JP2019112237A - Graphene production method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、グラフェンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of producing graphene.
グラフェンは、sp2炭素から構成される二次元構造を有するものであり、その層数により単層、二層、三層、多層グラフェンなどと呼ばれている。 Graphene has a two-dimensional structure composed of sp 2 carbon, and is called single-layer, two-layer, three-layer, multi-layer graphene or the like depending on the number of layers.
Andre GeimとKonstantin Novoselovらが、2004年に剥離法でグラフェンを単離し、測定した物性を報告し、その業績により2010年にノーベル賞を獲得して以降は、製法、物性、応用等の様々な分野で爆発的に報告がなされるようになった。 Andre Geim and Konstantin Novoselov et al. Reported the physical properties of graphene separated by the exfoliation method in 2004, and measured their properties, and acquired the Nobel Prize in 2010 on the basis of their achievements. After that, various processes, physical properties, applications, etc. It has become explosively reported in the field.
剥離法の他に、CO2還元法、SiC熱分解法、酸化グラフェン、化学蒸着法(CVD)等、様々な製造方法が検討されている。 Besides the exfoliation method, various production methods such as a CO 2 reduction method, a SiC thermal decomposition method, graphene oxide, a chemical vapor deposition method (CVD), and the like have been studied.
大面積で均一なグラフェンを製造する方法として最も有望視されているのは化学蒸着法(CVD)である(特許文献1)。しかしながら、1000℃以上もの加熱が必要であったり、ベースとなる銅表面の均一性が必須であったり、必ずしも簡便な製造方法とは言い難かった。 Chemical vapor deposition (CVD) is considered most promising as a method for producing large-area uniform graphene (Patent Document 1). However, heating up to 1000 ° C. or more is required, uniformity of the base copper surface is essential, and it has been difficult to say that this is a simple manufacturing method.
CO2還元法として、マグネシウムにより、CO2を還元した例が開示されている(非特許文献1)。しかしながら、反応は爆発的に進行するため反応制御は困難であり、得られたグラフェンも10層以上の多層であった。 The example which reduced CO2 by magnesium as a CO2 reduction method is disclosed (nonpatent literature 1). However, since the reaction proceeds explosively, it is difficult to control the reaction, and the obtained graphene is also 10 or more layers.
一方、炭化アルミニウムについても、幾つか報告があった(非特許文献2、非特許文献3)。しかしながら、水、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素で分解したり、反応も酸化被膜の生成により反応完結しないなど使い難い印象を持たれていた。 On the other hand, there have also been some reports on aluminum carbide (Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3). However, it has an impression that it is difficult to use such as decomposition by water, oxygen, carbon monoxide and carbon dioxide, and the reaction is not completed due to the formation of an oxide film.
本発明が解決しようとする課題は、比較的低温で反応完結しうる、比較的低層グラフェンの新規製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a novel method for producing relatively low-layer graphene which can be reacted at relatively low temperature.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討の結果、本発明を完成するに至った。 The present inventors came to complete the present invention as a result of earnest examination in order to solve the above-mentioned subject.
すなわち、本発明は以下の態様を含む。
〔1〕溶媒共存下に、炭化アルミニウムを一酸化炭素またはその前駆体、並びに二酸化炭素またはその前駆体から選ばれる一種または二種以上と反応させることを特徴とする、グラフェンの製造方法。
〔2〕当該溶媒が有機溶媒およびイオン液体からなる群より選ばれる一種または二種以上であることを特徴とする、請求項1記載のグラフェンの製造方法。
〔3〕当該溶媒が有機溶媒であることを特徴とする、請求項1または2に記載のグラフェンの製造方法。
〔4〕当該溶媒がジメチルホルムアミド、エタノール、アセトニトリル、2−プロパノール、メチルターシャリブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、およびメタノールからなる群より選ばれる一種または二種以上であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
〔5〕当該溶媒がジメチルホルムアミド、およびエタノールからなる群より選ばれる一種または二種以上であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
〔6〕当該溶媒がジメチルホルムアミドであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
〔7〕当該反応の温度が−100℃〜300℃であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
〔8〕当該反応の温度が−20℃〜100℃であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法。
〔9〕請求項1〜8のいずれか一項に記載のグラフェンの製造方法により得られたグラフェン。
〔10〕請求項9に記載のグラフェンを含有する製造物。
That is, the present invention includes the following aspects.
[1] A method for producing graphene, comprising reacting aluminum carbide with one or more selected from carbon monoxide or a precursor thereof and carbon dioxide or a precursor thereof in the presence of a solvent.
[2] The method for producing graphene according to claim 1, wherein the solvent is one or more selected from the group consisting of an organic solvent and an ionic liquid.
[3] The method for producing graphene according to claim 1 or 2, wherein the solvent is an organic solvent.
[4] The solvent is one or more selected from the group consisting of dimethylformamide, ethanol, acetonitrile, 2-propanol, methyl tert-butyl ether, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, and methanol. The manufacturing method of the graphene as described in any one of 1-3.
[5] The method for producing graphene according to any one of claims 1 to 4, wherein the solvent is one or more selected from the group consisting of dimethylformamide and ethanol.
[6] The method for producing graphene according to any one of claims 1 to 5, wherein the solvent is dimethylformamide.
[7] The method for producing graphene according to any one of claims 1 to 6, wherein the temperature of the reaction is −100 ° C. to 300 ° C.
[8] The method for producing graphene according to any one of claims 1 to 7, wherein the temperature of the reaction is −20 ° C. to 100 ° C.
[9] Graphene obtained by the method for producing graphene according to any one of claims 1 to 8.
[10] A product containing graphene according to claim 9.
本発明の方法により、比較的低層グラフェンを、比較的低温(例えば、常温付近など)の温度帯で、簡便に製造可能になった。また、CO2還元法を温度、反応制御して、層数制御できるようになった。また、溶媒使用により、沈殿している原料と副生物から、分離して生成物であるグラフェンを浮遊または膜として分離させられるようになったことは意義深い。 According to the method of the present invention, relatively low-layer graphene can be easily produced at a relatively low temperature (for example, around normal temperature and the like). In addition, the number of layers can be controlled by controlling the temperature and reaction of the CO 2 reduction method. In addition, it is significant that the use of a solvent makes it possible to separate graphene as a product from floating raw materials and by-products so as to be suspended or separated as a film.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の第一の態様は、溶媒共存下に、炭化アルミニウムと、一酸化炭素またはその前駆体、並びに二酸化炭素またはその前駆体から選ばれる一種または二種以上とを反応させることを特徴とする、グラフェンの製造方法、である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The first aspect of the present invention is characterized in that aluminum carbide is reacted with one or more selected from carbon monoxide or a precursor thereof and carbon dioxide or a precursor thereof in the presence of a solvent. , A method of producing graphene.
本発明で使用される、炭化アルミニウムとしては、反応が進行する限り、特に限定されない。例えば、粉末状、粒状、薄膜状、反応物として系中で発生したもの、等が挙げられる。溶媒への溶解性が良好という観点から、粉末状、系中で発生させたものが好ましい。 The aluminum carbide used in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. For example, powders, granules, thin films, those generated in the system as a reactant, and the like can be mentioned. From the viewpoint of good solubility in a solvent, powdery ones generated in a system are preferable.
本発明で使用される、一酸化炭素またはその前駆体(以下、一酸化炭素等、と略す)としては、一酸化炭素ガスおよび系中反応により一酸化炭素を発生しうるものであれば、特に限定されない。例えば、一酸化炭素ガス; ヘキサカルボニルタングステン、ヘキサカルボニルモリブデン、オクタカルボニルジコバルト、テトラカルボニルニッケル、ペンタカルボニル鉄、等の金属カルボニル; 等、が挙げられる。これらは一種または二種以上を使用しても構わない。これらの中でも、不純物除去等が不要でクリーンな系であるという観点で、一酸化炭素ガスが好ましい。 As carbon monoxide or a precursor thereof (hereinafter abbreviated as carbon monoxide etc.) used in the present invention, carbon monoxide gas and those which can generate carbon monoxide by reaction in the system are particularly preferable. It is not limited. For example, metal carbonyl such as carbon monoxide gas; hexacarbonyl tungsten, hexacarbonyl molybdenum, octacarbonyl dicobalt, tetracarbonyl nickel, pentacarbonyl iron and the like; and the like can be mentioned. One or more of these may be used. Among these, carbon monoxide gas is preferable from the viewpoint of being a clean system that does not require removal of impurities and the like.
本発明で使用される一酸化炭素ガスの全気体中における濃度下限値としては、反応が進行すれば特に限定されない。円滑に反応が進行するという観点で、300ppbが好ましく、500ppbがより好ましく、1ppmが更に好ましく、100ppmが更に一層好ましく、0.01%が殊更好ましく、1%が特に好ましい。 The lower limit value of the concentration of carbon monoxide gas in the entire gas used in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of smooth progress of the reaction, 300 ppb is preferable, 500 ppb is more preferable, 1 ppm is more preferable, 100 ppm is still more preferable, 0.01% is particularly preferable, and 1% is particularly preferable.
本発明で使用される一酸化炭素ガスの全気体中における濃度上限値としては、反応が進行すれば特に限定されない。円滑に反応が進行するという観点で、50%が好ましく、60%がより好ましく、70%が更に好ましく、80%が更に一層好ましく、90%が殊更好ましく、100%が特に好ましい。 The upper limit of the concentration of carbon monoxide gas in the entire gas used in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of smooth progress of the reaction, 50% is preferable, 60% is more preferable, 70% is more preferable, 80% is still more preferable, 90% is particularly preferable, and 100% is particularly preferable.
本発明で使用される、二酸化炭素またはその前駆体(以下、二酸化炭素等、と略す)としては、二酸化炭素ガスおよび系中反応により二酸化炭素を発生しうるものであれば、特に限定されない。例えば、二酸化炭素ガス; 炭酸アンモニウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、炭酸鉄、炭酸銅、炭酸銀、等の炭酸塩; 炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジフェニル、等の炭酸エステル; 等が挙げられる。これらは一種または二種以上を使用しても構わない。これらの中でも、不純物除去等が不要でクリーンな系あるいは高品質のグラフェンが得られるという観点で、二酸化炭素ガス、炭酸エステルが好ましく、二酸化炭素ガス、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジフェニルがより好ましく、二酸化炭素ガス、炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸ジフェニルが更に好ましく、炭酸ジエチル、炭酸ジフェニルが更に一層好ましく、炭酸ジエチル、炭酸ジフェニルが特に好ましい。 The carbon dioxide or a precursor thereof (hereinafter abbreviated as carbon dioxide etc.) used in the present invention is not particularly limited as long as it can generate carbon dioxide by carbon dioxide gas and a reaction in the system. For example, carbon dioxide gas; carbonates such as ammonium carbonate, lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, calcium carbonate, barium carbonate, magnesium carbonate, iron carbonate, copper carbonate, silver carbonate, etc .; dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate, Carbonates such as propylene carbonate and diphenyl carbonate; and the like. One or more of these may be used. Among these, carbon dioxide gas and carbonate are preferable from the viewpoint that clean system or high quality graphene can be obtained without removing impurities and the like, carbon dioxide gas, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, Diphenyl carbonate is more preferable, carbon dioxide gas, diethyl carbonate, ethylene carbonate and diphenyl carbonate are more preferable, diethyl carbonate and diphenyl carbonate are still more preferable, and diethyl carbonate and diphenyl carbonate are particularly preferable.
本発明で使用される二酸化炭素ガスの全気体中における濃度下限値としては、反応が進行すれば特に限定されない。円滑に反応が進行するという観点で、400ppmが好ましく、600ppmがより好ましく、1000ppmが更に好ましく、10000ppmが更に一層好ましく、0.1%が殊更好ましく、1%が特に好ましい。 The lower limit value of the concentration of carbon dioxide gas in the entire gas used in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of smooth progress of the reaction, 400 ppm is preferable, 600 ppm is more preferable, 1000 ppm is more preferable, 10000 ppm is still more preferable, 0.1% is particularly preferable, and 1% is particularly preferable.
本発明で使用される二酸化炭素ガスの全気体中における濃度上限値としては、反応が進行すれば特に限定されない。円滑に反応が進行するという観点で、50%が好ましく、60%がより好ましく、70%が更に好ましく、80%が更に一層好ましく、90%が殊更好ましく、100%が特に好ましい。 The upper limit of the concentration of carbon dioxide gas in the entire gas used in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of smooth progress of the reaction, 50% is preferable, 60% is more preferable, 70% is more preferable, 80% is still more preferable, 90% is particularly preferable, and 100% is particularly preferable.
本発明で使用される溶媒としては、反応が進行する限り、特に限定されず、使用する条件(圧力、温度等)において、液状を示すものは広くこの範疇に属すものである。例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等のアルコール; アセトン、メチルエチルケトン等のケトン; ジエチルエーテル、メチルターシャリブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル; ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、等のアルカン; ベンゼン、トルエン、キシレン、等の芳香族溶媒; ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、等のアミド系溶媒、アセトニトリル; ジメチルスルホキシド; 等の有機溶媒;; 水;; アンモニウム、ピリジニウム、ピペリジニウム、モルホリニウム、ベンゾトリアゾリニウム、ピラゾニウム、ピロリジニウム、ピロリニウム、イミダゾリウム、ホスホニウム、スルホニウム等のカチオンと、AlCl4 −、NO2 −、NO3 −、I−、BF4 −、PF6 −、AsF6 −、SbF6 −、NbF6 −、TaF6 −、F(HF)2.3 −、p-CH3PhSO3 −、CH3CO2 − 、CF3CO2 −、CH3SO3 − 、CF3SO3 −、(CF3SO2)3C−、C3F7CO2 −、C4F9SO3 −、(CF3SO2)2N−、(C2F5 SO2)2N−、(CF3 SO2)(CF3CO2)N−、(CN)2N−、等のアニオン、とからなるイオン液体;; 等が挙げられる。これらは一種または二種以上を使用しても構わない。
なお、イオン液体に使用されるカチオンとしては、それぞれのアニオンとの組み合わせにおいて、液状を示すものでありさえすれば、置換基を複数有していても構わない。
また、炭酸エステルと水とを混合使用する場合は、炭化アルミニウムの分解可能性を考慮して、炭酸エステルに対して等モル、または、等モル未満の水を使用する方が好ましい。
The solvent used in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds, and those showing a liquid state under the conditions (pressure, temperature, etc.) to be used fall widely in this category. For example, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol and t-butanol; ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; ethers such as diethyl ether, methyl tertiary butyl ether, tetrahydrofuran and dioxane Alkanes such as pentane, hexane, heptane, octane, etc .; aromatic solvents such as benzene, toluene, xylene etc .; amide solvents such as dimethylformamide, dimethylacetamide etc .; acetonitrile; organic solvents such as dimethylsulfoxide; Ammonium, pyridinium, piperidinium, morpholinium, benzotriazolium, pyrazolium, pyrrolidinium, pyrrolinium, imidazolium, phosphonium, sulfonium, etc. And thione, AlCl 4 -, NO 2 - , NO 3 -, I -, BF 4 -, PF 6 -, AsF 6 -, SbF 6 -, NbF 6 -, TaF 6 -, F (HF) 2.3 -, p -CH 3 PhSO 3 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 SO 3 -, CF 3 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 3 C -, C 3 F 7 CO 2 -, C 4 F 9 SO 3 − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − , (CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO 2 ) N − , (CN) 2 N − And the like, and an ionic liquid comprising; and the like. One or more of these may be used.
In addition, as a cation used for an ionic liquid, as long as it shows liquid state in combination with each anion, you may have multiple substituents.
In the case of using carbonate ester and water in combination, it is preferable to use equimolar or less equimolar water to carbonate ester in consideration of decomposability of aluminum carbide.
本発明で使用される溶媒の由来は問わず、別途系に添加しても、反応により生成したものを利用しても、別途添加したものから持ち込まれたものでも構わない。 The source of the solvent used in the present invention is not limited, and it may be added to the system separately, or may be one produced from the reaction, or one introduced from a separately added one.
これらの中でも、生成するグラフェンがより低層になりうるという観点で、有機溶媒、イオン液体が好ましく、有機溶媒がより好ましく、ジメチルホルムアミド、エタノール、アセトニトリル、2−プロパノール、メチルターシャリブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、メタノールが更に好ましく、ジメチルホルムアミド、エタノール、アセトニトリル、2−プロパノール、メチルターシャリブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシドが更に一層好ましく、ジメチルホルムアミド、エタノールアセトニトリル、2−プロパノールが殊更好ましく、ジメチルホルムアミドが特に好ましい。 Among these, organic solvents and ionic liquids are preferable, and organic solvents are more preferable, from the viewpoint that the graphene to be formed may be a lower layer, and dimethylformamide, ethanol, acetonitrile, 2-propanol, methyl tertiary butyl ether, tetrahydrofuran, dimethylate are more preferable. Sulfoxide and methanol are more preferred, dimethylformamide, ethanol, acetonitrile, 2-propanol, methyl tertiary butyl ether, tetrahydrofuran and dimethyl sulfoxide are even more preferred, dimethylformamide, ethanol acetonitrile and 2-propanol are particularly preferred, and dimethylformamide is particularly preferred .
溶媒種によって層状態が異なるのは、炭化アルミニウムを溶解力の違い、または、溶媒和したときの構造の違いが要因と考えている。 It is considered that the difference in the layer state depending on the solvent type is due to the difference in the solvency of aluminum carbide or the difference in the structure upon solvation.
本発明で使用される一酸化炭素等、そして/または、二酸化炭素等の炭化アルミニウムに対する使用量の下限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。所定の時間での反応性を確保するという観点で、0.0001モル当量が好ましく、0.001モル当量がより好ましく、0.01モル当量が更に好ましく、0.1モル当量が更に一層好ましい。 The lower limit of the amount used for carbon monoxide and the like and / or aluminum carbide such as carbon dioxide used in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of securing the reactivity in a predetermined time, 0.0001 molar equivalent is preferable, 0.001 molar equivalent is more preferable, 0.01 molar equivalent is more preferable, and 0.1 molar equivalent is still more preferable.
本発明で使用される一酸化炭素等、そして/または、二酸化炭素等の炭化アルミニウムに対する使用量の上限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。資源節約の観点から、10000モル当量が好ましく、1000モル当量がより好ましく、100モル当量が更に好ましく、10モル当量が更に一層好ましく、2モル当量が殊更好ましく、1モル当量が特に好ましい。 The upper limit of the amount used for carbon monoxide and the like and / or aluminum carbide such as carbon dioxide used in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of resource saving, 10000 molar equivalents are preferable, 1000 molar equivalents are more preferable, 100 molar equivalents is more preferable, 10 molar equivalents is still more preferable, 2 molar equivalents is particularly preferable, and 1 molar equivalent is particularly preferable.
本発明で使用される炭化アルミニウムの溶媒に対する濃度の下限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。膜形成が成立しやすいという観点で、1x10-23質量%が好ましく、0.0001質量%がより好ましく、0.001質量%が更に好ましく、0.01質量%が更に一層好ましく、0.1質量%が殊更好ましい。 The lower limit value of the concentration of the aluminum carbide used in the present invention to the solvent is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of easily forming a film, 1 × 10 −23 mass% is preferable, 0.0001 mass% is more preferable, 0.001 mass% is more preferable, 0.01 mass% is still more preferable, and 0.1 mass % Is particularly preferred.
本発明で使用される炭化アルミニウムの溶媒に対する濃度の上限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。原料と生成物との分離が良好であるという観点から、99.999999質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、50質量%が更に好ましく、30質量%が更に一層好ましく、10質量%が殊更好ましい。 The upper limit value of the concentration of the aluminum carbide used in the present invention to the solvent is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of good separation of the raw material and the product, 99.999999 mass% is preferable, 70 mass% is more preferable, 50 mass% is more preferable, 30 mass% is still more preferable, 10 mass% is particularly preferable preferable.
本発明の反応温度の下限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。反応完結までの時間管理しやすいという観点で、−273℃が好ましく、−100℃がより好ましく、−40℃が更に好ましく、−20℃が更に一層好ましく、0℃が殊更好ましく、10℃が特に好ましい。 The lower limit value of the reaction temperature of the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of easy control of the time until completion of the reaction, -273 ° C is preferable, -100 ° C is more preferable, -40 ° C is more preferable, -20 ° C is still more preferable, 0 ° C is particularly preferable, and 10 ° C is particularly preferable preferable.
本発明の反応温度の上限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。反応完結までの時間管理しやすく省資源であるという観点で、1000℃が好ましく、500℃がより好ましく、300℃が更に好ましく、200℃が更に一層好ましく、150℃が殊更好ましく、100℃が特に好ましい。 The upper limit of the reaction temperature of the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. The time until reaction completion is easy to manage, it is preferably 1000 ° C., more preferably 500 ° C., still more preferably 300 ° C., still more preferably 200 ° C., particularly preferably 150 ° C., particularly preferably 100 ° C. preferable.
本発明の反応圧力の下限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。反応管理がしやすく効率生産可能であるという観点で、1x10-23パスカルが好ましく、10パスカルがより好ましく、100パスカルが更に好ましく、1000パスカルが更に一層好ましい。 The lower limit value of the reaction pressure in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of easy reaction management and efficient production, 1 × 10 -23 Pascal is preferable, 10 Pascal is more preferable, 100 Pascal is more preferable, and 1000 Pascal is still more preferable.
本発明の反応圧力の上限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。反応管理がしやすく効率生産可能であるという観点で、1x1020パスカルが好ましく、1x1010パスカルがより好ましく、1x109パスカルが更に好ましく、1x108パスカルが更に一層好ましく、1x107パスカルが特に好ましい。 The upper limit of the reaction pressure in the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of easy reaction management and efficient production, 1 × 10 20 Pascals is preferable, 1 × 10 10 Pascals is more preferable, 1 × 10 9 Pascals is more preferable, 1 × 10 8 Pascals is further more preferable, and 1 × 10 7 Pascals is particularly preferable.
本発明の反応時間の下限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。生産性と反応管理がしやすいという観点で、1時間が好ましく、1分がより好ましく、1秒が更に好ましく、0.01秒が更に一層好ましく、0.0001秒が殊更好ましく、1x10-23秒が特に好ましい。 The lower limit value of the reaction time of the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of productivity and easy reaction control, 1 hour is preferable, 1 minute is more preferable, 1 second is more preferable, 0.01 second is still more preferable, 0.0001 second is particularly preferable, 1 × 10 -23 seconds Is particularly preferred.
本発明の反応時間の上限値としては、反応が進行する限り、特に限定されない。生産性と反応管理がしやすいという観点で、1x1020時間が好ましく、200時間がより好ましく、100時間が更に好ましく、10時間が更に一層好ましく、1時間が特に好ましい。 The upper limit of the reaction time of the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. From the viewpoint of productivity and easy reaction management, 1 × 10 20 hours is preferable, 200 hours is more preferable, 100 hours is further preferable, 10 hours is still more preferable, and 1 hour is particularly preferable.
本発明の反応方式は、反応が進行する限り、特に限定されない。例えば、流動方式、撹拌方式、静置方式、が挙げられる。これらの中でも、成膜性が良好であるという観点では、撹拌方式、静置方式の方が好ましく、静置方式がより好ましい。炭化アルミニウム原料同士や撹拌羽や器壁との接触等により反応完結性が良好であるという観点では、流動方式、撹拌方式が好ましく、撹拌方式がより好ましい。反応完結と成膜の両立可能という観点では、速度を下げて静置方式に近づけた流動方式や撹拌方式が更に好ましい。 The reaction system of the present invention is not particularly limited as long as the reaction proceeds. For example, a fluid system, a stirring system, and a stationary system are mentioned. Among these, from the viewpoint of good film formability, the stirring method and the stationary method are preferable, and the stationary method is more preferable. From the viewpoint that reaction completeness is good due to contact between aluminum carbide raw materials, stirring blades, and vessel walls, the flow method and the stirring method are preferable, and the stirring method is more preferable. From the viewpoint of achieving both reaction completion and film formation, it is more preferable to use a flow method or a stirring method in which the speed is lowered to approach a stationary method.
本発明の系内には、反応に影響を与えない限り、各種添加物を使用しても構わない。 Various additives may be used in the system of the present invention as long as the reaction is not affected.
本発明の系内には、その表面上で結晶成長を促す目的で、各種フィルムや、金属等を共存させても構わない。 In the system of the present invention, various films, metals and the like may be coexistent for the purpose of promoting crystal growth on the surface.
本発明により得られたグラフェンは、ラケット、シャフト、ロッド、ハンモック、スピーカ、等々の日用品; トランジスタ等の半導体、太陽電池、薄膜電池等の電池、キャパシタ、導電材、複合材、透明電極、タッチパネル、配線、等々の電子部品; 自動車車体、電車車体、航空機機体、船舶船体、等々の輸送機器; 橋梁、ビル、ダム、堤防等々の構造物; 等の製造物として使用可能である。 Graphene obtained by the present invention is a racket, a shaft, a rod, a hammock, a speaker, and other such daily items; semiconductors such as transistors; batteries such as solar cells and thin film batteries; capacitors; conductive materials; composite materials; It can be used as a product of wiring, electronic parts of etc .; transportation equipment of automobile body, train body, aircraft body, ship hull etc., structures of bridges, buildings, dams, levees etc., etc.
以下、実施例により、本発明を更に詳細に説明するが、本発明は本実施例により限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited by the examples.
〔評価方法〕
1.層数評価
生成物をJASCO社製NRS-4100によりレーザーラマンスペクトル測定した。Dバンド(1340cm−1付近)、Gバンド(1580cm−1付近)、2Dバンド(2680cm−1付近)の強度を読み取り、それぞれID、IG、I2Dとした。そして、I2D/IGが、1.1以上で◎、1.1未満1.0以上で○、1.0未満0.5以上で△、0.5未満で▲、と評価した。なお、通例、比が2付近で単層、1付近で二層、0.5付近で三層、0.5未満では四層以上と見做されている。
2.結晶化度評価
上記同様にして、ID/(ID+IG+I2D)を求め、10%未満で◎、10%以上20%未満で○、20%以上31%未満で△、31%以上で▲、と評価した。
3.反応完結度評価
上記同様にして、原料である炭化アルミニウムの最大ピーク強度IA(860cm−1)とした。IA/(IG+I2D)とした場合に、1未満のものを○、1以上のものを×と評価した。
〔Evaluation method〕
1. Layer number evaluation The product was measured by laser Raman spectrum using NAS-4100 manufactured by JASCO. The intensities of the D band (around 1340 cm-1), the G band (around 1580 cm-1), and the 2D band (around 2680 cm-1) were read and used as I D , I G , and I 2 D , respectively. Then, I 2 D / I G was evaluated as ◎ at 1.1 or more, 未 満 at less than 1.1 at 1.0 or more, ○ at less than 1.0, and 0.5 or more at 、 0.5 0.5. In general, the ratio is considered to be a single layer in the vicinity of 2, two layers in the vicinity of 1, three layers in the vicinity of 0.5, and four layers or less in the vicinity of 0.5.
2. Evaluation of Crystallinity Degree In the same manner as above, I D / (I D + I G + I 2 D ) is determined, ◎ less than 10%, で at 10% or more and less than 20% ○, Δ at 20% or more and less than 31%, 31% or more It was evaluated as ▲.
3. Evaluation of Reaction Completeness In the same manner as described above, the maximum peak intensity IA (860 cm −1) of the raw material aluminum carbide was obtained. In the case of I A / (I G + I 2D ), those less than 1 were evaluated as ○, and 1 or more as x.
〔比較例1〕
グローブボックス中で窒素置換後、スライドガラス上に、炭化アルミニウム11.3mg(78.5μmol)採取し、密閉性の低い蓋つきのプラスチックケース(100mmx60mmx25mm)で軽く養生して、ジッパー付きポリ袋に入れジッパーを閉じた。このポリ袋を取り出し、10Lデシケータに移し、二酸化炭素ガス置換を3回後、ポリ袋のジッパーを開け、再度二酸化炭素ガス置換を3回繰り返した。そして、デシケータを閉じた系として、室温で115時間放置後、固形物をサンプリングし、レーザーラマンスペクトルを測定したところ、炭化アルミニウムピークがメインピークとして、一部グラフェン生成を確認するに留まった。
Comparative Example 1
After nitrogen replacement in a glove box, 11.3 mg (78.5 μmol) of aluminum carbide is collected on a glass slide, lightly cured in a plastic case (100 mm x 60 mm x 25 mm) with a low sealing property, and put in a zippered plastic bag Closed. The plastic bag was taken out and transferred to a 10 L desiccator, and after carbon dioxide gas replacement three times, the zipper of the plastic bag was opened and carbon dioxide gas replacement was repeated again three times. Then, after standing for 115 hours at room temperature as a closed system of the desiccator, a solid substance was sampled and a laser Raman spectrum was measured. As a result, the aluminum carbide peak remained as a main peak and partially confirmed graphene formation.
〔実施例1〕 溶媒検討
グローブボックス中で窒素置換後、容器に炭化アルミニウム100mg(0.69mmol)を採取し、炭酸ジエチル246mg(2.08mmol、3.0モル当量 vs 炭化アルミニウム)と、水37.5mg(2.08mmol、3.0モル当量 vs 炭化アルミニウム)を含んだジメチルホルムアミド1mLとを順次添加し、撹拌子を加えてテフロンシールを3周させて蓋をした。この容器をグローブボックスから取り出し、室温にて94時間マグネティックスターラーで撹拌後、黒色系浮遊物をサンプリングし、ラマンスペクトルを測定したところ、炭化アルミニウムピークの共存しない、グラフェンの生成を確認できた。
[Example 1] Solvent examination After nitrogen substitution in a glove box, 100 mg (0.69 mmol) of aluminum carbide is collected in a container, and 246 mg (2.08 mmol, 3.0 molar equivalents vs. aluminum carbide) of diethyl carbonate and water 37 1 mL of dimethylformamide containing 5 mg (2.08 mmol, 3.0 molar equivalents vs. aluminum carbide) was sequentially added, a stir bar was added, and the Teflon seal was covered 3 times to cover. The container was taken out of the glove box and stirred with a magnetic stirrer at room temperature for 94 hours, and then the black suspension was sampled and the Raman spectrum was measured. As a result, generation of graphene without the coexistence of aluminum carbide peak could be confirmed.
〔実施例2〜8〕
実施例1において、ジメチルホルムアミドを各種溶媒に変更し、それぞれの時間反応させ、同様な操作を行った。結果を表1に示す。
これらの結果から、ジメチルホルムアミドの場合に、特に単層グラフェンの生成が確認できた。また、他の溶媒を使用しても、軒並み、反応完結度が高く、三層以下のグラフェン生成が確認できた。
[Examples 2 to 8]
In Example 1, dimethylformamide was changed to various solvents, reacted for each time, and the same operation was performed. The results are shown in Table 1.
From these results, particularly in the case of dimethylformamide, formation of single-layer graphene could be confirmed. In addition, even if other solvents were used, the completeness of reaction was high in all the houses, and formation of graphene having three or less layers was confirmed.
〔実施例9〕
グローブボックス中で窒素置換後、容器に炭化アルミニウム100mg(0.69mmol)を採取し、炭酸ジエチル246.3mg(2.08mmol、3.0モル当量 vs 炭化アルミニウム)と、水37.5mg(2.08mmol、3.0モル当量 vs 炭化アルミニウム)を含んだ1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド1mLとを順次添加し、撹拌子を加えてテフロンシールを3周させて蓋をした。この容器をグローブボックスから取り出し、室温にて89時間マグネティックスターラーで撹拌後、黒色系浮遊物をサンプリングし、ラマンスペクトルを測定したところ、グラフェンの生成を確認できた。
(I2D/IG=1.01、 ID/(ID+IG+I2D)=5%)
[Example 9]
After nitrogen substitution in a glove box, 100 mg (0.69 mmol) of aluminum carbide is collected in a container, and 246.3 mg (2.08 mmol, 3.0 molar equivalents vs. aluminum carbide) of diethyl carbonate and 37.5 mg of water (2. Add 1 mL of 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide containing 08 mmol, 3.0 molar equivalents vs. aluminum carbide), add a stir bar, cover the Teflon seal 3 times and cover Did. The container was taken out of the glove box and stirred with a magnetic stirrer for 89 hours at room temperature, and then the black suspension was sampled and the Raman spectrum was measured. As a result, it was possible to confirm the formation of graphene.
(I 2D / I G = 1.01, I D / (I D + I G + I 2D ) = 5%)
〔実施例10〕
グローブボックス中で窒素置換後、容器に炭化アルミニウム9.9mg(68.8μmol)を採取し、炭酸ジフェニル444.6mg(2.08mmol、30.2モル当量 vs 炭化アルミニウム)とジメチルホルムアミド1mLとを順次添加し、撹拌子を加えてテフロンシールを3周させて蓋をした。この容器をグローブボックスから取り出し、室温にて90時間マグネティックスターラーで撹拌した。サンプリングし、ラマンスペクトルを測定したところ、グラフェンの生成を確認できた。
(I2D/IG=2.24、 ID/(ID+IG+I2D)=7%)
[Example 10]
After nitrogen substitution in a glove box, 9.9 mg (68.8 μmol) of aluminum carbide is collected in a container, and 444.6 mg (2.08 mmol, 30.2 molar equivalent vs. aluminum carbide) of diphenyl carbonate and 1 mL of dimethylformamide are sequentially obtained. The solution was added, a stirrer was added, and the Teflon seal was covered 3 times to cover. The vessel was removed from the glove box and stirred with a magnetic stirrer for 90 hours at room temperature. As a result of sampling and measurement of a Raman spectrum, generation of graphene could be confirmed.
(I 2D / I G = 2.24, I D / (I D + I G + I 2D ) = 7%)
〔実施例11〕
ヘキサカルボニルタングステン488.7mg(1.39mmol、2.01モル当量 vs 炭化アルミニウム)を採取した容器に、グローブボックス中で窒素置換後、薬包紙で測り取った炭化アルミニウム100mg(0.69mmol)を入れ、アセトニトリル171.2mg(4.17mmol、6.04モル当量 vs 炭化アルミニウム)のテトラヒドロフラン1.0ml溶液を添加し、撹拌子も加えて蓋をした。この容器をグローブボックスから取り出し、室温にて91時間マグネティックスターラーで撹拌した。サンプリングし、ラマンスペクトルを測定したところ、グラフェンの生成を確認できた。
(I2D/IG=0.64、 ID/(ID+IG+I2D)=19%)
[Example 11]
In a container from which 488.7 mg (1.39 mmol, 2.01 molar equivalents vs. aluminum carbide) of hexacarbonyl tungsten was collected, after replacing with nitrogen in a glove box, 100 mg (0.69 mmol) of aluminum carbide measured with a medicine sheet was placed, A solution of 171.2 mg of acetonitrile (4.17 mmol, 6.04 molar equivalent vs. aluminum carbide) in 1.0 ml of tetrahydrofuran was added and a stir bar was also added to cap. The vessel was removed from the glove box and magnetically stirred at room temperature for 91 hours. As a result of sampling and measurement of a Raman spectrum, generation of graphene could be confirmed.
(I 2D / I G = 0.64, I D / (I D + I G + I 2D ) = 19%)
本発明により得られたグラフェンは、ラケット、シャフト、ロッド、ハンモック、スピーカ、等々の日用品; トランジスタ等の半導体、太陽電池、薄膜電池等の電池、キャパシタ、導電材、複合材、透明電極、タッチパネル、配線、等々の電子部品; 自動車車体、電車車体、航空機機体、船舶船体、等々の輸送機器; 橋梁、ビル、ダム、堤防等々の構造物; 等の製造物として使用可能になったことは意義深い。
Graphene obtained by the present invention is a racket, a shaft, a rod, a hammock, a speaker, and other such daily items; semiconductors such as transistors; batteries such as solar cells and thin film batteries; capacitors; conductive materials; composite materials; Electronic parts for wiring, etc .; Transportation equipment for automobile bodies, train bodies, aircraft bodies, ship hulls, etc .; Structures for bridges, buildings, dams, levees, etc .; .
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