[实用新型]一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应管

说明书

为了降低电闪蒸法制备石墨烯的设备成本，本实用新型提供了一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应管，它是由聚合物内管和金属外管紧密结合组成的双层管。这种双层管可以重复使用上万次，有效地降低了电闪蒸法制备石墨烯的成本，为大规模生产石墨烯提供了新的工艺技术。

技术领域

本实用新型属于纳米材料制备领域，具体涉及一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应管。

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 Heating Synthesis Method and CompositionsThereof）公开了一种使用电力的焦耳热闪蒸法（电闪蒸法）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，电力成本低至1元。但是一次电闪蒸只能制备大约1克石墨烯，反应所产生的3000℃高温导致成本1元的石英管变脆而无法使用。这样，电闪蒸法的生产成本就飙升到了每千克石墨烯1000元左右，基本上失去了其成本优势。

为了实现低成本规模化生产，电闪蒸方法必须找到替代石英管的耐高温反应管，可以多次重复使用，降低反应设备的成本。

发明内容

本实用新型的目的是解决电闪蒸法制备石墨烯的反应管耐高温问题，提供了一种碳粉通电制备石墨烯的高温反应管。

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管，它是由聚合物内管和金属外管紧密结合组成的双层管。

进一步地，所述聚合物内管是由聚四氟乙烯（PTFE）、对位聚苯（PPL）、聚苯并咪唑（PBI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺（PI）或聚酰胺酰亚胺（PAI）制成。

进一步地，所述聚合物内管的内径为10至200毫米。

进一步地，所述聚合物内管的管壁为0.1至50毫米。

进一步地，所述金属外管是由铜、铝或不锈钢制成。

进一步地，所述金属外管的管壁为0.5至100毫米。

本实用新型的有益效果在于：

（1）本实用新型的聚合物内管虽然常用于200℃的高温环境，但是却可以承受3000℃的1秒超高温冲击，并且可以多次使用，从而代替石英管这类脆性较高的无机高温材料。

（2）本实用新型的聚合物内管是电绝缘的，电流只能从管内的碳粉通过，从而瞬间将碳粉加热至3000℃，这样就保证了电闪蒸法制备石墨烯在聚合物内管顺利反应。

（3）本实用新型的金属外管既可以提高柔性较高的聚合物内管的强度，也可以快速将反应时产生的热量吸收并散发出去，在强度和散热两个方面有效保护了聚合物内管。

本实用新型与使用石英管的电闪蒸工艺相比，具有下列优点：（1）大大降低制备石墨烯的成本。本实用新型的高温反应管可以使用达上万次，电闪蒸法制备石墨烯的设备成本降至不到1元，制备总成本就降至每千克几元。（2）容易进行工艺放大。高温反应管的内径可以比较大，每次装填几百克碳粉，适合大规模生产。

附图说明

图1是本实用新型的电闪蒸法制备石墨烯的装置图。

图2是本实用新型制备石墨烯的扫描电镜图。

图3是本实用新型制备石墨烯的拉曼光谱图。