技术领域本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体而言，涉及一种超临界制备石墨烯的装置及方法。
背景技术：
石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料。虽然石墨烯只有一层碳原子层的厚度，但是石墨烯是目前已知的最薄的材料，也是最强韧的材料，并且，石墨烯还具有很好的弹性和良好的导电性，因此，石墨烯在电子学、光学、磁学、生物医学、传感器、储能等方面均有广泛的应用。目前，石墨烯常用的制备方法包括：机械剥离法、氧化还原法、外延生长法和化学气相沉积法。其中，机械剥离法制备出的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是片层小、生产效率低。氧化还原法虽然石墨烯的产量高，但是质量较低。外延生长法虽然能够获得高质量的石墨烯，但是对设备的要求较高。气相沉积法具有石墨烯的质量高的特点，但是成本高，工艺条件还需进一步完善。因此，石墨烯更多地采用超临界方法进行制备，其中超临界CO2法应用更为广泛，但是成本高、产率低。
技术实现要素：
鉴于此，本发明提出了一种超临界制备石墨烯的装置，旨在解决现有技术中采用超临界CO2法制备石墨烯导致成本高、产率低的问题。本发明还提出了一种超临界制备石墨烯的方法。一个方面，本发明提出了一种超临界制备石墨烯的装置，该装置包括：反应装置、加热装置和氧化剂添加装置；其中，加热装置与反应装置相连接，用于加热反应装置；氧化剂添加装置与反应装置相连接，用于向反应装置内添加氧化剂。进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，氧化剂添加装置包括：氧化剂储罐和增压装置；其中，增压装置的入口与氧化剂储罐相连通，增压装置的出口与反应装置相连通。进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置还包括：搅拌装置；其中，搅拌装置与反应装置相连接，用于对反应装置内部的物料进行搅拌。进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，搅拌装置包括：承载机构、转轴、驱动机构和置于反应装置内的搅拌桨；其中，驱动机构连接于承载机构；转轴穿设于反应装置且部分置于反应装置内，以及转轴的一端与驱动机构相连接，转轴的另一端与搅拌桨相连接。进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置还包括：放空罐；其中，反应装置与放空罐相连通。进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，反应装置与放空罐的连通管道上设置有截止阀。进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，反应装置与放空罐的连通管道上设置有安全阀。进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，反应装置设置有用于监测反应装置内部压力的压力表。本发明中，通过加热装置对反应装置内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，使得碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，再通过氧化剂添加装置向反应装置输入氧化剂，氧化剂与有机溶剂发生氧化反应，释放出剧烈的热量，该热量能够进一步破坏碳质原料的分子间作用力，再次增大碳质原料的层间距离，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉，解决了现有技术中采用超临界CO2法制备石墨烯导致成本高、产率低的问题。另一方面，本发明还提出了一种利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法，该方法包括如下步骤：向制备装置中的反应装置内投入有机溶剂和碳质原料；制备装置中的加热装置对反应装置进行加热，直至达到预设反应温度；在有机溶剂与碳质原料反应达到第一反应时间后，氧化剂添加装置向反应装置内通入氧化剂，在氧化剂与有机溶剂和碳质原料反应达到第二反应时间后，得到石墨烯。进一步地，上述超临界制备石墨烯的方法中，有机溶剂的含水量为70％～99％。本发明中，通过加热步骤对反应装置内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，使得碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，并且，有机溶剂中的水在预设温度下能够更好地与有机溶剂进行互溶，水随有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，更好地破坏碳质原料的分子键，进一步增大了碳质原料的层间距离；再通过向反应装置输入氧化剂，氧化剂与有机溶剂发生氧化反应，释放出剧烈的热量，该热量能够进一步破坏碳质原料的分子间作用力，再次增大碳质原料的层间距离，便于石墨烯的后续分离，提高了石墨烯的产率，保证了石墨烯的质量，并且成本低廉。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本发明实施例提供的超临界制备石墨烯的装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法的流程图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。超临界制备石墨烯的装置实施例：参见图1，图1为本发明实施例提供的超临界制备石墨烯的装置的结构示意图。如图所示，该超临界制备石墨烯的装置包括：反应装置1、加热装置2和氧化剂添加装置3。其中，加热装置2与反应装置1相连接，加热装置2用于加热反应装置1。氧化剂添加装置3与反应装置1相连接，氧化剂添加装置3用于向反应装置1内添加氧化剂。具体地，反应装置1内放置有有机溶剂和碳质原料。有机溶剂可以为乙醇、NMP、表面活性剂等，该有机溶剂可以为单一有机溶剂，也可以为几种有机溶剂的混合物。碳质原料可以为石墨、煤等。氧化剂可以为双氧水、纯氧、液氧及富氧空气等中的一种或几种。反应装置1可以包括反应器11和可盖合连接于反应器的盖体12。加热装置2可以为一端开口的加热套，该加热套套设于反应装置1的外部。制备时，将有机溶剂和碳质原料输入至反应装置1内，有机溶剂和碳质原料进行混合。加热装置2对反应装置1进行加热，使得反应装置1内的温度达到预设反应温度，该预设反应温度能够满足超临界条件。由于反应装置1内温度升高，所以反应装置1内的压力也随之升高。当反应装置1内的温度达到预设反应温度时，有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，碳质原料的分子间作用力减弱，使得碳质原料的层间距离增大。在有机溶剂和碳质原料反应达到第一反应时间后，氧化剂添加装置3向反应装置1内输入氧化剂，氧化剂与有机溶剂发生氧化反应，该氧化反应会释放出剧烈的热量，该热量能够进一步破坏碳质原料的分子间作用力，再次增大碳质原料的层间距离。氧化剂与有机溶剂反应达到第二反应时间，氧化剂添加装置3停止添加氧化剂，加热装置2停止加热，反应装置1自然冷却至常温，得到石墨烯。需要说明的是，具体实施时，预设反应温度可以为250℃～650℃，也可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限定。反应装置1内的压力可以为21MPa～30MPa，也可以根据实际根据情况来确定，本实施例对此不做任何限定。第一反应时间可以为20～50min，第二反应时间可以为10～30min。具体实施时，第一反应时间、第二反应时间可以根据实际情况来确定，本实施例对此不作任何限定。本领域技术人员应该理解，上述反应装置1得到的石墨烯为粗品石墨烯，粗品石墨烯继续进行分离才可以得到石墨烯。可以看出，本实施例中，通过加热装置2对反应装置1内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，使得碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，再通过氧化剂添加装置3向反应装置1输入氧化剂，氧化剂与有机溶剂发生氧化反应，释放出剧烈的热量，该热量能够进一步破坏碳质原料的分子间作用力，再次增大碳质原料的层间距离，便于石墨烯的后续分离，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉，解决了现有技术中采用超临界CO2法制备石墨烯导致成本高、产率低的问题。继续参见图1，上述实施例中，氧化剂添加装置3可以包括：氧化剂储罐31和增压装置32。其中，增压装置32的入口与氧化剂储罐31相连通，增压装置32的出口与反应装置1相连通。具体地，若氧化剂为气体，如氧气等，增压装置32可以为增压机。若氧化剂为液体，如液氧、双氧水等，增压装置32可以为加压泵。具体实施时，增压装置32与反应装置1之间的连通管道上可以设置有单向阀，该单向阀能够防止反应装置1内的碳质原料、有机溶剂或氧化剂逆流至增压装置32。增压装置32与反应装置1之间的连通管道上还可以设置有截止阀，该截止阀能够控制添加至反应装置1内的氧化剂的流量。可以看出，本实施例中，氧化剂储罐31输出的氧化剂通过增压装置32进行增压，使得氧化剂的压力提高，便于氧化剂添加至反应装置1内，避免反应装置1内压力过高而氧化剂压力较低导致的氧化剂无法添加至反应装置1内。继续参见图1，上述各实施例中，该超临界制备石墨烯的装置还可以包括：搅拌装置4。其中，搅拌装置4与反应装置1相连接，该搅拌装置4用于对反应装置1内部的物料进行搅拌。可以看出，本实施例中，通过设置搅拌装置4，能够更好地使氧化剂、有机溶剂和碳质原料进行充分混合，当氧化剂与有机溶剂发生氧化反应时，氧化反应释放出剧烈的热量，搅拌装置4的搅拌还能够使得热量均匀分布，避免反应装置1的局部温度过高导致反应装置1损坏。继续参见图1，上述各实施例中，该搅拌装置4可以包括：承载机构41、转轴42、驱动机构43和搅拌桨44。其中，驱动机构43连接于承载机构41，转轴42穿设于反应装置1且部分置于反应装置1内。转轴42的一端与驱动机构43相连接，转轴42的另一端与搅拌桨44相连接，搅拌桨44置于反应装置1内。具体地，承载机构41可以为置于反应装置1上方的固定平台，驱动机构43设置于固定平台，驱动机构43驱动转轴42转动，转轴42的转动带动搅拌桨44转动，进而使得搅拌桨44对反应装置1内的有机溶剂、碳质原料和氧化剂起到搅拌的作用。驱动机构43可以为驱动电机。可以看出，本实施例中，搅拌装置4结构简单，易于操作。继续参见图1，上述各实施例中，该超临界制备石墨烯的装置还可以包括：放空罐5。其中，反应装置1与放空罐5相连通。氧化剂与有机溶剂发生氧化反应会生成CO、O2和CO2，该放空罐5用于检测反应装置1输出的气体，根据反应装置1输出的气体是否为CO、O2和CO2，可判断反应装置1内有机溶剂中的有机质是否彻底氧化。当反应装置1输出的气体主要为O2和CO2，则确定反应装置1内有机溶剂中的有机质已彻底氧化，氧化剂添加装置3停止向反应装置1内输入氧化剂，加热装置2停止加热，反应装置1自然冷却至常温，得到石墨烯。可以看出，本实施例中，通过设置放空罐5，能够根据反应装置1输出的气体的种类判断有机溶剂中的有机质是否彻底氧化，更好地控制添加至反应装置1内的氧化剂的总量，避免添加过多的氧化剂，确保反应装置1的安全运行。继续参见图1，上述各实施例中，反应装置1与放空罐5的连通管道上可以设置有截止阀6。当出现紧急情况时，打开截止阀6，能够快速对反应装置1进行泄压。优选的，截止阀6为至少两个。继续参见图1，上述各实施例中，反应装置1与放空罐5的连通管道上还可以设置有安全阀7。当反应装置1内的压力超过预设压力上限值时，安全阀7打开，反应装置1内的压力降低，确保反应装置1的安全运行。具体实施时，预设压力上限值可以根据实际情况来确定，本实施例对此不作任何限制。继续参见图1，上述各实施例中，反应装置1可以设置有用于监测反应装置1内部压力的压力表8，便于监测反应装置1内部的压力变化，确保反应装置1内有机溶剂和碳质原料的正常反应，提高了反应装置1的安全性。继续参见图1，上述各实施例中，反应装置1可以设置有温度表9，该温度表9用于监测反应装置1内部的温度，这样，能够对反应装置1内温度升高的速率进行控制，实现了反应装置1内温度的可调节。综上所述，通过加热装置2对反应装置1内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，再通过氧化剂添加装置3向反应装置1输入氧化剂，氧化剂与有机溶剂发生氧化反应，释放出剧烈的热量，该热量能够进一步破坏碳质原料的分子间作用力，再次增大碳质原料的层间距离，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉。超临界制备石墨烯的方法实施例：本发明还提出了一种利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法。参见图2，图2为本发明实施例提供的利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法的流程图。如图所述，该方法包括如下步骤：步骤S1，向上述制备装置中的反应装置内投入有机溶剂和碳质原料。具体地，有机溶剂和碳质原料在反应装置1内进行充分混合。其中，有机溶剂的含水量为70％～99％，有机溶剂可以为乙醇、NMP、表面活性剂等，该有机溶剂可以为单一有机溶剂，也可以为几种有机溶剂的混合物。碳质原料可以为石墨、煤等。步骤S2，制备装置中的加热装置对反应装置进行加热，直至达到预设反应温度。具体地，预设反应温度能够满足超临界条件。通过加热装置2对反应装置1进行加热，随着反应装置1内温度的升高，反应装置1内的压力也会升高。在本实施例中，反应装置1内的预设反应温度可以为250℃～650℃，压力可以为21MPa～30MPa。具体实施时，预设反应温度也可以根据实际情况来确定，本实施例对此不作任何限制。压力也可以根据实际情况来确定，本实施例对此不作任何限制。当反应装置1内的温度达到预设温度时，反应装置1内的有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，碳质原料的分子间作用力减弱，使得碳质原料的层间距离增大。由于有机溶剂中的含水量多，并且该反应装置1内的温度和压力已满足了超临界条件，所以有机溶剂中的水能够更好地与有机溶剂中的有机质进行互溶，则水随有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，更好地破坏碳质原料的分子键，增大碳质原料的层间距离。步骤S3，在有机溶剂与碳质原料反应达到第一反应时间后，氧化剂添加装置向反应装置内通入氧化剂，在氧化剂与有机溶剂和碳质原料反应达到第二反应时间后，得到石墨烯。具体地，当有机溶剂和碳质原料反应达到第一反应时间后，氧化剂添加装置3向反应装置1内输入氧化剂，氧化剂与有机溶剂发生氧化反应，该氧化反应释放出剧烈的热量，该热量能够进一步破坏碳质原料的分子间作用力，再次增大碳质原料的层间距离。在氧化剂与有机溶剂反应达到第二反应时间后，氧化剂添加装置3停止添加氧化剂，加热装置2停止加热，反应装置1自然冷却至常温，得到石墨烯。氧化剂可以为双氧水、纯氧、液氧及富氧空气等中的一种或几种。第一反应时间可以为20～50min，第二反应时间可以为10～30min。需要说明的是，具体实施时，第一反应时间和第二反应时间可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。本领域技术人员应该理解，上述反应装置1得到的石墨烯为粗品石墨烯，粗品石墨烯继续进行分离才可以得到石墨烯。可以看出，本实施例中，通过加热步骤对反应装置内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，使得碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，并且，有机溶剂中的水在预设温度下能够更好地与有机溶剂进行互溶，水随有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，更好地破坏碳质原料的分子键，进一步增大了碳质原料的层间距离；再通过向反应装置1输入氧化剂，氧化剂与有机溶剂发生氧化反应，释放出剧烈的热量，该热量能够进一步破坏碳质原料的分子间作用力，再次增大碳质原料的层间距离，便于石墨烯的后续分离，提高了石墨烯的产率，保证了石墨烯的质量，并且成本低廉。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。