JP2020132489A - Production method of carbon material, carbon material, and carbon material composition - Google Patents

Production method of carbon material, carbon material, and carbon material composition Download PDF

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Abstract

To provide a novel carbon material: having a structure similar to graphene from the viewpoint of crystal structure; while having a structure nearly identical to reduction type graphene oxide in terms of being a nearly monolayer oxygen-containing carbon material, being different from reduction type graphene oxide in terms of practically containing no element other than carbon and oxygen and also being different from graphite from the viewpoint of crystal structure; having a very low ratio of the content of contaminants such as nitrogen, sulfur, phosphorus and a metal other than an alkali metal; and being able to exist also in a shape different from a film (typically in a bulk state), further, to provide a novel carbon material composition including such a novel carbon material, and to provide a production method of such a novel carbon material.SOLUTION: In a production method of a carbon material of the invention, an aromatic ring-containing compound (A) with molecular weight of 500 or less and constituted of carbon, hydrogen, and oxygen is calcined at a temperature of 700°C or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、炭素材料の製造方法、炭素材料、および炭素材料組成物に関する。 The present invention relates to a method for producing a carbon material, a carbon material, and a carbon material composition.

近年、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト、グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化グラフェン、人造黒鉛、カーボンブラックなどの炭素材料は、それぞれ、その特徴的な物性に起因して、各種分野における新規な機能性材料として期待されている(例えば、非特許文献1−3)。 In recent years, carbon materials such as carbon nanotubes, fullerene, graphite, graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, artificial graphite, and carbon black have been made into new functional materials in various fields due to their characteristic physical properties. (For example, Non-Patent Documents 1-3).

グラフェンは2次元シート状の炭素材料であり、sp2炭素による六員環で敷き詰められた構造をしている。グラファイトは、通常、2次元シート状のグラフェン同士がファンデルワールス力で結合した2層以上の積層構造をしているものを指すが、1層のグラファイトをグラフェンと称することもある。 Graphene is a two-dimensional sheet-like carbon material, and has a structure in which a six-membered ring made of sp2 carbon is spread. Graphite usually refers to a graphene having a laminated structure of two or more layers in which two-dimensional sheet-shaped graphenes are bonded to each other by van der Waals force, but one layer of graphite may be referred to as graphene.

グラフェンの存在は古くから知られていたが、グラファイトから1枚のグラフェンを取り出す方法は最近まで確立されていなかった。2004年になって、高配向性の無水グラファイトの表面を粘着テープで剥離し、剥離したものを基板の上に貼り付ける方法によってグラフェンの薄片を取り出せることが見出され、その後、大量生産や低コスト生産を目指して、CVD(化学気相蒸着製膜法)などの気相製膜法によるグラフェンの製造方法や、酸化グラフェン(GO)の還元法によるグラフェン(還元型酸化グラフェン:RGO)の製造方法が検討されている。 The existence of graphene has been known for a long time, but until recently, a method for extracting a single graphene from graphite has not been established. In 2004, it was discovered that graphene flakes could be taken out by peeling the surface of highly oriented anhydrous graphite with adhesive tape and sticking the peeled material on the substrate, and then mass production and low Aiming at cost production, graphene production method by vapor phase film formation method such as CVD (chemical vapor deposition film formation method) and graphene (reduced graphene oxide: RGO) production by reduction method of graphene oxide (GO) The method is being considered.

しかし、CVD(化学気相蒸着製膜法)などの気相製膜法によるグラフェンの製造方法は、膜以外の形状(代表的には、バルク状)として得ることができないという問題、可燃性ガスを使用しなければならないという問題、Cu等の触媒性能を有する金属基板上に製膜させるため、金属が不純物として含有してしまうという問題がある。 However, the method for producing graphene by a vapor phase film forming method such as CVD (chemical vapor deposition film forming method) has a problem that it cannot be obtained as a shape other than a film (typically, a bulk shape), and a flammable gas. There is a problem that the metal must be used, and there is a problem that the metal is contained as an impurity because the film is formed on a metal substrate having catalytic performance such as Cu.

一方、酸化グラフェン(GO)の還元法によるグラフェン(還元型酸化グラフェン:RGO)の製造方法は、上記問題を解決し得る可能性がある製造方法として、近年、検討がなされている。 On the other hand, a method for producing graphene (reduced graphene oxide: RGO) by a reduction method for graphene oxide (GO) has been studied in recent years as a production method having the potential to solve the above problems.

還元型酸化グラフェン(RGO)は、代表的には、黒鉛の酸化によって酸化グラフェンを製造し、得られる酸化グラフェンを還元することによって製造し得る。しかし、この製造方法では、酸化剤や還元剤や触媒に由来する窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などが不純物として混入し、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が低下して、高純度の還元型酸化グラフェンが得られ難いという問題がある。 Reduced graphene oxide (RGO) can typically be produced by producing graphene oxide by oxidizing graphite and reducing the resulting graphene oxide. However, in this production method, nitrogen, sulfur, phosphorus, and metals other than alkali metals derived from oxidizing agents, reducing agents, and catalysts are mixed as impurities, and the total content ratio of carbon and oxygen in all elements decreases. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a high-purity reduced graphene oxide.

なお、可燃性ガスを使用することなくグラファイト膜を簡便に製造する方法が最近報告されている(特許文献1)。しかし、このグラファイト膜も、膜以外の形状(代表的には、バルク状)として得ることができないという問題がある。 A method for easily producing a graphite film without using a flammable gas has recently been reported (Patent Document 1). However, this graphite film also has a problem that it cannot be obtained as a shape other than the film (typically, a bulk shape).

特開2017−132648号公報JP-A-2017-132648

Nature,354,p.56−58(1991)Nature, 354, p. 56-58 (1991) Science,306,p.666−669(2004)Science, 306, p. 666-669 (2004) 齋藤理一郎著,「グラフェンの最先端技術と広がる応用」,第2章.グラフェンの基礎物性,3.グラフェンの光電子物性Riichiro Saito, "State-of-the-art Graphene Technology and Widespread Applications," Chapter 2. Basic physical properties of graphene, 3. Photoelectron properties of graphene

本出願人は、上記従来の問題を解決し得る新規な炭素材料を開発するべく鋭意検討を行った。具体的には、結晶構造的にはグラフェンと同一または類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点では還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有し、しかしながら、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しない点で還元型酸化グラフェンとは異なり、また、結晶構造的に黒鉛とも異なるような、新規な炭素材料であって、上記従来の問題を解決できるような炭素材料およびそのような炭素材料の製造方法について研究を行った。 The applicant has made diligent studies to develop a new carbon material that can solve the above-mentioned conventional problems. Specifically, it has the same or similar crystal structure as graphene, and has almost the same structure as reduced graphene in that it is an oxygen-containing carbon material having almost a single layer, however, carbon and carbon and It is a novel carbon material that is different from reduced graphene in that it contains substantially no elements other than oxygen, and is also different from graphite in terms of crystal structure, and is a carbon that can solve the above-mentioned conventional problems. Research was conducted on materials and methods for producing such carbon materials.

すなわち、本発明の課題は、結晶構造的にはグラフェンと同一または類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点で還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有するものの、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しないという点からは還元型酸化グラフェンとは異なり、結晶構造的に黒鉛とも異なり、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状(代表的には、バルク状態)としても存在し得る、新規な炭素材料を提供することにある。さらに、そのような新規な炭素材料を含む、新規な炭素材料組成物を提供することにある。また、このような新規な炭素材料を製造する方法を提供することにある。 That is, the subject of the present invention is that the crystal structure has the same or similar structure as graphene, and although it has almost the same structure as reduced graphene in that it is an oxygen-containing carbon material having almost a single layer, carbon. Unlike reduced graphene oxide in that it contains virtually no elements other than oxygen, it is different from graphite in terms of crystal structure, and contains impurities such as nitrogen, sulfur, phosphorus, and metals other than alkali metals. It is an object of the present invention to provide a novel carbon material having a very low proportion and which can exist in a shape other than a film (typically, in a bulk state). Furthermore, it is an object of the present invention to provide a novel carbon material composition containing such a novel carbon material. Another object of the present invention is to provide a method for producing such a novel carbon material.

本発明の炭素材料の製造方法は、
炭素、水素、および酸素から構成される分子量500以下の芳香環含有化合物(A)を700℃以上の温度で焼成する。
The method for producing a carbon material of the present invention is
An aromatic ring-containing compound (A) having a molecular weight of 500 or less, which is composed of carbon, hydrogen, and oxygen, is calcined at a temperature of 700 ° C. or higher.

一つの実施形態においては、上記芳香環含有化合物(A)の縮合反応温度が400℃以下である。 In one embodiment, the condensation reaction temperature of the aromatic ring-containing compound (A) is 400 ° C. or lower.

一つの実施形態においては、上記芳香環含有化合物(A)の、窒素ガス雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG−DTA分析を行ったときの、温度50℃における初期重量M50に対する温度500℃における重量M500の重量比(M500/M50)が0.2以上である。 In one embodiment, the initial temperature of the aromatic ring-containing compound (A) at a temperature of 50 ° C. when TG-DTA analysis is performed under a nitrogen gas atmosphere under a temperature rising condition of 40 ° C. to 10 ° C./min. The weight ratio (M500 / M50) of the weight M500 at a temperature of 500 ° C. to the weight M50 is 0.2 or more.

一つの実施形態においては、上記芳香環含有化合物(A)が、水酸基を有する芳香族化合物である。 In one embodiment, the aromatic ring-containing compound (A) is an aromatic compound having a hydroxyl group.

一つの実施形態においては、上記焼成する温度が1000℃〜1500℃である。 In one embodiment, the firing temperature is 1000 ° C to 1500 ° C.

一つの実施形態においては、本発明の炭素材料の製造方法においては、バルク状態で製造し得る。 In one embodiment, in the method for producing a carbon material of the present invention, it can be produced in a bulk state.

本発明の炭素材料は、
ラマン分析によって、Gバンド、Dバンド、G′バンドを示し、
XRD分析によって、黒鉛に由来するピークを示さず、
XPS分析によって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が99.9%以上を示し、
XRF分析によって、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が、それぞれ100ppm以下である。
The carbon material of the present invention is
Raman analysis shows G band, D band, G'band,
XRD analysis showed no graphite-derived peaks
XPS analysis showed that the total content of carbon and oxygen in all elements was 99.9% or higher.
According to XRF analysis, the proportions of the contents of metals other than nitrogen, sulfur, phosphorus, and alkali metals are 100 ppm or less, respectively.

一つの実施形態においては、本発明の炭素材料は、ラマン分析によって、D+D′バンドおよび/または2D′バンドを示す。 In one embodiment, the carbon material of the present invention exhibits a D + D'band and / or a 2D'band by Raman analysis.

一つの実施形態においては、本発明の炭素材料は、バルク状態で存在し得る。 In one embodiment, the carbon material of the present invention may exist in bulk.

本発明の炭素材料組成物は、上記の炭素材料を含む。 The carbon material composition of the present invention contains the above carbon material.

一つの実施形態においては、本発明の炭素材料組成物は、溶剤を含む。 In one embodiment, the carbon material composition of the present invention comprises a solvent.

一つの実施形態においては、上記溶剤に上記炭素材料が分散している。 In one embodiment, the carbon material is dispersed in the solvent.

一つの実施形態においては、本発明の炭素材料組成物は、樹脂を含む。 In one embodiment, the carbon material composition of the present invention comprises a resin.

一つの実施形態においては、上記樹脂に上記炭素材料が分散している。 In one embodiment, the carbon material is dispersed in the resin.

本発明によれば、結晶構造的にはグラフェンと同一または類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点で還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有するものの、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しないという点からは還元型酸化グラフェンとは異なり、結晶構造的に黒鉛とも異なり、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状(代表的には、バルク状態)としても存在し得る、新規な炭素材料を提供することができる。さらに、そのような新規な炭素材料を含む、新規な炭素材料組成物を提供することができる。また、このような新規な炭素材料を製造する方法を提供することができる。 According to the present invention, the crystal structure is the same as or similar to that of graphene, and the structure is almost the same as that of reduced graphene in that it is an oxygen-containing carbon material having almost a single layer, but carbon and oxygen. Unlike reduced graphene oxide in that it does not substantially contain elements other than graphite, it is different from graphite in terms of crystal structure, and the content ratio of impurities such as nitrogen, sulfur, phosphorus, and metals other than alkali metals is high. It is possible to provide a novel carbon material which is very low and can exist in a shape other than a film (typically, in a bulk state). Furthermore, it is possible to provide a novel carbon material composition containing such a novel carbon material. It is also possible to provide a method for producing such a novel carbon material.

実施例1で得られた炭素材料のラマン分析結果である。It is a Raman analysis result of the carbon material obtained in Example 1. 実施例1で得られた炭素材料のXRD分析結果である。It is an XRD analysis result of the carbon material obtained in Example 1. 比較例1で得られた炭素材料のラマン分析結果である。It is a Raman analysis result of the carbon material obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得られた炭素材料のXRD分析結果である。It is an XRD analysis result of the carbon material obtained in Comparative Example 1. 比較例2で得られた炭素材料のXRD分析結果である。It is an XRD analysis result of the carbon material obtained in Comparative Example 2.

≪炭素材料の製造方法≫
本発明の炭素材料の製造方法は、炭素、水素、および酸素から構成される分子量500以下の芳香環含有化合物(A)を700℃以上の温度で焼成する。
≪Manufacturing method of carbon material≫
In the method for producing a carbon material of the present invention, an aromatic ring-containing compound (A) having a molecular weight of 500 or less, which is composed of carbon, hydrogen, and oxygen, is calcined at a temperature of 700 ° C. or higher.

本発明の炭素材料の製造方法は、このように、「特定の温度」において、「特定の芳香環含有化合物」を、「製膜ではなく焼成すること」によって製造する方法である。 The method for producing a carbon material of the present invention is a method for producing a "specific aromatic ring-containing compound" at a "specific temperature" by "firing instead of forming a film".

上記焼成する温度は、好ましくは700℃〜2000℃であり、より好ましくは800℃〜1800℃であり、さらに好ましくは900℃〜1600℃であり、特に好ましくは1000℃〜1500℃である。上記焼成する温度が上記範囲内にあれば、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が非常に高く、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状(代表的には、バルク状)としても存在し得る、新規な炭素材料を製造し得る。 The firing temperature is preferably 700 ° C. to 2000 ° C., more preferably 800 ° C. to 1800 ° C., further preferably 900 ° C. to 1600 ° C., and particularly preferably 1000 ° C. to 1500 ° C. When the firing temperature is within the above range, the total content of carbon and oxygen in all elements is very high, and the content of impurities such as nitrogen, sulfur, phosphorus, and metals other than alkali metals is high. It is possible to produce novel carbon materials that are very low and can also exist in shapes other than membranes (typically bulk).

本発明の製造方法においては、好ましくは、バルク状態で製造し得る。具体的には、本発明の製造方法においては、好ましくは、芳香環含有化合物(A)をバルク状態で加熱する。一般には、バルクが備える性質が、その物質の固有の性質である。すなわち、バルク状態の物質は、その物質のもつ基本的な性質、例えば、沸点、融点、粘度、密度などの値を決定できる。ある物質の物性といえば、バルク部分が持つ性質を指す。バルク状態の例としては、粒子、ペレット、フィルム等である。粒子の存在状態としては、例えば、粉体が挙げられる。フィルムとしては、自立したフィルムであることが好ましい。芳香環含有化合物(A)をバルク状態で加熱するとは、例えば、芳香環含有化合物(A)からなる粒子(粉体)を加熱する、芳香環含有化合物(A)からなる粒子(例えば、粉体)を圧縮成形等でペレット状やフィルム状に成形を行った後、その成形体を加熱する、芳香環含有化合物(A)からなる粒子(例えば、粉体)を液体中で加熱する、等の行為を包含する。粒子(例えば、粉体)や成形体を加熱する際、例えば、容器に入れて加熱してもよい。容器としては、任意の適切な容器を採用し得る。このような容器としては、例えば、加熱温度で実質的に変質しない材質からなるものが好ましい。また、粒子(例えば、粉体)や成形体が接触する表面が、加熱する際に、芳香環含有化合物(A)と化学反応しないような材質であることが好ましい。粒子(例えば、粉体)や成形体を好ましい条件で加熱することにより、炭素材料を得ることが可能となり、その加熱する工程において、芳香環含有化合物(A)の融点付近で芳香環含有化合物(A)が融解して液体状になることがある。このような経過を経る場合も「芳香環含有化合物(A)をバルク状態で加熱する」ことに含まれる。一方、本発明の意味する「バルク状態で加熱する」ものではない例としては、例えば、芳香環含有化合物(A)を溶剤に溶解して任意の基材状に塗布して膜状にして該基材とともに加熱することにより薄膜を形成する方法、化学気相成長法(CVD)法、物理気相成長法(PVD)、薄膜蒸着加熱法、などが挙げられる。薄膜としてはおおむね膜厚が1μm以下の範囲を意味する。 In the production method of the present invention, it can be preferably produced in a bulk state. Specifically, in the production method of the present invention, the aromatic ring-containing compound (A) is preferably heated in a bulk state. In general, the properties of bulk are the inherent properties of the substance. That is, a substance in a bulk state can determine the basic properties of the substance, for example, values such as boiling point, melting point, viscosity, and density. The physical properties of a substance refer to the properties of the bulk part. Examples of the bulk state are particles, pellets, films and the like. Examples of the state of existence of particles include powder. The film is preferably a self-supporting film. Heating the aromatic ring-containing compound (A) in a bulk means, for example, heating particles (powder) made of the aromatic ring-containing compound (A), particles made of the aromatic ring-containing compound (A) (for example, powder). ) Is molded into pellets or films by compression molding or the like, and then the molded body is heated, particles (for example, powder) composed of the aromatic ring-containing compound (A) are heated in a liquid, and the like. Including acts. When heating particles (for example, powder) or a molded product, for example, they may be placed in a container and heated. As the container, any suitable container may be adopted. As such a container, for example, a container made of a material that does not substantially deteriorate at a heating temperature is preferable. Further, it is preferable that the surface with which the particles (for example, powder) or the molded product comes into contact is made of a material that does not chemically react with the aromatic ring-containing compound (A) when heated. By heating the particles (for example, powder) or the molded product under preferable conditions, a carbon material can be obtained, and in the heating step, the aromatic ring-containing compound (A) near the melting point of the aromatic ring-containing compound (A). A) may melt and become liquid. Even after such a process, it is included in "heating the aromatic ring-containing compound (A) in a bulk state". On the other hand, as an example of what is not meant to be "heated in a bulk state" in the present invention, for example, the aromatic ring-containing compound (A) is dissolved in a solvent and applied to an arbitrary substrate to form a film. Examples thereof include a method of forming a thin film by heating together with a substrate, a chemical vapor deposition method (CVD) method, a physical vapor deposition method (PVD), and a thin film vapor deposition heating method. As a thin film, it generally means a range in which the film thickness is 1 μm or less.

加熱の方法としては、管状炉、ボックス炉のような焼成炉、熱媒を利用した加熱反応装置、マイクロ波を利用した加熱反応装置などが使用できる。加熱の条件としては、真空下、常圧下、加圧下などで行うことができる。加熱雰囲気の条件としては、大気下、不活性ガス雰囲気下などで行うことができる。加熱雰囲気の条件としては、好ましくは、窒素、アルゴン等の不活性ガスの雰囲気下である。 As a heating method, a tubular furnace, a firing furnace such as a box furnace, a heating reaction device using a heat medium, a heating reaction device using microwaves, or the like can be used. The heating conditions can be under vacuum, normal pressure, pressure, or the like. As the condition of the heating atmosphere, it can be performed in the atmosphere, the atmosphere of the inert gas, or the like. The heating atmosphere is preferably an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon.

加熱の時間としては、製造したい炭素材料に求める分子量または溶解性や分散性等により、任意の適切な加熱時間を採用し得る。このような加熱時間としては、例えば、好ましくは1分〜48時間であり、より好ましくは15分〜24時間であり、さらに好ましくは30分〜12時間であり、特に好ましくは1時間〜10時間である。 As the heating time, any appropriate heating time can be adopted depending on the molecular weight required for the carbon material to be produced, solubility, dispersibility, and the like. Such heating time is, for example, preferably 1 minute to 48 hours, more preferably 15 minutes to 24 hours, further preferably 30 minutes to 12 hours, and particularly preferably 1 hour to 10 hours. Is.

芳香環含有化合物(A)は、炭素、水素、および酸素から構成される分子量500以下の芳香環含有化合物である。 The aromatic ring-containing compound (A) is an aromatic ring-containing compound having a molecular weight of 500 or less and composed of carbon, hydrogen, and oxygen.

芳香環含有化合物(A)は、1種の化合物であってもよいし、2種以上の化合物の混合物であってもよい。芳香環含有化合物(A)が2種以上の化合物の混合物である場合、混合物のうちの少なくとも1種以上の化合物が本発明に記載の物性、構造等を有すればよく、該化合物を基準にして、加熱温度、加熱時間等の諸条件を決定すればよい。 The aromatic ring-containing compound (A) may be one kind of compound or a mixture of two or more kinds of compounds. When the aromatic ring-containing compound (A) is a mixture of two or more kinds of compounds, it is sufficient that at least one or more kinds of compounds in the mixture have the physical properties, structure, etc. described in the present invention, and the compound is used as a reference. Then, various conditions such as heating temperature and heating time may be determined.

芳香環含有化合物(A)は、炭素、水素、および酸素から構成される。なお、ここでいう「炭素、水素、および酸素から構成される」とは、芳香環含有化合物(A)の分子構造自体を構成する元素が、炭素、水素、および酸素であることを意味する。 The aromatic ring-containing compound (A) is composed of carbon, hydrogen, and oxygen. The term "composed of carbon, hydrogen, and oxygen" as used herein means that the elements constituting the molecular structure itself of the aromatic ring-containing compound (A) are carbon, hydrogen, and oxygen.

芳香環含有化合物(A)の分子量は500以下であり、好ましくは50〜500であり、より好ましくは75〜450であり、さらに好ましくは80〜400であり、特に好ましくは100〜350である。芳香環含有化合物(A)の分子量が上記範囲内にあれば、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が非常に高く、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状(代表的には、バルク状)としても存在し得る、新規な炭素材料を製造し得る。また、芳香環含有化合物(A)の分子量が上記範囲内にあれば、低分子であるがゆえに炭素化過程で自由に動くことができ、反応性が高くなり得るため、低温から炭素化するといったメリットや、炭素化過程で副生成物となる有機ガスが発生しにくいなどのプロセスメリットがある。 The molecular weight of the aromatic ring-containing compound (A) is 500 or less, preferably 50 to 500, more preferably 75 to 450, still more preferably 80 to 400, and particularly preferably 100 to 350. When the molecular weight of the aromatic ring-containing compound (A) is within the above range, the total content of carbon and oxygen in all the elements is very high, and impurities such as nitrogen, sulfur, phosphorus, and metals other than alkali metals are contained. It is possible to produce a novel carbon material having a very low content ratio and which may exist in a shape other than the film (typically, in bulk). Further, if the molecular weight of the aromatic ring-containing compound (A) is within the above range, it can move freely in the carbonization process because it is a small molecule, and the reactivity can be high, so that it is carbonized from a low temperature. There are merits and process merits such as less organic gas as a by-product in the carbonization process.

芳香環含有化合物(A)は、好ましくは、23℃環境下で固体であって融点を有する。融点を有することで、焼成の過程で融解し、分子間での反応が良好に進行する。仮に融点を有さない場合、焼成の過程で融解しないので、分子の位置が固定され、分子間での反応が促進されにくく、炭素材料化しにくい。このような芳香環含有化合物(A)を採用することにより、反応を促進し得る。また、得られる炭素材料の溶剤への溶解性が優れるようになり得る(例えば、溶剤に溶解する炭素材料の成分がより多くなったり、炭素材料が溶解できる溶剤の種類がより増えたりする)。 The aromatic ring-containing compound (A) is preferably a solid in an environment of 23 ° C. and has a melting point. By having a melting point, it melts in the process of firing, and the reaction between molecules proceeds well. If it does not have a melting point, it does not melt in the process of firing, so that the positions of the molecules are fixed, the reaction between the molecules is difficult to promote, and it is difficult to make a carbon material. By adopting such an aromatic ring-containing compound (A), the reaction can be promoted. In addition, the solubility of the obtained carbon material in a solvent can be improved (for example, more components of the carbon material can be dissolved in the solvent, and more types of solvents can be dissolved in the carbon material).

芳香環含有化合物(A)は、代表的には、加熱によって同一分子間および/または異種分子間で縮合反応が起きる。 The aromatic ring-containing compound (A) typically undergoes a condensation reaction between the same molecule and / or between different molecules by heating.

芳香環含有化合物(A)は、縮合に寄与しない骨格が芳香族構造であることが好ましい。骨格が芳香族であることによって、得られる炭素材料の炭素成分がより安定になり得る。このような芳香族構造としては、例えば、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、トリフェニレンのような炭素原子からなる芳香族構造が好ましい。 The aromatic ring-containing compound (A) preferably has an aromatic structure in a skeleton that does not contribute to condensation. By having the skeleton aromatic, the carbon component of the resulting carbon material can be more stable. As such an aromatic structure, for example, an aromatic structure composed of carbon atoms such as benzene, naphthalene, anthracene, phenanthrene, and triphenylene is preferable.

芳香環含有化合物(A)としては、特に、水酸基を有する芳香族化合物が好ましい。芳香環含有化合物(A)として水酸基を有する芳香族化合物を採用することによって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が一層非常に高く、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が一層非常に低く、膜以外の形状(代表的には、バルク状)としても存在し得る、新規な炭素材料を製造し得る。 As the aromatic ring-containing compound (A), an aromatic compound having a hydroxyl group is particularly preferable. By adopting an aromatic compound having a hydroxyl group as the aromatic ring-containing compound (A), the total content ratio of carbon and oxygen in all elements is much higher, and metals other than nitrogen, sulfur, phosphorus, and alkali metals are obtained. It is possible to produce a novel carbon material having a much lower content ratio of impurities such as, and which may exist in a shape other than a film (typically, a bulk shape).

芳香環含有化合物(A)としては、特に、対称性の高い構造の芳香環含有化合物が好ましい。芳香環含有化合物(A)として対称性の高い構造の芳香環含有化合物を採用することによって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が一層非常に高く、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が一層非常に低く、膜以外の形状(代表的には、バルク状)としても存在し得る、新規な炭素材料を製造し得る。 As the aromatic ring-containing compound (A), an aromatic ring-containing compound having a highly symmetric structure is particularly preferable. By adopting an aromatic ring-containing compound having a highly symmetric structure as the aromatic ring-containing compound (A), the total content of carbon and oxygen in all the elements is much higher, and nitrogen, sulfur, phosphorus and alkali are further increased. It is possible to produce a novel carbon material in which the content ratio of impurities such as metals other than metal is much lower and can exist in a shape other than a film (typically, a bulk shape).

芳香環含有化合物(A)の縮合反応温度は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な縮合反応温度を採用し得る。このような縮合反応温度としては、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは400℃以下であり、より好ましくは200℃〜370℃であり、最も好ましくは250℃〜350℃である。このような低温で炭素化が開始することで、より高温で起こると考えられる分解副反応が抑制できる。 As the condensation reaction temperature of the aromatic ring-containing compound (A), any appropriate condensation reaction temperature can be adopted as long as the effects of the present invention are not impaired. The condensation reaction temperature is preferably 400 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. to 370 ° C., and most preferably 250 ° C. to 350 ° C. in that the effects of the present invention can be more exhibited. .. By starting carbonization at such a low temperature, decomposition side reactions that are thought to occur at a higher temperature can be suppressed.

芳香環含有化合物(A)の、窒素ガス雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG−DTA分析を行ったときの、温度50℃における初期重量M50に対する温度500℃における重量M500の重量比(M500/M50)は、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは0.2以上であり、より好ましくは0.2〜0.9であり、最も好ましくは0.3〜0.8である。上記の重量比(M500/M50)が上記範囲内に収まる芳香環含有化合物(A)を用いることで、本発明の効果がより発現し得る。 The weight of the aromatic ring-containing compound (A) at a temperature of 500 ° C. with respect to the initial weight M50 at a temperature of 50 ° C. when TG-DTA analysis was performed under a nitrogen gas atmosphere under a heating condition of 10 ° C./min. The weight ratio of M500 (M500 / M50) is preferably 0.2 or more, more preferably 0.2 to 0.9, and most preferably 0., in that the effects of the present invention can be more exhibited. It is 3 to 0.8. By using the aromatic ring-containing compound (A) in which the above weight ratio (M500 / M50) falls within the above range, the effect of the present invention can be further exhibited.

<芳香環含有化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態1)>
芳香環含有化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態1)は、加熱によって分解して芳香環上にラジカルを発生する芳香環含有化合物である。芳香環上にラジカルが発生した芳香環含有化合物が、同一分子間および/または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
<Representative Embodiment of Aromatic Ring-Containing Compound (A) (Embodiment 1)>
A typical embodiment (Embodiment 1) of the aromatic ring-containing compound (A) is an aromatic ring-containing compound that decomposes by heating to generate radicals on the aromatic ring. Aromatic ring-containing compounds in which radicals are generated on the aromatic ring can undergo a condensation reaction between the same molecule and / or between different molecules to become a carbon material.

加熱によって分解して芳香環上にラジカルを発生する芳香環含有化合物としては、好ましくは、加熱によって気体(常温常圧において気体状態である気体)を発生する芳香環含有化合物である。 The aromatic ring-containing compound that decomposes by heating and generates radicals on the aromatic ring is preferably an aromatic ring-containing compound that generates a gas (a gas that is in a gaseous state at normal temperature and pressure) by heating.

加熱によって気体を発生する芳香環含有化合物としては、芳香環含有化合物であって、加熱を行うことによって気体が発生するものであれば、任意の適切な芳香族化合物を採用し得る。このような常温常圧において気体状態である気体としては、好ましくは、CO、CO、O、Hから選ばれる少なくとも1種である。 As the aromatic ring-containing compound that generates a gas by heating, any suitable aromatic compound can be adopted as long as it is an aromatic ring-containing compound and a gas is generated by heating. The gas that is in a gaseous state at such normal temperature and pressure is preferably at least one selected from CO, CO 2 , O 2 , and H 2 .

加熱によってCOおよび/またはCOを発生する芳香族化合物としては、例えば、「−C(=O)−」および/または「−O−C(=O)−」構造を有する芳香族化合物(例えば、芳香族ケトン誘導体、芳香族エステル誘導体、酸無水物など)などが挙げられる。 Aromatic compounds that generate CO and / or CO 2 by heating include, for example, aromatic compounds having a "-C (= O)-" and / or "-OC (= O)-" structure (for example, , Aromatic ketone derivatives, aromatic ester derivatives, acid anhydrides, etc.) and the like.

加熱によってCOおよび/またはCOを発生する芳香族化合物としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。 Examples of aromatic compounds that generate CO and / or CO 2 by heating include the following compounds.

Figure 2020132489
Figure 2020132489

加熱によってOを発生する芳香族化合物としては、例えば、「−O−O−」構造を有する芳香族化合物(例えば、芳香族炭素酸化物、芳香族過酸化物など)などが挙げられる。 Examples of aromatic compounds that generate O 2 by heating include aromatic compounds having an “—O—O—” structure (for example, aromatic carbon oxides, aromatic peroxides, etc.).

加熱によってOを発生する芳香族化合物としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。なお、下記の化合物において、Rは、水素原子、または、置換基を有していてもよいアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。 Examples of aromatic compounds that generate O 2 by heating include the following compounds. In the following compounds, R represents a hydrogen atom or an alkyl group, an aryl group, or a heteroaryl group which may have a substituent.

Figure 2020132489
Figure 2020132489

加熱によってHを発生する芳香族化合物としては、例えば、「−CH−」構造を有する縮合多環式芳香族化合物(例えば、フェナレン系化合物など)などが挙げられる。 Examples of the aromatic compound that generates H 2 by heating include a condensed polycyclic aromatic compound having a “−CH 2- ” structure (for example, a phenalene compound).

加熱によってHを発生する芳香族化合物としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。 Examples of aromatic compounds that generate H 2 by heating include the following compounds.

Figure 2020132489
Figure 2020132489

加熱によって分解して芳香環上にラジカルを発生する芳香環含有化合物は、加熱による分解性を有し、骨格の少なくとも一部がかい離・分解することによって気体分子(好ましくは、CO、CO、O、Hから選ばれる少なくとも1種)が生成し、残った芳香環上にラジカルが生成する芳香環含有化合物である。このような芳香環含有化合物を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の分解のみによる反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような芳香環含有化合物を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、炭素材料を得ることができる。また、このような芳香環含有化合物は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。 Aromatic ring-containing compounds that decompose by heating to generate radicals on the aromatic ring have degradability by heating, and gas molecules (preferably CO, CO 2 , etc.) are decomposed by separating and decomposing at least a part of the skeleton. It is an aromatic ring-containing compound in which at least one selected from O 2 and H 2 ) is produced and radicals are generated on the remaining aromatic ring. By using such an aromatic ring-containing compound, the reaction occurs only by its own decomposition without the need for a reaction catalyst, so that the by-products of the chemical reaction and the reaction catalyst are present in the carbon material, which is fatal. It is possible to suppress the formation of specific impurities and obtain a higher quality carbon material. Further, by using such an aromatic ring-containing compound, a carbon material can be obtained without using a flammable gas. Further, such an aromatic ring-containing compound may have high reactivity that does not require catalytic action.

<芳香環含有化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態2)>
芳香環含有化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態2)は、縮合反応によって、2種以上の基から1つの中性分子が形成されて脱離する化合物である。この実施形態2においては、1つの化合物が2種以上の基を有している場合であってもよいし、2つ以上の化合物のそれぞれの有する基を組み合わせて2種以上の基となる場合であってもよい。このような芳香環含有化合物(A)が、同一分子間および/または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
<Representative Embodiment of Aromatic Ring-Containing Compound (A) (Embodiment 2)>
A typical embodiment of the aromatic ring-containing compound (A) (Embodiment 2) is a compound in which one neutral molecule is formed and desorbed from two or more kinds of groups by a condensation reaction. In the second embodiment, one compound may have two or more kinds of groups, or the groups of each of the two or more compounds may be combined to form two or more kinds of groups. It may be. Such an aromatic ring-containing compound (A) can cause a condensation reaction between the same molecule and / or between different molecules to become a carbon material.

縮合反応としては、2種以上の基から1つの中性分子が形成されて脱離することによる縮合反応であれば、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な縮合反応を採用し得る。このような縮合反応とすることにより、比較的低温で反応を行うことが可能となり得る。このような縮合反応としては、例えば、
(a)−H基と−OH基とからHOが形成されて脱離することによる縮合反応、
(b)−H基と−OR基(Rは任意の適切な置換または無置換のアルキル基)とからROHが形成されて脱離することによる縮合反応、
(c)−H基と−OOCR基(Rは任意の適切な置換または無置換のアルキル基)とからRCOOHが形成されて脱離することによる縮合反応、
などが挙げられる。特に、脱離した中性成分が該脱離温度(焼成温度)で気体成分であると、炭素材料に取り込まれることなく、気相部にあるため、不純物となりにくい。
As the condensation reaction, if it is a condensation reaction in which one neutral molecule is formed and desorbed from two or more kinds of groups, any appropriate condensation reaction is adopted as long as the effect of the present invention is not impaired. obtain. By performing such a condensation reaction, it may be possible to carry out the reaction at a relatively low temperature. Such a condensation reaction includes, for example,
(A) Condensation reaction due to the formation and elimination of H 2 O from the -H group and the -OH group.
(B) A condensation reaction in which ROH is formed and eliminated from an -H group and a -OR group (R is an arbitrarily substituted or unsubstituted alkyl group).
(C) Condensation reaction due to the formation and elimination of RCOOH from the -H group and the -OOCR group (R is any suitable substituted or unsubstituted alkyl group).
And so on. In particular, if the desorbed neutral component is a gas component at the desorption temperature (calcination temperature), it is not incorporated into the carbon material and is in the gas phase portion, so that it is unlikely to become an impurity.

縮合反応として、−H基と−OH基とからHOが形成されて脱離することによる縮合反応(上記(a))を代表例として説明する。 As a typical example, the condensation reaction ((a) above) in which H 2 O is formed from the −H group and the −OH group and desorbed as the condensation reaction will be described.

実施形態2における芳香環含有化合物(A)の一つの実施形態(実施形態(X)と称することがある)は、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)または2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)であり、該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が−OH基であり、もう半数が−H基である。 One embodiment of the aromatic ring-containing compound (A) in the second embodiment (sometimes referred to as the (X) embodiment) is a compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure or two compounds (a1). The above 6-membered ring structure is a compound (a2) having a bonded and / or condensed ring skeleton, and half of the substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton are −OH groups, and the other half. Is an -H group.

実施形態(X)においては、
(i)芳香環含有化合物(A)が、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)である場合、
(ii)芳香環含有化合物(A)が、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)である場合、
の2つの場合のいずれかを採り得る。
In the embodiment (X),
(I) When the aromatic ring-containing compound (A) is a compound (a1) having a skeleton having a single carbon 6-membered ring structure.
(Ii) When the aromatic ring-containing compound (A) is a compound (a2) having a skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and / or condensed.
Either of the two cases can be taken.

実施形態(X)において、「骨格の構造形成に寄与していない置換基」とは、上記(i)の場合の「1個の炭素6員環構造からなる骨格」または上記(ii)の場合の「2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基を意味する。例えば、上記(i)の場合として、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)が後に示す化学式(a1−1)で表される場合、1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は6個の−OH基と6個の−H基であり、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)が後に示す化学式(a1−2)で表される場合、1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は3個の−OH基と3個の−H基である。また、例えば、上記(ii)の場合として、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)が後に示す化学式(a2−1)で表される場合、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格の構造形成に寄与していない置換基は6個の−OH基と6個の−H基である。 In the embodiment (X), the "substituent that does not contribute to the structure formation of the skeleton" is the "skeleton composed of one carbon 6-membered ring structure" in the case of the above (i) or the case of the above (ii). Means a substituent that does not contribute to the structure formation of the "skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and / or fused". For example, in the case of (i) above, when the compound (a1) having a skeleton composed of one carbon 6-membered ring structure is represented by the chemical formula (a1-1) shown later, it has one carbon 6-membered ring structure. The substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton composed of are 6 −OH groups and 6 −H groups, and the compound (a1) having a skeleton composed of one carbon 6-membered ring structure is shown later. When represented by the chemical formula (a1-2), the substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure are three -OH groups and three -H groups. Further, for example, in the case of (ii) above, when the compound (a2) having a skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and / or condensed is represented by the chemical formula (a2-1) shown later. The substituents in which two or more carbon 6-membered ring structures do not contribute to the structure formation of the bonded and / or condensed skeleton are 6 -OH groups and 6 -H groups.

実施形態(X)においては、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が−OH基であり、もう半数が−H基であり、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が−OH基であり、もう半数が−H基である。このような置換基の構成を有することにより、芳香環含有化合物(A)は、加熱により、同一分子同士および/または異なる分子間で効果的に脱水反応が起き得る。 In the embodiment (X), half of the number of substituents of the compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure that does not contribute to the structure formation of the skeleton is -OH group. Half of the number of substituents of compound (a2) having a skeleton in which two or more 6-membered ring structures are bonded and / or condensed is a −H group, and which does not contribute to the structure formation of the skeleton -OH groups and the other half are -H groups. By having such a substituent configuration, the aromatic ring-containing compound (A) can effectively undergo a dehydration reaction between the same molecules and / or between different molecules by heating.

実施形態(X)において採用し得る芳香環含有化合物(A)としては、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)または2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)であり、該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が−OH基であり、もう半数が−H基である化合物であれば、本発明の効果を損なわない範囲で任意の適切な化合物を採用し得る。このような芳香環含有化合物(A)としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。 As the aromatic ring-containing compound (A) that can be adopted in the embodiment (X), a compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure or two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and /. Alternatively, if it is a compound (a2) having a condensed skeleton, half of the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton are -OH groups, and the other half is -H groups. Any suitable compound may be adopted as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such an aromatic ring-containing compound (A) include the following compounds.

Figure 2020132489
Figure 2020132489

実施形態(X)において採用し得る芳香環含有化合物(A)の中でも、−H基と−OH基とからHOが形成されて脱離することによる縮合反応が起こりやすいと推察され、低温で反応が進行しやすいと推察される点で、フロログルシノール(化合物(a1−2))、ヘキサヒドロキシトリフェニレン(HHTP)(化合物(a2−1))が好ましい。 Among the aromatic ring-containing compounds (A) that can be adopted in the embodiment (X), it is presumed that a condensation reaction is likely to occur due to the formation and desorption of H 2 O from the -H group and the -OH group, and the temperature is low. Phloroglucinol (compound (a1-2)) and hexahydroxytriphenylene (HHTP) (compound (a2-1)) are preferable in that the reaction is likely to proceed.

実施形態2における芳香環含有化合物(A)の別の一つの実施形態(実施形態(Y)と称することがある)は、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)および/または2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)から選ばれる2種以上であり、該化合物(a1)の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数および該化合物(a2)の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の合計の半数が−OH基であり、もう半数が−H基である。 Another embodiment of the aromatic ring-containing compound (A) in the second embodiment (sometimes referred to as the (Y) embodiment) is a compound (a1) having a skeleton composed of one carbon 6-membered ring structure and the compound (a1). / Or two or more kinds selected from the compound (a2) having a skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and / or fused, and do not contribute to the structure formation of the skeleton of the compound (a1). Half of the total number of substituents and the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton of the compound (a2) are -OH groups, and the other half are -H groups.

実施形態(Y)においては、
(i)芳香環含有化合物(A)が、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)から選ばれる2種以上からなる場合、
(ii)芳香環含有化合物(A)が、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)から選ばれる2種以上からなる場合、
(iii)芳香環含有化合物(A)が、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)から選ばれる1種以上と2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)から選ばれる1種以上とからなる場合、
の3つの場合のいずれかを採り得る。
In the embodiment (Y),
(I) When the aromatic ring-containing compound (A) is composed of two or more kinds selected from the compound (a1) having a skeleton having one carbon 6-membered ring structure.
(Ii) When the aromatic ring-containing compound (A) consists of two or more selected from the compound (a2) having a skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and / or condensed.
(Iii) The aromatic ring-containing compound (A) has one or more selected from the compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure and two or more carbon 6-membered ring structures bonded and / or. When it consists of one or more selected from the compound (a2) having a condensed skeleton,
Any of the three cases can be taken.

実施形態(Y)において、「化合物(a1)の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数および化合物(a2)の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の合計」とは、下記のような意味である。すなわち、上記(i)の場合、2種以上の化合物(a1)のそれぞれにおける「1個の炭素6員環構造からなる骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数を、全て合計した数を意味する。上記(ii)の場合、2種以上の化合物(a2)のそれぞれにおける「2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数を、全て合計した数を意味する。上記(iii)の場合、1種以上の化合物(a1)のそれぞれにおける「1個の炭素6員環構造からなる骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数と、1種以上の化合物(a2)のそれぞれにおける「2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数とを、全て合計した数を意味する。 In the embodiment (Y), what is "the total number of substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton of compound (a1) and the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton of compound (a2)"? , Means as follows. That is, in the case of (i) above, the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the “skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure” in each of the two or more compounds (a1) is determined. It means the total number of all. In the case of (ii) above, the substitution of "a skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and / or condensed" in each of the two or more compounds (a2) does not contribute to the structure formation of the skeleton. It means the total number of all groups. In the case of the above (iii), the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the "skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure" in each of the one or more compounds (a1) and one kind. The number of substituents in each of the above compounds (a2) that did not contribute to the structure formation of the "skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures were bonded and / or condensed" was totaled. Means a number.

実施形態(Y)において、例えば、上記(i)の場合として、2種以上の化合物(a1)が下記の化学式(a1−5)および化学式(a1−6)で表される場合、化学式(a1−5)で表される化合物の1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は2個の−OH基と4個の−H基であり、化学式(a1−6)で表される化合物の1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は4個の−OH基と2個の−H基であり、それらの合計は、6個の−OH基と6個の−H基である。また、例えば、上記(iii)の場合として、1種以上の化合物(a1)が下記の化学式(a1−5)および化学式(a1−7)で表され、1種以上の化合物(a2)が下記の化学式(a2−3)で表される場合、化学式(a1−5)で表される化合物の1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は2個の−OH基と4個の−H基であり、化学式(a1−7)で表される化合物の1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は6個の−OH基であり、化学式(a2−3)で表される化合物の2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格の構造形成に寄与していない置換基は2個の−OH基と6個の−H基である。 In the embodiment (Y), for example, in the case of the above (i), when two or more kinds of compounds (a1) are represented by the following chemical formulas (a1-5) and (a1-6), the chemical formula (a1). The substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure of the compound represented by -5) are two -OH groups and four -H groups, and have a chemical formula (a1). The substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure of the compound represented by -6) are 4 -OH groups and 2 -H groups, and the sum of them. Is 6 -OH groups and 6 -H groups. Further, for example, in the case of the above (iii), one or more kinds of compounds (a1) are represented by the following chemical formulas (a1-5) and chemical formulas (a1-7), and one or more kinds of compounds (a2) are described below. When represented by the chemical formula (a2-3) of, there are two substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure of the compound represented by the chemical formula (a1-5). There are 6 substituents which are -OH group and 4 -H groups and do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure of the compound represented by the chemical formula (a1-7). There are two substituents that are −OH groups and do not contribute to the structure formation of the skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures of the compound represented by the chemical formula (a2-3) are bonded and / or condensed. -OH groups and 6 -H groups.

Figure 2020132489
Figure 2020132489

Figure 2020132489
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芳香環含有化合物(A)としてこのような芳香環含有化合物を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の脱水反応による反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料中に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような芳香環含有化合物を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、炭素材料を得ることができる。また、このような化合物(A)は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。 By using such an aromatic ring-containing compound as the aromatic ring-containing compound (A), the reaction by its own dehydration reaction occurs without the need for a reaction catalyst, so that the by-products of the chemical reaction and the reaction catalyst are carbon. It is possible to suppress the presence in the material and become a fatal impurity, and it is possible to obtain a higher quality carbon material. Further, by using such an aromatic ring-containing compound, a carbon material can be obtained without using a flammable gas. In addition, such compound (A) can have high reactivity that does not require catalytic action.

<芳香環含有化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態3)>
芳香環含有化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態3)は、実施形態1と実施形態2の双方を同時に採用する形態である。すなわち、実施形態3は、加熱によって分解して芳香環上にラジカルを発生する芳香環含有化合物であり、かつ縮合反応によって、2種以上の基から1つの中性分子が形成されて脱離する芳香環含有化合物である。このような芳香環含有化合物が、同一分子間および/または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
<Representative Embodiment of Aromatic Ring-Containing Compound (A) (Embodiment 3)>
A typical embodiment (Embodiment 3) of the aromatic ring-containing compound (A) is a mode in which both the first embodiment and the second embodiment are adopted at the same time. That is, the third embodiment is an aromatic ring-containing compound that decomposes by heating to generate radicals on the aromatic ring, and one neutral molecule is formed from two or more kinds of groups and desorbed by a condensation reaction. It is an aromatic ring-containing compound. Such an aromatic ring-containing compound can cause a condensation reaction between the same molecule and / or between different molecules to become a carbon material.

実施形態3の具体的な構造としては、例えば、化合物(a3−1)が挙げられる。化合物(a3−1)は、加熱により二酸化炭素分子が脱離し、芳香族環上にラジカル(反応活性点)が生じるとともに、ヒドロキシル基と水素基が分子間で脱水し縮合反応が起こる。 Specific examples of the structure of the third embodiment include compound (a3-1). In compound (a3-1), carbon dioxide molecules are desorbed by heating to generate radicals (reaction active points) on the aromatic ring, and hydroxyl groups and hydrogen groups are dehydrated between the molecules to cause a condensation reaction.

Figure 2020132489
Figure 2020132489

このような芳香環含有化合物を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の脱水反応による反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料中に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような芳香環含有化合物を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、炭素材料を得ることができる。また、このような化合物(A)は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。 By using such an aromatic ring-containing compound, the reaction by its own dehydration reaction occurs without the need for a reaction catalyst, so that by-products of the chemical reaction and the reaction catalyst are present in the carbon material. It is possible to suppress becoming a fatal impurity and obtain a higher quality carbon material. Further, by using such an aromatic ring-containing compound, a carbon material can be obtained without using a flammable gas. In addition, such compound (A) can have high reactivity that does not require catalytic action.

≪炭素材料≫
本発明の炭素材料は、ラマン分析によって、Gバンド、Dバンド、G′バンドを示し、XRD分析によって、黒鉛に由来するピークを示さず、XPS分析によって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が99.9%以上を示し、XRF分析によって、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が、それぞれ100ppm以下である。
≪Carbon material≫
The carbon materials of the present invention show G-band, D-band, G'band by Raman analysis, no graphite-derived peaks by XRD analysis, and the sum of carbon and oxygen in all elements by XPS analysis. The content ratio is 99.9% or more, and the ratio of the content of metals other than nitrogen, sulfur, phosphorus, and alkali metal is 100 ppm or less, respectively, by XRF analysis.

本発明の炭素材料は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な方法によって製造し得る。このような製造方法としては、好ましくは、上述した本発明の製造方法が挙げられる。 The carbon material of the present invention can be produced by any suitable method as long as the effects of the present invention are not impaired. As such a manufacturing method, preferably, the above-mentioned manufacturing method of the present invention can be mentioned.

本発明の炭素材料は、従来公知の炭素材料とは異なる新規な炭素材料である。従来公知の炭素材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト、グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化フラフェン、人造黒鉛、カーボンブラックなどが挙げられる。 The carbon material of the present invention is a novel carbon material different from the conventionally known carbon material. Examples of conventionally known carbon materials include carbon nanotubes, fullerenes, graphite, graphene, graphene oxide, reduced flaphene oxide, artificial graphite, carbon black and the like.

本発明の炭素材料は、代表的には、その構造内にベンゼン環由来のハニカム構造(グラフェン構造)を有する。グラフェン構造は、後述するラマン分光分析によってその有無の確認ができる(例えば、非特許文献3参照)。 The carbon material of the present invention typically has a honeycomb structure (graphene structure) derived from a benzene ring in its structure. The presence or absence of the graphene structure can be confirmed by Raman spectroscopic analysis described later (see, for example, Non-Patent Document 3).

本発明の炭素材料は、ラマン分析によって、Gバンド、Dバンド、G′バンドを示す。すなわち、本発明の炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、Gバンド(一般的に1550cm−1〜1650cm−1の範囲内)、Dバンド(一般的に1300cm−1〜1400cm−1の範囲内)、G′バンド(一般的に2650cm−1〜2750cm−1の範囲内)にピークを示す。ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてこのようなピークを示すことは、本発明の炭素材料が、グラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有していること、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していること、官能基を含むこと、を意味している。 The carbon material of the present invention shows G band, D band, and G'band by Raman analysis. That is, the carbon material of the present invention, in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy, (in the range of generally 1550cm -1 ~1650cm -1) G band, D band (typically 1300cm -1 ~1400cm -1 The peak is shown in the G'band (generally in the range of 2650 cm -1 to 2750 cm -1 ). Showing such a peak in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy means that the carbon material of the present invention has a graphene structure or a structure similar to the graphene structure, a structure derived from a defect in the graphene structure, or It means that it has a structure similar to the structure derived from the defect of the graphene structure and that it contains a functional group.

Gバンドは、一般に、強度が高く、シャープであれば、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。 In general, if the G band has high strength and is sharp, it can be said that it has a cleaner graphene structure or a structure similar to a graphene structure.

Dバンドは、一般に、強度が低ければ、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。また、Dバンドが確認できるということは、官能基を有すること、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していること、を意味している。これにより、通常のグラフェンとは異なる性質を発揮し得る。 It can be said that the D band generally has a cleaner graphene structure or a structure similar to a graphene structure if the strength is low. In addition, the fact that the D band can be confirmed means that it has a functional group and has a structure derived from a defect in the graphene structure or a structure similar to a structure derived from a defect in the graphene structure. .. As a result, it is possible to exhibit properties different from those of ordinary graphene.

G′バンドは、一般に、その強度は、グラフェン構造が1層のときに最も強く、グラフェン構造の積層数が増えるにつれて徐々に小さくなる。しかしながら、G′バンドは、グラフェン構造の積層数が増えるにつれて徐々に強度が小さくなっても、ピークは観察することができる。したがって、G′バンドにピークを有することは、グラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。G′バンドは、2Dバンドとも呼ばれることがある。 The strength of the G'band is generally strongest when the graphene structure is one layer, and gradually decreases as the number of laminated graphene structures increases. However, the peak of the G'band can be observed even if the intensity gradually decreases as the number of graphene structures laminated increases. Therefore, having a peak in the G'band can be said to have a graphene structure or a structure similar to a graphene structure. The G'band is sometimes also called a 2D band.

本発明の炭素材料は、ラマン分析によって、好ましくは、D+D′バンド(一般的に2800cm−1〜3000cm−1の範囲内)および/または2D′バンド(一般的に3100cm−1〜3300cm−1の範囲内)を示す。ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてこのようなピークを示すことは、本発明の炭素材料が、グラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有していること、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していること、官能基を含むこと、をより意味している。 Carbon material of the present invention, the Raman analysis, preferably, D + D 'band (in the range of generally 2800cm -1 ~3000cm -1) and / or 2D' band (generally 3100cm -1 ~3300cm -1 Within the range). Showing such a peak in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy means that the carbon material of the present invention has a graphene structure or a structure similar to the graphene structure, a structure derived from a defect in the graphene structure, or It means that it has a structure similar to the structure derived from the defect of the graphene structure and that it contains a functional group.

D+D′バンドおよび2D′バンドは、一般に、強度が低ければ、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。D+D′バンドは、D+Gバンドとも呼ばれることがある。また、D+D′バンドおよび/または2D′バンドが確認できるということは、官能基を有すること、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していること、を意味している。これにより、通常のグラフェンとは異なる性質を発揮し得る。 It can be said that the D + D'band and the 2D'band generally have a cleaner graphene structure or a structure similar to the graphene structure if the intensity is low. The D + D'band is sometimes also called the D + G band. Further, the fact that the D + D'band and / or the 2D'band can be confirmed means that the band has a functional group and has a structure similar to a structure derived from a defect in the graphene structure or a structure derived from a defect in the graphene structure. That means. As a result, it is possible to exhibit properties different from those of ordinary graphene.

本発明の炭素材料は、XRD分析によって、黒鉛に由来するピークを示さない。本発明でいう黒鉛に由来するピークとは、XRDにおける(002)面に由来するピークが26.3度以上であることを意味する。黒鉛ピークを有さない炭素材料では26.3度以下にブロードなピークを有することが多い。これは、炭素材料層間距離が黒鉛よりも広く、黒鉛とは異なった材料であることを示す。例えば、グラファイトナノプレート(GNP)はグラフェンと類似した薄いグラファイトであり、XRD分析によって、黒鉛に由来のピークを示す。本発明の炭素材料が、XRD分析によって、黒鉛に由来するピークを示さないことは、グラファイトナノプレート(GNP)とは異なる炭素材料であることを意味している。 The carbon material of the present invention does not show a peak derived from graphite by XRD analysis. The peak derived from graphite in the present invention means that the peak derived from the (002) plane in XRD is 26.3 degrees or more. Carbon materials that do not have graphite peaks often have broad peaks below 26.3 degrees. This indicates that the carbon material has a wider interlayer distance than graphite and is a material different from graphite. For example, graphite nanoplates (GNP) are thin graphite similar to graphene and show peaks derived from graphite by XRD analysis. The fact that the carbon material of the present invention does not show a peak derived from graphite by XRD analysis means that it is a carbon material different from graphite nanoplates (GNP).

本発明の炭素材料は、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しない。具体的には、本発明の炭素材料は、XPS分析によって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が99.9%以上であり、好ましくは99.95%以上であり、より好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.995%以上であり、特に好ましくは99.999%以上であり、最も好ましくは実質的に100%である。本発明の炭素材料が、XPS分析により測定される全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が上記範囲内にあることは、本発明の炭素材料の純度が非常に高く、物性の妨げとなる不純物を含まないことを意味する。また実質的に100%とは、XPSによる分析で、炭素および酸素以外のピークが検出されないこと(ベースラインと判別できないこと)を意味する。 The carbon material of the present invention is substantially free of elements other than carbon and oxygen. Specifically, the carbon material of the present invention has a total content of carbon and oxygen in all elements of 99.9% or more, preferably 99.95% or more, more preferably 99.95% or more by XPS analysis. It is 99.99% or more, more preferably 99.995% or more, particularly preferably 99.999% or more, and most preferably substantially 100%. When the carbon material of the present invention has a total content of carbon and oxygen in all elements measured by XPS analysis within the above range, the purity of the carbon material of the present invention is very high, which hinders physical properties. It means that it does not contain impurities. Further, substantially 100% means that peaks other than carbon and oxygen are not detected in the analysis by XPS (cannot be distinguished from the baseline).

本発明の炭素材料は、XRF分析によって、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が、それぞれ100ppm以下であり、好ましくは50ppm以下であり、より好ましくは10ppm以下であり、さらに好ましくは5ppm以下であり、特に好ましくは1ppm以下であり、最も好ましくは実質的に0ppmである。本発明の炭素材料が、XRF分析により測定される、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が上記範囲内にあることは、本発明の炭素材料が、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属という不純物の含有量の割合が非常に低い(極めて高純度の)炭素材料であることを意味している。 According to XRF analysis, the carbon material of the present invention has a content ratio of a metal other than nitrogen, sulfur, phosphorus, and alkali metal of 100 ppm or less, preferably 50 ppm or less, and more preferably 10 ppm or less. , More preferably 5 ppm or less, particularly preferably 1 ppm or less, and most preferably substantially 0 ppm. The fact that the carbon material of the present invention has a content ratio of a metal other than nitrogen, sulfur, phosphorus, and alkali metal as measured by XRF analysis within the above range means that the carbon material of the present invention has nitrogen and sulfur. It means that it is a carbon material with a very low (extremely high purity) content of impurities such as phosphorus and metals other than alkali metals.

本発明の炭素材料は、バルク状態で存在し得る。バルク状態に関する説明は前述した通りであり、代表的には、粒子、ペレット、フィルム等である。粒子の存在状態としては、例えば、粉体が挙げられる。フィルムとしては、自立したフィルムであることが好ましい。 The carbon material of the present invention may exist in bulk. The description of the bulk state is as described above, and typically includes particles, pellets, a film, and the like. Examples of the state of existence of particles include powder. The film is preferably a self-supporting film.

本発明の炭素材料は、上記のような特徴を有する新規な炭素材料である。すなわち、本発明の炭素材料は、結晶構造的にはグラフェンと同一または類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点では還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有し、しかしながら、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しない点で還元型酸化グラフェンとは異なり、また、結晶構造的に黒鉛とも異なり、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が非常に低く(すなわち、極めて高純度であり)、バルク状態で存在し得る、新規な炭素材料である。 The carbon material of the present invention is a novel carbon material having the above-mentioned characteristics. That is, the carbon material of the present invention has a structure similar to or similar to graphene in terms of crystal structure, and has almost the same structure as reduced graphene oxide in that it is an oxygen-containing carbon material having almost a single layer. However, it differs from reduced graphene in that it contains substantially no elements other than carbon and oxygen, and also differs from graphite in crystal structure in that it contains metals other than nitrogen, sulfur, phosphorus, and alkali metals. It is a novel carbon material that has a very low proportion (ie, very high purity) and can exist in bulk.

本発明の炭素材料は、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有している。このような欠陥が存在することにより、本発明の炭素材料は、溶剤や樹脂への溶解性や分散性等の発現に寄与し得る。 The carbon material of the present invention has a structure derived from a defect in the graphene structure or a structure similar to a structure derived from a defect in the graphene structure. The presence of such defects can contribute to the development of solubility, dispersibility, etc. in the solvent or resin of the carbon material of the present invention.

≪炭素材料組成物≫
本発明の炭素材料組成物は、本発明の炭素材料を含む。本発明の炭素材料は、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有しているので、溶剤や樹脂への溶解性や分散性等を発現し得る。したがって、本発明の炭素材料と溶剤を配合すると、溶剤への分散体や溶液を得ることができ、本発明の炭素材料と樹脂を配合すると、樹脂への分散体や樹脂に均一に溶解した組成物を得ることができ、各種分野への応用展開が可能となる。
≪Carbon material composition≫
The carbon material composition of the present invention contains the carbon material of the present invention. Since the carbon material of the present invention has a structure derived from a defect in the graphene structure or a structure similar to a structure derived from a defect in the graphene structure, it can exhibit solubility, dispersibility, etc. in a solvent or resin. .. Therefore, when the carbon material of the present invention and the solvent are blended, a dispersion or a solution to the solvent can be obtained, and when the carbon material of the present invention and the resin are blended, the dispersion or the composition uniformly dissolved in the resin is obtained. It is possible to obtain products and develop applications in various fields.

本発明の炭素材料組成物中の本発明の炭素材料の含有割合は、目的に応じて適宜設定し得る。このような含有割合は、代表的には、好ましくは0.01重量%〜99.9重量%である。 The content ratio of the carbon material of the present invention in the carbon material composition of the present invention can be appropriately set according to the purpose. Such a content ratio is typically preferably 0.01% by weight to 99.9% by weight.

本発明の炭素材料組成物の一つの実施形態は、溶剤を含む。このような本発明の炭素材料組成物の好ましい実施形態の一つとしては、上記溶剤に上記炭素材料が分散している。 One embodiment of the carbon material composition of the present invention comprises a solvent. As one of the preferred embodiments of the carbon material composition of the present invention, the carbon material is dispersed in the solvent.

本発明の炭素材料組成物の一つの実施形態は、樹脂を含む。このような本発明の炭素材料組成物の好ましい実施形態の一つとしては、上記樹脂に上記炭素材料が分散している。 One embodiment of the carbon material composition of the present invention comprises a resin. As one of the preferred embodiments of the carbon material composition of the present invention, the carbon material is dispersed in the resin.

本発明の炭素材料組成物に含まれ得る溶剤としては、例えば、NMP(N−メチルピロリドン)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)等のアミド系溶媒、アセトン等のケトン系溶媒、2−プロパノール等のアルコール溶媒が挙げられる。このような溶剤は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。 Examples of the solvent that can be contained in the carbon material composition of the present invention include amide solvents such as NMP (N-methylpyrrolidone) and DMF (N, N-dimethylformamide), ketone solvents such as acetone, and 2-propanol. Etc., such as alcohol solvents. Such a solvent may be only one kind or two or more kinds.

本発明の炭素材料組成物に含まれ得る樹脂としては、例えば、SBR等のゴム系の樹脂、汎用的なエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミド樹脂が挙げられる。このような樹脂は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。 Examples of the resin that can be contained in the carbon material composition of the present invention include rubber-based resins such as SBR, general-purpose epoxy resins, phenol resins, polyimides, and polyamide resins. Such a resin may be only one kind or two or more kinds.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「%」は「重量%」を意味する。また、本明細書において、「重量」は「質量」と読み替えても良い。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Unless otherwise specified, "part" means "part by weight" and "%" means "% by weight". Further, in the present specification, "weight" may be read as "mass".

<ラマン分光分析>
ラマン分光分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置:顕微ラマン(日本分光NRS−3100)
測定条件:532nmレーザー使用、対物レンズ20倍、CCD取り込み時間1秒、積算64回(分解能=4cm−1)
<Raman spectroscopic analysis>
Raman spectroscopic analysis was performed with the following equipment and conditions.
Measuring device: Microscopic Raman (JASCO NRS-3100)
Measurement conditions: 532 nm laser used, objective lens 20 times, CCD capture time 1 second, integration 64 times (resolution = 4 cm-1)

<XRD分析>
XRD測定は、全自動水平型X線回折装置(リガク社製、SMART LAB)を用いて、以下の条件により行った。
CuKα1線:0.15406nm
走査範囲:10°−90°
X線出力設定:45kV−200mA
ステップサイズ:0.020°
スキャン速度:0.5°min−1−4°min−1
なお、XRD測定は、試料をグローブボックス中にて気密試料台に装填することにより、不活性雰囲気を保った状態で行った。
<XRD analysis>
The XRD measurement was performed using a fully automatic horizontal X-ray diffractometer (SMART LAB manufactured by Rigaku Co., Ltd.) under the following conditions.
CuKα1 wire: 0.15406 nm
Scanning range: 10 ° -90 °
X-ray output setting: 45kV-200mA
Step size: 0.020 °
Scan speed: 0.5 ° min -1 -4 ° min -1
The XRD measurement was carried out in a state where the inert atmosphere was maintained by loading the sample into an airtight sample table in the glove box.

<XRF分析>
XRF測定は、蛍光X線分析装置(Philips社製、PW2404)を用いて、検量線法にて測定を行った。元素濃度0.01%以上のものを各成分として読み取った。水素は検出されないため、水素以外の元素の総量を100%として算出した。
<XRF analysis>
The XRF measurement was performed by a calibration curve method using a fluorescent X-ray analyzer (PW2404 manufactured by Philips). Those having an element concentration of 0.01% or more were read as each component. Since hydrogen was not detected, the total amount of elements other than hydrogen was calculated as 100%.

<XPS分析>
XPS測定は、光電子分光装置(JPS−9000MX,日本電子株式会社製)を用いて行った。水素は検出されないため、水素以外の元素の総量を100%として算出した。
<XPS analysis>
The XPS measurement was performed using a photoelectron spectrometer (JPS-9000MX, manufactured by JEOL Ltd.). Since hydrogen was not detected, the total amount of elements other than hydrogen was calculated as 100%.

〔実施例1〕
東京化成工業株式会社製のフロログルシノールを、丸祥電器株式会社製のSUPER BOYを用いて、窒素雰囲気下、1300℃で1時間焼成した。得られた炭素材料のラマン分析結果を図1、XRD分析結果を図2に示した。また、XPSによる分析にでは、実質的に炭素および酸素元素のみであり、XRFによる分析では、酸素および炭素以外の元素は100ppm以下であった。
[Example 1]
Phloroglucinol manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. was calcined at 1300 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere using SUPER BOY manufactured by Marusho Electric Co., Ltd. The Raman analysis result of the obtained carbon material is shown in FIG. 1, and the XRD analysis result is shown in FIG. Moreover, in the analysis by XPS, it was substantially only carbon and oxygen elements, and in the analysis by XRF, the elements other than oxygen and carbon were 100 ppm or less.

〔比較例1〕
特許文献WO2017/082262を参考に酸化グラフェンを調製した。得られた酸化グラフェンを水で0.2重量%の濃度に調整した後、富士フイルム和光純薬株式会社製のL−アスコルビン酸を酸化グラフェンに対し5当量加え、70℃で2時間反応させた。反応後、反応液を水洗およびろ過を繰り返し精製した後、アセトンで洗浄ろ過した。得られたウエットケーキを真空乾燥することで還元型酸化グラフェンを得た。得られた炭素材料(還元型酸化グラフェン)のラマン分析結果を図3、XRD分析結果を図4に示した。また、XRFによる分析では、硫黄が321ppm、マンガンが207ppmであった。
[Comparative Example 1]
Graphene oxide was prepared with reference to Patent Document WO2017 / 082262. After adjusting the obtained graphene oxide to a concentration of 0.2% by weight with water, 5 equivalents of L-ascorbic acid manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was added to graphene oxide, and the mixture was reacted at 70 ° C. for 2 hours. .. After the reaction, the reaction solution was repeatedly washed with water and filtered, and then washed and filtered with acetone. The obtained wet cake was vacuum dried to obtain reduced graphene oxide. The Raman analysis results of the obtained carbon material (reduced graphene oxide) are shown in FIG. 3, and the XRD analysis results are shown in FIG. Further, in the analysis by XRF, sulfur was 321 ppm and manganese was 207 ppm.

〔比較例2〕
STREM社製の剥離グラフェン(Graphene nanoplatelets aggregates)のXRD分析結果を図5に示した。剥離グラフェン(GNP)は黒鉛ピークが強く存在し、グラフェンであるとは言い難いことがわかる。
[Comparative Example 2]
The XRD analysis result of the exfoliated graphene (Graphene nanoplatates aggregates) manufactured by STREM is shown in FIG. It can be seen that exfoliated graphene (GNP) has a strong graphite peak and cannot be said to be graphene.

本発明の製造方法で得られる炭素材料、本発明の炭素材料、本発明の炭素材料組成物は、その特徴的な物性に起因して、各種分野における新規な機能性材料として利用可能である。


The carbon material obtained by the production method of the present invention, the carbon material of the present invention, and the carbon material composition of the present invention can be used as novel functional materials in various fields due to their characteristic physical properties.


Claims (14)

炭素材料の製造方法であって、
炭素、水素、および酸素から構成される分子量500以下の芳香環含有化合物(A)を700℃以上の温度で焼成する、
炭素材料の製造方法。
It is a method of manufacturing carbon materials.
An aromatic ring-containing compound (A) having a molecular weight of 500 or less, which is composed of carbon, hydrogen, and oxygen, is calcined at a temperature of 700 ° C. or higher.
Manufacturing method of carbon material.
前記芳香環含有化合物(A)の縮合反応温度が400℃以下である、請求項1に記載の炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein the condensation reaction temperature of the aromatic ring-containing compound (A) is 400 ° C. or lower. 前記芳香環含有化合物(A)の、窒素ガス雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG−DTA分析を行ったときの、温度50℃における初期重量M50に対する温度500℃における重量M500の重量比(M500/M50)が0.2以上である、請求項1または2に記載の炭素材料の製造方法。 When TG-DTA analysis of the aromatic ring-containing compound (A) was performed under a nitrogen gas atmosphere from 40 ° C. under a temperature rising condition of 10 ° C./min, the temperature was 500 ° C. with respect to the initial weight M50 at a temperature of 50 ° C. The method for producing a carbon material according to claim 1 or 2, wherein the weight ratio (M500 / M50) of the weight M500 is 0.2 or more. 前記芳香環含有化合物(A)が、水酸基を有する芳香族化合物である、請求項1から3までのいずれかに記載の炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material according to any one of claims 1 to 3, wherein the aromatic ring-containing compound (A) is an aromatic compound having a hydroxyl group. 前記焼成する温度が1000℃〜1500℃である、請求項1から4までのいずれかに記載の炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material according to any one of claims 1 to 4, wherein the firing temperature is 1000 ° C to 1500 ° C. バルク状態で製造し得る、請求項1から5までのいずれかに記載の炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material according to any one of claims 1 to 5, which can be produced in a bulk state. 炭素材料であって、
ラマン分析によって、Gバンド、Dバンド、G′バンドを示し、
XRD分析によって、黒鉛に由来するピークを示さず、
XPS分析によって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が99.9%以上を示し、
XRF分析によって、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が、それぞれ100ppm以下である、
炭素材料。
It is a carbon material
Raman analysis shows G band, D band, G'band,
XRD analysis showed no graphite-derived peaks
XPS analysis showed that the total content of carbon and oxygen in all elements was 99.9% or higher.
According to XRF analysis, the proportions of the contents of metals other than nitrogen, sulfur, phosphorus, and alkali metals are 100 ppm or less, respectively.
Carbon material.
ラマン分析によって、D+D′バンドおよび/または2D′バンドを示す、請求項7に記載の炭素材料。 The carbon material of claim 7, which exhibits a D + D'band and / or a 2D'band by Raman analysis. バルク状態で存在し得る、請求項7または8に記載の炭素材料。 The carbon material of claim 7 or 8, which may be present in bulk. 請求項7から9までのいずれかに記載の炭素材料を含む、炭素材料組成物。 A carbon material composition comprising the carbon material according to any one of claims 7 to 9. 溶剤を含む、請求項10に記載の炭素材料組成物。 The carbon material composition according to claim 10, which comprises a solvent. 前記溶剤に前記炭素材料が分散している、請求項11に記載の炭素材料組成物。 The carbon material composition according to claim 11, wherein the carbon material is dispersed in the solvent. 樹脂を含む、請求項10または11に記載の炭素材料組成物。 The carbon material composition according to claim 10 or 11, which comprises a resin. 前記樹脂に前記炭素材料が分散している、請求項13に記載の炭素材料組成物。


The carbon material composition according to claim 13, wherein the carbon material is dispersed in the resin.


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