JP2018524249A - 多孔性グラフェン材料の分散液およびその用途 - Google Patents
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Abstract
グラフェンをベースとする材料を形成する方法は、（１）エッチング液および酸化グラフェンシートを含む混合物を処理するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートの形成をもたらすステップ、（２）再分散用溶媒中で、多孔性酸化グラフェンシートを分散するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートを含む多孔性酸化グラフェン分散液を得るステップ、および（３）多孔性酸化グラフェン分散液を還元条件下で処理するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートの、グラフェンをベースとする材料への自己集合をもたらすステップを含む。
Description
（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１５年５月２６日に出願された米国仮出願番号第６２／１６６，６２１号の利益、および２０１５年６月５日に出願された米国仮出願番号第６２／１７１，７３７号の利益を主張しており、これら仮出願の内容は、それらの全体が参考として本明細書中に援用される。
本出願は、２０１５年５月２６日に出願された米国仮出願番号第６２／１６６，６２１号の利益、および２０１５年６月５日に出願された米国仮出願番号第６２／１７１，７３７号の利益を主張しており、これら仮出願の内容は、それらの全体が参考として本明細書中に援用される。
（技術分野）
本開示は、一般に、多孔性グラフェン材料、より詳細には多孔性グラフェン材料の分散液およびこのような分散液の用途に関する。
本開示は、一般に、多孔性グラフェン材料、より詳細には多孔性グラフェン材料の分散液およびこのような分散液の用途に関する。
（背景）
グラフェンは、その複数の注目すべき物理的特性および化学的特性により、幅広い技術分野を革新することが予想されてきた。しかし、基底面にπ共役の広がりを有する未加工（ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ）グラフェンまたは化学的に変換されているグラフェンシートは、π−πスタッキング相互作用およびファンデルワールス力によって、互いに再スタックし易く、不可逆的な凝集体を形成し、その結果、比表面積の著しい減少および質量拡散速度の有意な低下を含めた、その特性のかなりの悪化が生じる。さらに、グラフェンシートの再スタッキングは、代表的には、グラファイト様粉末をもたらし、このことは、最終製品を作製するために、さらなる処理手順または不活性（ｐａｓｓｉｖｅ）添加物（例えば、電気化学的用途ではバインダ）の含有を必要とし、これは、総合的な性能をさらに悪化させる恐れがある。個々のグラフェンシートが十分に維持されている特性を有する独立したモノリシックグラフェン材料が非常に望ましいが、グラフェンの多数の用途、とりわけ電気化学的エネルギー貯蔵および変換デバイスにとって大きな難題である。多数の提案されている用途のグラフェンの珍しい特質を有効に活用するためには、少なくとも２つの大きな必要条件がある。１つは、大量の溶液処理可能なグラフェンおよびその化学的誘導体が利用可能なことである。もう１つは、グラフェンシートがバルク材料へと処理される際に、再スタッキングにより誘導される特性悪化を低減することである。
グラフェンは、その複数の注目すべき物理的特性および化学的特性により、幅広い技術分野を革新することが予想されてきた。しかし、基底面にπ共役の広がりを有する未加工（ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ）グラフェンまたは化学的に変換されているグラフェンシートは、π−πスタッキング相互作用およびファンデルワールス力によって、互いに再スタックし易く、不可逆的な凝集体を形成し、その結果、比表面積の著しい減少および質量拡散速度の有意な低下を含めた、その特性のかなりの悪化が生じる。さらに、グラフェンシートの再スタッキングは、代表的には、グラファイト様粉末をもたらし、このことは、最終製品を作製するために、さらなる処理手順または不活性（ｐａｓｓｉｖｅ）添加物（例えば、電気化学的用途ではバインダ）の含有を必要とし、これは、総合的な性能をさらに悪化させる恐れがある。個々のグラフェンシートが十分に維持されている特性を有する独立したモノリシックグラフェン材料が非常に望ましいが、グラフェンの多数の用途、とりわけ電気化学的エネルギー貯蔵および変換デバイスにとって大きな難題である。多数の提案されている用途のグラフェンの珍しい特質を有効に活用するためには、少なくとも２つの大きな必要条件がある。１つは、大量の溶液処理可能なグラフェンおよびその化学的誘導体が利用可能なことである。もう１つは、グラフェンシートがバルク材料へと処理される際に、再スタッキングにより誘導される特性悪化を低減することである。
この背景に対して、本明細書に記載されている実施形態を開発する必要性が生じている。
（要旨）
高い比表面積および設計された細孔度を有する、溶液処理可能なグラフェンおよびそのバルク材料の大規模化可能な調製が多くの実用的用途で所望されている。本明細書において、本開示の一部の実施形態は、都合のよい温和な欠陥エッチング反応により、豊富な面内ナノ細孔を有する多孔性酸化グラフェンの分散液（例えば、水性分散液）を生成するための大規模化可能な手法を対象としており、多孔性酸化グラフェンは、三次元階層細孔度を有する多孔性グラフェンヒドロゲル、および密集しているが多孔質積層構造を有する多孔性グラフェン紙を含めた、マクロ構造の組立体のための、多様なビルディングブロックとして機能することができることを実証する。これらの多孔性グラフェンのマクロ構造は、非多孔性の対応物と比較して、比表面積およびイオン拡散速度が顕著に改善されていることを示し、約２８３Ｆ／ｇ（またはそれ超）および約２３４Ｆ／ｃｍ３（またはそれ超）の極めて高い比静電容量（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）、優れた速度能、および優れたサイクル安定性を有する、バインダを含まないスーパーキャパシタ電極として直接使用することができる。より一般には、約１Ａ／ｇの電流密度（または、約１０Ａ／ｇもしくは約２０Ａ／ｇ、または別のより高いもしくはより低い電流密度）における重量比静電容量（ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）は、少なくとも約１６０Ｆ／ｇ、少なくとも約１８０Ｆ／ｇ、少なくとも約２００Ｆ／ｇ、少なくとも約２２０Ｆ／ｇ、少なくとも約２４０Ｆ／ｇ、少なくとも約２５０Ｆ／ｇ、少なくとも約２６０Ｆ／ｇまたは少なくとも約２８０Ｆ／ｇ、および最大約３２０Ｆ／ｇ、最大約３６０Ｆ／ｇ、最大約４００Ｆ／ｇ、最大約４４０Ｆ／ｇまたはそれ超とすることができ、約１Ａ／ｇの電流密度（または、約１０Ａ／ｇもしくは約２０Ａ／ｇまたは別のより高いもしくはより低い電流密度）における体積静電容量（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）は、少なくとも約１４０Ｆ／ｃｍ３、少なくとも約１６０Ｆ／ｃｍ３、少なくとも約１８０Ｆ／ｃｍ３、少なくとも約２００Ｆ／ｃｍ３または少なくとも約２１０Ｆ／ｃｍ３、および最大約２４０Ｆ／ｃｍ３、最大約２８０Ｆ／ｃｍ３、最大約３２０Ｆ／ｃｍ３、最大約３６０Ｆ／ｃｍ３またはそれ超であり得る。本開示の実施形態は、溶液処理可能な多孔性グラフェン材料への大規模化可能な経路を提供し、多様な技術分野において、グラフェンの用途に大きく影響を及ぼす。
高い比表面積および設計された細孔度を有する、溶液処理可能なグラフェンおよびそのバルク材料の大規模化可能な調製が多くの実用的用途で所望されている。本明細書において、本開示の一部の実施形態は、都合のよい温和な欠陥エッチング反応により、豊富な面内ナノ細孔を有する多孔性酸化グラフェンの分散液（例えば、水性分散液）を生成するための大規模化可能な手法を対象としており、多孔性酸化グラフェンは、三次元階層細孔度を有する多孔性グラフェンヒドロゲル、および密集しているが多孔質積層構造を有する多孔性グラフェン紙を含めた、マクロ構造の組立体のための、多様なビルディングブロックとして機能することができることを実証する。これらの多孔性グラフェンのマクロ構造は、非多孔性の対応物と比較して、比表面積およびイオン拡散速度が顕著に改善されていることを示し、約２８３Ｆ／ｇ（またはそれ超）および約２３４Ｆ／ｃｍ３（またはそれ超）の極めて高い比静電容量（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）、優れた速度能、および優れたサイクル安定性を有する、バインダを含まないスーパーキャパシタ電極として直接使用することができる。より一般には、約１Ａ／ｇの電流密度（または、約１０Ａ／ｇもしくは約２０Ａ／ｇ、または別のより高いもしくはより低い電流密度）における重量比静電容量（ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）は、少なくとも約１６０Ｆ／ｇ、少なくとも約１８０Ｆ／ｇ、少なくとも約２００Ｆ／ｇ、少なくとも約２２０Ｆ／ｇ、少なくとも約２４０Ｆ／ｇ、少なくとも約２５０Ｆ／ｇ、少なくとも約２６０Ｆ／ｇまたは少なくとも約２８０Ｆ／ｇ、および最大約３２０Ｆ／ｇ、最大約３６０Ｆ／ｇ、最大約４００Ｆ／ｇ、最大約４４０Ｆ／ｇまたはそれ超とすることができ、約１Ａ／ｇの電流密度（または、約１０Ａ／ｇもしくは約２０Ａ／ｇまたは別のより高いもしくはより低い電流密度）における体積静電容量（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）は、少なくとも約１４０Ｆ／ｃｍ３、少なくとも約１６０Ｆ／ｃｍ３、少なくとも約１８０Ｆ／ｃｍ３、少なくとも約２００Ｆ／ｃｍ３または少なくとも約２１０Ｆ／ｃｍ３、および最大約２４０Ｆ／ｃｍ３、最大約２８０Ｆ／ｃｍ３、最大約３２０Ｆ／ｃｍ３、最大約３６０Ｆ／ｃｍ３またはそれ超であり得る。本開示の実施形態は、溶液処理可能な多孔性グラフェン材料への大規模化可能な経路を提供し、多様な技術分野において、グラフェンの用途に大きく影響を及ぼす。
本開示の他の態様および実施形態も企図される。上述の要旨および以下の詳細説明は、いかなる特定の実施形態に対しても本開示を制限することを意図するものではなく、単に、本開示の一部の実施形態を記載することを意図するにすぎない。
本開示の一部の実施形態の性質および目的のより良い理解のために、添付の図面と組み合わせて、以下の詳細な説明を参照すべきである。
（詳細な説明）
グラフェンは、その固有の高い導電率、優れた機械的可撓性、約２６３０ｍ２／ｇの例外的に大きな理論的表面積、および約５５０Ｆ／ｇの理論的重量比静電容量のために、スーパーキャパシタ電極材料（他の用途の中でも特に）として望ましい。しかし、グラフェンシート間に強いπ−π相互作用があるので、グラフェンシートは、再スタックしてグラファイト様粉末またはフィルムを形成する傾向があり、このために、表面積がかなり減少してイオン拡散速度が低下し、その結果、重量比静電容量が不十分となって（代表的には、有機電解質中では、＜１８０Ｆ／ｇ）、充電／放電速度が相対的に低くなる恐れがある。重量比静電容量に加えて、スーパーキャパシタ用の電極材料を評価するための、別の性能指数は、体積静電容量である。大部分の電極設計では、代表的には、重量比静電容量と体積静電容量との間に両立しない関係性がある。例えば、より高い多孔質の電極は、大きな比表面積をもたらすことができ、高い重量比静電容量のためのイオン拡散に有利であり得るが、その相対的に低い充填密度のために、より低い体積静電容量を有することがある。一方、より密集した電極は体積静電容量を高めるが、イオンが接近可能な表面積およびイオン拡散速度を低下させ、その結果、重量比静電容量がより低くなり、速度性能に乏しくなることがある。したがって、高いエネルギー密度および出力密度を有する実用的なスーパーキャパシタを開発するのに望ましい、優れた速度能を保持しながら、高い重量比静電容量と体積静電容量の両方を実現するには、大変な難題がある。
グラフェンは、その固有の高い導電率、優れた機械的可撓性、約２６３０ｍ２／ｇの例外的に大きな理論的表面積、および約５５０Ｆ／ｇの理論的重量比静電容量のために、スーパーキャパシタ電極材料（他の用途の中でも特に）として望ましい。しかし、グラフェンシート間に強いπ−π相互作用があるので、グラフェンシートは、再スタックしてグラファイト様粉末またはフィルムを形成する傾向があり、このために、表面積がかなり減少してイオン拡散速度が低下し、その結果、重量比静電容量が不十分となって（代表的には、有機電解質中では、＜１８０Ｆ／ｇ）、充電／放電速度が相対的に低くなる恐れがある。重量比静電容量に加えて、スーパーキャパシタ用の電極材料を評価するための、別の性能指数は、体積静電容量である。大部分の電極設計では、代表的には、重量比静電容量と体積静電容量との間に両立しない関係性がある。例えば、より高い多孔質の電極は、大きな比表面積をもたらすことができ、高い重量比静電容量のためのイオン拡散に有利であり得るが、その相対的に低い充填密度のために、より低い体積静電容量を有することがある。一方、より密集した電極は体積静電容量を高めるが、イオンが接近可能な表面積およびイオン拡散速度を低下させ、その結果、重量比静電容量がより低くなり、速度性能に乏しくなることがある。したがって、高いエネルギー密度および出力密度を有する実用的なスーパーキャパシタを開発するのに望ましい、優れた速度能を保持しながら、高い重量比静電容量と体積静電容量の両方を実現するには、大変な難題がある。
理解される通り、グラフェンは炭素の同素体であり、その構造は、代表的には、ハニカム結晶格子にパックされている、ｓｐ２−結合炭素原子の原子１個の厚みのシートである。一部の実施形態では、グラフェンは、広げられたカーボンナノチューブとして想定され得る、炭素原子の実質的に単層の薄いシートの形態で提供されるが、二層または他の多層グラフェンも企図される。
一部の実施形態では、グラフェンをベースとする材料を形成する方法は、（１）エッチング液および酸化グラフェンシートを含む混合物を処理するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートの形成をもたらすステップ、（２）再分散用溶媒中で、多孔性酸化グラフェンシートを再分散するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートを含む多孔性酸化グラフェン分散液を得るステップ、および（３）多孔性酸化グラフェン分散液を還元条件下で処理するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートの、グラフェンをベースとする材料への自己集合をもたらすステップを含む。
方法の一部の実施形態では、（１）における混合物を処理するステップは、撹拌下、または他のかき混ぜ様式の下、例えば、約１時間〜約１０時間もしくは約２時間〜約６時間の範囲、または約４時間の時間間隔で、例えば、約５０℃〜約２００℃もしくは約８０℃〜約１５０℃の範囲、または約１００℃の温度で、混合物を加熱するステップを含む。方法の一部の実施形態では、（１）におけるエッチング液は、例えば、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）であってよい。
方法の一部の実施形態では、（１）における多孔性酸化グラフェンシートは、多孔性酸化グラフェンシート中に形成された基底面すなわち面内ナノ細孔を有しており、ナノ細孔は、約１ｎｍから、約２ｎｍから、約３ｎｍから、約４ｎｍから、または約５ｎｍから、最大約１０ｎｍ、最大約２０ｎｍ、最大約５０ｎｍ、最大約１００ｎｍまたはそれ超のサイズを有することができる。例えば、基底面ナノ細孔は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約１０ｎｍのサイズを有することができる。別の例として、基底面ナノ細孔は、最大約１ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１．５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約３ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１０ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２０ｎｍ、もしくはそれ未満、または最大約５０ｎｍ、もしくはそれ未満のサイズを有することができる。一部の実施形態では、細孔サイズは、バレット−ジョイナー−ハレンダ細孔サイズ分布に従って特性評価することができる。
方法の一部の実施形態では、（２）における再分散用溶媒は、水であるか、または水を含んで、多孔性酸化グラフェンシートの水性分散液を形成する。好適な再分散用溶媒の他の例には、イオン性液体、アルコール、アミド、および他の極性非プロトン性有機溶媒または極性プロトン性有機溶媒などの親水性溶媒が含まれる。方法の一部の実施形態では、（２）における多孔性酸化グラフェン分散液中の多孔性酸化グラフェンシートの濃度は、約０．０５ｍｇ／ｍＬから、約０．１ｍｇ／ｍＬから、約０．２ｍｇ／ｍＬから、約０．３ｍｇ／ｍＬから、約０．４ｍｇ／ｍＬから、約０．５ｍｇ／ｍＬから、約１ｍｇ／ｍＬから、または約１．５ｍｇ／ｍＬから、最大約５ｍｇ／ｍＬ、最大約１０ｍｇ／ｍＬ、最大約２０ｍｇ／ｍＬまたはそれ超である。
方法の一部の実施形態では、（３）における多孔性酸化グラフェン分散液を処理するステップは、例えば、約０．５時間〜約１０時間もしくは約１時間〜約３時間の範囲、または約２時間の時間間隔で、例えば、約５０℃〜約２００℃もしくは約８０℃〜約１５０℃の範囲、または約１００℃の温度で、分散液を加熱するステップを含む。一部の実施形態では、分散液を加熱するステップは、アスコルビン酸ナトリウムなどの好適な１つまたは複数の還元剤の存在下である。方法の一部の実施形態では、（３）における多孔性酸化グラフェン分散液を処理するステップは、多孔性酸化グラフェンシートの、多孔性グラフェンシートが相互接続した多孔質ネットワークを含むグラフェンをベースとするヒドロゲルへの還元および自己集合をもたらす。得られたヒドロゲルは、高表面積、高導電率、高イオン輸送速度および高い機械的強度を特色とすることができる。例えば、ヒドロゲルの比表面積（ＳＳＡ）は、少なくとも約１０００ｍ２／ｇ、少なくとも約１１００ｍ２／ｇ、少なくとも約１２００ｍ２／ｇ、少なくとも約１３００ｍ２／ｇ、少なくとも約１４００ｍ２／ｇまたは少なくとも約１５００ｍ２／ｇ、および最大約１７００ｍ２／ｇ、最大約２０００ｍ２／ｇ、最大約２３００ｍ２／ｇまたは最大約２５００ｍ２／ｇもしくはそれ超であり得る。一部の実施形態では、ＳＳＡは、メチレンブルー（ＭＢ）色素吸着法に従って特性評価することができる。一部の実施形態では、ヒドロゲル中の多孔性グラフェンシートは、高度に相互接続しており、その再スタッキングを低減するよう、およびモノリシック構造を維持するよう、一緒にインターロックされている。インターロックされた多孔性グラフェンシートを圧縮に供して、再スタッキングがほとんどまたは全くない、独立した高密度フィルムを形成し、高いパック密度を実現することができる。
（３）において得られたグラフェンをベースとする材料は、スーパーキャパシタ用の電極材料として使用することができる。同様に、この材料は、高エネルギー密度スーパーキャパシタを構築するための擬似静電容量材料（例えば、酸化ルテニウム（例えば、ＲｕＯ２）、酸化マンガン（例えば、ＭｎＯ２）、酸化ニッケル（例えば、ＮｉＯ）、酸化コバルト（例えば、Ｃｏ２Ｏ３またはＣｏ３Ｏ４）、水酸化ニッケル（例えば、Ｎｉ（ＯＨ）２）、ならびに混合された遷移金属酸化物および遷移金属水酸化物から形成されるナノ構造体の形態にあるものなどの、遷移金属酸化物または水酸化物）、高出力密度バッテリーを構築するためのナノスケールバッテリーのアノードの電気化学的活性材料（例えば、グラファイト、ケイ素、スズ、またはリチウムイオンバッテリー用の他の活性アノード材料から形成されるナノ構造体）、高出力密度バッテリーを構築するためのナノスケールバッテリーのカソードの電気化学的活性材料（例えば、硫黄、リン、酸化コバルト（例えば、ＣｏＯ２）、リン酸鉄リチウム（例えば、ＬｉＦｅＰＯ４）、酸化リチウム（例えば、ＬｉＯ２またはＬｉ２Ｏ２）、またはリチウムイオンバッテリー用の他の活性カソード材料から形成されるナノ構造体）、または効率の高い燃料電池もしくは空気バッテリーを構築するための酸素還元反応（ＯＲＲ）もしくは酸素発生反応（ＯＥＲ）触媒（例えば、白金もしくは白金含有合金（例えば、Ｐｔ、ＰｔＮｉまたはＰｔＮｉＭｏ）、またはリン酸コバルトから形成されるナノ構造体）の組立体集積化に望ましい骨格または足場構造として機能することができる。ナノ構造体は、少なくとも１つの寸法、または約１ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の大きさを有することができる。ナノ構造体は、まず、（１）または（２）において、多孔性酸化グラフェンシート上に装填することができ、次に、このシートを組立体用のビルディングブロックとして使用して、（３）におけるグラフェンをベースとする材料を得ることができる。あるいは、または併せて、ナノ構造体は、電極材料を構築するために、予め組み立てられたグラフェンをベースとする材料に統合することができる。したがって、方法の一部の実施形態はまた、（３）における多孔性酸化グラフェンシートの自己集合前またはその後に、グラフェンをベースとする材料に、擬似静電容量材料、電気化学的活性材料または触媒を組み込むステップも含むことができる。グラフェンをベースとする材料中の擬似静電容量材料、電気化学的活性材料または触媒の質量負荷は、約１重量％もしくはそれ超、約５重量％もしくはそれ超、約１０重量％もしくはそれ超、約１５重量％もしくはそれ超、または約２０重量％もしくはそれ超、および最大約３０重量％もしくはそれ超、または最大約５０重量％もしくはそれ超であり得る。
一部の実施形態では、グラフェンをベースとする材料を形成する方法は、（１）エッチング液および酸化グラフェンシートを含む混合物を処理するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートの形成をもたらすステップ、（２）再分散用溶媒中で、多孔性酸化グラフェンシートを再分散するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートを含む多孔性酸化グラフェン分散液を得るステップ、（３）多孔性酸化グラフェン分散液を還元条件下で処理するステップであって、多孔性グラフェンシートを含む多孔性グラフェン分散液を得るステップ、および（４）多孔性グラフェンシートを圧縮に供するステップであって、グラフェンをベースとする材料を得るステップを含む。
方法の一部の実施形態では、（１）における混合物を処理するステップは、撹拌下、または他のかき混ぜ様式の下、例えば、約１時間〜約１０時間もしくは約２時間〜約６時間の範囲、または約４時間の時間間隔で、例えば、約５０℃〜約２００℃もしくは約８０℃〜約１５０℃の範囲、または約１００℃の温度で、混合物を加熱するステップを含む。方法の一部の実施形態では、（１）におけるエッチング液は、例えば、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）であってよい。
方法の一部の実施形態では、（１）における多孔性酸化グラフェンシートは、多孔性酸化グラフェンシート中に形成された基底面すなわち面内ナノ細孔を有しており、ナノ細孔は、約１ｎｍから、約２ｎｍから、約３ｎｍから、約４ｎｍから、または約５ｎｍから、最大約１０ｎｍ、最大約２０ｎｍ、最大約５０ｎｍ、最大約１００ｎｍまたはそれ超のサイズを有することができる。例えば、基底面ナノ細孔は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約１０ｎｍのサイズを有することができる。別の例として、基底面ナノ細孔は、最大約１ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１．５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約３ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１０ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２０ｎｍ、もしくはそれ未満、または最大約５０ｎｍ、もしくはそれ未満のサイズを有することができる。一部の実施形態では、細孔サイズは、バレット−ジョイナー−ハレンダ細孔サイズ分布に従って特性評価することができる。
方法の一部の実施形態では、（２）における再分散用溶媒は、水であるか、または水を含んで、多孔性酸化グラフェンシートの水性分散液を形成する。好適な再分散用溶媒の他の例には、イオン性液体、アルコール、アミド、および他の極性非プロトン性有機溶媒または極性プロトン性有機溶媒などの親水性溶媒が含まれる。方法の一部の実施形態では、（２）における多孔性酸化グラフェン分散液中の多孔性酸化グラフェンシートの濃度は、約０．０５ｍｇ／ｍＬから、約０．１ｍｇ／ｍＬから、約０．２ｍｇ／ｍＬから、約０．３ｍｇ／ｍＬから、約０．４ｍｇ／ｍＬから、約０．５ｍｇ／ｍＬから、約１ｍｇ／ｍＬから、または約１．５ｍｇ／ｍＬから、最大約５ｍｇ／ｍＬ、最大約１０ｍｇ／ｍＬ、最大約２０ｍｇ／ｍＬまたはそれ超である。
方法の一部の実施形態では、（３）における多孔性酸化グラフェン分散液を処理するステップは、例えば、約０．５時間〜約１０時間もしくは約１時間〜約３時間の範囲、または約１時間の時間間隔で、例えば、約５０℃〜約２００℃もしくは約８０℃〜約１５０℃の範囲、または約９５℃の温度で、分散液を加熱するステップを含む。一部の実施形態では、分散液を加熱するステップは、アンモニア、ヒドラジンまたはそれらの組合せなどの好適な１つまたは複数の還元剤の存在下である。方法の一部の実施形態では、（３）における多孔性酸化グラフェン分散液を処理するステップは、多孔性酸化グラフェンシートの多孔性グラフェンシートへの還元をもたらす。
方法の一部の実施形態では、（４）における多孔性グラフェンシートを圧縮に供するステップは、フィルターにより多孔性グラフェン分散液の流れ支援式圧縮または流れ誘導式圧縮を行うステップを含む。方法の一部の実施形態では、多孔性グラフェン分散液の圧縮により、多孔性グラフェンシートの密集した積層構造を含むグラフェンをベースとする紙が得られる。得られたグラフェンをベースとする紙は、高表面積、高導電率、高イオン輸送速度および高い機械的強度を特色とすることができる。例えば、グラフェンをベースとする紙のＳＳＡは、少なくとも約２０ｍ２／ｇ、少なくとも約５０ｍ２／ｇ、少なくとも約７０ｍ２／ｇ、少なくとも約８０ｍ２／ｇ、少なくとも約９０ｍ２／ｇ、少なくとも約１００ｍ２／ｇ、少なくとも約１３０ｍ２／ｇ、少なくとも約１５０ｍ２／ｇ、少なくとも約１７０ｍ２／ｇまたは少なくとも約２００ｍ２／ｇ、および最大約２３０ｍ２／ｇ、最大約２５０ｍ２／ｇまたはそれ超であり得る。別の例として、および流れ支援式もしくは流れ誘導式圧縮、または他の圧縮様式により、グラフェンをベースとする紙の充填密度は、少なくとも約０．２ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．３ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．４ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．５ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．６ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．７ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．８ｇ／ｃｍ３、少なくとも約０．９ｇ／ｃｍ３、少なくとも約１ｇ／ｃｍ３または少なくとも約１．１ｇ／ｃｍ３、および最大約１．２ｇ／ｃｍ３、最大約１．４ｇ／ｃｍ３またはそれ超であり得る。さらなる例として、グラフェンをベースとする紙の導電率は、少なくとも約５００Ｓ／ｍ、少なくとも約６００Ｓ／ｍ、少なくとも約７００Ｓ／ｍ、少なくとも約８００Ｓ／ｍ、少なくとも約９００Ｓ／ｍ、少なくとも約１０００Ｓ／ｍ、少なくとも約１３００Ｓ／ｍ、少なくとも約１５００Ｓ／ｍまたは少なくとも約２０００Ｓ／ｍ、および最大約２１００Ｓ／ｍ、最大約２２００Ｓ／ｍ、最大約２３００Ｓ／ｍまたはそれ超であり得る。
（４）において得られたグラフェンをベースとする材料は、スーパーキャパシタ用の電極材料として使用することができる。同様に、材料は、高エネルギー密度スーパーキャパシタを構築するための擬似静電容量材料（例えば、酸化ルテニウム（例えば、ＲｕＯ２）、酸化マンガン（例えば、ＭｎＯ２）、酸化ニッケル（例えば、ＮｉＯ）、酸化コバルト（例えば、Ｃｏ２Ｏ３またはＣｏ３Ｏ４）、水酸化ニッケル（例えば、Ｎｉ（ＯＨ）２）、ならびに混合された遷移金属酸化物および遷移金属水酸化物から形成されるナノ構造体の形態にあるものなどの、遷移金属酸化物または水酸化物）、高出力密度バッテリーを構築するためのナノスケールバッテリーのアノードの電気化学的活性材料（例えば、グラファイト、ケイ素、スズ、またはリチウムイオンバッテリー用の他の活性アノード材料から形成されるナノ構造体）、高出力密度バッテリーを構築するためのナノスケールバッテリーのカソードの電気化学的活性材料（例えば、硫黄、リン、酸化コバルト（例えば、ＣｏＯ２）、リン酸鉄リチウム（例えば、ＬｉＦｅＰＯ４）、酸化リチウム（例えば、ＬｉＯ２またはＬｉ２Ｏ２）、またはリチウムイオンバッテリー用の他の活性カソード材料から形成されるナノ構造体）、または効率の高い燃料電池もしくは空気バッテリーを構築するためのＯＲＲもしくはＯＥＲ触媒（例えば、白金もしくは白金含有合金（例えば、Ｐｔ、ＰｔＮｉまたはＰｔＮｉＭｏ）、またはリン酸コバルトから形成されるナノ構造体）の組立体集積化に望ましい骨格または足場構造として機能することができる。ナノ構造体は、少なくとも１つの寸法、または約１ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の大きさを有することができる。ナノ構造体は、まず、（１）もしくは（２）において、多孔性酸化グラフェンシート上に、または（３）において多孔性グラフェンシート上に装填することができ、次に、これらのシートを組立体用のビルディングブロックとして使用して、（４）におけるグラフェンをベースとする材料を得ることができる。あるいは、または併せて、ナノ構造体は、電極材料を構築するために、予め組み立てられたグラフェンをベースとする材料に統合することができる。したがって、方法の一部の実施形態はまた、（４）における多孔性グラフェンシートの圧縮前またはその後に、グラフェンをベースとする材料に、擬似静電容量材料、電気化学的活性材料または触媒を組み込むステップを含むことができる。グラフェンをベースとする材料中の擬似静電容量材料、電気化学的活性材料または触媒の質量負荷は、約１重量％もしくはそれ超、約５重量％もしくはそれ超、約１０重量％もしくはそれ超、約１５重量％もしくはそれ超、または約２０重量％もしくはそれ超、および最大約３０重量％もしくはそれ超、または最大約５０重量％もしくはそれ超であり得る。
一部の実施形態では、グラフェンをベースとする材料の分散液は、液体溶媒、および溶媒中に分散している多孔性酸化グラフェンシートを含む。分散液の一部の実施形態では、多孔性酸化グラフェンシートは、多孔性酸化グラフェンシート中に形成された基底面すなわち面内ナノ細孔を有しており、ナノ細孔は、約１ｎｍから、約２ｎｍから、約３ｎｍから、約４ｎｍから、または約５ｎｍから、最大約１０ｎｍ、最大約２０ｎｍ、最大約５０ｎｍ、最大約１００ｎｍまたはそれ超のサイズを有することができる。例えば、基底面ナノ細孔は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約１０ｎｍのサイズを有することができる。別の例として、基底面ナノ細孔は、最大約１ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１．５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約３ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１０ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２０ｎｍ、もしくはそれ未満、または最大約５０ｎｍ、もしくはそれ未満のサイズを有することができる。一部の実施形態では、細孔サイズは、バレット−ジョイナー−ハレンダ細孔サイズ分布に従って特性評価することができる。分散液の一部の実施形態では、溶媒は、水であるか、または水を含んで、多孔性酸化グラフェンシートの水性分散液を形成する。好適な溶媒の他の例には、イオン性液体、アルコール、アミド、および他の極性非プロトン性有機溶媒または極性プロトン性有機溶媒などの親水性溶媒が含まれる。分散液の一部の実施形態では、分散液中の多孔性酸化グラフェンシートの濃度は、約０．０５ｍｇ／ｍＬから、約０．１ｍｇ／ｍＬから、約０．２ｍｇ／ｍＬから、約０．３ｍｇ／ｍＬから、約０．４ｍｇ／ｍＬから、約０．５ｍｇ／ｍＬから、約１ｍｇ／ｍＬから、または約１．５ｍｇ／ｍＬから、最大約５ｍｇ／ｍＬ、最大約１０ｍｇ／ｍＬ、最大約２０ｍｇ／ｍＬまたはそれ超である。分散液の一部の実施形態では、分散液は、過酸化水素などのエッチング液を実質的に含まず、分散液中のエッチング液の濃度は、約０．１Ｍ以下、約０．０５Ｍ以下、約０．０１Ｍ以下、約０．００５Ｍ以下または約０．００１Ｍ以下である。分散液の一部の実施形態では、多孔性酸化グラフェンシートは、例えば、グラファイト、ケイ素、スズ、硫黄、リン、ＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ２、Ｐｔ、ＰｔＮｉ、ＰｔＮｉＭｏまたはリン酸コバルトなどから形成される、無機ナノ構造体により修飾されているか、またはそうでない場合、上記が装填されている。ナノ構造体は、少なくとも１つの寸法、または約１ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の大きさを有することができる。
一部の実施形態では、グラフェンをベースとする材料の分散液は、液体溶媒、溶媒中に分散している多孔性酸化グラフェンシート、および溶媒中に分散している追加の溶液分散性無機ナノ構造体を含む。分散液の一部の実施形態では、多孔性酸化グラフェンシートは、多孔性酸化グラフェンシート中に形成された基底面すなわち面内ナノ細孔を有しており、ナノ細孔は、約１ｎｍから、約２ｎｍから、約３ｎｍから、約４ｎｍから、または約５ｎｍから、最大約１０ｎｍ、最大約２０ｎｍ、最大約５０ｎｍ、最大約１００ｎｍまたはそれ超のサイズを有することができる。例えば、基底面ナノ細孔は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約１０ｎｍのサイズを有することができる。別の例として、基底面ナノ細孔は、最大約１ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１．５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約３ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１０ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２０ｎｍ、もしくはそれ未満、または最大約５０ｎｍ、もしくはそれ未満のサイズを有することができる。一部の実施形態では、細孔サイズは、バレット−ジョイナー−ハレンダ細孔サイズ分布に従って特性評価することができる。分散液の一部の実施形態では、溶媒は、水であるか、または水を含んで、多孔性酸化グラフェンシートの水性分散液を形成する。好適な溶媒の他の例には、イオン性液体、アルコール、アミド、および他の極性非プロトン性有機溶媒または極性プロトン性有機溶媒などの親水性溶媒が含まれる。分散液の一部の実施形態では、分散液中の多孔性酸化グラフェンシートの濃度は、約０．０５ｍｇ／ｍＬから、約０．１ｍｇ／ｍＬから、約０．２ｍｇ／ｍＬから、約０．３ｍｇ／ｍＬから、約０．４ｍｇ／ｍＬから、約０．５ｍｇ／ｍＬから、約１ｍｇ／ｍＬから、または約１．５ｍｇ／ｍＬから、最大約５ｍｇ／ｍＬ、最大約１０ｍｇ／ｍＬ、最大約２０ｍｇ／ｍＬまたはそれ超である。分散液の一部の実施形態では、分散液は、過酸化水素などのエッチング液を実質的に含まず、分散液中のエッチング液の濃度は、約０．１Ｍ以下、約０．０５Ｍ以下、約０．０１Ｍ以下、約０．００５Ｍ以下または約０．００１Ｍ以下である。無機ナノ構造体は、例えば、グラファイト、ケイ素、スズ、硫黄、リン、ＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ２、Ｐｔ、ＰｔＮｉ、ＰｔＮｉＭｏまたはリン酸コバルトから形成され得る。ナノ構造体は、少なくとも１つの寸法、または約１ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の大きさを有することができる。
一部の実施形態では、グラフェンをベースとする材料の分散液は、液体溶媒、および溶媒中に分散している多孔性グラフェンシートを含む。分散液の一部の実施形態では、多孔性グラフェンシートは、多孔性グラフェンシート中に形成された基底面すなわち面内ナノ細孔を有しており、ナノ細孔は、約１ｎｍから、約２ｎｍから、約３ｎｍから、約４ｎｍから、または約５ｎｍから、最大約１０ｎｍ、最大約２０ｎｍ、最大約５０ｎｍ、最大約１００ｎｍまたはそれ超のサイズを有することができる。例えば、基底面ナノ細孔は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約１０ｎｍのサイズを有することができる。別の例として、基底面ナノ細孔は、最大約１ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１．５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約３ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１０ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２０ｎｍ、もしくはそれ未満、または最大約５０ｎｍ、もしくはそれ未満のサイズを有することができる。一部の実施形態では、細孔サイズは、バレット−ジョイナー−ハレンダ細孔サイズ分布に従って特性評価することができる。分散液の一部の実施形態では、溶媒は、水であるか、または水を含んで、多孔性グラフェンシートの水性分散液を形成する。好適な溶媒の他の例には、イオン性液体、アルコール、アミド、および他の極性非プロトン性有機溶媒または極性プロトン性有機溶媒などの親水性溶媒が含まれる。分散液の一部の実施形態では、分散液中の多孔性グラフェンシートの濃度は、約０．０５ｍｇ／ｍＬから、約０．１ｍｇ／ｍＬから、約０．２ｍｇ／ｍＬから、約０．３ｍｇ／ｍＬから、約０．４ｍｇ／ｍＬから、約０．５ｍｇ／ｍＬから、約１ｍｇ／ｍＬから、または約１．５ｍｇ／ｍＬから、最大約５ｍｇ／ｍＬ、最大約１０ｍｇ／ｍＬ、最大約２０ｍｇ／ｍＬまたはそれ超である。分散液の一部の実施形態では、分散液は、過酸化水素などのエッチング液を実質的に含まず、分散液中のエッチング液の濃度は、約０．１Ｍ以下、約０．０５Ｍ以下、約０．０１Ｍ以下、約０．００５Ｍ以下または約０．００１Ｍ以下である。分散液の一部の実施形態では、多孔性グラフェンシートは、例えば、グラファイト、ケイ素、スズ、硫黄、リン、ＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ２、Ｐｔ、ＰｔＮｉ、ＰｔＮｉＭｏまたはリン酸コバルトなどから形成される、無機ナノ構造体により修飾されているか、またはそうでない場合、上記が装填されている。ナノ構造体は、少なくとも１つの寸法、または約１ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の大きさを有することができる。
一部の実施形態では、グラフェンをベースとする材料の分散液は、液体溶媒、溶媒中に分散している多孔性グラフェンシート、および溶媒中に分散している追加の溶液分散性無機ナノ構造体を含む。分散液の一部の実施形態では、多孔性グラフェンシートは、多孔性グラフェンシート中に形成された基底面すなわち面内ナノ細孔を有しており、ナノ細孔は、約１ｎｍから、約２ｎｍから、約３ｎｍから、約４ｎｍから、または約５ｎｍから、最大約１０ｎｍ、最大約２０ｎｍ、最大約５０ｎｍ、最大約１００ｎｍまたはそれ超のサイズを有することができる。例えば、基底面ナノ細孔は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約１０ｎｍのサイズを有することができる。別の例として、基底面ナノ細孔は、最大約１ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１．５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約３ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約５ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約１０ｎｍ、もしくはそれ未満、最大約２０ｎｍ、もしくはそれ未満、または最大約５０ｎｍ、もしくはそれ未満のサイズを有することができる。一部の実施形態では、細孔サイズは、バレット−ジョイナー−ハレンダ細孔サイズ分布に従って特性評価することができる。分散液の一部の実施形態では、溶媒は、水であるか、または水を含んで、多孔性グラフェンシートの水性分散液を形成する。好適な溶媒の他の例には、イオン性液体、アルコール、アミド、および他の極性非プロトン性有機溶媒または極性プロトン性有機溶媒などの親水性溶媒が含まれる。分散液の一部の実施形態では、分散液中の多孔性グラフェンシートの濃度は、約０．０５ｍｇ／ｍＬから、約０．１ｍｇ／ｍＬから、約０．２ｍｇ／ｍＬから、約０．３ｍｇ／ｍＬから、約０．４ｍｇ／ｍＬから、約０．５ｍｇ／ｍＬから、約１ｍｇ／ｍＬから、または約１．５ｍｇ／ｍＬから、最大約５ｍｇ／ｍＬ、最大約１０ｍｇ／ｍＬ、最大約２０ｍｇ／ｍＬまたはそれ超である。分散液の一部の実施形態では、分散液は、過酸化水素などのエッチング液を実質的に含まず、分散液中のエッチング液の濃度は、約０．１Ｍ以下、約０．０５Ｍ以下、約０．０１Ｍ以下、約０．００５Ｍ以下または約０．００１Ｍ以下である。無機ナノ構造体は、例えば、グラファイト、ケイ素、スズ、硫黄、リン、ＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ２、Ｐｔ、ＰｔＮｉ、ＰｔＮｉＭｏまたはリン酸コバルトから形成され得る。ナノ構造体は、少なくとも１つの寸法、または約１ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の大きさを有することができる。
一部の実施形態では、前述の実施形態のいずれかの分散液を使用する方法は、分散液を含むインク組成物を形成することを含み、それにより、インクジェット印刷法、スクリーンコーティング法、ブレードコーティング法、スピンコーティング法、または他のコーティング技法により薄膜をコーティングし、その後、得られた被覆を処理することにより、例えば加熱することにより、薄膜を形成する。一部の実施形態では、方法によって形成される薄膜を使用して、例えば、スーパーキャパシタ、擬似キャパシタ、バッテリーおよび燃料電池から選択されるような、電気化学的エネルギー貯蔵デバイス用の電極が構築される。
図１は、一対の電極１０４と１０８、および電極１０４と１０８の間に配設されている電解質１０６を含む、スーパーキャパシタ１００の概略を示している。電極１０４と１０８のどちらか一方、またはその両方が、本明細書に記載されているグラフェンをベースとする材料を含むか、またはこれから形成することができる。また、電極１０４と１０８のどちらか一方または両方において、グラフェンをベースとする材料中に擬似静電容量材料を組み込むことができる。電解質１０６は、水性電解質、有機電解質またはゲル電解質であってよい。
以下の実施例は、当業者に対する説明を例示して提示するために、本開示の一部の実施形態の具体的な態様を記載している。実施例は、本開示の一部の実施形態を理解および実施する際に有用な具体的な方法を単に提示しているにすぎないので、本開示を限定するものと解釈されるべきではない。
本実施例は、都合のよい温和な欠陥エッチング反応により、豊富な面内ナノ細孔を有する溶液処理可能な多孔性酸化グラフェン（ＨＧＯ）を生成するための大規模化可能な手法を報告する。ＨＧＯシートは、三次元（３Ｄ）の階層多孔質ネットワークを有する還元されたＨＧＯヒドロゲル（ＨＧＨ）へと直接組み立てることができ、密集した積層構造および層間細孔度を有するＨＧ紙（ＨＧＰ）へとさらに組み立てることができる、溶液処理可能な還元されたＨＧＯ（ＨＧ）に化学的に変換することもできる。ＨＧＯに由来するマクロ構造体（ＨＧＨおよびＨＧＰ）のどちらも、非多孔性グラフェンの対応物と比べて、比表面積の有意な改善およびより良好なイオン拡散の動的挙動を示し、水性ポリマーゲル剤および有機電解質を含めた、様々な電解質における極めて高い静電容量エネルギー貯蔵性能を有する、バインダを含まないスーパーキャパシタ電極として機能することができる。
溶液処理可能なＨＧＯは、ＧＯおよびＨ２Ｏ２（または、別の好適なエッチング液）の均一な水性混合物を、撹拌下、約１００℃で約４時間、加熱することにより調製することができる。反応混合物を遠心分離して洗浄することにより、残留Ｈ２Ｏ２を除去した後、ＨＧＯを水中で再分散させて、約２ｍｇ／ｍＬの高い濃度を有する、安定な水性分散液を形成することができる（図２ａ）。実施の容易さにより、プロセスは、ＨＧＯを大量生成するために容易に大規模化可能である（図２ｂ）。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の検討により、Ｈ２Ｏ２を添加しない対照実験において調製されたナノ細孔のない対照ＧＯ（ｃＧＯ）シート（図２ｅ）とは対照的に、ＨＧＯの基底面全体にわたり、数ナノメートルのサイズを有する面内細孔が豊富にあることが明らかになり（図２ｃ、ｄ）、Ｈ２Ｏ２によりＧＯの炭素原子が効率的にエッチングされたことを示している。窒素吸着−脱着試験により、ＨＧＯは、ＧＯ（約１８０ｍ２／ｇ）と比較して約４３０ｍ２／ｇというはるかに高いブルナウアー−エメット−テラー（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）比表面積および約２〜７０ｎｍの範囲のバレット−ジョイナー−ハレンダ細孔サイズ分布を示すことが示された（図８）。特に、ＨＧＯは、約２〜３ｎｍの範囲により目立った細孔サイズ分布を示しており、これは、ＨＧＯの基底面のナノ細孔に起因し得る。ＨＧＯの形成機構を理解するために、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）およびラマンスペクトルを用いて、ＧＯ、ｃＧＯおよびＨＧＯの構造を特性評価する。ｃＧＯは、部分的な脱酸素化（図２ｆ）（各ＸＰＳスペクトルのデコンボリューションに関して図９を参照されたい）、およびＧＯと比べたＤピークとＧピークとの強度比の増加（図２ｇ）を示し、これは、溶媒により支援された熱的還元に起因している。対照的に、ＨＧＯは、ｃＧＯよりも有意な脱酸素化、およびＧＯと比べたＤピークとＧピークとの強度比のわずかな減少を示し、これは、ＨＧＯが、ＧＯおよびｃＧＯよりも少ない酸素官能基および欠損を有することを示しており、これは、Ｈ２Ｏ２の強力な酸化作用からは予想外のことである。欠陥領域は、ＧＯの基底面全体に分布し、グラファイトエリアよりも化学的な活性な、相互接続されている酸素化炭素種を主に含んでいることを考慮すると、酸化的エッチング反応は主に、酸素の欠損領域内で始まって伝わり、酸素化炭素原子の優先的な除去、および基底面のナノ細孔へと徐々に広がる炭素空格子点の生成に至ることが提唱される（図２ｈ）。反応時間の延長により、ＧＯのより攻撃的なエッチング、細孔サイズの拡大、シートの割れ、およびそれらの完全な破壊さえ起こると思われる（図１０）。Ｈ２Ｏ２によるＧＯのエッチング反応には、高温および十分な量のＨ２Ｏ２が必要とされることに留意すべきである。対照的に、ＧＯの合成（実験方法を参照されたい）中に、室温付近での、反応混合物へのＨ２Ｏ２の適量の添加を最初に用い、残留過マンガン酸塩および二酸化マンガンを硫酸マンガンに還元した。この方式では、大部分のＨ２Ｏ２は、迅速に消費され、ＧＯとは反応せず、基底面に多孔質構造体を生成することはないと思われる。
ＧＯと同様に、溶液処理可能なＨＧＯは、ナノコンポジット、生体材料および環境修復などの幅広い用途に直接使用することができ、また、化学還元、共有結合／非共有結合官能化および超分子集合を含めた、豊かな溶液化学のためのプラットフォームも提供する。例えば、ＨＧＯ分散液は、還元誘導の溶液自己集合プロセスにより、機械的強度のあるモノリシックＨＧＨ（図３ａ）を調製するために使用することができる。対照実験として、還元されたＧＯヒドロゲル（ＧＨ）を同一条件下で調製する。ＸＰＳの特性評価により、ＨＧＯは、ＨＧＨの合成中に有意な脱酸素化を伴って、十分に還元されることが示された（図１１）。ＨＧＯ分散液が柔軟に処理可能であることにより、ＨＧＨのサイズおよび形状は、反応器のタイプを変更することにより容易に調整することができる。凍結乾燥したＨＧＨは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって明らかな通り、マイクロメートル未満から数マイクロメートルの範囲の細孔サイズ、およびスタックしたＨＧシートの薄層の細孔壁を有する、相互接続した３Ｄ多孔質ネットワークを示した（図３ｃ、ｄ）。メチレンブルー（ＭＢ）色素吸着法を用いて、ＨＧＨおよびＧＨの比表面積（ＳＳＡ）を決定した。ＨＧＨは、ＧＨ（約９９０ｍ２／ｇ）のＳＳＡよりも約３４％大きな、約１３３０ｍ２／ｇの非常に大きく接近可能なＳＳＡを示しており、ＨＧの基底面におけるナノ細孔は、細孔壁内のスタックしたグラフェン層に化学種が拡散するのを効率よく促進し、接近可能な表面積を大幅に大きくすることができることを示した。
個々のＨＧシートにおいてナノ細孔を有するＨＧシートの３Ｄ自己集合から発生するマクロ細孔を組み合わせたＨＧＨの珍しい階層細孔度により、ＨＧＨは高性能スーパーキャパシタ電極に非常に望ましい材料になる。対応するヒドロゲルの機械的プレスによって調製された、ＨＧＨおよびＧＨフィルムに基づく対称型スーパーキャパシタのバインダのない電極としての電気化学的性能の検討を行った（図１２）。サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）の検討により、約１０００ｍＶ／ｓの高スキャン速度において、ＧＨと比較すると、ＨＧＨはループの傾斜が少ないことおよび電流密度が大きいことが示され（図４ａ）、ＨＧＨは、ＧＨよりもイオンが接近可能なより大きなＳＳＡおよび速いイオン拡散速度を有することが示された。ほぼ長方形のＣＶ曲線、およびほぼ対称の三角定電流充電／放電曲線（図４ｂ、ｃ）は、ＨＧＨとＧＨのどちらでも、ほぼ理想的な電気二重層（ＥＤＬ）静電容量特徴であることを示している。ＨＧＨは、約１Ａ／ｇの電流密度において、約２８３Ｆ／ｇの比静電容量を示し、ＧＨ（約２０５Ｆ／ｇ）のものよりも約３８％高い（図４ｂ）。電流密度を最大約１００Ａ／ｇに増加した場合、ＨＧＨは、その初期値（約２１２Ｆ／ｇ）の約７５％もの高さを保持することができる一方、ＧＨは、約６６％の静電容量保持率（約１３６Ｆ／ｇ）（図４ｄ）を示した。さらに、ＨＧＨは、約１００Ａ／ｇの電流密度において、放電曲線の初期段階において、ＧＨ（約０．２５Ｖ）よりも小さい電圧（ＩＲ）降下（約０．１４Ｖ）を示し（図４ｃ）、ＨＧＨの等価直列抵抗（ＥＳＲ）がより低いことを暗示している。ＨＧＨおよびＧＨ内部のイオン拡散の動的挙動は、電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）によってさらに調査した（図４ｅ）。約１００ｋＨｚ〜約１０ｍＨｚの周波数範囲にわたって得られたナイキストプロットは、低周波数領域において垂直線を示しており、これは、ＨＧＨおよびＧＨのほぼ理想的な静電容量特性を示している。ナイキストプロットの高周波数領域の拡大図により、ＨＧＨではより小さな直径および短い４５°Ｗａｒｂｕｒｇ領域を有する半円が明らかになり、その階層細孔度のため、ＨＧＨ内部の電荷移動抵抗がより小さいこと、およびイオン拡散がより速いことが確認された。プロットの垂直部分を実軸に外挿することによって、ＥＳＲは、ＨＧＨの場合、ＧＨのＥＳＲ（約１．４Ω）のほぼ半分である約０．８Ωであると導かれ、これは、定電流充電／放電検討の結果と一致する。さらに、ＨＧＨは、約２０Ａ／ｇの高い電流密度において、２０，０００サイクルにわたり約９４％の静電容量保持率を有する優れたサイクル安定性も実証した（図４ｆ）。最初の１０００サイクルにおける静電容量の減衰は、擬静電容量および電極／電解質界面の湿潤に寄与する、ＨＧシート上の、数個の酸素含有基の除去に起因し得る。
ＨＧＯ分散液の化学的還元によって、十分に分散している溶液処理可能なＨＧ（図５ａ）は、静電的安定化により得ることができ、これは、流れ誘導式自己集合戦略による、密集した積層構造（図５ｃ）を有する、大面積フレキシブルＨＧＰ（図５ｂ）にさらに組み立てることができる。ＨＧＰは、ＭＢ吸着法によって決定すると、同一条件下で調製された、還元されたＧＯ紙（ＧＰ）（約１２ｍ２／ｇ）のものよりもかなり広い、約２１７ｍ２／ｇのＳＳＡを示しており、これは、ＨＧＰ内部のグラフェンの表面積は、密集した積層構造にも関わらず、ＨＧシートのナノ細孔のために、高度に接近可能であることを示している。
特に、グラフェン表面へのイオン拡散および接近を促進したナノ細孔の効果は、ＣＶ、定電流充電／放電、およびＥＩＳ検討によって確認される通り、３Ｄヒドロゲルにおける場合（図５ｄ）よりも、密集した紙において顕著である（図５ｅ〜ｉ）。ＨＧＰは、それぞれ、約１および約２０Ａ／ｇの電流密度において、約２０９および約１５７Ｆ／ｇの比静電容量を示しており、これらは、ＧＰのもの（約１および約２０Ａ／ｇにおいて、それぞれ、約１１６および約６５Ｆ／ｇ）よりもかなり大きい（図５ｈ）。ＨＧＰの大きく改善された電気化学的性能は、ＨＧＰがはるかに小さい半円およびはるかに短い４５°Ｗａｒｂｕｒｇ領域を示した、ナイキストプロットにより、やはり証拠づけられた（図５ｉ）。約１．１２ｇ／ｃｍ３の高い充填密度により、ＨＧＰは、約２３４Ｆ／ｃｍ３の極めて高い体積静電容量をもたらすことができ、これは、ＨＧＰを、小型電子デバイスなどの空間の制約がある多数の用途でますます重要になっている高体積性能スーパーキャパシタの電極に非常に望ましいものにする。
フレキシブルかつウェアラブルな電子機器がますます広がっているので、電力供給のために、ソリッドステート高性能フレキシブルスーパーキャパシタの需要も高まりつつある。しかし、他のソリッドステートフレキシブルデバイスには、代表的には、機械的強度に乏しいことおよび導電率が低いことの一方または両方のために、電極材料を装填するための集電体または支持基材が使用される。一方、電極材料の質量負荷および充填密度は、代表的には、低い。これらの要因はすべて、デバイス全体における活性電極材料の比を大幅に低下させる恐れがあり、電気化学的な受動素子の質量または体積率を増加させて、デバイス全体の総重量または体積によって正規化すると、低い比静電容量になる。対照的に、約２０３０Ｓ／ｍの高い導電率を有する、機械的強度のあるＨＧＰを使用して、いかなる集電体も支持基材もなしに、ソリッドステートフレキシブル超薄膜スーパーキャパシタを作製することができる（図６）。約９μｍ厚のＨＧＰ電極を２つ含有するデバイス全体は、約３０μｍの合計厚さを示し、結果として最終デバイスにおける活性電極材料で、約６０％の極めて高い体積比となる。ＨＧＰの細孔度に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）−Ｈ２ＳＯ４ゲル電解質が効率よく浸潤する場合、ＨＧＰをベースとするソリッドステートスーパーキャパシタは、水性電解質におけるデバイスに匹敵する、約１および約２０Ａ／ｇの電流密度における、それぞれ約２０１および約１４０Ｆ／ｇの高い比静電容量を示した（図６ａ、ｂ）。約１．１２ｇ／ｃｍ３の高い充填密度およびＨＧＰ電極の高い体積比のために、デバイス全体は、約１Ａ／ｇにおいて約３４Ｆ／ｃｍ３の優れた体積静電容量を示し、これは、レーザースクライブされたグラフェンをベースとするデバイスの体積静電容量（約１Ａ／ｇにおいて約０．５５Ｆ／ｃｍ３）を大幅に上回る。さらに、ＨＧＰをベースとするソリッドステートスーパーキャパシタは、約２ｍｍの小さな曲げ半径でさえも、ほとんど同じ電気化学的挙動を伴う優れた機械的可撓性（図６ｃ）、および曲げ状態下で、約１０Ａ／ｇの高い電流密度において２０，０００回の充電／放電サイクルにわたり約９０％の静電容量保持率を有する優れたサイクル安定性を示した（図６ｄ）。さらに、ソリッドステートデバイスは、市販スーパーキャパシタの自己放電特徴と類似した低い自己放電特徴を実証し（図１３）、こうして、フレキシブルかつウェアラブルな電子機器製品に電力供給するための大きな電位を保持する。
より高いエネルギー密度を実現するために、有機電解質（アセトニトリル（ＡＮ）中の約２．０Ｍの１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＭＢＦ４））中での、ＨＧＨおよびＨＧＰをベースとするスーパーキャパシタの電気化学的性能の評価を実施した（図７）。この電解質の場合、デバイスの動作電圧は、約１．０Ｖ〜約３．５Ｖに拡張することができる。多孔性グラフェンビルディングブロックから生じる高度に接近可能な細孔度の場合、ＨＧＨおよびＨＧＰは、約１Ａ／ｇの電流密度において、それぞれ約２７２および約１８１Ｆ／ｇの比静電容量をもたらすことができ、ＧＨ（約１９８Ｆ／ｇ）およびＧＰ（約９７Ｆ／ｇ）の比静電容量よりもはるかに高い。したがって、ＨＧＨおよびＨＧＰに対して、それぞれ、約１１６および約７７Ｗｈ／ｋｇの高いエネルギー密度を実現することが可能である。さらに、ＨＧＰは、約２０３Ｆ／ｃｍ３の高い体積静電容量、および約８６Ｗｈ／Ｌの高い体積エネルギー密度を示した。水性ポリマーゲルおよび有機電解質中のＨＧＨおよびＨＧＰをベースとするスーパーキャパシタの静電容量エネルギー貯蔵性能は、これまで報告されている最良の炭素ナノ材料の静電容量エネルギー貯蔵性能（表１および２）に匹敵するか、またはそれより優れていることは注目に値するものであり、こうして、これらの多孔性グラフェンマクロ構造体は、次世代の高性能スーパーキャパシタの非常に望ましい電極材料となる。
要約すると、この実施例は、基底面全体にわたり豊富なナノ細孔を有する、溶液処理可能なＨＧＯを調製するための、都合がよくかつ大規模化可能な欠陥エッチング戦略を報告した。処理可能なＨＧＯは、階層３Ｄ細孔度を有するモノリシックＨＧＨに、直接、自己集合することができる。一方、ＨＧＯ分散液の還元により、溶液処理可能なＨＧを生成することができ、このＨＧは、密集しているが多孔質の積層構造を有するフレキシブルＨＧＰにさらに組み立てることができる。多孔性グラフェンビルディングブロック中のナノ細孔によってもたらされる、著しく増強されたイオン拡散および表面への接近により、ＨＧＨとＨＧＰのどちらも、様々な電解質において優れた静電容量エネルギー貯蔵性能を示し、これは、非多孔性グラフェン対応物の静電容量エネルギー貯蔵性能よりも優れているが、やはりまた最良の炭素ナノ材料の静電容量エネルギー貯蔵性能に匹敵するか、またはそれより優れている。この実施例は、溶液処理可能な多孔性グラフェン材料への大規模化可能な経路および注目に値する電気化学的性能を有するグラフェン材料由来のマクロ構造体を提供し、これにより、電気化学的エネルギー貯蔵デバイスにおけるグラフェンの用途に関する難題に対処することができ、それ以上ともなり得る。ＨＧＨおよびＨＧＰ構造体はまた、燃料電池およびバッテリーの優れた触媒支持体として機能することもできる。ＨＧＯまたはＨＧ分散液はまた、水の精製、脱塩、空気の濾過などのための、十分に制御された多孔質構造を有する薄膜または膜へと処理することもできる。
実験方法
酸化グラフェン（ＧＯ）の合成および精製：ＧＯは、修正Ｈｕｍｍｅｒの方法に従って、天然グラファイト粉末を酸化することによって調製した。手短に言えば、室温での撹拌下、濃硫酸（約７０ｍＬ）にグラファイト（約３．０ｇ）を添加し、次に、硝酸ナトリウム（約１．５ｇ）を添加し、混合物を約０℃に冷却した。激しいかき混ぜ下、過マンガン酸カリウム（約９．０ｇ）をゆっくりと添加し、懸濁液の温度を約２０℃未満に保った。続いて、反応系を、約０．５時間、約３５〜４０℃の水浴に移すと、濃厚なペーストが形成した。次に、水約１４０ｍＬを添加し、溶液をさらに約１５分間撹拌した。追加で水約５００ｍＬを添加した後、約２０ｍＬのＨ２Ｏ２（約３０％）をゆっくりと添加すると、溶液の色が褐色から黄色に変わった。混合物を濾過して、約１：１０のＨＣｌ水溶液（約２５０ｍＬ）で洗浄して金属イオンを除去した後、水での洗浄を繰り返し、遠心分離して酸を除去した。得られた固体を約１時間、超音波処理によって水中に分散させ、ＧＯ水性分散液（約０．５重量％）を得た。次に、得られた褐色分散液を、４０００ｒｐｍで約３０分間の遠心分離に供し、いかなる凝集物も除去した。最後に、以下の実験のために、それを１週間、透析により精製し、残留塩不純物を除去した。
溶液処理可能な多孔性酸化グラフェン（ＨＧＯ）の調製：ＨＧＯは、以下の手順に従って調製した：典型的には、撹拌下、約３０％のＨ２Ｏ２水溶液約５ｍＬを約２ｍｇ／ｍＬのＧＯ水性分散液約５０ｍＬと混合し、次に、約４時間、約１００℃で加熱した。調製したままのＨＧＯを遠心分離により精製し、上記の混合物を洗浄して、残留Ｈ２Ｏ２を除去し、次に、数十秒間、振とうまたは超音波処理により、水（または、別の好適な再分散用溶媒）中に再分散させて、約２ｍｇ／ｍＬの濃度を有する均一なＨＧＯ水性分散液を生成した。ＨＧＯの調製は、容易にスケールアップすることができる。対照ＧＯ（ｃＧＯ）は、Ｈ２Ｏ２を添加しないで、同様の方法により調製した。
還元された多孔性酸化グラフェンヒドロゲル（ＨＧＨ）の調製：ＨＧＨは、以下の手順に従って調製した：約１Ｍのアスコルビン酸ナトリウム水溶液約０．５ｍＬを約２ｍｇ／ｍＬのＨＧＯ水性分散液約１０ｍＬに添加し、次に、均一な混合物を撹拌しないで、約１００℃で約２時間、加熱した。以下の実験のため、調製したままのＨＧＨを、ピンセットを用いてバイアルから取り出し、純水中に浸漬して、いかなる不純物も除去した。ＨＧＨのサイズおよび形状は、反応器のタイプを変更することにより容易に制御することができる。比較用に、還元された酸化グラフェンヒドロゲル（ＧＨ）も、出発原料としてＧＯを用いて、同じ条件下で調製した。
溶液処理可能な還元された多孔性酸化グラフェン（ＨＧ）およびその独立した紙（ＨＧＰ）の調製：ＨＧ水性分散液は、以下の手順に従って調製した：手短に言えば、約１７５μＬのアンモニア溶液（水中、約２８重量％）および約２５μＬのヒドラジン溶液（水中、約３５重量％）を、約０．２５ｍｇ／ｍＬのＨＧＯ水性分散液約５０ｍＬと混合し、次に、撹拌しないで、約９５℃で約１時間、加熱して、均一な黒色ＨＧ分散液を生成した。ＨＧＰは、Ａｎｏｄｉｓｃ膜フィルター（直径約４７ｍｍ、約０．２ｍｍの細孔サイズ；Ｗｈａｔｍａｎ）によりＨＧ水性分散液を減圧濾過した後、室温で減圧乾燥することにより調製した。ＨＧＰの典型的な厚さは、約９μｍであった。比較用に、還元された酸化グラフェン分散液および還元された酸化グラフェン紙（ＧＰ）もまた、出発原料としてＧＯを用いて、同じ条件下で調製した。
水性電解質および有機電解質を含むＧＨおよびＨＧＨをベースとするスーパーキャパシタの作製：精製済み円筒状ＨＧＨから、約１ｍｍの厚さを有するＨＧＨの薄片を最初に裁断した。水性電解質を含むスーパーキャパシタの組立体に関しては、ＨＧＨ薄片を撹拌下、約１．０ＭのＨ２ＳＯ４水性電解質に約１２時間、浸漬し、その内部の水を電解質と交換した。有機電解質を含むスーパーキャパシタの組立体に関しては、約１００℃で約１２時間の減圧下、ＨＧＨ薄片を最初に純粋なイオン性液体である１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＭＢＦ４）中に、浸漬してその内部の水をＥＭＩＭＢＦ４と交換し、次に、アセトニトリル（ＡＮ）溶液中の約２．０ＭのＥＭＩＭＢＦ４にさらに約１２時間、移した。続いて、水性電解質および有機電解質で溶媒和されているＨＧＨ薄片を白金またはアルミニウム箔上に置き、約０．５ｃｍ分−１の速度で、液圧プレスを使用して圧縮し、その間、絞り出した電解質を濾紙により除去した。試料を約１分間、約１００Ｍｐａの圧力下で保ち、金属箔上に約０．６６ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する十分に粘着したフィルムを形成させた。次に、別々の金属箔上に２つの同じＨＧＨフィルム（どちらも、約１ｍｇの正味重量および約１ｍｇ／ｃｍ２の面質量を有する）を、いかなる他の添加物、または乾燥および熱アニーリングなどのさらなる処理を行うことなく、電極として直接使用し、電解質に浸したイオン多孔質セパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）３５０１）によって分離した。構成成分はすべて、積層構造へと組み立てられて、電気化学的測定のために、パラフィルムによりしっかりと密封した。ＥＭＩＭＢＦ４／ＡＮ電解質を含むスーパーキャパシタの組立体は、Ａｒを充填したグローブボックス中で調製した。ＧＨをベースとするスーパーキャパシタは、比較のため、同じ条件下で作製した。
水性電解質および有機電解質を含むＧＰおよびＨＧＰをベースとするスーパーキャパシタの作製：未加工のＨＧＰから、約１ｃｍ２のサイズおよび約１ｍｇ／ｃｍ２の面質量を有する長方形のＨＧＰ片を最初に裁断した。水性電解質を含むスーパーキャパシタの組立体に関しては、ＨＧＰ片を撹拌下、約１．０ＭのＨ２ＳＯ４水性電解質に約１２時間、浸漬した。有機電解質を含むスーパーキャパシタの組立体に関しては、ＨＧＰ片を撹拌下、ＡＮ溶液中、約２．０ＭのＥＭＩＭＢＦ４に約１２時間、浸漬した。次に、ＨＧＰ片を金属箔上に付着させ、電解質に浸したイオン多孔質セパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）３５０１）によって分離した。構成成分はすべて、クリップを使用して、２枚の剛直なスライドガラスの間に、スーパーキャパシタデバイス全体を挟み込むことによって、積層構造に組み立て、電気化学的測定のために、パラフィルムによりしっかりと密封した。ＧＰをベースとするスーパーキャパシタは、比較のため、同じ条件下で作製した。
ＨＧＰをベースとするソリッドステートフレキシブルスーパーキャパシタの作製：第１に、Ｈ２ＳＯ４−ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）ゲル電解質を以下の通り調製した：約１ｇのＨ２ＳＯ４を、脱イオン水約１０ｍＬに添加し、次に、ＰＶＡ粉末約１ｇを添加した。溶液に濁りがなくなるまで、混合物全体を、撹拌下、約８５℃に加熱した。第２に、２個のＨＧＰストリップ片を、電気的接続のために小さな部分を外に残して、約１５分間、温溶液に浸漬し、次に、室温で約１２時間、空気乾燥するために取り出して、過剰な水を蒸発させた。次に、２つの電極を、約１０分間、約１ＭＰａの圧力下で一緒にプレスし、これにより、各電極上のポリマーゲル電解質を合わせて、１つの薄い分離層にして、一体化したデバイスの形成を可能にした。デバイス全体の典型的な厚さは、ねじマイクメータによって決定すると、約３０μｍであった。
構造の特性評価および分析：ＨＧＯ、ＨＧＨおよびＨＧＰの形態は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（ＪＥＯＬ６７００）および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）（ＦＥＩ ＣＭ１２０）によって特性評価した。ラマンスペクトルは、５１４ｎｍのレーザー光線を使用して、ＲＭ２０００共焦点ラマン顕微鏡分光計（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）で記録した。メチレンブルー（ＭＢ）色素吸着法を用いて、比表面積を測定した。ＭＢの吸着は、２．５４ｍ２の表面積を覆う吸着ＭＢ分子１ｍｇを用いて、グラファイト材料の比表面積を測定するための標準法である。比表面積は、合計で２４時間、ＧＨ、ＨＧＨ、ＧＰまたはＨＧＰの小片を、脱イオン水中の標準濃度のＭＢに添加して、吸着平衡に到達させることにより計算した。ＭＢ濃度は、６６５ｎｍの波長におけるＵＶ−可視分光法により、上澄み液を分析することにより決定し、材料との相互作用前のＭＢの初期標準濃度と比較した。
電気化学的特性評価および分析：電気化学的実験はすべて、Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ製のＶｅｒｓａＳＴＡＴ４を使用して実施した。電気化学的インピーダンス分光法測定は、約１０ｍＶの振幅で周波数範囲約１００ｋＨｚ〜約１０ｍＨｚにわたる正弦波シグナルを有する開路電位で行った。サイクル寿命試験は、定電流充電／放電測定によって実施した。定電流放電曲線から誘導される比静電容量（Ｃｗｔ）は、以下の式：Ｃｗｔ＝２（ＩΔｔ）／（ｍΔＶ）（式中、Ｉは、定放電電流であり、Δｔは、完全放電する時間であり、ｍは、電極１つの正味の質量であり、ΔＶは、放電時の電圧降下を表す（ＩＲ降下は除く））に基づいて計算した。対応する体積静電容量（Ｃｖｏｌ）は、Ｃｖｏｌ＝Ｃｗｔ×ρ（式中、ρは電極フィルム中のグラフェンの充填密度である）を使用して計算した。デバイス中の２つの電極に対するエネルギー密度は、それぞれ、以下の式：Ｅｗｔ＝ＣｗｔＶ２／８およびＥｖｏｌ＝ＣｖｏｌＶ２／８（式中、Ｖは、作動電圧である）を使用して計算した。リーク電流試験に関しては、デバイスを最初に約２ｍＡで約１．０Ｖまで充電し、次に、電流データを取得しながら、電位を約２時間、約１．０Ｖに保った。自己放電試験に関しては、デバイスを最初に約２ｍＡで約１．０Ｖまで充電し、次に、約１５分間、約１．０Ｖに保ち、次に、デバイスの開放電位を時間の関数として記録した。
注：表１に示されている比静電容量の値は、代表的には、活性電極材料の質量に基づく。この実施例の添加物のないＨＧＨおよびＨＧＰ電極とは対照的に、ポリマーバインダ（代表的には、ポリテトラフルオロエチレン）と導電性添加物（代表的には、カーボンブラック）の一方または両方を使用して、活性材料と混合して、スーパーキャパシタ電極を作製する。これらの添加物は、電極材料全体の約１０〜２０重量％を占め、これは、電極の総質量に正規化した場合、比静電容量をさらに低下させることになる。
注：他のソリッドステートフレキシブルスーパーキャパシタのほとんどでは、電極材料を装填するための基材が使用される。一方、電極材料の質量負荷および充填密度は、代表的には、低い。これらの要因はすべて、デバイス全体における電極材料の比を大幅に低下させる恐れがあり、同時に、デバイス全体の総重量および体積を増加させて、デバイス全体の総重量または体積によって正規化すると、比静電容量が低くなる。
本明細書で使用する場合、単数用語「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が特に明確に示さない限り、複数の指示物を含む。したがって、例えば、文脈が特に明確に示さない限り、対象物を言う場合、複数の対象物を含むことができる。
本明細書で使用する場合、用語「一式（ｓｅｔ）」とは、１つまたは複数の対象物の集合を指す。したがって、例えば、一式の対象物は、単一対象物または複数の対象物を含むことができる。
本明細書で使用する場合、用語「実質的に」および「約」は、わずかな変動を記載するため、および説明するために使用される。事象または状況と併せて使用される場合、用語は、事象または状況が正確に起こる例、および事象または状況が近接して起こる例を指すことができる。例えば、数値と併せて使用される場合、用語は、±５％未満もしくはそれに等しい、±４％未満もしくはそれに等しい、±３％未満もしくはそれに等しい、±２％未満もしくはそれに等しい、±１％未満もしくはそれに等しい、±０．５％未満もしくはそれに等しい、±０．１％未満もしくはそれに等しい、または±０．０５％未満もしくはそれに等しいなどの、その数値の±１０％未満またはそれに等しい変動の範囲を指すことができる。
本明細書で使用する場合、用語「接続する」、「接続した」および「接続」とは、カップリング操作または連結操作を指す。接続された対象物は、互いに直接カップリングすることができるか、または別の一式の対象物を介するなどの、互いに間接的にカップリングすることができる。
本明細書で使用する場合、用語「サイズ」とは、対象物の特徴的寸法を指す。したがって、例えば、球状の対象物のサイズは、対象物の直径を指すことができる。非球状である対象物の場合、非球状の対象物のサイズは、対応する球状対象物の直径を指すことができ、この場合、対応する球状対象物は、非球状対象物のものと実質的に同じ、誘導可能または測定可能な特定の一式の特性を示すか、または有する。特定のサイズを有するものとして一式の対象物を指す場合、対象物は、特定のサイズ前後のサイズ分布を有することができることが企図されている。したがって、本明細書で使用する場合、一式の対象物のサイズは、平均サイズ、メジアンサイズまたはピークサイズなどの、サイズ分布の典型的なサイズを指すことができる。
本開示は、その具体的な実施形態を参照しながら記載されているが、添付の特許請求の範囲によって定義されている本開示の真の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われてもよいこと、および等価物に置きかえてもよいことが当業者により理解されるべきである。さらに、多くの修正がなされて、特定の状況、材料、物質の組成物、方法、操作（単数または複数）を、本開示の目的、趣旨および範囲に適合させてもよい。このような修正はすべて、本明細書に添付されている特許請求の範囲内にあることが意図されている。特に、ある特定の方法は、特定の順序で行われる特定の操作を参照して記載され得るが、これらの操作は、本開示の教示から逸脱することなく、合わせても、細分化されても、または再順序付けされ、同等な方法を形成してもよいことが理解されよう。したがって、本明細書において具体的に明記されていない限り、操作の順序および分類化は、本開示の限定ではない。
Claims (18)
- グラフェンをベースとする材料を形成する方法であって、
エッチング液および酸化グラフェンシートを含む混合物を処理するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートの形成をもたらすステップ、
再分散用溶媒中で、前記多孔性酸化グラフェンシートを分散するステップであって、前記多孔性酸化グラフェンシートを含む多孔性酸化グラフェン分散液を得るステップ、および
前記多孔性酸化グラフェン分散液を還元条件下で処理するステップであって、前記多孔性酸化グラフェンシートの、グラフェンをベースとする材料への自己集合をもたらすステップ
を含む、方法。 - 前記エッチング液が過酸化水素である、請求項１に記載の方法。
- 前記多孔性酸化グラフェンシートが前記グラフェンをベースとする材料に自己集合する前に、前記多孔性酸化グラフェンシート上に擬似静電容量材料、電気化学的活性材料または触媒を装填するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記多孔性酸化グラフェンシートが前記グラフェンをベースとする材料に自己集合した後に、前記グラフェンをベースとする材料に擬似静電容量材料、電気化学的活性材料または触媒を組み込むステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- グラフェンをベースとする材料を形成する方法であって、
エッチング液および酸化グラフェンシートを含む混合物を処理するステップであって、多孔性酸化グラフェンシートの形成をもたらすステップ、
再分散用溶媒中で、前記多孔性酸化グラフェンシートを分散するステップであって、多孔性酸化グラフェン分散液を得るステップ、
前記多孔性酸化グラフェン分散液を還元条件下で処理するステップであって、多孔性グラフェンシートを含む多孔性グラフェン分散液を得るステップ、および
前記多孔性グラフェンシートを圧縮に供するステップであって、グラフェンをベースとする材料を得るステップ
を含む、方法。 - 前記エッチング液が過酸化水素である、請求項５に記載の方法。
- 前記多孔性グラフェンシートを圧縮に供するステップが、フィルターにより前記多孔性グラフェン分散液の流れ支援式圧縮を行うステップを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記多孔性グラフェンシートの圧縮前に、前記多孔性グラフェンシート上に擬似静電容量材料、電気化学的活性材料または触媒を装填するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
- 前記多孔性グラフェンシートの圧縮に続いて、前記グラフェンをベースとする材料に擬似静電容量材料、電気化学的活性材料または触媒を組み込むステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
- 溶媒、および前記溶媒中に分散している多孔性酸化グラフェンシートを含む、グラフェンをベースとする材料の分散液。
- 前記多孔性酸化グラフェンシートが、最大約５０ｎｍのサイズの基底面細孔を有する、請求項１０に記載の分散液。
- 前記多孔性酸化グラフェンシートを修飾する無機ナノ構造体をさらに含む、請求項１０に記載の分散液。
- 前記溶媒中に分散している無機ナノ構造体をさらに含む、請求項１０に記載の分散液。
- 溶媒、および前記溶媒中に分散している多孔性グラフェンシートを含む、グラフェンをベースとする材料の分散液。
- 前記多孔性グラフェンシートが、最大約５０ｎｍのサイズの基底面細孔を有する、請求項１４に記載の分散液。
- 前記多孔性グラフェンシートを修飾する無機ナノ構造体をさらに含む、請求項１４に記載の分散液。
- 前記溶媒中に分散している無機ナノ構造体をさらに含む、請求項１４に記載の分散液。
- 請求項１０から１７のいずれかに記載の分散液を使用する方法であって、
前記分散液を含むインク組成物を形成するステップ、および
薄膜を形成するために前記インク組成物をコーティングするステップ
を含む、方法。
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