JP2016169138A - Mixed conductive graphene oxide sheet - Google Patents

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木田 徹也
Tetsuya Kida
徹也 木田
泰道 松本
Taido Matsumoto
泰道 松本
一翔 畠山
Kazuto Hatakeyama
一翔 畠山
杏未 宮本
Ami Miyamoto
杏未 宮本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen selective permeable membrane consisting of single component material capable of being manufactured simply at low cost, operating at ambient pressure without needs for large pressure difference, operating in a wide temperature range from room temperature to high temperature about 200°C without needs for high temperature and permeating hydrogen only without permeating helium, oxygen, nitrogen and carbon dioxide or the like other than hydrogen.SOLUTION: There is provided a manufacturing method of a mixed conductive graphene oxide sheet for heat reduction of a part of graphene oxide at a temperature of 80 to 150°C after forming a graphene oxide dispersion to sheet-like or optical reduction of a part of graphene oxide by irradiating ultraviolet light of 100 to 500 W for 1 to 90 minutes. There is provided the mixed conductive graphene oxide sheet exhibiting equivalent values of proton conductivity and electron conductivity at 25°C of 10to 10Scmat relative humidity 90% and 10to 10Scmat relative humidity 40%.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、室温(約25℃)にてプロトン伝導性及び電気伝導性の両者を発揮する混合伝導性酸化グラフェンシート、および当該酸化グラフェンシートの製造方法並びに該酸化グラフェンシートを利用した水素選択透過膜に関する。   The present invention relates to a mixed conductive graphene oxide sheet that exhibits both proton conductivity and electrical conductivity at room temperature (about 25 ° C.), a method for producing the graphene oxide sheet, and hydrogen selective permeation using the graphene oxide sheet. Relates to the membrane.

クリーンなエネルギー供給源として、水素を利用する燃料電池が開発されている。燃料電池の普及には、水素の安定供給が不可欠であり、経済性に優れた水素製造法の確立が急務となっている。水素の製造方法としては、炭化水素の水蒸気改質や部分酸化の後、深冷分離法や圧力変動吸着法(PSA法)などによって精製する方法が周知である。炭化水素を原料として水素を製造する場合、窒素、酸素及び一酸化炭素などが共存するため、水素のみを分離抽出することが必要である。したがって、水素の分離・精製プロセスを効率化することによって水素の製造コストを低減することができる。   As a clean energy supply source, a fuel cell using hydrogen has been developed. A stable supply of hydrogen is indispensable for the spread of fuel cells, and there is an urgent need to establish an economical hydrogen production method. As a method for producing hydrogen, a method of purifying by a cryogenic separation method, a pressure fluctuation adsorption method (PSA method) or the like after steam reforming or partial oxidation of hydrocarbons is well known. When hydrogen is produced using hydrocarbon as a raw material, it is necessary to separate and extract only hydrogen because nitrogen, oxygen, carbon monoxide and the like coexist. Therefore, the production cost of hydrogen can be reduced by improving the efficiency of the hydrogen separation / purification process.

低コストで簡易に水素を分離・精製する方法として膜分離法が提案されている。水素分離膜としては、シリカ、シリカ系複合酸化物、Niナノ粒子分散シリカ、カーボン膜、非酸化物系などの多孔質膜や、Pd、Pd−Agなどの金属系あるいはポリイミドなどの高分子系の非孔質膜が提案されている。多孔質膜は主として分子篩機能を利用したものであり、非多孔質膜は主として水素の選択溶解拡散性を利用する。水素選択透過性及び耐水蒸気性の点において金属系非多孔質膜が優れているが、耐酸性、耐コーキング性及び耐熱性の点においてシリカ系多孔質膜が優れている。また、水素選択透過性は温度依存性があり、従来の水素分離膜は、高温で作動するが、室温では作動しないものが多く、作動温度範囲が狭い。   A membrane separation method has been proposed as a method for easily separating and purifying hydrogen at a low cost. Examples of hydrogen separation membranes include porous membranes such as silica, silica-based composite oxides, Ni nanoparticle-dispersed silica, carbon membranes, non-oxides, metals such as Pd and Pd-Ag, and polymers such as polyimide. Non-porous membranes have been proposed. The porous membrane mainly uses the molecular sieve function, and the non-porous membrane mainly uses the selective dissolution diffusivity of hydrogen. The metal-based non-porous membrane is excellent in terms of hydrogen permselectivity and water vapor resistance, but the silica-based porous membrane is excellent in terms of acid resistance, coking resistance, and heat resistance. In addition, the hydrogen permselectivity is temperature-dependent, and conventional hydrogen separation membranes operate at high temperatures, but often do not operate at room temperature, and the operating temperature range is narrow.

たとえば、金属アルコキシドを溶解させた所定温度の有機溶媒中に、細孔内に水を含浸させた状態の多孔質支持体を浸漬し、有機溶媒中の金属アルコキシドを細孔質支持体の最表層部において細孔内の水と接触させて加水分解させ、多孔質支持体の最表層部表面にのみセラミック微粒子から成る多孔質層を形成し、最表層のセラミック粒子間に形成される開口部を封止する水素分離膜が提案されている(特許文献1)。この水素分離膜は、分子篩効果を利用する水素分離膜であり、最表層にのみセラミック微粒子から成る多孔質層を形成することで、圧力損失を低減することができる。しかし、共存する二酸化炭素、酸素、窒素などを透過しやすいという問題がある。   For example, a porous support in a state where water is impregnated in pores is immersed in an organic solvent at a predetermined temperature in which metal alkoxide is dissolved, and the metal alkoxide in the organic solvent is placed on the outermost layer of the porous support. The porous layer is made of ceramic fine particles only on the outermost layer surface of the porous support, and the openings formed between the outermost ceramic particles A hydrogen separation membrane for sealing has been proposed (Patent Document 1). This hydrogen separation membrane is a hydrogen separation membrane utilizing the molecular sieve effect, and pressure loss can be reduced by forming a porous layer made of ceramic fine particles only on the outermost layer. However, there is a problem that it easily permeates carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and the like.

あるいは、多孔質セラミックス中空糸外表面上にPd−Ag合金薄膜を堆積させてなる水素分離膜が提案されている(特許文献2)。この水素分離膜はPdの水素選択透過性を利用するものであり、温度依存性があるため、作動させるためには300℃以上の高温が必要である。また、Pdは高価である上に、膜厚を薄くしなければ透過速度が向上しない。薄膜を調製するにはCVD法などの高い技術を必要とするし、薄膜化により耐久性が低下するという問題がある。   Alternatively, a hydrogen separation membrane in which a Pd—Ag alloy thin film is deposited on the outer surface of a porous ceramic hollow fiber has been proposed (Patent Document 2). This hydrogen separation membrane utilizes the hydrogen selective permeability of Pd and has temperature dependence, so that a high temperature of 300 ° C. or higher is required for operation. Further, Pd is expensive and the transmission speed is not improved unless the film thickness is reduced. In order to prepare a thin film, a high technique such as a CVD method is required, and there is a problem that durability is lowered by thinning the film.

あるいは、細孔内にシリカ(SiO)を担持させた多孔質セラミックス膜よりなる水素分離膜が提案されている(特許文献3)。この水素分離膜はSiO簿膜の水素選択透過性及び多孔質体による分子篩効果を利用するものであり、温度依存性があるため、150〜500℃の高温で作動し、入口側と出口側とに圧力差を設ける必要がある。また、二酸化炭素、酸素、窒素等を透過してしまい、水素選択性に劣る。 Alternatively, a hydrogen separation membrane made of a porous ceramic membrane in which silica (SiO 2 ) is supported in pores has been proposed (Patent Document 3). This hydrogen separation membrane utilizes the hydrogen permselectivity of the SiO 2 membrane and the molecular sieve effect due to the porous body, and because it has temperature dependence, it operates at a high temperature of 150 to 500 ° C., and has an inlet side and an outlet side. It is necessary to provide a pressure difference between the two. In addition, carbon dioxide, oxygen, nitrogen and the like are permeated, resulting in poor hydrogen selectivity.

また、電気化学的な水素透過性を示す材料として、BeCeOに異種元素をドープしたセラミックス混合伝導体膜が提案されている。しかし、作動温度は300℃以上と高い上に、大気中の二酸化炭素と反応して劣化するという問題がある。また、膜の加工性が極めて悪い。また、ナフィオン(登録商標)に代表されるプロトン交換膜とカーボンなどの電子導電体を複合化させた混合伝導体膜も提案され、多用されている。しかし、混合伝導体膜は、異相接合材料であるため、水素透過領域が界面のみに制限され、本質的に透過量を大きくすることができず、薄膜化及び緻密化が困難で機械的強度にも劣る。 As a material exhibiting electrochemical hydrogen permeability, a ceramic mixed conductor film in which BeCeO 3 is doped with a different element has been proposed. However, the operating temperature is as high as 300 ° C. or more, and there is a problem that it reacts with carbon dioxide in the atmosphere and deteriorates. In addition, the workability of the film is extremely poor. In addition, a mixed conductor membrane in which a proton exchange membrane represented by Nafion (registered trademark) and an electronic conductor such as carbon are combined has been proposed and widely used. However, since the mixed conductor film is a heterogeneous bonding material, the hydrogen permeation region is limited only to the interface, and the amount of permeation cannot be increased essentially, making thinning and densification difficult and increasing mechanical strength. Is also inferior.

一方、単一成分材料であるグラフェンや酸化グラフェンを用いた超薄膜の水素分離膜も報告されている(非特許文献1及び2)。しかし、これらは、グラフェンや酸化グラフェンに存在するミクロ孔による分子篩機能を利用するものであり、ヘリウム、二酸化炭素、窒素、及び酸素も透過してしまい、水素選択透過膜として機能しないという問題がある。さらに、これらは100nm程度の超薄膜であり、強度が劣り、水素選択透過膜として利用するには多孔質支持体を必要とする。   On the other hand, ultra-thin hydrogen separation membranes using graphene or graphene oxide, which are single component materials, have also been reported (Non-patent Documents 1 and 2). However, these utilize the molecular sieve function due to the micropores present in graphene and graphene oxide, and helium, carbon dioxide, nitrogen and oxygen also permeate, and there is a problem that they do not function as a hydrogen selective permeable membrane. . Furthermore, these are ultra-thin films of about 100 nm, are inferior in strength, and require a porous support to be used as a hydrogen selective permeable membrane.

特開2007−229562号公報JP 2007-229562 A 特開平6−254361号公報JP-A-6-254361

Science, 342, 91 (2013)Science, 342, 91 (2013) Science, 342, 95 (2013)Science, 342, 95 (2013)

本発明は、従来提案されている水素分離膜の諸問題を解決し、容易に且つ安価に製造することができ、大きな圧力差を導入する必要なく大気圧で作動することができ、高温を必要とせず室温〜200℃程度の高温までの広い温度範囲にて作動することができ、水素以外のヘリウム、酸素、窒素及び二酸化炭素などを透過することがなく水素のみを透過させることができる単一成分材料からなる水素選択透過膜を提供することを目的とする。   The present invention solves the problems of conventionally proposed hydrogen separation membranes, can be manufactured easily and inexpensively, can operate at atmospheric pressure without introducing a large pressure difference, and requires high temperatures. It is possible to operate in a wide temperature range from room temperature to a high temperature of about 200 ° C., and can transmit only hydrogen without transmitting helium, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, etc. other than hydrogen. It aims at providing the hydrogen permselective membrane which consists of component materials.

また、本発明は、単一成分材料からなる水素選択透過膜を提供し得る、室温で同程度のプロトン伝導性及び電子伝導性を発現することができる混合伝導性酸化グラフェン及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention also provides a mixed conductive graphene oxide capable of providing a hydrogen permselective membrane made of a single component material and capable of exhibiting the same degree of proton conductivity and electron conductivity at room temperature, and a method for producing the same. The purpose is to do.

本発明者らは、単一成分材料からなる水素分離膜としてプロトン伝導性と電子伝導性とを兼備する酸化グラフェン膜に注目した。多層酸化グラフェンは、ナノ流体チャネルを通るエポキシ基を介してプロトンを移動させることができるため、高いプロトン伝導性を有する。同様に高いプロトン伝導性を示すナフィオン(登録商標)と比較して、安価であり製造が容易である点で優れたプロトン伝導性材料として注目されている。しかし、酸化グラフェンのプロトン伝導性は膜厚に大きく依存するため、用途が限定されるという問題がある。また、酸化グラフェンのプロトン伝導性はエポキシ基によって発現されるため、還元性雰囲気においてはエポキシ基が容易に還元分解されてしまい、プロトン伝導性が発現されないという問題がある。一方、還元された酸化グラフェンは、高い面内電子伝導性を有する。そこで、同程度のプロトン伝導性と電子伝導性とを兼備する混合伝導性酸化グラフェンを製造する方法を鋭意研究した結果、還元程度を最適に調節することができる部分還元酸化グラフェンの製造方法を知見し、本発明を完成するに至った。   The present inventors paid attention to a graphene oxide membrane having both proton conductivity and electron conductivity as a hydrogen separation membrane made of a single component material. Multilayer graphene oxide has high proton conductivity because it can move protons through epoxy groups through nanofluidic channels. Similarly, it is attracting attention as an excellent proton conductive material in that it is inexpensive and easy to manufacture as compared with Nafion (registered trademark) showing high proton conductivity. However, the proton conductivity of graphene oxide greatly depends on the film thickness, and thus there is a problem that the application is limited. Further, since the proton conductivity of graphene oxide is expressed by an epoxy group, the epoxy group is easily reductively decomposed in a reducing atmosphere, and there is a problem that the proton conductivity is not expressed. On the other hand, reduced graphene oxide has high in-plane electron conductivity. Therefore, as a result of earnest research on a method for producing mixed-conducting graphene oxide that combines proton conductivity and electronic conductivity at the same level, we have learned how to produce partially reduced graphene oxide that can optimally control the degree of reduction. Thus, the present invention has been completed.

本発明の具体的態様は以下のとおりである。
[1]温度25℃にて測定したプロトン伝導率及び電子伝導率が共に同等の値を示す混合伝導性酸化グラフェンシート。
[2]前記プロトン伝導率及び電子伝導率が共に、相対湿度90%にて10−1〜10−5Scm−1の範囲にあり、相対湿度40%にて10−1〜10−8Scm−1の範囲にある、[1]に記載の混合伝導性酸化グラフェンシート。
[3]前記プロトン伝導率及び電子伝導率が共に、相対湿度90%にて10−1〜10−6Scm−1の範囲にあり、相対湿度40%にて10−1〜10−6Scm−1の範囲にある、[1]に記載の混合伝導性酸化グラフェンシート。
[4]酸化グラフェン分散液をシート状に成膜した後、40〜150℃の還元温度にて酸化グラフェンの一部を熱還元することを特徴とする、[1]又は[2]に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの製造方法。
[5]酸化グラフェン分散液をシート状に成膜した後、100〜500ワットの紫外光を1分〜90分、照射することによって酸化グラフェンの一部を光還元することを特徴とする、[1]又は[3]に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの製造方法。
[6]酸化グラフェン分散液に硫酸イオンを添加した後シート状に成膜するか、又は酸化グラフェンを成膜後に硫酸イオンを添加することを特徴とする[4]又は[5]に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの製造方法。
[7]硫酸イオンの添加量は、炭素に対する硫黄の原子比(S/C)として0.05〜0.5の範囲であることを特徴とする[6]に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの製造方法。
[8][1]〜[3]のいずれか1に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートからなる酸化グラフェン水素選択透過膜。
[9][1]〜[3]のいずれか1に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの両面に白金族金属またはその合金を担持したカーボン膜を有することを特徴とする酸化グラフェン水素選択透過膜。
Specific embodiments of the present invention are as follows.
[1] A mixed conductive graphene oxide sheet in which both proton conductivity and electron conductivity measured at a temperature of 25 ° C. are equivalent.
[2] Both the proton conductivity and the electronic conductivity are in the range of 10 −1 to 10 −5 Scm −1 at 90% relative humidity, and 10 −1 to 10 −8 Scm at 40% relative humidity. 1 is a mixed conductive graphene oxide sheet according to [1].
[3] Both the proton conductivity and the electronic conductivity are in the range of 10 −1 to 10 −6 Scm −1 at 90% relative humidity, and 10 −1 to 10 −6 Scm at 40% relative humidity. 1 is a mixed conductive graphene oxide sheet according to [1].
[4] After the graphene oxide dispersion is formed into a sheet, a part of the graphene oxide is thermally reduced at a reduction temperature of 40 to 150 ° C., according to [1] or [2] A method for producing a mixed conductive graphene oxide sheet.
[5] The graphene oxide dispersion is formed into a sheet and then irradiated with 100 to 500 watts of ultraviolet light for 1 to 90 minutes to photoreduce a part of the graphene oxide. [1] The method for producing a mixed conductive graphene oxide sheet according to [3].
[6] The mixing according to [4] or [5], wherein sulfate ions are added to the graphene oxide dispersion and then formed into a sheet shape, or sulfate ions are added after the graphene oxide is formed A method for producing a conductive graphene oxide sheet.
[7] The mixed conductive graphene oxide sheet according to [6], wherein the addition amount of sulfate ion is in the range of 0.05 to 0.5 as the atomic ratio of sulfur to carbon (S / C) Manufacturing method.
[8] A graphene oxide hydrogen permselective membrane comprising the mixed conductive graphene oxide sheet according to any one of [1] to [3].
[9] A graphene oxide hydrogen permselective membrane comprising a carbon film carrying a platinum group metal or an alloy thereof on both surfaces of the mixed conductive graphene oxide sheet according to any one of [1] to [3] .

本発明によれば、室温(約25℃)で同程度のプロトン伝導性と電子伝導性を示す混合伝導性酸化グラフェンの製造方法が提供される。本発明の混合伝導性酸化グラフェンの製造方法により製造される混合伝導性酸化グラフェンは、単一成分材料からなる水素選択透過膜として有用である。   According to the present invention, there is provided a method for producing mixed conductive graphene oxide exhibiting proton conductivity and electron conductivity at the same level at room temperature (about 25 ° C.). The mixed conductive graphene oxide manufactured by the mixed conductive graphene oxide manufacturing method of the present invention is useful as a hydrogen selective permeable membrane made of a single component material.

本発明の水素選択透過膜は、グラファイトから化学的にコロイド状の基本材料を取り出し、それを塗布する等の化学プロセスで膜を作製することができるため、製造が容易且つ安価である。   The hydrogen permselective membrane of the present invention can be produced easily and inexpensively because the membrane can be produced by a chemical process such as taking out a basic colloidal material from graphite and applying it.

本発明の水素選択透過膜は、大気圧下室温で水素の選択的透過分離が可能である。   The hydrogen permselective membrane of the present invention can selectively permeate and separate hydrogen at room temperature under atmospheric pressure.

実施例1で得た酸化グラフェン膜の写真である。2 is a photograph of a graphene oxide film obtained in Example 1. 実施例1における光還元法において、(a)照射時間に対する酸化グラフェンの官能基の変化を示すXPSチャート、(b)XPSピークから算出した酸化官能基の濃度、(c)XPSピークから算出した非酸化官能基の濃度、(d)XRD回折ピークから算出した酸化グラフェンの層間距離を示すグラフである。In the photoreduction method in Example 1, (a) XPS chart showing changes in functional group of graphene oxide with respect to irradiation time, (b) concentration of oxidized functional group calculated from XPS peak, (c) non-calculated from XPS peak It is a graph which shows the interlayer distance of the density | concentration of an oxidation functional group, and the graphene oxide computed from (d) XRD diffraction peak. 実施例1における熱還元法において(a)還元温度に対する酸化グラフェンの官能基の変化を示すXPSチャート、(b)XPSピークから算出した酸化官能基の濃度、(c)XPSピークから算出した非酸化官能基の濃度、(d)XRD回折ピークから算出した酸化グラフェンの層間距離を示すグラフである。In the thermal reduction method in Example 1, (a) XPS chart showing the change of the functional group of graphene oxide with respect to the reduction temperature, (b) concentration of the oxidized functional group calculated from the XPS peak, (c) non-oxidized calculated from the XPS peak It is a graph which shows the interlayer distance of the density | concentration of a functional group, and the graphene oxide computed from (d) XRD diffraction peak. 実施例1における光還元と熱還元による部分還元酸化グラフェンのプロトン伝導率の湿度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the humidity dependence of the proton conductivity of the partially reduced graphene oxide by the photoreduction and thermal reduction in Example 1. 実施例1における光還元と熱還元による部分還元酸化グラフェンのプロトン伝導率とエポキシ基含有量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the proton conductivity of the partially reduced graphene oxide by the photoreduction in Example 1, and thermal reduction, and epoxy group content. (a)は実施例1における相対湿度40%と90%の場合の光還元における照射時間とプロトン伝導率及び電子伝導率との関係を示すグラフであり、(b)は実施例1における相対湿度40%と90%の場合の熱還元における還元温度とプロトン伝導率及び電子伝導率との関係を示すグラフである。(A) is a graph which shows the relationship between the irradiation time in the photoreduction in the case of relative humidity 40% and 90% in Example 1, and proton conductivity and electronic conductivity, (b) is the relative humidity in Example 1. It is a graph which shows the relationship between the reduction temperature in proton reduction in the case of 40% and 90%, proton conductivity, and electronic conductivity. (a)は実施例1における酸化グラフェン及び部分酸化グラフェンにおける酸素含有量とプロトン伝導率及び電子伝導率との関係を示すグラフであり、(b)は実施例1における部分還元酸化グラフェンの層間距離(d)とプロトン伝導率との関係を示すグラフであり、(c)は熱還元及び光還元の還元方法の違いと酸素含有量と層間距離との関係を示すグラフである。(A) is a graph which shows the relationship between the oxygen content in the graphene oxide in Example 1, and the partial graphene oxide, proton conductivity, and electronic conductivity, (b) is the interlayer distance of the partially reduced graphene oxide in Example 1. It is a graph which shows the relationship between (d) and proton conductivity, (c) is a graph which shows the difference between the reduction | restoration methods of thermal reduction and photoreduction, and the relationship between oxygen content and interlayer distance. 実施例2における熱還元で得られた部分還元酸化グラフェン(S/C=1.32)のXPSチャートである。4 is an XPS chart of partially reduced graphene oxide (S / C = 1.32) obtained by thermal reduction in Example 2. (a)は実施例2における生成物(S/C=1.32)のXPSチャートから得られる還元温度と非酸化官能基(C−C、C−H defect、C=C)の関係を示すグラフであり、(b)は実施例2における生成物のXPSチャートから得られる還元温度と酸化官能基(C−O−C、C=O、C−OH、O=C−O)の関係を示すグラフである。(A) shows the relationship between the reduction temperature obtained from the XPS chart of the product (S / C = 1.32) in Example 2 and the non-oxidizing functional groups (C—C, C—H defect, C = C). It is a graph, (b) shows the relationship between the reduction temperature obtained from the XPS chart of the product in Example 2 and the oxidation functional groups (C—O—C, C═O, C—OH, O═C—O). It is a graph to show. 実施例2における生成物(S/C=1.32)の熱還元温度と部分還元酸化グラフェン中の硫黄含有量(原子%)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thermal reduction temperature of the product (S / C = 1.32) in Example 2, and the sulfur content (atomic%) in partially reduced graphene oxide. 実施例2(熱還元)における生成物(S/C=1.32)のXRDチャートである。It is an XRD chart of the product (S / C = 1.32) in Example 2 (thermal reduction). 実施例2(熱還元)における生成物の還元温度と層間距離(d(nm))との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the reduction temperature of the product in Example 2 (thermal reduction), and interlayer distance (d (nm)). 実施例2における生成物(S/C=1.32)のプロトン伝導率に対する還元温度及び相対湿度の影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of reduction temperature and relative humidity with respect to the proton conductivity of the product (S / C = 1.32) in Example 2. 実施例2における生成物(S/C=1.32)の相対湿度40%と90%におけるプロトン伝導率及び電子伝導率と還元温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the proton conductivity and electronic conductivity, and reduction | restoration temperature in 40% and 90% of relative humidity of the product (S / C = 1.32) in Example 2. 実施例2における硫酸添加量をS/C=0.06となるように変えた場合の熱還元温度と相対湿度40%と90%におけるプロトン伝導率及び電子伝導率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thermal reduction temperature at the time of changing the sulfuric acid addition amount in Example 2 to become S / C = 0.06, and proton conductivity and electronic conductivity in relative humidity 40% and 90%. . 実施例2(光還元)における生成物(S/C=1.32)のXRDチャートである。It is an XRD chart of the product (S / C = 1.32) in Example 2 (photoreduction). 実施例2(光還元)における生成物の照射時間と層間距離(d(nm))との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the irradiation time of the product and interlayer distance (d (nm)) in Example 2 (photoreduction). 実施例2における生成物(S/C=1.32)のプロトン伝導率に対する光照射時間及び相対湿度の影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the light irradiation time and relative humidity with respect to the proton conductivity of the product (S / C = 1.32) in Example 2. 実施例2における生成物(S/C=1.32)の相対湿度40%と90%におけるプロトン伝導率及び電子伝導率と照射時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between 40% of relative humidity of the product (S / C = 1.32) in Example 2, and the proton conductivity and electronic conductivity in 90%, and irradiation time.

好ましい実施形態Preferred embodiment

以下、添付図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

本発明は、酸化グラフェンを一部還元して同程度のプロトン伝導性と電子伝導性を発現させた部分還元酸化グラフェン膜(以下「混合伝導性酸化グラフェン」ともいう)、混合伝導性酸化グラフェンの製造方法及び混合伝導性酸化グラフェンからなる水素選択透過膜に関する。   The present invention relates to a partially reduced graphene oxide film (hereinafter also referred to as “mixed conductive graphene oxide”) in which graphene oxide is partially reduced to develop the same proton conductivity and electron conductivity, and mixed conductive graphene oxide. The present invention relates to a hydrogen selective permeable membrane made of a manufacturing method and mixed conductive graphene oxide.

酸化グラフェンは、グラファイトを部分酸化した後、層剥離することによって得られるナノシート材料であり、官能基としてカルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシル基、エポキシ基等の官能基を有する(化1)。   Graphene oxide is a nanosheet material obtained by partial oxidation of graphite and then delamination, and has functional groups such as a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, and an epoxy group as functional groups (Chemical Formula 1).

本発明で用いる混合伝導性酸化グラフェンは、酸化グラフェンを部分的に還元しつつ、エポキシ基を残留させ、同程度のプロトン伝導性と電子伝導性の両伝導性を発現させたものである。   The mixed conductive graphene oxide used in the present invention is obtained by partially reducing the graphene oxide while leaving an epoxy group to develop the same degree of proton conductivity and electron conductivity.

酸化グラフェンの還元の程度とプロトン伝導性及び電子伝導性との関係を説明するために簡略化した模式図を示す(化2)。   A simplified schematic diagram for explaining the relationship between the degree of reduction of graphene oxide, proton conductivity, and electron conductivity is shown (Chemical Formula 2).

酸化グラフェン(以下「GO」ともいう)はプロトン伝導性(Proton conductivity)が高く、一方、還元された酸化グラフェン(以下「rGO」ともいう)は電子伝導性(Electron conductivity)が高い。酸化グラフェンの還元の程度を調節することで同等のプロトン伝導性及び電子伝導性の両者を併せ持つ混合伝導性(mixed conduction)を有する単一成分材料を得ることができる。この混合伝導性を有する部分還元酸化グラフェンは、単一成分材料からなる水素選択透過膜として用いることができる。   Graphene oxide (hereinafter also referred to as “GO”) has high proton conductivity (Proton conductivity), while reduced graphene oxide (hereinafter also referred to as “rGO”) has high electron conductivity. By adjusting the degree of reduction of graphene oxide, it is possible to obtain a single component material having mixed conduction having both equivalent proton conductivity and electron conductivity. This partially reduced graphene oxide having mixed conductivity can be used as a hydrogen selective permeable membrane made of a single component material.

混合伝導性酸化グラフェンは、グラファイトから調製した酸化グラフェンナノシートの積層物を一部還元することにより得られる。理解を容易にするために化2のグラフの上部に模式的に簡易に示すように、積層された酸化グラフェンナノシートを電子が移動し、積層された還元酸化グラフェンナノシートの層間の表面官能基をプロトンが移動する。   Mixed conductive graphene oxide is obtained by partially reducing a stack of graphene oxide nanosheets prepared from graphite. For ease of understanding, as schematically shown in the upper part of the chemical formula 2 graph, electrons move through the stacked graphene oxide nanosheets, and the surface functional groups between the layers of the stacked reduced graphene oxide nanosheets are protonated. Move.

本発明の混合伝導性酸化グラフェンが電子伝導性とプロトン伝導性の両伝導性を有する状態を模式的に示す(化3)。   A state where the mixed conductive graphene oxide of the present invention has both electronic conductivity and proton conductivity is schematically shown (Chemical Formula 3).

化3に示すように、混合伝導性酸化グラフェン(下段)は、酸化グラフェンナノシート(上段)を完全に還元せず、一部の表面官能基(エポキシ基)が残留していることによりプロトン伝導性が維持される。表面官能基の還元によりCH欠陥及びC=Cπ共有結合が生じ、C=Cπ共有結合は電子伝導性を発現する。C=Cπ共有結合は狭い層間距離及び電子伝導性を提供するが、CH欠陥は比較的大きな層間距離を提供する。この比較的大きな層間距離は、エポキシ基に付着している水分子の移動に自由度を与え、プロトン伝導性を高める。混合伝導性酸化グラフェンナノシートの積層物は、層間距離が均一ではなく、CH欠陥による層間距離が広い部分と、C=Cπ共有結合による層間距離が狭い部分とを有し、それぞれプロトンを通過させるプロトンナノ通路と電子を通過させる電子ナノ通路を提供する。   As shown in Chemical Formula 3, mixed conductive graphene oxide (lower) does not completely reduce graphene oxide nanosheets (upper), and proton conductivity is due to some surface functional groups (epoxy groups) remaining. Is maintained. Reduction of the surface functional group causes CH defects and C═Cπ covalent bond, and the C═Cπ covalent bond exhibits electronic conductivity. C = Cπ covalent bonds provide a narrow interlayer distance and electronic conductivity, while CH defects provide a relatively large interlayer distance. This relatively large interlayer distance gives freedom to the movement of water molecules attached to the epoxy group and enhances proton conductivity. The laminate of mixed conductive graphene oxide nanosheets has a portion where the interlayer distance is not uniform and the interlayer distance is wide due to CH defects and the portion where the interlayer distance is narrow due to C = Cπ covalent bond, and protons that pass protons respectively. An electron nano-passage that allows passage of electrons through a nano-passage is provided.

本発明の混合伝導性酸化グラフェンは、室温において同程度のプロトン伝導性及び電子伝導性を有する。プロトン伝導性は相対湿度に影響され、湿度が低くなるほどプロトン伝導率は低下する。本発明の混合伝導性酸化グラフェンが発現するプロトン伝導率及び電子伝導率は、25℃相対湿度90%にて10−1〜10−6Scm−1の範囲、より好ましくは10−2〜10−3Scm−1の範囲にあり、25℃相対湿度40%にて10−1〜10−8Scm−1の範囲、より好ましくは10−1〜10−5Scm−1、さらに好ましくは10−1〜10−3Scm−1の範囲にある。 The mixed conductive graphene oxide of the present invention has similar proton conductivity and electron conductivity at room temperature. Proton conductivity is affected by relative humidity, and proton conductivity decreases as humidity decreases. The proton conductivity and electronic conductivity expressed by the mixed conductive graphene oxide of the present invention are in the range of 10 −1 to 10 −6 Scm −1 , more preferably 10 −2 to 10 at 25 ° C. and 90% relative humidity. 3 Scm −1, and a range of 10 −1 to 10 −8 Scm −1 at 25 ° C. and a relative humidity of 40%, more preferably 10 −1 to 10 −5 Scm −1 , and even more preferably 10 −1. in the range of to 10 -3 Scm -1.

本発明の混合導電性酸化グラフェンは、酸化グラフェンを部分的に還元することにより製造することができる。還元方法としては、光還元又は熱還元を用いることができる。部分還元の方法によってプロトン伝導率と電子伝導率が一致する範囲は異なり、熱還元により得られる混合伝導性酸化グラフェンシートでは、相対湿度90%にて10−1〜10−5Scm−1の範囲、相対湿度40%にて10−1〜10−8Scm−1の範囲でプロトン伝導率と電子伝導率とが一致する。光還元により得られる混合伝導性酸化グラフェンシートでは、相対湿度90%にて10−1〜10−6Scm−1の範囲、相対湿度40%にて10−1〜10−6Scm−1の範囲でプロトン伝導率と電子伝導率とが一致する。 The mixed conductive graphene oxide of the present invention can be produced by partially reducing graphene oxide. As the reduction method, photoreduction or thermal reduction can be used. The range in which the proton conductivity and the electron conductivity coincide with each other depending on the partial reduction method. In the mixed conductive graphene oxide sheet obtained by thermal reduction, the range of 10 −1 to 10 −5 Scm −1 at 90% relative humidity. The proton conductivity and the electron conductivity agree with each other in the range of 10 −1 to 10 −8 Scm −1 at a relative humidity of 40%. In the mixed conductive graphene oxide sheet obtained by photoreduction, the range of 10 −1 to 10 −6 Scm −1 at 90% relative humidity and the range of 10 −1 to 10 −6 Scm −1 at 40% relative humidity. The proton conductivity and the electron conductivity agree with each other.

熱還元は、40〜150℃の範囲で酸化グラフェンを一部還元することが好ましく、より好ましくは50〜80℃の範囲であるが、プロトン伝導率及び電子伝導率の所望範囲に応じて、変えることができる。また、熱還元雰囲気は空気中でよい。   The thermal reduction preferably partially reduces graphene oxide in the range of 40 to 150 ° C., more preferably in the range of 50 to 80 ° C., depending on the desired ranges of proton conductivity and electronic conductivity. be able to. The heat reducing atmosphere may be in the air.

光還元は、100〜500ワットの紫外光を照射時間1分〜200分の範囲で酸化グラフェンに照射して一部還元することが好ましく、より好ましくは10分〜90分の範囲であるが、プロトン伝導率及び電子伝導率の所望範囲に応じて、変えることができる。   Photoreduction is preferably partially reduced by irradiating the graphene oxide with ultraviolet light of 100 to 500 watts in an irradiation time range of 1 minute to 200 minutes, more preferably in the range of 10 minutes to 90 minutes. It can be varied depending on the desired range of proton conductivity and electronic conductivity.

熱還元及び光還元のいずれの方法においても、還元前の酸化グラフェン分散液又は酸化グラフェン膜に硫酸を添加してもよい。硫酸添加により、高いプロトン伝導率を実現することができる。硫酸添加量は、炭素に対する硫黄の原子比(S/C)として0.05〜0.5の範囲が好ましく、高いプロトン伝導率を実現するには0.1〜0.2が特に好ましい。   In any method of thermal reduction and photoreduction, sulfuric acid may be added to the graphene oxide dispersion or graphene oxide film before reduction. By adding sulfuric acid, high proton conductivity can be realized. The amount of sulfuric acid added is preferably in the range of 0.05 to 0.5 as the atomic ratio of sulfur to carbon (S / C), and particularly preferably 0.1 to 0.2 in order to achieve high proton conductivity.

本発明の部分還元酸化グラフェン膜からなる水素選択透過膜の水素透過メカニズムを模式化して示す(化4)。   A hydrogen permeation mechanism of a hydrogen selective permeable membrane composed of a partially reduced graphene oxide membrane of the present invention is schematically shown (Chemical Formula 4).

部分還元酸化グラフェン膜の表面に水素が接触すると、水素はアノード酸化により水素イオンと電子とに分離して(Step1 表面反応)、それぞれは部分還元酸化グラフェン膜のプロトンナノ通路及び電子ナノ通路を通して移動し(Step2 バルク拡散)、反対側の表面にてカソード還元され水素イオンと電子とが結合して水素分子となる(Step3 表面反応)。本発明の水素選択透過膜を構成する部分還元酸化グラフェン膜は、プロトン伝導性と電子伝導性を有するが、他のイオンの伝導性を有していないため、水素のみを選択的に分離することができる。   When hydrogen contacts the surface of the partially reduced graphene oxide film, the hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons by anodic oxidation (Step 1 surface reaction), and each moves through the proton nanochannel and the electron nanochannel of the partially reduced graphene oxide film. Then (Step 2 bulk diffusion), cathode reduction is performed on the opposite surface, and hydrogen ions and electrons are combined to form hydrogen molecules (Step 3 surface reaction). The partially reduced graphene oxide membrane constituting the hydrogen selective permeable membrane of the present invention has proton conductivity and electron conductivity, but does not have conductivity of other ions, so that only hydrogen is selectively separated. Can do.

本発明の水素選択透過膜は、膜表面での水素分離を促進するために、部分還元酸化グラフェン膜の表面に水素分離触媒を担持させてもよい。水素分離触媒としては部分還元酸化グラフェン膜の水素透過能に影響を与えない限り特に制限されないが、白金、パラジウム、ルテニウムなどの白金属金属又はこれらの合金を好適に挙げることができる。   In the hydrogen selective permeable membrane of the present invention, a hydrogen separation catalyst may be supported on the surface of the partially reduced graphene oxide membrane in order to promote hydrogen separation on the membrane surface. The hydrogen separation catalyst is not particularly limited as long as it does not affect the hydrogen permeability of the partially reduced graphene oxide membrane, and preferred examples include white metal metals such as platinum, palladium, ruthenium, and alloys thereof.

また、本発明の混合伝導性酸化グラフェンシートの両面に白金族金属又はこれらの合金を担持したカーボン膜を有する積層構造を有する酸化グラフェン水素選択透過膜であってもよい。酸化グラフェン水素選択透過膜は、混合伝導性酸化グラフェンシートの両面に白金族担持カーボンのアルコール溶液を滴下し、室温で乾燥させることによって製造することができる。白金族担持カーボン膜の金属含有量は、カーボン100wt%に対して5〜50wt%とすることが好ましい。   Further, the graphene oxide hydrogen permselective membrane may have a laminated structure having a carbon film carrying a platinum group metal or an alloy thereof on both surfaces of the mixed conductive graphene oxide sheet of the present invention. The graphene oxide hydrogen permselective membrane can be produced by dropping a platinum group-supported carbon alcohol solution onto both sides of a mixed conductive graphene oxide sheet and drying at room temperature. The metal content of the platinum group-supported carbon film is preferably 5 to 50 wt% with respect to 100 wt% of carbon.

実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
下記(化5)に示す改良Hummer法の手順に従って、0.8mg/mL濃度の酸化グラフェン分散液を調製し、この酸化グラフェン分散液をメンブランフィルターにて吸引濾過して酸化グラフェン膜を得た(図1)。
[Example 1]
According to the procedure of the modified Hummer method shown below (Chemical Formula 5), a graphene oxide dispersion liquid having a concentration of 0.8 mg / mL was prepared, and the graphene oxide dispersion liquid was subjected to suction filtration with a membrane filter to obtain a graphene oxide film ( FIG. 1).

<光還元>
得られた酸化グラフェン膜に、空気中で500W高圧紫外線ランプを用いて紫外光照射して、部分還元酸化グラフェン膜を調製した。
<Photoreduction>
The obtained graphene oxide film was irradiated with ultraviolet light in air using a 500 W high-pressure ultraviolet lamp to prepare a partially reduced graphene oxide film.

<熱還元>
得られた酸化グラフェン膜を、インキュベーター(ESPEC、SH−221)に入れて、70〜150℃で、相対湿度100%にて、1時間、空気中で加熱して、部分還元酸化グラフェン膜を調製した。
<Thermal reduction>
The obtained graphene oxide film is put in an incubator (ESPEC, SH-221) and heated in air at 70 to 150 ° C. and 100% relative humidity for 1 hour to prepare a partially reduced graphene oxide film did.

<分析サンプル調製>
・AC及びDC測定用サンプル:酸化グラフェン分散液を櫛形電極(幅2μm、間隔2μm、65対)上に滴下して乾燥させて、櫛形電極サンプルを調製した。
・X線光電子分析(XPS)、フーリエ変換赤外線分析(FT−IR)及びX線回折分析(XRD)用サンプル:酸化グラフェン分散液をガラス基板上に滴下して乾燥させて酸化グラフェン膜を調製した。
13C固体核磁気共鳴分析(SSNMR)用サンプル:酸化グラフェン分散液を、メンブランフィルター(ポアサイズ0.4μm)を用いて濾過して酸化グラフェン膜を調製した後、光還元又は熱還元して調製した。
<Analysis sample preparation>
Sample for AC and DC measurement: A graphene oxide dispersion was dropped onto a comb-shaped electrode (width 2 μm, interval 2 μm, 65 pairs) and dried to prepare a comb-shaped electrode sample.
Samples for X-ray photoelectron analysis (XPS), Fourier transform infrared analysis (FT-IR) and X-ray diffraction analysis (XRD): A graphene oxide film was prepared by dropping a graphene oxide dispersion onto a glass substrate and drying it. .
-Sample for 13 C solid state nuclear magnetic resonance analysis (SSNMR): prepared by subjecting a graphene oxide dispersion to filtration using a membrane filter (pore size 0.4 μm) to prepare a graphene oxide film, followed by photoreduction or thermal reduction did.

<分析項目>
・櫛形電極サンプルの形態及び厚み:原子間力顕微鏡で観察した。
・ガラス基板上の分析サンプルの層間距離:スキャン3゜〜20゜でCuKα(λ=0.154nm)放射を用いるXRDで観察した。
・酸化グラフェン膜及び部分還元酸化グラフェン膜上の酸化官能基(C−O−C、C=O、C−OH、−COOH)、非酸化官能基(C spC−C、C−H欠陥、C spC=C):XPS、FT−IR、SSNMRで観察した。
・電子伝導率:櫛形電極サンプルをインピーダンス/ゲイン分析器(摂動振幅電圧50mV、周波数範囲1MHz〜1Hz)を用いて測定したACインピーダンス、又は2探接子DC法を用いて測定したDC抵抗R、2個の電極間距離(2×10−4cm)に相当する膜幅L、AFM高さプロファイルから求めた膜厚T、CCDカメラから求めた2個の電極間の膜長さDを式:
σ=L/(R×T×D)
に算入して求めた。
・プロトン伝導率σproton:AC測定から求めた総伝導率σtotal、DC測定から求めた電子伝導率σelectronを式:
σproton=σtotal−σelectron
に算入して求めた。
<Analysis items>
-Shape and thickness of comb-shaped electrode sample: observed with an atomic force microscope.
Interlayer distance of analytical sample on glass substrate: observed by XRD using CuKα (λ = 0.154 nm) radiation at 3 ° -20 ° scan.
Oxidized functional groups (C—O—C, C═O, C—OH, —COOH), non-oxidized functional groups (C sp 3 C—C, C—H defects) on graphene oxide films and partially reduced graphene oxide films , C sp 2 C = C) : XPS, FT-IR, was observed with SSNMR.
Electronic conductivity: AC impedance measured using a comb-shaped electrode sample using an impedance / gain analyzer (perturbation amplitude voltage 50 mV, frequency range 1 MHz to 1 Hz), or DC resistance R measured using a two-probe DC method, The film width L corresponding to the distance between the two electrodes (2 × 10 −4 cm), the film thickness T obtained from the AFM height profile, and the film length D between the two electrodes obtained from the CCD camera are represented by the formula:
σ = L / (R × T × D)
Included in the calculation.
-Proton conductivity σ proton : Total conductivity σ total obtained from AC measurement, and electron conductivity σ electron obtained from DC measurement are expressed as follows:
σ proton = σ total −σ electron
Included in the calculation.

<光還元>
図2に空気中での酸化グラフェン膜の光還元の効果を示す。
(a)は照射時間(Irradiation time)に対する酸化グラフェンの官能基(C−O−C、C=O、C−OH、−COOH、CspC−C、C−H defect、CspC=C)の変遷を示すXPSチャートである。
(b)は(a)のXPSピークから算出した照射時間(Irradiation time)に対する酸化官能基(C−O−C、C=O、C−OH、−COOH)及び酸素原子%(O/(C+O))の濃度変化を示す。
(c)は(a)のXPSピークから算出した照射時間(Irradiation time)に対する非酸化官能基(C spC−C、C−H defect、C spC=C)の濃度変化を示す。
(d)はXRD回折ピークから算出した照射時間(Irradiation time)に対する酸化グラフェンの層間距離dの変動を示す。
<Photoreduction>
FIG. 2 shows the photoreduction effect of the graphene oxide film in air.
(A) is a graphene oxide functional group (C—O—C, C═O, C—OH, —COOH, Csp 3 C—C, C—H defect, Csp 2 C═C with respect to irradiation time. It is an XPS chart which shows the transition of).
(B) is an oxidation functional group (C—O—C, C═O, C—OH, —COOH) and oxygen atom% (O / (C + O) with respect to the irradiation time calculated from the XPS peak of (a). )) Concentration change.
(C) shows the concentration change of the non-oxidizing functional groups (C sp 3 C—C, C—H defect, C sp 2 C═C) with respect to the irradiation time calculated from the XPS peak of (a).
(D) shows the fluctuation | variation of the interlayer distance d of a graphene oxide with respect to the irradiation time (Irradiation time) computed from the XRD diffraction peak.

図2(b)から、照射時間が長くなると、酸素原子%(O/(C+O))及びエポキシ基(C−O−C)の含有量は著しく減少し、水酸基(C−OH)及びカルボキシル基(−COOH)はわずかに増加していることがわかる。   From FIG. 2 (b), as the irradiation time becomes longer, the contents of oxygen atom% (O / (C + O)) and epoxy group (C—O—C) are remarkably decreased, and the hydroxyl group (C—OH) and carboxyl group are reduced. It can be seen that (-COOH) slightly increases.

図2(c)から、照射時間が長くなると、C−H欠陥(CH defect:ポアの縁部におけるC−H結合及びグラフェン様主面上のC−H結合に対応する)が急激に増加し、C−C結合及びC=C結合は微増であることがわかる。   From FIG. 2 (c), as the irradiation time becomes longer, CH defects (corresponding to CH bonds at the edge of the pore and CH bonds on the graphene-like main surface) rapidly increase. It can be seen that the C—C bond and the C═C bond are slightly increased.

図2(d)から、照射時間が長くなると、層間距離dは減少していることがわかる。層間距離の減少は、酸素原子%が減少するためと考えられる。光還元後のXRD回折パターンがブロードになっていることから、層間距離は不均一になっていることが示唆される。   FIG. 2D shows that the interlayer distance d decreases as the irradiation time increases. The decrease in the interlayer distance is considered to be due to a decrease in oxygen atomic%. The XRD diffraction pattern after photoreduction is broad, suggesting that the interlayer distance is non-uniform.

以上のことから、酸化グラフェン膜の組成、特にC−O−C基及びO=C−O基並びにC−H欠陥の量、及び層間距離並びに形態は、照射時間によって制御できるといえる。   From the above, it can be said that the composition of the graphene oxide film, in particular, the amount of C—O—C groups and O═C—O groups and C—H defects, the distance between layers, and the form can be controlled by the irradiation time.

<熱還元>
図3に酸化グラフェン膜の熱還元の効果を示す。
(a)は還元温度(Reduction temperature)に対する酸化グラフェンの官能基(C−O−C、C=O、C−OH、−COOH、CspC−C、C−H defect、CspC=C)の変遷を示すXPSチャートである。
(b)は(a)のXPSピークから算出した還元温度(Reduction temperature)に対する酸化官能基(C−O−C、C=O、C−OH、−COOH)及び酸素原子%(O/(C+O))の濃度変化を示す。
(c)は(a)のXPSピークから算出した還元温度(Reduction temperature)に対する非酸化官能基(C spC−C、C−H defect、CspC=C)の濃度変化を示す。
(d)は(a)のXRD回折ピークから算出した還元温度(Reduction temperature)に対する酸化グラフェンの層間距離dを示す。
<Thermal reduction>
FIG. 3 shows the effect of thermal reduction of the graphene oxide film.
(A) is a graphene oxide functional group (C—O—C, C═O, C—OH, —COOH, Csp 3 C—C, C—H defect, Csp 2 C═C with respect to the reduction temperature. It is an XPS chart which shows the transition of).
(B) is an oxidation functional group (C—O—C, C═O, C—OH, —COOH) and oxygen atom% (O / (C + O) with respect to the reduction temperature calculated from the XPS peak of (a). )) Concentration change.
(C) shows the concentration change of the non-oxidizing functional group (C sp 3 C—C, C—H defect, Csp 2 C = C) with respect to the reduction temperature calculated from the XPS peak of (a).
(D) shows the interlayer distance d of graphene oxide with respect to the reduction temperature calculated from the XRD diffraction peak of (a).

図3(b)から、還元温度が低いとエポキシ基(C−O−C)及び酸素原子%(O/(C+O))が多く、還元温度が高く、特に100℃を超えるとエポキシ基(C−O−C)及び酸素原子%(O/(C+O))が急激に減少するが、他の酸化官能基は還元温度の影響をあまり受けないことがわかる。   FIG. 3B shows that when the reduction temperature is low, there are many epoxy groups (C—O—C) and oxygen atom% (O / (C + O)), and the reduction temperature is high. It can be seen that -O-C) and oxygen atom% (O / (C + O)) decrease sharply, but other oxidizing functional groups are less affected by the reduction temperature.

図3(c)から、還元温度が100℃を超えるとC=C結合が急激に増加し、C−C結合が減少し、C−H欠陥は100℃から120℃までは増加し、120℃を超えると減少に転じることがわかる。   From FIG. 3 (c), when the reduction temperature exceeds 100 ° C., the C═C bond increases rapidly, the C—C bond decreases, and the C—H defect increases from 100 ° C. to 120 ° C. It can be seen that the number starts to decrease when exceeding.

図3(d)から、還元温度が高くなると、層間距離dは減少することがわかる。熱還元後のXRD回折パターンがシャープであることから層間距離dは均一になっていることが示唆される。   FIG. 3D shows that the interlayer distance d decreases as the reduction temperature increases. The sharp XRD diffraction pattern after thermal reduction suggests that the interlayer distance d is uniform.

以上のことから、酸化グラフェン膜の組成、特にC−O−C基及びO=C−O基並びにC−H欠陥の量、及び層間距離並びに形態は、還元温度によって制御できるといえる。   From the above, it can be said that the composition of the graphene oxide film, in particular, the amount of C—O—C groups and O═C—O groups and C—H defects, the interlayer distance, and the form can be controlled by the reduction temperature.

さらに、光還元によって得られる部分還元酸化グラフェン膜はC−H欠陥が多く層間距離dが不均一であり、熱還元によって得られる部分還元酸化グラフェン膜はC=C π結合が多く層間距離dが均一となるように、還元方法を選択することで用途に応じて最適な部分還元酸化グラフェン膜を製造することができる。   Furthermore, the partially reduced graphene oxide film obtained by photoreduction has many C—H defects and the interlayer distance d is nonuniform, and the partially reduced graphene oxide film obtained by thermal reduction has many C═Cπ bonds and the interlayer distance d is low. By selecting a reduction method so as to be uniform, an optimal partially reduced graphene oxide film can be manufactured according to the application.

<湿度とプロトン伝導率との関係>
図4(a)及び(b)に示すように、光還元であっても熱還元であっても部分還元酸化グラフェンのプロトン伝導率(測定温度25℃)は湿度に依存し、湿度が高いほどプロトン伝導率が高い。
<Relationship between humidity and proton conductivity>
As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the proton conductivity (measurement temperature 25 ° C.) of partially reduced graphene oxide is dependent on humidity regardless of whether it is photoreduction or thermal reduction. Proton conductivity is high.

また、図5(a)及び(b)に示すように、光還元であっても熱還元であっても部分還元酸化グラフェンのエポキシ基の含有量が多いほどプロトン伝導率は高くなる。したがって、部分還元酸化グラフェンのプロトン伝導率が低下する理由は、部分還元酸化グラフェンにおけるプロトン移動サイト(中間層のエポキシ基)の数が減少するためと考えられる。   Further, as shown in FIGS. 5A and 5B, the proton conductivity increases as the content of the epoxy group of the partially reduced graphene oxide increases, whether it is photoreduction or thermal reduction. Therefore, the reason why the proton conductivity of the partially reduced graphene oxide decreases is considered to be that the number of proton transfer sites (epoxy groups in the intermediate layer) in the partially reduced graphene oxide decreases.

<プロトン伝導率と電子伝導率>
図6(a)に、相対湿度40%と90%の場合の光還元における照射時間(Irradiation time)とプロトン伝導率(Proton conduction)及び電子伝導率(Electron conduction)との関係を示す。電子伝導率は相対湿度の影響は受けず、照射時間が長くなるほど電子伝導率が高くなる。相対湿度90%の場合には、照射時間は約8800秒で、プロトン伝導率と電子伝導率とは6×10−5Scm−1で一致し、混合伝導性酸化グラフェンが得られた。相対湿度40%の場合には、照射時間は約4000秒で、プロトン伝導率と電子伝導率とは2×10−6Scm−1で一致し、混合伝導性酸化グラフェンが得られた。
<Proton conductivity and electronic conductivity>
FIG. 6 (a) shows the relationship between irradiation time (Irradiation time), proton conductivity (Proton conduction), and electron conductivity (Electron conduction) in photoreduction when the relative humidity is 40% and 90%. The electron conductivity is not affected by the relative humidity, and the electron conductivity increases as the irradiation time increases. When the relative humidity was 90%, the irradiation time was about 8800 seconds, the proton conductivity and the electron conductivity were 6 × 10 −5 Scm −1 , and mixed conductive graphene oxide was obtained. When the relative humidity was 40%, the irradiation time was about 4000 seconds, the proton conductivity and the electron conductivity were 2 × 10 −6 Scm −1 , and mixed conductive graphene oxide was obtained.

図6(b)に、相対湿度40%と90%の場合の熱還元における還元温度(Reduction temperature)とプロトン伝導率(Proton conduction)及び電子伝導率(Electron conduction)との関係を示す。電子伝導率は相対湿度の影響は受けず、還元温度が高くなるほど電子伝導率が高くなる。相対湿度90%の場合には、還元温度は約140℃で還元した部分還元酸化グラフェンのプロトン伝導率と電子伝導率とは5×10−5Scm−1で一致し、混合伝導性酸化グラフェンが得られたた。相対湿度40%の場合には、還元温度は約120℃で、プロトン伝導率と電子伝導率とは9×10−8Scm−1で一致し、混合伝導性酸化グラフェンが得られた。 FIG. 6B shows the relationship between the reduction temperature, the proton conductivity, and the electron conductivity in thermal reduction when the relative humidity is 40% and 90%. The electron conductivity is not affected by the relative humidity, and the electron conductivity increases as the reduction temperature increases. When the relative humidity is 90%, the proton conductivity and the electron conductivity of partially reduced graphene oxide reduced at about 140 ° C. coincide with each other at 5 × 10 −5 Scm −1. Obtained. When the relative humidity was 40%, the reduction temperature was about 120 ° C., the proton conductivity and the electron conductivity were 9 × 10 −8 Scm −1 , and mixed conductive graphene oxide was obtained.

図7(a)に、酸化グラフェン及び部分酸化グラフェンにおける酸素含有量(O/(C+O))とプロトン伝導率(Proton)及び電子伝導率(Electron)との関係を示す。電子伝導率の対数を酸素含有量(%)に対してプロットすると、熱還元法か光還元法かにかかわらず良好な線形を示した。したがって、光還元法によって生成されるC−H欠陥(C-H defect)及び熱還元法によって生成されるC=C結合(C=C bond)の両者が同等に且つ大きく電子伝導性に影響するといえる。従来、C=C π共有結合のみが電子伝導を促進すると考えられていたことに反し、驚くべき結果である。他方、部分酸化グラフェンのプロトン伝導性は、光還元法の方が熱還元法よりも常に高くなった。   FIG. 7A shows the relationship between oxygen content (O / (C + O)), proton conductivity (Proton), and electron conductivity (Electron) in graphene oxide and partially graphene oxide. Plotting the logarithm of electronic conductivity against oxygen content (%) showed good linearity regardless of thermal reduction method or photoreduction method. Therefore, it can be said that both the C—H defect generated by the photoreduction method and the C═C bond generated by the thermal reduction method affect the electron conductivity equally and greatly. Contrary to the fact that conventionally only C = Cπ covalent bonds were thought to promote electronic conduction, this is a surprising result. On the other hand, the proton conductivity of partially graphene oxide was always higher in the photoreduction method than in the thermal reduction method.

図7(b)に、部分還元酸化グラフェンの層間距離(d)とプロトン伝導率(Proton conductivity)との関係を示す。プロトン伝導率の対数を層間距離(nm)に対してプロットすると、熱還元法か光還元法かにかかわらず良好な線形を示した。したがって、層間距離及びエポキシ基含有量がプロトン伝導性に強く影響するといえる。   FIG. 7B shows the relationship between the interlayer distance (d) of partially reduced graphene oxide and the proton conductivity. Plotting the logarithm of proton conductivity against the interlayer distance (nm) showed good linearity regardless of thermal reduction method or photoreduction method. Therefore, it can be said that the interlayer distance and the epoxy group content strongly influence the proton conductivity.

図7(c)に、部分還元酸化グラフェンの層間距離(d)と酸素含有量との関係を示す。層間距離は、光還元法の方が熱還元法よりも常に高くなった。熱還元中に酸化グラフェンの層間にC=C π結合が形成され、強いπ結合によって層間距離が短くなり、一方、光還元中に酸化グラフェンの層間にC−H欠陥が形成され、層間距離が長くなることに起因していると考えられる。光還元により得られる大きな層間距離によって、エポキシ基に付着している水分子の移動に自由度を付与し、プロトン伝導性がより高くなり、高い電子伝導性と高いプロトン伝導性とを有する混合伝導性酸化グラフェンが形成される。   FIG. 7C shows the relationship between the interlayer distance (d) of partially reduced graphene oxide and the oxygen content. The interlayer distance was always higher in the photoreduction method than in the thermal reduction method. C = C π bonds are formed between graphene oxide layers during thermal reduction, and the interlayer distance is shortened by strong π bonds, while C—H defects are formed between graphene oxide layers during photoreduction, resulting in an interlayer distance of This is thought to be due to the lengthening. The large interlayer distance obtained by photoreduction gives freedom to the movement of water molecules attached to the epoxy group, resulting in higher proton conductivity, mixed conductivity with high electron conductivity and high proton conductivity. Graphene oxide is formed.

本発明の混合伝導性酸化グラフェンは、単一成分材料でありながら、同等の電子伝導性とプロトン伝導性との両者を室温で発揮することができるという点で新規な材料である。   The mixed conductive graphene oxide of the present invention is a novel material in that it can exhibit both equivalent electronic conductivity and proton conductivity at room temperature while being a single component material.

[実施例2]
実施例1と同様にして調製した酸化グラフェン分散液に、0.18mol/Lの硫酸を添加してから、実施例1と同様に酸化グラフェン膜を調製し、その膜を光還元及び熱還元して部分還元酸化グラフェン膜を調製した。実施例1と同様に各種分析を行い、硫酸添加(S/C=0.13)の効果を確認した。
[Example 2]
After adding 0.18 mol / L sulfuric acid to the graphene oxide dispersion prepared in the same manner as in Example 1, a graphene oxide film is prepared in the same manner as in Example 1, and the film is subjected to photoreduction and thermal reduction. A partially reduced graphene oxide film was prepared. Various analyzes were performed in the same manner as in Example 1 to confirm the effect of adding sulfuric acid (S / C = 0.13).

<熱還元>
熱還元で得られた部分還元酸化グラフェンのXPSチャートを図8に示す。図8のXPSチャートから得られる還元温度と非酸化官能基(C−C、C−H defect、C=C)及び酸化官能基(C−O−C、C=O、C−OH、O=C−O)の関係を図9(a)(b)に示す。図9(a)と図3(c)とを対比すると、硫酸を添加することで、非酸化官能基(CspC−C、C−H defect、CspC=C)の含有量が増加することがわかる。一方、酸化官能基の含有量はほぼ同様で変動はなかった。 表1及び図10には、熱還元温度と部分還元酸化グラフェン中の硫黄含有量(原子%)との関係を示す。図11(a)にはXRDチャート、図11(b)には還元温度と層間距離(d(nm))との関係を示す。硫酸を添加すると、硫酸イオンが層間に残留するために、熱還元を行っても層間距離が減少しないためであると考えられる。
<Thermal reduction>
An XPS chart of partially reduced graphene oxide obtained by thermal reduction is shown in FIG. The reduction temperature obtained from the XPS chart of FIG. 8 and non-oxidizing functional groups (C—C, C—H defect, C═C) and oxidizing functional groups (C—O—C, C═O, C—OH, O═ The relationship of (C−O) is shown in FIGS. Comparing FIG. 9A and FIG. 3C, the content of non-oxidizing functional groups (Csp 3 C—C, C—H defect, Csp 2 C═C) is increased by adding sulfuric acid. I understand that On the other hand, the content of the oxidized functional group was almost the same and did not vary. Table 1 and FIG. 10 show the relationship between the thermal reduction temperature and the sulfur content (atomic%) in the partially reduced graphene oxide. FIG. 11A shows an XRD chart, and FIG. 11B shows the relationship between the reduction temperature and the interlayer distance (d (nm)). When sulfuric acid is added, sulfate ions remain between the layers, and this is considered to be because the interlayer distance does not decrease even when thermal reduction is performed.

図12に、プロトン伝導率に対する還元温度及び相対湿度の影響を示す。熱還元することによって、プロトン伝導率が低下し、特に相対湿度が低くなるほど低下率は大きく、相対湿度55%以下で急激に低下する。しかし、硫酸を添加しなかった実施例1(図4(b))と対比すると、硫酸を添加する事でプロトン伝導率が2桁ほど高く、相対湿度40%であっても10−5〜10−4Scm−1オーダーとなった。また、還元温度が高いほどプロトン伝導率の低下度合いが大きかった。 FIG. 12 shows the influence of the reduction temperature and relative humidity on the proton conductivity. By thermal reduction, the proton conductivity decreases, and in particular, as the relative humidity decreases, the decrease rate increases and decreases rapidly at a relative humidity of 55% or less. However, in contrast to Example 1 in which sulfuric acid was not added (FIG. 4 (b)), by adding sulfuric acid, the proton conductivity was about two orders of magnitude higher, and even if the relative humidity was 40%, 10 −5 to 10 −10. It was -4 Scm -1 order. Further, the higher the reduction temperature, the greater the degree of decrease in proton conductivity.

図13に、相対湿度40%と90%におけるプロトン伝導率及び電子伝導率と還元温度との関係を示す。相対湿度90%ではプロトン伝導率及び電子伝導率が10−2Scm−1で一致し、相対湿度40%ではプロトン伝導率及び電子伝導率が10−5Scm−1で一致し、実施例1(図6(b))と対比すると、プロトン伝導率と電子伝導率とが一致する伝導率が硫酸添加によって2桁ほど高くなることがわかる。 FIG. 13 shows the relationship between proton conductivity, electron conductivity, and reduction temperature at relative humidity of 40% and 90%. When the relative humidity is 90%, the proton conductivity and the electron conductivity agree with 10 −2 Scm −1 , and when the relative humidity is 40%, the proton conductivity and the electron conductivity agree with 10 −5 Scm −1. Compared with FIG. 6B, it can be seen that the conductivity at which the proton conductivity and the electron conductivity coincide with each other is increased by about two orders of magnitude by the addition of sulfuric acid.

図14に、硫酸添加量をS/C=0.06となるように変えた場合の熱還元温度と相対湿度40%と90%におけるプロトン伝導率及び電子伝導率との関係を示す。図13(硫酸添加量S/C=0.13)と対比すると、硫酸添加量が少ないと電子伝導率がわずかに低下するが、プロトン伝導率はあまり影響を受けないといえる。   FIG. 14 shows the relationship between the thermal reduction temperature and proton conductivity and electron conductivity at 40% and 90% relative humidity when the amount of sulfuric acid added is changed to S / C = 0.06. Compared with FIG. 13 (sulfuric acid addition amount S / C = 0.13), it can be said that the electron conductivity is slightly lowered when the sulfuric acid addition amount is small, but the proton conductivity is not significantly affected.

<光還元>
図15に、光還元の照射時間と層間距離(d(nm))との関係を示す。層間距離は照射時間にかかわらず一定であった。
<Photoreduction>
FIG. 15 shows the relationship between the photoreduction irradiation time and the interlayer distance (d (nm)). The interlayer distance was constant regardless of the irradiation time.

図16に、プロトン伝導率に対する光照射時間及び相対湿度の影響を示す。図12に示す熱還元温度の影響と同様に、相対湿度55%以下で急激に低下し、照射時間が長いほど低下度合いは大きい。図4(a)の硫酸添加無しの場合の600秒の照射時間及び3600秒の照射時間で対比すると、硫酸添加によって、プロトン伝導率は0.5〜1桁程度高く改善されることがわかる。   FIG. 16 shows the influence of light irradiation time and relative humidity on proton conductivity. Similar to the effect of the thermal reduction temperature shown in FIG. 12, the temperature rapidly decreases at a relative humidity of 55% or less, and the degree of decrease increases as the irradiation time increases. Comparing the irradiation time of 600 seconds and the irradiation time of 3600 seconds without addition of sulfuric acid in FIG. 4A, it can be seen that addition of sulfuric acid improves the proton conductivity by about 0.5 to 1 digit.

図17に、相対湿度40%と90%におけるプロトン伝導率及び電子伝導率と還元温度との関係を示す。相対湿度90%ではプロトン伝導率及び電子伝導率が10−2Scm−1となり、相対湿度40%ではプロトン伝導率及び電子伝導率が10−5Scm−1となり、実施例1(図6(a))と対比すると、プロトン伝導率と電子伝導率とが一致する伝導率が硫酸添加することによって1桁ほど高くなることがわかる。しかし、相対湿度90%の場合にはプロトン伝導率と電子伝導率とが一致することはなかった。本実施例では、酸化グラフェン膜に硫酸を添加して光還元しているため、硫酸添加により層間距離が大きくなりプロトン伝導率が高くなる一方、酸化グラフェン膜全体に光照射が行き渡りにくくなり還元程度が低く、電子伝導率が高くならなかったと考えられる。 FIG. 17 shows the relationship between proton conductivity and electron conductivity at a relative humidity of 40% and 90%, and the reduction temperature. When the relative humidity is 90%, the proton conductivity and the electron conductivity are 10 −2 Scm −1 , and when the relative humidity is 40%, the proton conductivity and the electron conductivity are 10 −5 Scm −1 , and Example 1 (FIG. 6 (a Compared with)), it can be seen that the conductivity at which the proton conductivity and the electron conductivity coincide with each other is increased by an order of magnitude when sulfuric acid is added. However, when the relative humidity was 90%, the proton conductivity and the electron conductivity did not match. In this example, since sulfuric acid is added to the graphene oxide film and photoreduction is performed, the interlayer distance is increased and the proton conductivity is increased by the addition of sulfuric acid. It is considered that the electron conductivity was not increased.

[実施例3]
実施例1の熱還元法により作製した混合伝導性酸化グラフェン膜の両面に、白金(50wt%)担持カーボンのイソプロパノール溶液(5w%)を滴下し、室温で乾燥させることで、酸化グラフェン水素選択透過膜を作製した。
[Example 3]
Graphene oxide hydrogen permselective permeation is performed by dropping a platinum (50 wt%)-supported carbon isopropanol solution (5 w%) onto both sides of the mixed conductive graphene oxide film produced by the thermal reduction method of Example 1 and drying at room temperature. A membrane was prepared.

この水素選択透過膜を用いて25℃における水素透過能を測定した。膜の片側にArで希釈した5%の水素ガスを50mL/minで流通させ、反対側にArを30mL/minで流通させた。Ar側に透過してきた水素をガスクロマトグラフィで定量したところ、水素透過が確認され、その透過量は0.049mL/min・cmであった。膜を透過した気体成分は水素のみで酸素の透過が確認できず、良好な水素選択透過膜として機能することが確認された。 Using this hydrogen permselective membrane, the hydrogen permeability at 25 ° C. was measured. 5% hydrogen gas diluted with Ar was circulated at 50 mL / min on one side of the membrane, and Ar was circulated at 30 mL / min on the other side. When hydrogen permeated to the Ar side was quantified by gas chromatography, hydrogen permeation was confirmed, and the permeation amount was 0.049 mL / min · cm 2 . The gas component that permeated through the membrane was confirmed to function as a good hydrogen selective permeation membrane because oxygen alone could not be confirmed through hydrogen.

Claims (9)

温度25℃にて測定したプロトン伝導率及び電子伝導率が共に同等の値を示す混合伝導性酸化グラフェンシート。   A mixed conductive graphene oxide sheet in which the proton conductivity and the electronic conductivity measured at a temperature of 25 ° C. exhibit the same value. 前記プロトン伝導率及び電子伝導率が共に、相対湿度90%にて10−1〜10−5Scm−1の範囲にあり、相対湿度40%にて10−1〜10−8Scm−1の範囲にある、請求項1に記載の混合伝導性酸化グラフェンシート。 The proton conductivity and the electronic conductivity are both in the range of 10 −1 to 10 −5 Scm −1 at 90% relative humidity, and in the range of 10 −1 to 10 −8 Scm −1 at 40% relative humidity. The mixed conductive graphene oxide sheet according to claim 1. 前記プロトン伝導率及び電子伝導率が共に、相対湿度90%にて10−1〜10−6Scm−1の範囲にあり、相対湿度40%にて10−1〜10−6Scm−1の範囲にある、請求項1に記載の混合伝導性酸化グラフェンシート。 Both the proton conductivity and the electron conductivity are in the range of 10 −1 to 10 −6 Scm −1 at 90% relative humidity and in the range of 10 −1 to 10 −6 Scm −1 at 40% relative humidity. The mixed conductive graphene oxide sheet according to claim 1. 酸化グラフェン分散液をシート状に成膜した後、40〜150℃の還元温度にて酸化グラフェンの一部を熱還元することを特徴とする、請求項1又は2に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの製造方法。   3. The mixed conductive graphene oxide according to claim 1, wherein a part of the graphene oxide is thermally reduced at a reduction temperature of 40 to 150 ° C. after the graphene oxide dispersion is formed into a sheet shape. 4. Sheet manufacturing method. 酸化グラフェン分散液をシート状に成膜した後、100〜500ワットの紫外光を1分〜90分、照射することによって酸化グラフェンの一部を光還元することを特徴とする、請求項1又は3に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの製造方法。   A part of the graphene oxide is photoreduced by irradiating 100 to 500 watts of ultraviolet light for 1 to 90 minutes after the graphene oxide dispersion is formed into a sheet. 4. A method for producing a mixed conductive graphene oxide sheet according to 3. 酸化グラフェン分散液に硫酸イオンを添加した後シート状に成膜するか、又は酸化グラフェンを成膜後に硫酸イオンを添加することを特徴とする請求項4又は5に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの製造方法。   6. The mixed conductive graphene oxide sheet according to claim 4, wherein sulfate ions are added to the graphene oxide dispersion and then formed into a sheet shape, or sulfate ions are added after the graphene oxide is formed. Manufacturing method. 硫酸イオンの添加量は、炭素に対する硫黄の原子比(S/C)として0.05〜0.5の範囲であることを特徴とする請求項6に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの製造方法。   The method for producing a mixed conductive graphene oxide sheet according to claim 6, wherein the addition amount of sulfate ion is in a range of 0.05 to 0.5 as an atomic ratio of sulfur to carbon (S / C). . 請求項1〜3のいずれか1に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートからなる酸化グラフェン水素選択透過膜。   A graphene oxide hydrogen permselective membrane comprising the mixed conductive graphene oxide sheet according to claim 1. 請求項1〜3のいずれか1に記載の混合伝導性酸化グラフェンシートの両面に白金族金属またはその合金を担持したカーボン膜を有することを特徴とする酸化グラフェン水素選択透過膜。   A graphene oxide hydrogen permselective membrane comprising a carbon film carrying a platinum group metal or an alloy thereof on both sides of the mixed conductive graphene oxide sheet according to claim 1.
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