JP2016508953A - 産業用途のための大規模な酸化グラフェンの製造 - Google Patents

Abstract

高品質のグラフェン／グラファイト酸化物を製造する従来の方法は、一般に、グラファイトを剥離してフレークにすること、及び極端な条件下で、グラファイトフレークを強酸化剤で酸化することによって達成され、慎重な精製を必要とする。酸化剤は、通常、高濃度、高温で使用される強酸であり、酸化グラフェン／シートを製造するために、複雑な精製処理を必要とする。従来の方法は最大１２，０００ドル／グラムのコストがかかり得る。本発明は、機械的処理と組み合わせて穏やかな酸化剤を用い、その生産物は、さらなる精製を必要としない、酸化グラファイト／グラフェン及び水のみである。

Description

本発明は、一般にグラフェンの製造分野に関し、より詳細には、産業用途のための、大規模な酸化グラフェンの製造に関するものである。

本発明の範囲を限定することなく、複合材料に関連してその背景を記載する。

Linらに付与された米国特許第８，５８０，１３２号明細書は、帯状グラフェン層を製造するための方法を対象とする。簡潔には、これら発明者らは、基板の表面にグラフェン薄膜を設けるステップと、グラフェン薄膜に配設されたカーボンナノチューブ薄膜複合材料を延伸するステップと、ポリマー材料を部分的に取り除いて複数のカーボンナノチューブセグメントを露出させるステップと、複数のカーボンナノチューブセグメント、及び複数のカーボンナノチューブセグメントによって覆われたグラフェン薄膜をエッチングするステップと、残留ポリマー材料を除去して帯状グラフェン層を得るステップとを含む、帯状グラフェン層を製造するための方法を記載する。

Jangらに付与された米国特許第８，２１６，５４１号明細書は、非酸化グラファイト材料から分散性及び導電性のナノグラフェンプレートレットを製造するための方法を対象とする。簡潔には、これら発明者らは、分散性かつ導電性であるナノグラフェンプレートレット（ＮＧＰ，nano-graphene platelet）を製造するための方法を教示するとされる。その方法は、（ａ）グラファイト材料から純粋なＮＧＰ材料を調製するステップと、（ｂ）純粋なＮＧＰ材料に酸化処理を施して、酸素含有量が２５重量％以下である分散性ＮＧＰ材料を得るステップとを含むとされる。導電性ＮＧＰは、太陽電池又はフラットパネルディスプレイ用の透明電極、バッテリ及びスーパーキャパシタ電極用の添加物、電磁波干渉（ＥＭＩ）遮蔽及び静電荷散逸用の導電性ナノ複合材料に適用されるといわれている。

Jiangらによって出願された米国特許出願公開第２０１２０２９８６２０号明細書は、グラフェン複合構造体を製造するための方法を対象とする。簡潔には、その方法は、第１の表面及び第１の表面と反対側の第２の表面を備える金属基板を用意するステップと、ＣＶＤ法によって、金属基板の第１の表面にグラフェン薄膜を成長させるステップと、そのグラフェン薄膜にポリマー層を設け、ポリマー層をグラフェン薄膜と結合させるステップと、第２の表面から金属基板をエッチングすることによって、複数の剥き出しの電極を形成するステップとを含むとされる。

最後に、Chengらによって出願された米国特許出願公開第２０１２０２２８５５５号明細書は、グラフェンを製造する方法を対象とする。簡潔には、その出願は出発材料を用意し、グラフェンを生成するのに有効な時間及び温度、出発材料を加熱することによって、グラフェンを製造するための方法を開示するとされる。ある実施形態では、出願人らは、硫黄と組み合わせて使用される、又は硫黄を含み、実質的に遷移金属を含まない炭素質材料を含む出発材料を使用するとされる。現在の方法によって製造されるグラフェンは、グラフェン被覆可能な材料を被覆するのに用いられるとされる。

米国特許第８，５８０，１３２号明細書 米国特許第８，２１６，５４１号明細書 米国特許出願公開第２０１２０２９８６２０号明細書 米国特許出願公開第２０１２０２２８５５５号明細書

一実施形態において、本発明は、酸化電位が２Ｖ未満である、水を含む酸化剤へグラファイトを入れるステップと、グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップと、実質的に平坦であるグラフェンフレークを水から分離するステップとを含む、グラフェン酸化物を製造する方法を含む。一態様において、グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップを、媒体撹拌ミル中（stirred media mill）で行う。他の態様において、グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップを、媒体撹拌ミル中で行い、該媒体撹拌ミルはアトリションミル、乾式粉砕アトライタ（dry grind Attritor）、湿式粉砕アトライタ（wet grind Attritor）、定常速度アトライタ（regular speed Attritor）、及び高速アトライタ（high speed Attritor）又はアトライタ（Attritor）である。他の態様において、その方法は、実質的に平坦なグラフェンフレーク及び水に実質的に限定される製造物を製造する。他の態様において、酸化剤は、酸化電位が２Ｖ未満である濃度での、ＣＯ_２、Ｏ_２、水蒸気、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｏ_３、ＣｌＯ_２、又はＨ_２Ｏ_２の少なくとも１種から選択される。他の態様において、酸化剤は水性又は非水性である。他の態様において、酸化グラフェンフレークを含む水のｐＨは、ｐＨ２〜ｐＨ９である。他の態様において、得られる水／グラフェンフレーク混合物のｐＨは約７である。他の態様において、グラフェンフレークは１％〜１５％酸化される。他の態様において、その方法は、混合物のｐＨをｐＨ９より上に高く、又はｐＨ３より下に低くすることによって、いずれかの残留グラファイトを沈殿させるステップをさらに含む。

本発明のさらに他の実施形態は、酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤濃度での、水を含む酸化剤へグラファイトを入れるステップと、グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップと、実質的に平坦であるグラフェンフレークを水から分離するステップとを含む、グラフェンフレークを製造する方法を含む。一態様において、グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップを、媒体撹拌ミル中で行う。他の態様において、グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップを、媒体撹拌ミル中で行い、該媒体撹拌ミルはアトリションミル、乾式粉砕アトライタ、湿式粉砕アトライタ、定常速度アトライタ、及び高速アトライタ又はアトライタである。他の態様において、その方法は、実質的に平坦なグラフェンフレーク及び水に実質的に限定される製造物を製造する。他の態様において、酸化剤は、酸化電位が２Ｖ未満である濃度での、ＣＯ_２、Ｏ_２、水蒸気、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｏ_３、ＣｌＯ_２、又はＨ_２Ｏ_２の少なくとも１種から選択される。他の態様において、酸化剤は水性又は非水性である。他の態様において、酸化グラフェンフレークを含む水のｐＨは、ｐＨ２〜ｐＨ９である。他の態様において、得られる水／グラフェンフレーク混合物のｐＨは約７である。他の態様において、グラフェンフレークは１％〜１５％酸化される。他の態様において、その方法は、混合物のｐＨをｐＨ９より上に高く、又はｐＨ３より下に低くすることによって、いずれかの残留グラファイトを沈殿させるステップをさらに含む。

本発明のさらに他の実施形態は、酸化電位が２Ｖ未満である、水を含む酸化剤へグラファイトを入れるステップと、グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップと、実質的に平坦であるグラフェンフレークを水から分離するステップとを含む方法によって製造される、グラフェン酸化物を含む。

本発明のさらに他の実施形態は、酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤濃度での、水を含む酸化剤へグラファイトを入れるステップと、グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップと、実質的に平坦であるグラフェンフレークを水から分離するステップとを含む方法によって製造される、グラフェンフレークを含む。

本発明の様々な実施形態の製造及び使用が以下に詳細に説明されているが、本発明は、多様な特定の状況において実施され得る、多くの適用可能な発明概念を提供するものであると認識されたい。本明細書で説明される特定の実施形態は、本発明を製造し、使用するための特定の方法の例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明の理解を容易にするために、以下にいくつかの用語が定義されている。本明細書で定義される用語は、本発明に関連する分野の技術者によって通常理解される意味を有する。「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」などの用語は、単数の実在物だけを指すものではなく、例示のために特定の例を用いることができる、全般的な類を含む。本明細書の専門用語は、本発明の特定の実施形態を記載するのに使用されているが、特許請求の範囲に記載されたものを除き、それら専門用語の使用により本発明が限定されるものではない。

グラフェンは、これまで試された最も強い材料の１つである。測定により、グラフェンが、鋼よりも２００倍大きい破断強度、及び引張弾性率（剛性）１ＴＰａ（１５０，０００，０００ｐｓｉ）を有することが示されている。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ，atomic Force Microscope）を用いて、懸濁させたグラフェンシートの機械的性質を測定した。ファンデルワールス力によって共に保持されたグラフェンシートを、ＳｉＯ_２空隙に懸濁させ、そこでＡＦＭチップが探針で探ってその機械的性質を試験した。そのバネ定数は１〜５Ｎ／ｍの範囲であり、ヤング率は０．５ＴＰａ（５００ＧＰａ）であり、したがって、グラフェンは機械的に非常に強く、剛性であり得ることを示した。これらナノスケールの機械的性質にも関わらず、グラフェンを巨視的スケールの機械構造へ移行することができなかった。様々な研究所が、プラスチック／ポリマー／エポキシにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ，carbon nanotube）、グラフェンフレーク（ＧＦ，graphene flake）、及びグラフェン酸化物（ＧＯ，graphene oxide）を充填し、被充填プラスチック／ポリマー／エポキシにおいて引張強度が２００％まで増大することを示した。被充填プラスチック／ポリマー／エポキシを製造する方法により、結果として商業的に実行可能な複合構造体にならない。

その技術により、実行可能な複合構造体が得られないのには、技術的問題及びコスト要因の組み合わせがある。技術的な限界には、プラスチック／ポリマー／エポキシが硬化するときの確率過程が含まれ、それによって、不規則な収縮現象がもたらされ、それはより大きな複合構造体／複合デバイスにおいて悪化する。充填する機械構造材料（ＣＮＴ、ＧＦ、及びＧＯ）の分布は不均一であり、被充填プラスチック／ポリマー／エポキシ材料に弱い領域及び破損個所を生じる。ポリマーに比べて優れたグラフェンの性質もまた、ポリマー／グラフェンナノ複合材料に反映される。ポリマー／グラフェンナノ複合材料は、ポリマーそれ自体に比べて、優れた、機械的性質、熱的性質、ガスバリア特性、電気的性質、及び難燃性特性を示す。ナノ複合材料の物理化学的性質の改良は、ポリマーマトリックスにおけるグラフェン層の分布、並びにグラフェン層とポリマーマトリックスの間の界面結合によって左右される。ＣＮＴ、ＧＦ、及びＧＯ材料の、少ない製造量及び高いコストが組み合わさり、その方法が実行不可能なものになる。グラフェンとホストポリマーの間の界面結合により、グラフェン強化ポリマーナノ複合材料の最終的な性質が定められる。

グラフェンは、炭素の同素体である。グラフェンの構造は、蜂の巣又は六方結晶格子に密に充填された、ｓｐ^２結合炭素原子の１原子厚の平面シートである。グラフェンの炭素−炭素結合距離は、約１．４２Åである。グラフェンシートを積み重ねて、格子面間隔３．３５Åであるグラファイトを形成する。複数のグラフェンシート／フレークは、ファンデルワールス力によって共に結合される。

グラフェンを、熱的処理、化学的処理、又は化学機械的処理などのいくつかの処理によって、酸化することができる。ヒドラジンによってグラファイト酸化物単層薄膜を還元し、アルゴン／水素中でアニールすると、低品質のグラフェン薄膜がもたらされると報告された。微結晶グラファイトを、機械的及び／又は熱的エネルギーの要素と組み合わせて、硫酸、硝酸、及び他の酸化化学品などの混合物で処理すると、微結晶グラファイトから大量のグラフェンを製造することができる。この処理は、特定の処理環境に応じて、数ナノメートル〜数十ミクロンの範囲のグラフェンフレークを製造することになる。酸化剤と共にミルを使用する場合、ミルでの滞留時間によって、グラフェンフレークのサイズが決定されることになる。一般に、ミルでの処理時間が長くなるほど、グラフェンフレークはより小さくなる。酸化処理によって、グラフェンフレークの周辺にカルボキシル基が生じる。得られるグラフェンフレークは、厚みが５Å程度で、誘電率が３２より大きいいくつかの溶媒に懸濁させることができる。これらの溶媒には、限定されないが、Ｎ−メチルピロリドン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、プロピレンカーボネート、水、及びホルムアミドが挙げられる。

硫酸及び硝酸などの強酸化剤を使うと、個々のシート／フレークに凹凸及び折り目があり、かつカルボキシル基の官能性が欠如したグラフェン酸化物がもたらされる。この合成技術の生産物は、グラファイト／グラフェン酸化物である。生産物から、強酸化剤反応物を分離することは、時間及び費用のかかる処理である。強酸化剤なしの、グラフェン／グラファイト酸化物では、酸素含有量が１〜５０重量％の範囲である。グラファイト／グラフェン酸化物は、エポキシ架橋とヒドロキシル基（−ＣＯＯＨ）の両方として、層に結合した酸素を含む。酸化グラフェン／グラファイトは親水性である。分析により、グラフェン粒子／フレークが、そのエッジに沿って−ＣＯＯＨ基で完全に酸化されることが示される。

グラフェン酸化物の製造には、機械エネルギー（粉砕）と共に、酸化剤の使用が必要とされる。機械的処理は、エネルギー効率が良いものであり得、熱的処理の間に生じ得る、化学官能基の分解を防ぐ。酸化剤は、水性又は非水性のグラフェン／グラファイトのいずれかであってもよい。公表文献では、非溶媒系非水性化学反応で、過酸化水素の固体源として用いるための尿素過酸化水素付加物（ＵＨＰＡ，urea hydrogen peroxide adduct）が明らかにされた。ＵＨＰＡは、Ｈ_２Ｏ_２用の無水固体運搬系のベースを提供する。

酸化グラフェンは、必要な機械エネルギーを生み出す、非常に多くの機械的粉砕機器で製造することができる。使用されている現在のデバイスは、アトリションミル又はアトライタである。アトライタは、ボール、シリンダ、又は小石などの内蔵撹拌媒体を含んだ粉砕ミルである。それは、一般に「撹拌ボールミル」と称されてきた。アトライタの種類はかなり多く、乾式粉砕アトライタ、湿式粉砕アトライタ、定常速度アトライタ、及び高速アトライタとして分類することができる。

粉砕運動量を表す、有用かつ単純な式は、Ｍ×Ｖ（質量×速度）であり、これにより、アトライタがミルの系列にどのように適合するか決めることができる。例えば、ボールミルは、通常１／２”以上の大きい媒体を用い、低い（１０〜５０）ｒｐｍで動作する。他のミルは、砂、ビーズ、及び棒などの、０．３ｍｍ〜２ｍｍのより小さい媒体を用いるが、非常に速いｒｐｍ（ほぼ、８００〜１２００）で動作する。媒体を含まない高速分散機は、さらにより速いｒｐｍ（１２００〜１８００）で動作する。

アトライタの最も重要な側面は、入力電力が、粉砕を実行するための媒体の撹拌に直接使われ、媒体に加えて、大きく重いタンクを回転又は振動させるのには、一般に使われないことである。

本発明者らは、効率的に細かく粉砕するには、衝撃作用及びせん断力が必要であることを見出した。アトライタの湿式粉砕が、不規則に動くボール（媒体）として、異なる回転で回っている場合、それによって、隣接するスラリーにせん断力が加えられる。結果として、液体せん断力と媒体衝撃力の両方が存在する。こうしてせん断及び衝撃が組み合わさり、その結果、サイズが小さくなり、分散がよくなる。

本発明は、酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤と組み合わせて機械的処理（アトライタミル）を使用した、部分的な酸化から完全に酸化されたグラファイト／グラフェン材料の低コストかつ大量生産の方法を含み、その方法は、酸化グラファイト／グラフェン及び水をその唯一の生産物又は製造物として製造し、懸濁液、濃縮、又は乾燥粉末を生成するために、精製のための追加の後処理を必要としない。酸化電位が２Ｖ未満である水性酸化剤中で、濃酸、剥離、又は濾過／精製処理を必要とせずに、グラファイト粉末を直接粉砕して、高品質の酸化グラフェン／グラファイトを製造することが示された。酸化電位が２Ｖ未満である、水性又は非水性酸化剤の使用は、歪みも凹凸もない酸化グラフェンをもたらす。この技術的進歩に先立って、酸化電位が２Ｖを超える、マンガン酸又は硝酸などの強酸化剤の使用は、高価でひどく凹凸のある酸化グラファイト／グラファイトをもたらした。グラフェン酸化物を堆積するとき、グラフェン酸化物を懸濁液で用いるとき、又はグラフェン酸化物を他の水性又は非水性媒体のいずれかへの添加剤として用いるとき、凹凸のあるグラフェン酸化物は重大な問題を引き起こす。

より大きな規模の粉砕実験を、それぞれ重量１ｇ、直径０．２５”であるステンレス鋼球６ポンド（２．７Ｋｇ）（又は、ステンレス鋼球約２，６００個）を用いて、アトライタで実施した。代表的には、グラファイト（ＴＣ３０６、３０ｇ）を、例えば、３５％過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）（９６ｍｌ若しくは１０７ｇ）、又はオゾンＯ_３を含む水性若しくは非水性媒体などの、酸化電位が２Ｖ未満である水性又は非水性酸化剤と共に粉砕した。粉砕は、１２０分間、３５０ｒｐｍで実施された。アトライタによって与えられる機械的撹拌によって、グラファイトの凝集、又はグラファイトが酸化処理の間に粉砕ボール又はタンクへ付着するのを、十分に防ぐことができる。タンクが揺れ動くミル（シェーカーミル、遊星ミル（planetary mill）、又はペブルミル（pebble mill）など）は、一般に高い固体含有量の液体／固体混合物を有効に撹拌しない。これらのミルでは、グラファイトの凝集も、グラファイトが粉砕ボール又はタンクへ付着するのも、防ぐことができない。粉砕ボールが、グラファイト／酸化剤混合物に同伴されると、処理を止め、機械システムを清掃しなくてはならない。酸化グラファイト／グラフェン及び水のスラリーを製造するのに、追加の、冷却も、処理も、精製も必要としない。酸化グラファイト／グラフェンを含む水のｐＨは、２〜９の範囲であることができ、媒体の懸濁液を維持すると共に、得られる水／グラフェン混合物のｐＨは、通常７である。得られるグラファイト／グラフェンは、処理で使用される、酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤の量に応じて、１％〜１５％酸化される。酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤の最適な量は、グラファイト対酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤のモル当量が４対１であり、グラファイトの１５％を酸化する。酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤をより大きな分量で用いることができるが、酸化割合は増えない。酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤をより低いモル当量で用いることができ、より低い酸化割合のグラファイトをもたらし、グラファイト対酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤のモル当量が１０対１又は１５対１であれば、グラファイトの酸化割合は、８％〜５％の範囲になるであろう。さらに、酸化割合が５％未満であるグラフェンは、極性溶媒に分散することができず、及び／又は析出する可能性がある。

エッジ炭素の化学反応（−ＣＯＯＨ）によって、グラフェン構造が維持されることになる。この方法によって製造される酸化グラファイトは、非常に親水性であり、水性溶液に容易に懸濁する。その溶液のｐＨが変化するまで、酸化グラファイトを溶液中に保持することができる。溶液のｐＨを９超に高める、又は３未満にする場合、酸化グラファイト懸濁液は、溶液から沈殿することになる。酸性沈殿プロセスは可逆性であり、ｐＨが３超になると、酸化グラファイトは懸濁液へ戻ることになる。ｐＨが高くなるにつれて、より小さな酸化グラファイトフレークが、まず懸濁液へ戻る。この現象を、酸化グラファイトフレークの精製とサイズによるフレークの分離との両方の方法として用いることができる。塩基性沈殿物は、ｐＨがｐＨ７へ低下しても、懸濁液には戻らない。

得られる懸濁液は、懸濁液を沈殿させる低いｐＨを有し、乾燥した。次に、沈殿物を脱イオン（ＤＩ，deionized）水で洗浄することができる。ＤＩ水はまた、材料のｐＨを高め、酸化グラファイト／グラフェンを再懸濁させる。懸濁させた酸化グラファイト／グラフェンは、ｐＨが３から９の間である限り、大抵の溶液に容易に入れることができる。得られる懸濁液は、電解還元、スピン、スプレー熱分解、浸漬、ラングミュアーブロジェット、又は他の被覆方法を含む、いくつもの方法によって付着させることができ、さらに、プラスチック、エポキシ、金属、セラミックス、及び塗料などの被充填材料用の添加物として用いることができる。グラファイト／グラフェンの酸化は、水性懸濁液及び酸性系沈殿、次いで再懸濁によって有効なものとなった。次に、凹凸のない、精製されたグラファイト／グラフェン酸化物を表面に置き、その電気的性質、光学的性質、及び機械的性質を評価した。これは、先行の開発に対して１００倍の改良であり、グラフェンを産業用途に対して実行可能なものにすることができる、商業的に利用可能な酸化グラファイト／グラフェン技術に対して１００，０００倍を超える改良である。得られる酸化グラフェン／グラファイトは、現在の方法よりも著しく低いコストで、５から２５％の間の酸化割合を有する。

本明細書で説明されるいずれかの実施形態を、本発明のいずれかの方法、用具一式、試薬、又は組成物に対して実施することができ、その逆も同様であると意図される。さらに、本発明の組成物を用いて、本発明の方法を達成することができる。

本発明に記載の特定の実施形態は、例証によって示されており、本発明を制限するものではないことが理解されるであろう。本発明の主要な特性を、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な実施形態において用いることができる。当業者は、本明細書に記載の特定の手順に対する多数の均等物を、単なる日常の実験を用いて認識し、又は把握することができるであろう。こうした均等物は、本発明の範囲内にあるものと考えられ、特許請求の範囲に含まれる。

本明細書に記載の全ての公表資料及び特許出願は、本発明が関係する当業者の技術レベルを示すものである。全ての公表資料及び特許出願は、それぞれ個々の公表資料又は特許出願が、参照によって組み込まれていることが明確にかつ個別に示されるのと同程度に、参照によって本明細書に組み込まれている。

特許請求の範囲及び／又は本明細書において、用語「含む（comprising）」と共に使用されるとき、単語「１つの（a）」又は「１つの（an）」の使用は、「１つ」を意味することができるが、それは「１又は２以上」、「少なくとも１つ」、及び「１又は１を超える」の意味にも一致する。特許請求の範囲での用語「又は」の使用は、選択肢のみ、又は選択肢が相互排他的であることを指すことを明確に示さない限り、「及び／又は」を意味するのに使用される。但し、本開示は選択肢のみ及び「及び／又は」を指すという定義を支持する。本出願全体にわたって、用語「約」は、値が、その値を決定するのに用いられる、デバイス、方法に固有の誤差のばらつき、又は研究対象に存在する変化分を含むことを示すのに用いられる。

本明細書及び特許請求の範囲で用いられるように、単語「含む（comprising）」（並びに、「comprise」及び「comprises」などのcomprisingのいずれかの形）、「有する（having）」（並びに、「have」及び「has」などのhavingのいずれかの形）、「含む（including）」（並びに、「includes」及び「include」などのincludingのいずれかの形）、又は「含有する（containing）」（並びに、「contains」及び「contain」などのcontainingのいずれかの形）は、包括的又は開放的であり、追加の、記載されていない要素又は方法ステップを排除するものではない。本明細書で提供される、組成物及び方法のいずれかの実施形態において、「含む（comprising）」は、「から本質的になる（consisting essentially of）」又は「からなる（consisting of）」で置き換えることができる。本明細書で用いられるように、句「から本質的になる（consisting essentially of）」は、特定の不可欠なもの（複数可）又はステップ、並びに請求項に係る発明の特徴又は機能に著しく影響を及ぼさないものを要求する。本明細書で用いられるように、用語「からなる（consisting）」は、列挙された不可欠なもの（例えば、特性、要素、特徴、性質、方法／プロセス、ステップ、又は制限）又は不可欠なものの群（例えば、各特性、各要素、各特徴、各性質、各方法／各プロセス、各ステップ、又は各制限）の存在だけを示すのに用いられる。

本明細書で用いられる用語「又はその組み合わせ」は、その用語に先立って列挙された項目の全ての順列及び組み合わせを指す。例えば、「Ａ、Ｂ、Ｃ又はそれらの組み合わせ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、又はＡＢＣ、及び特定の文脈で順序が重要である場合は、やはりＢＡ、ＣＡ、ＣＢ、ＣＢＡ、ＢＣＡ、ＡＣＢ、ＢＡＣ、又はＣＡＢの少なくとも１つを含むことが意図される。この例を続けると、明らかに含まれるものは、例えば、ＢＢ、ＡＡＡ、ＡＢ、ＢＢＣ、ＡＡＡＢＣＣＣＣ、ＣＢＢＡＡＡ、ＣＡＢＡＢＢなどの１又は２以上の項目又は用語の繰り返しを含む組み合わせである。当業者は、文脈から明らかでない限り、一般に、いかなる組み合わせの、項目及び用語の数に制限がないことを理解するであろう。

本明細書で用いられるように、これに限定されないが、「約」、「実質的な」、又は「実質的に」などの近似を示す用語は、そのような語で修飾された場合に、必ずしも絶対でも完全でもないと理解される条件であるが、その条件が存在すると指定することを当業者が正当化するのに十分近いと考えられる条件を指す。記載が変化する可能性のある範囲は、変化がどのくらい大きく設けられ得るかに左右され、その変化した特性が、変化前の特性に必要な特徴及び能力を依然としてもつことを当業者になおも認めさせる。概して、前述の記述を受けるが、本明細書で「約」などの近似の単語で修飾される数値は、記載された値から、少なくとも±１、２、３、４、５、６、７、１０、１２、又は１５％変化することができる。

本明細書に開示され、特許請求の範囲に記載される、組成物及び／又は方法の全ては、本開示を鑑みて、必要以上の実験を行わずに製造及び実施することができる。本発明の組成物及び方法は、好ましい実施形態に関して記載されてきたが、本発明の概念、精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の、組成物及び／又は方法、並びに方法の、ステップ又は一連のステップに変化を加えられることは、当業者に明らかであろう。当業者に明らかである、全てのこのような同様の代替及び変形は、添付の特許請求の範囲によって規定された、本発明の精神、範囲、及び概念内にあるものと考えられる。

Claims (22)

1. 酸化電位が２Ｖ未満である、水を含む酸化剤へグラファイトを入れるステップと、
   グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップと、
   実質的に平坦である前記グラフェンフレークを水から分離するステップと
   を含む、グラフェン酸化物を製造する方法。
2. グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップを、媒体撹拌ミル中で行う、請求項１に記載の方法。
3. グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップを、媒体撹拌ミル中で行い、前記媒体撹拌ミルがアトリションミル、乾式粉砕アトライタ、湿式粉砕アトライタ、定常速度アトライタ、及び高速アトライタ又はアトライタである、請求項１に記載の方法。
4. 実質的に平坦なグラフェンフレーク及び水に実質的に限定される製造物を製造する、請求項１に記載の方法。
5. 酸化剤が、酸化電位が２Ｖ未満である濃度での、ＣＯ_２、Ｏ_２、水蒸気、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｏ_３、ＣｌＯ_２、又はＨ_２Ｏ_２の少なくとも１種から選択される、請求項１に記載の方法。
6. 酸化剤が水性又は非水性である、請求項１に記載の方法。
7. 酸化グラフェンフレークを含む水のｐＨが、ｐＨ２〜ｐＨ９である、請求項１に記載の方法。
8. 得られる水／グラフェンフレーク混合物のｐＨが約７である、請求項１に記載の方法。
9. グラフェンフレークが１％〜１５％酸化される、請求項１に記載の方法。
10. 混合物のｐＨをｐＨ９超に高める、又はｐＨ３未満にすることによって、いずれかの残留グラファイトを沈殿させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 酸化電位が２Ｖ未満である酸化剤濃度での、水を含む酸化剤へグラファイトを入れるステップと、
    グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップと、
    実質的に平坦である前記グラフェンフレークを水から分離するステップと
    を含む、グラフェンフレークを製造する方法。
12. グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップを、媒体撹拌ミル中で行う、請求項１１に記載の方法。
13. グラファイトを機械的に剥離してグラフェンフレークにするステップを、媒体撹拌ミル中で行い、前記媒体撹拌ミルがアトリションミル、乾式粉砕アトライタ、湿式粉砕アトライタ、定常速度アトライタ、及び高速アトライタ又はアトライタである、請求項１１に記載の方法。
14. 実質的に平坦なグラフェンフレーク及び水に実質的に限定される製造物を製造する、請求項１１に記載の方法。
15. 酸化剤が、酸化電位が２Ｖ未満である濃度での、ＣＯ_２、Ｏ_２、水蒸気、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｏ_３、ＣｌＯ_２、又はＨ_２Ｏ_２の少なくとも１種から選択される、請求項１１に記載の方法。
16. 酸化剤が水性又は非水性である、請求項１１に記載の方法。
17. 酸化グラフェンフレークを含む水のｐＨが、ｐＨ２〜ｐＨ９である、請求項１１に記載の方法。
18. 得られる水／グラフェンフレーク混合物のｐＨが約７である、請求項１１に記載の方法。
19. グラフェンフレークが１％〜１５％酸化される、請求項１１に記載の方法。
20. 混合物のｐＨをｐＨ９超に高める、又はｐＨ３未満にすることによって、いずれかの残留グラファイトを沈殿させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
21. 請求項１に記載の方法によって製造されるグラフェン酸化物。
22. 請求項１１に記載の方法によって製造されるグラフェンフレーク。