极40而制得的)。因此，最好是第二电极40消耗较慢，以便延长电弧放电的时间，这又增加了用一组电极40制得的碳纳米结构的数量。为了增加电弧放电的持续时间，第一电极20连接到一个正电压电位上，以用作阳极，而第二电极40连接到负电压电位上以用作阴极。也就是说，电压电位与用在第一和第二实施例中的设置发生了转换，以便使第二电极40的消耗减慢。
在该实施例中，与第一实施例类似，含有碳纳米结构的炭黑沉积在室1的内壁表面3上。
可以预期的是，在不背离权利要求书中所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明的电弧电极装置作出多种改进。

Claims (16)

1、一种电弧电极装置，用于制造碳纳米结构，包括：
室；
第一电极，具有第一端部、第二端部、以及在所述第一端部和所述第二端部之间延伸的主体，所述第一电极设置在所述室内，并连接到第一电位上，第一电位是正电位和负电位中的一个；以及
至少两个第二电极，每个都具有第一端部和第二端部，所述至少两个第二电极设置在所述室内，并连接到第二电位上，所述第二电位是所述正电位和负电位中的另一个，其中所述至少两个第二电极的所述第二端部被设置成与所述第一电极的所述第一端部相对，以便在每个所述第二电极和所述第一电极之间形成间隙，
其中，所述第一电极和所述至少两个第二电极中的至少一个含碳。
2、如权利要求1所述的电弧电极装置，其中所述第一电极主体中具有中心孔，并限定出一个纵轴，而且其中，所述第一电极第一端部包括一个倾斜表面，该倾斜表面沿相对于所述纵轴倾斜的方向延伸，并且其中所述至少两个第二电极的所述第二端部与所述倾斜表面相对设置，以便形成所述间隙。
3、如权利要求2所述的电弧电极装置，其中所述中心孔是一个盲孔，该盲孔从所述倾斜表面延伸进所述第一电极主体内，以便形成一个底面。
4、如权利要求3所述的电弧电极装置，其中所述第一电极设置在所述至少两个第二电极之下，从而可将不需要的副产品收集到所述中心孔中。
5、如权利要求2所述的电弧电极装置，其中所述倾斜表面具有多个形成于其中的孔。
6、如权利要求5所述的电弧电极装置，其中所述多个孔包括深度不同的孔。
7、如权利要求2所述的电弧电极装置，其中所述中心孔延伸贯穿整个所述第一电极，因此所述第一电极主体是空心的，所述电弧电极装置还包括与所述中心孔连通的泵，以便通过所述中心孔将材料从所述室中抽出。
8、如权利要求7所述的电弧电极装置，还包括设置在所述泵和所述中心孔之间的收集箱，以便接收通过所述中心孔抽出的材料。
9、如权利要求1所述的电弧电极装置，还包括连接到所述第二电极第一端部并连接到所述室上的调整机构，以便所述第二电极可相对于彼此移动，并可相对于所述第一电极移动。
10、如权利要求1所述的电弧电极装置，其中
所述第一电极设置在所述至少两个第二电极之下；
所述第一电位为正，因此所述第一电极用作阳极，所述第二电位为负，因此所述至少两个第二电极用作阴极；以及
所述第一电极主体中具有中心孔，并限定出一个纵轴，所述中心孔延伸贯穿整个所述第一电极，因此所述第一电极主体为空心的，由此气体可通过所述中心孔而引入所述室。
11、如权利要求1所述的电弧电极装置，其中所述至少两个第二电极彼此间隔开，并与所述第一电极间隔开，以便形成汇聚电弧。
12、如权利要求1所述的电弧电极装置，其中所述第一电极安装成可相对于所述至少两个第二电极旋转。
13、如权利要求1所述的电弧电极装置，其中所述第一电极由石墨制成，所述至少两个第二电极由碳制成。
14、一种制造碳纳米结构的方法，包括：
在具有多个壁的室内设置第一石墨电极和至少两个第二碳电极，从而使所述至少两个第二电极与所述第一电极隔着一间隙相对；
向室内提供一种气氛，所述气氛包括惰性气体和第一压力；以及
在所述至少两个第二电极和所述第一电极之间提供一个电压，从而在每个所述至少两个第二电极和所述第一电极之间形成电弧，以制造碳纳米结构，
其中，所述设置步骤包括设置所述至少两个第二电极，以便在提供所述电压时，使所述电弧结合在一起。
15、如权利要求14所述的制造碳纳米结构的方法，其中所述第一电极包括一个贯穿其中的孔，并且所述方法还包括：
提供通过所述孔的吸力，以便将所述气体和碳纳米结构抽出所述室，由此碳纳米结构由来自于所述第一电极的热量退火；
向所述室供给气体，以便将所述室保持在所述第一压力。
16、如权利要求14所述的制造碳纳米结构的方法，其中所述第一电极包括一个贯穿其中的孔，并且所述方法还包括：
通过使有机蒸气和催化剂穿过所述孔并穿过所述电弧，而将有机蒸气和催化剂引入所述室，其中在所述有机蒸气和催化剂通过所述电弧之前，由所述第一电极加热所述催化剂和有机蒸气。
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