[实用新型]一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应装置

说明书

本实用新型属于制备纳米材料装置技术领域，具体涉及一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应装置。本实用新型的目的是解决现有生产石墨烯的装置存在的生产规模小和效率低的技术问题。本实用新型采用的技术方案是：一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应装置，其包括一大一小两个同心的圆筒电极、绝缘圆环盖和绝缘底板，所述两个同心的圆筒电极的底端设置在绝缘底板上，所述绝缘圆环盖套装在小圆筒电极和大圆筒电极之间。本实用新型具有生产规模大和效率高的优点。

技术领域

本实用新型属于制备纳米材料装置技术领域，具体涉及一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应装置。

背景技术

石墨烯是单层蜂窝状碳原子组成的二维纳米材料，是最薄、最轻、最强、最硬的材料，具有极佳的导电导热性能，被称为“材料之王”。当前石墨烯的大规模生产主要是石墨氧化还原工艺。鉴于工艺技术复杂、废液处理等问题，石墨烯的生产成本很高，市场上石墨烯粉体的价格居高不下，限制了石墨烯的大规模应用。WO2020/051000(Flash Joule HeatingSynthesis Method and Compositions Thereof)公开了一种使用电力的焦耳热闪蒸法制备石墨烯，这种方法通过把炭黑、焦炭或无烟煤等碳粉放在石英管中，大电流通电不到1秒，温度高达3000℃左右，碳粉瞬间变为石墨烯。就电力成本估算，生产1千克石墨烯只需要2度电，电力成本为1元左右。虽然这种方法获得的石墨烯成本低廉。但由于受到石英管反应器的限制，该方法目前一次只能生产1克左右的石墨烯。其生产过程是：把碳粉装在石英管中，两边用铜塞子或石墨塞子堵住，铜电极顶住塞子供电加热把碳粉变成石墨烯。这种反应会放出巨大热量，需要通过光辐射把热快速散出去。另外，反应过程中碳粉的体积会膨胀或收缩，因此顶住塞子的电极需要垫橡胶垫来提供一定的弹性，避免碳粉体积膨胀导致石英管破裂，或者体积收缩导致导电性骤降。从上述反应过程来看，其不适应于大规模生产。要使本反应能够应用于大规模生产，其反应装置需要满足6个条件：(1)反应需要大电流放电，因此其电极的导电性要好；(2)反应产生高温，因此所有部件要耐高温；(3)反应需要快速降温，因此反应装置的散热面积要大；(4)反应中碳粉体积在变化，因此反应装置中反应腔的容积能自动调节；(5)为了反应能够连续自动进行，反应装置要能够方便进料和卸料；(6)装置在工艺上容易放大。因此，为了实现规模化生产，需要设计新的碳粉制备石墨烯的高温反应装置，以满足工业化的要求。

发明内容

本实用新型的目的是解决现有生产石墨烯的装置存在的生产规模小和效率低的技术问题，提供一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应装置，其包括一大一小两个同心的圆筒电极、绝缘圆环盖和绝缘底板，所述两个同心的圆筒电极的底端设置在绝缘底板上，所述绝缘圆环盖套装在小圆筒电极和大圆筒电极之间。

进一步地，所述小圆筒电极和大圆筒电极之间的最佳径向间距为5-200毫米。

进一步地，所述小圆筒电极和大圆筒电极都是由石墨、铜、铁、不锈钢、钨、铬、镍、银或钛制成。

进一步地，所述绝缘圆环盖的内径比小圆筒电极外径大0.5-2.0毫米，外径比大圆筒电极的内径小0.5-2.0毫米。

进一步地，所述绝缘底板上设有一个圆环凸台，所述圆环凸台的内径和外径与绝缘圆环盖的内径和外径相同，所述绝缘底板的外径或边长大于大圆筒电极的外径。

进一步地，所述绝缘底板和绝缘圆环盖由石英、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷或碳化硅陶瓷制成。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型的圆筒电极都是采用高导电性的金属或石墨制成，能满足导电性要求。

(2)本实用新型的圆筒电极、绝缘圆环盖和绝缘底板都采用耐高温的材料制成，能满足耐高温要求。