JP2012184134A - Method for producing carbon material - Google Patents

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Hiroyuki Fujimoto
宏之 藤本
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Osaka Gas Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon material having a high content rate of a thin-layer graphite which is, so to speak, an aggregate of graphene.SOLUTION: A carbonization step for carbonizing a woody raw material originated in a plant by a carbonization furnace under an inert gas atmosphere is performed, and a graphitization step for graphitizing a carbide obtained via the carbonization step at a temperature of ≥2,000°C under an inert gas atmosphere is performed, to thereby obtain a thin-layer graphite-enriched carbon material.

Description

本発明は、炭素材料の製造方法に関し、具体的には、平均結晶子サイズが5nm以上あり、層間距離が0.340nm〜0.347nmである平滑面を有し、積層数が15層以下である薄層グラファイト(以下本願において単に薄層グラファイトと称する)を高効率に製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a carbon material. Specifically, the carbon material has a smooth surface having an average crystallite size of 5 nm or more, an interlayer distance of 0.340 nm to 0.347 nm, and a stacking number of 15 or less. The present invention relates to a method for producing a thin layer graphite (hereinafter simply referred to as a thin layer graphite) with high efficiency.

電子系ナノ炭素物質はフラーレン、炭素ナノチューブの発見以来、ナノサイエンス、ナノテクノロジーの基本的物質として、大きな注目を集めている。これら炭素材料は、その高強度、高弾性率、高導電性等の優れた特性から各種の複合材料に使用されている。近年のエレクトロニクス技術の発展に伴ない、電磁波遮蔽材、静電防止材用の導電性フィラーとして、あるいは、樹脂への静電塗装のためのフィラーや透明導電性樹脂用のフィラーとしての用途が期待されている。また、摺動性、耐磨耗性が高い材料として電気ブラシ、可変抵抗器などの応用にも期待されている。さらに、高導電性、耐熱伝導性、耐エレクトロマイグレーションを有するため、LSI等のデバイスの配線材料としても注目を浴びている。
とりわけ2004年には、一枚のグラファイトシート(グラフェン)が発見され、Dirac型のフェルミ粒子の固体物理の基礎的な問題として、また、電子デバイス/スピンデバイス等の応用技術の側面から大きな関心を呼んでいる。グラフェンは、フラーレンや末端が閉じたナノチューブとは異なりシート端面が解放端であるために、それらとは異なる電子状態を形成し、特異な電子的・磁気的・化学的性質を発現することが、最近の理論や実験から明らかにされつつあり、炭素系分子素子としての発展が期待される。また、同時に、グラフェンの端の活性の問題は、二次電池等における電子授受の問題とも深く関わりをもち、電池技術への重要な貢献が期待される。
Since the discovery of fullerenes and carbon nanotubes, electronic nanocarbon materials have attracted a great deal of attention as basic materials for nanoscience and nanotechnology. These carbon materials are used in various composite materials because of their excellent properties such as high strength, high elastic modulus, and high conductivity. With the development of electronics technology in recent years, it is expected to be used as a conductive filler for electromagnetic shielding materials and antistatic materials, or as a filler for electrostatic coating on resins and fillers for transparent conductive resins. Has been. In addition, it is expected to be applied to electric brushes, variable resistors and the like as a material having high slidability and wear resistance. Furthermore, since it has high conductivity, heat resistance, and electromigration resistance, it has attracted attention as a wiring material for devices such as LSI.
In particular, in 2004, a single graphite sheet (graphene) was discovered and attracted great interest as a fundamental problem of solid state physics of Dirac-type fermions and from the aspect of applied technologies such as electronic devices / spin devices. I'm calling. Unlike fullerenes and nanotubes with closed ends, graphene forms an electronic state different from those because the sheet end face is an open end, and expresses unique electronic, magnetic, and chemical properties. It is being clarified from recent theories and experiments, and is expected to develop as a carbon-based molecular device. At the same time, the problem of graphene edge activity is closely related to the problem of electron transfer in secondary batteries and the like, and an important contribution to battery technology is expected.

グラフェンの作成方法としては、現在、HOPGや鱗片状天然黒鉛などの高結晶性の黒鉛をテープで丁寧にはがすことによって薄片を作成する方法やテトラヒドロフラン中に分散させた後超音波によって薄片を作成する方法が知られている。またAffoune et al.は、大きさが約5nmのナノダイヤモンドを電気泳動法により高配向熱分解グラファイト(HOPG)基板に適当な濃度で付着させ、アルゴン雰囲気中、1600℃で加熱すると、一枚のナノグラフェンが得られた、と報告している(非特許文献1)。   Currently, graphene is produced by a method of producing flakes by carefully peeling high crystalline graphite such as HOPG or scaly natural graphite with tape, or by producing ultrasonic flakes after being dispersed in tetrahydrofuran. The method is known. Also, Affune et al. Was attached to a highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) substrate at an appropriate concentration by electrophoretic method and was heated at 1600 ° C. in an argon atmosphere, and one nanographene was obtained. (Non-patent Document 1).

A. M. Affoune、 B. L. V. Prasad、 H. Sato、 T. Enoki、 Y. Kaburagi and Y. Hishiyama: Chem. Phys. Lett.、 348、17 (2001).A. M.M. Affoun, B.M. L. V. Prasad, H.M. Sato, T .; Enoki, Y. et al. Kaburagi and Y.K. Hisayama: Chem. Phys. Lett. 348, 17 (2001).

しかしながら、このようにして得られるグラフェン層は、せいぜい100nm2程度であり、グラフェンが形成される場所を制御できない。工業的に、グラフェンを製造するためには、グラフェン製造に適した前駆体構造を有する原料を見出すことが重要である。化石燃料であるコールタールやアスファルトは、人造黒鉛の製造原料として古くから用いられているが、これらを原料としてグラフェンを製造する方法については、報告されていない。炭化の初期段階で、芳香族化合物の積層構造体が形成され、重合反応が開始するため、グラフェンを直接製造することは困難と考えられる。 However, the graphene layer obtained in this way is about 100 nm 2 at most, and the place where graphene is formed cannot be controlled. Industrially, in order to produce graphene, it is important to find a raw material having a precursor structure suitable for graphene production. Coal tar and asphalt, which are fossil fuels, have been used for a long time as raw materials for producing artificial graphite, but no method for producing graphene using these as raw materials has been reported. At the initial stage of carbonization, a laminated structure of an aromatic compound is formed, and a polymerization reaction is started. Therefore, it is considered difficult to produce graphene directly.

本発明は、上記実情に鑑み、簡易な方法で工業的にグラフェンを製造する技術を提供することを目的とし、具体的にはグラフェンの集合体ともいえる薄層グラファイトの含有率の高い炭素材料を提供することにある。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a technique for industrially producing graphene by a simple method. Specifically, a carbon material having a high content of thin-layer graphite that can be said to be an aggregate of graphene is provided. It is to provide.

一方、こうした原料系に対して、環境面で問題になりにくい炭素原料として木質系バイオマス原料が注目されている。こうした原料には、セルロースやリグニンが多く含まれている。こうした化合物は、芳香族性は低いが、六員環を含んでおり、かつ酸素架橋構造のようなsp3結合も存在するため、炭化反応時に芳香族化合物の積層が阻害されるため、易黒鉛化性炭素になり得ない。それ故、単一網面であるグラフェンを作成し得る原料として興味深い。   On the other hand, woody biomass materials are attracting attention as carbon materials that are less likely to cause environmental problems. Such raw materials are rich in cellulose and lignin. Although these compounds have low aromaticity, they contain a six-membered ring and also have sp3 bonds such as an oxygen bridge structure, so that lamination of aromatic compounds is inhibited during the carbonization reaction. It cannot become carbon. Therefore, it is interesting as a raw material that can produce graphene that is a single mesh surface.

〔構成〕
上記技術課題を解決するための本発明の炭素材料の製造方法の特徴構成は、
植物由来の木質系原料を、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化する炭化工程を実行するとともに、前記炭化工程を経て得られる炭化物を不活性ガス雰囲気下2000℃以上の温度で黒鉛化する黒鉛化工程を実行し、
平均結晶子サイズが5nm以上あり、層間距離が0.340nm〜0.347nmである平滑面を有し、積層数が15層以下である薄層グラファイトの含有率が高い薄層グラファイト富化炭素材料を得る点にある。
尚、本発明にいう薄層グラファイトとは、図9に示すように、グラファイトの部分構造に類似の構造をもつ化合物で、グラファイトの各層が、グラフェンとしての物性を失わない程度の大きさで積層したもので、結晶子サイズとは、図中積層構造が平面状に延びる範囲の大きさを指し、層間距離とは、各層を平面としたときの面間距離を指す。これらは、X線回折により簡易に求めることができ、核相の積層数、平面性については、電子顕微鏡写真により確認できる。
〔Constitution〕
The characteristic configuration of the carbon material production method of the present invention for solving the above technical problem is:
A carbonization step of carbonizing a plant-derived wood-based material in an inert gas atmosphere in a carbonization furnace is performed, and the carbide obtained through the carbonization step is graphitized at a temperature of 2000 ° C. or higher in an inert gas atmosphere. Perform the graphitization process,
Thin layer graphite-enriched carbon material having a smooth surface with an average crystallite size of 5 nm or more, an interlayer distance of 0.340 nm to 0.347 nm, and a high content of thin layer graphite having 15 or less layers There is in point to get.
The thin-layer graphite referred to in the present invention is a compound having a structure similar to the partial structure of graphite as shown in FIG. 9, and each layer of graphite is laminated so as not to lose the physical properties as graphene. Thus, the crystallite size refers to the size of the range in which the laminated structure extends in a planar shape in the figure, and the interlayer distance refers to the distance between the surfaces when each layer is a plane. These can be easily determined by X-ray diffraction, and the number of stacked nuclear phases and planarity can be confirmed by an electron micrograph.

〔作用効果〕
植物由来の木質系原料を、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化する炭化工程を実行すると、前記木質系原料に含まれる有機物は炭化し、ヘテロ原子の少ない炭化物に変換される。この炭化物を、不活性ガス雰囲気下2000℃以上の温度で黒鉛化する黒鉛化工程を実行すると、通常、前記炭化物は、平滑な多数の炭素層が積層した構造が、次第に大きく成長した黒鉛構造となるのであるが、この際、まず炭素層のsp2結合が成長してグラフェン構造を備えた多数の炭素層が形成され、その炭素層同士が積層して黒鉛構造を構成するように成長することが、本発明者らにより実験的に確認された。
つまり、前記黒鉛化工程を行うと、その黒鉛化の工程中に薄層グラファイト(平均結晶子サイズが50nm以上あり、層間距離が0.340nm〜0.347nmである平滑面を有し、積層数が15層以下である炭素材料を以後単にこのように称する)を生成していることが確認された。ここで薄層グラファイトの層間距離は、黒鉛の層間距離よりも十分長く、平滑面が、平滑性が高くかつ十分大きな結晶として成長した形態となっており、黒鉛化前の炭化物や黒鉛とは明らかに区別できる構造となっている。
また、2000℃未満で黒鉛化工程を行った場合、良好な薄層グラファイトが成長しないことが後述の実験により明らかになっている。
[Function and effect]
When a carbonization step of carbonizing a plant-derived wood-based material in a carbonization furnace in an inert gas atmosphere is performed, the organic matter contained in the wood-based material is carbonized and converted into a carbide having few heteroatoms. When performing a graphitization step of graphitizing this carbide at a temperature of 2000 ° C. or higher in an inert gas atmosphere, the carbide usually has a graphite structure in which a structure in which a number of smooth carbon layers are stacked gradually grows. In this case, first, sp2 bonds of the carbon layer grow to form a large number of carbon layers having a graphene structure, and the carbon layers are laminated to grow to form a graphite structure. This was confirmed experimentally by the present inventors.
That is, when the graphitization step is performed, a thin layer graphite (having a smooth surface having an average crystallite size of 50 nm or more and an interlayer distance of 0.340 nm to 0.347 nm during the graphitization step, It was confirmed that a carbon material having 15 layers or less is hereinafter simply referred to as such. Here, the interlayer distance of the thin graphite is sufficiently longer than the interlayer distance of the graphite, and the smooth surface is in a form that grows as a crystal having high smoothness and sufficiently large, and is clearly defined as carbide and graphite before graphitization. It has a structure that can be distinguished.
Further, it has been clarified by experiments described later that good thin-layer graphite does not grow when the graphitization step is performed at less than 2000 ° C.

このような薄層グラファイトは、前記炭化物、黒鉛と構造的に異なり従来の炭素材料とは異なる物性を発揮しうるものとして期待でき、例えば、半導体材料用途への応用が期待される。そこで、黒鉛化工程を行う際に、前記薄層グラファイトの含有率の高い状態を捉えることによって、薄層グラファイト富化炭素材料を得ることができ、前記薄層グラファイトの優れた物性を有効に活用することができる炭素材料を提供することができるようになった。   Such a thin layer graphite is expected to be structurally different from the carbides and graphites and can exhibit physical properties different from those of conventional carbon materials. For example, it is expected to be applied to semiconductor materials. Therefore, when performing the graphitization process, it is possible to obtain a thin-layer graphite-enriched carbon material by capturing the state of high content of the thin-layer graphite, and effectively utilizing the excellent physical properties of the thin-layer graphite. It is now possible to provide a carbon material that can be used.

〔構成〕
また、前記植物由来の木質系原料が、サトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスであることが好ましい。
〔Constitution〕
Moreover, it is preferable that the said woody raw material derived from a plant is sugarcane bagasse obtained by squeezing sugarcane.

〔作用効果〕
前記植物由来の木質系原料は、元来ヘテロ原子を含むため、まず炭化して炭素骨格を六員環に整えながらヘテロ原子を除去した後、六員環となった炭素骨格から脱水素し、sp2結合を成長させることが必要になるものと考えられるが、前記サトウキビバガスは、六員環構造の元になるセルロースやリグニンを十分含んでいる一方、sp3構造も多く含んでおり、これが、黒鉛の積層構造の成長よりも、各層のグラフェン構造の成長を促す結果になっているものと考えられ、薄層グラファイト富化炭素材料を得るのに適した原料となっているものと考えられる。
[Function and effect]
Since the plant-derived woody material originally contains heteroatoms, carbon atoms are first carbonized to remove the heteroatoms while arranging the carbon skeleton into a six-membered ring, and then dehydrogenated from the six-membered carbon skeleton, Although it is considered necessary to grow sp2 bonds, the sugarcane bagasse contains a sufficient amount of cellulose and lignin, which are the basis of a six-membered ring structure, and also contains a lot of sp3 structures. This is considered to be the result of promoting the growth of the graphene structure of each layer rather than the growth of the laminated structure, and is considered to be a raw material suitable for obtaining a thin-layer graphite-enriched carbon material.

〔構成〕
また、前記薄層グラファイトの含有率が、20%以上であることが好ましい。
〔Constitution〕
Moreover, it is preferable that the content rate of the said thin layer graphite is 20% or more.

〔作用効果〕
前述のように薄層グラファイト富化炭素材料の物性は、前記薄層グラファイトの物性を反映した物性となっているものと考えられるが、その含有率が低すぎると、黒鉛化工程まえの炭化物や黒鉛化の進みすぎた黒鉛の物性が強く現れ、薄層グラファイトの物性が十分反映されないおそれがある。そのため、前記薄層グラファイトの含有率が、20%以上であることが好ましい。尚、薄層グラファイトの含有率は、粉末X線回折(XRD)による002回折線をpseudo−Voigt関数を用いて波形分離し、そのピーク面積比より2θ=26°のピークの比率として求められるものである。
[Function and effect]
As described above, the physical properties of the thin-layer graphite-enriched carbon material are considered to be those that reflect the physical properties of the thin-layer graphite. However, if the content is too low, The physical properties of graphite that has been excessively graphitized appear strongly, and the physical properties of thin-layer graphite may not be sufficiently reflected. Therefore, it is preferable that the content rate of the said thin layer graphite is 20% or more. The content of the thin-layer graphite is obtained as a ratio of the peak at 2θ = 26 ° from the peak area ratio obtained by separating the 002 diffraction line by powder X-ray diffraction (XRD) using the pseudo-Voigt function. It is.

〔構成〕
さらに、サトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスを、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化する炭化工程を実行するとともに、前記炭化工程を経て得られる炭化物を不活性ガス雰囲気下2000℃以上2500℃以下の温度で黒鉛化する黒鉛化工程を実行することが好ましい。
〔Constitution〕
Furthermore, while performing the carbonization process which carbonizes sugarcane bagasse obtained by squeezing sugarcane in an inert gas atmosphere in a carbonization furnace, the carbide | carbonized_material obtained through the said carbonization process is 2000 degreeC or more under inert gas atmosphere It is preferable to perform a graphitization step of graphitizing at a temperature of 2500 ° C. or lower.

〔作用効果〕
つまり、この薄層グラファイト富化炭素材料製造方法によると、黒鉛化工程を2000℃以上で行えば、約30%の薄層グラファイト含有率のものが得られることが後述の実施形態からわかっており、黒鉛化工程の温度が2500℃以下であれば、工業的にも簡便に実施可能な製造方法であるといえる。
[Function and effect]
That is, according to this thin layer graphite-enriched carbon material production method, it is known from the embodiments described later that a graphite layer content of about 30% can be obtained if the graphitization step is performed at 2000 ° C. or higher. If the temperature of the graphitization step is 2500 ° C. or less, it can be said that this is a production method that can be easily carried out industrially.

したがって、薄層グラファイトの物性を反映した新規な炭素材料を提供することができ、種々の適用分野での活用が期待できる。   Therefore, it is possible to provide a novel carbon material reflecting the physical properties of the thin-layer graphite, and utilization in various application fields can be expected.

1600℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の図Figure of carbon material graphitized bagasse at 1600 ° C 1800℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の図Figure of carbon material graphitized bagasse at 1800 ° C 2000℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の図Figure of carbon material graphitized bagasse at 2000 ° C 2200℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の図Illustration of carbon material graphitized bagasse at 2200 ° C 2400℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の図Illustration of carbon material graphitized bagasse at 2400 ° C 2600℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の図Illustration of carbon material graphitized bagasse at 2600 ° C 2800℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の図Illustration of carbon material graphitized bagasse at 2800 ° C 各黒鉛化温度による炭素材料の主要X線回折ピークの比較図Comparison of main X-ray diffraction peaks of carbon materials at different graphitization temperatures 本発明の薄層グラファイトの概念図Conceptual diagram of thin graphite of the present invention

以下に、本発明の炭素材料の製造方法を説明する。尚、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。   Below, the manufacturing method of the carbon material of this invention is demonstrated. Preferred examples are described below, but these examples are described in order to more specifically illustrate the present invention, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited to the following description.

本発明の炭素材料の製造方法は、例えば、サトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガス等の植物由来の木質系原料を、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化して炭化物を得る炭化工程、
前記炭化工程を経て得られる炭化物を不活性ガス雰囲気下2000℃以上の目標温度で0.5〜3時間黒鉛化する黒鉛化工程を順に実行する。ここでは、雰囲気温度を、2000℃までは500℃/H、2000℃〜2500℃では200℃/H、2500℃以上では50℃/Hで昇温することとができる加熱炉を用いている。尚、本発明者らは、黒鉛化工程における昇温速度および目標温度における保持時間は、得られる炭素材料の構造にはあまり影響を与えないことを実験的に知得している。
The carbon material production method of the present invention is, for example, a carbonization step of carbonizing a plant-derived woody raw material such as sugarcane bagasse obtained by pressing sugarcane in a carbonization furnace in an inert gas atmosphere to obtain a carbide. ,
A graphitization step is sequentially performed in which the carbide obtained through the carbonization step is graphitized in an inert gas atmosphere at a target temperature of 2000 ° C. or more for 0.5 to 3 hours. Here, a heating furnace is used in which the ambient temperature can be raised to 500 ° C./H up to 2000 ° C., 200 ° C./H from 2000 ° C. to 2500 ° C., and 50 ° C./H above 2500 ° C. In addition, the present inventors have experimentally known that the heating rate in the graphitization step and the holding time at the target temperature do not significantly affect the structure of the obtained carbon material.

これにより、X線にて分析すると、平均結晶子サイズが5nm以上あり、層間距離が0.340nm〜0.347nmである平滑面を有し、積層数が15層以下である薄層グラファイトが20〜30%の高い割合で含まれる薄層グラファイト富化炭素材料を得ることができることがわかった。   As a result, when analyzed by X-ray, a thin-layer graphite having a smooth surface with an average crystallite size of 5 nm or more, an interlayer distance of 0.340 nm to 0.347 nm, and a stacking number of 15 or less is 20 It has been found that a thin-layer graphite-enriched carbon material can be obtained that is contained at a high rate of ˜30%.

以下に、本発明の炭素材料の製造方法のさらに詳細な実施形態を示す。   Below, the more detailed embodiment of the manufacturing method of the carbon material of this invention is shown.

〔実施形態〕
100℃であらかじめ乾燥したバガスを炭化炉にて窒素雰囲気下1000℃で3時間炭化した後、アルゴン雰囲気下種々の温度(1600−2800℃)で、3時間黒鉛化を行った。得られた黒鉛化バガスを、X線回折測定、TEM観察により、構造解析した。
図1〜7に得られた黒鉛化バガスの焼成温度と構造解析結果との関係を表に示すとともに、表1に、得られた黒鉛化バガスに含まれる薄層グラファイトの構造的特性をまとめた。
Embodiment
The bagasse previously dried at 100 ° C. was carbonized in a carbonization furnace at 1000 ° C. for 3 hours in a carbonization furnace, and then graphitized at various temperatures (1600-2800 ° C.) for 3 hours in an argon atmosphere. The obtained graphitized bagasse was subjected to structural analysis by X-ray diffraction measurement and TEM observation.
1 to 7 show the relationship between the firing temperature of the graphitized bagasse obtained and the structural analysis results, and Table 1 summarizes the structural characteristics of the thin-layer graphite contained in the obtained graphitized bagasse. .

図5に、2400℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の顕微鏡写真(TEM)(a)およびX線回折(XRD)(b)を示す。この顕微鏡写真よりの均一な黒鉛シートが観察される。シートのエッジ部を拡大すると、15層程度積層した薄層グラファイトで形成されていることがわかる。また、この顕微鏡写真より、前記炭素材料は、全体の約30%が薄層グラファイト構造になっていることがわかる。また、顕微鏡写真を観察すると、図5(b)に示すX線回折結果から、薄層グラファイトの1つの特徴として観測される回折角2θ=25°〜27°のピークを観察すると、2θ=26°にするどいピークの観測から結晶化(黒鉛化)が進行しており、そのピーク位置から、ここで生成した薄層グラファイトは、層間距離0.340nm〜0.347nmのグラフェン構造が積層した構成であることがわかる。また、X線回折結果から、薄層グラファイトの別の特徴として観測される回折角2θ=42°〜43°のピークを観察すると、結晶子サイズ約5nm、薄層グラファイト含有率38.9%となっていることがわかる。(尚、X線回折結果とその解析手法は、Debyeの散乱強度式を拡張することにより、近似式を求めた、Hiroyuki Fujimoto et.al Carbon、39、(2001)1753−1761に基づいて行っている。また、薄層グラファイト含有率は、002回折線をpseudo−Voigt関数を用いて波形分離したときの回折角2θ=25°〜27°の総ピーク強度に対する、回折角2θ=26°のピーク強度の割合として求めたものである。)   FIG. 5 shows a micrograph (TEM) (a) and X-ray diffraction (XRD) (b) of a carbon material graphitized with bagasse at 2400 ° C. A uniform graphite sheet from this micrograph is observed. When the edge part of a sheet is expanded, it turns out that it forms with the thin layer graphite laminated | stacked about 15 layers. Further, from this micrograph, it can be seen that about 30% of the carbon material has a thin graphite structure. Further, when observing the micrograph, from the X-ray diffraction result shown in FIG. 5B, when observing a peak with a diffraction angle of 2θ = 25 ° to 27 ° observed as one characteristic of the thin graphite, 2θ = 26. Crystallization (graphitization) has progressed from the observation of a peak at 0 ° C. From the peak position, the thin graphite produced here has a structure in which a graphene structure with an interlayer distance of 0.340 nm to 0.347 nm is laminated. I know that there is. Further, from the X-ray diffraction results, when a peak at a diffraction angle 2θ = 42 ° to 43 ° observed as another characteristic of the thin-layer graphite is observed, the crystallite size is about 5 nm and the thin-layer graphite content is 38.9%. You can see that (Note that the X-ray diffraction results and the analysis method are based on Hiroyuki Fujimoto et.al Carbon, 39, (2001) 1753-1761, which has obtained an approximate expression by extending Debye's scattering intensity equation. The content of the thin-layer graphite is a peak at a diffraction angle 2θ = 26 ° with respect to the total peak intensity at a diffraction angle 2θ = 25 ° to 27 ° when the 002 diffraction line is waveform-separated using the pseudo-Voigt function. (It is obtained as a percentage of strength.)

図6に、2600℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の顕微鏡写真(TEM)(a)およびX線回折(XRD)(b)を示す。この顕微鏡写真よりの均一な黒鉛シートが観察される。シートのエッジ部を拡大すると、15層程度積層した薄層グラファイトで形成されていることがわかる。また、この顕微鏡写真より、前記炭素材料は、全体の約30%が薄層グラファイト構造になっていることがわかる。また、顕微鏡写真を観察すると、図6(b)に示すX線回折結果から、薄層グラファイトの1つの特徴として観測される回折角2θ=25°〜27°のピークを観察すると、26.5°付近のピークが成長し始めており、このピークに対応する薄層グラファイトの層間距離は0.3354nm〜0.340nmであることから、薄層グラファイトは生成しているものの、各層がグラフェン的性質から黒鉛的性質に変化し始めていることがわかる。また、結晶子サイズはX線回折結果から、回折角2θ=42°〜43°のピークを観察すると、結晶子サイズ5nm程度となっていることがわかる。   FIG. 6 shows a micrograph (TEM) (a) and X-ray diffraction (XRD) (b) of a carbon material graphitized at 2600 ° C. bagasse. A uniform graphite sheet from this micrograph is observed. When the edge part of a sheet is expanded, it turns out that it forms with the thin layer graphite laminated | stacked about 15 layers. Further, from this micrograph, it can be seen that about 30% of the carbon material has a thin graphite structure. When observing the micrograph, from the X-ray diffraction result shown in FIG. 6B, when observing a peak at a diffraction angle 2θ = 25 ° to 27 ° observed as one characteristic of the thin-layer graphite, 26.5. Since the peak near 0 ° begins to grow, and the interlayer distance of the thin graphite corresponding to this peak is 0.3354 nm to 0.340 nm, although the thin graphite has been formed, each layer has a graphene-like property. It can be seen that it has begun to change to graphite properties. Further, from the X-ray diffraction results, it is found that the crystallite size is about 5 nm when the peak at the diffraction angle 2θ = 42 ° to 43 ° is observed.

図7に、2800℃でバガスを黒鉛化した炭素材料の顕微鏡写真(TEM)(a)およびX線回折(XRD)(b)を示す。この顕微鏡写真よりの均一な黒鉛シートが観察される。シートのエッジ部を拡大すると、15層程度積層した薄層グラファイトで形成されていることがわかる。また、この顕微鏡写真より、前記炭素材料は、全体の約48%が薄層グラファイト構造になっていることがわかる。また、顕微鏡写真を観察すると、図7(b)に示すX線回折結果から、薄層グラファイトの1つの特徴として観測される回折角2θ=25°〜27°のピークを観察すると、26.5°付近のピークがさらに成長し始めており、このピークに対応する薄層グラファイトの層間距離は0.3354nm〜0.340nmであることから、各層が黒鉛的性質に変化し始めているものの、薄層グラファイトの生成量も増加していることがわかる。また、結晶子サイズはX線回折結果から、回折角2θ=42°〜43°のピークを観察すると、結晶子サイズ15nm程度となっていることがわかる。   FIG. 7 shows a micrograph (TEM) (a) and X-ray diffraction (XRD) (b) of a carbon material obtained by graphitizing bagasse at 2800 ° C. A uniform graphite sheet from this micrograph is observed. When the edge part of a sheet is expanded, it turns out that it forms with the thin layer graphite laminated | stacked about 15 layers. Moreover, it can be seen from this micrograph that about 48% of the carbon material has a thin graphite structure. Moreover, when observing a micrograph, from the X-ray diffraction result shown in FIG. 7B, when a peak at a diffraction angle 2θ = 25 ° to 27 ° observed as one characteristic of thin-layer graphite is observed, 26.5. Since the peak near 0 ° begins to grow further and the interlayer distance of the thin graphite corresponding to this peak is 0.3354 nm to 0.340 nm, each layer is beginning to change to graphitic properties, but the thin graphite It can be seen that the production amount of is also increasing. Further, from the X-ray diffraction result, it is found that the crystallite size is about 15 nm when the peak at the diffraction angle 2θ = 42 ° to 43 ° is observed.

図3,4に2000℃および2200℃においてバガスを黒鉛化した炭素材料の顕微鏡写真(TEM)(a)およびX線回折(XRD)(b)を示す(2200℃は、XRDのみ)。この顕微鏡写真よりの均一な黒鉛シートが観察される。シートのエッジ部を拡大すると、12層程度積層した薄層グラファイトで形成されていることがわかる。また、この顕微鏡写真より、前記炭素材料は、全体の約30%が薄層グラファイト構造になっていることがわかる。また、顕微鏡写真を観察すると、図6(b)に示すX線回折結果から、薄層グラファイトの1つの特徴として観測される回折角2θ=25°〜27°のピークを観察すると、26°付近のピークが成長し始めており、このピークに対応する薄層グラファイトの層間距離は0.3354nm〜0.340nmであることから、薄層グラファイトの各層がグラフェン的性質を持ちはじめていることがわかる。また、得られた炭素材料中に含まれる薄層グラファイトは、29.4%、27.2%と比較的高い割合になっている。   FIGS. 3 and 4 show a micrograph (TEM) (a) and X-ray diffraction (XRD) (b) of a carbon material graphitized with bagasse at 2000 ° C. and 2200 ° C. (2200 ° C. is XRD only). A uniform graphite sheet from this micrograph is observed. When the edge part of a sheet is expanded, it turns out that it forms with the thin layer graphite laminated | stacked about 12 layers. Further, from this micrograph, it can be seen that about 30% of the carbon material has a thin graphite structure. When the micrograph is observed, from the X-ray diffraction result shown in FIG. 6 (b), when a peak at a diffraction angle 2θ = 25 ° to 27 ° observed as one characteristic of the thin-layer graphite is observed, it is around 26 °. And the interlayer distance of the thin graphite corresponding to this peak is 0.3354 nm to 0.340 nm, which indicates that each layer of the thin graphite begins to have graphene properties. Moreover, the thin-layer graphite contained in the obtained carbon material has a relatively high ratio of 29.4% and 27.2%.

また、1600℃および1800℃で黒鉛化工程を行った例(図1、2参照)を見ると、X線回折結果から、薄層グラファイトの1つの特徴として観測される回折角2θ=25°〜27°のピークが観測されず、薄層グラファイトの層構造が形成されていないか、生成していても微量であることがわかる。   Moreover, when the example (refer FIG. 1, 2) which performed the graphitization process at 1600 degreeC and 1800 degreeC is seen, from the X-ray-diffraction result, the diffraction angle 2theta = 25 degrees observed as one characteristic of thin-layer graphite- The 27 ° peak is not observed, and it can be seen that the layer structure of the thin graphite is not formed or is very small even if it is generated.

1600℃、1800℃で黒鉛化工程を行った場合に対して、図3〜図7に示すように、2000℃〜2800℃で黒鉛化工程を行った例では、26°付近のピークが現れ、薄層グラファイトの層構造が形成されていることがわかる。   In the case where the graphitization process is performed at 1600 ° C. and 1800 ° C., as shown in FIGS. 3 to 7, in the example where the graphitization process is performed at 2000 ° C. to 2800 ° C., a peak near 26 ° appears. It can be seen that a layered structure of thin graphite is formed.

したがって、2000℃以上で本願の目的とする薄層グラファイトを含有する炭素材料を得ることができ、さらに、好ましくは2000℃〜2500℃で黒鉛化工程を行うことが好ましいことがわかる。   Therefore, it can be seen that the carbon material containing the thin-layer graphite intended in the present application can be obtained at 2000 ° C. or higher, and that the graphitization step is preferably performed at 2000 ° C. to 2500 ° C.

薄X線回折ピークの回折角2θ=26°付近の拡大図を重ねあわせると(図8参照)、黒鉛化工程の温度を高くするにしたがって薄層グラファイトの1つの特徴として観測される回折角2θ=26°のピークが増加し、さらに温度を上げると回折角2θ=26.5°付近のピークが増加し始め、黒鉛化が進行していることがわかる。   When the enlarged views near the diffraction angle 2θ = 26 ° of the thin X-ray diffraction peak are superimposed (see FIG. 8), the diffraction angle 2θ observed as one characteristic of the thin-layer graphite as the graphitization process temperature is increased. = 26 ° peak increased, and when the temperature was further increased, the peak near the diffraction angle 2θ = 26.5 ° began to increase, indicating that graphitization progressed.

Claims (5)

植物由来の木質系原料を、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化する炭化工程を実行するとともに、前記炭化工程を経て得られる炭化物を不活性ガス雰囲気下2000℃以上の温度で黒鉛化する黒鉛化工程を実行し、
平均結晶子サイズが5nm以上あり、層間距離が0.340nm〜0.347nmである平滑面を有し、積層数が15層以下である薄層グラファイトの含有率が高い薄層グラファイト富化炭素材料を得る炭素材料の製造方法。
A carbonization step of carbonizing a plant-derived wood-based material in an inert gas atmosphere in a carbonization furnace is performed, and the carbide obtained through the carbonization step is graphitized at a temperature of 2000 ° C. or higher in an inert gas atmosphere. Perform the graphitization process,
Thin layer graphite-enriched carbon material having a smooth surface with an average crystallite size of 5 nm or more, an interlayer distance of 0.340 nm to 0.347 nm, and a high content of thin layer graphite having 15 or less layers A method for producing a carbon material.
前記植物由来の木質系原料が、サトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスである請求項1記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein the plant-derived woody material is sugarcane bagasse obtained by squeezing sugarcane. 前記薄層グラファイトの含有率が、20%以上である請求項1又は2記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to claim 1 or 2, wherein the content of the thin-layer graphite is 20% or more. サトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスを、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化する炭化工程を実行するとともに、前記炭化工程を経て得られる炭化物を不活性ガス雰囲気下2000℃以上2500℃以下の温度で黒鉛化する黒鉛化工程を実行する炭素材料の製造方法。   While performing the carbonization process which carbonizes sugarcane bagasse obtained by squeezing sugarcane in an inert gas atmosphere in a carbonization furnace, the carbide obtained through the said carbonization process is 2000 ° C or more and 2500 ° C under an inert gas atmosphere. The manufacturing method of the carbon material which performs the graphitization process graphitized at the following temperatures. 請求項1〜4のいずれかに記載の炭素材料の製造方法により得られる平均結晶子サイズが5nm以上あり、層間距離が0.340nm〜0.347nmである平滑面を有し、積層数が15層以下である薄層グラファイトの含有率が高い薄層グラファイト富化炭素材料。   An average crystallite size obtained by the method for producing a carbon material according to any one of claims 1 to 4 is 5 nm or more, a smooth surface having an interlayer distance of 0.340 nm to 0.347 nm is provided, and the number of stacked layers is 15 A thin-layer graphite-enriched carbon material having a high content of thin-layer graphite that is lower than the layer.
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