JP7479400B2 - 膨張キッシュグラファイトから酸化グラフェンを製造するための方法 - Google Patents
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Description
本発明は、膨張キッシュグラファイトから酸化グラフェンを製造するための方法に関する。特に、酸化グラフェンは、鋼鉄、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、銅合金、チタン、コバルト、金属複合材料、ニッケル産業を含む金属産業において、例えば、コーティング又は冷却試薬としての用途がある。
キッシュグラファイトは、製鋼工程、特に高炉工程又は製鉄工程中に生成される副産物である。実際、キッシュグラファイトは通常、その冷却中に溶鉄の自由表面上に生成される。これは、１３００～１５００℃の溶鉄に由来し、混銑車で運搬される場合は０．４０℃／分～２５℃／時の冷却速度で、又は取鍋輸送中はより速い冷却速度で冷却される。毎年大量のトン数のキッシュグラファイトが製鉄所で生産されている。
キッシュグラファイトは、通常５０重量％を超える大量の炭素を含むため、グラフェンベースの材料を製造するのに適している。通常、グラフェンベースの材料には、グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化グラフェン又はナノグラファイトが含まれる。
酸化グラフェンは、含酸素官能基を含有する１層又は数層のグラフェンシートで構成される。酸化グラフェンには、高い熱伝導率及び高い電気伝導率などの興味深い特性があるため、上記のように多くの用途がある。さらに、含酸素官能基の存在は酸化グラフェンを親水性にするため、酸化グラフェンは水に容易に分散することができる。
通常、酸化グラフェンは、以下の
－キッシュグラファイト、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）の混合物の生成ステップと、
－酸化剤として過マンガン酸ナトリウム又は過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）を添加して、グラファイトを酸化グラファイトに酸化するステップと、
－酸化グラファイトの単層又は数層の酸化グラフェンへの機械的剥離ステップと
を含むハマー法に基づいて合成される。
－キッシュグラファイト、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）の混合物の生成ステップと、
－酸化剤として過マンガン酸ナトリウム又は過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）を添加して、グラファイトを酸化グラファイトに酸化するステップと、
－酸化グラファイトの単層又は数層の酸化グラフェンへの機械的剥離ステップと
を含むハマー法に基づいて合成される。
特許出願ＷＯ２０１８／１７８８４２は、キッシュグラファイトから酸化グラフェンを製造するための方法であって、
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｂ．前記キッシュグラファイトの前処理ステップであって、以下の連続するサブステップである
ｉ．ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトは、次のようにサイズによって
ａ）５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
ｂ）５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトに分類され、５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップ、
ｉｉ．５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップ、
ｉｉｉ．重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップ、
ｉｖ．任意に、キッシュグラファイトを洗浄及び乾燥させるステップ
を含む、ステップと、
Ｃ．酸、硝酸ナトリウム及び酸化剤による酸化グラフェンを得るための、前処理されたキッシュグラファイトの酸化ステップと、を含む、方法について開示している。
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｂ．前記キッシュグラファイトの前処理ステップであって、以下の連続するサブステップである
ｉ．ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトは、次のようにサイズによって
ａ）５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
ｂ）５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトに分類され、５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップ、
ｉｉ．５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップ、
ｉｉｉ．重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップ、
ｉｖ．任意に、キッシュグラファイトを洗浄及び乾燥させるステップ
を含む、ステップと、
Ｃ．酸、硝酸ナトリウム及び酸化剤による酸化グラフェンを得るための、前処理されたキッシュグラファイトの酸化ステップと、を含む、方法について開示している。
それにもかかわらず、酸化ステップが硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）で行われると、有毒ガスが生成され、汚染方法につながる。さらに、酸化時間が非常に長い（約３時間）。
特許出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１９／０５２８０４は、キッシュグラファイトから酸化グラフェンを製造するための方法であって、
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｂ．前記キッシュグラファイトの前処理ステップであって、以下の連続するサブステップである
ｉ．ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトは、次のようにサイズによって
ａ）５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
ｂ）５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトに分類され、５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップ、
ｉｉ．５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップ、
ｉｉｉ．重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップ、
ｉｖ．任意に、キッシュグラファイトを洗浄及び乾燥させるステップ
を含む、ステップと、
Ｃ．酸、硝酸アンモニウム（ＮＨ４ＮＯ３）及び酸化剤による酸化グラフェンを得るための、前処理されたキッシュグラファイトの酸化ステップと、を含む、方法について開示している。
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｂ．前記キッシュグラファイトの前処理ステップであって、以下の連続するサブステップである
ｉ．ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトは、次のようにサイズによって
ａ）５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
ｂ）５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトに分類され、５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップ、
ｉｉ．５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップ、
ｉｉｉ．重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップ、
ｉｖ．任意に、キッシュグラファイトを洗浄及び乾燥させるステップ
を含む、ステップと、
Ｃ．酸、硝酸アンモニウム（ＮＨ４ＮＯ３）及び酸化剤による酸化グラフェンを得るための、前処理されたキッシュグラファイトの酸化ステップと、を含む、方法について開示している。
しかしながら、ＮＨ４ＮＯ３を使用した方法は、ＮａＮＯ３を使用した方法よりも汚染が少ないが、さらに汚染の少ない方法を提供し、エネルギー消費を低減する必要がある。
さらに、ＮＨ４ＮＯ３を使用した酸化時間、すなわち１時間３０分は、ＮａＮＯ３を使用した方法の酸化時間、すなわち３時間と比較して短いが、酸化時間を短縮し、それによって酸化グラフェンの合成の生産性を改善する必要が依然としてある。
したがって、本発明の目的は、可能な限り短い時間で良好な品質を有する酸化グラフェンを得るための工業的方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、従来技術の方法と比較して、キッシュグラファイトから酸化グラフェンを製造するための汚染の少ない方法を提供することである。
これは、キッシュグラファイトから酸化グラフェンを製造するための方法を提供することによって達成され、この方法は、
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｂ．任意に、キッシュグラファイトを前処理することと、
Ｃ．キッシュグラファイトを室温で過硫酸塩及び酸によりインターカレーションして、インターカレートされたキッシュグラファイトを得ることと、
Ｄ．インターカレートされたキッシュグラファイトを室温で膨張させて、膨張キッシュグラファイトを得ることと、
Ｅ．膨張キッシュグラファイトの酸化ステップにより、酸化グラフェンを得ることと、
を含む。
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｂ．任意に、キッシュグラファイトを前処理することと、
Ｃ．キッシュグラファイトを室温で過硫酸塩及び酸によりインターカレーションして、インターカレートされたキッシュグラファイトを得ることと、
Ｄ．インターカレートされたキッシュグラファイトを室温で膨張させて、膨張キッシュグラファイトを得ることと、
Ｅ．膨張キッシュグラファイトの酸化ステップにより、酸化グラフェンを得ることと、
を含む。
本発明による方法はまた、個別に又は組み合わせて考慮される、以下に列挙される任意の特徴を有してよい。
－ステップＢ）において、キッシュグラファイトの前処理は、以下の連続するサブステップである
・ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトは、次のようにサイズによって
・５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
・５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイト、に分類され、
５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップと、
・５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップと、
・重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップと、
・任意に、キッシュグラファイトを洗浄及び乾燥させるステップと、を含む。
・ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトは、次のようにサイズによって
・５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
・５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイト、に分類され、
５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップと、
・５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップと、
・重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップと、
・任意に、キッシュグラファイトを洗浄及び乾燥させるステップと、を含む。
－ステップＣ）において、キッシュグラファイトに対する過硫酸塩の重量比は、１～８である。
－ステップＣ）において、キッシュグラファイトに対する酸の重量比は、２～８である。
－ステップＣ）において、過硫酸塩は、過硫酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ８）、過硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８）及び過硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）又はそれらの混合物から選択される。
－ステップＣ）において、酸は、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ２Ｃｌ２Ｏ２（ジクロロ酢酸）、ＨＳＯ２ＯＨ（アルキルスルホン酸）又はそれらの混合物から選択される。
－ステップＤ）において、膨張は、キッシュグラファイト、過硫酸塩及び酸を開放容器内に室温で放置することによって自然に行われる。
－ステップＥ）は、以下の連続するサブステップである
・膨張キッシュグラファイトと、酸、酸化剤及び任意に塩とを混合するステップと、
・化学的要素を添加して、酸化反応を停止させるステップと、
・ステップＥ．ｉｉ）で得られた混合物から酸化グラファイトを分離するステップと、
・酸化グラファイトを酸化グラフェンへと剥離するステップと、を含む。
・膨張キッシュグラファイトと、酸、酸化剤及び任意に塩とを混合するステップと、
・化学的要素を添加して、酸化反応を停止させるステップと、
・ステップＥ．ｉｉ）で得られた混合物から酸化グラファイトを分離するステップと、
・酸化グラファイトを酸化グラフェンへと剥離するステップと、を含む。
－ステップＥ．ｉ）において、塩は、ＮａＮＯ３、ＮＨ４ＮＯ３、ＫＮＯ３、Ｎｉ（ＮＯ３）２、Ｃｕ（ＮＯ３）２、Ｚｎ（ＮＯ３）２、Ａｌ（ＮＯ３）３又はそれらの混合物から選択される硝酸塩である。
－ステップＥ．ｉ）において、酸は、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ２Ｃｌ２Ｏ２（ジクロロ酢酸）、ＨＳＯ２ＯＨ（アルキルスルホン酸）又はそれらの混合物から選択される。
－ステップＥ．ｉ）において、酸化剤は、過マンガン酸カリウム、Ｈ２Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｓ２Ｏ８、Ｈ２ＳＯ５、ＫＮＯ３、ＮａＣｌＯ又はそれらの混合物から選択される。
－ステップＥ．ｉｉ）において、酸化反応を停止させるために使用される化学的要素は、酸、非脱イオン水、脱イオン水、Ｈ２Ｏ２又はそれらの混合物から選択される。
－反応を停止させるために少なくとも２つの化学的要素が選択される場合、それらは連続的に又は同時に使用される。
－ステップＥ．ｉｉ）において、ステップＥ．ｉ）で得られた混合物は、酸化反応を停止させるために使用される化学的要素に徐々に注入される。
－ステップＥ．ｉｉｉ）において、酸化グラファイトは、遠心分離、デカンテーション、蒸留又は濾過によって分離される。
－ステップＥ．ｉｖ）において、剥離は、超音波、機械攪拌器、ふるい振とう器又は熱剥離を使用することによって行われる。
以下の用語が定義される。
－酸化グラフェンとは、ケトン基、カルボキシル基、エポキシ基及びヒドロキシル基を含む含酸素官能基を含む１層又は数層のグラフェンを意味し、
－室温とは、大気圧で０～４５℃を意味する。
－室温とは、大気圧で０～４５℃を意味する。
本発明の他の特徴及び利点は、以下の本発明の詳細な説明により明らかとなるであろう。
本発明を説明するために、特に以下の図を参照して、非限定的な実施例の様々な実施形態及び試験について説明する。
本発明は、キッシュグラファイトから酸化グラフェンを製造するための方法であって、
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｂ．任意に、キッシュグラファイトを前処理することと、
Ｃ．キッシュグラファイトを室温で過硫酸塩及び酸によりインターカレーションして、インターカレートされたキッシュグラファイトを得ることと、
Ｄ．インターカレートされたキッシュグラファイトを室温で膨張させて、膨張キッシュグラファイトを得ることと、
Ｅ．膨張キッシュグラファイトの酸化ステップにより、酸化グラフェンを得ることと、
を含む、方法に関する。
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｂ．任意に、キッシュグラファイトを前処理することと、
Ｃ．キッシュグラファイトを室温で過硫酸塩及び酸によりインターカレーションして、インターカレートされたキッシュグラファイトを得ることと、
Ｄ．インターカレートされたキッシュグラファイトを室温で膨張させて、膨張キッシュグラファイトを得ることと、
Ｅ．膨張キッシュグラファイトの酸化ステップにより、酸化グラフェンを得ることと、
を含む、方法に関する。
本発明の方法によれば、良好な品質を有する酸化グラフェンを製造することができる。さらに、この方法は、室温でのインターカレーション、室温での膨張及び酸化グラフェンへの酸化を含み、工業規模で実施するのが容易であり、従来技術の方法よりも汚染が少ない。
いかなる理論にも束縛されるものではないが、膨張中、過硫酸塩は酸化剤のように作用してキッシュグラファイト層の縁部を酸化すると考えられる。過硫酸塩は重要な酸素供与体であるため、２つのキッシュグラファイト層の間のインターカレーションギャップがさらに改善され、酸がキッシュグラファイト層の間により容易に入ることができる。同時に、一定量の過硫酸塩は、キッシュグラファイト層間の酸によって引き込まれる可能性がある。層間に引き込まれた過硫酸塩は分解してＯ２ガスを放出し、キッシュグラファイト層間に瞬間的な圧力を生じ、室温でグラファイトを急激に膨張させると考えられる。したがって、エネルギー消費が低減され、膨張キッシュグラファイトが容易に得られる。
さらに、本発明による膨張キッシュグラファイトを使用すると、従来技術の酸化グラフェンの製造方法と比較して酸化時間が大幅に短縮されると考えられる。実際、過硫酸塩及び酸を使用すると、２つのキッシュグラファイト層の間のギャップがより大きいために、膨張体積がより大きくなるため、キッシュグラファイト層を酸化することがより容易であると考えられる。したがって、酸化時間が大幅に短縮され、酸化グラフェンが容易に得られる。
好ましくは、ステップＡ）において、キッシュグラファイトは、製鋼工程の残留物である。例えば、キッシュグラファイトは、高炉工場、製鉄所、製鋼所、混銑車及び取鍋輸送中に見られる。
好ましくは、ステップＢ）において、キッシュグラファイトの前処理は、以下の連続するサブステップである
ｉ．ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトは、次のようにサイズによって
ａ）５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
ｂ）５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイト、に分類され、
５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップと、
ｉｉ．５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップと、
ｉｉｉ．重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップと、
ｉｖ．任意に、キッシュグラファイトを洗浄及び乾燥させるステップと、
を含む。
ｉ．ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトは、次のようにサイズによって
ａ）５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
ｂ）５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイト、に分類され、
５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップと、
ｉｉ．５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップと、
ｉｉｉ．重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップと、
ｉｖ．任意に、キッシュグラファイトを洗浄及び乾燥させるステップと、
を含む。
いかなる理論にも束縛されるものではないが、本発明による方法でキッシュグラファイトを前処理すると、この前処理されたキッシュグラファイトは高純度を有するため、品質が向上した酸化グラフェンの製造が可能になると思われる。実際、ステップＢ）の後に得られたキッシュグラファイトの純度は、少なくとも９０％である。さらに、前処理ステップＢ）は、工業規模での実施が容易であり、従来の方法よりも環境に優しい。
ステップＢ．ｉ）において、ふるい分けステップは、ふるい機で行うことができる。
ふるい分け後、５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）は除去される。実際、いかなる理論にも束縛されるものではないが、５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトは、非常に少量の、例えば１０％未満のグラファイトを含有すると考えられる。
好ましくは、ステップＢ．ｉｉ）において、浮選ステップは、水溶液中で浮選剤を用いて行われる。例えば、浮選剤は、メチルイソブチルカルビノール（ＭＩＢＣ）、松根油、ポリグリコール、キシレノール、Ｓ－ベンジル－Ｓ’－ｎ－ブチルトリチオカーボネート、Ｓ，Ｓ’－ジメチルトリチオカーボネート及びＳ－エチル－Ｓ’－メチルトリチオカーボネートの中から選択される発泡剤である。有利には、浮選ステップは、浮選装置を使用して行われる。
好ましくは、ステップＢ．ｉ）において、５５μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去され、ステップＢ．ｉｉ）において、キッシュグラファイトの画分ｂ）は、５５μｍ以上のサイズを有する。より好ましくは、ステップＢ．ｉ）において、６０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去され、ステップＢ．ｉｉ）において、キッシュグラファイトの画分ｂ）は、６０μｍ以上のサイズを有する。
好ましくは、ステップＢ．ｉ）及びＢ．ｉｉ）において、キッシュグラファイトの画分ｂ）は、３００μｍ以下のサイズを有し、３００μｍを超えるサイズを有するキッシュグラファイトのいかなる画分も、ステップＢ．ｉｉ）の前に除去される。
より好ましくは、ステップＢ．ｉ）及びＢ．ｉｉ）において、キッシュグラファイトの画分ｂ）は、２７５μｍ以下のサイズを有し、２７５μｍを超えるサイズを有するキッシュグラファイトのいかなる画分も、ステップＢ．ｉｉ）の前に除去される。
有利には、ステップＢ．ｉ）及びＢ．ｉｉ）において、キッシュグラファイトの画分ｂ）は、２５０μｍ以下のサイズを有し、２５０μｍを超えるサイズを有するキッシュグラファイトのいかなる画分も、ステップＢ．ｉｉ）の前に除去される。
ステップＢ．ｉｉｉ）において、（酸量）／（キッシュグラファイト量）の重量比は、０．２５～１．０、有利には０．２５～０．９、より好ましくは０．２５～０．８である。例えば、（酸量）／（キッシュグラファイト量）の重量比は、０．４～１．０、０．４～０．９又は０．４～１である。実際、いかなる理論にも束縛されるものではないが、（酸量）／（キッシュグラファイト量）比が本発明の範囲を下回る場合、キッシュグラファイトが多くの不純物を含むリスクがあると思われる。さらに、（酸量）／（キッシュグラファイト量）比が本発明の範囲を超える場合、大量の化学廃棄物が発生するリスクがあると考えられる。
好ましくは、ステップＢ．ｉｉｉ）において、酸は、以下の要素である塩酸、リン酸、硫酸、硝酸又はそれらの混合物から選択される。
本発明による方法のステップＢ）の後に得られた前処理されたキッシュグラファイトは、５０μｍ以上のサイズを有する。前処理されたキッシュグラファイトは高純度、すなわち少なくとも９０％である。さらに、結晶化度は従来の方法と比較して改善され、より高い熱伝導率及び電気伝導率、ひいてはより高い品質が実現される。
キッシュグラファイトが提供され、任意に前処理されたら、室温で過硫酸塩及び酸によりインターカレートして、インターカレートされたキッシュグラファイトを得る（ステップＣ）。
好ましくは、ステップＣ）において、キッシュグラファイトに対する過硫酸塩の重量比は、１～８、より好ましくは１～６、有利には１～５である。実際、比が１未満である場合、インターカレーション、及びそれによる膨張が完全ではないリスクがある。比が８を超える場合、試薬が無駄になるリスクがある。
好ましくは、ステップＣ）において、キッシュグラファイトに対する酸の重量比は、２～８、より好ましくは４～８である。実際、キッシュグラファイトに対する酸の比が２未満である場合、キッシュグラファイトの一部のみが膨張するリスクがある。キッシュグラファイトに対する酸の比が８を超える場合、膨張が非常にゆっくりと起こり、体積膨張が減少するリスクがある。過剰の酸は、過硫酸塩がキッシュグラファイト層間に引き込まれるのを防ぐと考えられる。したがって、それは過硫酸塩の分解による酸素の放出、及びそれによるキッシュグラファイトの急激な膨張を防ぐ。
好ましくは、ステップＣ）において、過硫酸塩は、ペルオキシジサルフェートアニオンＳ２Ｏ８
２－を含有するものから選択され、より好ましくは、過硫酸塩は、過硫酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ８）、過硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８）及び過硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）又はそれらの混合物から選択される。
好ましくは、ステップＣ）において、酸は強酸である。より好ましくは、酸は、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ２Ｃｌ２Ｏ２（ジクロロ酢酸）、ＨＳＯ２ＯＨ（アルキルスルホン酸）又はそれらの混合物から選択される。
好ましくは、ステップＣ）において、キッシュグラファイトは最初に酸と混合され、次いで過硫酸塩が添加される。
好ましくは、ステップＣ）は２～３０分続く。
キッシュグラファイトがインターカレートされると、それは膨張する（ステップＤ）。
好ましくは、ステップＤ）において、膨張は、キッシュグラファイト、過硫酸塩及び酸を開放容器内に室温で放置することによって自然に行われる。例えば、これらの構成要素は、開放されたボウル、開放されたガラス器具、開放された実験用反応器又は開放されたパイロット反応器内にある。
好ましくは、ステップＤ）は２～６０分続く。
キッシュグラファイトを膨張させると、酸化されて酸化グラフェンが得られる（ステップＥ）。
好ましくは、ステップＥ）は、以下の連続するサブステップである
ｉ．膨張キッシュグラファイト、酸、酸化剤及び任意に塩を混合するステップと、
ｉｉ．化学的要素を添加して、酸化反応を停止させるステップと、
ｉｉｉ．ステップＥ．ｉｉ）で得られた混合物から酸化グラファイトを分離するステップと、
ｉｖ．酸化グラファイトを酸化グラフェンへと剥離するステップと、
を含む。
ｉ．膨張キッシュグラファイト、酸、酸化剤及び任意に塩を混合するステップと、
ｉｉ．化学的要素を添加して、酸化反応を停止させるステップと、
ｉｉｉ．ステップＥ．ｉｉ）で得られた混合物から酸化グラファイトを分離するステップと、
ｉｖ．酸化グラファイトを酸化グラフェンへと剥離するステップと、
を含む。
膨張キッシュグラファイトのおかげで、酸化時間は従来技術の酸化ステップと比較して大幅に短縮される。実際、酸化時間は、従来技術の酸化ステップの数時間の酸化時間と比較して、１０分と短くすることができる。好ましくは、膨張キッシュグラファイトの、酸、酸化剤及び任意に塩による酸化は、５～１５分続く。さらに、塩なしでの膨張キッシュグラファイトの酸化は、さらに短い酸化時間を可能にすると思われる。酸化ステップから塩を除去する能力は、汚染を大幅に制限する。したがって、好ましくは、膨張キッシュグラファイトは、塩なしで酸及び酸化剤と混合される。換言すれば、ステップＥ．ｉ）の混合物は、好ましくはキッシュグラファイト、酸及び酸化剤からなる。
任意に、ステップＥ．ｉ）において、塩は、ＮａＮＯ３、ＮＨ４ＮＯ３、ＫＮＯ３、Ｎｉ（ＮＯ３）２、Ｃｕ（ＮＯ３）２、Ｚｎ（ＮＯ３）２、Ａｌ（ＮＯ３）３又はそれらの混合物から選択される。好ましくは、キッシュグラファイトに対する塩の重量比は、０．２～２である。
好ましくは、ステップＥ．ｉ）において、酸は、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ２Ｃｌ２Ｏ２（ジクロロ酢酸）、ＨＳＯ２ＯＨ（アルキルスルホン酸）又はそれらの混合物から選択される。
好ましくは、ステップＥ．ｉ）において、酸化剤は、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）、Ｈ２Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｓ２Ｏ８、Ｈ２ＳＯ５、ＫＮＯ３、ＮａＣｌＯ又はそれらの混合物から選択される。好ましくは、キッシュグラファイトに対する酸化剤の重量比は、２～１０である。
次に、有利には、ステップＥ．ｉｉ）において、酸化反応を停止させるために使用される化学的要素は、酸、非脱イオン水、脱イオン水、Ｈ２Ｏ２又はそれらの混合物から選択される。
好ましい実施形態では、反応を停止させるために少なくとも２つの化学的要素が使用される場合、それらは連続的に又は同時に使用される。好ましくは、脱イオン水を使用して反応を停止させ、次にＨ２Ｏ２を使用して酸化剤の残りを除去する。別の好ましい実施形態では、塩酸を使用して反応を停止させ、次にＨ２Ｏ２を使用して酸化剤の残りを除去する。別の好ましい実施形態では、この以下の反応によってＨ２Ｏ２を使用して反応を停止させ、酸化剤の残りを除去する。
２ＫＭｎＯ４＋Ｈ２Ｏ２＋３Ｈ２ＳＯ４＝２ＭｎＳＯ４＋Ｏ２＋Ｋ２ＳＯ４＋４Ｈ２Ｏ。
いかなる理論にも束縛されるものではないが、反応を停止させる化学的要素が混合物に添加されると、この添加が過度に発熱を生じさせて爆発又は飛散を引き起こすリスクがあると思われる。したがって、好ましくは、反応を停止させるために使用される要素は、ステップＥ．ｉ）で得られた混合物にゆっくりと添加される。より好ましくは、ステップＥ．ｉ）で得られた混合物は、酸化反応を停止させるために使用される要素に徐々に注入される。例えば、ステップＥ．ｉ）で得られた混合物は、反応を停止させるために脱イオン水に徐々に注入される。
ステップＥ．ｉｉｉ）において、ステップＥ．ｉｉ）で得られた混合物から酸化グラファイトが分離される。好ましくは、酸化グラフェンは、遠心分離、デカンテーション又は濾過によって分離される。
任意に、酸化グラファイトを洗浄する。例えば、酸化グラフェンは、脱イオン水、非脱イオン水、酸又はそれらの混合物の中から選択される要素で洗浄される。例えば、酸は、以下の要素である塩酸、リン酸、硫酸、硝酸（ｎｉｔｒｉｄｅ ａｃｉｄ）又はそれらの混合物の中から選択される。
任意に、酸化グラファイトを、例えば空気で、又は真空状態での高温で乾燥させる。
好ましくは、ステップＥ．ｉｖ）において、剥離は、超音波、機械攪拌器、ふるい振とう器又は熱剥離を使用することによって行われる。好ましくは、ステップＥ．ｉｉｉ）で得られた混合物は、１層又は数層の酸化グラフェンに剥離される。
本発明による方法を適用することにより、少なくとも４３重量％の含酸素官能基を含み、少なくとも１層のシートを含む最大１００μｍの平均横方向サイズを有する酸化グラフェンが得られる。
図１は、本発明による１層の酸化グラフェンの例を示す。横方向のサイズは、Ｘ軸を通る層の最大の長さを意味し、厚さは、Ｚ軸を通る層の高さを意味し、ナノプレートレットの幅は、Ｙ軸を通して示されている。
図２は、本発明による数層の酸化グラフェンの例を示す。横方向のサイズは、Ｘ軸を通る層の最大の長さを意味し、厚さは、Ｚ軸を通る層の高さを意味し、ナノプレートレットの幅は、Ｙ軸を通して示されている。
得られた酸化グラフェンは、本発明の前処理されたキッシュグラファイトから製造されるため、良好な品質を有する。含酸素官能基の割合が高い。したがって、酸化グラフェンは、水及び他の有機溶媒に容易に分散することができる。
好ましくは、酸化グラフェンは、金属基材の耐食性などのいくつかの特性を改善するために、金属基材上に堆積される。
別の好ましい実施形態では、酸化グラフェンは、冷却試薬として使用される。実際、酸化グラフェンは、冷却流体に添加することができる。好ましくは、冷却流体は、水、エチレングリコール、エタノール、油、メタノール、シリコーン、プロピレングリコール、アルキル化芳香族化合物、液体Ｇａ、液体Ｉｎ、液体Ｓｎ、ギ酸カリウム及びそれらの混合物の中から選択することができる。この実施形態では、冷却流体は、金属基材を冷却するために使用することができる。
例えば、金属基材は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、銅、鉄、銅合金、チタン、コバルト、金属複合材料、ニッケルの中から選択される。
ここで、情報提供のみを目的として実施された試験に基づいて、本発明をさらに説明する。これらの試験は限定的なものではない。
試験品１～４を、製鋼所からキッシュグラファイトを提供することによって準備した。
次に、キッシュグラファイトをふるい分けして、以下のようにサイズ別に分類した。
ａ）６３μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト
ｂ）６３μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイト
６３μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）を除去した。
ｂ）６３μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイト
６３μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）を除去した。
６３μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップを行った。浮選ステップは、ＭＩＢＣを発泡剤として用いてＨｕｍｂｏｌｄｔ Ｗｅｄａｇ浮選機で行った。以下の条件を適用した。セル容積（ｌ）：２、ロータ速度（ｒｐｍ）：２０００、固形分濃度（％）：５～１０、発泡剤、種類：ＭＩＢＣ、発泡剤、添加（ｇ／Ｔ）：４０、調整時間（秒）：１０、水条件：自然のｐＨ、室温。
次に、すべての試験品を、０．５の酸／キッシュグラファイトの重量比で水溶液中の塩酸で浸出させた。次に、試験品を脱イオン水で洗浄し、９０℃の空気中で乾燥させた。キッシュグラファイトの純度は９５％であった。
その後、キッシュグラファイトを、異なる比率で過硫酸アンモニウム及び硫酸により２５又は３５℃で５分間インターカレートした。次に、混合物を開放容器内に５分間放置して、キッシュグラファイトを膨張させた。得られた物質を膨張キッシュグラファイトと呼ぶ。
試験品１～４を、室温で硫酸及びＫＭｎＯ４並びに任意に硝酸アンモニウムと混合した。混合物は、１重量部の膨張キッシュグラファイト、３．５重量部のＫＭｎＯ４、１００重量部の硫酸及び任意に０．５重量部の硝酸アンモニウムを含有していた。酸化後、混合物を徐々に脱イオン水に注入した。水溶液中のＨ２Ｏ２をガスが発生しなくなるまで添加し、混合物を攪拌してＨ２Ｏ２の残りを除去した。
次に、すべての試験で、酸化グラファイトをデカンテーションによって混合物から分離した。次に、１層又は２層の酸化グラフェンを得るために、超音波を使用して剥離した。最後に、酸化グラフェンを遠心分離によって混合物から分離し、水で洗浄し、空気で乾燥させて、酸化グラフェン粉末を得た。酸化グラフェンを、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、Ｘ線回折分光法（ＸＲＤ）、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）、ＬＥＣＯ分析及びラマン分光法によって分析した。
試験５及び６は、それぞれＷＯ２０１８／１７８８４２の試験１及びＰＣＴ／ＩＢ２０１９／０５２８０４の試験１に対応する。得られた結果を表１に示す。
試験１～４の方法は、比較試験よりも環境に優しい方法である。さらに、試験１～４の方法による酸化時間は、試験５及び６で示された従来技術の方法と比較して大幅に短縮される。
３５℃で行われたインターカレーション及び膨張ステップによる試験３及び４は、周囲温度又は２５℃（試験１及び２）が、高い割合の酸素基を含む酸化グラフェンを得るのに十分であることを確認した。
酸化時間が１時間の試験２及び４は、それぞれ１０分（試験１）及び３０分（試験３）より長い酸化時間が酸化グラフェンの品質をそれ以上改善しないことを確認した。換言すれば、極めて短い酸化時間で、膨張キッシュグラファイトを十分に酸化することができる。これにより、エネルギー消費が大幅に削減される。
試験１はまた、膨張キッシュグラファイトが塩を用いた場合よりもさらに速く塩なしで酸化できることを確認した（試験３））。酸化ステップから塩を除去する能力は、汚染を大幅に制限する。
Claims (15)
- キッシュグラファイトから酸化グラフェンを製造するための方法であって、以下のステップ
Ａ．キッシュグラファイトを提供することと、
Ｃ．キッシュグラファイトを室温で過硫酸塩及び酸によりインターカレーションして、インターカレートされたキッシュグラファイトを得ることと、
Ｄ．インターカレートされたキッシュグラファイトを室温で膨張させて、膨張キッシュグラファイトを得ることと、
Ｅ．膨張キッシュグラファイトの酸化ステップにより、酸化グラフェンを得ることと、
を含む、方法。 - キッシュグラファイトの前処理が、ステップＢとして、ステップＡ及びステップＣの間で行なわれ、キッシュグラファイトの前処理が、以下の連続するサブステップである
ｉ．ふるい分けステップであって、キッシュグラファイトが、次のようにサイズによって
ａ）５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイト、
ｂ）５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイト、に分類され、
５０μｍ未満のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ａ）が除去される、ふるい分けステップと、
ｉｉ．５０μｍ以上のサイズを有するキッシュグラファイトの画分ｂ）による浮選ステップと、
ｉｉｉ．重量比（酸量）／（キッシュグラファイト量）が０．２５～１．０となるように酸が添加される酸浸出ステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。 - ステップＣ）において、キッシュグラファイトに対する過硫酸塩の重量比が１～８である、請求項１又は２のいずれか一項に記載の方法。
- ステップＣ）において、キッシュグラファイトに対する酸の重量比が２～８である、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
- ステップＣ）において、過硫酸塩が、過硫酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ８）、過硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８）及び過硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）又はそれらの混合物から選択される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
- ステップＣ）において、酸が、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ２Ｃｌ２Ｏ２（ジクロロ酢酸）、ＨＳＯ２ＯＨ又はそれらの混合物から選択される、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
- ステップＤ）において、膨張が、キッシュグラファイト、過硫酸塩及び酸を開放容器内に室温で放置することによって自然に行われる、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
- ステップＥ）が、以下の連続するサブステップである
ｉ．膨張キッシュグラファイトと、酸及び酸化剤とを混合するステップと、
ｉｉ．化学的要素を添加して、酸化反応を停止させるステップと、
ｉｉｉ．ステップＥ．ｉｉ）で得られた混合物から酸化グラファイトを分離するステップと、
ｉｖ．酸化グラファイトを酸化グラフェンへと剥離するステップと、
を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。 - ステップＥ．ｉ）において、酸が、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｃ２Ｈ２Ｃｌ２Ｏ２（ジクロロ酢酸）、ＨＳＯ２ＯＨ又はそれらの混合物から選択される、請求項８に記載の方法。
- ステップＥ．ｉ）において、酸化剤が、過マンガン酸カリウム、Ｈ２Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｓ２Ｏ８、Ｈ２ＳＯ５、ＫＮＯ３、ＮａＣｌＯ又はそれらの混合物から選択される、請求項８又は９に記載の方法。
- ステップＥ．ｉｉ）において、酸化反応を停止させるために使用される化学的要素が、酸、非脱イオン水、脱イオン水、Ｈ２Ｏ２又はそれらの混合物から選択される、請求項８～１０のいずれか一項に記載の方法。
- 反応を停止させるために少なくとも２つの化学的要素が選択される場合、それらが連続的に又は同時に使用される、請求項１１に記載の方法。
- ステップＥ．ｉｉ）において、ステップＥ．ｉ）で得られた混合物が、酸化反応を停止させるために使用される化学的要素に徐々に注入される、請求項８～１２のいずれか一項に記載の方法。
- ステップＥ．ｉｉｉ）において、酸化グラファイトが、遠心分離、デカンテーション、蒸留又は濾過によって分離される、請求項８～１３のいずれか一項に記載の方法。
- ステップＥ．ｉｖ）において、剥離が、超音波、機械攪拌器、ふるい振とう器又は熱剥離を使用することによって行われる、請求項８～１４のいずれか一項に記載の方法。
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