[发明专利]用于大规模生产颗粒材料的设备和方法

说明书

提供了能够大规模生产颗粒材料(如石墨烯颗粒)的装置和方法。该装置包括点火组件，该组件包括易于互换的电极盒，该电极盒可被配置为在产生颗粒材料的燃烧周期之间进行自我清洁。产生颗粒材料的方法需要低能量输入，以启动燃烧反应，然后自我维持直到反应物耗尽。

相关申请

本申请要求2020年6月15日提交的美国临时专利申请号63/039,087的权益，其公开内容通过引用全文纳入本文。

背景技术

技术领域

本发明一般针对用于大规模生产颗粒材料，特别是含碳颗粒材料(如石墨烯)的装置和方法。颗粒材料是在燃烧过程中产生的，其中反应物中包含的化学能量足以维持负责生成颗粒材料的反应。在一个或多个实施方式中，该装置包括点火组件，该点火组件包括一对电极，每个电极都包含在各自的盒体中，该盒体可以从点火组件中拆卸。该点火组件也可以被配置为在反应周期之间进行自我清洁。背景技术

石墨烯是六方晶体结构的sp²杂化连接的碳原子的二维单层。石墨烯具有几个独特的物理特性，包括优异的机械强度、室温下的高本征载流子迁移率，以及与石墨面内值相当的导电性和导热性。因此，石墨烯已经引起了人们对许多应用的兴趣，包括纳米电子和传感器、纳米复合材料、电池、超级电容器和储氢。然而，阻碍石墨烯在这些领域的广泛采用的一个缺点是无法以具有成本效益的方式生产商业规模的石墨烯。目前的石墨烯制造工艺昂贵、复杂、能源密集，而且经常涉及腐蚀性化学品和催化剂。

美国专利号9,440,857，其全部内容通过引用全文纳入本文，其针对一种通过在反应容器内爆轰(detonate)含碳材料和氧化剂，在一个简单、可控的爆轰过程中生产石墨烯颗粒的方法。在反应容器中装入所期望的量的反应物，使用火花来实现材料的爆轰。包含石墨烯颗粒的气溶胶就产生了。然而，所描述的装置虽然非常适合生产实验室规模的石墨烯，但在生产商业规模的石墨烯颗粒方面效率不高，而且在反复爆轰循环后火花发生器上会出现污垢。

Luong等人描述了一种通过闪速合成(flash synthesis)生产石墨烯的方法。克级自下而上的闪速石墨烯合成(Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis)，《自然》577，647-651(2020)。在闪速合成中，石墨烯是以煤、石油焦、生物炭和炭黑等固体碳源为原料，利用电容器组放电的高压电快速将碳源升至高温来合成的。虽然有报告称石墨烯颗粒的生产达到了克级规模，但由于使用电容器组对碳源进行快速加热，因此这样的工艺预计将是资本和能源密集型的。

因此，本领域需要一种生产石墨烯的装置和方法，该装置和方法是经济以及可规模化的，允许生产商业规模的石墨烯颗粒。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，提供了通过反应物的燃烧生产颗粒材料的装置。该装置包括反应室、操作性连接至反应室的真空源以及点火组件。该反应室操作性连接至含碳材料源和氧化剂源。该真空源可用于选择性地抽出反应室中的内容物的至少一部分，特别是在生成颗粒材料之后。该点火组件被配置为启动从其各自的来源送入反应室的一定量的含碳材料和一定量的氧化剂的燃烧。该点火组件包括一对电极，该对电极可操作地在两者之间产生电离电弧，每个电极都包含在各自的盒体中，该盒体可拆卸地容纳在点火组件中。

根据本发明的另一个实施方式，提供了可用于在反应室中启动燃烧反应的电点火组件。该点火组件包括外壳，该外壳具有被配置为流体连接至一个或多个气态反应物材料源的入口端口，以及被配置为流体连接至反应室的出口端口。该入口端口和出口端口通过通道连接。该点火组件还包括一对电极，每个电极都具有伸入通道的电极尖端。每个电极都包含在各自的盒体中，该盒体可拆卸地容纳在壳体内。