JP5649741B2 - フッ化酸化グラフェン及びその調製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、有機半導体材料技術分野に属し、具体的にはフッ化酸化グラフェン及びその調製方法に関する。
グラフェン材料は、２００４年イギリスマンチェスター大学のアンドレ・ガイム(Ａｎｄｒｅ Ｋ. Ｇｅｉｍ)らによって調製された以来、その独特の構造及び光電性質によって世に注目されている。グラフェンは、材料科学及び凝縮物質物理分野において上昇している「新星技術」と呼ばれ、それに備えられる沢山の新規且つ独特の性質及び潜在的な応用は大勢の科学技術者の関心を引き付けている。単層グラフェンは、大きな比表面積、優れた導電、熱伝導性及び低い熱膨張係数を有する。例えば、１．高強度、ヤング率（１１００ＧＰａ）、断裂強度（１２５ＧＰａ）、２．高熱伝導率（５０００Ｗ／ｍＫ）、３．高導電性、キャリヤ輸送率（２０００００ｃｍ２／Ｖ＊ｓ）、４．高い比表面積（理論計算値：２６３０ｍ２／ｇ）。特にその高導電性質、大きい比表面性質及びその単分子層二次元のナノサイズの構造性質は、スーパーコンデンサ及びリチウムイオン電池において電極材料として使用できる。
酸化黒鉛は、−Ｃ−ＯＨ、−Ｃ−Ｏ−Ｃ、−ＣＯＯＨ等の官能基を含有するため、比較的強い極性を表す。乾燥の酸化グラフェンは空気における安定性が比較的悪く、非常に吸湿しやすいことによって水酸化黒鉛を形成するが、酸化黒鉛がフッ素化されてフッ化酸化黒鉛に生成された後、安定性が顕著に増強される。電極材料として、フッ化酸化黒鉛の放電容量も酸化黒鉛より大きく向上され、特に１１０℃下でＦ２と作用して生成されたフッ化酸化黒鉛は、放電電流密度が０．５ｍＡ/ｃｍ２(１Ｍ ＬｉＣｌＯ４−ＰＣ )である時の放電容量、エネルギー密度がそれぞれ６７５ｍＡ ｈ/ｇ、１４２０Ｗ ｈ/Ｋｇに達する。
しかし、如何にしてフッ化酸化グラフェンを簡単に得るかのことは現在の技術的課題である。
これに鑑み、プロセスが簡単であるフッ化酸化グラフェンの調製方法の少なくも１つ及び前記フッ化酸化グラフェンの調製方法により調製されたフッ化酸化グラフェンを提供することが必要である。
フッ化酸化グラフェンであって、フッ素の質量百分率は０．５％＜Ｆ％＜４０％で、炭素の質量百分率は５０％＜Ｃ％＜８０％で、酸素の質量百分率は０．５％＜Ｏ％＜３０％である。
好ましくは、フッ素の質量百分率は９％＜Ｆ％＜２７％で、炭素の質量百分率は５５％＜Ｃ％＜７５％で、酸素の質量百分率は１８％＜Ｏ％＜２７％である。
フッ化酸化グラフェンの調製方法であって、
黒鉛を提供するステップと、
前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップと、
前記酸化グラフェンをＮ２及びＦ２によって構成される混合ガスと温度が２０℃〜２００℃で、時間が０．５時間〜２４時間である条件下で反応させて、前記フッ化酸化グラフェンを調製するステップと、を含む。
黒鉛を提供するステップと、
前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップと、
前記酸化グラフェンをＮ２及びＦ２によって構成される混合ガスと温度が２０℃〜２００℃で、時間が０．５時間〜２４時間である条件下で反応させて、前記フッ化酸化グラフェンを調製するステップと、を含む。
好ましくは、前記混合ガスにおいて、Ｆ２の体積部数は５％〜３０％である。
好ましくは、前記混合ガスにおいて、Ｆ２の体積部数は８％〜２５％である。
好ましくは、前記混合ガスにおいて、Ｆ２の体積部数は２０％である。
好ましくは、前記混合ガスにおいて、Ｆ２の体積部数は１０％である。
好ましくは、反応温度は５０℃〜１５０℃で、反応時間は２時間〜２０時間である。
好ましくは、前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップは、
前記黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比２：１：１に基づいて６０℃〜８５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にした後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得るステップと、
前記前処理された混合物を過マンガン酸カリウムと温度が２０℃よりも低い濃硫酸に加え、その後３０℃〜４０℃下でオイルバスに１．５時間〜２．５時間浸漬させ、脱イオン水を加え、１５分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集するステップと、
前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥を行って、前記酸化グラフェンを得るステップと、を含む。
前記黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比２：１：１に基づいて６０℃〜８５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にした後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得るステップと、
前記前処理された混合物を過マンガン酸カリウムと温度が２０℃よりも低い濃硫酸に加え、その後３０℃〜４０℃下でオイルバスに１．５時間〜２．５時間浸漬させ、脱イオン水を加え、１５分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集するステップと、
前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥を行って、前記酸化グラフェンを得るステップと、を含む。
好ましくは、前記黒鉛の純度は９９．５％より高い。
前記フッ化酸化グラフェンの調製方法は、黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製し、さらに酸化グラフェンをＮ２及びＦ２の混合ガスと所定の温度下で反応させて、フッ化酸化グラフェンを調製する。このようなフッ化酸化グラフェンを調製する方法は、ステップが少なく、プロセスが簡単で、幅広い応用が期待できる。
以下、図面及び実施例を参照して、フッ化酸化グラフェン及びその調製方法に対してさらに説明する。
フッ化酸化グラフェンであって、フッ素の質量百分率は０．５％＜Ｆ％＜４０％で、炭素の質量百分率は５０％＜Ｃ％＜８０％で、酸素の質量百分率は０．５％＜Ｏ％＜３０％である。
好適な実施例において、フッ素の質量百分率は９％＜Ｆ％＜２７％で、炭素の質量百分率は５５％＜Ｃ％＜７５％で、酸素の質量百分率は１８％＜Ｏ％＜２７％である。
図１に示す前記フッ化酸化グラフェンの調製方法であって、
（ステップＳ１０：黒鉛を提供する。）
純度が９９．５％より高い黒鉛を購入する。
（ステップＳ１０：黒鉛を提供する。）
純度が９９．５％より高い黒鉛を購入する。
（ステップＳ２０：黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製する。）
一般的に、Ｈｕｍｍｅｒｓ法によって酸化黒鉛を調製でき、すなわち、黒鉛、過マンガン酸カリウム及び高濃度強酸化性の酸（硫酸または硝酸）を同一の容器に加えて水浴またはオイルバスで加熱し、十分酸化させた後取り出し、まず過酸化水素で過マンガン酸カリウムを還元し、さらに蒸留水または塩酸で生成物を複数回洗浄し、乾燥した後酸化黒鉛を得る。
一般的に、Ｈｕｍｍｅｒｓ法によって酸化黒鉛を調製でき、すなわち、黒鉛、過マンガン酸カリウム及び高濃度強酸化性の酸（硫酸または硝酸）を同一の容器に加えて水浴またはオイルバスで加熱し、十分酸化させた後取り出し、まず過酸化水素で過マンガン酸カリウムを還元し、さらに蒸留水または塩酸で生成物を複数回洗浄し、乾燥した後酸化黒鉛を得る。
酸化グラフェンを調製するため、Ｈｕｍｍｅｒｓ法に対して改良を行うことができ、改良後の調製過程は以下のステップを含む。
まず、黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比２：１：１に基づいて６０℃〜８５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にさせた後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得る。
次ぎ、前記前処理された混合物及び過マンガン酸カリウムを濃硫酸に加え、温度を２０℃より低く維持し、その後３０℃〜４０℃のオイルバスに１．５時間〜２．５時間浸漬させ、脱イオン水を加え、１５分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集する。
最後に、前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥して酸化グラフェンを得る。
オイルバスの目的は、反応温度をよりよく制御することにある。その後の実施態様において、水浴を用いてもよい。
（ステップＳ３０：酸化グラフェンとフッ素単体を反応させてフッ化酸化グラフェンを得る。）
ステップ２０から得た酸化グラフェンを使用してフッ素単体（Ｆ２）と反応させてフッ化酸化グラフェンを調製する方法は気相法と呼ばれ、Ｎ２及びＦ２の混合ガスを使用し、具体的なステップは以下の通りである。
ステップ２０から得た酸化グラフェンを使用してフッ素単体（Ｆ２）と反応させてフッ化酸化グラフェンを調製する方法は気相法と呼ばれ、Ｎ２及びＦ２の混合ガスを使用し、具体的なステップは以下の通りである。
ステップ２０から得た乾燥後の酸化グラフェンを反応装置に加え、Ｎ２及びＦ２の混合ガス（Ｆ２の体積部数が５％〜３０％である）を注入し、温度を２０℃〜２００℃に維持し、０．５時間〜２４時間反応させて、酸化グラフェンをＦ２と反応させ、ＦがＯを部分的に置換し、フッ化酸化グラフェンを得る。
好ましい実施例において、混合ガスには、Ｆの体積部数が８％〜２５％で、反応温度が５０℃〜１５０℃で、反応時間が２時間〜２０時間である。
より好ましい実施例において、混合ガスには、Ｆ２の体積部数が１０％または２０％である。
前記フッ化酸化グラフェンの調製方法は、黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製し、さらに酸化グラフェンをＮ２及びＦ２によって構成される混合ガスと反応させることによって、フッ化酸化グラフェンを調製する。このようなフッ化酸化グラフェンの調製方法はステップが少なく、プロセスが簡単であるため、比較的よい応用が期待できる。
調製されたフッ化酸化グラフェンは、スーパーコンデンサ、リチウムイオン二次電池の電極材料として応用できる。
以下は具体的な実施例である。
［実施例１］
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化酸化グラフェン
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（２）酸化グラフェン
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを８０℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３５℃のオイルバスにおいて２時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを８０℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３５℃のオイルバスにおいて２時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
（３）フッ化酸化グラフェン
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を２時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が１０％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと１００℃下で１２時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を２時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が１０％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと１００℃下で１２時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
得たフッ化グラフェンに対して以下の実験を行う。
ＸＰＳテスト実験条件：サンプルをＶＧ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ＥＳＣＡＬａｂ２２０ｉ−ＸＬ型光電子分光装置によって分析する。励起源はＡｌ Ｋα Ｘ線で、パワーは３００Ｗである。分析する時のベース真空は３×１０−９ｍｂａｒである。電子結合エネルギーは汚染炭素のＣ１ｓピック（２８４．８ｅＶ）によって校正する。
元素相対定量計算：
［式］
式中、
Ｉｉ：ｉ元素のピーク強度（面積）
Ｓｉ：ｉ元素の相対元素敏感度因子
表１から分かるようにＦの質量百分率は４０％、酸素の質量百分率は１５％である。
［式］
式中、
Ｉｉ：ｉ元素のピーク強度（面積）
Ｓｉ：ｉ元素の相対元素敏感度因子
表１から分かるようにＦの質量百分率は４０％、酸素の質量百分率は１５％である。
図３に示されるのは、本実施例により調製されたフッ化酸化グラフェンのＣ１ｓ、Ｏ１ｓ及びＦ１ｓのＸＰＳフルスペクトルである。
図から分かるように、調製されたフッ化酸化グラフェンは、２８４．８ｅＶの位置において非常に強いピック値を有し、対応するフッ化酸化グラフェンにおける炭素結合の構造はＣ−Ｃ（２８４．８ｅＶ）である。
調製されたフッ化酸化グラフェンは５３３．０ｅＶの位置において非常に強いピック値を有し、対応するフッ化酸化グラフェンにおける炭素結合の構造はＣ−Ｏ（５３３．０ｅＶ）である。
調製されたフッ化酸化グラフェンは６８９．５ｅＶの位置において非常に強いピック値を有し、対応するフッ化酸化グラフェンにおける炭素結合の構造はＣ−Ｆ（６８９．５ｅＶ）である。
［実施例２］
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化酸化グラフェン
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（２）酸化グラフェン
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを７５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後４０℃のオイルバスにおいて２．５時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを７５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後４０℃のオイルバスにおいて２．５時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
（３）フッ化酸化グラフェン
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を４時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が５％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと２０℃下で２４時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を４時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が５％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと２０℃下で２４時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
表１から分かるようにＦの質量百分率は２７％、酸素の質量百分率は１８％である。
［実施例３］
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化酸化グラフェン
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（２）酸化グラフェン
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを９５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３０℃のオイルバスにおいて１．５時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを９５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３０℃のオイルバスにおいて１．５時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
（３）フッ化酸化グラフェン
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を０．５時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が３０％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと５０℃下で２４時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を０．５時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が３０％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと５０℃下で２４時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
表１から分かるようにＦの質量百分率は１６％、酸素の質量百分率は２７％である。
［実施例４］
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化酸化グラフェン
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（２）酸化グラフェン
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを８５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３５℃のオイルバスにおいて２時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを８５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３５℃のオイルバスにおいて２時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
（３）フッ化酸化グラフェン
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を３時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が２０％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと２００℃下で０．５時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を３時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が２０％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと２００℃下で０．５時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
表１から分かるようにＦの質量百分率は１５％、酸素の質量百分率は２９％である。
［実施例５］
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化酸化グラフェン
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（２）酸化グラフェン
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを８０℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３５℃のオイルバスにおいて２時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを８０℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３５℃のオイルバスにおいて２時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
（３）フッ化酸化グラフェン
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を２時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が８％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと１２０℃下で１０時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を２時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が８％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと１２０℃下で１０時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
表１から分かるようにＦの質量百分率は９％、酸素の質量百分率は２５％である。
［実施例６］
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化酸化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化酸化グラフェン
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（１）黒鉛：純度９９．５％。
（２）酸化グラフェン
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを８０℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３５℃のオイルバスにおいて２時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
改良されたＨｕｍｍｅｒｓ法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、５０メッシュの黒鉛粉末２０ｇ、１０ｇの過硫酸カリウム及び１０ｇの五酸化二リンを８０℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、６時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを０℃、２３０ｍｌの濃硫酸に加え、さらに６０ｇの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を２０℃以下に維持し、その後３５℃のオイルバスにおいて２時間保持した後、９２０ｍｌの脱イオン水を徐々に加える。１５分後、さらに２．８Ｌの脱イオン水（そのうち、３０％濃度の過酸化水素５０ｍｌを含有する）を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が１０％である塩酸５Ｌを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、６０℃下で４８時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
（３）フッ化酸化グラフェン
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を２時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が２５％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと８０℃下で４時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
（２）から得た酸化グラフェンをＦ２と反応させることによってフッ化酸化グラフェンを得る。その具体的なステップは、乾燥された酸化グラフェンを反応装置に加えて乾燥のＮ２を２時間注入し、その後、フッ素ガス体積部数が２５％であるフッ素ガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して酸化グラフェンと８０℃下で４時間反応させて、フッ化酸化グラフェンを得る。
表１から分かるようにＦの質量百分率は０．５％、酸素の質量百分率は３０％である。
［表１］フッ化グラフェンのフッ素含有量及び酸素含有量
前記実施例は本発明の複種の実施形態のみを述べ、その説明は比較的具体的詳しいであるが、本発明の特許範囲に対する制限として認識されるべきではない。指摘すべきなのは、本分野の当業者にとって、本発明の構想を逸脱しない前提下で、さらに複数の変形及び改良を行うことができ、これらは共に本発明の保護範囲に属する。そのため、本発明の特許の保護範囲は添付の請求項に準ずるべきである。
前記実施例は本発明の複種の実施形態のみを述べ、その説明は比較的具体的詳しいであるが、本発明の特許範囲に対する制限として認識されるべきではない。指摘すべきなのは、本分野の当業者にとって、本発明の構想を逸脱しない前提下で、さらに複数の変形及び改良を行うことができ、これらは共に本発明の保護範囲に属する。そのため、本発明の特許の保護範囲は添付の請求項に準ずるべきである。
Claims (7)
- フッ化酸化グラフェンの調製方法において、黒鉛を提供するステップと、前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップと、前記酸化グラフェンをＮ２及びＦ２によって構成される混合ガスと温度が２０℃〜２００℃で、時間が０．５時間〜２４時間である条件下で反応させて、前記フッ化酸化グラフェンを調製するステップと、を含み、
前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップは、
前記黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比２：１：１に基づいて６０℃〜８５℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にした後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得るステップと、
前記前処理された混合物を過マンガン酸カリウムと温度が２０℃よりも低い濃硫酸に加え、その後３０℃〜４０℃下でオイルバスに１．５時間〜２．５時間浸漬させ、脱イオン水を加え、１５分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集するステップと、
前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥を行って、前記酸化グラフェンを得るステップと、を含む、ことを特徴とするフッ化酸化グラフェンの調製方法。 - 前記混合ガスにおいて、Ｆ２の体積部数は５％〜３０％である、ことを特徴とする請求項１に記載のフッ化酸化グラフェンの調製方法。
- 前記混合ガスにおいて、Ｆ２の体積部数は８％〜２５％である、ことを特徴とする請求項２に記載のフッ化酸化グラフェンの調製方法。
- 前記混合ガスにおいて、Ｆ２の体積部数は２０％である、ことを特徴とする請求項３に記載のフッ化酸化グラフェンの調製方法。
- 前記混合ガスにおいて、Ｆ２の体積部数は１０％である、ことを特徴とする請求項３に記載のフッ化酸化グラフェンの調製方法。
- 反応温度は５０℃〜１５０℃で、反応時間は２時間〜２０時間である、ことを特徴とする請求項１に記載のフッ化酸化グラフェンの調製方法。
- 前記黒鉛の純度は９９．５％より高い、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフッ化酸化グラフェンの調製方法。
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