KR102594796B1 - Method for preparing crystalline graphene oxide - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결정성 산화 그래핀의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 탄소원료를 수열합성(hydrothermal synthesis)하여 분말형 탄소 구조체을 제조하고, 상기 분말형 탄소 구조체에 광 반응(photoreaction) 으로 유도된 광열 효과(photothermal effect)를 이용하여 결정성 산화 그래핀으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing crystalline graphene oxide, and more specifically, to produce a powder-type carbon structure by hydrothermal synthesis of carbon raw materials, and to produce a powder-type carbon structure by applying photoheat induced by photoreaction to the powder-type carbon structure. It relates to a method of manufacturing crystalline graphene oxide using the photothermal effect.

Description

결정성 산화 그래핀의 제조방법 {Method for preparing crystalline graphene oxide}Method for preparing crystalline graphene oxide {Method for preparing crystalline graphene oxide}

본 발명은 결정성 산화 그래핀의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 탄소원료를 수열합성(hydrothermal synthesis)하여 분말형 탄소 구조체을 제조하고, 상기 분말형 탄소 구조체에 광 반응(photoreaction)으로 유도된 광열 효과(photothermal effect)를 이용하여 결정성 산화 그래핀으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention relates to a method for producing crystalline graphene oxide, and more specifically, to produce a powder-type carbon structure by hydrothermal synthesis of carbon raw materials, and to produce a powder-type carbon structure and photoheat induced by photoreaction in the powder-type carbon structure. To provide a method of manufacturing crystalline graphene oxide using the photothermal effect.

그래핀(graphene)은 탄소(C) 원자 한 층 또는 복수의 층으로 이루어진 벌집 구조의 2차원 박막을 의미하며. 2004년 러시아의 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 교수가 기계적 박리법(mechanical exfoliation)을 통해 흑연에서 그래핀을 분리한 이후, 그래핀에 관한 연구가 지속적으로 보고되고 있다. 이러한 독특한 구조를 가지는 그래핀은 약 20,000 내지 50,000 cm2/Vs의 높은 전자이동도, 높은 열 전도도를 가진 다이아몬드의 2배 이상인 5,300 W/mK의 열 전도도, 체적 대비 매우 큰 비표면적 및 물리적, 화학적 안정성을 가지는 것으로 알려져 있으며, 이에 투명 전극, 차세대 반도체, 에너지 저장 및 변환 장치, 기능성 복합 소재, 배리어 코팅제 및 방열 소재 분야에 응용 가능성이 대두되고 있다.Graphene refers to a two-dimensional thin film with a honeycomb structure composed of one or multiple layers of carbon (C) atoms. Since Russian physicists Andre Geim and Professor Konstantin Novoselov separated graphene from graphite through mechanical exfoliation in 2004, research on graphene has been continuously reported. Graphene, which has this unique structure, has a high electron mobility of about 20,000 to 50,000 cm 2 /Vs, a thermal conductivity of 5,300 W/mK, which is more than twice that of diamond, which has a high thermal conductivity, a very large specific surface area compared to volume, and physical and chemical properties. It is known to have stability, and its application potential is emerging in the fields of transparent electrodes, next-generation semiconductors, energy storage and conversion devices, functional composite materials, barrier coatings, and heat dissipation materials.

그래핀 개발 초기에는 연필심을 스카치테이프에 붙인 후 떼었다, 붙였다를 반복하는 하향식 접근법의 기계적 박리법을 시작으로, 고결정성 그래핀 한층 및 수 층의 박막을 제작할 수 있는 화학 기상 증착법 (Chemical vapor deposition), 에피택셜 성장법(Epitaxial growth) 등과 같은 상향식 접근법의 다양한 제작 기법들이 연구되고 있으며 상업적 활용을 위해 대면적, 대량생산에 대한 연구 및 개발이 지속적으로 수행되고 있다. In the early stages of graphene development, a top-down mechanical peeling method was used to attach a pencil lead to Scotch tape and then repeatedly peel and attach it, followed by a chemical vapor deposition method that can produce one-layer and several-layer thin films of highly crystalline graphene. ), epitaxial growth, etc., are being studied in a variety of bottom-up approach manufacturing techniques, and research and development on large-area, mass production for commercial use is continuously being conducted.

상업적 활용을 위한 그래핀의 대면적, 대량 생산을 위한 합성법으로 화학적 박리법(chemical exfoliation) 과 화학 기상 증착법을 적용하고 있다. 화학적 박리법의 경우 그래핀의 대면적 생산과 대량 생산이라는 두 가지 목표에 가장 근접해 있는 합성법으로 알려져 있으며, 흑연과 같은 벌크 단소 물질의 산화-환원을 통해 그래핀을 생산할 수 있다. 높은 물리적 특성 및 응용 분야에 적용이 용이하다는 단점이 있지만, 산화-환원 공정으로 인한 최종 그래핀 결과물의 결함과 탄소 원자와 결합된 다양한 산과 관능기 및 불순물등을 완벽히 제거하기 어렵다는 단점이 있다. 화학 기상 증착법의 경우 고결정성을 가지는 한층 또는 수층의 그래핀 시트(Graphene sheets)를 생산할 수 있으며, 롤투롤(Roll-to-roll) 공정에 적용하여 유연한 그래핀 기반 필름을 생산이 가능하지만, 그래핀 합성 시 높은 온도 및 합성 챔버가 필요하다는 단점이 있으며, 필름 형태로만 대면적 제작이 가능하므로 활용 분야가 제한적인 단점이 지적되고 있다. Chemical exfoliation and chemical vapor deposition methods are applied as synthesis methods for large-area, mass production of graphene for commercial use. In the case of chemical exfoliation, it is known as the synthesis method that comes closest to the two goals of large-area production and mass production of graphene, and graphene can be produced through oxidation-reduction of bulk simple materials such as graphite. Although it has high physical properties and is easy to apply to application fields, it has the disadvantage of being difficult to completely remove defects in the final graphene result due to the oxidation-reduction process and various acids, functional groups, and impurities bonded to carbon atoms. In the case of chemical vapor deposition, it is possible to produce one or several layers of graphene sheets with high crystallinity, and by applying a roll-to-roll process, it is possible to produce a flexible graphene-based film. It has the disadvantage of requiring high temperatures and a synthesis chamber when synthesizing pins, and since large-area production is possible only in film form, its application areas are limited.

최근 상향식 합성법 중 수열 합성법은 결정성 그래핀 생산에서 대면적, 대량생산이 가능하여 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 해당 공정에 사용되는 탄소 기반 저분자 물질들은 대부분 산성을 띄며, 낮은 온도에서 합성 시 합성된 탄소 구주체의 결정 및 품질이 취약해 응용 연구 적용에 제약이 있으며, 추가적인 정제 공정이 필요하다는 단점을 가지므로 공정시간 및 제조단가의 상승이 불가피한 상황이다.Recently, among the bottom-up synthesis methods, the hydrothermal synthesis method is receiving a lot of attention in the production of crystalline graphene as it allows for large-area and mass production. However, most of the carbon-based low-molecular-weight materials used in this process are acidic, and when synthesized at low temperatures, the crystals and quality of the synthesized carbon matrix are weak, which limits their application in research and has the disadvantage of requiring an additional purification process. Therefore, an increase in process time and manufacturing cost is inevitable.

따라서, 그래핀의 상업적 활용을 위해 해결해야 할 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 제조 공정이 간단하여 대량 산업에 적용되기 용이하고 불순물(impurity)이 없는 결정성의 산화 그래핀을 제조하기 위한 방법 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.Therefore, in order to supplement the problems that need to be solved for the commercial use of graphene, the present inventors developed a method for producing crystalline graphene oxide that has a simple manufacturing process and is easy to apply to mass industry and is free from impurities. Recognizing that it was urgent, the present invention was completed.

대한민국 등록특허공보 제10-2129553호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2129553

본 발명의 목적은 탄소원료를 수열합성(hydrothermal synthesis)하여 분말형 탄소 구조체을 제조하고, 상기 분말형 탄소 구조체에 광 반응(photoreaction)으로 유도된 광열 효과(photothermal effect)를 이용하여 결정성 산화 그래핀으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to manufacture a powder-type carbon structure by hydrothermal synthesis of carbon raw materials, and to produce crystalline graphene oxide by using the photothermal effect induced by photoreaction on the powder-type carbon structure. To provide a manufacturing method.

발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.The technical problems to be achieved by the invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 결정성 산화 그래핀의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing crystalline graphene oxide.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, this specification will be described in more detail.

본 발명은 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정성 산화 그래핀의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing crystalline graphene oxide, comprising the following steps.

(S1) 수열합성(hydrothermal synthesis)을 통해 분말형 탄소 구조체을 제조하는 단계;(S1) manufacturing a powder-type carbon structure through hydrothermal synthesis;

(S2) 상기 분말형 탄소 구조체를 용매에 분산시키는 단계; (S2) dispersing the powdered carbon structure in a solvent;

(S3) 상기 분산된 탄소 구조체에 광을 조사하여 결정성 산화 그래핀을 제조하는 단계.(S3) Manufacturing crystalline graphene oxide by irradiating light to the dispersed carbon structure.

본 발명에 있어서, 상기 (S1) 단계는 하기의 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step (S1) is characterized by consisting of the following steps.

(S1A) 탄소원료 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;(S1A) preparing a mixture by mixing carbon raw materials and solvents;

(S1B) 상기 혼합물에 pH 조절제를 첨가하는 단계; 및(S1B) adding a pH adjuster to the mixture; and

(S1C) 상기 pH 조절제가 첨가된 혼합물을 수열합성하여 분말형 탄소 구조체를 제조하는 단계.(S1C) Step of producing a powder-type carbon structure by hydrothermal synthesis of the mixture to which the pH adjuster is added.

본 발명에 있어서, 상기 (S1A) 단계의 탄소원료는 탄소를 포함하는 화합물이며, 아세트산(acetic acid), 아세톤(acetone), 벤젠(benzene), 벤질알코올(benzyl alcohol), 부탄올(butanol), 부탄온(butanone), 클로로벤젠(chlorobenzene) 클로로폼(chloroform), 시트르산(Citric acid), 에탄올(ethanol), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 갈산(Gallic acid), 글루코스(glucose), 헥산(hexane), 피로갈롤(Pyrogallol), 타닌산(Tannic acid) 및 자일렌(xylene)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carbon raw material in the (S1A) step is a compound containing carbon, such as acetic acid, acetone, benzene, benzyl alcohol, butanol, and butane. Butanone, chlorobenzene, chloroform, citric acid, ethanol, ethyl acetate, ethylene glycol, gallic acid, glucose ), hexane, pyrogallol, tannic acid, and xylene.

본 발명에 있어서, 상기 (S1A) 단계의 용매는 물, 헥산(hexane), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 클로로벤조익산(chlorobenzoic acid), 헥사데센(hexadecence), 테트라데센(tetradecence), 옥타데센(octadecence), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 헥산올(hexanol) 및 아세톤(acetone)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the solvent in the step (S1A) is water, hexane, benzene, toluene, xylene, chlorobenzoic acid, hexadecence, At least one selected from the group consisting of tetradecence, octadecene, methanol, ethanol, propanol, butanol, hexanol, and acetone. It is characterized by

본 발명에 있어서, 상기 (S1B) 단계의 pH 조절제는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아수(NH4OH) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the pH adjuster in the (S1B) step is at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonia water (NH 4 OH), and calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ). It is characterized by

본 발명에 있어서, 상기 수열합성은 100 내지 300 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the hydrothermal synthesis is performed at 100 to 300 ° C. for 1 to 5 hours.

본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계는 상기 분산된 탄소 구조체에 0.1 내지 5 ms의 펄스 폭(pulse width), 0.1 내지 5 Hz의 펄스 반복률(pulse repetition rate), 10 내지 100회의 펄스 수(pulse number) 및 1 내지 400 J/cm2의 총에너지 밀도(total energy density)를 갖는 광을 조사하여 결정성 산화 그래핀을 제조하는 단계;인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step (S3) is performed by adding a pulse width of 0.1 to 5 ms, a pulse repetition rate of 0.1 to 5 Hz, and a pulse number of 10 to 100 to the dispersed carbon structure. number) and a total energy density of 1 to 400 J/cm 2 to produce crystalline graphene oxide.

본 발명의 결정성 산화 그래핀의 제조방법은 탄소원료를 직접적으로 사용함으로써 그래핀 제조를 위한 별도의 물질이 필요로 하지 않으며, 광 반응(photoreaction) 조건에 따라 높은 결정성은 갖는 산화 그래핀으로 제조할 수 있어 다양한 산업 분야에 적용되기 용이하다.The method for producing crystalline graphene oxide of the present invention does not require any separate materials for producing graphene by directly using carbon raw materials, and produces graphene oxide with high crystallinity according to photoreaction conditions. This makes it easy to apply to various industrial fields.

또한, 본 발명의 결정성 산화 그래핀의 제조방법은 수열합성 및 광 반응 조건이 종래의 조건과 비교하여 노멀(nomal)해 대량 산업 분야에 적용되기 용하다.In addition, the method for producing crystalline graphene oxide of the present invention has normal hydrothermal synthesis and photoreaction conditions compared to conventional conditions, making it easy to apply to mass industrial fields.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 결정성 산화 그래핀의 제조방법을 대략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 (a) 분말형 탄소 구조체(실시예 1.1.) 및 (b) 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2.)의 전자 현미경(Transmission electron microscope, TEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 분말형 탄화 구조체(실시예 1.1., blue line) 및 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2., green line)의 X선 회절 분석법(X-ray diffractiometry, XRD)을 통해 확인한 패턴이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 분말형 산화 그래핀(실시예 1.1., blue line) 및 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2., greeb line)의 라만 스펙트럼(Raman spectrum)이다.
Figure 1 is a block diagram schematically showing a method for producing crystalline graphene oxide according to the present invention.
Figure 2 is a transmission electron microscope (TEM) image of (a) a powdery carbon structure (Example 1.1.) and (b) crystalline graphene oxide (Example 1.2.) prepared according to the present invention.
Figure 3 is an This is a pattern confirmed through .
Figure 4 is a Raman spectrum of powdered graphene oxide (Example 1.1, blue line) and crystalline graphene oxide (Example 1.2, greeb line) prepared according to the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in this specification are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the function in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a person working in the art, the emergence of new technology, etc. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the relevant invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than simply the name of the term.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.The numerical range includes the values defined in the range above. Every maximum numerical limit given throughout this specification includes all lower numerical limits as if the lower numerical limit were explicitly written out. Every minimum numerical limit given throughout this specification includes every higher numerical limit as if such higher numerical limit was clearly written. All numerical limits given throughout this specification will include all better numerical ranges within the broader numerical range, as if the narrower numerical limits were clearly written.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail, but it is obvious that the present invention is not limited to the following examples.

결정성 산화 그래핀 제조방법Crystalline graphene oxide manufacturing method

본 발명은 하기의 단계를 포함하는 결정성 산화 그래핀의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing crystalline graphene oxide comprising the following steps.

(S1) 수열합성(hydrothermal synthesis)을 통해 분말형 탄소 구조체을 제조하는 단계;(S1) manufacturing a powder-type carbon structure through hydrothermal synthesis;

(S2) 상기 분말형 탄소 구조체을 용매에 분산시키는 단계; (S2) dispersing the powder-type carbon structure in a solvent;

(S3) 상기 분산된 탄소 구조체에 광을 조사하여 결정성 산화 그래핀을 제조하는 단계;(S3) manufacturing crystalline graphene oxide by irradiating light to the dispersed carbon structure;

상기 (S1) 단계는 분말형태의 탄소 구조체을 제조하는 단계로, 하기의 단계로 구성될 수 있다.The step (S1) is a step of manufacturing a carbon structure in powder form and may consist of the following steps.

(S1A) 탄소원료 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;(S1A) preparing a mixture by mixing carbon raw materials and solvents;

(S1B) 상기 혼합물에 pH 조절제를 첨가하는 단계; 및(S1B) adding a pH adjuster to the mixture; and

(S1C) 상기 pH 조절제가 첨가된 혼합물을 수열합성하여 분말형 탄소 구조체을 제조하는 단계.(S1C) Step of producing a powder-type carbon structure by hydrothermal synthesis of the mixture to which the pH adjuster is added.

보다 구체적으로, 상기 (S1A) 단계는 탄소원료는 탄소를 포함하는 화합물이며, 아세트산(acetic acid), 아세톤(acetone), 벤젠(benzene), 벤질알코올(benzyl alcohol), 부탄올(butanol), 부탄온(butanone), 클로로벤젠(chlorobenzene) 클로로폼(chloroform), 시트르산(Citric acid), 에탄올(ethanol), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 갈산(Gallic acid), 글루코스(glucose), 헥산(hexane), 피로갈롤(Pyrogallol), 타닌산(Tannic acid) 및 자일렌(xylene)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.More specifically, in the step (S1A), the carbon raw material is a compound containing carbon, acetic acid, acetone, benzene, benzyl alcohol, butanol, and butanone. (butanone), chlorobenzene, chloroform, citric acid, ethanol, ethyl acetate, ethylene glycol, gallic acid, glucose , hexane, pyrogallol, tannic acid, and xylene.

상기 (S1A) 단계의 용매는 물, 헥산(hexane), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 클로로벤조익산(chlorobenzoic acid), 헥사데센(hexadecence), 테트라데센(tetradecence), 옥타데센(octadecence), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 헥산올(hexanol) 및 아세톤(acetone)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상 일 수 있으며, 바람직하게는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥산, 벤젠, 톨루엔 및 자일렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.The solvent in the step (S1A) is water, hexane, benzene, toluene, xylene, chlorobenzoic acid, hexadecence, and tetradecence. , octadecene, methanol, ethanol, propanol, butanol, hexanol, and acetone, and may be one or more selected from the group consisting of, and are preferred. It may be one or more selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, propanol, butanol, hexane, benzene, toluene, and xylene.

상기 (S1B) 단계의 pH 조절제는 pH 8 이상의 염기로서, 바람직하게 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아수(NH4OH) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.The pH adjuster in the step (S1B) is a base of pH 8 or higher, preferably 1 selected from the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonia water (NH 4 OH), and calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ). There may be more than one species.

상기 수열합성은 100 내지 300 ℃의 온도범위에서 1 내지 5시간 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게느 200 내지 250 ℃의 온도범위에서 2 내지 3시간 동안 수행될 수 있다. 상기 수열합성의 온도범위에서 100 ℃ 미만일 경우, 산화 그래핀의 코어가 생성되지 않거나 비정질 탄소로 생성되는 문제가 있을 수 있다. 또한, 반응시간이 1시간 미만일 경우, 탄소원료의 열분해가 충분히 이루어지지 않는 문제가 있을 수 있고, 5시간이 초과할 경우, 합성된 산화 그래핀의 뭉침 현상으로 인한 문제가 있을 수 있다.The hydrothermal synthesis can be performed at a temperature range of 100 to 300°C for 1 to 5 hours, and preferably at a temperature range of 200 to 250°C for 2 to 3 hours. If the temperature range of the hydrothermal synthesis is less than 100°C, there may be a problem in that the core of graphene oxide is not created or amorphous carbon is formed. Additionally, if the reaction time is less than 1 hour, there may be a problem in which thermal decomposition of the carbon raw material is not sufficiently achieved, and if the reaction time exceeds 5 hours, there may be a problem due to agglomeration of the synthesized graphene oxide.

상기 (S1C) 단계로 제조된 분말형 탄소 구조체은 상기 분말형 탄소 구조체 상에 존재하는 불순문을 제거하기 위해 유기용매로 세척 및 건조하는 단계;를 추가적으로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 (S1C) 단계에서 수열합성을 통해 제조된 분말형 탄소 구조체을 유기용매에 첨가하고, 원심분리를 이용하여 분리한 후, 50 내지 70 ℃의 진공 상태에서 1 내지 24 시간 동안 건조하여 불순물이 제거된 분말형 탄소 구조체을 제조할 수 있다.The powdery carbon structure prepared in the step (S1C) may additionally include washing and drying with an organic solvent to remove impurities present on the powdery carbon structure. More specifically, the powdered carbon structure prepared through hydrothermal synthesis in the step (S1C) is added to an organic solvent, separated using centrifugation, and dried in a vacuum at 50 to 70 ° C. for 1 to 24 hours. A powder-type carbon structure from which impurities have been removed can be manufactured.

상기 유기용매는 C1-4 알코올, 1,4-디옥산(1,4-dioxane), 아세톤(acetone), 에틸아세테이트(ethylacetate), 톨루엔(toluene), 아세토니트릴(acetonitrile), 및 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 에틸아세테이트 및 아세토니트릴로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.The organic solvent is C 1-4 alcohol, 1,4-dioxane, acetone, ethyl acetate, toluene, acetonitrile, and tetrahydrofuran. It may be one or more types selected from the group consisting of (tetrahydrofuran), and preferably may be one or more types selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, ethyl acetate, and acetonitrile.

상기 (S1) 단계에 제조된 탄소 구조체은 결정성이 없는 분말 형태로, 분말이 응집된 상태로 존재할 수 있다.The carbon structure prepared in step (S1) is in the form of a non-crystalline powder and may exist in an agglomerated state.

상기 (S2) 단계는 상기 (S1) 단계에서 제조된 분말형 탄소 구조체를 분산용매에 분산시키는 단계;로서, 보다 구체적으로 상기 분말형 산화 그래핀을 분산용매인 물(water, H2O)에 분산시킬 수 있다.The (S2) step is a step of dispersing the powdery carbon structure prepared in the (S1) step in a dispersion solvent. More specifically, the powdery graphene oxide is dispersed in water (H 2 O) as a dispersion solvent. It can be dispersed.

상기 분말형 탄소 구조체는 분산용매에 0.1 wt% 내지 1 wt% (분말형 산화 그래핀 : 분산용매)의 비율로 혼합되어 분산될 수 있으며, 상기 분말형 탄소 구조체와 분산용매를 혼합한 후, 균질기를 이용하여 5,000 내지 20,000 rpm의 속도로 0.1 내지 6 시간 동안 혼합할 수 있다.The powdered carbon structure can be mixed and dispersed in a dispersion solvent at a ratio of 0.1 wt% to 1 wt% (powdered graphene oxide: dispersion solvent). After mixing the powdered carbon structure and the dispersion solvent, a homogeneous It can be mixed using a machine at a speed of 5,000 to 20,000 rpm for 0.1 to 6 hours.

상기 (S3) 단계는 결정성의 산화 그래핀을 제조하는 단계로, 보다 구체적으로 상기 분산된 탄소 구조체에 0.1 내지 5 ms의 펄스 폭(pulse width), 0.1 내지 5 Hz의 펄스 반복률(pulse repetition rate), 10 내지 100회의 펄스 수(pulse number) 및 1 내지 400 J/cm2의 총에너지 밀도(total energy density)를 갖는 광을 조사하여 결정성 산화 그래핀을 제조할 수 있다.The step (S3) is a step of manufacturing crystalline graphene oxide. More specifically, the dispersed carbon structure is provided with a pulse width of 0.1 to 5 ms and a pulse repetition rate of 0.1 to 5 Hz. , crystalline graphene oxide can be produced by irradiating light with a pulse number of 10 to 100 and a total energy density of 1 to 400 J/cm 2 .

상기 펄스 폭, 펄스 반복률, 펄스 수 및 에너지 밀도를 초과하는 범위의 광을 조사할 경우, 제조되는 결정성 산화 그래핀이 손상되어, 결정성이 훼손될 수 있다.When light in a range exceeding the pulse width, pulse repetition rate, pulse number, and energy density is irradiated, the manufactured crystalline graphene oxide may be damaged and crystallinity may be impaired.

상기 (S3) 단계는 용매 상에서 수행되기 때문에, 상기 용매가 광 조사 시 발생하는 열을 흡수하여 상기 열로 인한 결정성 산화 그래핀의 과도한 구조적 변화를 방지할 수 있다. 또한, 유기 용매를 이용할 경우 광 조사 시 발생하는 열이 유기 용매의 열 분해를 유도하여, 열 분해 결과물이 탄소 구조체의 결정 구조 회복 시 탄소 공급원으로 활용될 수 있다. Since the step (S3) is performed in a solvent, the solvent absorbs heat generated upon light irradiation, thereby preventing excessive structural changes in the crystalline graphene oxide due to the heat. In addition, when using an organic solvent, the heat generated during light irradiation induces thermal decomposition of the organic solvent, and the thermal decomposition product can be used as a carbon source when recovering the crystal structure of the carbon structure.

상기 (S3) 단계의 광은 300 내지 1,000 nm의 파장을 갖는 제논 플래시 램프를 이용하여 조사될 수 있다.The light in step (S3) may be irradiated using a xenon flash lamp with a wavelength of 300 to 1,000 nm.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하세 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear with reference to the embodiments described in detail below. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms, and only the embodiments are provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete, and are provided by those skilled in the art It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

실시예 1. 결정형 그래핀 제조Example 1. Production of crystalline graphene

1.1. 분말형 탄소 구조체 제조1.1. Powder-type carbon structure manufacturing

탄소원료 시트르산(Citric acid)과 탄닌산 (Tannic acid) 및 에탄올을 혼합하고, 상기 혼합물에 pH 조절제로서 수산화나트륨(NaOH)을 첨가하였다. 상기 pH가 조절된 혼합물을 수열합성하여 분말형 탄소 구조체을 제조하고, 이를 에탄올을 이용하여 원심분리로 10,000 rpm 및 10 분 동안 5 회 반복하여 세척하고, 진공 여과장치로 여과한 후, 70℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 불순물이 제거된 분말형 탄소 구조체을 제조하였다.Carbon raw materials citric acid, tannic acid, and ethanol were mixed, and sodium hydroxide (NaOH) was added to the mixture as a pH adjuster. The pH-adjusted mixture was subjected to hydrothermal synthesis to prepare a powder-type carbon structure, which was washed repeatedly with ethanol by centrifugation 5 times at 10,000 rpm for 10 minutes, filtered using a vacuum filtration device, and then vacuum-filtered at 70°C. A powder-type carbon structure from which impurities were removed was prepared by drying in an oven for 10 hours.

1.2. 결정성 산화 그래핀 제조1.2. Crystalline graphene oxide manufacturing

상기 제조된 분말형 산화 그래핀을 5 g/L 농도로 물에 분산시키고, 균질기를 이용하여 10,000 rpm으로 30분 동안 분산시켰다. 상기 분산액을 다색광(300 nm ~ 800 nm의 파장대)을 가진 제논 플래시 램프를 이용하여 1 ms의 펄스 폭(pulse width), 2 Hz의 펄스 반복률(pulse repetition rate), 50회의 펄스 수(pulse number) 및 200 J/cm2의 총에너지 밀도(total energy density)의 광을 조사하여 결정성 산화 그래핀을 제조하였다.The prepared powdered graphene oxide was dispersed in water at a concentration of 5 g/L and dispersed at 10,000 rpm for 30 minutes using a homogenizer. The dispersion was processed using a xenon flash lamp with multicolor light (wavelength range of 300 nm to 800 nm) at a pulse width of 1 ms, a pulse repetition rate of 2 Hz, and a pulse number of 50. ) and 200 J/cm 2 of total energy density (total energy density) were irradiated to produce crystalline graphene oxide.

실험예 1. 결정 모폴로지(morphology) 확인Experimental Example 1. Confirmation of crystal morphology

상기 실시예 1에서 제조된 결정성 산화 그래핀의 결정 모폴로지(morphology)를 확인하기 위해, 분말형 탄소 구조체(실시예 1.1.) 및 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2.)을 투과 전자 현미경(Transmission electron microscope, TEM)을 통해 모폴로지를 확인하였으며, 이를 도 2에 나타내었다. In order to confirm the crystal morphology of the crystalline graphene oxide prepared in Example 1, the powder-type carbon structure (Example 1.1.) and the crystalline graphene oxide (Example 1.2.) were examined under a transmission electron microscope (Example 1.2). The morphology was confirmed through a transmission electron microscope (TEM), and is shown in Figure 2.

분말형 탄소 구조체(실시예 1.1.)는 비정질 탄소 구조와 나노 크기의 그래핀 구조가 혼합되어 있으며, 반응 후 완전히 제거되지 않은 탄소원료에서 분해된 저분자들이 탄소 구조체를 감싸기 때문에 뭉쳐진 상태임을 확인할 수 있다. 반면, 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2.)은 그래핀의 결정질 특성을 명확히 나타나는 것을 확인할 수 있다. The powder-type carbon structure (Example 1.1.) is a mixture of amorphous carbon structure and nano-sized graphene structure, and it can be confirmed that the small molecules decomposed from the carbon raw material that were not completely removed after the reaction are in an agglomerated state because they surround the carbon structure. . On the other hand, it can be seen that crystalline graphene oxide (Example 1.2.) clearly shows the crystalline characteristics of graphene.

실험예 2. 결정성(crystalline) 확인Experimental Example 2. Confirmation of crystalline

상기 실시예 1에서 제조된 결정성 산화 그래핀의 결정성을 확인하기 위해, 분말형 탄소 구조체(실시예 1.1., black line) 및 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2., red line)을 X선 회절 분석법(X-ray diffractiometry, XRD)을 통해 결정성을 확인하였으며, 이를 도 3에 나타내었다.In order to confirm the crystallinity of the crystalline graphene oxide prepared in Example 1, the powder-type carbon structure (Example 1.1., black line) and the crystalline graphene oxide (Example 1.2., red line) were Crystallinity was confirmed through X-ray diffraction analysis (XRD), and this is shown in Figure 3.

도 3을 참조하면, 분말형 탄소 구조체(실시예 1.1., blue line)의 XRD 패턴은 21°에서 흑연의 (002) 면에 해당하는 브로드(broad)한 패턴을 보이며 29°, 31° 및 33° 등의 패턴이 추가로 관찰되었다. 상기와 같은 피크는 완전히 열분해 되지 않은 시트르산(citric acid)의 잔여 패턴으로, 흑연 구조에 해당하지 않는다. 반면, 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2., green line)은 1 ms의 펄스 폭(pulse width), 2 Hz의 펄스 반복률(pulse repetition rate) 및 50회의 펄스 수(pulse number)의 조건에서 21°에서 흑연의 (002) 면에 해당하는 브로드한 피크만 형성하는 것을 확인할 수 있다. 이는 광 반응으로 유도된 광열 효과의 처리에 의한 것이라 할 수 있다.Referring to Figure 3, the XRD pattern of the powdered carbon structure (Example 1.1, blue line) shows a broad pattern corresponding to the (002) plane of graphite at 21°, and 29°, 31°, and 33°. Patterns such as ° were additionally observed. The above peak is a residual pattern of citric acid that has not been completely thermally decomposed and does not correspond to a graphite structure. On the other hand, crystalline graphene oxide (Example 1.2., green line) has a pulse width of 21 under the conditions of a pulse width of 1 ms, a pulse repetition rate of 2 Hz, and a pulse number of 50. It can be seen that only a broad peak corresponding to the (002) plane of graphite is formed at °. This can be said to be due to processing of the photothermal effect induced by the light reaction.

실험예 3. 결정 원자 배열 확인Experimental Example 3. Confirmation of crystal atomic arrangement

상기 실시예 1에서 제조된 결정성 산화 그래핀의 결정 원자 배열을 확인하기 위해, 분말형 탄소 구조체(실시예 1.1., blue line) 및 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2., green line)을 라만 스펙트럼(Raman spectrum)을 측정하였으며, 이를 도 4에 나타내었다.In order to confirm the crystal atomic arrangement of the crystalline graphene oxide prepared in Example 1, a powder-type carbon structure (Example 1.1., blue line) and crystalline graphene oxide (Example 1.2., green line) were used. The Raman spectrum was measured and is shown in Figure 4.

도 4를 참조하면, 라만 스펙트럼의 G 모드는 sp2 탄소 원자를 포함하는 평면 내 진동 모드와 관련이 있으며, D 모드는 구조적 결함 및 산소 작용기와 같은 무질서 상태에 의해 발생하므로, D와 G 밴드의 강도 비율을 사용하여 탄소 재료의 무질서 수준을 결정할 수 있다. 상기 분말형 탄소 구조체(실시예 1.1.)는 탄소 기반 물질에서 흔히 발견되는 D와 G 모드가 발견되는 동시에, Tannic acid에서 나타나는 진동 모드가 동시에 관찰되며, 이는 완전히 열분해 되지 않은 Tannic acid로 알 수 있다. 반면, 결정성 산화 그래핀(실시예 1.2.)은 D모드와 G모드를 명확하게 보여주며, ID/IG 의 값은 0.71으로 확인되었다. 상기 결정성 산화 그래핀은 순수한 그래핀에 비해 상대적으로 높은 ID/IG 의 값을 가지며, 이는 산소 작용기에 의해 관찰되는 것이라 할 수 있다.Referring to Figure 4, the G mode in the Raman spectrum is related to the in-plane vibration mode containing sp 2 carbon atoms, and the D mode is caused by structural defects and disordered states such as oxygen functional groups, so the D and G bands of The intensity ratio can be used to determine the level of disorder in carbon materials. In the powdered carbon structure (Example 1.1.), the D and G modes commonly found in carbon-based materials are found, and the vibration mode appearing in tannic acid is observed at the same time, which can be seen as tannic acid that has not been completely thermally decomposed. . On the other hand, crystalline graphene oxide (Example 1.2.) clearly shows D mode and G mode, and the value of I D /I G was confirmed to be 0.71. The crystalline graphene oxide has a relatively high I D /I G value compared to pure graphene, which can be said to be observed due to the oxygen functional group.

이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. In this regard, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

Claims (5)

(S1) 수열합성(hydrothermal synthesis)을 통해 분말형 탄소 구조체을 제조하는 단계;
(S2) 상기 분말형 탄소 구조체을 용매에 분산시키는 단계; 및
(S3) 상기 분산된 탄소 구조체에 광 조사하여 결정성 산화 그래핀을 제조하는 단계;를 포함하며,
상기 수열합성은 100 내지 300℃의 온도 범위에서 1 내지 5시간 동안 수행되며,
상기 광 조사는 0.1 내지 5 ms의 펄스 폭(pulse width), 0.1 내지 5 Hz의 펄스 반복률(pulse repetition rate), 10 내지 100회의 펄스 수(pulse number) 및 1 내지 400 J/cm2의 총에너지 밀도(total energy density)를 갖는 광을 조사하는 것인 결정성 산화 그래핀의 제조방법.
(S1) manufacturing a powder-type carbon structure through hydrothermal synthesis;
(S2) dispersing the powder-type carbon structure in a solvent; and
(S3) manufacturing crystalline graphene oxide by irradiating the dispersed carbon structure with light,
The hydrothermal synthesis is performed for 1 to 5 hours at a temperature range of 100 to 300°C,
The light irradiation has a pulse width of 0.1 to 5 ms, a pulse repetition rate of 0.1 to 5 Hz, a pulse number of 10 to 100, and a total energy of 1 to 400 J/cm 2 A method for producing crystalline graphene oxide, which involves irradiating light with a total energy density.
제1항에 있어서,
상기 (S1) 단계는
(S1A) 탄소원료 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
(S1B) 상기 혼합물에 pH 조절제를 첨가하는 단계; 및
(S1C) 상기 pH 조절제가 첨가된 혼합물을 수열합성하여 분말형 탄소 구조체을 제조하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 결정성 산화 그래핀의 제조방법.
According to paragraph 1,
The (S1) step is
(S1A) preparing a mixture by mixing carbon raw materials and solvents;
(S1B) adding a pH adjuster to the mixture; and
(S1C) producing a powder-type carbon structure by hydrothermal synthesis of the mixture to which the pH adjuster has been added.
제2항에 있어서,
상기 (S1A) 단계의 탄소원료는 아세트산(acetic acid), 아세톤(acetone), 벤젠(benzene), 벤질알코올(benzyl alcohol), 부탄올(butanol), 부탄온(butanone), 클로로벤젠(chlorobenzene) 클로로폼(chloroform), 시트르산(Citric acid), 에탄올(ethanol), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 갈산(Gallic acid), 글루코스(glucose), 헥산(hexane), 피로갈롤(Pyrogallol), 타닌산(Tannic acid) 및 자일렌(xylene)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며,
상기 (S1A) 단계의 용매는 물, 헥산(hexane), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 클로로벤조익산(chlorobenzoic acid), 헥사데센(hexadecence), 테트라데센(tetradecence), 옥타데센(octadecence), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 헥산올(hexanol) 및 아세톤(acetone)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고,
상기 (S1B) 단계의 pH 조절제는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아수(NH4OH) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 결정성 산화 그래핀의 제조방법.
According to paragraph 2,
The carbon raw materials in the (S1A) step are acetic acid, acetone, benzene, benzyl alcohol, butanol, butanone, chlorobenzene, and chloroform. (chloroform), citric acid, ethanol, ethyl acetate, ethylene glycol, gallic acid, glucose, hexane, Pyrogallol , one or more selected from the group consisting of tannic acid and xylene,
The solvent in the step (S1A) is water, hexane, benzene, toluene, xylene, chlorobenzoic acid, hexadecence, and tetradecence. , octadecene, methanol, ethanol, propanol, butanol, hexanol, and acetone, at least one selected from the group consisting of,
The pH adjuster in the (S1B) step is a crystalline product, characterized in that at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonia water (NH 4 OH), and calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ). Method for producing graphene oxide.
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