JP2021533532A - Proton conductive two-dimensional amorphous carbon film for gas membrane and fuel cell applications - Google Patents

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Abstract

本開示は一般には二次元非晶質炭素(2DAC)被覆技術に関連する。プロトン伝導性2DACフィルムは、燃料電池、水素発生および重水素製造の用途で使用することができる。より具体的には、本開示は、電極触媒集合体と、二次元(2D)非晶質炭素とを含み、該2D非晶質炭素が0.8以下の結晶化度(C)を有する燃料電池に関する。
【選択図】 図1
The present disclosure relates generally to two-dimensional amorphous carbon (2DAC) coating techniques. Proton conductive 2DAC films can be used in fuel cells, hydrogen generation and deuterium production applications. More specifically, the present disclosure comprises a fuel containing an aggregate of electrode catalysts and a two-dimensional (2D) amorphous carbon, wherein the 2D amorphous carbon has a crystallinity (C) of 0.8 or less. Regarding batteries.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

本開示は一般には二次元非晶質炭素(2DAC)被覆技術に関連する。より具体的には、本開示は、燃料電池、水素発生および重水素製造の用途のためのプロトン伝導性2DACフィルムに関する。 The present disclosure relates generally to two-dimensional amorphous carbon (2DAC) coating techniques. More specifically, the present disclosure relates to proton conductive 2DAC films for fuel cell, hydrogen generation and deuterium production applications.

先行技術においては、燃料電池の用途のための改善された性能を開発し、提供する必要がある。 Prior art needs to develop and provide improved performance for fuel cell applications.

第1の幅広い局面によれば、本発明は、電極触媒集合体と、二次元(2D)非晶質炭素とを含み、該2D非晶質炭素が0.8以下の結晶化度(C)を有する燃料電池を提供する。 According to the first broad aspect, the present invention comprises an electrode catalyst assembly and a two-dimensional (2D) amorphous carbon, wherein the 2D amorphous carbon has a crystallinity of 0.8 or less (C). Provides a fuel cell with.

第2の幅広い局面によれば、本発明は、電極触媒集合体と、二次元(2D)非晶質炭素とを含み、該2D非晶質炭素が1未満の結晶化度(C)を有し、かつ、sp3/sp2結合比が0.2以下である燃料電池を提供する。 According to the second broad aspect, the present invention comprises an electrode catalyst assembly and a two-dimensional (2D) amorphous carbon, wherein the 2D amorphous carbon has a crystallinity (C) of less than 1. Moreover, a fuel cell having an sp3 / sp2 binding ratio of 0.2 or less is provided.

第3の幅広い態様によれば、本発明は、電極触媒集合体と、非六角形炭素環および六角形炭素環からなる原子構造を有する二次元(2D)非晶質炭素とを含み、かつ、該六角形炭素環の該非六角形炭素環に対する比率が1.0未満である燃料電池を提供する。 According to a third broad aspect, the present invention comprises an electrode catalyst assembly and a two-dimensional (2D) amorphous carbon having an atomic structure consisting of a non-hexagonal carbon ring and a hexagonal carbon ring, and. Provided is a fuel cell in which the ratio of the hexagonal carbon ring to the non-hexagonal carbon ring is less than 1.0.

本明細書中に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付された図面は、本発明の例示的な実施形態を例示しており、上記で示される一般的な記載および下記で示される詳細な記載と一緒になって、本発明の特徴を説明するために役立つ。
本開示の1つの実施形態による、連続性および秩序を示すランダムな六角形環を示す原子的に薄いフィルムの開示された複合材(グラフェンでない)を示す概略図である。 本開示の1つの実施形態による、六角形および非六角形を示す非晶質フィルムのTEM画像を例示する。 本開示の1つの実施形態による、原子間力顕微鏡法(AFM)による窒化ホウ素上の開示された炭素フィルムの測定された厚さを例示する。 本開示の1つの実施形態による、SiO上の非晶質フィルムおよびナノ結晶グラフェンのラマンスペクトルを例示する。 本開示の1つの実施形態による原子的に薄い非晶質炭素(左側)と、グラフェン(右側)とのTEM回折を例示する。 本開示の1つの実施形態による開示された炭素フィルムの透過率を例示する。 本開示の1つの実施形態による2D非晶質フィルムの機械的特性および懸垂された炭素フィルムの実証を例示する。 本開示の1つの実施形態による2DACの電気特性を例示する。 本開示の1つの実施形態による、異なる基板において成長させられる複合材を例示する。 本開示の1つの実施形態によるCu上の2DACのX線光電子分光法(XPS)を例示する。 先行技術によるプロトン交換膜燃料電池(PEMFC)の従来構成を例示する。 本開示の1つの実施形態による2DACを電極とプロトン交換膜との間のバリア層として履行する実施形態を例示する。 本開示の1つの実施形態による2DACをアノード集合体とカソード集合体との間での構成で履行する実施形態を例示する。 Nafion(登録商標)が本開示の1つの実施形態による例示的な2DACフィルムのどちら側にも形成され、燃料電池構成で電極層と触媒層との間に閉じ込められる実施形態を示す。 本開示の1つの実施形態による2DAC層が電極/触媒集合体とプロトン/重陽子伝導膜との間にある例示的な燃料電池実施形態を例示する。 本開示の1つの実施形態による改変された膜が、ガス混合物を分離するためにどのように使用され得るかの例示的な例である。
The accompanying drawings, which are incorporated herein and constitute a portion of the specification, illustrate exemplary embodiments of the invention, the general description set forth above and set forth below. Together with a detailed description, it will help explain the features of the invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a disclosed composite (not graphene) of an atomically thin film showing a random hexagonal ring showing continuity and order according to one embodiment of the present disclosure. TEM images of amorphous films showing hexagonal and non-hexagonal according to one embodiment of the present disclosure are illustrated. Illustrates the measured thickness of the disclosed carbon film on boron nitride by atomic force microscopy (AFM) according to one embodiment of the present disclosure. Illustrative Raman spectra of amorphous films and nanocrystalline graphene on SiO 2 according to one embodiment of the present disclosure. TEM diffraction between atomically thin amorphous carbon (left side) and graphene (right side) according to one embodiment of the present disclosure is illustrated. The transmittance of the disclosed carbon film according to one embodiment of the present disclosure is illustrated. Illustrating the mechanical properties of a 2D amorphous film and the demonstration of a suspended carbon film according to one embodiment of the present disclosure. Illustrates the electrical properties of a 2DAC according to one embodiment of the present disclosure. Illustrate composites grown on different substrates according to one embodiment of the present disclosure. Illustrative is X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of 2DAC on Cu according to one embodiment of the present disclosure. The conventional configuration of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) according to the prior art is illustrated. An embodiment in which 2DAC according to one embodiment of the present disclosure is implemented as a barrier layer between an electrode and a proton exchange membrane is illustrated. An embodiment in which 2DAC according to one embodiment of the present disclosure is implemented in a configuration between an anode aggregate and a cathode aggregate is illustrated. Nafion® is formed on either side of an exemplary 2DAC film according to one embodiment of the present disclosure and illustrates an embodiment confined between an electrode layer and a catalyst layer in a fuel cell configuration. Illustrative fuel cell embodiments in which the 2DAC layer according to one embodiment of the present disclosure is between the electrode / catalyst assembly and the proton / deuteron conductive membrane. It is an exemplary example of how a modified membrane according to one embodiment of the present disclosure can be used to separate a gas mixture.

発明の詳細な説明Detailed description of the invention

(定義)
用語の定義が当該用語の一般的に使用されている意味から逸脱する場合、出願人は、具体的に示されていない限り、下記において提供される定義を利用することにする。
(Definition)
If a definition of a term deviates from the commonly used meaning of that term, Applicant will use the definition provided below, unless otherwise indicated.

前述の一般的な記載および以下の記載な説明は例示的かつ説明的であるにすぎず、請求項に記載される主題を何ら限定するものでないことが理解されなければならない。本出願において、別途具体的に明記される場合を除き、単数形の使用は、複数であることを包含する。本明細書および添付された請求項において使用される場合、“a”、“an”および“the”を伴う単数形態は、文脈がそうでないことを明確に示す場合を除き、複数である参照物を包含することに留意しなければならない。本出願において、“or”(または)の使用は、別途明記される場合を除き、“and/or”(および/または)を意味する。さらに、用語“including”(含む、包含する)ならびに他の形態(例えば、“include”、“includes”および“included”など)の使用は限定的ではない。 It should be understood that the above general description and the following description are merely exemplary and descriptive and do not limit the subject matter set forth in the claims. In this application, the use of the singular is meant to be plural, unless otherwise specified. As used herein and in the accompanying claims, the singular form with "a", "an" and "the" is a plurality of references unless the context clearly indicates otherwise. It should be noted that it includes. In this application, the use of "or" (or) means "and / or" (and / or) unless otherwise specified. Moreover, the use of the term "include" (including, including) and other forms (eg, "include", "includes" and "included") is not limiting.

本発明の目的のために、用語“comprising”(含む)、用語“having”(有する)、用語“including”(含む、包含する)、およびこれらの語の変化形は、制約がないことが意図され、列挙された要素とは異なるさらなる要素が存在してもよいことを意味する。 For the purposes of the present invention, the terms "comprising" (including), the term "having" (having), the term "inclating" (including, including), and variants of these terms are intended to be unconstrained. It means that there may be additional elements that are different from the listed elements.

本発明の目的のために、方向の用語、例えば、“top”(上部)、“bottom”(底部)、“upper”(上方)、“lower”(下方)、“above”(上方)、“below”(下方)、“left”(左)、“right”(右)、“horizontal”(水平)、“vertical”(垂直)、“up”(上方)、“down”(下方)などは、本発明の様々な実施形態を記載する際において便宜のためだけに使用される。本発明の実施形態は様々な様式で方向づけられる場合がある。例えば、図面に示される略図、装置などは、裏返し、いずれかの方向での90°回転、反転が行われる場合がある。 For the purposes of the present invention, directional terms such as "top" (top), "bottom" (bottom), "upper" (upper), "lower" (lower), "above" (upper), " "below" (lower), "left" (left), "right" (right), "horizontal" (horizontal), "vertical" (vertical), "up" (upper), "down" (lower), etc. It is used only for convenience in describing various embodiments of the invention. The embodiments of the present invention may be oriented in various ways. For example, a schematic diagram, a device, or the like shown in a drawing may be turned inside out, rotated by 90 ° in either direction, or inverted.

本発明の目的のために、値または特性は、その値が、その値、特性または他の要因を使用して数学的計算または論理的決定を行うことによって導出されるならば、特定の値、特性、条件の充足、または他の要因に「基づく」。 For the purposes of the present invention, a particular value, if the value is derived by making a mathematical calculation or logical decision using the value, characteristic or other factor. "Based" on characteristics, fulfillment of conditions, or other factors.

本発明の目的のために、より簡潔な記載を提供するために、本明細書中で示される量的表現のいくつかは用語「約」により修飾されないことに留意しなければならない。用語「約」が明示的に使用されるか否かにかかわらず、本明細書中に示されるどの量も、実際の示された値を示すことが意味され、また、そのような示された値についての実験条件および/または測定条件に起因する近似値を含めて、当該技術分野の通常の技能に基づいて合理的に推論されるであろうそのような示された値の近似値を示すこともまた意味されることが理解される。 It should be noted that, for the purposes of the present invention, in order to provide a more concise description, some of the quantitative representations presented herein are not modified by the term "about". Regardless of whether the term "about" is used explicitly, any quantity shown herein is meant to indicate the actual value shown and is also shown as such. Shows approximations of such indicated values that would be reasonably inferred based on normal skill in the art, including approximations due to experimental and / or measurement conditions for the values. It is understood that this also means.

本発明の目的のために、用語「接着強さ」は、開示された2DACフィルムとその成長基板との間における結合の強さを示す。接着強さは、J/mの単位で測定されることがあるこれら2つの材料の間の付着エネルギーに直接に依存している。 For the purposes of the present invention, the term "bond strength" refers to the strength of the bond between the disclosed 2DAC film and its growth substrate. Bond strength depends directly on the bond energy between these two materials, which may be measured in units of J / m 2.

本発明の目的のために、用語「非晶質」は、明確な形態を欠いていること、または具体的な形状を有していないこと、または無定形であることを示す。非結晶性固体として、非晶質は、結晶の特徴である長距離秩序を欠く固体を示す。 For the purposes of the present invention, the term "amorphous" indicates that it lacks a well-defined form, does not have a specific shape, or is amorphous. As a non-crystalline solid, amorphous represents a solid that lacks the long-range order characteristic of crystals.

本発明の目的のために、用語「非晶質炭素」は、長距離の結晶性構造を何ら有しない炭素を示す。 For the purposes of the present invention, the term "amorphous carbon" refers to carbon that has no long-range crystalline structure.

本発明の目的のために、用語「原子的に薄い非晶質炭素」は、平面が炭素原子のおよそ1層〜5層からなり、sp結合がほとんどはこれらの炭素原子の間に存在し、したがって層を形成している非晶質炭素を示す。層が積み重ねられる場合があることが理解されなければならず、層のこの積み重なりは本発明の範囲内であると見なされる。 For the purposes of the present invention, the term "atomically thin amorphous carbon" has a plane consisting of approximately 1 to 5 layers of carbon atoms, with most sp 2 bonds present between these carbon atoms. Therefore, it shows the amorphous carbon forming the layer. It must be understood that layers may be stacked and this stacking of layers is considered to be within the scope of the invention.

本発明の目的のために、用語「炭素被膜」は、基板に堆積する炭素の層を示す。 For the purposes of the present invention, the term "carbon coating" refers to a layer of carbon deposited on a substrate.

本発明の目的のために、用語「炭素環サイズ」は、炭素原子の環のサイズを示す。いくつかの開示された実施形態において、1つの炭素環における原子の数は4原子から9原子にまで変化し得る。 For the purposes of the present invention, the term "carbon ring size" refers to the size of the ring of carbon atoms. In some disclosed embodiments, the number of atoms in one carbon ring can vary from 4 to 9 atoms.

本発明の目的のために、用語「ダイヤモンド様炭素」は、炭素原子間のほとんどにおいてsp結合からなる非晶質炭素を示す。 For the purposes of the present invention, the term "diamond-like carbon" refers to amorphous carbon consisting of sp 3 bonds in most between carbon atoms.

本発明の目的のために、用語「幹細胞を分化させる」は、専門化していない幹細胞を、機能的形質を有する特異的なタイプの細胞に向かわせるプロセスを示す。開示された実施形態において、分化が、化学的な要因と、基質誘発の要因との組み合わせに起因して生じる。 For the purposes of the present invention, the term "differentiate stem cells" refers to the process of directing unspecialized stem cells to specific types of cells with functional traits. In the disclosed embodiments, differentiation results from a combination of chemical factors and substrate-inducing factors.

本発明の目的のために、用語「D/G比」は、ラマンスペクトルにおけるDピークおよびGピークの強度比を示す。 For the purposes of the present invention, the term "D / G ratio" refers to the intensity ratio of D and G peaks in a Raman spectrum.

本発明の目的のために、用語「電気化学セル(EC)」は、電気エネルギーを化学反応から生じさせること、または、そうでなければ、それを容易にすることがどちらでも可能であるデバイスを示す。電流を生じさせる電気化学セルはボルタ電池またはガルバニ電池と呼ばれ、それ以外は、電気分解のような化学反応を行わせるために使用される電解セルと呼ばれる。ガルバニ電池の一般的な一例が消費者使用向けの標準的な1.5ボルトの電池である。バッテリーが、並列様式または直列様式のどちらでも接続される1つまたは複数のセルからなる場合がある。 For the purposes of the present invention, the term "electrochemical cell (EC)" refers to a device in which it is possible to either generate electrical energy from a chemical reaction or otherwise facilitate it. show. Electrochemical cells that generate electric current are called voltaic cells or galvanic cells, and others are called electrolytic cells that are used to carry out chemical reactions such as electrolysis. A common example of a galvanic cell is a standard 1.5 volt battery for consumer use. The battery may consist of one or more cells connected in either parallel or serial fashion.

本発明の目的のために、用語「燃料電池」は、水素燃料と酸素または別の酸化剤との電気化学反応を介して燃料からの化学エネルギーを電気に変換する電気化学セルを示す。燃料電池は、その化学反応を維持するための燃料および酸素(通常の場合には空気由来の酸素)の連続した供給源を必要とすることにおいてバッテリーと異なる場合があり、これに対して、バッテリーでは、化学エネルギーが、バッテリーに既に存在している化学物質から生じる。燃料電池は、燃料および酸素が供給される限りは連続して電気をもたらすことができる。 For the purposes of the present invention, the term "fuel cell" refers to an electrochemical cell that converts chemical energy from a fuel into electricity through an electrochemical reaction between a hydrogen fuel and oxygen or another oxidizing agent. Fuel cells may differ from batteries in that they require a continuous source of fuel and oxygen (usually air-derived oxygen) to maintain their chemical reaction, whereas batteries. Now, the chemical energy comes from the chemicals that are already present in the battery. Fuel cells can continuously provide electricity as long as fuel and oxygen are supplied.

本発明の目的のために、用語「グラフェン」は、六方格子で配置される炭素原子の単層からなる炭素の同素体(形態)を示す。この単層は、炭素の多くの他の同素体(例えば、グラファイト、木炭、カーボンナノチューブおよびフラーレンなど)の基本的な構造要素である。この単層は、無限に大きい芳香族分子、すなわち、平らな多環芳香族炭化水素の一群の究極的な場合であると見なすことができる。グラフェンは、その強い材料特性、熱および電気を効率的に伝えることができることを含めて多くの並外れた特性を有しており、また、ほぼ透明でもある。 For the purposes of the present invention, the term "graphene" refers to an allotrope (form) of carbon consisting of a single layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice. This monolayer is the basic structural element of many other allotropes of carbon, such as graphite, charcoal, carbon nanotubes and fullerenes. This monolayer can be considered the ultimate case of an infinitely large group of aromatic molecules, i.e., a group of flat polycyclic aromatic hydrocarbons. Graphene has many extraordinary properties, including its strong material properties, its ability to efficiently transfer heat and electricity, and is also nearly transparent.

本発明の目的のために、用語「膜」は、いくつかの元素が通過することを許し得るが、他のもの(例えば、分子、イオンまたは他の小さい粒子など)を阻止する選択的バリアとして作用する層を示す。 For the purposes of the present invention, the term "membrane" may allow some elements to pass through, but as a selective barrier that blocks others (eg, molecules, ions or other small particles). Shows the layer of action.

本発明の目的のために、用語「Nafion(登録商標)」は、スルホン化されたテトラフルオロエチレン系フルオロポリマー共重合体を示す。Nafion(登録商標)は、イオノマーと呼ばれる、イオン性を有する合成ポリマーの部類の最初のものである。Nafion(登録商標)の特異なイオン性は、末端がスルホン酸基であるパーフルオロビニルエーテル基をテトラフルオロエチレン(Teflon)骨格に組み込むことの結果である。Nafion(登録商標)はプロトン交換膜(PEM)燃料電池のためのプロトン伝導体として働き、優れた熱安定性および機械的安定性を有している。 For the purposes of the present invention, the term "Nafion®" refers to a sulfonated tetrafluoroethylene fluoropolymer copolymer. Nafion® is the first in a class of ionic synthetic polymers called ionomers. The unique ionicity of Nafion® is the result of incorporating a perfluorovinyl ether group, which is a sulfonic acid group at the end, into the Tetrafluoroethylene backbone. Nafion® acts as a proton conductor for proton exchange membrane (PEM) fuel cells and has excellent thermal and mechanical stability.

本発明の目的のために、用語「プロトン交換膜」または用語「高分子電解質膜」(PEM)は、一般にはイオノマーから作製され、かつ、電子絶縁体かつ反応物バリアとして、例えば、酸素および水素ガスに対する電子絶縁体かつ反応物バリアとして作用しながらプロトンを伝達するように設計される半透膜を示す。いくつかの実施形態において、プロトン交換膜または高分子電解質膜はまた、プロトン伝導膜とも呼ばれる場合がある。PEMの不可欠な機能の一部として、反応物の分離およびプロトンの輸送、一方で、膜を通り抜ける直接的な電子経路の阻止が挙げられる場合がある。様々なPEMが、純粋な高分子膜から、または他の材料が高分子マトリックスに埋め込まれる複合膜からのどちらからでも作製され得る。いくつかの開示された実施形態において、PEMが、プロトン伝導率(σ)、メタノール透過性(P)および熱安定性によって主に特徴づけられる場合がある。PEM燃料電池では固体高分子膜(薄いプラスチックフィルム)が電解質として利用されることがあり、この場合、ポリマーは、水が飽和したときにはプロトンに対して透過性であり、しかし、電子を伝えない。 For the purposes of the present invention, the term "proton exchange membrane" or the term "polyelectrolyte membrane" (PEM) is generally made from ionomers and is used as an electronic insulator and reactant barrier, eg, oxygen and hydrogen. Shows a semipermeable membrane designed to transfer protons while acting as an electron insulator and reactant barrier to gas. In some embodiments, the proton exchange membrane or polyelectrolyte membrane may also be referred to as a proton conduction membrane. Some of the essential functions of PEMs may include the separation of reactants and the transport of protons, while blocking the direct electronic pathways through the membrane. Various PEMs can be made either from pure polymer membranes or from composite membranes in which other materials are embedded in the polymer matrix. In some disclosed embodiments, the PEM may be characterized primarily by proton conductivity (σ), methanol permeability (P) and thermal stability. In PEM fuel cells, a solid polymer membrane (thin plastic film) may be used as the electrolyte, in which case the polymer is permeable to protons when the water is saturated, but does not transfer electrons.

本発明の目的のために、用語「プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)」は、主として輸送用途のために、同様にまた、定置型燃料電池用途および可搬型燃料電池用途のために開発されているタイプの燃料電池を示す。それらの際立った特徴には、より低い温度/圧力範囲(50〜100℃)と、プロトン伝導性の特殊な高分子電解質膜とが含まれる。PEMFCは、電気を消費する高分子電解質膜(PEM)電気分解とは逆の原理で電気を生じさせ、作動する。PEMFCは、老朽化したアルカリ燃料電池技術に取って代わる有力な候補である。いくつかの用途において、PEMFCはまた、高分子電解質膜燃料電池として知られている場合がある。 For the purposes of the present invention, the term "proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)" has been developed primarily for transport applications, as well as for stationary and portable fuel cell applications. Indicates a type of fuel cell. Their salient features include a lower temperature / pressure range (50-100 ° C.) and a special polyelectrolyte membrane with proton conductivity. PEMFCs generate and operate electricity on the opposite principle of electrolysis of polymer electrolyte membranes (PEMs), which consume electricity. PEMFCs are a strong candidate to replace aging alkaline fuel cell technology. In some applications, PEMFC may also be known as a polyelectrolyte membrane fuel cell.

本発明の目的のために、用語「プロトン輸送」は、電気絶縁膜を横切ってのプロトンの輸送を示す。 For the purposes of the present invention, the term "proton transport" refers to the transport of protons across an electrical insulating film.

本発明の目的のために、用語「ラマン分光法」は、系における振動モード、回転モードおよび他の低振動数モードを観測するために使用される分光技術を示す。ラマン分光法が、分子を特定することができる構造的フィンガープリントを提供するために化学では一般に使用される。ラマン分光法は、単色光の非弾性散乱、通常の場合には可視範囲、近赤外範囲または近紫外範囲のレーザー光からの非弾性散乱、すなわち、ラマン散乱に依拠する。レーザー光は、系における分子振動、フォノンまたはその他の励起状態と相互作用し、その結果、レーザー光子のエネルギーが上方または下方にシフトする。エネルギーにおけるこのシフトにより、系における振動モードに関する情報がもたらされる。 For the purposes of the present invention, the term "Raman spectroscopy" refers to spectroscopic techniques used to observe vibrational modes, rotational modes and other low frequency modes in a system. Raman spectroscopy is commonly used in chemistry to provide structural fingerprints that can identify molecules. Raman spectroscopy relies on inelastic scattering of monochromatic light, which is usually inelastic scattering from laser light in the visible, near-infrared or near-ultraviolet range, i.e. Raman scattering. The laser light interacts with molecular vibrations, phonons or other excited states in the system, resulting in an upward or downward shift in the energy of the laser photons. This shift in energy provides information about the vibrational modes in the system.

本発明の目的のために、用語「ラマンスペクトル」は、分子の回転振動(rovibronic)状態に依存する振動数シフトの関数としての散乱強度の現象を示す。分子がラマン効果を示すためには、その電気双極子−電気双極子分極率における変化が、振動回転状態に対応する振動座標に関して存在しなければならない。ラマン散乱の強度はこの分極率変化に比例している。 For the purposes of the present invention, the term "Raman spectrum" refers to the phenomenon of scattering intensity as a function of frequency shift depending on the rotational vibrational state of the molecule. In order for a molecule to exhibit the Raman effect, a change in its electric dipole-electric dipole polarizability must be present with respect to the vibration coordinates corresponding to the vibrational rotational state. The intensity of Raman scattering is proportional to this change in polarizability.

本発明の目的のために、用語「自己集合した」は、開示された2DAC表面を覆う規則的な格子構造でのポリマー鎖の自己組織化を示す。開示された実施形態において、自己集合は、バルク特性と比較して異なる特性を有する極薄フィルムの形成を可能にする。 For the purposes of the present invention, the term "self-assembled" refers to the self-assembly of polymer chains in a regular lattice structure covering the disclosed 2DAC surface. In the disclosed embodiments, self-assembly allows the formation of ultra-thin films with different properties compared to bulk properties.

本発明の目的のために、用語「sp/spの比率」は、2DACにおいて見出される炭素結合のタイプを示す。sp結合は高次の成長因子結合を可能にする。 For the purposes of the present invention, the term "sp 3 / sp 2 ratio" refers to the type of carbon bond found in 2DAC. Sp 2 binding allows higher order growth factor binding.

本発明の目的のために、用語「基板」は、開示された二次元(2D)非晶質炭素フィルムのための構造的支持体を示す。選択された用途において、開示された実施形態は、例えば、2DACフィルムを機械的に支持するための基板を提供する。これは、そうでない場合には、2DACフィルムは薄すぎて、損傷を受けることなくその機能を果たすことができないことがあるからである。基板は、開示された2DACまたは2DACフィルムを基板の表面において成長させるために使用される材料と見なされる場合がある。 For the purposes of the present invention, the term "subject" refers to a structural support for a disclosed two-dimensional (2D) amorphous carbon film. In selected applications, the disclosed embodiments provide, for example, a substrate for mechanically supporting a 2DAC film. This is because otherwise the 2DAC film may be too thin to perform its function without being damaged. The substrate may be considered the material used to grow the disclosed 2DAC or 2DAC film on the surface of the substrate.

本発明の目的のために、用語「二次元(2D)非晶質炭素フィルム」は、原子的に薄い非晶質炭素から、可能な限り薄い非晶質炭素(例えば、単原子の厚さの非晶質炭素)までのもので、例えば、低い融解温度を有し、非触媒性である基板を含む様々な基板、ならびに、金属、ガラスおよび酸化物の表面もまた含むそれらの基板において直接に成長させることができるものを示す。他の基板における成長が、開示された2DACフィルムが成長させられる低い温度のために可能となる。2DACフィルムの様々な開示された実施形態が、本明細書中に開示されるように、自立型フィルムとして、または基板における被膜として提示される場合がある。開示された2DACフィルムは非晶質であるにもかかわらず、炭素原子は平面内の複数の隣接する炭素原子に結合して、その成長基板から離されたとき(自立しているとき)でさえ非常に安定である強い網状組織を形成する。この炭素材料はまた、金属表面に十分に付着し、それにより、基板全体を完全に覆うことを保証するための特性を有している。開示された2DAC薄フィルムの固有の薄さおよび大きい強度はまた、2DAC薄フィルムが、破断することなく金属基板の曲げに耐えることを可能にする。 For the purposes of the present invention, the term "two-dimensional (2D) amorphous carbon film" is used from atomically thin amorphous carbon to as thin as possible amorphous carbon (eg, monoatomic thickness). Amorphous carbon), for example, directly in various substrates including substrates that have low melting temperatures and are non-catalytic, as well as those substrates that also include surfaces of metals, glass and oxides. Show what can be grown. Growth on other substrates is possible due to the low temperature at which the disclosed 2DAC films are grown. Various disclosed embodiments of the 2DAC film may be presented as a self-supporting film or as a coating on a substrate, as disclosed herein. Despite the amorphous nature of the disclosed 2DAC film, carbon atoms are bonded to multiple adjacent carbon atoms in a plane and even when separated from their growth substrate (when self-supporting). It forms a strong network that is very stable. The carbon material also has properties to ensure that it adheres well to the metal surface, thereby completely covering the entire substrate. The inherent thinness and high strength of the disclosed 2DAC thin film also allows the 2DAC thin film to withstand bending of the metal substrate without breaking.

本発明の目的のために、用語「二次元(2D)非晶質炭素被膜」は、基板において直接に成長および/または堆積する2DACフィルムを示す。開示された実施形態にはまた、2DAC被膜が基板に移される場合または基板から移される場合が含まれることがある。 For the purposes of the present invention, the term "two-dimensional (2D) amorphous carbon coating" refers to a 2DAC film that grows and / or deposits directly on a substrate. The disclosed embodiments may also include cases where the 2DAC coating is transferred to or from the substrate.

(説明)
本発明は様々な改変および代替形態が可能であるが、その具体的な実施形態が図面に例として示されており、下記において詳しく説明されることになる。しかしながら、本発明を開示される特定の形態に限定することは意図されるのではなく、それどころか、本発明は、本発明の精神および範囲の範囲内にあるすべての改変、同等物および代替に及ぶことになることが理解されなければならない。
(explanation)
Various modifications and alternatives of the present invention are possible, but specific embodiments thereof are shown as examples in the drawings and will be described in detail below. However, it is not intended to limit the invention to the particular embodiments disclosed, and on the contrary, the invention spans all modifications, equivalents and alternatives within the spirit and scope of the invention. It must be understood that this will be the case.

燃料電池は、電気出力と、廃棄物としての清浄な水とをもたらす水素源および酸素源の清浄かつ効率的なエネルギー変換を提供する。より有望なタイプの燃料電池の1つがプロトン交換膜燃料電池(PEMFC)であり、これは以前から商品化され続けている。従来の構成において、PEMFCは基本的には、3つの構成要素から、すなわち、アノードと、カソードと、プロトン交換膜とからなり得る。図11には、例示的な従来型PEMFC(1100)の作動原理を例示される。水素がアノード(1106)においてプロトンと電子とに解離し、プロトンはプロトン交換膜(1104)を横断してカソード(108)に達し、一方、電子は外部回路(1110)を経由してカソード(1108)に到達する。カソード(108)において、プロトンは電子および酸素と相互作用し、これにより、水廃棄物(HO)が生じる。電力が外部回路(1110)において電子によって発生する。 Fuel cells provide clean and efficient energy conversion of hydrogen and oxygen sources that provide electrical output and clean water as waste. One of the more promising types of fuel cells is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which has been on the market for some time 1 . In conventional configurations, the PEMFC can basically consist of three components: an anode, a cathode, and a proton exchange membrane. FIG. 11 illustrates the working principle of an exemplary conventional PEMFC (1100). Hydrogen dissociates into protons and electrons at the anode (1106), the protons cross the proton exchange membrane (1104) and reach the cathode (108), while the electrons pass through the external circuit (1110) to the cathode (1108). ) Is reached. At the cathode (108), protons interact with electrons and oxygen, which produces water waste (H 2 O). Electric power is generated by electrons in the external circuit (1110).

PEMFC(1100)の性能は、プロトンを伝え、かつ、系に存在している可能性のある水素、メタノール、酸素、窒素および他のガスが膜を通り抜けることを防止するためのプロトン交換膜(1104)に依存している。電極/触媒層または電極触媒集合体(1102)が、白金、ルテニウムまたは他の触媒活性材料から作製される触媒粒子が蒸着される、典型的には炭素から作製される電極からなる。電極触媒集合体(1102)は、これらのガスが拡散により層を通過することを許す多孔質構造を有する。アノード電極触媒集合体を拡散により通過する水素燃料は触媒粒子と反応し、プロトンと電子とに解離する。カソード電極触媒集合体において、酸素ガスは拡散により集合体を通過し続け、プロトンおよび電子と反応して水を形成し続ける。多くの場合、不活性ガス(例えば、窒素など)が、運転圧力、燃料供給を安定化するために、かつ、過剰なガスおよび液体を排気に搬送することを助けるために流され系内を通過する。 The performance of the PEMFC (1100) is a proton exchange membrane (1104) that transfers protons and prevents hydrogen, methanol, oxygen, nitrogen and other gases that may be present in the system from passing through the membrane. ) Depends on. The electrode / catalyst layer or electrode catalyst assembly (1102) consists of an electrode, typically made of carbon, on which catalyst particles made of platinum, ruthenium or other catalytically active material are deposited. The electrode catalyst assembly (1102) has a porous structure that allows these gases to pass through the layer by diffusion. Hydrogen fuel that passes through the anode electrode catalyst aggregate by diffusion reacts with the catalyst particles and dissociates into protons and electrons. In the cathode electrode catalyst assembly, the oxygen gas continues to pass through the assembly by diffusion and reacts with protons and electrons to form water. In many cases, an inert gas (eg, nitrogen) is flushed through the system to stabilize operating pressure, fuel supply, and to help transport excess gas and liquid to the exhaust. do.

プロトン交換膜(1104)を横断するガスは、正味の効率を低下させるだけでなく、電極における過酸化水素の形成をも引き起こし、これがプロトン交換膜(104)のピンホールおよび薄化の原因となるので、懸念される。これらの事象はガスの通り抜けを増強し、燃料電池の故障を加速させるThe gas across the proton exchange membrane (1104) not only reduces net efficiency, but also causes the formation of hydrogen peroxide at the electrodes, which causes pinholes and thinning of the proton exchange membrane (104). So I'm worried. These events enhance gas passage and accelerate fuel cell failure 2 .

ガスの通り抜けはまた、アノードおよびカソードにおける化学反応を促進させる触媒粒子の効率にも影響を与える可能性がある。プロトン交換膜(1104)はさらに、イオン性汚染物質(例えば、アルカリ金属およびアンモニウムイオンなど)によって損傷を受ける可能性があるGas passage can also affect the efficiency of catalytic particles that facilitate chemical reactions at the anode and cathode. The proton exchange membrane (1104) can also be further damaged by ionic contaminants (eg, alkali metals and ammonium ions) 2 .

プロトン交換膜のガス通り抜けおよび劣化を防止するために、開示された発明の様々な実施形態により、ガス通り抜け防止層として導入され得る2DAC層が提供される。いくつかの実施形態において、開示された2DACはフィルム層として提供される。例示的な構成において、開示された2DACフィルムはプロトン交換膜(1104)に取り付けられる場合がある。開示された2DACフィルムはプロトン伝導率をその優れたプロトン伝導率および究極的薄さのために制限しない。開示された2DACフィルムは、すべての他のガスおよびイオンに対するバリアであり、それにより、用いられたPEMFCの寿命を増大させる。開示された2DACフィルムのさらなる議論が下記のように提供される。 In order to prevent gas passage and deterioration of the proton exchange membrane, various embodiments of the disclosed invention provide a 2DAC layer that can be introduced as a gas passage prevention layer. In some embodiments, the disclosed 2DAC is provided as a film layer. In an exemplary configuration, the disclosed 2DAC film may be attached to a proton exchange membrane (1104). The disclosed 2DAC film does not limit the proton conductivity due to its excellent proton conductivity and ultimate thinness. The disclosed 2DAC film is a barrier to all other gases and ions, thereby increasing the life of the PEMFC used. Further discussion of the disclosed 2DAC films is provided as follows.

開示された実施形態は、基板(金属、ガラス、酸化物)の上における原子的に薄い(単層の)非晶質炭素から構成される新しい複合材に関する。この非晶質炭素は、該非晶質炭素が成長する基板に非常によく付着する。したがって、この非晶質炭素材は特異な特徴を提供する。例えば、開示された非晶質炭素材は、具体的な目的(1つまたは複数)のための被膜を必要とする基板を利用する用途に適している。例示的な用途には、限定されないが、生物医学的用途が含まれる場合がある。 The disclosed embodiments relate to new composites composed of atomically thin (single layer) amorphous carbon on a substrate (metal, glass, oxide). This amorphous carbon adheres very well to the substrate on which the amorphous carbon grows. Therefore, this amorphous carbon material provides unique characteristics. For example, the disclosed amorphous carbon material is suitable for applications that utilize a substrate that requires a coating for a specific purpose (s). Exemplary uses may include, but are not limited to, biomedical uses.

本開示は、二次元(2D)非晶質炭素(2DAC)と呼ばれる炭素の新しい形態を提供する。開示された実施形態により、例えば、低い融解温度を有し、非触媒性である基板、ならびにガラスおよび酸化物の表面もまた含む基板を含めて様々な金属基板において直接に成長させることができる2DACの内部での可能な限り薄い非晶質炭素(例えば、およそ単原子の厚さの非晶質炭素)が提供される。1つの選択された実施形態において、単原子の厚さを有することが、好ましい材料であり、2DACについての下方の厚さ限界となる場合がある。開示された実施形態には、数原子の厚さ(例えば、10原子の厚さまたは約3+nm)にまで及ぶことがある厚さが含まれる場合がある。開示された2DACは二次元(2D)非晶質炭素フィルムとして提供される場合がある。しかしながら、開示された2DACの厚さが増大するにつれ、開示された2DACは依然として、本明細書中に開示されるように、どのような非晶質炭素材であれ他の存在するかもしれない非晶質炭素材の厚さと構造的に異なっていること(例えば、sp対sp比)に留意することは依然として重要である。 The present disclosure provides a new form of carbon called two-dimensional (2D) amorphous carbon (2DAC). According to the disclosed embodiments, 2DACs can be grown directly on a variety of metal substrates, including, for example, substrates that have a low melting temperature and are non-catalytic, as well as substrates that also include glass and oxide surfaces. The thinnest possible amorphous carbon inside (eg, amorphous carbon with a thickness of approximately a single atom) is provided. In one selected embodiment, having a monatomic thickness is a preferred material and may be a lower thickness limit for 2DAC. The disclosed embodiments may include thicknesses that can range to a thickness of a few atoms (eg, a thickness of 10 atoms or about 3 + nm). The disclosed 2DAC may be provided as a two-dimensional (2D) amorphous carbon film. However, as the thickness of the disclosed 2DACs increases, the disclosed 2DACs may still be present in any amorphous carbon material, as disclosed herein. It is still important to note that the thickness and structural differences of the crystalline carbon material (eg, sp 3 to sp 2 ratio).

他の基板における成長が、開示された2DACフィルムが成長させられる低い温度のために可能となる。開示された2DACフィルムは非晶質であるにもかかわらず、炭素原子は平面内の複数の隣接する炭素原子に結合して、その成長基板から離されたとき(自立しているとき)でさえ非常に安定である強い網状組織を形成する。したがって、それぞれの炭素原子が、高密度の結合(連結)が存在するように複数の炭素原子に結合する。開示された2DACはまた、金属表面に十分に付着し、それにより、完全に覆うことを保証するための特性を有している。材料特性(例えば、下記で開示される材料特性)、例えば、開示された2DAC薄フィルムの固有の薄さおよび大きい強さなどもまた、2DAC薄フィルムが、破断することなく金属基板の曲げに耐えることを可能にする。 Growth on other substrates is possible due to the low temperature at which the disclosed 2DAC films are grown. Despite the amorphous nature of the disclosed 2DAC film, carbon atoms are bonded to multiple adjacent carbon atoms in a plane and even when separated from their growth substrate (when self-supporting). It forms a strong network that is very stable. Therefore, each carbon atom is bonded to a plurality of carbon atoms so that a high-density bond (linkage) exists. The disclosed 2DACs also have properties to ensure that they adhere well to the metal surface, thereby ensuring complete coverage. Material properties (eg, material properties disclosed below), such as the inherent thinness and high strength of the disclosed 2DAC thin film, also allow the 2DAC thin film to withstand bending of the metal substrate without breaking. Make it possible.

開示された実施形態によれば、非晶質炭素は、長距離の構造的秩序を有しない形態の炭素として定義される場合がある。非晶質炭素はいくつかの形態で存在し、その形態に依存して、ダイヤモンド様炭素、ガラス状炭素、すすなどのような異なる名前で呼ばれることが多い。非晶質炭素が、例えば、とりわけ、化学蒸着、スパッタ堆積および陰極アーク蒸着を含むいくつかの技術によって作製される場合がある。従来の用途では、非晶質炭素はこれまで常に三次元形態で(またはバルクで)存在している。炭素の二次元の等価形態がグラフェンであり、しかしながら、グラフェンは、(単結晶または多結晶性のどちらであれ)結晶性材料として存在するだけである。グラフェンが合成されるには、グラフェンは高温を必要とし、ほとんどの場合、銅表面において成長させられる。本開示により、開示された実施形態は、はるかにより低い温度で、かつ任意の基板において成長する連続した二次元形態の非晶質炭素を作り出すことを成し遂げている。開示された2DACフィルムと基板との複合材は、バルク状の非晶質炭素とは大幅に異なる特性、それどころか、単層グラフェンに対して大幅に異なる特性を有する。 According to the disclosed embodiments, amorphous carbon may be defined as a form of carbon that does not have long-range structural order. Amorphous carbon exists in several forms, and depending on its form, it is often referred to by different names such as diamond-like carbon, glassy carbon, soot, and so on. Amorphous carbon may be produced, for example, by several techniques including chemical vapor deposition, sputter deposition and cathodic arc deposition, among others. In conventional applications, amorphous carbon has always been present in three-dimensional form (or in bulk). The two-dimensional equivalent form of carbon is graphene, however, graphene only exists as a crystalline material (either single crystal or polycrystalline). Graphene requires high temperatures for it to be synthesized and is most often grown on the copper surface. With the present disclosure, the disclosed embodiments have achieved to produce continuous two-dimensional forms of amorphous carbon that grow at much lower temperatures and on any substrate. The disclosed composite of 2DAC film and substrate has properties that are significantly different from bulk amorphous carbon, and on the contrary, significantly different from monolayer graphene.

開示された2DACの様々な実施形態が、フィルム、例えば、基板を被覆するフィルム、多孔質構造体の内側表面を被覆するフィルム、懸垂されたフィルム、巻かれたフィルム、チューブ、ファイバー、または中空ボールとして存在する場合がある。開示された2DACの機械的特性、電気特性、光学特性、熱特性および他の特性は、例えば、2DACの形状に依存して、様々であることが予想される。例えば、開示された2DACを含むチューブは、軸方向での大きい機械的強度と、半径方向でのより穏やかな応答とを有するであろう。開示された2DACは、別個の用途のための異なる特性を利用するために様々な形態に調製され得る。 Various embodiments of the disclosed 2DAC include a film, eg, a film covering a substrate, a film covering the inner surface of a porous structure, a suspended film, a rolled film, a tube, a fiber, or a hollow ball. May exist as. The disclosed mechanical, electrical, optical, thermal and other properties of the 2DAC are expected to vary, depending on, for example, the shape of the 2DAC. For example, a tube containing the disclosed 2DAC would have a large mechanical strength in the axial direction and a milder response in the radial direction. The disclosed 2DACs can be prepared in various forms to take advantage of the different properties for different uses.

図1には、開示された複合材の概略図(100)が基板の上部表面における炭素材料のTEM画像とともに例示される。開示された物質の組成物は、基板(104)(例えば、金属またはガラス、酸化物)の上における原子的に薄い非晶質炭素(102)の新しい複合材である。 FIG. 1 illustrates a schematic view (100) of the disclosed composite material, along with a TEM image of the carbon material on the upper surface of the substrate. The composition of the disclosed material is a new composite of atomically thin amorphous carbon (102) on a substrate (104) (eg, metal or glass, oxide).

開示された複合材は、任意の基板の上における原子的に薄い2D非晶質炭素(2DAC)を示す場合がある。開示された実施形態によれば、開示された基板の上における開示された2DACフィルムは、その原子構造およびその特性に関して規定される場合がある。 The disclosed composites may exhibit atomically thin 2D amorphous carbon (2DAC) on any substrate. According to the disclosed embodiments, the disclosed 2DAC film on the disclosed substrate may be defined with respect to its atomic structure and its properties.

原子構造についてのより厳密な試験および定義が下記のように表される場合がある。図2には、本開示の1つの実施形態による、六角形および非六角形を示す非晶質フィルムのTEM画像が例示される。図2の左上の画像は、六角形および非六角形を含む開示された2DACフィルムの高解像度TEM画像を例示する。左上画像のTEM画像の左下の概略図が、見やすくするために提供される。六角形が緑色で着色され、一方、非六角形が赤色または青色のどちらかで着色される。右上の表示は、明確な回折パターンを有しない環構造をどちらが示すかを例示するFFTである。 More rigorous tests and definitions for atomic structure may be expressed as: FIG. 2 illustrates TEM images of amorphous and non-hexagonal films according to one embodiment of the present disclosure. The upper left image of FIG. 2 illustrates a high resolution TEM image of the disclosed 2DAC film including hexagons and non-hexagons. A schematic diagram of the lower left of the TEM image of the upper left image is provided for clarity. Hexagons are colored green, while non-hexagons are colored either red or blue. The upper right display is an FFT illustrating which one exhibits a ring structure that does not have a clear diffraction pattern.

図2のTEM画像を参照すると、2DACフィルムは、六角形の環と非六角形の環との混合をその構造において有する単原子厚さの炭素フィルムである。これらの環は相互に完全に連結され、これにより、規模が少なくともミクロン単位である大面積フィルムにおける様々な多角形の網状組織を形成する。六角形の非六角形に対する比率が結晶化度(または非晶質性)Cの尺度である。非六角形は、4員環、5員環、7員環、8員環、9員環の形態である。2D非晶質フィルムは、およそ8.0nmの最小画像化面積に関して撮影されたとき、Cが0.8以下である。図2におけるC値はおよそ0.65である。開示された実施形態により、0.5〜0.8の間のC値範囲(両端を含む)が裏付けられ得る。これは、純粋な六角形網状組織についてはC=1であるグラフェンとは異なっている。非六角形は六角形マトリックス内にランダムに分布することができ、または六角形ドメインの境界に沿って生じることができる。ドメインは5nmを超えてはならない。画像の高速フーリエ変換(FFT)は回折点を示してはならない(図2、右上)。2DACは、自立するように基板から離すことができ、または他の基板に移すことができる。したがって、いくつかの実施形態において、開示された2DACは、自立型2DACフィルムを得るために基板の表面から分離される場合がある。 Referring to the TEM image of FIG. 2, the 2DAC film is a monatomic thickness carbon film having a mixture of hexagonal and non-hexagonal rings in its structure. These rings are perfectly connected to each other, thereby forming various polygonal reticulated structures in large area films of at least micron scale. The ratio of hexagons to non-hexagons is a measure of crystallinity (or amorphous) C. The non-hexagon is in the form of a 4-membered ring, a 5-membered ring, a 7-membered ring, an 8-membered ring, and a 9-membered ring. The 2D amorphous film has a C of 0.8 or less when photographed with respect to a minimum imaging area of approximately 8.0 nm 2. The C value in FIG. 2 is approximately 0.65. The disclosed embodiments may support a C value range (including both ends) between 0.5 and 0.8. This is different from graphene where C = 1 for pure hexagonal reticulum. Non-hexagons can be randomly distributed within the hexagonal matrix or can occur along the boundaries of the hexagonal domain. The domain should not exceed 5 nm. The Fast Fourier Transform (FFT) of the image shall not indicate the diffraction point (Fig. 2, top right). The 2DAC can be separated from the substrate to be self-supporting or transferred to another substrate. Therefore, in some embodiments, the disclosed 2DAC may be separated from the surface of the substrate in order to obtain a self-supporting 2DAC film.

図3には、窒化ホウ素(BN)上の単離されている開示された2DACフィルムのAFMによる測定された厚さ(すなわち、高さ)が例示される。開示された発明に基づいて、以下の特性が当てはまる:図3は、窒化ホウ素(BN)への開示された移送されている2DACフィルムのAFMを示す。2DACの開示された厚さはおよそ6Åであり、ほんの原子1個の厚さにすぎないグラフェンに匹敵している(厚さが、BN上で測定されるときには3.3Å〜10Åの範囲(両端を含む)である)。厚さはまた、図1におけるTEM画像によっても裏付けられる。さらに、フィルムは均質であることが見出される。 FIG. 3 illustrates the thickness (ie, height) measured by AFM of the isolated disclosed 2DAC film on boron nitride (BN). Based on the disclosed invention, the following properties apply: FIG. 3 shows the AFM of the disclosed transferred 2DAC film to boron nitride (BN). The disclosed thickness of 2DAC is approximately 6 Å, comparable to graphene, which is only one atom thick (thickness ranges from 3.3 Å to 10 Å when measured on BN (both ends). Including)). The thickness is also supported by the TEM image in FIG. In addition, the film is found to be homogeneous.

図4には、SiO上の非晶質フィルムおよび非結晶性グラフェンのラマンスペクトル(400)が例示される。単離されたフィルムのラマン分光法は2Dピーク(〜2700cm−1)を示さなかったが、代わりに、幅広いGピーク(〜1600cm−1において)およびDピーク(〜1350cm−1において)を示した。DピークおよびGピークの広がりは通常、以前に報告されたように、ナノ結晶性グラフェンから非晶質フィルムへの転移を示している。DピークとGピークとの強度比から、ドメインサイズが1〜5nmの程度であることが推定される。ラマン分光法は、図2でのTEM画像を大面積で表すための特徴づけツールとして役立つ。 FIG. 4 illustrates a Raman spectrum (400) of an amorphous film and non-crystalline graphene on SiO 2. Raman spectroscopy of the isolated film did not show a 2D peak (~ 2700 cm-1), but instead showed a wide G peak (at ~ 1600 cm-1) and a D peak (at ~ 1350 cm-1). .. The spread of D-peaks and G-peaks usually indicates a transition from nanocrystalline graphene to an amorphous film, as previously reported 3 . From the intensity ratio of the D peak and the G peak, it is estimated that the domain size is about 1 to 5 nm 3 . Raman spectroscopy serves as a characterization tool for representing the TEM image in FIG. 2 over a large area.

図5には、本開示の1つの実施形態による原子的に薄い非晶質炭素(左側)と、グラフェン(右側)とのTEM回折の比較(500)が提供される。開示された単離されているフィルムの非晶質性に関するさらなる証拠が、結晶性を示す回折点が明確に見られるグラフェンとは対照的である、明確な回折点が検出されないTEM回折によって裏付けられる。図7(上)における回折リングは、ドメインサイズが5nm未満であることを示している。非晶質フィルム2DACの回折データは図2におけるFFT画像と一致している。この場合、2DACフィルムは自立型である。 FIG. 5 provides a comparison (500) of TEM diffraction between atomically thin amorphous carbon (left side) and graphene (right side) according to one embodiment of the present disclosure. Further evidence of the amorphousness of the disclosed isolated film is supported by TEM diffraction, where no distinct diffraction points are detected, in contrast to graphene, where crystalline diffraction points are clearly visible. .. The diffraction ring in FIG. 7 (top) indicates that the domain size is less than 5 nm. The diffraction data of the amorphous film 2DAC is consistent with the FFT image in FIG. In this case, the 2DAC film is self-supporting.

図6を参照すると、グラフ(600)は、本開示の1つの実施形態による開示された炭素フィルムの透明性を例示する。光学的透明性が550nmの光波長において〜98%であり、透明性が波長の増大とともに増大している。したがって、選択された実施形態により、550nm以上の波長において98%またはそれより高い光学的透明性が提供される。再度ではあるが、開示された炭素フィルムはグラフェンと異なる:これは、単層でのグラフェンの透明性が可視波長(400nm〜700nm、両端を含む)全体を通して最大で97.7%であり、層の数が増えるにつれて低下するからである。注目すべきことに、2DACフィルムの透明性は、グラフェンにおいて見られるような短波長(400nm未満)での急速な低下がない。 Referring to FIG. 6, graph (600) illustrates the transparency of the disclosed carbon film according to one embodiment of the present disclosure. The optical transparency is ~ 98% at a light wavelength of 550 nm, and the transparency increases with increasing wavelength. Therefore, selected embodiments provide 98% or higher optical transparency at wavelengths above 550 nm. Again, the disclosed carbon film differs from graphene: this is a layer in which the transparency of graphene in a single layer is up to 97.7% throughout the visible wavelength (400 nm-700 nm, including both ends). This is because it decreases as the number of. Notably, the transparency of the 2DAC film does not have the rapid decline at short wavelengths (less than 400 nm) as seen in graphene.

懸垂されたフィルムの弾性係数Eが200GPaを超えており、これはバルク状のガラス状炭素(E=60GPa)よりも大きい。機械的破損前の極限ひずみが10%であり、これは、報告される他の非晶質炭素の極限ひずみよりもはるかに大きい。図7には、懸垂された炭素フィルムと、極限応力を原子間力顕微鏡(AFM)(例えば、Brukerモデル番号:MPP−11120)のチップによってかけた後の懸垂された炭素フィルムとの表面における非押し込みが例示される。開示された2DACフィルムの非晶質性は図7(下)における懸垂フィルムの圧壊を妨げている。その代わり、このフィルムは極限応力のレベルにまでの延性応答を示す。 The elastic modulus E of the suspended film exceeds 200 GPa, which is larger than the bulky glassy carbon (E = 60 GPa) 4 . The limit strain before mechanical failure is 10%, which is much higher than the limit strains of other amorphous carbons reported. FIG. 7 shows the non-surface of the suspended carbon film and the suspended carbon film after applying extreme stress with an atomic force microscope (AFM) (eg, Bruker model number: MPP-11120) chip. Pushing is exemplified. The amorphous nature of the disclosed 2DAC film prevents the suspension film from collapsing in FIG. 7 (bottom). Instead, the film exhibits a ductile response down to the level of extreme stress.

開示された発明の2DAC薄フィルムは電気抵抗が大きく、電気抵抗率が、Cの値(これは成長条件によって調整される)に依存して、0.01Ω−cmから1000Ω−cmにまで及ぶ。図8は2D非晶質炭素の電気特性の概略図(800)であり、2D非晶質フィルムのI−V曲線(802)と、特定のC値についての測定された抵抗率値のヒストグラム(804)とが示される。抵抗率値をもたらすことを目的とする測定技術/方法が使用される。比率が、ヒストグラム(804)におけるそれぞれの抵抗率データ点を得るためにI−V曲線(802)のデータからの計算の範囲内で使用される。したがって、図8(左)における2D非晶質炭素についての長さ:幅の比が1:100である。比較において、グラフェンは抵抗率値が〜10−6Ω−cmであり、一方、バルク状のガラス状炭素(これもまた、100%のC−C間sp)は、0.01Ω−cmから0.001Ω−cmにまで及ぶ値を有する。 The 2DAC thin film of the disclosed invention has a high electrical resistance, and the electrical resistivity ranges from 0.01Ω-cm to 1000Ω-cm depending on the value of C (which is adjusted by the growth conditions). FIG. 8 is a schematic diagram (800) of the electrical properties of the 2D amorphous carbon, the IV curve (802) of the 2D amorphous film and the histogram of the measured resistance values for a particular C value. 804) and is shown. Measurement techniques / methods aimed at providing resistivity values are used. Ratios are used within the calculation from the data on the IV curve (802) to obtain the respective resistivity data points in the histogram (804). Therefore, the length: width ratio for 2D amorphous carbon in FIG. 8 (left) is 1: 100. In comparison, graphene has a resistivity value of 10-6 Ω-cm, while bulky glassy carbon (also 100% CC-C sp 2 ) starts at 0.01 Ω-cm. It has a value up to 0.001Ω-cm.

単層フィルムは、6超のn員の環を含有する場合には、当然のことながら、その7員環、8員環、9員環を通過するにはサイズが十分に小さい気体、イオン、液体または他の化学種を選択的に通すことができる膜である。特に、開示された2DACフィルムはプロトンを室温において結晶性単層窒化ホウ素よりも10倍効率的に通過させることができる。開示された2DACフィルムについて、膜を横切るプロトン流に対する抵抗率が室温において1〜10Ω−cmである。 When the monolayer film contains more than 6 n-membered rings, it is, of course, a gas, ion, which is small enough in size to pass through the 7-membered ring, 8-membered ring, and 9-membered ring. A membrane through which liquids or other chemical species can be selectively passed. In particular, the disclosed 2DAC film allows protons to pass through at room temperature 10 times more efficiently than crystalline single layer boron nitride 5 . For the disclosed 2DAC film, the resistivity to the proton flow across the membrane is 1-10Ω-cm 2 at room temperature.

図9には、本開示の1つの実施形態による、異なる基板において成長させられる複合材が例示される。原子的に薄い非晶質炭素により被覆されるチタン、ガラスおよび銅の写真が左側に例示される。右上には、類似する応答を基板にかかわらず示す被覆領域からのラマンスペクトルが示される。最後に、右下には、完全に覆われていることを示す、チタンの上における2DACフィルムのG/Dピーク比のラマンマップが示される。開示された複合材(すなわち、開示された2DACおよびその基板)は、どのような金属(触媒性または非触媒性)からでも、あるいはガラスまたは酸化物において作製することができる。したがって、開示された実施形態は、2DACが、開示された所望の基板材料のいずれかにおいて直接に成長させられ得ることを規定する。このことは、触媒性基板(例えば、銅)において成長させることができるだけであり、かつ、すべての他の基板への移送を必要とするグラフェンとは異なっている。したがって、連続であると依然として見なされるためには厚さが1nm未満は存在し得ない非晶質炭素またはダイヤモンド様炭素の堆積方法と比較して、開示された複合材は、ホスト基板に強く結合する二次元非晶質炭素の原子的に薄い(1nm未満)かつ連続した層を含む。 FIG. 9 illustrates composites grown on different substrates according to one embodiment of the present disclosure. Pictures of titanium, glass and copper coated with atomically thin amorphous carbon are illustrated on the left. In the upper right is a Raman spectrum from the covered region showing a similar response regardless of substrate. Finally, in the lower right is a Raman map of the G / D peak ratio of the 2DAC film on titanium, indicating that it is completely covered. The disclosed composites (ie, the disclosed 2DACs and their substrates) can be made from any metal (catalytic or non-catalytic), or in glass or oxide. Accordingly, the disclosed embodiments specify that the 2DAC can be grown directly on any of the disclosed desired substrate materials. This is unlike graphene, which can only be grown on catalytic substrates (eg copper) and requires transfer to all other substrates. Therefore, the disclosed composites bond strongly to the host substrate as compared to the method of depositing amorphous or diamond-like carbon, which cannot be less than 1 nm thick to still be considered continuous. Contains an atomically thin (less than 1 nm) and continuous layer of two-dimensional amorphous carbon.

一般に、基板上のフィルムが付着不良であるときには、フィルムの様々な領域が基板から剥がれる場合があり、したがって、これらの領域は基板の保護が不十分となることになるか、またはほとんどないことになる。したがって、本開示の実施形態により、基板の施された表面全体にわたる均一性および強い付着をもたらす改良されたフィルムが提供される。したがって、開示された2DACフィルムは、好ましくは実質的に基板表面全体または少なくとも施された表面にわたる連続フィルムとして形成される。従来設計とは異なり、例えば、容易に剥がすことができる(例えば、接着力が10〜100J/m2である)Cuの場合でのグラフェンなどとは異なり、例えば、Cuに配置される開示された原子的に薄い2DACフィルムは、200J/m2を超える付着エネルギーにより基板に非常によく付着する。この例は、開示された2DACフィルムをグラフェンと区別するためのさらなる証拠を提供している。(Cu基板の例示的な実施形態が記載されるが、開示された2DACをどのような基板に対してでも施す様々な実施形態が本発明の開示された実施形態に従って適用され得る。)さらに、付着エネルギーが、例えば、ステンレス鋼、チタン、ガラス、ニッケルおよびアルミニウムの基板を含めて、開示された2DACフィルムが成長するすべての基板材料において明らかである。上記の基板は例示であること、および、本開示の教示は、どのような基板であれ所望される基板に適用され得ることが理解されなければならない。 In general, when the film on the substrate is poorly adhered, various areas of the film may come off the substrate, and thus these areas may or may not provide insufficient protection for the substrate. Become. Accordingly, embodiments of the present disclosure provide an improved film that provides uniformity and strong adhesion over the applied surface of the substrate. Therefore, the disclosed 2DAC film is preferably formed as a continuous film over substantially the entire substrate surface or at least the applied surface. Unlike the conventional design, for example, graphene in the case of Cu which can be easily peeled off (for example, the adhesive force is 10 to 100 J / m2), for example, the disclosed atom arranged in Cu. A thin 2DAC film adheres very well to the substrate with an adhesion energy of over 200 J / m2 6 . This example provides further evidence to distinguish the disclosed 2DAC film from graphene. (Although exemplary embodiments of Cu substrates are described, various embodiments of applying the disclosed 2DAC to any substrate can be applied according to the disclosed embodiments of the present invention.) Adhesive energy is evident in all substrate materials on which the disclosed 2DAC films grow, including, for example, stainless steel, titanium, glass, nickel and aluminum substrates. It should be understood that the above substrates are exemplary and that the teachings of the present disclosure can be applied to any substrate of any desired substrate.

一般に、どのような2D材料であれ2D材料を従来の材料およびプロセスによって材料に移送するための試みはどれも以前には、例えば、移送された材料における欠陥および亀裂、そしてまた、基板での被覆率の低下を引き起こしている。このことは少なくとも部分的には、移送プロセスでは一般には多くの機械的工程が用いられており、亀裂および欠陥を従来のフィルム用途において誘発する化学物質が使用され得るという事実に起因している。しかしながら、開示された2DACフィルムは、例えば、成長基板から目的の基板に移送される必要がない。開示された2DACフィルムの改善された付着特性に加えて、開示された2DACフィルムの強化された特性により、直接に基板全体にわたって/基板を覆ってむらなく、かつ完全に覆うことがもたらされ、保証される。したがって、むらなく、かつ完全に覆われることが得られ、これは少なくとも、開示された2DACフィルムは、そのホスト基板において直接にむらなく、かつ首尾よく成長させることが完全に可能であるので、移送する必要がないからである。 In general, any attempt to transfer a 2D material to a material by conventional materials and processes, whatever the 2D material, has previously been, for example, defects and cracks in the transferred material, and also coating on the substrate. It is causing a drop in the rate. This is due, at least in part, to the fact that many mechanical steps are commonly used in the transfer process and chemicals that induce cracks and defects in conventional film applications can be used. However, the disclosed 2DAC film does not need to be transferred from the growth substrate to the target substrate, for example. In addition to the improved adhesion properties of the disclosed 2DAC film, the enhanced properties of the disclosed 2DAC film result in direct, even and complete coverage of the entire substrate / covering the substrate. Guaranteed. Therefore, it is obtained that it is evenly and completely covered, which is at least because the disclosed 2DAC film is perfectly capable of being directly evenly and successfully grown directly on its host substrate. Because there is no need to do it.

開示された2DACフィルムは、基板(例えば、炭素など)に付着するためのその優れた機械的特性とともに、そのような信頼できる被覆をもたらすように設計されており、2DACフィルムおよび2DAC複合体のさらなる物理的特性/要件を必要とする用途のためには非常に適しており、信頼できる。そのような物理的特性には、開示された2DACフィルムおよび/または2DAC複合体は曲げることおよび/または伸ばすことができることが含まれる場合がある。基板に対する開示された2DACの付着特性および付着能は、このことが当てはまることを保証している。移送されたフィルムの場合のように、基板に対する不均一な付着が存在するならば、フィルムにおける亀裂が付着不良の領域で生じることになり、破損しやすい原因である。 The disclosed 2DAC films are designed to provide such reliable coatings, along with their excellent mechanical properties for adhesion to substrates (eg, carbon, etc.), and further of 2DAC films and 2DAC complexes. Very suitable and reliable for applications that require physical properties / requirements. Such physical properties may include the disclosed 2DAC films and / or 2DAC complexes being able to bend and / or stretch. The disclosed 2DAC adhesion properties and ability to the substrate ensure that this is the case. If there is non-uniform adhesion to the substrate, as in the case of transferred film, cracks in the film will occur in areas of poor adhesion, which is a cause of fragility.

したがって、開示された発明の実施形態は、非晶質炭素フィルムが成長させられる基板(104)全体を覆い(図9のラマンマップ)、これにより、例えば、炭素被覆を必要とする用途には非常に有用になる上部の非晶質炭素フィルム(102)を提供する。上部の非晶質炭素フィルム(102)はまた、欠陥のない拡散バリアとして働き、それにより、下にある基板の酸化および腐食を防止する。電気絶縁特性のために、開示された非晶質炭素フィルム(102)は基板(104)のガルバニック腐食をどのようなものであれ防止する。開示された2DACの低い電気伝導率は、最近の報告で認められるように細胞接着および細胞増殖に対して有益である。導電性基板上の細胞は、接着斑をもたらすことなく、静電相互作用を介して表面に付着する。接着斑は細胞増殖および細胞成長にとって非常に重要であり、低い電気伝導率が接着斑発達および細胞増殖のためには好ましい。低い電気伝導率は、ラマン分光法のD/Gピーク強度と、sp/sp比とにより認められるような開示された2DACの非晶質性の結果である。 Accordingly, embodiments of the disclosed invention cover the entire substrate (104) on which the amorphous carbon film is grown (Raman map of FIG. 9), which makes it very suitable for applications requiring, for example, a carbon coating. Provides an upper amorphous carbon film (102) that is useful for. The amorphous carbon film (102) on top also acts as a defect-free diffusion barrier, thereby preventing oxidation and corrosion of the underlying substrate. Due to the electrical insulation properties, the disclosed amorphous carbon film (102) prevents any galvanic corrosion of the substrate (104). The low electrical conductivity of the disclosed 2DACs is beneficial for cell adhesion and cell proliferation, as seen in recent reports 7 . The cells on the conductive substrate attach to the surface via electrostatic interaction without causing focal adhesions. Desmosomes are very important for cell proliferation and cell growth, and low electrical conductivity is preferred for focal adhesion development and cell proliferation. The low electrical conductivity is a result of the amorphousness of the disclosed 2DAC as observed by the D / G peak intensity of Raman spectroscopy and the sp 3 / sp 2 ratio.

対照的に、グラフェンは、長期の腐食を悪化させることが知られている。グラフェンの移送は、表面に沿う亀裂および欠陥を生じさせることなく平坦な連続したフィルムを作製することをほぼ不可能にする。開示された非晶質炭素フィルム(102)材は基板(104)との複合体であり、これにより、移送の必要性が排除され、同様にまた、フィルム(102)における亀裂の危険性が除かれる。 In contrast, graphene is known to exacerbate long term corrosion 8. The transfer of graphene makes it nearly impossible to produce a flat, continuous film without creating cracks and imperfections along the surface. The disclosed amorphous carbon film (102) material is a composite with the substrate (104), which eliminates the need for transfer and also eliminates the risk of cracks in the film (102). Be taken.

開示された2DACフィルムは、ガラス状炭素に類似するsp結合した炭素からなる;しかしながら、厚さは、およそ1原子の層厚さ(6Å)でしかなく、これは従来の報告されたどのような非晶質炭素構造よりも薄い。図10には、Cu上の2D非晶質炭素のX線光電子分光法(XPS)測定が例示され、測定では、ピーク位置がspまたはspの結合タイプを示しており、一方、ピーク強度がそれぞれのタイプの結合の割合を示している。C−C間のsp結合およびsp結合の混合濃度もまた、厚さを犠牲にすることなく可能であり、だが、C−C間の最大sp含有量は20%に設定される。開示された2DACの薄い構造および強い付着は本質的に、下にある基板を常に保護しており、このことは、剥がれ落ちる可能性が明白であるより厚いフィルムでは異なっているThe disclosed 2DAC film consists of sp 2- bonded carbon similar to glassy carbon; however, the thickness is only about 1 atom layer thickness (6 Å), which is how previously reported. Thinner than the amorphous carbon structure. FIG. 10 illustrates X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements of 2D amorphous carbon on Cu, where the measurements show a bond type with a peak position of sp 2 or sp 3, while peak intensity. Shows the percentage of each type of binding. A mixed concentration of sp 2 and sp 3 bonds between CC is also possible without sacrificing thickness, but the maximum sp 3 content between CC is set to 20%. Thin structure and strong disclosed 2DAC attached essentially has always protects the underlying substrate, this possibility of peel off is different for thicker films than is evident 9.

開示された実施形態によれば、レーザーに基づく成長プロセスにより、前駆体としての炭化水素(例えば、CH、Cなど)を使用して、開示された複合フィルムが作製される。水素ガス(H)およびアルゴンガス(Ar)もまた前駆体と混合される場合がある。このプロセスにおいて、レーザーには2つの役割がある:(1)光分解と呼ばれるプロセスで前駆体ガスを分解するためのエネルギー源、および(2)局所的熱源として。一方または両方の前述の役割により、開示された2DACフィルムが作製されることを仮定すると、第1の場合において、基板(104)は、成長期間中を通して室温にあると言われ、第2の場合において、レーザーは基板(104)を500℃にまで加熱することができる。典型的には、パルスエキシマUVレーザー(例えば、193nm、248nmまたは308nm)を、用いられた基板に依存して、種々の成長時間で、約50〜1000mJ/cmのフルエンスで基板表面に、または基板と平行に向けることができる。開示された複合体を製造するための他の可能な組み合わせには、レーザー、プラズマおよび/または基板ヒーターのどのような組み合わせも含まれ得る。ヒーターが、基板(104)を500℃にまで加熱するために用いられる場合がある。プラズマ出力が1〜100Wの範囲(両端を含む)で使用される場合がある。前駆体としての炭化水素を使用する典型的な組み合わせが下記の通りであろう:(i)レーザーのみ;(ii)レーザー+低出力プラズマ(5W);(iii)レーザー+低出力プラズマ(5W)+ヒーター(300℃〜500℃);(iv)低出力プラズマ(5W)+500℃ヒーター;(v)高出力プラズマ(100W)のみ。 According to the disclosed embodiments, a laser-based growth process uses hydrocarbons as precursors (eg, CH 4 , C 2 H 2, etc.) to make the disclosed composite films. Hydrogen gas (H 2 ) and argon gas (Ar) may also be mixed with the precursor. In this process, the laser has two roles: (1) as an energy source for decomposing the precursor gas in a process called photolysis, and (2) as a local heat source. Assuming that one or both of the aforementioned roles produce the disclosed 2DAC film, in the first case the substrate (104) is said to be at room temperature throughout the growth period and in the second case. In, the laser can heat the substrate (104) to 500 ° C. Typically, a pulse excimer UV laser (eg, 193 nm, 248 nm or 308 nm) is applied to the substrate surface at a fluence of about 50-1000 mJ / cm 2 at various growth times, depending on the substrate used. It can be oriented parallel to the substrate. Other possible combinations for producing the disclosed complexes may include any combination of laser, plasma and / or substrate heaters. A heater may be used to heat the substrate (104) to 500 ° C. The plasma output may be used in the range of 1 to 100 W (including both ends). Typical combinations using hydrocarbons as precursors would be: (i) laser only; (ii) laser + low power plasma (5W); (iii) laser + low power plasma (5W). + Heater (300 ° C to 500 ° C); (iv) Low power plasma (5W) + 500 ° C heater; (v) High power plasma (100W) only.

開示された実施形態によれば、開示された2DACおよび2DAC複合体の完全な成長/堆積がチャンバー内で成し遂げられる場合がある。加熱、プラズマ、ガス流および圧力制御のための様々なモジュールがすべて、制御された成長環境のためのチャンバーの内部に設定および確立される場合がある。1つの実施形態によれば、チャンバーのプロセス圧力が10〜1E−4mbarの範囲(両端を含む)で確立される場合がある。 According to the disclosed embodiments, complete growth / deposition of the disclosed 2DAC and 2DAC complexes may be accomplished in the chamber. Various modules for heating, plasma, gas flow and pressure control may all be set up and established inside the chamber for a controlled growth environment. According to one embodiment, the process pressure of the chamber may be established in the range 10-1E-4mbar (including both ends).

開示された2DACのためのプロセスパラメータには、下記のものが含まれる場合がある:(i)プロセスガス:CH;(ii)チャンバー圧力:2.0 E−2mbar;(iii)レーザーフルエンス:70mJ/cm;(iv)成長時間:1分;(v)プラズマ出力:5W;(vi)基板:Cu箔。 Process parameters for 2DAC disclosed may include: (i) Process gas: CH 4 ; (ii) Chamber pressure: 2.0 E-2mbar; (iii) Laser fluence: 70 mJ / cm 2 ; (iv) Growth time: 1 minute; (v) Plasma output: 5 W; (vi) Substrate: Cu foil.

開示された2DACフィルムを製造するためのプロセスでは、メタン(CH)が成長プロセスのための成長チャンバーの内部で使用されることが用いられる場合がある。成長期間中のチャンバー内のガス圧力が期間中を通して2E−2mbarで制御される。このガスは、5Wの出力で稼働するプラズマ発生器の存在下にある。成長が、248nmのエキシマレーザーによる露光が50Hzのパルス周波数とともに70mJ/cmのフルエンスにより銅箔基板の表面に行われるときに始まる。レーザー露光時間(すなわち、成長持続時間)が、基板における連続した2DAC被膜を得るために1分で設定される。この成長では、ステージヒーターが使用されない。本明細書中に開示される複数のパラメータが、前駆体としての炭化水素、前駆体混合物、光分解プロセスおよび光分解装置に対する調節、温度調整、基板温度調節、C値における変化、原子層の数における変化、sp対sp比における変化、ならびに基板に対する付着における変化(これらに限定されない)を含めて、開示された2DACの特性を制御するために、および/または変化させるために調節される場合がある。 In the process for producing the disclosed 2DAC film, it may be used that methane (CH 4 ) is used inside the growth chamber for the growth process. The gas pressure in the chamber during the growing period is controlled at 2E-2 mbar throughout the period. This gas is in the presence of a plasma generator operating at an output of 5 W. Growth begins when exposure to a 248 nm excimer laser is performed on the surface of a copper foil substrate with a fluence of 70 mJ / cm 2 with a pulse frequency of 50 Hz. The laser exposure time (ie, growth duration) is set in 1 minute to obtain a continuous 2DAC coating on the substrate. No stage heaters are used in this growth. Multiple parameters disclosed herein include hydrocarbons as precursors, precursor mixtures, photodecomposition processes and adjustments to photodecomposition equipment, temperature adjustments, substrate temperature adjustments, changes in C-values, number of atomic layers. Adjusted to control and / or alter the properties of the disclosed 2DACs, including, but not limited to, changes in the sp 2 to sp 3 ratio, as well as changes in adhesion to the substrate. In some cases.

開示された炭素フィルムは、基板の開示された金属表面が、適用された使用法の寿命の期間中むらなくかつ完全に覆われることを保証する最小の厚さにより構築され得る。1つの例示的な実施形態において、開示された2DACの厚さが、およそ1原子層の厚さで設計される場合がある。開示された炭素フィルム(102)は、いくつかの基板(104)において、例えば、ステンレス鋼およびチタンなどの材料において直接に成長させられる場合がある。成長が、例えば、グラフェン合成の場合よりもはるかに低い温度で行われるので、開示された2DACは、ガラスおよびハードディスクのような、高温に耐えることができない他の基板(104)に対して直接に成長させられ得る10。開示された2DACフィルム(102)は超強靱であり、基板(104)に強く結合し、このため、曲げおよび伸びなどの変形を必要とし得る用途に適している。開示された2DACフィルムの強い機械的特性は、粒界がないためである。開示された炭素フィルム(102)の絶縁特性により、基板(104)のガルバニック腐食が、この腐食を増強するグラフェンとは異なり防止される。TEM画像において見られるような炭素フィルムの7員環、8員環および9員環は、様々なガスのための、またはプロトン輸送のための効率的な膜として有用であるThe disclosed carbon film may be constructed with a minimum thickness that ensures that the disclosed metal surface of the substrate is evenly and completely covered for the life of the applied usage. In one exemplary embodiment, the disclosed 2DAC thickness may be designed to be approximately one atomic layer thickness. The disclosed carbon film (102) may be grown directly on some substrates (104), for example in materials such as stainless steel and titanium. Since the growth takes place at a much lower temperature than, for example, graphene synthesis, the disclosed 2DAC is directly relative to other substrates (104) that cannot withstand high temperatures, such as glass and hard disks. Can be grown 10 . The disclosed 2DAC film (102) is ultra-tough and binds strongly to the substrate (104), making it suitable for applications that may require deformation such as bending and elongation. The strong mechanical properties of the disclosed 2DAC film are due to the absence of grain boundaries. Due to the insulating properties of the disclosed carbon film (102), galvanic corrosion of the substrate (104) is prevented, unlike graphene, which enhances this corrosion. 7-membered ring of carbon film as seen in the TEM images, 8-membered ring and 9-membered rings are useful as an efficient membrane for the, or proton transport for various gases 5.

開示された発明の選択された実施形態によれば、開示された2DACは、例えば、基板が成長には適していない、したがって、開示された2DACを移送する必要があるときには、自立型の事例として生じさせられる場合がある。開示された2DAC(1202)を移送するための好適な方法および技術、例えば、下記の特許出願に記載されるような乾式移送などが用いられる場合がある:分極した強誘電ポリマーを使用するcvdグラフェンの無欠陥直接乾式剥離(国際公開WO2016126208A1)。他の移送方法には、熱剥離テープ、感圧接着剤、スピンコーティング、スプレーコーティング、およびラングミュア・ブロジェット技術が含まれ得るが、これらに限定されない。 According to a selected embodiment of the disclosed invention, the disclosed 2DAC is, for example, as a self-supporting example when the substrate is not suitable for growth and therefore the disclosed 2DAC needs to be transferred. May be caused. Suitable methods and techniques for transporting the disclosed 2DAC (1202), such as dry transport as described in the patent application below, may be used: cvd graphene using a polarized ferroelectric polymer. Defect-free direct dry peeling (International Publication WO2016126208A1). Other transfer methods may include, but are not limited to, thermal release tapes, pressure sensitive adhesives, spin coatings, spray coatings, and Langmuir Brodget techniques.

しかしながら、本開示の様々なさらなる長所により、いくつかの実施形態において、開示された2DAC(1202)は基板において直接に成長させられ得ることが規定される。開示された2DACフィルムのそのような利点は、例えば、移送プロセスについてグラフェンと比較した場合、開示された2DACフィルムは(グラフェンとは異なり)移送のための犠牲支持体層を必要としないことである。グラフェンに関して、フィルム層は、移送期間中の亀裂および欠陥を防止することが要求され、そして、フィルム層は、移送後に除かれる必要がある。除去に関してさえ、完全に除くことができない犠牲層からの残渣が残っている。開示された2DACに関しては、移送を、犠牲層を用いることなく、欠陥を誘発することなく、そして残渣を処理することなく、または構造を損なうことなく行うことができる。 However, various additional advantages of the present disclosure stipulate that, in some embodiments, the disclosed 2DAC (1202) can be grown directly on the substrate. Such an advantage of the disclosed 2DAC film is that, for example, when compared to graphene for the transfer process, the disclosed 2DAC film does not require a sacrificial support layer for transfer (unlike graphene). .. For graphene, the film layer is required to prevent cracks and defects during the transfer period, and the film layer needs to be removed after transfer. Even with respect to removal, there remains a residue from the sacrificial layer that cannot be completely removed. For the disclosed 2DACs, the transfer can be carried out without the use of sacrificial layers, without inducing defects, without treating the residue, or without damaging the structure.

2DAC層の開示された実施形態の様々な長所が、燃料電池、水素発生および重水素製造の用途(これらに限定されない)を含めて広範囲の様々な用途において履行され得る。そのような用途では、例えば、C値が0.8以下である非結晶性構造での炭素原子の例示的な単層を含めて、開示された2DAC層の長所が使用される。再度ではあるが、開示された2DAC層(例えば、図2に示される2DACフィルムなど)の非晶質性を参照すると、炭素の連続フィルムは、およそ0.1〜10S/cmの間でのプロトンの極めて大きい横方向コンダクタンスを可能にするランダムなパターンで配置される。重陽子(重水素の原子核)のコンダクタンスは0.01〜1S/cmであり、これは大雑把にはプロトンのコンダクタンスよりも1桁小さい。トリトン(トリチウムの原子核)のコンダクタンスはおよそ0.003〜0.3S/cmである。輸送速度における違いにより、開示された2DACは水素同位体のための効率的な分離膜になる。同時に、この膜は、他の分子(例えば、H、OおよびCHなど)に対して不透過性である。 The various advantages of the disclosed embodiments of the 2DAC layer can be implemented in a wide variety of applications, including but not limited to fuel cell, hydrogen generation and deuterium production applications. In such applications, the advantages of the disclosed 2DAC layers are used, including, for example, an exemplary single layer of carbon atoms in an amorphous structure with a C value of 0.8 or less. Again, referring to the amorphousness of the disclosed 2DAC layer (eg, the 2DAC film shown in FIG. 2), the carbon continuous film is between approximately 0.1-10 S / cm 2. Arranged in a random pattern that allows for very large lateral conductance of protons. The conductance of deuterium (the nucleus of deuterium) is 0.01 to 1 S / cm 2 , which is roughly an order of magnitude smaller than the conductance of protons. The conductance of triton (tritium nucleus) is approximately 0.003 to 0.3 S / cm 2 . Due to the difference in transport rate, the disclosed 2DAC becomes an efficient separation membrane for hydrogen isotopes. At the same time, the membrane is impermeable to other molecules (e.g., H 2, O 2 and CH 4).

フィルムを通り抜けるプロトン輸送は電子雲密度によって制限される。C値は、開示された2DACの結晶化度を表しており、成長パラメータを変化させることによっておよそ0.5〜0.8の間で制御/調節することができる。C値を変更することによって、フィルムにおける電子雲は変更され、プロトンコンダクタンスを増減させることができる。例えば、適用された技術には、用いられたレーザーの出力、パルスおよび/または角度を開示された2DACに合わせて調節することが含まれる場合がある。 Proton transport through the film is limited by electron cloud density 5 . The C value represents the degree of crystallinity of the disclosed 2DAC and can be controlled / adjusted between approximately 0.5 and 0.8 by varying the growth parameters. By changing the C value, the electron cloud in the film is changed, and the proton conductance can be increased or decreased. For example, the techniques applied may include adjusting the power, pulse and / or angle of the laser used to the disclosed 2DAC.

選択された実施形態において、開示された2DAC懸垂フィルムの弾性係数Eが200GPaを超えており、破壊エネルギーが20J/m2を超え、これはグラフェンの破壊エネルギーの2倍を超えている。同じことの証拠が、例えば、図3に例示される。図3では、開示された懸垂2DACフィルムにおけるナノ圧痕は、弾性係数Eが200GPaを超えていることを示し(右)、極限応力をAFMチップによってかけた後の懸垂2DACフィルムは、破壊エネルギーが20J/mを超えていることを示している。したがって、開示された2DAC層のこれらの機械的特性の特徴により、用途の寿命が増大する。例えば、開示されたバリアはガス通り抜けを防止し、それにより、電解質・触媒層の腐食を防止する。開示された2DAC層の強い機械的特性、具体的にはその大きい破壊靭性は、用いられたバリアの長い寿命を保証し、それにより、燃料電池のより長期の全体的性能をもたらす。 In the selected embodiment, the elastic modulus E of the disclosed 2DAC suspension film exceeds 200 GPa and the fracture energy exceeds 20 J / m2, which is more than twice the fracture energy of graphene. Evidence of the same is illustrated, for example, in FIG. In FIG. 3, the nanoindentations in the disclosed suspended 2DAC film indicate that the elastic modulus E exceeds 200 GPa (right), and the suspended 2DAC film after the ultimate stress is applied by the AFM chip has a fracture energy of 20 J. It shows that it exceeds / m 2. Therefore, the characteristics of these mechanical properties of the disclosed 2DAC layer increase the life of the application. For example, the disclosed barrier prevents gas passage through, thereby preventing corrosion of the electrolyte / catalyst layer. The strong mechanical properties of the disclosed 2DAC layer, specifically its high fracture toughness, guarantee a long life of the barrier used, thereby providing longer overall performance of the fuel cell.

開示された2DAC層または2DACフィルムは、例えば、活性酸素イオンプラズマ、アルゴンスパッタリング、オゾン処理または電子ビーム露光を含めて他の限定されない技術によって成長期間中または後処理期間中にさらに改変することができる。開示された2DACの原子構造が、より大きい分子が通過することを許すように改変される場合がある。このことが、ガス分離器を作出するために利用される。 The disclosed 2DAC layer or 2DAC film can be further modified during the growth period or post-treatment period by other unrestricted techniques including, for example, reactive oxygen ion plasma, argon sputtering, ozone treatment or electron beam exposure. .. The disclosed atomic structure of 2DAC may be modified to allow larger molecules to pass through. This is used to create a gas separator.

[実施例]
ガス通り抜け防止層としての燃料電池における2DAC:
図12には、開示された2DACがプロトン伝導バリア層として働く、1つの開示された実施形態による改善されたPEMFC(1200)の例示的な実施形態が例示される。PEMFC(1200)は、電極触媒集合体(1102)とプロトン交換膜(1104)との間のバリア層として用いられる開示された2DAC(1202)を含む。開示された2DAC(1202)は、プロトンのみが2DAC層(1202)を横断することを許し、かつ、他の気体および液体がプロトン交換膜(1104)と接触することを防止する。
[Example]
2DAC in a fuel cell as a gas passage prevention layer:
FIG. 12 illustrates an exemplary embodiment of an improved PEMFC (1200) with one disclosed embodiment in which the disclosed 2DAC acts as a proton conduction barrier layer. The PEMFC (1200) comprises the disclosed 2DAC (1202) used as a barrier layer between the electrode catalyst assembly (1102) and the proton exchange membrane (1104). The disclosed 2DAC (1202) allows only protons to cross the 2DAC layer (1202) and prevents other gases and liquids from coming into contact with the proton exchange membrane (1104).

この例示的な構成において、複数の電極触媒集合体(1102)が、開示された2DAC(1202)とプロトン交換膜(1104)とを閉じ込めるために配置される。開示された2DAC(1202)は、それぞれの電極触媒集合体(1102)とプロトン交換膜(1104)との間に配置される場合がある。バリアとして作用するので、2DAC(1202)は、燃料、廃物およびイオン混入物がプロトン交換膜(1104)内に漏れ、横断して反対側の電極触媒集合体(1102)に至ることを防止する。そのような漏出は、プロトン交換膜(1104)の破壊およびPEMFC性能の劣化を引き起こすことが知られている。開示された2DACはそのままで、または他の構成で、例えば、層、膜、フィルムなどで用いられ得ることが容易に理解される。 In this exemplary configuration, a plurality of electrode catalyst assemblies (1102) are arranged to confine the disclosed 2DAC (1202) and proton exchange membrane (1104). The disclosed 2DAC (1202) may be disposed between the respective electrode catalyst aggregates (1102) and the proton exchange membrane (1104). Acting as a barrier, the 2DAC (1202) prevents fuel, waste and ion contaminants from leaking into the proton exchange membrane (1104) and crossing over to the opposite electrode catalyst assembly (1102). Such leaks are known to cause destruction of the proton exchange membrane (1104) and deterioration of PEMFC performance. It is readily understood that the disclosed 2DACs can be used as is or in other configurations, eg, in layers, films, films and the like.

プロトン伝導膜(1104)を横断する水素および酸素は、燃料の喪失および燃料電池効率に対する直接の喪失の直接的原因となる可能性がある。開示された2DAC(1202)はこの喪失を防止することになり、燃料電池の効率を大幅に改善し得る。2DAC(1202)がない場合、他のガス(例えば、窒素など)はまた、他の方法でプロトン伝導膜(1104)を通過する可能性がある。このことはその結果として、燃料欠乏を、例えば、触媒部位において引き起こすことがある。このような欠乏は、触媒劣化、したがって、性能および信頼性の喪失を引き起こすことが知られている11。開示された2DAC(1202)は、他のガスがプロトン伝導膜(1104)を横断することを防止することになり、かつ、前述の触媒劣化を防止することになる。 Hydrogen and oxygen across the proton conductive membrane (1104) can be a direct cause of fuel loss and direct loss of fuel cell efficiency. The disclosed 2DAC (1202) will prevent this loss and can significantly improve the efficiency of the fuel cell. In the absence of 2DAC (1202), other gases (eg, nitrogen, etc.) may also pass through the proton conduction membrane (1104) in other ways. This can result in fuel deficiency, for example at the catalytic site. Such deficiency, catalyst deterioration, therefore, are known to cause a loss of performance and reliability 11. The disclosed 2DAC (1202) will prevent other gases from crossing the proton conductive membrane (1104) and will prevent the catalyst deterioration described above.

プロトン交換膜(1104)は多くの場合、プロトンを伝えるために高レベルの水和を必要とする。プロトン伝導膜(1104)を非透過性バリアに閉じ込めることによって、プロトン伝導膜(1104)の脱水および乾燥を防止することができる。このことはPEMFC(1200)の性能の長期安定性をもたらすことになる。 Proton exchange membranes (1104) often require high levels of hydration to transfer protons. By confining the proton conductive membrane (1104) in a non-permeable barrier, dehydration and drying of the proton conductive membrane (1104) can be prevented. This will result in long-term stability of the performance of the PEMFC (1200).

当業者は、開示された技術がPEMFC用途に限定されるのではなく、他の用途(例えば、レドックスフロー電池など)でもまた履行され得ることを容易に理解するであろう。 Those skilled in the art will readily appreciate that the disclosed techniques are not limited to PEMFC applications and may also be implemented in other applications (eg, redox flow batteries, etc.).

[実施例2]
単原子層プロトン交換膜としての2DAC:
図13には、開示された2DACがプロトン伝導性の単原子膜として用いられる、開示された実施形態による改善されたPEMFC(1300)の例示的な実施形態が例示される。この実施形態では、開示された2DAC(1202)がアノード集合体とカソード集合体との間の構成で配置される。この構成において、プロトン交換膜は2DAC(1202)の単原子層によって置き換えられている。
[Example 2]
2DAC as a monatomic layer proton exchange membrane:
FIG. 13 illustrates an exemplary embodiment of an improved PEMFC (1300) according to a disclosed embodiment in which the disclosed 2DAC is used as a proton conductive monoatomic membrane. In this embodiment, the disclosed 2DAC (1202) is arranged in a configuration between the anode aggregate and the cathode aggregate. In this configuration, the proton exchange membrane is replaced by a monoatomic layer of 2DAC (1202).

開示された2DAC(1202)の単原子層はプロトンを伝え、かつ、燃料ガスおよび液体が通り抜けることを防止する。これにより、従来型プロトン交換膜の水和の必要性が軽減される。極薄2DAC(1202)を横切っての大きいプロトン伝導率により、大きい出力が、従来型プロトン交換膜においてそうでない場合に達成および観察されるよりも少ない抵抗損を伴って生じる。2DAC層(1202)は機械的に強く、長期間の安定性をもたらす大きい破壊靭性を有している。2DAC(1202)の柔軟性により、薄い柔軟な燃料電池の新奇な作製が可能になる。 The disclosed monatomic layer of 2DAC (1202) transfers protons and prevents the passage of fuel gas and liquid. This reduces the need for hydration of the conventional proton exchange membrane. Due to the large proton conductivity across the ultrathin 2DAC (1202), a large output occurs with less resistance loss than would otherwise be achieved and observed in conventional proton exchange membranes. The 2DAC layer (1202) is mechanically strong and has great fracture toughness that provides long-term stability. The flexibility of 2DAC (1202) enables the novel fabrication of thin and flexible fuel cells.

[実施例3]
2DACにおける自己集合した極めて薄い均一なプロトン交換膜:
図14には、プロトン伝導膜(1104)が、開示された2DAC(1202)において形成される自己集合したNafion(登録商標)のプロトン伝導性の膜または被膜(1104)として用いられる、開示された実施形態による改善されたPEMFC(1400)の例示的な実施形態が例示される。したがって、プロトン交換膜(1104)は、Nafion(登録商標)などのフルオロポリマーから構成される場合がある。プロトン交換膜(1104)は通常、ガスの通り抜けを避けるためにおよそ数十ミクロンである最小の厚さ、かつ、プロトン交換膜(1104)を横切っての輸送損失を軽減するためにおよそ数百ミクロンである最大の厚さにより形成される。
[Example 3]
Self-assembled, extremely thin, uniform proton exchange membrane in 2DAC:
FIG. 14 discloses that a proton conductive film (1104) is used as a proton conductive film or coating (1104) of self-assembled Nafion® formed in the disclosed 2DAC (1202). Illustrative embodiments of the improved PEMFC (1400) by embodiment are exemplified. Therefore, the proton exchange membrane (1104) may be composed of a fluoropolymer such as Nafion®. The proton exchange membrane (1104) is typically a minimum thickness of about tens of microns to avoid gas passage, and is approximately hundreds of microns to reduce transport loss across the proton exchange membrane (1104). Is formed by the maximum thickness.

開示された2DAC(1202)は、その非占有π軌道のためにポリマー集合体のための鋳型として働く場合がある。開示された2DAC(1202)の非晶質構造は、Nafion(登録商標)ポリマーが薄フィルムを形成するための鋳型として作用する。開示された2DACがたとえ低い結晶化度を有するとしても、炭素環におけるπ軌道により、表面へのNafion(登録商標)ポリマーの整列が可能になる。したがって、2DAC(1202)が、Nafion(登録商標)被膜(1104)の極めて薄い均一な層を2DAC表面に作製するために利用される場合がある。前述のNafion(登録商標)被膜(1104)はピンホールがない。開示された2DAC(1202)における自己集合のために、極薄Nafion(登録商標)被膜(1104)のプロトン伝導率は増大し、一方、漏出およびガス通り抜けは低下する。 The disclosed 2DAC (1202) may serve as a template for polymer aggregates due to its unoccupied π orbitals. The amorphous structure of 2DAC (1202) disclosed acts as a template for Nafion® polymers to form thin films. Even if the disclosed 2DACs have low crystallinity, the π orbitals in the carbocycle allow alignment of the Nafion® polymer on the surface. Therefore, 2DAC (1202) may be utilized to create a very thin, uniform layer of Nafion® coating (1104) on the surface of 2DAC. The Nafion® coating (1104) described above has no pinholes. Due to the self-assembly in the disclosed 2DAC (1202), the proton conductivity of the ultrathin Nafion® coating (1104) is increased, while leakage and gas passage are reduced.

したがって、図14の例示的な実施形態において示されるように、電極触媒集合体(1102)は複数の電極触媒集合体を含む場合がある。プロトン交換膜(1104)は複数のプロトン交換膜を含む場合がある。開示された2DAC(1202)は複数のプロトン交換膜(1104)の間に配置される場合があり、また、複数のプロトン交換膜(1104)が複数の電極触媒集合体(1102)の間に配置される場合がある。 Therefore, as shown in the exemplary embodiment of FIG. 14, the electrode catalyst assembly (1102) may include a plurality of electrode catalyst aggregates. The proton exchange membrane (1104) may include a plurality of proton exchange membranes. The disclosed 2DAC (1202) may be disposed between a plurality of proton exchange membranes (1104), and the plurality of proton exchange membranes (1104) may be disposed between a plurality of electrode catalyst assemblies (1102). May be done.

プロトン交換膜(1104)として作用するので、図14には、Nafion(登録商標)被膜が2DAC層(1202)または2DACフィルムのどちら側にも形成され、燃料電池構成で電極触媒集合体(1102)の間に閉じ込められるように構成されることが可能であることが例示される。したがって、開示された2DAC(1202)は、例えば、CVDグラフェンの湿式移送12と類似する湿式移送によってNafion(登録商標)フィルムに移送することができる。 Since it acts as a proton exchange membrane (1104), in FIG. 14, a Nafion® film is formed on either side of the 2DAC layer (1202) or the 2DAC film, and the electrode catalyst assembly (1102) in a fuel cell configuration. It is exemplified that it can be configured to be confined between. Thus, the disclosed 2DAC (1202) can be transferred to Nafion® film by , for example, a wet transfer similar to the wet transfer 12 of CVD graphene.

別の例示的な実施形態において、開示された2DAC(1202)はまた、下記の特許出願に記載されるような乾式移送によってNafion(登録商標)膜に移送することができる:分極した強誘電ポリマーを使用するcvdグラフェンの無欠陥直接乾式剥離(国際公開WO2016126208A1)。上記で記されるように、他の移送方法には、熱剥離テープ、感圧接着剤、スピンコーティング、スプレーコーティング、およびラングミュア・ブロジェット技術が含まれ得るが、これらに限定されない。 In another exemplary embodiment, the disclosed 2DAC (1202) can also be transferred to a Nafion® membrane by dry transfer as described in the patent application below: Polarized ferroelectric polymer. Defect-free direct dry exfoliation of cvd graphene using WO2016126208A1. As noted above, other transfer methods may include, but are not limited to, thermal release tapes, pressure sensitive adhesives, spin coatings, spray coatings, and Langmuir Brodget techniques.

[実施例4]
水素同位体分離:
図15には、燃料電池(1500)が、逆の様式で作動するように構成され、それにより水素同位体を分離する、開示された実施形態による改善されたPEMFCの例示的な実施形態が例示される。開示された2DAC(1202)は、プロトン輸送よりもはるかに遅い速度ではあるが、水素同位体である重水素およびトリチウムの原子核の輸送を容易にする。2DAC(1202)を横切っての輸送速度における差が、水素同位体をプロチウム(標準の水素)から分離するために使用される。そのような分離は、重水製造のために、例えば、研究および原子炉における使用のための重水製造のために、同様にまた、トリチウムの除去のために、例えば、性能を維持するために原子炉で使用される重水からのトリチウムの除去のために使用することができる。
[Example 4]
Hydrogen isotope separation:
FIG. 15 illustrates an exemplary embodiment of an improved PEMFC according to a disclosed embodiment in which the fuel cell (1500) is configured to operate in the reverse fashion thereby separating hydrogen isotopes. Will be done. The disclosed 2DAC (1202) facilitates the transport of nuclei of the hydrogen isotopes deuterium and tritium, albeit at a much slower rate than proton transport. Differences in transport rate across 2DAC (1202) are used to separate hydrogen isotopes from protium (standard hydrogen). Such separation is for heavy water production, eg for heavy water production for research and use in reactors, as well as for tritium removal, eg, to maintain performance. Can be used for the removal of tritium from heavy water used in.

図15には、2DAC(1202)が電極触媒集合体(1102)集合体とプロトン/重陽子伝導膜(1502)との間にある燃料電池(1500)が例示される。燃料電池(1500)は、バイアスをプロトン/重陽子伝導膜(1502)の両側で加えることによって逆モードで作動させられる。このモードでは、燃料電池(1500)は電気を消費し、水素および重水素を生成する。水素および重水素はプロトンおよび重陽子に解離し、開示された2DAC層(1202)およびプロトン/重陽子伝導膜(1502)を横切って輸送される。 FIG. 15 illustrates a fuel cell (1500) in which a 2DAC (1202) is located between an electrode catalyst assembly (1102) assembly and a proton / deuteron conduction membrane (1502). The fuel cell (1500) is operated in reverse mode by applying a bias on both sides of the proton / deuteron conductive film (1502). In this mode, the fuel cell (1500) consumes electricity and produces hydrogen and deuterium. Hydrogen and deuterium dissociate into protons and deuteriums and are transported across the disclosed 2DAC layer (1202) and proton / deuterium conduction membrane (1502).

上記で開示されるように、開示された2DAC(1202)の原子構造および炭素環サイズは、(例えば、プラズマ、電子ビームまたは他の照射技術への曝露などにより)改変することができる。したがって、開示された2DAC(1202)の構造は、環サイズを改変して、それにより、開示された2DAC層(1202)を横切るプロトンおよび重陽子の異なる輸送速度に影響を及ぼすようにすることによって同調している場合がある。その結果には、水素の含有量が重水素と比較してより大きいことが含まれることがある。 As disclosed above, the atomic structure and carbon ring size of the disclosed 2DAC (1202) can be modified (eg, by exposure to plasma, electron beam or other irradiation techniques). Thus, the structure of the disclosed 2DAC (1202) is by modifying the ring size, thereby affecting the different transport rates of protons and deuterons across the disclosed 2DAC layer (1202). It may be in sync. The results may include that the hydrogen content is greater than that of deuterium.

したがって、1つの実施形態において、H/Dが50%である供給源比率が、H/Dが90%である生成物比率になる場合がある。しかしながら、いくつかの開示された実施形態において、H/Dの供給源比率および生成物比率は変化し得る。例えば、H+についての輸送速度がD+の輸送速度の10倍であるならば、H/Dの供給源比率=1であり、H/Dの生成物比率=10である。 Therefore, in one embodiment, the source ratio where H 2 / D 2 is 50% may be the product ratio where H 2 / D 2 is 90%. However, in some disclosed embodiments, the H 2 / D 2 source ratio and product ratio can vary. For example, if the rate of transport of the H + is 10 times the D + transport speed, a source ratio = 1 H 2 / D 2, the product ratio = 10 H 2 / D 2.

[実施例5]
ガス選択膜:
図16には、開示された実施形態による、開示された改変2DAC(1202)によるガス分離のための例示的なシステム(1600)が例示される。開示された2DAC(1202)は、より大きい分子が通過することを許し、それにより、ガス選択膜を可能にするために照射技術(例えば、電子ビームおよびイオンプラズマなど)によって改変することができる。したがって、開示された2DAC(1202)は、改変パラメータによって指定されるよりも大きいすべての分子に対するバリアのままである。
[Example 5]
Gas selection membrane:
FIG. 16 illustrates an exemplary system (1600) for gas separation by the disclosed modified 2DAC (1202) according to the disclosed embodiments. The disclosed 2DAC (1202) allows larger molecules to pass, thereby being modified by irradiation techniques (eg, electron beam and ion plasma, etc.) to allow gas selective membranes. Therefore, the disclosed 2DAC (1202) remains a barrier to all molecules larger than specified by the modification parameters.

図16には、開示された改変2DAC(1202)が、例えば、ガス混合物を分離するために利用される膜または層としてどのように用いられ得るかの一例が例示される。例えば、工程段階1(1604)と工程段階2(1606)との間の改変された2DAC膜(1602)が、HおよびOが通過することを許すために改変される場合があり、工程段階2(1606)と工程段階3(1608)との間の改変された2DAC膜(1604)が、Hのみが通過することを許すために改変される場合がある。工程段階1から工程段階3への負の圧力勾配を加え、ガスを再循環してシステム(1600)に通すことによって、工程段階1はCOを含有するだけになり、工程段階2はOを含有するだけになり、工程段階3はHを含有するだけになる。したがって、ガス分離がシステム(1600)において達成される。 FIG. 16 illustrates an example of how the disclosed modified 2DAC (1202) can be used, for example, as a membrane or layer utilized to separate a gas mixture. For example, the modified 2DAC film (1602) between step 1 (1604) and step 2 (1606) may be modified to allow H 2 and O 2 to pass through, step. step 2 (1606) and is modified 2DAC film between the process steps 3 (1608) (1604), which may be modified to allow that only H 2 passes. By applying a negative pressure gradient from step 1 to step 3 and recirculating the gas through the system (1600), step 1 only contains CO 2 and step 2 is O 2. will only contain, process step 3 will only contain H 2. Therefore, gas separation is achieved in the system (1600).

要約すると、開示された実施形態の二次元非晶質炭素(2DAC)は非結晶性非晶質構造での炭素原子の単原子層を含み得る。その最初の状態において、原子のランダムな配置により、大きい横方向プロトン伝導率、ならびにすべての大きい原子および分子(例えば、H、O、CHなど)のためのバリアが可能になる。この高プロトン伝導性膜は、例えば、燃料電池、水素発生および重水素製造の用途において履行することができる。 In summary, the two-dimensional amorphous carbon (2DAC) of the disclosed embodiments may include a monatomic layer of carbon atoms in a non-crystalline amorphous structure. In its initial state, the random arrangement of atoms, large lateral proton conductivity, as well as all larger atoms and molecules (e.g., H 2, O 2, etc. CH 4) barrier allowing for. This highly proton conductive membrane can be implemented, for example, in fuel cells, hydrogen generation and deuterium production applications.

開示された2DACの原子構造および炭素環サイズは、プラズマ、電子ビームまたは他の照射技術への曝露により改変することができる。これにより、より大きい分子が通過することが可能となり、それにより、開示された2DACの使用が数多くのガス分離用途に拡大される。開示された2DACは、単原子層の厚さのみを取り入れながら極めて大きいプロトン伝導率を有しているという点で無類のものである。機械的靭性は、例えば、他の二次元材料と比較した場合、開示された2DACは、亀裂が開示された2DACにおいて伝播するにはおよそ3倍多いエネルギーを必要とすることを意味している。開示された2DACは分子状水素およびより大きい分子に対して不透過性である。したがって、開示された2DACは、ガスがプロトン交換膜を横断すること、したがって、電極触媒集合体(1102)の機能喪失を防止する。開示された2DACは、およそ0.1〜10S/cmのプロトン輸送速度を有している。そのような大きい輸送速度は性能を従来の燃料電池を超えて増大させる。開示された2DACは水素原子核同位体の選択的輸送をもたらす。したがって、輸送速度における違いにより、開示された2DACは水素同位体のためのより効率的な分離膜になる。 The atomic structure and carbon ring size of the disclosed 2DAC can be modified by exposure to plasma, electron beam or other irradiation techniques. This allows the passage of larger molecules, thereby extending the use of the disclosed 2DACs to a number of gas separation applications. The disclosed 2DAC is unrivaled in that it has an extremely large proton conductivity while incorporating only the thickness of the monatomic layer. Mechanical toughness means, for example, that the disclosed 2DAC requires approximately 3 times more energy to propagate in the disclosed 2DAC when compared to other 2D materials. The disclosed 2DAC is impermeable to molecular hydrogen and larger molecules. Therefore, the disclosed 2DAC prevents the gas from crossing the proton exchange membrane and thus the loss of function of the electrode catalyst assembly (1102). The disclosed 2DACs have a proton transport rate of approximately 0.1-10 S / cm 2. Such high transport speeds increase performance beyond conventional fuel cells. The disclosed 2DAC results in the selective transport of hydrogen nuclear isotopes. Therefore, the difference in transport rate makes the disclosed 2DAC a more efficient separation membrane for hydrogen isotopes.

本開示の多くの実施形態が詳しく説明されているが、様々な改変および変形が、添付された請求項において定義される本発明の範囲から逸脱することなく可能であることは明らかであろう。さらに、本開示におけるすべての例は、本発明の多くの実施形態を例示する一方で、非限定的な例として提供されており、したがって、そのように例示される様々な局面を限定するものとして解釈してはならないことが理解されなければならない。 Although many embodiments of the present disclosure have been described in detail, it will be clear that various modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. Moreover, all examples in the present disclosure exemplify many embodiments of the invention, while being provided as non-limiting examples, and thus as limiting the various aspects so exemplified. It must be understood that it should not be interpreted.

[参考文献]
下記の参考文献は上記で参照されており、参照によって本明細書中に組み込まれる。
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本出願において引用されるすべての文書、特許、雑誌論文および他の資料は参照によって本明細書中に組み込まれる。 All documents, patents, journal articles and other materials cited in this application are incorporated herein by reference.

どのような刊行物であれ先行刊行物(または当該先行刊行物から導き出される情報)に対する、あるいはどのような事項であれ知られている事項に対する本明細書における言及は、その先行刊行物(または当該先行刊行物から導き出される情報)あるいは知られている事項が、本明細書が関連する努力の分野における共通する一般的知識の一部を形成することを認めるもの、または許すもの、またはどのような形態であれ示唆するものではなく、また、そのようなものとして解釈してはならない。 References herein to any prior publication (or information derived from that prior publication), or to any matter known in any matter, are to that prior publication (or such). Information derived from prior publications) or what is known to allow, or allow, to form some of the common general knowledge in the field of effort in which this specification relates. It does not imply any form and should not be construed as such.

本発明はある特定の実施形態に関連して開示されているが、記載された実施形態に対する数多くの改変、変更および変化が、添付された請求項において定義されるような本発明の領域および範囲から逸脱することなく可能である。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されないこと、しかし、本発明はその完全な範囲が下記請求項の文言およびその同等文言によって定義されていることが意図される。

Although the invention is disclosed in connection with a particular embodiment, the areas and scope of the invention as defined in the appended claims are numerous modifications, changes and changes to the described embodiments. It is possible without deviating from. Accordingly, it is intended that the invention is not limited to the described embodiments, but that the invention is defined in its full scope by the wording of the claims below and its equivalents.

Claims (31)

電極触媒集合体と、
二次元(2D)非晶質炭素と
を含み、前記2D非晶質炭素が0.8以下の結晶化度(C)を有する、燃料電池。
Electrode catalyst assembly and
A fuel cell comprising two-dimensional (2D) amorphous carbon, wherein the 2D amorphous carbon has a crystallinity (C) of 0.8 or less.
前記2D非晶質炭素が膜である、請求項1に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the 2D amorphous carbon is a film. 前記2D非晶質炭素がフィルムである、請求項1に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the 2D amorphous carbon is a film. 前記2D非晶質炭素が0.01〜1000Ω−cm(両端を含む)の抵抗率を有する、請求項1に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the 2D amorphous carbon has a resistivity of 0.01 to 1000 Ω-cm (including both ends). プロトン交換膜
をさらに含む、請求項1に記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, further comprising a proton exchange membrane.
前記2D非晶質炭素が前記電極触媒集合体と前記プロトン交換膜との間に配置される、請求項5に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 5, wherein the 2D amorphous carbon is arranged between the electrode catalyst assembly and the proton exchange membrane. 前記電極触媒集合体が複数の電極触媒集合体を含み、
前記プロトン交換膜が前記複数の電極触媒集合体の間に配置され、かつ、前記2D非晶質炭素がそれぞれの電極触媒集合体と前記プロトン交換膜との間に配置される、請求項5に記載の燃料電池。
The electrode catalyst aggregate includes a plurality of electrode catalyst aggregates, and the electrode catalyst aggregate contains a plurality of electrode catalyst aggregates.
The fifth aspect of the present invention, wherein the proton exchange membrane is arranged between the plurality of electrode catalyst aggregates, and the 2D amorphous carbon is arranged between the respective electrode catalyst aggregates and the proton exchange membrane. The described fuel cell.
前記電極触媒集合体が複数の電極触媒集合体を含み、
前記プロトン交換膜が複数のプロトン交換膜を含み、
前記2D非晶質炭素が前記複数のプロトン交換膜の間に配置され、かつ、前記複数のプロトン交換膜が前記複数の電極触媒集合体の間に配置される、請求項5に記載の燃料電池。
The electrode catalyst aggregate includes a plurality of electrode catalyst aggregates, and the electrode catalyst aggregate contains a plurality of electrode catalyst aggregates.
The proton exchange membrane contains a plurality of proton exchange membranes, and the proton exchange membrane contains a plurality of proton exchange membranes.
The fuel cell according to claim 5, wherein the 2D amorphous carbon is arranged between the plurality of proton exchange membranes, and the plurality of proton exchange membranes are arranged between the plurality of electrode catalyst aggregates. ..
前記プロトン交換膜がフルオロポリマーである、請求項8に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 8, wherein the proton exchange membrane is a fluoropolymer. 前記フルオロポリマーがNafion(登録商標)である、請求項9に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 9, wherein the fluoropolymer is Nafion®. 電極触媒集合体と、
二次元(2D)非晶質炭素と
を含み、前記2D非晶質炭素が1未満の結晶化度(C)を有し、かつ、sp/sp結合比が0.2以下である、燃料電池。
Electrode catalyst assembly and
It contains two-dimensional (2D) amorphous carbon, the 2D amorphous carbon has a crystallinity (C) of less than 1, and the sp 3 / sp 2 binding ratio is 0.2 or less. Fuel cell.
前記2D非晶質炭素が膜である、請求項11に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 11, wherein the 2D amorphous carbon is a film. 前記2D非晶質炭素がフィルムである、請求項11に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 11, wherein the 2D amorphous carbon is a film. プロトン交換膜
をさらに含む、請求項11に記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 11, further comprising a proton exchange membrane.
前記2D非晶質炭素が前記電極触媒集合体と前記プロトン交換膜との間に配置される、請求項14に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 14, wherein the 2D amorphous carbon is arranged between the electrode catalyst assembly and the proton exchange membrane. 前記電極触媒集合体が複数の電極触媒集合体を含み、
前記プロトン交換膜が前記複数の電極触媒集合体の間に配置され、かつ、前記2D非晶質炭素がそれぞれの電極触媒集合体と前記プロトン交換膜との間に配置される、請求項14に記載の燃料電池。
The electrode catalyst aggregate includes a plurality of electrode catalyst aggregates, and the electrode catalyst aggregate contains a plurality of electrode catalyst aggregates.
The 14th aspect of the present invention, wherein the proton exchange membrane is arranged between the plurality of electrode catalyst aggregates, and the 2D amorphous carbon is arranged between each electrode catalyst aggregate and the proton exchange membrane. The described fuel cell.
前記電極触媒集合体が複数の電極触媒集合体を含み、
前記プロトン交換膜が複数のプロトン交換膜を含み、
前記2D非晶質炭素が前記複数のプロトン交換膜の間に配置され、かつ、前記複数のプロトン交換膜が前記複数の電極触媒集合体の間に配置される、請求項14に記載の燃料電池。
The electrode catalyst aggregate includes a plurality of electrode catalyst aggregates, and the electrode catalyst aggregate contains a plurality of electrode catalyst aggregates.
The proton exchange membrane contains a plurality of proton exchange membranes, and the proton exchange membrane contains a plurality of proton exchange membranes.
The fuel cell according to claim 14, wherein the 2D amorphous carbon is arranged between the plurality of proton exchange membranes, and the plurality of proton exchange membranes are arranged between the plurality of electrode catalyst aggregates. ..
前記プロトン交換膜がフルオロポリマーである、請求項17に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 17, wherein the proton exchange membrane is a fluoropolymer. 前記フルオロポリマーがNafion(登録商標)である、請求項18に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 18, wherein the fluoropolymer is Nafion®. 電極触媒集合体と、
非六角形炭素環および六角形炭素環からなる原子構造を有する二次元(2D)非晶質炭素と
を含み、かつ、
前記六角形炭素環の前記非六角形炭素環に対する比率が1.0未満である、燃料電池。
Electrode catalyst assembly and
It contains a two-dimensional (2D) amorphous carbon having an atomic structure consisting of a non-hexagonal carbon ring and a hexagonal carbon ring, and
A fuel cell in which the ratio of the hexagonal carbon ring to the non-hexagonal carbon ring is less than 1.0.
前記二次元(2D)非晶質炭素が約200J/m以上の付着エネルギーを有する、請求項20に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 20, wherein the two-dimensional (2D) amorphous carbon has an adhesion energy of about 200 J / m 2 or more. 前記非六角形炭素環が、4員炭素環、5員炭素環、7員炭素環、8員炭素環および9員炭素環からなる群から選択される非六角形炭素環の形態である、請求項20に記載の燃料電池。 The non-hexagonal carbon ring is in the form of a non-hexagonal carbon ring selected from the group consisting of a 4-membered carbon ring, a 5-membered carbon ring, a 7-membered carbon ring, an 8-membered carbon ring and a 9-membered carbon ring. Item 20. The fuel cell according to Item 20. 550nm以上の波長において98%またはそれより高い光学的透明性
を含む、請求項20に記載の燃料電池。
20. The fuel cell of claim 20, comprising 98% or higher optical transparency at wavelengths above 550 nm.
前記2D非晶質炭素が膜である、請求項20に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 20, wherein the 2D amorphous carbon is a film. 前記2D非晶質炭素がフィルムである、請求項20に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 20, wherein the 2D amorphous carbon is a film. プロトン交換膜
をさらに含む、請求項20に記載の燃料電池。
20. The fuel cell of claim 20, further comprising a proton exchange membrane.
前記2D非晶質炭素が前記電極触媒集合体と前記プロトン交換膜との間に配置される、請求項26に記載の燃料電池。 26. The fuel cell of claim 26, wherein the 2D amorphous carbon is disposed between the electrode catalyst assembly and the proton exchange membrane. 前記電極触媒集合体が複数の電極触媒集合体を含み、
前記プロトン交換膜が前記複数の電極触媒集合体の間に配置され、かつ、前記2D非晶質炭素がそれぞれの電極触媒集合体と前記プロトン交換膜との間に配置される、請求項26に記載の燃料電池。
The electrode catalyst aggregate includes a plurality of electrode catalyst aggregates, and the electrode catalyst aggregate contains a plurality of electrode catalyst aggregates.
26. The proton exchange membrane is arranged between the plurality of electrode catalyst aggregates, and the 2D amorphous carbon is arranged between each electrode catalyst aggregate and the proton exchange membrane. The described fuel cell.
前記電極触媒集合体が複数の電極触媒集合体を含み、
前記プロトン交換膜が複数のプロトン交換膜を含み、
前記2D非晶質炭素が前記複数のプロトン交換膜の間に配置され、かつ、前記複数のプロトン交換膜が前記複数の電極触媒集合体の間に配置される、請求項26に記載の燃料電池。
The electrode catalyst aggregate includes a plurality of electrode catalyst aggregates, and the electrode catalyst aggregate contains a plurality of electrode catalyst aggregates.
The proton exchange membrane contains a plurality of proton exchange membranes, and the proton exchange membrane contains a plurality of proton exchange membranes.
26. The fuel cell according to claim 26, wherein the 2D amorphous carbon is arranged between the plurality of proton exchange membranes, and the plurality of proton exchange membranes are arranged between the plurality of electrode catalyst aggregates. ..
前記プロトン交換膜がフルオロポリマーである、請求項29に記載の燃料電池。 29. The fuel cell according to claim 29, wherein the proton exchange membrane is a fluoropolymer. 前記フルオロポリマーがNafion(登録商標)である、請求項30に記載の燃料電池。

30. The fuel cell of claim 30, wherein the fluoropolymer is Nafion®.

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