JP7129917B2 - コークスまたは石炭からのグラフェンシートの電気化学的製造 - Google Patents
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Description
本出願は、参照により本明細書に援用される2016年6月26日に出願された米国特許出願第15/193,090号明細書の優先権を主張する。
第1の方法(図1)は、黒鉛インターカレーション化合物(GIC)、または実際には酸化黒鉛(GO)を得るために、インターカラントおよび酸化剤(たとえば、それぞれ濃硫酸および硝酸)を用いた天然黒鉛粉末の処理を伴う[William S.Hummers,Jr.,et al.,Preparation of Graphitic Oxide,Journal of the American Chemical Society,1958,p.1339]。インターカレーションまたは酸化の前、黒鉛は約0.335nmのグラフェン面間隔を有する(Ld=1/2 d002=0.335nm)。インターカレーションおよび酸化処理を行うと、グラフェン間隔は、典型的には0.6nmを超える値まで増加する。これは、この化学的経路中に黒鉛材料に生じる第1の膨張段階である。得られたGICまたはGOは、次に、熱衝撃曝露、または溶液系の超音波支援グラフェン層剥離方法のいずれかを用いることでさらに膨張する(多くの場合で剥離と呼ばれる)。
(1)この方法は、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムもしくは塩素酸ナトリウムなどのいくつかの望ましくない化学物質を多量に使用する必要がある。
(2)化学処理方法は、典型的には5時間から5日間の長いインターカレーションおよび酸化の時間を必要とする。
(3)強酸によって、「黒鉛中に入り込むこと」によるこの長いインターカレーションまたは酸化プロセス中に、多量の黒鉛が消費される(黒鉛が二酸化炭素に変換され、これがプロセス中に失われる)。強酸および酸化剤中に浸漬した黒鉛材料の20~50重量%が失われることは珍しくない。
(4)熱で誘発される剥離方法および溶液で誘発される剥離方法の両方は、非常に時間のかかる洗浄および精製のステップを必要とする。たとえば、洗浄して1グラムのGICを回収するために典型的には2.5kgの水が使用され、適切な処理が必要となる多量の廃水が生じる。
(5)熱で誘発される剥離方法および溶液で誘発される剥離方法の両方では、得られる生成物は、酸素含有量を減少させるためのさらなる化学的還元処理を行う必要があるGOプレートレットである。典型的には、還元後でさえも、GOプレートレットの導電率は、純粋なグラフェンの導電よりもはるかに低いままである。さらに、この還元手順は、ヒドラジンなどの毒性化学物質の利用を伴うことが多い。
(6)さらに、排液後にフレーク上に保持されるインターカレーション溶液の量は、黒鉛フレーク100重量部当たり20~150部(pph)の溶液の範囲、より典型的には約50~120pphの範囲となりうる。
(7)高温剥離中、フレークによって保持される残存インターカレート(intercalate)種(例えば、硫酸および硝酸)は分解して硫黄化合物および窒素化合物の種々の化学種(たとえば、NOxおよびSOx)を生成し、これらは望ましくない。流出液は、環境に対して悪影響が生じないようにするために費用のかかる改善手順が必要となる。
2002年に、本発明者らの研究チームは、ポリマーまたはピッチ前駆体から得られた部分的に炭化または黒鉛化されたポリマー炭素から単層および多層のグラフェンシートを単離することに成功した[B.Z.Jang and W.C.Huang,“Nano-scaled Graphene Plates”、2002年10月21日に提出された米国特許出願第10/274,473号明細書;現在は米国特許第7,071,258号明細書(07/04/2006)]。Mackら[“Chemical manufacture of nanostructured materials”米国特許第6,872,330号明細書(2005年3月29日)]は、黒鉛にカリウム金属溶融物をインターカレートさせるステップと、結果としてKがインターカレートされた黒鉛をアルコールと接触させて、NGPを含む剥離黒鉛を乱暴に生成するステップとを含む方法を開発した。カリウムおよびナトリウムなどの純アルカリ金属は水分に対して非常に敏感であり、爆発の危険が生じるので、この方法は、真空中または非常に乾燥したグローブボックス環境中で注意深く行う必要がある。この方法は、NGPの大量生産には適していない。上記概略の制限を克服するために本発明が作られた。
基板上の超薄グラフェンシートの小規模製造は、熱分解に基づくエピタキシャル成長およびレーザー脱離イオン化技術によって行うことができる[Walt A.DeHeer,Claire Berger,Phillip N.First,“Patterned thin film graphite devices and method for making same” 米国特許第7,327,000B2号明細書(2003年6月12日)]。わずか1層または数層の原子層を有する黒鉛のエピタキシャル膜は、それらの特有の特性およびデバイス基板としての大きな可能性のため、技術的および化学的に重要である。しかし、これらの方法は、複合材料およびエネルギー貯蔵用途の単離されたグラフェンシートの大量生産には適していない。
Yangら[“Two-dimensional Graphene Nano-ribbons,”J.Am.Chem.Soc.130(2008)4216-17]は、1,4-ジヨード-2,3,5,6-テトラフェニル-ベンゼンと4-ブロモフェニルボロン酸との鈴木-宮浦カップリングから開始する方法を用いて最長12nmの長さのナノグラフェンシートを合成した。結果として得られるヘキサフェニルベンゼン誘導体をさらに誘導体化させ環を縮合させて小さいグラフェンシートを得た。これは、これまでは非常に小さいグラフェンシートが生成されている遅いプロセスである。
(a)インターカレーション反応器中で行われる電気化学的インターカレーション手順によって、インターカレートされたコークスまたは石炭の化合物を形成するステップにおいて、反応器が、(i)インターカレーティング剤を含む液体溶液電解質と;(ii)上記液体溶液電解質にイオン接触する活物質としてコークス(石油または石炭源からのニードルコークスなど)または石炭の粉末を含む作用電極であって、上記コークスまたは石炭の粉末が、石油コークス、石炭由来コークス、メソフェーズコークス、合成コークス、レオナルダイト、無煙炭、褐炭、瀝青炭、天然石炭鉱物粉末(たとえば1,500℃を超える温度であらかじめ熱処理されていないか、1,500℃を超える黒鉛化温度で黒鉛化されているかのいずれかのあらゆる石炭またはコークスの粉末を含む)、またはそれらの組合せから選択される作用電極と;(iii)液体溶液電解質にイオン接触する対極とを含み、インターカレーティング剤の層間隔中への電気化学的インターカレーションが生じるのに十分な時間の間、ある電流密度で作用電極および対極に電流が印加されるステップと;
(b)超音波処理、熱衝撃曝露、機械的剪断処理、またはそれらの組合せを用いて、インターカレートされたコークスまたは石炭の化合物から六角形炭素原子中間層を剥離し分離して、単離グラフェンシートを製造するステップと
を含む。
(a)インターカレーション反応器中で行われる電気化学的インターカレーション手順によって、インターカレートされたコークス/石炭の化合物を形成するステップであって、反応器が、(i)溶解したインターカレーティング剤およびグラフェン面湿潤剤(簡潔に「湿潤剤」)を含む液体溶液電解質と;(ii)液体溶液電解質にイオン接触する活物質としてコークス/石炭の粉末を含む作用電極(たとえばアノード)と;(iii)液体溶液電解質にイオン接触する対極(たとえばカソード)とを含み、インターカレーティング剤および/または湿潤剤の層間隔中への電気化学的インターカレーションが生じるのに十分な時間の間、ある電流密度で作用電極および対極に電流が印加され、湿潤剤が、メラミン、硫酸アンモニウム、ドデシル硫酸ナトリウム、ナトリウム(エチレンジアミン)、テトラアルキルアンモニウム、アンモニア、カルバミド、ヘキサメチレンテトラミン、有機アミン、ピレン、1-ピレンカルボン酸(PCA)、1-ピレン酪酸(PBA)、1-ピレンアミン(PA)、ポリ(ナトリウム-4-スチレンスルホネート)、またはそれらの組合せから選択されるステップと;
(b)超音波処理、熱衝撃曝露、機械的剪断処理、またはそれらの組合せを用いて、インターカレートされた石炭/コークスの化合物から六角形炭素原子中間層を剥離し分離して、単離グラフェンシートを製造するステップとを含む、方法を提供する。
実施例1:粉砕されたニードルコークス粉末からの単離グラフェンシートの製造
平均長さ<10μmまで粉砕したニードルコークスをアノード材料として使用し、1,000mLの液体溶液電解質(有機溶媒中典型的には0.5~3Mのアルカリ金属塩)を使用した。エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、およびジエチルカーボネート(DEC)を溶媒として使用した。この実施例で使用したアルカリ金属塩としては、過塩素酸リチウム(LiClO4)、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸カリウム(KClO4)、およびそれらの混合物が挙げられる。選択したグラフェン面湿潤剤としては、メラミン、ナトリウム(エチレンジアミン)、およびヘキサメチレンテトラミンが挙げられる。
1)グラフェン面湿潤剤を含む電解質のインターカレーションによって、このような湿潤剤を含まない電解質よりも薄い(ほとんどが単層)グラフェンシートが得られる。
2)Li+よりも大きなアルカリ金属イオン(Na+およびK+)も、非常に薄いグラフェンシートの製造において有効なインターカラントとなる。実際、Na+イオンは、この点においてLi+よりも予想外に有効である。
3)単層グラフェンシートの製造において、2種類のアルカリ金属塩の混合物(たとえばLiClO4+NaClO4)は、1種類の成分単独よりも効果的である。
4)ECはPCよりも有効であると思われる。
5)含有する大部分のグラフェンシートが単層グラフェンである生成物は、本発明による電気化学的インターカレーション方法を用いて容易に製造することができる。
実施例1で使用したものと同様の1グラムの粉砕したニードルコークス粒子に、4:1:0.05の重量比の硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物(黒鉛対インターカレートの比は1:3)を4時間インターカレートさせた。インターカレーション反応の終了後、混合物を脱イオン水中に注ぎ、濾過した。次に、試料を5%HCl溶液で洗浄して、硫酸イオンおよび残留塩の大部分を除去し、次に、濾液のpHが約5となるまで脱イオン水で繰り返し洗浄した。乾燥させた試料を次に1,000℃で45秒間剥離させた。得られたNGPをSEMおよびTEMを用いて検査し、それらの長さ(最大横寸法)および厚さを測定した。グラフェンを製造するための従来の強酸方法と比較すると、本発明による電気化学的インターカレーション方法によって、同等の厚さ分布であるが、はるかに大きい横寸法(3~5μm対200~300nm)のグラフェンシートが得られることが確認された。周知の真空支援濾過手順を用いて、グラフェンシートからグラフェン紙層を作製した。ヒドラジン還元酸化グラフェン(硫酸-硝酸がインターカレートされたコークスから作製)から作製したグラフェン紙は11~143S/cmの導電率値を示す。本発明による電気化学的インターカレーションによって作製された比較的酸化のないグラフェンシートから作製されたグラフェン紙は1,500~3,600S/cmの導電率値を示す。
一例において、それぞれ2グラムの褐炭の試料を、平均直径25.6μmの粒度まで粉砕した。得られた粉末試料を、実施例1に記載されるが異なるアルカリ金属塩および溶媒を使用する同様の電気化学的インターカレーション条件に曝露した。褐炭粉末試料に対して、0.5アンペアの電流(約0.04アンペア/cm2の電流密度)および約5ボルトのセル電圧における3時間の電気化学的インターカレーション処理を行った。電気化学的インターカレーション処理後、結果として得られたインターカレートされた粉末を電気化学反応器から取り出し、乾燥させた。
それぞれ2グラムの黒鉛鉱石粉末の試料を36μmの平均長さまで粉砕した。これらの粉末試料に対して、水性電解質中の電気化学的インターカレーションを行った。多岐にわたる金属ハロゲン化物塩を脱イオン水中に溶解させて液体電解質を形成した。調査した湿潤剤としては、アンモニア、硫酸アンモニウム、およびドデシル硫酸ナトリウムが挙げられる。黒鉛鉱石に対して、0.5アンペアの電流(約0.04アンペア/cm2の電流密度)および約1.8ボルトのセル電圧における3時間の電気化学的インターカレーション処理を行った。電気化学的インターカレーション処理後、結果として得られたインターカレートされたコークス(ほとんどがステージ1のCIC、一部がステージ2)を電気化学反応器から取り出し、乾燥させた。
Hummersの方法[米国特許第2,798,878号明細書、1957年7月9日]に準拠して硫酸、硝酸塩、および過マンガン酸カリウムを用いて粉砕されたニードルコークス粒子(実施例3と同じ)を酸化させることによって、高度にインターカレートされかつ酸化された黒鉛を調製した。反応終了後(10時間が考慮される)、混合物を脱イオン水中に注ぎ、濾過した。試料を次に5%HCl溶液で洗浄して、硫酸イオンおよび残留塩の大部分を除去し、次に、濾液のpHが約5となるまで脱イオン水で繰り返し洗浄した。この意図はすべての硫酸および硝酸の残留物を黒鉛の間隙から除去することであった。得られたスラリーを噴霧乾燥し、65℃の真空オーブン中で24時間保管した。得られた粉末の層間隔をDebey-ScherrerのX線技術によって測定すると、約0.76nm(7.6Å)であり、黒鉛が酸化黒鉛(ステージ1およびステージ2のGIC)に変換されたことを示している。インターカレートされた化合物を乾燥させたものを石英管中に入れ、1050℃にあらかじめ設定された水平管状炉中に45秒間挿入した。剥離したワームを水と混合し、次に高剪断分散機を用いて20分間の機械的剪断処理を行った。得られたグラフェンシートは2.2~7.9nmの厚さ(198~332m2/gの比表面積)を有することが分かった。これらの値は、環境にもより優しい本発明の方法によって実現される値にはとても及ばない。
Shanxi,ChinaのTaixi石炭を単離グラフェンシートの調製のための出発物質として使用した。この原炭を粉砕し、200μm未満の平均粒度を有する粉末にふるい分けした。この石炭の粉末をボールミル粉砕によってさらに2.5時間粉砕すると、90%を超える粉末粒子の直径が粉砕後に15μm未満となる。この原炭粉末を50℃のビーカー中の塩酸塩で4時間処理して、改質石炭(MC)を形成し、次にこれを濾液中にCl-が検出されなくなるまで蒸留水で洗浄した。この改質石炭をFeの存在下で熱処理して、石炭を黒鉛様炭素に変換させた。MC粉末およびFe2(SO4)3[TX-de:Fe2(SO4)3=16:12.6]をボールミル粉砕によって2分間十分に混合し、次にその混合物に対してアルゴン下2400℃で2時間の接触黒鉛化を行った。
一例において、300mgの瀝青炭をアノード材料として使用し、有機溶媒中の1,000mLおよび1Mのアルカリ金属塩を液体溶液電解質として使用した。エチレンカーボネート(EC)およびプロピレンカーボネート(PC)を別々に溶媒として使用した。この実施例で使用したアルカリ金属塩は、過塩素酸リチウム(LiClO4)および過塩素酸ナトリウム(NaClO4)を含む。
Claims (22)
- ある層間隔で六角形炭素原子の領域および/または六角形炭素原子中間層を中に含むコークスまたは石炭の粉末の供給材料から単離グラフェンシートを製造する方法において:
(a)インターカレーション反応器中で行われる電気化学的インターカレーション手順によって、インターカレートされたコークスまたは石炭の化合物を形成するステップにおいて、前記反応器が、(i)インターカレーティング剤を含む液体溶液電解質と;(ii)前記液体溶液電解質にイオン接触する活物質として前記コークスまたは石炭の粉末を含む作用電極であって、前記コークスまたは石炭の粉末が、石油コークス、石炭由来コークス、メソフェーズコークス、合成コークス、レオナルダイト、無煙炭、褐炭、瀝青炭、天然石炭鉱物粉末、またはそれらの組合せから選択される作用電極と;(iii)前記液体溶液電解質にイオン接触する対極とを含み、前記インターカレーティング剤の前記層間隔中への電気化学的インターカレーションが生じるのに十分な時間の間、ある電流密度で前記作用電極および前記対極に電流が印加されるステップと;
(b)超音波処理、熱衝撃曝露、機械的剪断処理、またはそれらの組合せを用いて、前記インターカレートされたコークスまたは石炭の化合物から前記六角形炭素原子中間層を剥離し分離して、前記単離グラフェンシートを製造するステップと、
を含み、
前記コークスまたは石炭の粉末の複数の粒子が、前記液体溶液電解質中に分散され、作用電極区画内に配置され、それに電子的に接触する集電体によって支持される、もしくは閉じ込められ、前記作用電極区画と、その上に支持されるもしくはその中に閉じ込められる前記複数の粒子とは、前記対極に電子的に接触しないことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記複数の粒子が互いに密集して、電子伝導経路の網目構造を形成することを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記反応器が、前記液体溶液電解質中に溶解したグラフェン面湿潤剤をさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項3に記載の方法において、前記グラフェン面湿潤剤が、メラミン、硫酸アンモニウム、ドデシル硫酸ナトリウム、アンモニア、カルバミド、ヘキサメチレンテトラミン、有機アミン、ピレン、1-ピレンカルボン酸、1-ピレン酪酸、1-ピレンアミン、ポリ(ナトリウム-4-スチレンスルホネート)、またはそれらの組合せから選択されることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記方法が断続的または連続的に行われ、前記コークスまたは石炭の粉末の供給材料および前記液体溶液電解質が前記反応器中に断続的または連続的に供給されることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記方法が断続的または連続的に行われ、前記コークスまたは石炭の粉末の供給材料および前記液体溶液電解質が前記作用電極区画内に断続的または連続的に供給されることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記作用電極区画内の前記コークスまたは石炭の粉末が20重量%を超える濃度で前記液体溶液電解質中に分散されることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記作用電極区画内の前記コークスまたは石炭の粉末が50重量%を超える濃度で前記液体溶液電解質中に分散されることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記機械的剪断処理が、エアミル粉砕、エアジェットミル粉砕、ボールミル粉砕、回転ブレード機械的剪断、またはそれらの組合せを行うステップを含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記電流の印加によって0.1~600A/m2の範囲内の電流密度が得られることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記電流の印加によって1~500A/m2の範囲内の電流密度が得られることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記電流の印加によって10~300A/m2の範囲内の電流密度が得られることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記熱衝撃曝露が、前記インターカレートされたコークスまたは石炭の化合物を300~1,200℃の範囲内の温度に15秒~2分の時間加熱するステップを含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記単離グラフェンシートが単層グラフェンを含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記単離グラフェンシートが、2~10個の六角形炭素原子中間層またはグラフェン面を有する数層グラフェンを含むことを特徴とする方法。
- 請求項3に記載の方法において、前記電気化学的インターカレーションが、前記インターカレーティング剤および前記湿潤剤の両方の前記層間隔中へのインターカレーションを含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、電気化学的または化学的インターカレーション方法を用いて前記単離グラフェンシートの再インターカレーションを行って、インターカレートされたグラフェンシートを得るステップと、超音波処理、熱衝撃曝露、水溶液への曝露、機械的剪断処理、またはそれらの組合せを用いて、前記インターカレートされたグラフェンシートの剥離および分離を行って、単層グラフェンシートを製造するステップとをさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記インターカレーティング剤が、リン酸(H3PO4)、ジクロロ酢酸(Cl2CHCOOH)から選択されるブレンステッド酸、またはメタンスルホン酸(MeSO3H)、エタンスルホン酸(EtSO3H)、もしくは1-プロパンスルホン酸(n-PrSO3H)から選択されるアルキルスルホン酸、またはそれらの組合せから選択される化学種を含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記インターカレーティング剤が金属ハロゲン化物を含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記インターカレーティング剤が、MCl(M=Li、Na、K、Cs)、MCl2(M=Zn、Ni、Cu、Mn)、MCl3(M=Al、Fe、Ga)、MCl4(M=Zr、Pt)、MF2(M=Zn、Ni、Cu、Mn)、MF3(M=Al、Fe、Ga)、MF4(M=Zr、Pt)、およびそれらの組合せからなる群から選択される金属ハロゲン化物を含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記インターカレーティング剤が、過塩素酸リチウム(LiClO4)、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸カリウム(KClO4)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF6)、ヘキサフルオロリン酸カリウム(KPF6)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF4)、ホウフッ化カリウム(KBF4)、ヘキサフルオロヒ化ナトリウム、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(NaCF3SO3)、トリフルオロメタスルホン酸カリウム(KCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CF3SO2)2)、トリフルオロメタンスルホンイミドナトリウム(NaTFSI)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドカリウム(KN(CF3SO2)2)、ナトリウムイオン液体塩、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、ヘキサフルオロヒ化リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、硝酸リチウム(LiNO3)、Li-フルオロアルキル-ホスフェート(LiPF3(CF2CF3)3)、ビスパーフルオロエチスルホニルイミドリチウム(LiBETI)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム、トリフルオロメタンスルホンイミドリチウム(LiTFSI)、イオン液体リチウム塩、またはそれらの組合せから選択されるアルカリ金属塩を含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記インターカレーティング剤が、1,3-ジオキソラン(DOL)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2-エトキシエチルエーテル(EEE)、スルホン、スルホラン、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、γ-ブチロラクトン(γ-BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレン、酢酸メチル(MA)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ビニレンカーボネート(VC)、アリルエチルカーボネート(AEC)、ヒドロフロロエーテル(hydrofloroether)、またはそれらの組合せから選択される有機溶媒を含むことを特徴とする方法。
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