JP7227143B2 - 低い多環芳香族炭化水素濃度を有するグラフェン状炭素ナノ粒子およびその作製プロセス - Google Patents

低い多環芳香族炭化水素濃度を有するグラフェン状炭素ナノ粒子およびその作製プロセス Download PDF

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Description

本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１７年２月１０日に出願されたＵＳ６２／４５７，４７２の優先権を主張する。
本開示は、グラフェン状炭素ナノ粒子の分野、より具体的には、低減された多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）含有量を有するグラフェンナノシートおよびそのプロセスに関する。
市販のグラフェンを３つのカテゴリ：基板上への化学蒸着（ＣＶＤ）による単層グラフェン、グラファイトの剥離による多層グラフェン、およびプラズマトーチを使用して作製される数層グラフェンナノシートに分けることができる。ＣＶＤグラフェンは真に単層のグラフェンの品質を持つが、おそらくバルク用途に必要な量で作製されないであろう。剥離された多層グラフェンは、エネルギー貯蔵、フィラーおよび導電性インク用途に適したバルク量で利用可能であるが、１層グラフェンの仕様または分光的特徴を持たず、１層グラフェンで期待される電気伝導率値にも達することができない。数層および多層グラフェンが、本明細書ではグラフェンナノシートとも呼ばれ、本開示の対象である。
数層グラフェンナノシートは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第８，４８６，３６３号、８，４８６，３６４号および９，２２１，６８８号、米国仮出願第Ｕ．Ｓ．６２／４３７，０５７号、ならびにＰＣＴ出願第ＷＯ２０１５１８９６４３Ａ１号に記載されたプラズマトーチプロセスによって、１層グラフェンのものに類似した特徴（ラマンスペクトルおよび比表面積）を有してバルク量で作製され得る。しかしながら、プラズマプロセスによるグラフェンナノシートの作製は、副生成物として、通常、約０．１～約２重量％の範囲の濃度で、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）の形成をもたらす。そのようなプロセスでは、ＰＡＨは数層グラフェンナノシートの表面上に形成される。
ＰＡＨは、ガス状炭化水素前駆体の熱分解から生成される、または炭素系粉末の生成中に水素前駆体と炭素前駆体との混合物が同時に存在する場合に生成される、炭素系粉末上に存在する望ましくない化合物である。ＰＡＨは、主に炭素および水素で構成される（ＣＸＨＹ）多くの化合物を包含し、炭素は大部分はｓｐ２混成で芳香環配置に配列する。ＰＡＨは、ごくわずかな酸素または窒素または他の原子も含有し得る。ＰＡＨは有害かつ発癌性であり、ＰＡＨを含有する炭素ナノ粒子を取り扱う人間およびＰＡＨを含有する製品を使用する消費者に深刻な害をもたらし得る（Ｂｏｒｍ Ｐ Ｊ，ｅｔ．ａｌ．，Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＡＨ－ＤＮＡ ａｄｄｕｃｔｓ ａｆｔｅｒ ｉｎ ｖｉｖｏ ａｎｄ ｖｉｔｒｏ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｏｆ ｒａｔｓ ａｎｄ ｌｕｎｇ ｃｅｌｌｓ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋｓ，Ｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈａｒｍａｃｏｌｏｇｙ，２００５ Ｊｕｎ．１；２０５（２）：１５７－１６７を参照）。結果として、製造された炭素粉末中に存在するＰＡＨの割合を制限するための規制が存在する（一例として、ＥＵ指令２００７／１９／ＥＣは、０．２５ｍｇ／ｋｇの、カーボンブラック中の最大ベンゾ（ａ）ピレン含有量を定める）。さらに、炭素表面上のＰＡＨの存在は、小さい細孔を塞ぎ、したがって比表面積を減少させることによって、エネルギー貯蔵用途における性能に悪影響を及ぼし得る。
加えて、世界税関機構（ＷＣＯ）により定められた統一システム（ＨＳ）は、多くのＰＡＨを区分１Ｂの発癌性、変異原性または生殖毒性（ＣＭＲ）物質に分類する。それに応じて、新しい欧州ＲＥＡＣＨ規則附属書ＸＶＩＩは、消費者製品中のＰＡＨの濃度を０．０００１重量％（または１ｍｇ／ｋｇ）に制限している。
洗浄またはリンスして炭素粒子からＰＡＨを落とすためのウェット化学プロセスが知られている。ソックスレー抽出などのそのようなプロセスは、ＰＡＨの溶解性が非常に限られるため、一般にトルエンのような毒性のある非極性溶媒の使用を必要とする。しかしながら、毒性のある溶媒を伴うそのようなプロセスは、ＰＡＨで汚染された溶媒によって形成された大量の廃棄物をもたらす。ウェット化学ＰＡＨ除去プロセスはしたがって、環境への悪影響を有し、ＰＡＨを含まない最終製品のコストを増大させる。したがって、経済的でもありかつ溶媒廃棄物を伴わない、炭素ナノ粒子およびグラフェンナノシート、特にプラズマ成長グラフェンナノシートからＰＡＨを除去するための単純な気相（ドライ）方法を開発することが非常に望ましい。液相プロセスの使用はまた、乾燥後の炭素粉末の著しい高密度化をもたらす。そのようなより高い密度は、例えば分散のようなさらなる処理に支障となる場合がある。
したがって、プラズマプロセスを使用して、後処理なしで、非常に低いレベルのＰＡＨを含有するグラフェンナノプレートレットを直接作製することが非常に望ましい。実際、ソックスレー抽出のようなウェット化学プロセスを使用してＰＡＨを洗い流すことは可能であるが、これは、ＰＡＨを含まない最終グラフェン材料のコストを増大させる。
本開示は、少量の多環芳香族炭化水素を有するグラフェンナノシートに関する。これらのグラフェンナノシートは、液相またはウェット化学プロセスを必要とせず、したがって、より低いタップ密度を示す。本開示はさらに、本開示のグラフェンナノシートを作製するプロセスに関する。
一態様では、約０．７重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有するグラフェンナノシートが提供される。
別の態様では、約０．７重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度、およびＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で約０．０８ｇ／ｃｍ３未満のタップ密度を有するグラフェンナノシートが提供される。
別の態様では、グラフェンナノシートから揮発性不純物を除去するためのプロセスであって、グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度で加熱することを含むプロセスも提供される。
別の態様では、グラフェンナノシートの比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ．）を増加させるためのプロセスであって、グラフェンナノシートを酸化雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度で加熱することを含むプロセスが提供される。
別の態様では、グラフェンナノシートを溶媒中に分散させるためのプロセスであって、グラフェンナノシートを酸化雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度で加熱することと、グラフェンナノシートを溶媒中に分散させることとを含むプロセスが提供される。
別の態様では、グラフェンナノシートの電気伝導率を改善するためのプロセスであって、グラフェンナノシートを酸化雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度で加熱することを含むプロセスが提供される。
本明細書において、一態様では、
標準温度および標準圧力（ＳＴＰ）で少なくとも６０ｍ／ｓの速度でプラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入してグラフェンナノシートの核を形成することと、グラフェンナノシートを１０００℃以下のクエンチガスでクエンチすることと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスが提供される。
本明細書において、別の態様では、
少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度でプラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入してグラフェンナノシートの核を形成することと、グラフェンナノシートを１０００℃以下のクエンチガスでクエンチし、それにより５１４ｎｍの入射レーザ波長を使用した測定で３以上のラマンＧ／Ｄ比および０．８以上のラマン２Ｄ／Ｇ比を有するグラフェンナノシートを作製することと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスが提供される。
本明細書において、さらなる態様では、
少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度、および１分あたりに注入される炭素１モルあたりのクエンチガスが少なくとも７５標準リットル毎分（ｓｌｐｍ）のクエンチガス対炭素比で、プラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入し、それによりグラフェンナノシートを作製することと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスが提供される。
本明細書において、さらなる態様では、
少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度、および供給プラズマトーチ電力１ｋＷあたり少なくとも１．２５ｓｌｐｍのクエンチガスの、クエンチガス対供給プラズマトーチ電力比で、プラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入し、それによりグラフェンナノシートを作製することと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスが提供される。
本明細書において、さらに別の態様では、
プラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入することであって、炭素含有物質の注入は、複数のジェットを使用して少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度で実行され、注入された炭素含有物質がトーチ軸の周りに放射状に分配かつクエンチガスに到達する前に希釈されるように誘導され、それにより５１４ｎｍの入射レーザ波長を使用した測定で３以上のラマンＧ／Ｄ比および０．８以上のラマン２Ｄ／Ｇ比を有するグラフェンナノシートを作製することと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスが提供される。
本明細書において提供される別の態様は、
少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度、および供給プラズマトーチ電力１ｋＷあたり少なくとも１．２５ｓｌｐｍのクエンチガスの、クエンチガス対供給プラズマトーチ電力比で、プラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入し、それによりグラフェンナノシートを少なくとも１２０ｇ／ｈの速度で作製することと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスである。
本明細書において提供される別の態様は、
プラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入することであって、炭素含有物質の注入は、複数のジェットを使用して少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度で実行され、注入された炭素含有物質がトーチ軸の周りに放射状に分配かつクエンチガスに到達する前に希釈されるように誘導され、それによりグラフェンナノシートを少なくとも１２０ｇ／ｈの速度で作製することと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスである。
本明細書において提供されるさらなる態様は、
少なくとも６０ｍ／ｓの速度でプラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入し、それによりグラフェンナノシートを少なくとも２ｇ／供給プラズマトーチ電力ｋＷｈの割合で作製することと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスである。
本明細書において、さらなる態様では、
少なくとも６０ｍ／ｓの速度、および３５ｋＷ超の供給プラズマトーチ電力で、プラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入し、それによりグラフェンナノシートを少なくとも８０ｇ／ｈの速度で作製することと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスが提供される。
本明細書において、さらなる態様では、
少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度でプラズマの熱領域中に天然ガスまたはメタンを注入してグラフェンナノシートの核を形成することと、グラフェンナノシートをクエンチガスでクエンチすることと、
グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも約２００℃の温度でさらに加熱することと
を含む、グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスが提供される。
本明細書に記載のプロセスは、多環芳香族炭化水素を除去するに有効であり、したがって、非常に低いＰＡＨ含有量を有し、安全に取り扱いができ、エンドユーザー用途に組み込んでも安全なグラフェンナノシートの経済的かつ大規模な作製を可能にすることが見出された。さらに、本明細書に記載のプロセスは、グラフェンナノシートの表面をクリーニングし、その比表面積を増加させ、その表面に沿って電子が自由に流れる能力を改善するのに有効である。したがって、プロセスは、グラフェンナノシートの電気伝導性を改善するのに有効である。
本明細書に記載の生成物およびプロセスは、グラフェンナノシートが溶媒中に分散する能力を高めるのに有効であり、したがって、低充填でのパーコレーションが有利な導電性用途でのその有用性および性能を高める。
以下の図面は、単なる例示として、本開示の様々な実施形態を表す。
熱処理を実行するために使用された加熱エンクロージャ（オーブン）を示し、図１Ａは上面図であり、図１Ｂは図１Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 熱処理を実行するために使用された加熱エンクロージャ（オーブン）を示し、図１Ａは上面図であり、図１Ｂは図１Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図２Ａ（底面図）および図２Ｂ（図１Ａの線１Ｂ－１Ｂに沿った断面図）は、炭素含有物質の注入に使用された５孔シャワーヘッド型ノズルを示す。 多孔インジェクタを使用して作製された試料から、５１４ｎｍの入射波長で得られたラマンスペクトルのプロットであり、これらのインジェクタ孔の各々について、注入速度は６０ｍ／ｓ ＳＴＰ（標準温度および標準圧力）以上であり、注入角度はプラズマの対称軸に関して２５度であった。 単孔インジェクタおよびより低い注入速度（６０ｍ／ｓ ＳＴＰ未満）を使用して作製された試料から、５１４ｎｍの入射波長で得られたラマンスペクトルのプロットである。 実施例１で使用された多孔インジェクタを含むプラズマトーチ、ならびに炭素非含有ガスおよび炭素含有物質を含むガスの定性的な流れを示す。 実施例２で使用された単孔インジェクタを含むプラズマトーチ、ならびに炭素非含有ガスおよび炭素含有物質を含むガスの定性的な流れを示す。
本明細書で使用される場合、「グラフェンナノシート」なる語句は、ハニカム格子状に配列した１原子の厚さのｓｐ２結合炭素原子のシートの１つまたは複数の積層を含む構造を有する、しわのある（ｃｒｕｍｐｌｅｄ）グラフェンナノシートを指す。これらの積層シートの少なくとも一部は丸まり、曲がり、またはバックリングしており、それらに３Ｄモルフォロジーを与える。そのような粒子は、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＰ）、グラフェンナノフレーク、しわのあるグラフェン、数層グラフェン、グラフェン状炭素粒子、または単にグラフェンとしても知られている。例えば、グラフェンナノシートは、１０層以下で構成され、ＡＳＴＭ Ｄ ３６６３－７８規格による測定で高いＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積（≧２５０ｍ２／ｇ）（Ｂｒｕｎａｕｅｒら）を示す粒子を指し得る。粒子は０．５～１０ｎｍの範囲の厚さおよび典型的には５０ｎｍ以上の幅を有し、したがって、少なくとも５：１であるが典型的には１０：１以上の高いアスペクト比を示す。粒子は、ラマン分光法を使用して５１４ｎｍの入射レーザ波長で分析した場合、典型的なＤ、Ｇおよび２Ｄバンド（それぞれ約１３５０ｃｍ－１、１５８０ｃｍ－１、２６９０ｃｍ－１に位置する）、ならびに３以上のＧ／Ｄ比（Ｇ／Ｄ≧３）および０．８以上の２Ｄ／Ｇ比（２Ｄ／Ｇ≧０．８）を示す。本明細書で使用される場合、Ｇ／Ｄ比および２Ｄ／Ｇ比はこれらのバンドのピーク強度の比を指す。グラフェンナノシートは、例えば、米国特許第８，４８６，３６３号、８，４８６，３６４号および９，２２１，６８８号、ならびに仮出願第Ｕ．Ｓ．６２／４３７，０５７号に記載されたプラズマトーチプロセスから作製され得る。これらの文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用される場合、「アスペクト比」なる語句は、グラフェン粒子の最長寸法対グラフェン粒子の最短寸法の比を指す。例えば、１００ｎｍの平均幅および２ｎｍ平均厚さを有するグラフェン粒子は、５０：１のアスペクト比を有する。
本明細書で使用される場合、「多環芳香族炭化水素」、「ＰＡＨ」または「ＰＡＨ（複数形）」なる語句は、石炭、油、ガス、木材、ごみ、またはタバコおよび炭火焼き肉などの他の有機物の不完全燃焼中に形成される化学物質の群を指す。１００を超える異なるＰＡＨが存在する。ＰＡＨは一般に、単一化合物としてではなく、複合混合物として（例えば、煤のような燃焼生成物の一部として）生じる。それらは、例えば粗製油、石炭、コールタールピッチ、クレオソート、およびルーフィングタールのような物質中にも見出され得る。ＰＡＨの一覧表には、ビフェニレン、アセナフチレン、フェナントレン、アントラセン、フルオランテン、ピレン、キシレン、ナフタレン、ベンゾ（Ａ）ピレン（ＢａＰ）、ベンゾ［Ｅ］ピレン（ＢｅＰ）、ベンゾ［ａ］アントラセン（ＢａＡ）、クリセン（ＣＨＲ）、ベンゾ［ｂ］フルオランテン（ＢｂＦＡ）、ベンゾ［ｊ］フルオランテン（ＢｊＦＡ）、ベンゾ［ｋ］フルオランテン（ＢｋＦＡ）、およびジベンゾ［ａ，ｈ］アントラセン（ＤＢＡｈＡ）が含まれるが、それらに限定されない。
本明細書で使用される場合、「反応性雰囲気」または「反応性環境」なる語句は、例えば酸化雰囲気または還元雰囲気を指す。
本明細書で使用される場合、「酸化雰囲気」または「酸化環境」なる用語は、本明細書に記載されるような少なくとも１つの酸化剤を含有する雰囲気を指す。
本明細書で使用される場合、「酸化剤」なる語句は、空気、酸素、オゾン、過酸化物（過酸化水素など）、Ｆ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ２、Ｃｌ２、またはアルコール、硫酸、過塩素酸、過硫酸、ハイポハライト（次亜塩素酸ナトリウムなど）のような酸化性酸、それらの混合物を含むが、それらに限定されないガス混合物を指す。ガス混合物は貴ガス（Ａｒなど）またはＮ２も含み得る。
本明細書で使用される場合、「還元雰囲気」または「還元環境」なる語句は、本明細書に記載されるような少なくとも１つの還元剤を含有する雰囲気を指す。
本明細書で使用される場合、「還元剤」なる語句は、ＮＨ４、Ｈ２、Ｈ２Ｓ、ＣＯ、およびそれらの混合物を指す。
グラフェン試料中の多環芳香族炭化水素の濃度は、カーボンブラック試料中のベンゾ－α－ピレン（ＢａＰ）の定量化で一般的なように、例えばトルエン中でのソックスレー抽出、続いてガスクロマトグラフィー質量分析（ＧＣ／ＭＳ）を使用した分析によって定量的に決定され得る。炭素試料中の多環芳香族炭化水素を定量するための標準的な方法は、規格ＡＳＴＭ Ｄ７７７１－１７、「カーボンブラック中のベンゾ－α－ピレン（ＢａＰ）含有量の決定のための標準試験法」によって記載されている。この規格はベンゾ－α－ピレン（ＢａＰ）を対象にしているが、測定方法はＰＡＨ類の他の化合物に対して使用され得る。本発明の報告されたＰＡＨの％濃度は、検出されたすべてのＰＡＨの合計である。本発明のソックスレー抽出は、典型的には、ＡＳＴＭ規格の１６時間と比較して、わずか約４～６時間であった。ソックスレーは、急速注／排サイクルの高効率抽出用に組み立てられた。抽出が終了する前、溶出剤は無色であった。抽出液は濃縮されずにＧＣ／ＭＳによって直接分析され、市販の標準ＰＡＨ混合物と比較された。この方法の検出限界は、３５～９０ｐｐｍのＰＡＨ（０．００３５～０．００９０重量％のＰＡＨ）のオーダーである。
本明細書で使用される場合、「タップ密度」なる語句は、ＡＳＴＭ規格Ｂ５２７－１５「金属粉末および化合物のタップ密度のための標準試験法」によって記載されるように、試料を含有するメスシリンダーを、さらなる体積変化がほとんど観察されなくなるまで機械的にタップすることによって得られる測定値を指す。タップされた密度は、粉末の最終体積で割った質量として計算される（例えば、ｇ／ｃｍ３）。
本明細書で使用される場合、「熱的に作製された」なる語句は、プラズマプロセスによって作製されたグラフェンナノシートを指す。米国特許第８，４８６，３６３号、８，４８６，３６４号および９，２２１，６８８号、ならびに仮出願第Ｕ．Ｓ．６２／４３７，０５７号に例が記載されており、それらのすべては、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書でタップ密度に関して使用される場合、「実質的に変化しない」は、本明細書に記載の熱反応性処理の後、処理されたグラフェンナノシートのタップ密度が、約１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％または１％未満増加または減少することを意味する。
本明細書で使用される場合、「炭素含有物質」なる語句は、少なくとも１つの炭素原子を含む化合物または物質を指す。
本明細書で使用される場合、「熱領域」なる語句は、例えば、誘導結合プラズマトーチ（ＩＣＰ）、直流プラズマトーチ（ＤＣ－プラズマ）、交流プラズマ（ＡＣ－プラズマ）もしくはマイクロ波プラズマトーチ、またはプラズマ状態の高温ガスを発生させる任意の他の好適な方法によって形成される、例えば準熱プラズマ、例えば局所熱平衡（ＬＴＥ）に近いプラズマによって発生し得る熱領域を指す。プラズマは高圧（典型的には１００トル超）でＬＴＥに近く、電子、イオン、中性粒子およびラジカル間での衝突が頻繁に起こる。
本明細書で使用される場合、「供給プラズマトーチ電力」なる用語は、プラズマトーチに供給される電力を指す。供給された電力をプラズマガスへ伝達する際のプラズマトーチの効率は１００％ではないため、供給される電力はプラズマの出力以上である。
本明細書で使用される場合、「クエンチガス対炭素比」なる用語は、炭素含有物質、例えば注入される炭素含有ガスの単位時間あたりの体積（例えばｓｌｐｍ）に対する、クエンチガスの単位時間あたりの体積、例えば注入されるガスの標準リットル毎分（ｓｌｐｍ）を指す。本明細書で使用される場合、「クエンチガス対炭素比」なる用語は、注入される炭素のモル数に対する、クエンチガスの単位時間あたりの体積も指す（１モルの炭素は１２グラムの炭素に等しい）。本明細書で使用される場合、「クエンチガス対炭素比」は、炭素含有物質の単位時間あたりの質量（例えばグラム毎秒またはグラム毎分）に対する、反応器中に注入されるクエンチガスの単位時間あたりの質量（例えばグラム毎秒またはグラム毎分）も指す。
本明細書で使用される場合、「クエンチガス」なる用語は、ＳＴＰで１７．９ミリワット毎メートル毎ケルビン度以上（ＳＴＰでのアルゴンの熱伝導率；Ｅ．Ｗ．ＬｅｍｍｏｎおよびＲ．Ｔ Ｊａｃｏｂｓｅｎを参照）の高い熱伝導率を有する任意の炭素非含有ガスを指し、および含み得る。クエンチガスは、例えばアルゴン、ヘリウム、水素、窒素、または１７．９ｍＷ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する任意の他のガス、またはこれらのガスの任意の混合物で構成されてよい。ガスの熱伝導率は反応物のクエンチ速度の決定要因であることが、当業者には理解されよう。クエンチガスは典型的にはプラズマトーチの近くまたは内部に注入されるが、反応器中の他の場所に、および複数の層または複数の場所で注入され得る。本明細書で使用される場合、「クエンチガス」は、ＲＦ－プラズマまたはＤＣ－プラズマトーチにおいてプラズマガスに隣接して注入され、トーチ構成部品を熱衝撃および劣化から保護するために使用されるシースガスも指す（図５および図６参照）。
本明細書で使用される場合、ガス体積および速度はすべて、別段の指定がない限り、標準温度および標準圧力（ＳＴＰ）での量を表すことを意図する。これらの値は、プラズマトーチ内で経験する高温および高圧で変化することが、当業者には容易に理解されよう。
本明細書で使用される場合、「約（ａｂｏｕｔ）」および「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」のような程度の用語は、最終結果が著しく変化しないような、修飾された用語の合理的な偏差量を意味する。これらの程度の用語は、この偏差が修飾する単語の意味を打ち消さないならば、修飾された用語の少なくとも±５％または少なくとも±１０％の偏差を含むと見なされるべきである。
本開示は、ソックスレー抽出などの液相での処理ステップを経ていない、低含有量の多環芳香族炭化水素を有するグラフェンナノシートに関する。これらのグラフェンナノシートは、ＡＳＴＭ規格Ｂ５２７－１５「金属粉末および化合物のタップ密度のための標準試験法」によって記載されるとおり、約０．０６ｇ／ｃｍ３未満の低いタップ密度を示してよい。この材料中のＰＡＨ濃度は、約０．３重量％未満、約０．１重量％未満、約０．０１重量％未満、またはガスクロマトグラフィー質量分析（ＧＣ／ＭＳ）装置の検出限界未満であり得る。グラフェンナノシートは、約２以上のラマンＧ／Ｄ比、約０．８以上のラマン２Ｄ／Ｇ比（５１４ｎｍの波長の入射レーザを使用した測定で）および約２５０ｍ２／ｇ以上の比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ．）を特徴とし得る。グラフェンナノシートのタップ密度は、典型的には約０．０３～約０．０５ｇ／ｃｍ３となるであろう。本開示の実施形態によれば、熱的に作製されたグラフェンナノシートは、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第８，４８６，３６３号、８，４８６，３６４号および９，２２１，６８８号に開示されたプロセスおよび方法によって作製されてよい。
低いＰＡＨ含有量を含むグラフェンナノシートを得る方法は、ＰＡＨを含有するグラフェンナノシートを、反応種、例えば酸素のような酸化性種を含有する雰囲気中で２００℃超または３００℃超の温度の熱処理に曝露することを含む。酸化環境下でのこの加熱処理の時間は、１時間以上の時間が適用され得る。炭素ナノ粒子またはグラフェンを含有するエンクロージャ（例えばオーブン）中の温度は徐々に上昇し得、ガス雰囲気は不活性ガスと反応種との混合物であり得る。例えば、反応種が酸化性種である場合、ガス混合物は窒素と酸素との混合物、アルゴンと酸素との混合物、空気、アルゴン、窒素および酸素との混合物、または酸化性種と不活性種との任意の他の混合物であり得る。反応種はまた、還元性種であり得る。エンクロージャ中の圧力は、大気圧未満（部分真空）、大気圧、または大気圧超であり得る。例えば、処理は、ＰＡＨまたはその一部が除去されるように、真空中で、または酸化雰囲気中（例えば、空気、酸素とアルゴンとの混合物、または酸素と窒素との混合物、または酸化剤を含有する任意の他のガス混合物）で高圧で実行され得る。グラフェンナノシートは、約３００℃～約５００℃（またはそれ以上、５００℃～６５０℃など）のオーダーの十分な温度にさらされ得る。加熱は、ＰＡＨの除去を達成するのに十分な任意の時間で起こり得る。加熱は、反応性雰囲気下、および好ましくは大気圧で粒子を加熱できる任意のタイプの炉または他の装置中で起こり得る。温度は、２９０℃～５００℃、または４００℃～５００℃などの、２００℃～５００℃であり得る。５００℃～６５０℃、または５００℃～６５０℃以上などの、５００℃超の温度が使用されてよい。酸化環境中、６００℃超の温度で、グラフェン粒子は酸化され得、燃焼および破壊され得ることが、当業者には理解されよう。グラフェン粒子をより低い酸素濃度でより高い温度に曝露することは、粒子をより低い温度およびより高い酸素濃度に曝露することと類似の効果を有し得ることが、当業者には理解されよう。
本開示のプロセスの結果得られるグラフェンナノシートは、０．０１重量％未満のＰＡＨ濃度、２以上のラマンＧ／Ｄ比、０．８以上のラマン２Ｄ／Ｇ比（５１４ｎｍの波長の入射レーザを使用した測定で）および２５０ｍ２／ｇ以上の比表面積（ＢＥＴ）を特徴とする。
例えば、グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で約０．０６ｇ／ｃｍ３未満のタップ密度を有する。
例えば、グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で約０．０４ｇ／ｃｍ３未満のタップ密度を有する。
例えば、グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で約０．０３～約０．０５ｇ／ｃｍ３のタップ密度を有する。
例えば、グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で約０．０３～約０．０４ｇ／ｃｍ３のタップ密度を有する。
例えば、グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で約０．０３ｇ／ｃｍ３のタップ密度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約２５０ｍ２／ｇ超の比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約３００ｍ２／ｇ超の比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約３５０ｍ２／ｇ超の比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約２５０～約６００ｍ２／ｇの比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約３００～約６００ｍ２／ｇの比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約４００～約６００ｍ２／ｇの比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約５００～約６００ｍ２／ｇの比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約５００ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約４００ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約２００ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約１００ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約９０ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約８０ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約７０ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約６０ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約５０ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約４０ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは３５ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．６重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．５重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．４重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．３重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．２重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．１重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０１重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０１％～約０．７％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０１％～約０．５％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０１％～約０．３％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．１重量％～約０．３重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０１％～約０．１％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．１５重量％～約０．２５重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．１重量％～約０．６重量％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０５重量％～約０．６重量％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０５重量％～約０．５重量％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．１重量％～約０．５重量％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０１重量％～約０．４重量％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０５重量％～約０．４重量％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．１重量％～約０．４重量％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは約０．０５重量％～約０．３重量％の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは、ガスクロマトグラフィー質量分析（ＧＣ／ＭＳ）またはＡＳＴＭ Ｄ７７７１－１１に従うソックスレー抽出法による測定で、検出限界未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは、５１４ｎｍの入射レーザ波長を使用した測定で約３以上のラマンＧ／Ｄ比および約０．８以上のラマン２Ｄ／Ｇ比を有する。５１４ｎｍの入射レーザ波長を使用した測定で約２．５以上のラマンＧ／Ｄ比および約０．８以上のラマン２Ｄ／Ｇ比を有するグラフェンナノシートであって、グラフェンナノシートは約０．７重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する。
例えば、グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で約０．０６ｇ／ｃｍ３未満のタップ密度を有する。
例えば、グラフェンナノシートは熱的に作製される。
例えば、揮発性不純物は多環芳香族炭化水素である。
例えば、反応性雰囲気は酸化雰囲気である。
例えば、酸化雰囲気は、空気、水蒸気、酸素、オゾン、過酸化物、Ｆ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ２、Ｃｌ２、アルコール、硫酸、過塩素酸、過硫酸、ハイポハライト、ハロゲン、オキシハライド、亜酸化窒素、およびそれらの混合物から選択される酸化剤を含む。
例えば、酸化雰囲気は不活性ガスおよび酸化剤を含む。
例えば、不活性ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンまたはそれらの混合物である。
例えば、ガス混合物は酸素およびアルゴンを含む。
例えば、プロセスは、グラフェンナノシートを含有するエンクロージャ中に酸素を含むガス混合物を注入することを含む。
例えば、ガス混合物は一定流量下で注入される。
例えば、ガス混合物は約１～１０ｓｌｐｍの一定流量下で注入される。
例えば、反応性雰囲気は還元雰囲気である。
例えば、還元雰囲気は、ＮＨ４、Ｈ２、Ｈ２Ｓ、ＣＯ、およびそれらの混合物を含む。
例えば、還元雰囲気は不活性ガスおよび還元剤を含む。
例えば、プロセスはグラフェンナノシート中の多環芳香族炭化水素濃度を約２％未満に低下させるのに有効である。
例えば、プロセスはグラフェンナノシート中の多環芳香族炭化水素濃度を約１％未満に低下させるのに有効である。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも約３００℃の温度で加熱される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも約４００℃の温度で加熱される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも約５００℃の温度で加熱される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも約６００℃の温度で加熱される。
例えば、グラフェンナノシートは約２００℃～約１０００℃の温度で加熱される。
例えば、グラフェンナノシートは約２００℃～約７５０℃の温度で加熱される。
例えば、グラフェンナノシートは約３００℃～約５５０℃の温度で加熱される。
例えば、プロセスは大気圧下で実行される。
例えば、プロセスは大気圧未満または部分真空下で実行される。
例えば、プロセスは大気圧超下で実行される。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも２０％増加する。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも３０％増加する。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも４０％増加する。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも５０％増加する。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも６０％増加する。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも７０％増加する。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも８０％増加する。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも９０％増加する。
例えば、比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）は少なくとも１００％増加する。
例えば、プロセスは液体または溶媒の非存在下で実行される。
例えば、プロセスはドライプロセスである。
例えば、プロセスは連続プロセスである。
例えば、プロセスは流動床反応器中で実行される。
例えば、プロセスは回転式オーブン中で実行される。
例えば、プロセスはバッチプロセスである。
例えば、ＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で、グラフェンナノシートのタップ密度は実質的に変化しない。
例えば、ＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で、グラフェンナノシートのタップ密度は５％未満増加または減少する。
例えば、ＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で、グラフェンナノシートのタップ密度は１０％未満増加または減少する。
例えば、多環芳香族炭化水素は、ビフェニレン、アセナフチレン、フェナントレン、アントラセン、フルオランテン、ピレン、キシレン、ナフタレン、ベンゾ（Ａ）ピレン（ＢａＰ）、ベンゾ［Ｅ］ピレン（ＢｅＰ）、ベンゾ［ａ］アントラセン（ＢａＡ）、クリセン（ＣＨＲ）、ベンゾ［ｂ］フルオランテン（ＢｂＦＡ）、ベンゾ［ｊ］フルオランテン（ＢｊＦＡ）、ベンゾ［ｋ］フルオランテン（ＢｋＦＡ）、ジベンゾ［ａ，ｈ］アントラセン（ＤＢＡｈＡ）、およびそれらの混合物から選択される。
例えば、多環芳香族炭化水素は、ビフェニレン、アセナフチレン、フェナントレン、アントラセン、フルオランテン、ピレン、キシレン、ナフタレン、ベンゾ（Ａ）ピレン（ＢａＰ）、ベンゾ［Ｅ］ピレン（ＢｅＰ）、ベンゾ［ａ］アントラセン（ＢａＡ）、クリセン（ＣＨＲ）、ベンゾ［ｂ］フルオランテン（ＢｂＦＡ）、ベンゾ［ｊ］フルオランテン（ＢｊＦＡ）、ベンゾ［ｋ］フルオランテン（ＢｋＦＡ）、ジベンゾ［ａ，ｈ］アントラセン（ＤＢＡｈＡ）、およびそれらの混合物から選択される。
例えば、グラフェンナノシートは１３００℃未満の温度を有するクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは９００℃未満の温度を有するクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは６００℃未満の温度を有するクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは３００℃未満の温度を有するクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは１００℃未満の温度を有するクエンチガスでクエンチされる。
例えば、炭素含有物質は、１分あたりの炭素１モルあたりのクエンチガスが少なくとも５０ｓｌｐｍのクエンチガス対炭素比で注入される。
例えば、炭素含有物質は、１分あたりの炭素１モルあたりのクエンチガスが少なくとも１６０ｓｌｐｍのクエンチガス対炭素比で注入される。
例えば、炭素含有物質は、１分あたりの炭素１モルあたりのクエンチガスが少なくとも２５０ｓｌｐｍのクエンチガス対炭素比で注入される。
例えば、炭素含有物質は、１分あたりの炭素１モルあたりのクエンチガスが約５０ｓｌｐｍ～約１２５ｓｌｐｍのクエンチガス対炭素比で注入される。
例えば、炭素含有物質は、１分あたりの炭素１モルあたりのクエンチガスが約１００ｓｌｐｍ～約２５０ｓｌｐｍのクエンチガス対炭素比で注入される。
例えば、複数のジェットを使用して実行される炭素含有物質の注入。
例えば、少なくとも３個のジェットを使用して実行される炭素含有物質の注入。
例えば、少なくとも４個のジェットを使用して実行される炭素含有物質の注入。
例えば、少なくとも５個のジェットを使用して実行される炭素含有物質の注入。
例えば、５個超のジェットを使用して実行される炭素含有物質の注入。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも１２０ｇ／ｈの速度で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも１５０ｇ／ｈの速度で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも２００ｇ／ｈの速度で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも２５０ｇ／ｈの速度で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは約１２０～約１５０ｇ／ｈの速度で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは約１５０～約２５０ｇ／ｈの速度で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは、供給トーチ電力１ｋＷあたり少なくとも３ｓｌｐｍのクエンチガスの割合で給送されたクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは、供給トーチ電力１ｋＷあたり少なくとも１ｓｌｐｍのクエンチガスの割合で給送されたクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは、供給トーチ電力１ｋＷあたり少なくとも０．５ｓｌｐｍのクエンチガスの割合で給送されたクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは、供給トーチ電力１ｋＷあたり約０．５ｓｌｐｍ～約１．５ｓｌｐｍのクエンチガスの割合で給送されたクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは、供給トーチ電力１ｋＷあたり約１．５ｓｌｐｍ～約４ｓｌｐｍのクエンチガスの割合で給送されたクエンチガスでクエンチされる。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも１ｇ／供給プラズマトーチ電力ｋＷｈの割合で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも２．５ｇ／供給プラズマトーチ電力ｋＷｈの割合で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも３ｇ／供給プラズマトーチ電力ｋＷｈの割合で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも５ｇ／供給プラズマトーチ電力ｋＷｈの割合で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは約２～約３ｇ／供給プラズマトーチ電力ｋＷｈの割合で作製される。
例えば、グラフェンナノシートは約３～約５ｇ／供給プラズマトーチ電力ｋＷｈの割合で作製される。
例えば、炭素含有物質は炭素含有ガスである。
例えば、炭素含有ガスはＣ１～Ｃ４炭化水素である。
例えば、炭素含有ガスは、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、塩化ビニル、プロパン、プロペン、シクロプロパン、アレン、プロピン、ブタン、２－メチルプロパン、１－ブテン、２－ブテン、２－メチルプロペン、シクロブタン、メチルシクロプロパン、１－ブチン、２－ブチン、シクロブテン、１，２－ブタジエン、１，３－ブタジエン、もしくは１－ブテン－３－イン、またはそれらの混合物から選択される。
例えば、炭素含有物質は炭素含有液体である。
例えば、炭素含有液体はＣ５～Ｃ１０炭化水素である。
例えば、炭素含有液体は、ｎ－プロパノール、１，２－ジクロロエタン、アリルアルコール、プロピオンアルデヒド、臭化ビニル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、もしくはスチレン、またはそれらの混合物から選択される。
例えば、炭素含有物質はメタンまたは天然ガスである。
例えば、炭素含有物質は炭素含有固体である。
例えば、炭素含有固体は、グラファイト、カーボンブラック、ノルボルニレン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、もしくはポリスチレン、またはそれらの混合物から選択される。
例えば、炭素含有ガス、炭素含有液体または炭素含有固体はキャリアガスとの混合物である。
例えば、キャリアガスは不活性ガスを含む。
例えば、不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、またはそれらの混合物から選択される。
例えば、クエンチガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、またはそれらの混合物から選択される。
例えば、クエンチガスは不活性ガスを含む。
例えば、クエンチガスは水素を含む。
例えば、クエンチガスはアルゴンを含む。
例えば、クエンチガスは、供給プラズマトーチ電力１ｋＷにつき１～１０ｓｌｐｍのガスの割合で給送される。
例えば、熱領域は約４０００℃～約１１０００℃の温度を有する。
例えば、熱領域は約３０００℃～約８０００℃の温度を有する。
例えば、熱領域は約２６００℃～約５０００℃の温度を有する。
例えば、炭素含有物質は少なくとも７０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度で注入される。
例えば、炭素含有物質は少なくとも９０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度で注入される。
例えば、炭素含有物質は少なくとも１００ｍ／ｓ ＳＴＰの速度で注入される。
例えば、炭素含有物質は約６０～約１００ｍ／ｓ ＳＴＰの速度で注入される。
例えば、炭素含有物質は約７０～約９０ｍ／ｓ ＳＴＰの速度で注入される。
例えば、炭素含有物質は約７５～約８５ｍ／ｓ ＳＴＰの速度で注入される。
例えば、プロセスは、プラズマの対称軸に関して約１０～約４０度、約２０～約３０度、または約２５度の炭素含有物質の注入角度で実行され得る。
例えば、プロセスは、プラズマの対称軸に関して約１５～約３５度、約２０～約３０度、または約２５度の炭素含有物質の注入角度で実行され得る。
例えば、プロセスは、炭素含有物質を注入するための多孔インジェクタを含むプラズマトーチを使用して実行でき、インジェクタ孔の各々について、注入速度は少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰであり、注入角度はプラズマの対称軸に関して約１５～約３５度である。
例えば、プロセスは、炭素含有物質を注入するための多孔インジェクタを含むプラズマトーチを使用して実行でき、インジェクタ孔の各々について、注入速度は少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰであり、注入角度はプラズマの対称軸に関して約２０～約３０度である。
例えば、プロセスは、炭素含有物質を注入するための多孔インジェクタを含むプラズマトーチを使用して実行でき、インジェクタ孔の各々について、注入速度は少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰであり、注入角度はプラズマの対称軸に関して約２５度である。
例えば、クエンチガスは熱領域の周囲に注入される。
例えば、プロセスは作製されたグラフェンナノシートを回収することをさらに含む。
例えば、作製されたグラフェンナノシートは、バグフィルタ中に、フィルタカートリッジ上に、またはサイクロンで回収される。
例えば、グラフェンナノシートは、ＡＳＴＭ Ｄ ３６６３－７８による測定で２５０ｍ２／ｇ以上のＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積を有する。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも５：１のアスペクト比を有する。
例えば、グラフェンナノシートは少なくとも１０：１のアスペクト比を有する。
例えば、グラフェンナノシートは、５１４ｎｍの入射レーザ波長を使用した測定で少なくとも３のラマンＧ／Ｄ比を有する。
例えば、グラフェンナノシートは、５１４ｎｍの入射レーザ波長を使用した測定で少なくとも０．８のラマン２Ｄ／Ｇ比を有する。
例えば、供給プラズマトーチ電力は３５ｋＷ超である。
例えば、供給プラズマトーチ電力は１００ｋＷ超である。
例えば、供給プラズマトーチ電力は２００ｋＷ超である。
例えば、供給プラズマトーチ電力は１０００ｋＷ超である。
以下の実施例は非限定的なものであり、本開示の材料およびプロセスをより良く例示するために使用される。特許請求の範囲は、本開示で提供される特定の実施形態および実施例によって限定されるべきではなく、本開示全体と一致する最も広い解釈を与えられるべきである。
実施例
実施例１：グラフェンナノシートの多環芳香族炭化水素含有量を低下させるための熱処理
１つの例示的実施形態では、（米国仮出願第６２／４３７，０５７号に記載された）前駆体としてメタンを使用してＩＣＰプラズマトーチを使用して作製されたしわのあるグラフェンナノシート粉末を、ドライプロセスで処理してＰＡＨを除去する。気相（ドライ）プロセスの前、作製されたしわのあるグラフェン粉末は、（トルエンを用いたソックスレー抽出による測定で）０．１６重量％のＰＡＨを含有し、３０２ｍ２／ｇのＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積を有する。
ここで図１Ａを参照すると、エンクロージャ（オーブン）は、ガスの混合物の注入用ポート（１１）および分解されたＰＡＨを含有するガスの混合物の排出用ポート（１２）を含む。ここで図１Ｂを参照すると、エンクロージャは、両ポート（１２）および（１３）を収容するためのフランジ（１３）を含む。別のポート（１４）は、熱酸化処理中に粉末を混合するシャフトを挿入するために、エンクロージャに設けられる。エンクロージャは壁（１５）に収容され、エンクロージャを密封するＯリング用の溝（１６）、ならびに底部（１７）および側部（１８）加熱要素を含む。本明細書に開示のプロセスを実行するために、すべての他の好適なエンクロージャが使用されてよいことが、当業者には理解されよう。
作製されたままのグラフェンナノシート粉末は、（トルエンを用いたソックスレー抽出による測定で）０．１６重量％のＰＡＨを含有し、３０２ｍ２／ｇのＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積を有する。ＰＡＨを除去するための気相（ドライ）プロセスは、ＡｒとＯ２との混合物（９体積％のＯ２）で構成される一定の大量のガス流（３ｓｌｐｍ）下の熱酸化処理を含む。加熱されたエンクロージャ内部の温度はおよそ４００℃であり、エンクロージャは大気圧で保持される。ガス流は、揮発性成分が粉末から確実に除去および排出されるように使用される。１時間のランプが４００℃に到達するために使用され、４０分のプラトーおよびおよそ２時間の冷却が続く。１回の稼働あたり１０ｇ～４００ｇが処理された。バッチプロセスは、例えば、一般性を失うことなく、流動床熱反応器を使用することによって、または処理される材料を回転式オーブンもしくは例えばコンベヤベルトを使用した別の加熱領域に通すことによって、連続プロセスに容易に変換され得る。処理される量は、オーブンの大きさ、したがって加熱領域を増大させることによって容易にスケールアップされ得る。
熱酸化処理はグラフェンナノシート上に存在するＰＡＨを蒸発および／または分解する。グラフェンナノシートは高グラファイト化状態（高レベルの結晶化度）を有し、この熱処理中に著しい質量損失を受けない。処理中の重量損失はＰＡＨの除去および破壊に関連している（したがってＰＡＨの初期濃度に関連している）。以下の酸化剤が、例えば、酸素の代わりに使用され得る：空気、水蒸気、二酸化炭素など。使用される雰囲気（ガスの組成および圧力）ならびに処理される材料の量が温度ならびに使用される時間を決定することが、当業者には容易に理解されよう。
不規則炭素（ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ ｃａｒｂｏｎ）は、グラファイト化炭素より１桁高いエッチング速度を有する。（ＡＳＴＭ規格Ｂ５２７－１５による測定で）粉末のタップ密度は、熱酸化処理によって変更されないが、Ｂ．Ｅ．Ｔ．比表面積に重要な増加が測定される（細孔を塞いでいるＰＡＨの除去のため）。グラフェン表面上の酸素官能基濃度のわずかな増加が観測され得る（ＸＰＳによる測定でおよそ１～２原子％ Ｏ／Ｃ）。処理後、結果として得られたグラフェンナノシートは、測定可能なＰＡＨを含有していない（ソックスレー抽出法の検出限界９０ｐｐｍ未満）。本実施例に記載の処理の後、Ｂ．Ｅ．Ｔ．比表面積は、処理前の３０２ｍ２／ｇから処理後の５６７ｍ２／ｇに増加した。より高いラマンＧ／Ｄ比を有するグラフェンでは、著しい質量損失なく、３００から４５０ｍ２／ｇへのＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積の変化を測定した。
熱酸化処理の後、（除去されたＰＡＨの割合は別として）重量損失が測定されることなく、タップ密度の変化なしで、明確なＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積の向上がある。明確なＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積の増加は、典型的には、約２０～約１００％である。
熱処理された材料と比較して、作製されたままのグラフェンのラマンスペクトルで、３つの主要なラマンバンド（Ｄ、Ｇおよび２Ｄバンド）の相対的な比に顕著な変化はない。
実施例２
第２の例示的実施形態では、第２のタイプのオーブンがＰＡＨを除去するために使用される。使用された第２のオーブンはＰａｒａｇｏｎの自然対流のキルン炉であり；空気（Ｏ２／Ｎ２、２１／７９体積％）の流れは内部で強制されず、オーブンの内部および外部の、それぞれ高温および低温による自然対流に由来する。自然対流がオーブン中の空気を循環および更新できるように、２つの円形開口部（約２分の１インチの直径を有する）がオーブンの側部上に位置する。この例では、（仮出願第６２／４３７，０５７号に記載された）前駆体ガスとしてメタンを使用してＩＣＰプラズマトーチを使用して作製されたグラフェンナノシートを、気相プロセスで処理してＰＡＨを除去する。この例では、作製されたままのグラフェンナノシートは、（トルエンを用いたソックスレー抽出による測定で）０．５０重量％のＰＡＨを含有し、２８８ｍ２／ｇのＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積を有する。処理は大気圧で実行される。
このオーブンの温度－時間プロファイルは以下の通りである：室温から２９０℃まで４０分、その後２９０℃から４４０℃まで２０分、続いて４４０℃で２時間のプラトー、および室温まで徐冷（約２時間続く）。処理される材料をオーブンの多段プレートに置き、各プレートは４０～８０グラムの平らに層にしたグラフェン粉末を含有する（バッチあたり１６０～３２０グラムが処理される）。この場合も、このバッチプロセスは連続プロセスに容易に変換され得る。
処理後、結果として得られたグラフェンナノシートは、測定可能なＰＡＨを含有しておらず（ソックスレー抽出法の検出限界未満）、Ｂ．Ｅ．Ｔ．比表面積は４３０ｍ２／ｇに増加した。（ＡＳＴＭ規格Ｂ５２７－１５による測定で）粉末のタップ密度は変更されないが、Ｂ．Ｅ．Ｔ．比表面積に重要な増加が測定され、この場合も著しい質量損失はない。グラフェン表面上の酸素官能基濃度のわずかな増加が観測され得る（ＸＰＳによる測定でおよそ１％～２％）
熱処理された材料と比較して、作製されたままのグラフェンのラマンスペクトルで、３つの主要なラマンバンド（Ｄ、Ｇおよび２Ｄバンド）の相対的な比に顕著な変化はない。
実施例３：反例
実施例１から作製されたしわのあるグラフェン粉末と同一のもの（０．１６重量％ＰＡＨのＰＡＨ濃度、３０２ｍ２／ｇのＢ．Ｅ．Ｔ．比表面積）を使用し、それに直接（熱酸化処理せずに）トルエンを用いたソックスレー抽出を行うと、最終Ｂ．Ｅ．Ｔ．比表面積は３２９ｍ２／ｇであった。比表面積測定の精度は約±１０％であることを知った上で、著しい変化は観察されなかった。
ソックスレー抽出ステップ（ウェットプロセス）の後、しわのあるグラフェン粉末のタップ密度の変化が観察された。タップ密度は０．０４ｇ／ｃｍ３から０．１１ｇ／ｃｍ３に増加した。これは、ウェットプロセスがタップ密度の増加をもたらすことを支持する。
このソックスレー抽出試料（３２９ｍ２／ｇのＢ．Ｅ．Ｔ．を有する）に、続いて純アルゴン雰囲気中で加熱処理ステップ（約３００℃で１．５時間）を行うと、Ｂ．Ｅ．Ｔ．比表面積はさらに増加しなかった。さらに処理された試料は、３２８ｍ２／ｇの最終Ｂ．Ｅ．Ｔ．比表面積を有していた。酸素が存在しないこの加熱処理は、おそらくグラフェンの細孔からＰＡＨを除去できないことにより、グラフェンの比表面積を増加させるのに有効でないと結論づける。
実施例４：グラフェンナノシートの調製
本開示に開示されたいくつかのプロセスの出発物質（グラフェンナノシート）は、様々な異なる方法で調製され得る。例えば、グラフェンナノシートは以下に開示された熱プラズマプロセスを使用することによって調製され得る。
１つの例示的実施形態では、炭化水素前駆物質はメタンであり、６０ｋＷの最大プレート電力で誘導結合プラズマトーチ（ＩＣＰ）中に注入される。図５は、ＩＣＰトーチ１００、ならびに炭素非含有ガスおよび炭素含有物質を含むガスの定性的な流れを示す。
誘導結合プラズマトーチ（ＰＮ－５０モデル、Ｔｅｋｎａ，Ｓｈｅｒｂｒｏｏｋｅ，Ｑｕｅｂｅｃ，Ｃａｎａｄａ）に５６ｋＷを送達する出力発生装置において、図５に示すように、中央渦巻きガス１２８として２０ｓｌｐｍのアルゴンが使用され、それは１７４ｓｌｐｍのアルゴンおよび３０ｓｌｐｍの水素ガスからなるクエンチガス（シースガス）１２４の層によって囲まれた。３３．６ｓｌｐｍの天然ガス（炭素給送ガス）１２０が、設計されたノズルを有するインジェクタプローブ１１０を通して注入された。高周波交流電流を伝導するコイル１２２がプラズマを発生させる。定性的等温線１２６がプラズマトーチ内部に示されている。反応器中の圧力は５００トルであった。注入速度は標準温度および標準圧力（ＳＴＰ）で８０．６ｍ／ｓであった。極端な温度および圧力のプラズマ状態では、これらのガス注入速度はより高く、値は異なる温度および圧力値を考慮して補正されなくてはならないことが理解されるべきである。例えば、より大きいプラズマ体積またはより大きいプラズマトーチ寸法にプロセスが拡大される場合、この注入速度値は上昇することが当業者には理解されよう。
このプロセスは４５分にわたり、高温プラズマ領域の下流で収集された粉末の重量をこの粉末の合成に必要な動作時間で割って測定した、２２５ｇ／ｈのグラフェン作製速度をもたらした。
注入された炭素は、３３．６ｓｌｐｍ／２２．４ｌ＝１．５モル／分または１８ｇ／分の炭素である。
クエンチガス対炭素比は、１モルの炭素に対して少なくとも１２０リットルＳＴＰの炭素非含有ガス（また、１８ｇ／分の炭素に対して少なくとも１８０ｓｌｐｍの炭素非含有ガス；ガス形態の炭素１ｇに対して１０．０リットルの炭素非含有ガス）である。
電力量あたりの注入された炭素は、典型的には、５６ｋＷの送達されたトーチ電力に対して３３．６ｓｌｐｍであり、０．６ｓｌｐｍ Ｃ／トーチ電力ｋＷに等しい。
ここで図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、使用されたインジェクタは５個の注入孔１２を含む多孔ノズル１０であり、各孔は０．０５２インチの直径を有する。ノズル１０は炭化水素給送のためのチャネル１６を含み、ノズルの表面１４は注入孔１２に垂直である。この構成は、８０．６ｍ／ｓ ＳＴＰの注入速度を提供する。炭素ガス注入角度はプラズマの対称軸に関して２５度である。水冷注入ノズルはより長い耐摩耗性を提供し、安定な動作条件での長時間の作製の稼働を可能にすることが、当業者には理解されよう。
結果として得られた生成物は、ラマンスペクトル（図３に示す）からわかるように、高品質のグラフェンナノシートであった。（Ｂ．Ｅ．Ｔ．法を使用した）材料の比表面積は、ＰＡＨが除去された後で、４３１ｍ２／ｇである。生成物のラマンスペクトルは、５１４ｎｍの入射波長を使用した測定で、１．３の２Ｄ／Ｇ比および４．７のＧ／Ｄ比を特徴とする。
高温領域での滞留時間を制限するために、炭素前駆体は、少なくとも６０ｍ／ｓ ＳＴＰ、典型的には８０ｍ／ｓ ＳＴＰ、およびさらに１００ｍ／ｓ ＳＴＰの高い速度で注入される。これはガス材料、例えば天然ガスを、小さい孔のシャワーヘッド型ノズルを通して、プラズマガスの速度以上の注入速度で注入することによって達成されてよい。小さい孔と組み合わせた高い給送速度は、高い注入速度および高温領域での短い滞留時間をもたらす。
実施例５：反例
逆に、実施例４で上に記載されたものと類似のパラメータを使用するが、単孔ノズルを使用して６０ｍ／ｓ ＳＴＰ未満の注入速度でメタンを注入すると、かなりの割合の炭素ノジュールおよび球状炭素粒子が作製され、典型的なアセチレンブラックのラマンスペクトル（図４に示す）をもたらした。図６は、この反例で使用されたＩＣＰトーチ２００、ならびに炭素非含有ガスおよび炭素含有物質を含むガスの定性的な流れを示す。
この例では、図６に示すように、２８．６ｍ／ｓ ＳＴＰの注入速度が使用された。炭素前駆体ガス給送速度は３４．７ｓｌｐｍ ＣＨ４であり、達成された作製速度は１４２ｇ／ｈであった。中央渦巻きガス２２８として２０ｓｌｐｍのアルゴンが使用され、それは１２５ｓｌｐｍのアルゴンおよび８ｓｌｐｍの水素ガスからなるクエンチガス（シースガス）２２４の層によって囲まれる。その他の点では、実施例４と同一の方法および装置が使用された。炭素前駆体ガス２２０が、設計されたノズルのないインジェクタプローブ２１０（例えば、単孔ノズルを有する）を通して注入された。高周波交流電流を伝導するコイル２２２がプラズマを発生させる。定性的等温線２２６がプラズマトーチ内部に示されている。
結果として得られた材料は、１５０ｍ２／ｇの低い比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ．）、および薄いグラフェン状粒子の代わりに厚いグラファイト状ノジュールに特徴的なラマンスペクトル（図４）を提示する。結果として得られた粒子は、５１４ｎｍの入射波長を使用した測定で、１．１のラマンＧ／Ｄ比および０．５のラマン２Ｄ／Ｇ比を示す。図６に示すように、炭素前駆体は、設計されたノズルのない単孔プローブを介して高温領域中に注入され、したがって高温領域でのより長い滞留時間、乏しいクエンチ効率、および結果として（例えば、グラフェンではない）アセチレン型カーボンブラックの形成をもたらす。炭素前駆体ガスは、プラズマの対称軸に関して０度の角度で注入される。
本開示の段落［００２９］～［０２４６］の実施形態は、適用可能な場合は実施形態のすべての組み合わせがなされ得ることを実証するような本開示の方法で提示される。これらの実施形態は、したがって、先行請求項のいずれかに従属する実施形態（以前に提示された実施形態を含める）のすべてについて従属クレームを作成することと均等である方法で明細書中に提示されており、それにより、それらがすべての可能な方法で組み合わされ得ることを実証する。例えば、段落［００２９］～［０２４６］の実施形態と段落［０００９］～［００２５］のプロセスおよびグラフェンナノシートとの間のすべての可能な組み合わせが、適用可能な場合は、本開示によって本明細書に含められる。
特許請求の範囲は、本開示で提供される特定の実施形態および実施例によって限定されるべきではなく、本開示全体と一致する最も広い解釈を与えられるべきである。
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Claims (12)

  1. トルエン中でのソックスレー抽出による測定で０．０１重量％未満の多環芳香族炭化水素濃度；
    ＡＳＴＭ Ｄ ３６６３－７８規格による測定で２５０ｍ２／ｇ超の比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）；
    ＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で０．０８ｇ／ｃｍ３未満のタップ密度；および
    ２以上のラマンＧ／Ｄ比と０．８以上の２Ｄ／Ｇ比；
    を含む、グラフェンナノシートであって、本質的にｓｐ ２ 混成炭素原子からなるグラフェンナノシート。
  2. 前記グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で０．０６ｇ／ｃｍ３未満のタップ密度を有する、請求項１に記載のグラフェンナノシート。
  3. 前記グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｂ５２７－１５規格による測定で０．０３～０．０５ｇ／ｃｍ３のタップ密度を有する、請求項１に記載のグラフェンナノシート。
  4. 前記グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｄ ３６６３－７８規格による測定で３００ｍ２／ｇ超の比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載のグラフェンナノシート。
  5. 前記グラフェンナノシートはＡＳＴＭ Ｄ ３６６３－７８規格による測定で３００～６００ｍ２／ｇの比表面積（Ｂ．Ｅ．Ｔ）を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のグラフェンナノシート。
  6. 前記グラフェンナノシートはトルエン中でのソックスレー抽出による測定で１００ｐｐｍ未満の多環芳香族炭化水素濃度を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のグラフェンナノシート。
  7. グラフェンナノシートを作製するためのプラズマプロセスであって、
    標準温度および標準圧力（ＳＴＰ）で少なくとも６０ｍ／ｓの速度でプラズマの熱領域中に炭素含有物質を注入して前記グラフェンナノシートの核を形成することと、前記グラフェンナノシートを１０００℃以下のクエンチガスでクエンチすることと、前記グラフェンナノシートを反応性雰囲気下、少なくとも２００℃の温度でさらに加熱することと、
    を含む、プラズマプロセス。
  8. 前記反応性雰囲気は酸化雰囲気である、請求項７に記載のプロセス。
  9. 前記酸化雰囲気は、空気、水蒸気、酸素、オゾン、過酸化物、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ２、アルコール、硫酸、過塩素酸、過硫酸、ハイポハライト、ハロゲン、オキシハライド、亜酸化窒素、およびそれらの混合物から選択される酸化剤を含む、請求項８に記載のプロセス。
  10. 前記プロセスは、前記グラフェンナノシート中の多環芳香族炭化水素濃度を、トルエン中でのソックスレー抽出による測定で１重量％未満に低下させるのに有効である、請求項７～９のいずれか一項に記載のプロセス。
  11. 前記グラフェンナノシートは３００℃～５５０℃の温度で加熱される、請求項７～１０のいずれか一項に記載のプロセス。
  12. 前記炭素含有物質は、１分あたりの炭素１モルあたりのクエンチガスが５０ｓｌｐｍ～１２５ｓｌｐｍであるクエンチガス対炭素比で注入される、請求項８に記載のプロセス。
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