JP7357936B2 - グラフェンの製造方法及びグラフェン製造装置 - Google Patents
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Description
一般的には、過マンガン酸カリウムのような強力な酸化剤とインターカラントである濃硫酸(強酸)を用いて、グラファイトを化学的に剥離して、グラフェンを作製するが、取扱いに特に注意を要する試薬と大量の純水を消費するため、新しい剥離法の開発が求められている。
特許文献2:特表2016-534010号公報
特許文献3:特表2017-502168号公報
特許文献4:特表2017-538041号公報
特許文献5:国際公開第2012/073861号
特許文献6:特開2018-35056号公報
特許文献7:国際公開第2017/100968号
例えば特許文献1~5に開示されているようなグラファイト電極に通電してグラフェンを製造する手法を適用する場合、電極として使用するグラフェンを得るために、例えば、ポリイミドを約3000℃で加熱して作製した高価なグラファイト単一箔やグラファイトの成形体を用いる必要がある。また、グラファイト電極からグラフェンが剥離するに伴い、グラファイト電極は徐々に小さくなるため、ある程度小さくなったこところでグラファイト電極を交換する必要がある。
この点、非特許文献1に開示されている方法では、グラファイト粉末からグラフェンを製造することが可能であるが、高価な有機電解液と1100Vという著しく高い電圧が必要であり、更には電解後に機械的な剪断処理が必要であり、工業的適用性は極めて低い。
<1> 無機酸、無機塩、有機酸、及び塩基からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質と水とを含む電解液中に、一対の電極を配置し、かつ、前記一対の電極間に、前記一対の電極とは接触せずにグラファイトを配置した状態で、前記一対の電極間に電圧を印加することにより、前記グラファイトからグラフェンを剥離させる剥離工程と、
前記グラファイトから剥離して生成したグラフェンを回収する回収工程と、
を含むグラフェンの製造方法。
<2> 前記電解液が、前記電解質として硫酸を含む<1>に記載のグラフェンの製造方法。
<3> 前記電解液における前記硫酸の濃度が、1mM以上0.5M以下である<2>に記載のグラフェンの製造方法。
<4> 前記グラファイトが、粒子状又は粉末状である<1>~<3>のいずれか1つに記載のグラフェンの製造方法。
<5> 前記グラファイトを、前記電解液が透過可能なフィルターに収容した状態で、前記一対の電極間に電圧を印加する<1>~<4>のいずれか1つに記載のグラフェンの製造方法。
<6> 前記一対の電極間に印加する電圧が、5V~80Vの範囲である<1>~<5>のいずれか1つに記載のグラフェンの製造方法。
<7> 無機酸、無機塩、有機酸、及び塩基からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質と水とを含む電解液が収容された容器と、
前記容器内に配置された一対の電極と、
前記一対の電極間に電圧を印加する電源と、
前記容器内に配置された前記一対の電極間に、前記一対の電極とは接触せずにグラファイトを配置させるグラファイト配置手段と、
を有するグラフェン製造装置。
<8> 前記グラファイト配置手段が、前記グラファイトを保持する保持部材を含む<7>に記載のグラフェン製造装置。
<9> 前記保持部材が、前記グラファイトを収容し、かつ、前記電解液が透過可能な絶縁性のフィルターを含む<8>に記載のグラフェン製造装置。
<10> 前記電解液を攪拌することにより、前記電解液中の前記グラファイトを分散させる撹拌装置を含む<7>に記載のグラフェン製造装置。
<11> 前記グラファイトを前記一対の電極間で移動させる移動装置を含む<7>~<10>のいずれか1つに記載のグラフェン製造装置。
<12> 前記容器内の前記電解液を循環させる循環装置を含む<7>~<11>のいずれか1つに記載のグラフェン製造装置。
なお、本明細書において「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、本明細書中の「工程」の用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても、その工程の所期の目的が達成されれば本用語に含まれる。
そして、本発明者らは、無機酸、無機塩、有機酸、及び塩基からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質を含む電解液を用い、一対の電極間にバイポーラ電極としてグラファイトを配置した状態で電圧を印加すれば、グラファイトの形状にかかわらずグラファイトの表面が剥離し、グラフェンを簡便に製造することができることを見出した。
電解液に含まれる無機酸、無機塩、有機酸、及び塩基からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質としては、一対の電極間にグラファイトを配置した状態で電圧を印加することにより、グラファイトからグラフェンを剥離させることができれば特に限定されない。本開示のグラフェンの製造方法において使用可能な電解液としては、例えば、硫酸、リン酸、シュウ酸、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、硫酸カリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、又は過酸化水素を含む電解液、あるいはそれらの2種以上の電解質を含む混合電解液などが挙げられる。グラファイトからグラフェンを剥離させ易いほか、入手容易性などの観点から、電解質として硫酸が好ましい。
溶媒としては、使用する電解質を溶かして電解液として使用することができ、取扱い性、コストの観点から、水が好適である。なお、本開示の方法によりグラファイトからグラフェンを剥離させることを妨げなければ、水に加えて、他の溶媒、添加剤を加えてもよい。
電解液として硫酸溶液を用いる場合、本開示のグラフェンの製造方法では、取扱いが容易な低濃度硫酸液を好適に用いることができる。電解液中の硫酸濃度が低過ぎると駆動電極間で通電し難く、グラファイトが剥離し難く、硫酸濃度が高過ぎてもグラファイトが剥離し難くなる。グラファイトからグラフェンを剥離させ易くする観点から、硫酸濃度は、1mM~0.5Mが好ましく、10mM~0.2Mがより好ましく、10mM~0.1Mが特に好ましい。
電解液の温度は特に限定されないが、電解液の温度が低過ぎると駆動電極間に印加させる電圧が上昇する可能性があり、一方、高すぎると電解処理中、通電によって駆動電極(陽極、陰極)が加熱することで電解液の温度が上昇し、溶媒の蒸発により電解液濃度が変化する可能性がある。そのため、電解中の電解液の温度は、例えば5~70℃が好ましく、10~60℃がより好ましく、20~50℃が特に好ましい。
駆動電極は、電解液に浸食されず、電圧を印加されても化学変化しにくい材料で構成されていれば特に限定されない。化学的安定性の観点から、白金(Pt)電極、金電極、炭素電極が好ましく、高耐食性金属(例えばチタン、タンタル、ニオブなど)に白金や金などを被覆した電極でもよいが、特にPt電極が好ましい。
一対の電極間に印加される電圧が低過ぎるとグラファイトの剥離が生じ難く、高過ぎると消費電力が上昇してしまう。かかる観点から、一対の電極間に印加される電圧は、5~80Vが好ましく、15~75Vがより好ましく、20~75Vが特に好ましい。
一対の電極の位置は、電極間にグラファイトを配置し、電極間に電圧を印加した際にグラファイトからグラフェンが剥離することができれば特に限定されないが、電極間の距離が大きくなるほど高い電圧が必要となる。そのため、電極間の距離は、例えば5~100mmが好ましい。
グラフェンの原料となるグラファイトの形状、大きさなどは特に限定されず、板状、棒状、粒子状、粉末状など、いずれの形状であってもよい。
グラファイトは、一対の駆動電極(陽極及び陰極)間に配置されていればよく、陽極及び陰極の中間でもよいし、陰極側又は陽極側に近い位置に配置されていてもよい。
図1は、本開示のグラフェンの製造方法における剥離工程を実施するグラフェン製造装置の一例(第一実施形態)を概略的に示している。本実施形態では、電解液20が収容された容器40内で一対の電極30,32が配置され、グラファイト配置手段としてクリップ等の保持部材12で保持されたグラファイト板10が一対の電極30,32の間に電極30,32とは接触せずに吊り下げられた状態で配置されている。
そして、電極30,32間に電圧を印加して通電させる。このとき、グラファイト板10はバイポーラ電極として機能し、一対の電極30,32間の通電に伴い、グラファイト板10の表面からグラフェンを剥離させることができる。
図2は、本開示のグラフェンの製造方法における剥離工程を実施するグラフェン製造装置の他の例(第二実施形態)を概略的に示している。本実施形態では、一対の電極30,32間にグラファイトを収容し、かつ、電解液20が透過可能な絶縁性のフィルター14が配置されている。
このように電解液20中でフィルター14内に粒子状又は粉末状のグラファイトを収容した状態で両電極30,32間に配置して電圧を印加した場合でも、フィルター14内のグラファイトがバイポーラ電極として機能し、グラファイトからグラフェンを剥離させることができる。また、本実施形態では、グラファイトから剥離して生成したグラフェンをフィルター14内に留まらせることができるため、効率よく回収することができる。
図3は、本開示のグラフェンの製造方法における剥離工程を実施するグラフェン製造装置の他の例(第三実施形態)を概略的に示している。本実施形態では、容器40の側壁面に沿って一対の電極30,32が対向配置され、一対の電極30,32間で粒子状又は粉末状のグラファイト50が電解液20中に分散して配置されている。このような形態であれば、グラファイト50がフィルター14内に収容されていなくても一対の電極30,32間に電極30,32とは接触せずに配置された状態となってバイポーラ電極として機能し、両電極30,32間に電圧を印加することでグラファイト50からグラフェンを剥離させることができる。なお、電解液20中に粒子状又は粉末状のグラファイト50を分散させた場合、一部のグラファイトは一方の電極30,32に接触する可能性があるが、ほとんどのグラファイト50は電極30,32に接触せずに両電極30,32間に配置され、グラファイト50からグラフェンを剥離させることができる。
また、攪拌装置により電解液20を攪拌することで、電解液20中の粒子状又は粉末状のグラファイト50をできるだけ両電極30,32間に配置させる状態としてもよい。例えば、容器40内に撹拌子16を入れて攪拌させることでグラファイト50の沈殿を抑制し、電解液中に分散したグラファイト50全体からグラフェンを剥離させてもよいし、送風ポンプから空気を送り込んでバブリングによって撹拌させてもよい。
駆動電極として白金板を用い、バイポーラ電極として種々の形態のグラファイト試料を用いて実験を行った。なお、実施例において使用した機器が以下のとおりである。
・構造観察:光学顕微鏡(OLYMPUS,BX51M)
走査型電子顕微鏡(JEOL,JSM-6701F)
・結晶構造解析:X線回折法(Rigaku,MiniFlex600)
グラファイト粉末に対する電解処理を行うにあたって、最適な電解液濃度等を調べるため、グラファイト板を用いてグラファイトの剥離に及ぼす電解液濃度の影響を調査した。
電解条件としては、直接直流電解において、グラファイト板を短時間で剥離させることのできた、高電流条件(5Aの定電流電解)を用いた。駆動電極間距離を20mmとして、幅10mm、厚さ1mmのグラファイト板(試料浸漬面積:6.7cm2)に対して、硫酸濃度を1mmol/dm3~0.5mol/dm3(1mM~0.5M)と変化させて定電流電解を60分間行った。
上記電解条件にて電解時の電圧をモニタリングし、電解時間に対して駆動電極間に印加された電圧及び電解液温をプロットした(図4A、図4B)。高電流での電解のため、いずれの濃度においても電解中の特に初期段階には電解液温度が上昇した。定常電圧値は電解液濃度の上昇とともに低下し、1mmol/dm3を除いて、電圧が低くなると温度上昇が抑制された。
電解前後のグラファイト板の質量を測定し、剥離割合を計算した。電解液の硫酸濃度に対し、電解後の試料外観、剥離割合、平均電圧値をまとめて図5に示す。外観写真から分かるように、グラファイト板は、駆動電極の陰極に対向していた側から剥離が進行し、その進行度は電解液濃度に依存することがわかった。剥離割合は硫酸濃度が高くなるにつれて高くなり、20mmol/dm3で最大値を示した後に、50mmol/dm3以上で減少することが分かった。
電解時間60分では、グラファイト板は完全に剥離しきれなかったため、電解時間を検討した。電解時間を10~120分で処理した結果を図7A~図9に示す。120分間処理するとグラファイト板の電解液中で露出していた部分は全て剥離して消失した(図7A)。なお、電解液温度の変化によって電圧値が変動したが(図7B)、基本的な電解挙動には再現性が確認された。剥離物の質量を測定したところ、電解時間が長くなるにつれて、剥離量(割合)が増加していた(図8A、図8B)。
また、各時間で得られた剥離物の構造を光学顕微鏡像と走査型電子顕微鏡で観察したところ、いずれも薄片状物質が確認され、グラフェンが生成していることが確認された(図9)。
次に、硫酸濃度を20mmol/dm3として、グラファイト粒子(1mm角)とグラファイト粉末(粒径20~500μm)に対して、同様の処理を行った。この際、粒子や粉末を電解液中で駆動電極間に保持するために、絶縁性フィルターバッグ内にグラファイト試料を入れて電解処理を行った。実験方法の詳細は以下のとおりである。
(実験方法)
・試料(バイポーラ電極、絶縁性フィルターバッグ内に試料を保持)
グラファイト粒子(表面積:6mm2)
グラファイト粉末(粒径:20~500μm)
・電解条件
駆動電極:Pt板(30mm×30mm×2mm)
駆動電極間距離:20mm
電解液:20mM硫酸(10℃)
電流:5A
電解時間:30min
・後処理
(1)ろ過、洗浄(純水、エタノール)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)中で超音波処理(1min)
(2)ろ過、洗浄後に乾燥
まず、グラファイト粒子1つを収容した絶縁性フィルターバッグを駆動電極間に配置して電解処理を行った。試料外観及び電圧時間曲線を図10Aに、浴温の経時変化を図10Bに示す。電解初期には上限電圧の75Vに達し、浴温が上昇するとともに電圧は低下し、最終的には約55Vを示した。電解中、フィルターバッグ内が徐々に黒く変色し、30分間電解を行った後に試料を確認すると粒が残っていなかったことから、30分の電解で十分に剥離が完了することがわかった。剥離した試料の構造を光学顕微鏡とSEMで確認したところ、グラフェンが生成していた(図11)。
さらに、グラファイト粉末を絶縁性フィルターバッグに収容して、グラファイト粒子と同様に電解処理を行った。電解挙動と浴温の変化は、粒子の挙動と同様であった(図12A、図12B)。処理後の試料を光学顕微鏡とSEMで観察したところ、グラフェンが生成していることが確認された(図13)。
電解前の試料と、板、粒子、粉末を電解処理して作製した試料(剥離物)についてX線回折による分析を行った。XRDパターンを図14に示す。グラファイト(002)面に対応するシャープなピークが電解処理により急激に低くなっていることから、層間剥離が進行したことを確認した。
以上の結果より、低濃度硫酸を用いたグラファイトのバイポーラ電解において、グラファイト板だけでなく、微細なグラファイト粒子やグラファイト粉末を剥離し、グラフェンを作製することが可能であることがわかる。
12 保持部材(グラファイト配置手段の一例)
14 フィルター(グラファイト配置手段の一例)
16 撹拌子
20 電解液
30,32 電極
40 容器
50 グラファイト(粒子又は粉末)
60 循環ポンプ
62 管
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (12)
- 無機酸、無機塩、有機酸、及び塩基からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質と水とを含む電解液中に、一対の電極を配置し、かつ、前記一対の電極間に、前記一対の電極とは接触せずにグラファイトを配置した状態で、前記一対の電極間に電圧を印加することにより、前記グラファイトからグラフェンを剥離させる剥離工程と、
前記グラファイトから剥離して生成したグラフェンを回収する回収工程と、
を含み、
前記電解液が、前記電解質として硫酸を含むグラフェンの製造方法。 - (削除)
- 前記電解液における前記硫酸の濃度が、1mM以上0.5M以下である請求項1に記載のグラフェンの製造方法。
- 前記グラファイトが、粒子状又は粉末状である請求項1及び請求項3のいずれか1項に記載のグラフェンの製造方法。
- 前記グラファイトを、前記電解液が透過可能なフィルターに収容した状態で、前記一対の電極間に電圧を印加する請求項1、請求項3及び請求項4のいずれか1項に記載のグラフェンの製造方法。
- 前記一対の電極間に印加する電圧が、5V~80Vの範囲である請求項1及び請求項3~請求項5のいずれか1項に記載のグラフェンの製造方法。
- 無機酸、無機塩、有機酸、及び塩基からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質と水とを含む電解液が収容された容器と、
前記容器内に配置された一対の電極と、
前記一対の電極間に電圧を印加する電源と、
前記容器内に配置された前記一対の電極間に、前記一対の電極とは接触せずにグラファイトを配置させるグラファイト配置手段と、
を備え、
前記グラファイト配置手段が、前記グラファイトを保持する保持部材を含み、
前記保持部材が、前記グラファイトを収容し、かつ、前記電解液が透過可能な絶縁性のフィルターを含むグラフェン製造装置。 - (削除)
- (削除)
- 前記電解液を攪拌することにより、前記電解液中の前記グラファイトを分散させる撹拌装置を含む請求項7に記載のグラフェン製造装置。
- 前記グラファイトを前記一対の電極間で移動させる移動装置を含む請求項7及び請求項10のいずれか1項に記載のグラフェン製造装置。
- 前記容器内の前記電解液を循環させる循環装置を含む請求項7、請求項10及び請求項11のいずれか1項に記載のグラフェン製造装置。
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