火焰法是合成碳纳米材料的有效方法之一。虽然不是主流方法,但具有独特优势,例如制备过程在大气中进行,无需真空(电弧法)和保护气氛(化学气相沉积法);可以在大表面上制备一层均匀的碳纳米材料薄膜;无需复杂设备,成本可控,对环境污染小等优势。本文全面地探索和揭示了火焰法中碳纳米材料的生长规律、生长机制、理化性能以及应用等。主要的开拓性和创新性成果如下:(1)利用热泳探针取样结合透射电镜图像分析,研究了甲烷和乙烯在不同氧浓度下以及甲烷/乙烯掺混对碳烟生成的影响。分析了碳烟颗粒沿轴向的成核、表面生长、凝聚、团聚和氧化过程。得到了不同氧浓度和甲烷掺杂率下,沿火焰中心线不同高度的碳烟粒径分布和聚集特性的变化。(2)发展了火焰法制备一维碳纳米材料(碳纳米管和碳纳米纤维)方法。利用气态燃料(主要包括:甲烷、乙烯等)燃烧火焰制备碳纳米材料,揭示了一维碳纳米材料在火焰中的生长规律和生长机制,探讨了燃料结构和取样基板对合成碳纳米管的影响,首次提出了递推生长模式。(3)探索了火焰法制备一维碳纳米材料的应用。一个是火焰合成碳纳米管配成浆料用作钠离子电池负极,二是直接在泡沫镍上生长碳纳米管直接用作钠离子电池负极,获得了优异的电容量和具有最佳的电化学性能。火焰合成碳纳米材料具有丰富的缺陷和高度无序的结构,是制备高性能钠离子电池的理想材料。同时,火焰合成碳纳米材料可以进一步扩展到其他相关的储能系统和电催化系统。