CN218189585U - 一种高效制备碳量子点的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高效制备碳量子点的装置，包括反应物输送模块、多通道微反应器、加热体、超声换能器、主控制模块和产物收集容器；所述反应物输送模块通过连接管与多通道微反应器的进口端连接，所述多通道微反应器的出口端通过连接管与产物收集容器的进口端连接，所述加热体设置于多通道微反应器内，所述超声换能器设置在多通道微反应器的底部，所述加热体、超声换能器分别与主控制模块电连接。本实用新型提供一种高效制备碳量子点的装置，解决了目前基于微反应法制备碳量子点的装置的传质效率较低的问题。

Description

一种高效制备碳量子点的装置

技术领域

本实用新型涉及碳量子点制备的技术领域，更具体的，涉及一种高效制备碳量子点的装置。

背景技术

碳量子点作为碳材料家族的新成员，凭借无毒、稳定性高、相容性好等特点，使其成为最热门的荧光材料之一，在癌症诊疗、生物成像和环境科学等方面有巨大的应用前景。

目前获取碳量子点的方法众多，其中微反应法(也称微通道反应法)是微机电加工技术的一个典型应用，为量子点的规模化制备提供了可能，并已成功应用于部分碳量子点的合成，表现出明显的优势。

但是目前基于微反应法制备碳量子点的装置的传质效率较低，其原因是部分物质在微通道中流动性差，易发生堵塞，导致微通道传质效率降低。

实用新型内容

本实用新型为克服目前基于微反应法制备碳量子点的装置的传质效率较低的技术缺陷，提供一种高效制备碳量子点的装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种高效制备碳量子点的装置，包括反应物输送模块、多通道微反应器、加热体、超声换能器、主控制模块和产物收集容器；所述反应物输送模块通过连接管与多通道微反应器的进口端连接，所述多通道微反应器的出口端通过连接管与产物收集容器的进口端连接，所述加热体设置于多通道微反应器内，所述超声换能器设置在多通道微反应器的底部，所述加热体、超声换能器分别与主控制模块电连接。

上述方案中，通过多通道微反应器和超声换能器的协同作用，实现多通道微反应器中声场、气泡场的均匀调控，并且有效提升多通道微反应器中反应物的混合传质效率。

优选的，所述连接管为透明的聚四氟乙烯结构或透明的石英毛细管结构，其内径为1～2mm，外径为3～5mm。

上述方案中，通过透明的连接管便于直接监控制备过程的物质输送状态。

优选的，所述反应物输送模块包括第一注射泵、第一连接管、第一流量计、第一单向阀、第二注射泵、第二连接管、第二流量计和第二单向阀；所述第一注射泵通过第一连接管与多通道微反应器的其中一个进口端连接，所述第一流量计和第一单向阀分别装设于第一连接管上；所述第二注射泵通过第二连接管与多通道微反应器的另一个进口端连接，所述第二流量计和第二单向阀分别装设于第二连接管上。

上述方案中，第一注射泵和第二注射泵中分别存储有柠檬酸铵溶液和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，通过在超声空化和高温高压的耦合作用下，使得多通道微反应器中的柠檬酸铵溶液和DMF快速发生缩合和碳化反应，形成高品质、高荧光效率的碳量子点。同时，通过流量计和单向阀精确控制液体流速，并有效阻止高温高压液/气体回流。

优选的，所述多通道微反应器包括传热层、中间层和微通道板；所述传热层设置于中间层上方且与中间层层叠连接，所述微通道板设置于中间层下方且与中间层层叠连接，所述传热层内嵌有加热体，所述微通道板朝向中间层的一面开设有多个反应通道，形成多通道结构，微通道板的另一面与所述超声换能器连接。

优选的，所述多通道结构为锯齿型或纺锤型。

上述方案中，通过锯齿型或纺锤型的多通道结构，不仅实现反应过程受热均匀，增强传热传质效率，还能利用超声能量为碳量子点的形成提供驱动力。

优选的，所述反应通道的深度为1mm～2mm，宽度为0.5～1mm。

优选的，所述中间层为石墨层或硅胶垫片。

上述方案中，通过中间层防止反应物或产物泄漏。

优选的，所述加热体为陶瓷加热块。

优选的，所述主控制模块包括超声控制单元和温度控制单元；所述超声控制单元的输出端与超声换能器的输入端电连接；所述温度控制单元的输出端与加热体的输入端电连接。

优选的，所述超声控制单元包括信号发生器、功率放大器和阻抗分析仪，所述信号发生器的输出端与功率放大器的输入端电连接，所述功率放大器的输出端与阻抗分析仪的输入端电连接，所述阻抗分析仪与超声换能器双向电连接；所述温度控制单元包括温控仪和热电偶，所述热电偶的输出端与温控仪的输入端电连接，所述温控仪的输出端与加热体的输入端电连接，所述热电偶设置在传热层上。

上述方案中，通过超声控制单元和温度控制单元分别实现对碳量子点制备过程中超声和加热温度的精准控制。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型提供了一种高效制备碳量子点的装置，通过多通道微反应器和超声换能器的协同作用，实现多通道微反应器中声场、气泡场的均匀调控，并且有效提升多通道微反应器中反应物的混合传质效率。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型中多通道微反应器的结构示意图；

图3为本实用新型中微通道板的其中一种结构示意图；

图4为本实用新型中微通道板的另一种结构示意图；

其中：1、反应物输送模块；111、第一注射泵；112、第一连接管；113、第一流量计；114、第一单向阀；121、第二注射泵；122、第二连接管；123、第二流量计；124、第二单向阀；2、多通道微反应器；21、传热层；22、中间层；23、微通道板；231、反应通道；3、加热体；4、超声换能器；5、产物收集容器；6、超声控制单元；61、信号发生器；62、功率放大器；63、阻抗分析仪；7、温度控制单元；71、温控仪；72、热电偶。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1-2所示，一种高效制备碳量子点的装置，包括反应物输送模块1、多通道微反应器2、加热体3、超声换能器4、主控制模块和产物收集容器5；所述反应物输送模块1通过连接管与多通道微反应器2的进口端连接，所述多通道微反应器2的出口端通过连接管与产物收集容器5的进口端连接，所述加热体3设置于多通道微反应器2内，所述超声换能器4设置在多通道微反应器2的底部，所述加热体3、超声换能器4分别与主控制模块电连接。

在具体实施过程中，通过反应物输送模块1将反应物输送进入多通道微反应器2中，然后利用主控制模块控制加热体3和超声换能器4向多通道微反应器2提供高温和超声，制备得到的碳量子点进入到产物收集容器5中。通过多通道微反应器2和超声换能器4的协同作用，实现多通道微反应器2中声场、气泡场的均匀调控，并且有效提升多通道微反应器2中反应物的混合传质效率。

实施例2

一种高效制备碳量子点的装置，包括反应物输送模块1、多通道微反应器2、加热体3、超声换能器4、主控制模块和产物收集容器5；所述反应物输送模块1通过连接管与多通道微反应器2的进口端连接，所述多通道微反应器2的出口端通过连接管与产物收集容器5的进口端连接，所述加热体3设置于多通道微反应器2内，所述超声换能器4设置在多通道微反应器2的底部，所述加热体3、超声换能器4分别与主控制模块电连接。

更具体的，所述连接管为透明的聚四氟乙烯结构或透明的石英毛细管结构，其内径为1～2mm，外径为3～5mm。

更具体的，所述反应物输送模块1包括第一注射泵111、第一连接管112、第一流量计113、第一单向阀114、第二注射泵121、第二连接管122、第二流量计123和第二单向阀124；所述第一注射泵111通过第一连接管112与多通道微反应器2的其中一个进口端连接，所述第一流量计113和第一单向阀114分别装设于第一连接管112上；所述第二注射泵121通过第二连接管122与多通道微反应器2的另一个进口端连接，所述第二流量计123和第二单向阀124分别装设于第二连接管122上。

在具体实施过程中，第一注射泵111和第二注射泵121中分别存储有柠檬酸铵溶液和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，通过第一注射泵111和第二注射泵121分别将柠檬酸铵溶液和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)注入多通道微反应器2中，通过在超声空化和高温高压的耦合作用下，使得多通道微反应器2中的柠檬酸铵溶液和DMF快速发生缩合和碳化反应，形成高品质、高荧光效率的碳量子点。其中，柠檬酸铵溶液由一定量的柠檬酸铵溶解于适量的去离子水中制备得到；第一注射泵111和第二注射泵121分别存储柠檬酸铵溶液和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种。同时，通过流量计和单向阀精确控制液体流速，并有效阻止高温高压液/气体回流。

更具体的，所述多通道微反应器2包括传热层21、中间层22和微通道板23；所述传热层21设置于中间层22上方且与中间层22层叠连接，所述微通道板23设置于中间层22下方且与中间层22层叠连接，所述传热层21内嵌有加热体3，所述微通道板23朝向中间层22的一面开设有多个反应通道231，形成多通道结构，微通道板23的另一面与所述超声换能器4连接。

更具体的，所述反应通道231的深度为1mm～2mm，宽度为0.5～1mm，长度根据反应物流速和反应时间设置。

更具体的，所述中间层22为石墨层或硅胶垫片。

更具体的，所述加热体3为陶瓷加热块。

更具体的，所述主控制模块包括超声控制单元6和温度控制单元7；所述超声控制单元6的输出端与超声换能器4的输入端电连接；所述温度控制单元7的输出端与加热体3的输入端电连接。

更具体的，所述超声控制单元6包括信号发生器61、功率放大器62和阻抗分析仪63，所述信号发生器61的输出端与功率放大器62的输入端电连接，所述功率放大器62的输出端与阻抗分析仪63的输入端电连接，所述阻抗分析仪63与超声换能器4双向电连接；所述温度控制单元7包括温控仪71和热电偶72，所述热电偶72的输出端与温控仪71的输入端电连接，所述温控仪71的输出端与加热体3的输入端电连接，所述热电偶72设置在传热层21上。

更具体的，如图3所示，所述多通道结构为锯齿型。

在具体实施过程中，所述微通道板23朝向中间层22的一面还开设有两个进口端、一条进口主通道和一条出口主通道；柠檬酸铵溶液和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)分别从两个进口端进入，汇入到进口主通道后，分流到各个反应通道231中进行充分反应，然后在出口主通道中汇聚，最后经出口端输出进入产物收集容器5。还包括在产物收集容器5前设置冰水混合的冷却池，将连接产物收集容器5的连接管浸入冷却池中，从而使多通道微反应器2生成的碳量子点经冷却后，再进入产物收集容器5。

实施例3

一种高效制备碳量子点的装置，包括反应物输送模块1、多通道微反应器2、加热体3、超声换能器4、主控制模块和产物收集容器5；所述反应物输送模块1通过连接管与多通道微反应器2的进口端连接，所述多通道微反应器2的出口端通过连接管与产物收集容器5的进口端连接，所述加热体3设置于多通道微反应器2内，所述超声换能器4设置在多通道微反应器2的底部，所述加热体3、超声换能器4分别与主控制模块电连接。

更具体的，所述连接管为透明的聚四氟乙烯结构或透明的石英毛细管结构，其内径为1～2mm，外径为3～5mm。

更具体的，所述反应物输送模块1包括第一注射泵111、第一连接管112、第一流量计113、第一单向阀114、第二注射泵121、第二连接管122、第二流量计123和第二单向阀124；所述第一注射泵111通过第一连接管112与多通道微反应器2的其中一个进口端连接，所述第一流量计113和第一单向阀114分别装设于第一连接管112上；所述第二注射泵121通过第二连接管122与多通道微反应器2的另一个进口端连接，所述第二流量计123和第二单向阀124分别装设于第二连接管122上。

更具体的，所述多通道微反应器2包括传热层21、中间层22和微通道板23；所述传热层21设置于中间层22上方且与中间层22层叠连接，所述微通道板23设置于中间层22下方且与中间层22层叠连接，所述传热层21内嵌有加热体3，所述微通道板23朝向中间层22的一面开设有多个反应通道231，形成多通道结构，微通道板23的另一面与所述超声换能器4连接。

更具体的，所述反应通道231的深度为1mm～2mm，宽度为0.5～1mm，长度根据反应物流速和反应时间设置。

更具体的，所述中间层22为石墨层或硅胶垫片。

更具体的，所述加热体3为陶瓷加热块。

更具体的，所述主控制模块包括超声控制单元6和温度控制单元7；所述超声控制单元6的输出端与超声换能器4的输入端电连接；所述温度控制单元7的输出端与加热体3的输入端电连接。

更具体的，所述超声控制单元6包括信号发生器61、功率放大器62和阻抗分析仪63，所述信号发生器61的输出端与功率放大器62的输入端电连接，所述功率放大器62的输出端与阻抗分析仪63的输入端电连接，所述阻抗分析仪63与超声换能器4双向电连接；所述温度控制单元7包括温控仪71和热电偶72，所述热电偶72的输出端与温控仪71的输入端电连接，所述温控仪71的输出端与加热体3的输入端电连接，所述热电偶72设置在传热层21上。

更具体的，如图4所示，所述多通道结构为纺锤型。

在具体实施过程中，所述微通道板23朝向中间层22的一面还开设有两个进口端和一条主通道；柠檬酸铵溶液和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)分别从两个进口端进入，汇入到主通道进行反应，并不同移动距离的混合反应物分流到不同弧度的反应通道231中进行反应，然后汇聚经出口端输出进入产物收集容器5。还包括在产物收集容器5前设置冰水混合的冷却池，将连接产物收集容器5的连接管浸入冷却池中，从而使多通道微反应器2生成的碳量子点经冷却后，再进入产物收集容器5。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，包括反应物输送模块(1)、多通道微反应器(2)、加热体(3)、超声换能器(4)、主控制模块和产物收集容器(5)；

所述反应物输送模块(1)通过连接管与多通道微反应器(2)的进口端连接，所述多通道微反应器(2)的出口端通过连接管与产物收集容器(5)的进口端连接，所述加热体(3)设置于多通道微反应器(2)内，所述超声换能器(4)设置在多通道微反应器(2)的底部，所述加热体(3)、超声换能器(4)分别与主控制模块电连接。

2.根据权利要求1所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述连接管为透明的聚四氟乙烯结构或透明的石英毛细管结构，其内径为1～2mm，外径为3～5mm。

3.根据权利要求1所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述反应物输送模块(1)包括第一注射泵(111)、第一连接管(112)、第一流量计(113)、第一单向阀(114)、第二注射泵(121)、第二连接管(122)、第二流量计(123)和第二单向阀(124)；

所述第一注射泵(111)通过第一连接管(112)与多通道微反应器(2)的其中一个进口端连接，所述第一流量计(113)和第一单向阀(114)分别装设于第一连接管(112)上；

所述第二注射泵(121)通过第二连接管(122)与多通道微反应器(2)的另一个进口端连接，所述第二流量计(123)和第二单向阀(124)分别装设于第二连接管(122)上。

4.根据权利要求1所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述多通道微反应器(2)包括传热层(21)、中间层(22)和微通道板(23)；

所述传热层(21)设置于中间层(22)上方且与中间层(22)层叠连接，所述微通道板(23)设置于中间层(22)下方且与中间层(22)层叠连接，

所述传热层(21)内嵌有加热体(3)，

所述微通道板(23)朝向中间层(22)的一面开设有多个反应通道(231)，形成多通道结构，

微通道板(23)的另一面与所述超声换能器(4)连接。

5.根据权利要求4所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述多通道结构为锯齿型或纺锤型。

6.根据权利要求4所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述反应通道(231)的深度为1～2mm，宽度为0.5～1mm。

7.根据权利要求4所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述中间层(22)为石墨层或硅胶垫片。

8.根据权利要求1或4所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述加热体(3)为陶瓷加热块。

9.根据权利要求4所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述主控制模块包括超声控制单元(6)和温度控制单元(7)；

所述超声控制单元(6)的输出端与超声换能器(4)的输入端电连接；

所述温度控制单元(7)的输出端与加热体(3)的输入端电连接。

10.根据权利要求9所述的一种高效制备碳量子点的装置，其特征在于，所述超声控制单元(6)包括信号发生器(61)、功率放大器(62)和阻抗分析仪(63)，所述信号发生器(61)的输出端与功率放大器(62)的输入端电连接，所述功率放大器(62)的输出端与阻抗分析仪(63)的输入端电连接，所述阻抗分析仪(63)与超声换能器(4)双向电连接；

所述温度控制单元(7)包括温控仪(71)和热电偶(72)，所述热电偶(72)的输出端与温控仪(71)的输入端电连接，所述温控仪(71)的输出端与加热体(3)的输入端电连接，所述热电偶(72)设置在传热层(21)上。

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