一般而言，催化剂是碳纳米管制备必不可少的，常用催化剂为过渡金属Fe/Co/Ni。产物中金属催化剂的残留会直接影响对碳纳米管化学、电学、磁学和热学性质的研究。也会阻碍了其在纳电子器件、催化剂载体、生物医学等领域内的实际应用。无催化剂污染高纯度、宏量、控制合成碳纳米管始终是该研究领域的重点和难点，也是制约其应用的“瓶径”问题之一。电弧放电法是大量制备碳纳米管的方法之一。相比于其它方法，电弧放电法制备的碳纳米管具有石墨化程度高、结构完整、缺陷少和稳定性高等优点。电弧放电法也是唯一不需要催化剂宏量制备碳纳米管的方法。然而，因电弧放电过程是局域超高温、超高温度梯度的远离平衡态，故电弧法的制备条件难以控制。本文围绕改进电弧放电法在不加催化剂的条件下对碳纳米管的取向、形貌和直径的调控开展工作，取得主要研究成果如下：　　 (1)氢电弧放电法自催化调控取向生长垂直碳纳米管阵列。改进氢电弧放电法，在不加催化剂条件下，通过扩大阳极区的尺寸和在阳极表面施加垂直电场等方法，制备出垂直于阳极表面的碳纳米管阵列。研究表明：碳纳米管阵列的长度可达30μm，直径20-120 nm，碳纳米管形貌为类竹节状；氢自由基的活化作用、适宜的温度场和电场力是影响碳纳米管阵列生长的主要因素。　　 (2)优化生长条件调控碳纳米管直径。分别采用氢、氦、氩和氮等不同种类的等离子电弧法，在不加催化剂的条件下，研究电极尺寸、气体种类对碳纳米管直径和长度的影响，在分析氢、氦、氩或氮等不同种类气体热导率、比热容等热物理特性对电弧温度场作用的基础上，通过优化电弧温度场、实现碳纳米管直径在10-15nm，长度在1-2.5μm范围内的大致可控。特别是采用小阳极(直径为2mm)的氢电弧法在不加催化剂的条件下成功制备出单壁碳纳米管。为无催化剂污染、宏量制备单壁碳纳米管探索了可行性。　　 (3)研究建立了一种半连续大量制备单壁碳纳米角的氮电弧法。研究表明：单壁碳纳米角的产量随放电电流增加而提高，单位产量的能耗也有所降低。电流为420A时，产量可达100 g/h。XPS分析表明：单壁碳纳米角有约0.3％氮掺杂。在此基础上，用氮化取代氧化，在600-1000℃高温下，建立了一种单壁碳纳米角开口处理的方法。研究表明：单壁碳纳米角开口处理是氨气刻蚀和高温退火共同作用的过程。随着处理温度的提高，单壁碳纳米角的比表面积和孔体积都增加。经1000℃/1h小时热处理，单壁碳纳米角的比表面积(BET)可达1245 m2/g，孔体积为1.30 cm3/g。这种单壁碳纳米角可望在超级电容器、锂离子电池等有广泛的应用前景。