使用压缩电弧制备富勒烯的装置的制作方法

本实用新型涉及碳纳米材料制备
技术领域：
，具体涉及一种使用压缩电弧制备富勒烯的装置。
背景技术：
：目前，人们已通过不同的方法获取能量，来制备包括富勒烯的碳纳米材料。这些方法包括：煤燃烧法、苯燃烧法、激光蒸发法、光束轰击法、离子注入法、化学通道法、电弧放电法、高温高压法以及核反应法。由于电弧放电法的操作简单，成本较低，目前人们普遍选用该方法。但是由于电弧放电法的功率较低，严重限制了富勒烯的产量。两个平行放置的石墨电极建立电弧通道以后，产生的电弧未受外界压缩，弧柱截面随着功率的增加而增加，弧柱中电流密度近乎常数，这种方式产生的电弧为自由电弧。目前通常采用自由电弧法制备碳纳米材料及富勒烯。自由电弧法工作条件包括：两个碳棒之间的距离为20mm左右，在微负压、氦气氛和重力场作用下得到自由电弧，电弧的电压为40v左右，功率在4-10kw左右，电弧温度为6000℃左右。由于石墨的最低气化温度为5100℃左右，电弧温度刚超过气化石墨所需的最低温度条件，因此产生的阴极弧根和阳极弧根均很不稳定。具体表现在阳极弧根区较小，弧根总是瞬间跳跃在石墨电极端面。由于气化碳棒过程总是选择电弧电阻最小的路径，因此反应过程中总是刻蚀离阴极和阳极最近的一点，石墨的气化率与石墨电极直径大小几乎无关，因此即使增加石墨电极的体积，也无法高效率地制备碳纳米材料及富勒烯。鉴于此，特提出本实用新型。技术实现要素：本实用新型的目的在于提供一种使用压缩电弧制备富勒烯的装置。为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：本实用新型涉及一种使用压缩电弧制备富勒烯的装置，所述装置包括电弧反应室，所述电弧反应室用于制备含有富勒烯的烟炱，在所述电弧反应室内部设有阴极电极、阳极电极、电源、电磁铁和水冷壁，其中，所述水冷壁为一个具有夹层腔体的圆柱状结构，所述水冷壁上设有进水口和出水口与该夹层腔体相连通，所述夹层腔体用于提供冷却水循环空间以使冷却水吸收并带走反应热，所述阴极电极和阳极电极相对设置于所述水冷壁内，两者之间具有一定距离，所述电源的正极与阳极电极连接，所述电源的负极与阴极电极连接，在所述阴极电极和阳极电极之间可产生电弧，所述电磁铁为通电线圈，所述通电线圈套于所述水冷壁外，并位于所述阴极电极和阳极电极之间，用于产生磁场对电弧进行压缩，所述电弧反应室设有惰性气体进口、惰性气体出口和收集口，所述惰性气体进口和惰性气体出口分别用于向所述电弧反应室内导入和导出惰性气体，所述收集口用于将反应后的气相产物从所述电弧反应室中导出。优选地，在所述水冷壁上设有多个惰性气体进口，每一惰性气体进口均为切向进气孔。优选地，所述阴极电极的材质为紫铜，其内部含有钨铈电极芯。优选地，所述阳极电极的材质为石墨。优选地，在所述通电线圈外设有绝缘层。优选地，所述电弧反应室内部还设有辅助阳极，所述辅助阳极位于所述水冷壁和所述阴极电极之间的空隙内，并向所述电磁铁所在位置延伸，直至进入所述电磁铁的内环。优选地，在所述电源正极与所述阳极电极的连接导线上设有阳极控制开关，所述电源正极与所述辅助阳极的连接导线上设有辅助阳极控制开关。优选地，所述电弧反应室内部还设有电极移动机构，用于使所述阳极电极向所述阴极电极方向移动。当观察到所述阳极电极由于蒸发而变短时，可通过操纵所述电极移动机构使所述阴极电极和所述阳极电极维持于一合适距离，电极移动机构可以为公知的螺旋移动机构或气动移动机构。优选地，所述装置还包括与电弧反应室依次连接的冷却仓、过滤仓和尾气处理仓，其中，所述冷却仓与电弧反应室的收集口连接，用于冷却从所述电弧反应室输出的气相产物，并将冷却后的气相产物输入过滤仓，所述过滤仓用于将气相产物中的固体物过滤掉，并将不含有固体物的气相产物输入尾气处理仓，所述尾气处理仓用于对从过滤仓输出的气相产物进行处理，使其符合排放标准。优选地，在过滤仓底部安装有真空阀门，用于收集产物时与收集容器连接。本实用新型的有益效果：本实用新型提供了一种使用压缩电弧制备富勒烯的装置，该装置通过使用电磁铁对电弧进行压缩，使电弧柱集中且可控。因此气化阳极碳棒的速度快，解决了目前传统方法气化速度慢的缺点。在优选的方案中，本实用新型通过使用多个进气口进行旋流进气，降低了夹层腔体的温度，因此无需使用高纯氦气换热，解决了传统方法只能使用高纯氦气才能制备出含有富勒烯的烟炱的问题。本实用新型中使用氦气、氩气或者两种惰性气体的混合都可制备出含有富勒烯的烟炱。另外，由于使用流动气体换热，可以使产生的烟炱颗粒随着气体流动，并将产物输送到冷却仓内，更有利于产物的收集。而现有技术中反应腔内的气体是静止的，所以只能在反应腔内收集产物。因此本实用新型解决了只能在静态环境下气化碳棒得到含有富勒烯的烟炱的问题。附图说明图1为使用压缩电弧制备富勒烯装置的结构示意图。图2为电弧发生装置主体的剖面图。图3为电弧发生装置(加电源)的剖面图。图4为图2的a向剖面图。图5为采用电磁铁压缩电弧的原理图。其中，1-电弧反应室；11-阴极电极；12-阳极电极；121-辅助阳极；13-电磁铁；131-绝缘层；14-水冷壁；141-阳极冷却水进水口；142-阳极冷却水出水口；143-辅助阳极冷却水进水口；144-辅助阳极冷却水出水口；15-惰性气体进口；16-惰性气体出口；17-收集口；18-电源；19-电弧；2-冷却仓；3-过滤仓；4-尾气处理仓。具体实施方式为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。﹝电弧反应室﹞本实用新型实施例涉及一种使用压缩电弧制备富勒烯的装置。如图1所示，该装置包括电弧反应室1，电弧反应室1的作用为制备含有富勒烯的烟炱。在电弧反应室内部设有阴极电极11、阳极电极12、电源18、电磁铁13和水冷壁14。其中，水冷壁14为一个具有夹层腔体的圆柱状结构，水冷壁14上设有进水口和出水口(图中未示出)与该夹层腔体相连通，进水口和出水口的数量可以大于一个。夹层腔体用于提供冷却水循环空间以使冷却水吸收并带走反应热，维持装置稳定运行。阴极电极11和阳极电极12相对设置于该水冷壁14内，两者之间具有一定距离，该距离可以为10～45毫米。电源18可设置于电弧反应室的内部或外部，电源18的正极通过导线与阳极电极12连接，电源18的负极通过导线与阴极电极11连接，在阴极电极11和阳极电极12之间的通道内可产生电弧19。由电弧19产生的高温区形成了大量的富勒烯球笼，在流动气体作用下，高温区形成的富勒烯球笼能快速离开反应区，进入后续的冷却仓2中，与现有技术中电弧反应室内使用非流动的惰性气体相比，可以提升富勒烯的产率和产量。电磁铁13为通电线圈，通电线圈套于水冷壁14外，并位于阴极电极11和阳极电极12之间，用于产生磁场对电弧19进行压缩。图5为采用电磁铁压缩电弧的原理图，即通电螺线管中的安培定则(安培定则二)：用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端为通电螺线管的n极。可见向通电线圈内通入电流产生磁场，能够对电弧产生导向和压缩作用，进一步控制电弧19的形状和路径，使电弧19位于通道的中心。需要说明的是，由于发生电弧19为等离子弧，经过压缩后电弧19的功率不会变化，但是电弧19的形状会变化，具体表现为电弧柱变细，变细后增加了单位面积的能量。电弧反应室1设有惰性气体进口15、惰性气体出口16和收集口17，惰性气体进口15和惰性气体出口16分别用于向电弧反应室1内导入和导出惰性气体，为反应提供惰性气氛。收集口17用于将反应后的气相产物从电弧反应室1中导出，后续还需对气相产物进行冷却收集等操作。在本实用新型的一个实施例中，阴极电极11的材质为紫铜，其内部含有钨铈电极芯。由于紫铜的导热率优于其它金属，采用紫铜作为阴极电极11能降低阴极温度，且具有较好的导电性。在本实用新型的一个实施例中，阳极电极12的材质为石墨。进一步可采用碳棒作为阳极电极12，在电弧反应过程中蒸发生成石墨烯和其它碳纳米材料。在本实用新型的一个实施例中，在通电线圈外设有绝缘层131，作用为防止电弧19能量分散，产生双弧或串弧。具体地，电弧19发生过程中，阴极电极11到阳极电极12之间形成回路，流动的惰性气体能够在阴极电极11和阳极电极12之间形成一个气态的绝缘层。由于通过该惰性气体形成的绝缘层偶尔会被破坏，破坏时会出现双弧或者叫串弧。当出现双弧时，原先电弧19上的部分电流会分散到另外出现的电弧上，且此种电弧不会受到约束，因此电弧能量分散，功率降低。通电线圈外的绝缘层131是防止冷气的绝缘层，即前文提及的气态绝缘层被破坏时，电流从阴极电极11到辅助阳极121，再到阳极电极12形成电流通道。在通电线圈外增加绝缘层131后，可以有效的防止此类情况的发生。﹝电弧发生装置﹞电弧发生装置的具体结构如图2和图3所示。该装置位于电弧反应室1内部，包括阴极电极11、辅助阳极121、阳极电极12和电源18。在阴极电极11外周设有水冷壁14，水冷壁14和阴极电极11之间具有一定空隙，构成惰性气体循环空间。水冷壁14上设有进水口和出水口，水冷壁14内部具有冷却水循环空间。具体地，在阳极电极12外部设有阳极冷却水进水口141和阳极冷却水出水口142，在辅助阳极121外部设有辅助阳极冷却水进水口143和辅助阳极冷却水出水口144。惰性气体进口15可采用图4所示的方式，即水冷壁14上同时设有多个惰性气体进口15，每一惰性气体进口15均为切向进气孔，可以使惰性气体旋流进入水冷壁14和阴极电极11之间的空隙内，迅速带走反应热。在水冷壁14外，阴极电极11和阳极电极12之间设有电磁铁13。辅助阳极121位于水冷壁14和阴极电极11之间的空隙内，并向电磁铁13所在位置延伸，直至进入电磁铁13的内环。电磁铁13靠近阳极电极12的一侧设有绝缘层131。电源18的负极与阴极电极11连接，电源18的正极分别与阳极电极12和辅助阳极121连接。在电源18正极与阳极电极12的连接导线上设有阳极控制开关k1，电源18正极与辅助阳极121的连接导线上设有辅助阳极控制开关k2。需要启动该电弧发生装置时，首先闭合辅助阳极控制开关k2，向惰性气体进口15内通入惰性气体，在阴极电极11的表面形成惰性气体保护气膜。由阴极电极11发射的电子落在辅助阳极121上，形成辅助电弧。当辅助电弧达到一定功率和长度后，闭合阳极控制开关k1，阳极弧根转移至阳极电极12上，形成阴极电极11到阳极电极12之间的主电弧，此时断开辅助阳极控制开关k2，辅助电弧自动熄灭。即先形成辅助电弧，再转弧形成主电弧。电弧19的转弧是从阴极电极11到辅助阳极121距离最短的位置，然后通过流动的惰性气体将电弧送到阳极电极12上，接着断开辅助阳极121的电源，让阴极电极11到阳极电极12之间形成回路，形成主电弧19。流动的惰性气体能够在阴极电极11和阳极电极12之间形成一个绝缘层。由于通过该惰性气体形成的绝缘层偶尔会被破坏，破坏时会出现双弧或者叫串弧，电弧能量分散，功率降低，因此需要在通电线圈外设置绝缘层131。综上所述，本实用新型通过以下方式防止双弧出现：(1)在通电线圈外设置绝缘层131；(2)降低辅助阳极121冷却水的温度，使惰性气体的温度尽量低；(3)增加惰性气体的流动速度；(4)设置多个惰性气体进口15，使惰性气体旋流进入。﹝其它装置结构﹞进一步地，电弧反应室1内部还设有电极移动机构(图中未示出)。当观察到阳极电极12(通常为碳棒)由于蒸发而变短时，可通过操纵电极移动机构使阳极电极12向阴极电极11方向移动，使阴极电极11和阳极电极12维持于一合适距离。电极移动机构可以为公知的螺旋移动机构或气动移动机构，例如使用气缸使阳极电极12往返移动。进一步地，该装置还包括与电弧反应室1依次连接的冷却仓2、过滤仓3和尾气处理仓4。其中，冷却仓2与电弧反应室1的收集口17连接，用于冷却从电弧反应室1输出的气相产物，并将冷却后的气相产物输入过滤仓3；过滤仓3用于将气相产物中的固体物过滤掉，并将不含有固体物的气相产物输入尾气处理仓4；尾气处理仓4用于对从过滤仓3输出的气相产物进行处理，使其符合排放标准。需要说明的是，电弧反应室1、冷却仓2和过滤仓3都是在真空条件下工作的。具体地，由于使用滤袋对含有富勒烯的碳纳米颗粒进行过滤收集，因此需要将从电弧反应室1输出的气相产物先冷却到滤袋可以接受的温度。过滤出的烟炱存留在过滤仓3底部，在过滤仓3底部安装有真空阀门。收集时在阀门处连接收集容器，直接将该阀门打开即可，可以避免烟炱与空气和空气中的水蒸气接触。不含有固体物的气相产物进入尾气处理仓4进行提纯和过滤，当纯度到达99.99％或99.999％时可以压缩进行二次使用。﹝制备富勒烯的方法﹞本实用新型还涉及使用该装置制备富勒烯的方法，包括：向电弧反应室1内通入惰性气体，向水冷壁12中通入冷却水，使阴极电极11和阳极电极12放电产生压缩电弧19，得到含有富勒烯的烟炱。在本实用新型的一个实施例中，烟炱经冷却和过滤后收集得到，向收集物中加入有机溶剂进行充分混合，除去其中的不溶物后，得到含有富勒烯的碳纳米材料。加入的有机溶剂可以为甲苯或邻二甲苯。如果产物中含富勒烯，则有机溶剂由无色透明转变为酒红色至黑色。在本实用新型的一个实施例中，惰性气体为单一氦气、单一氩气，或者为氦气和氩气的混合气体。由于氦气的分子量小，能快速进入富勒烯的球笼进行冷却，现有技术通常使用单一氦气。但氦气通常是从含量比例较高的天然气中提取。虽然天然气田为数众多，但能开采出氦气的气田没有大幅增加的倾向。由于氦气难以被其他气体替代，而氦气的供应却一直处于有限的状态，如果继续按照目前的速度消费，25年后氦气就会被消耗殆尽。而本实用新型中采用旋向进气，可通过气体流动增强冷却效果，因此可使用混合惰性气体，并且在通入的混合气体中，氦气和氩气的比例没有要求，含有微量氦气即可。进一步地，本实用新型在阴极电极11和阳极电极12之间使用的电源18为直流电源。该直流电源为恒流电源，可以提供电流使阴极电极11和阳极电极12之间产生电弧。因为是恒流电源，所以电流是设定值，电压是变化值，电压的变化是随着阴极电极11和阳极电极12之间距离的变化，以及气体流量的变化而变化的。优选电源18电流为100～500安，电压为10～400伏。作为阳极电极12的碳棒的反应时间，是由电流设定值和气体流量值决定的。电流越大气化速度越快，气体流量越大，气化速度也越快。但并不能一味地提高反应速度，需要根据具体实验条件进行调整。进一步地，放电过程中产生的电弧温度为5000～20000℃，电弧柱直径为5～20mm，优选8～9mm。现有技术中产生的电弧柱直径为2～3mm，电弧温度在6000℃以下。与现有技术相比，采用本实用新型提供的装置产生的电弧柱变粗且尺寸可控，温度也有所升高。申请人发现，采用现有富勒烯制备装置，大约40～60分钟消耗一根长为300mm，直径为8mm的石墨棒。而采用本实用新型的装置，在5～15分钟之间可消耗同样尺寸的碳棒，因此可以显著提升富勒烯产量。实施例1电弧反应室1内的阴极电极11为含有钨铈芯的紫铜电极，阳极电极12为碳棒，在惰性气体气氛下(氦气和氩气的体积比为1:5)向水冷壁14中通入冷却水，使阴极电极11和阳极电极12放电产生压缩电弧。采用直流电源18为阴极电极11和阳极电极12供电，电源18电流为200安，电压为50～200伏。冷却水温度为18～20℃。放电过程中产生的电弧19温度为5000～20000℃，电弧柱直径为8～9mm。反应的气相产物从电弧反应室1中输出，经冷却仓2冷却和过滤仓3收集后，得到含有富勒烯的烟炱。向烟炱中加入邻二甲苯溶解，离心分离出不溶物后得到红棕色的溶液，对其进行液相色谱检测，可以看出当保留时间为7.449秒时，出现的是c60的特征峰，11.954秒出现的是c70的特征峰，证明产物中含有富勒烯。当电流为100a时，将电源电压从40v调至110v，富勒烯产率变化见表1。表140v50v60v70v80v90v100v110vc60产率(％)0.310.580.822.312.762.432.111.85c70产率(％)0.080.090.2660.680.930.790.680.62c80产率(％)0.0010.0030.0030.0210.0270.020.0180.006金属富勒烯产率(％)00000.0006000*金属富勒烯的含义为c82球笼内部含有一个金属原子，例如gd@c82。当电流为200a时，同样改变电源电压，富勒烯产率变化见表2。表240v50v60v70v80v90v100v110vc60产率(％)1.281.962.733.274.164.915.245.38c70产率(％)0.430.630.941.111.371.611.761.75c80产率(％)0.0410.0610.0910.1070.1340.1480.1520.149金属富勒烯产率(％)00.0020.0030.00110.0040.0050.00520.0054当电流为300a时，改变电源电压，富勒烯产率变化见表3。表340v50v60v70v80v90v100v110vc60产率(％)2.533.265.196.447.888.437.637.25c70产率(％)0.851.071.732.112.632.812.442.39c80产率(％)0.0820.1080.1690.1990.2320.2590.2110.113金属富勒烯产率(％)0.00220.00310.00490.00570.00810.00840.00690.0068当电流为400a时，改变电源电压，富勒烯产率变化见表4。表4当电流为500a时，改变电源电压，富勒烯产率变化见表5。表540v50v60v70v80v90v100v110vc60产率(％)2.152.914.875.637.548.267.927.16c70产率(％)0.830.961.631.882.532.742.632.37c80产率(％)0.0770.0810.0990.1820.2490.2710.2580.231金属富勒烯产率(％)0.00190.00270.00460.00550.00740.00860.00780.0068结合表1～5数据可以看出，当电流值从100a增加至500a后，c60的产率呈现先增加后下降的趋势，在400a时达到最大值。实施例2将阴极电极替换为碳棒，电流值为400a，电压值为100v，其它同实施例1。实施例3将惰性气体替换为单一氦气，电流值为400a，电压值增加至170v(这是改变惰性气体带来的电压变化，并非主动改变电压)，其它同实施例1。实施例4将惰性气体替换为单一氩气，电流值为400a，电压值为100v，其它同实施例1。实施例5去掉电弧反应室内的电磁铁，电流值为400a，电压值为100v，其它同实施例1。实施例1～5的富勒烯(c60)产率见表6。表6实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5c60产率(％)8.357.468.218.306.15从表6数据可以看出，使用单一或混合惰性气体，对富勒烯产率影响不大。但改变阴极电极材质和去掉电磁铁会使产率降低。特别当不使用电磁铁时无法产生压缩电弧，对产率影响较大。以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页12