KR20180121048A - Preparation method for graphene oxide using ultrasonic treatment - Google Patents

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KR20180121048A
KR20180121048A KR1020170055217A KR20170055217A KR20180121048A KR 20180121048 A KR20180121048 A KR 20180121048A KR 1020170055217 A KR1020170055217 A KR 1020170055217A KR 20170055217 A KR20170055217 A KR 20170055217A KR 20180121048 A KR20180121048 A KR 20180121048A
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graphene oxide
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graphite
graphene
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이병규
솔타니 타야베
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울산대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for producing graphene oxide using ultrasound. According to the present invention, the method for producing graphene oxide enables production of graphene oxide through irradiation of ultrasound, efficiently mass-producing graphene oxide in a very short time. Graphene oxide is formed to be thin, specific surface area and crystallinity are high, and oxidation efficiency is excellent. In addition, since sodium nitrate is not used, no harmful gas is generated, which is advantageous in terms of environmental friendliness.

Description

초음파를 이용한 그래핀 옥사이드의 제조방법{Preparation method for graphene oxide using ultrasonic treatment}[0001] The present invention relates to a method for preparing graphene oxide using ultrasonic waves,

본 발명은 초음파를 이용한 그래핀 옥사이드의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing graphene oxide using ultrasonic waves.

그래핀은 탄소 소재 중 하나로 탄소 원자가 벌집 모양으로 겹겹이 쌓여있는 흑연에서 한 겹만을 떼어낸 두께 0.34㎚를 가진 2차원의 얇은 막 형태이며 이중결합을 하고 있어 강도 및 전기 전도도가 우수하다.Graphene is one of the carbon materials, which is a two-dimensional thin film with a thickness of 0.34 nm which is a single layer of graphite in which carbon atoms are stacked in a honeycomb-like structure. The graphene has double bonds and is excellent in strength and electrical conductivity.

실제로 그래핀은 상온에서 단위 면적당 구리보다 약 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 빠른 속도로 전달하는 것으로 알려져 있다. 이러한 뛰어난 전기전도성 덕분에 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재로서의 가능성을 안고 있다. 뿐만 아니라 고효율 태양전지, 슈퍼 캐패시터, 플렉시블 디스플레이, 고강도 필름을 포함한 고강도 복합재료 등으로 다양하게 응용될 수 있다.Indeed, graphene is known to deliver about 100 times more current at room temperature than copper per unit area, 100 times faster than silicon. This superior electrical conductivity has the potential to become a next-generation semiconductor material to replace silicon. In addition, it can be applied to a variety of applications such as high-efficiency composite materials including high-efficiency solar cells, super capacitors, flexible displays, and high-strength films.

그래핀의 제조방법에는 스카치 테이프를 이용한 기계적 박리법(mechanical exfoliation)(1), 화학기상증착법(CVD)(2), 에피텍시(epitaxy) 합성법(3), 산화-환원 반응을 이용한 화학적 박리법(4) 등이 있다.Methods for producing graphene include mechanical exfoliation (1) using a scotch tape, chemical vapor deposition (CVD) (2), epitaxy synthesis (3), chemical stripping using oxidation- Law (4) and others.

상기 화학적 박리법의 경우 흑연을 산화처리한 후 박리되는 그래핀을 관찰해 본 결과 낱장의 그래핀으로 박리가 제대로 이루어지지 않는 경우가 많이 보이기 때문에 그래핀의 층간 분리가 잘 이루어지도록 하는 연구가 진행 중이다.In the case of the chemical peeling method, graphene peeling after graphitizing the graphite is observed. As a result, it is often seen that the graphene is not peeled off smoothly. It is.

그래핀의 화학적 박리는 산화흑연 제조를 통한 그래핀 층간 산소관능기의 삽입 후 간단한 초음파 분쇄를 통하여 이루어진다. 이때, 흑연의 산화를 통한 그래핀의 층간 간격이 증가하게 되며 층간 π-π 상호작용 및 반데르발스 힘을 감소시켜서 박리를 유도하게 된다. 이와 같은 산화흑연 처리방법은 농황산(fuming sulfuric acid)에 질산나트륨(sodium nitrate)과 염소산칼륨을 섞은 혼합물을 이용하여 흑연을 산화시키는 방법이 있으나, 상기와 같은 방법은 질산나트륨을 사용하여 그래핀 제조시에 유독가스가 발생하는 단점이 있다.The chemical peeling of graphene is accomplished by simple ultrasonic grinding after insertion of graphene interlayer oxygen functionalities through the production of oxidized graphite. At this time, the interlayer spacing of graphene through oxidation of graphite is increased, and the peeling is induced by reducing inter-layer π-π interaction and van der Waals force. Such a method for treating graphite oxide has a method of oxidizing graphite using a mixture of sodium nitrate and potassium chlorate in fuming sulfuric acid. However, in the above method, sodium nitrate is used to prepare graphene There is a disadvantage in that toxic gas is generated.

공개특허공보 제10-2016-0104430호Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2016-0104430

본 발명의 목적은, 친환경적이고 효율적이며 대량생산이 가능한 그래핀 옥사이드의 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a process for producing graphene oxide that is environmentally friendly, efficient and mass-producible.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일실시예에서,In order to achieve the above object, the present invention provides, in one embodiment,

그라파이트를 산 및 과망간산 칼륨과 혼합한 혼합물에 초음파를 조사하는 단계를 포함하며,Comprising the step of irradiating a mixture of graphite with an acid and potassium permanganate with ultrasonic waves,

상기 초음파를 조사하는 단계는 20 내지 50℃에서 30분 내지 70분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 그래핀 옥사이드의 제조방법을 제공한다.Wherein the step of irradiating the ultrasonic waves is performed at 20 to 50 DEG C for 30 minutes to 70 minutes.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법은 초음파를 조사하여 그래핀 옥사이드를 제조하여 그래핀 옥사이드가 얇게 형성되며 비표면적 및 결정성이 높아 산화효율이 우수하며, 질산나트륨을 사용하지 않아 유해가스가 발생하지 않아 친환경적인 이점이 있다.The method for producing graphene oxide according to the present invention is characterized in that graphene oxide is produced by irradiating ultrasonic waves to form graphene oxide thinly and has high specific surface area and high crystallinity so that oxidation efficiency is excellent and no harmful gas is used because sodium nitrate is not used There is an advantage that it is environmentally friendly.

도 1는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다:(a)는 비교예 2의 그라파이트 촬영 이미지이고, (b)는 실시예 1의 그래핀 옥사이드 촬영 이미지이고, (c)는 비교예 1의 그래핀 옥사이드 촬영 이미지이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드를 투과전자현미경(TEM) 및 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM)으로 촬영한 이미지이다:(a) 및 (b)는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드를 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 이미지이고, (c) 및 (d)는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드를 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 X선 회절 분석(XPS)한 그래프이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 X선 광전자 분석(XPS)한 결과이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 대상으로 푸리에 변환 적외선 흡수분광(Fourier Transform-Infrared spectroscopy, FT-IR)을 측정한 그래프이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 대상으로 UV-Vis 분광광도계(UV-Vis pectrophotometer)를 이용하여 UV-visible 흡광도를 측정한 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트의 라만 스펙트럼을 도시한 그래프이다: (a)는 비교예 2의 그라파이트의 라만 스펙트럼을 나타내고, (b)는 실시예 1의 그래핀 옥사이드의 라만 스펙트럼을 나타내며, (c)는 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 라만 스펙트럼을 나타내며, (d)는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 2D 라만 스펙트럼을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트의 열중량 분석 결과를 도시한 그래프이다.
1 is an image obtained by scanning electron microscopy (SEM) of graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and graphite of Comparative Example 2: (a) is a graphite photograph image of Comparative Example 2, and (b) (C) is a graphene oxide photographic image of Comparative Example 1. Fig.
2 is an image of graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 taken by a transmission electron microscope (TEM) and a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM): (a) and (b) (C) and (d) are graphs showing the graphene oxides of Example 1 and Comparative Example 1, respectively, by a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM), and the graphene oxides of Comparative Example 1 were photographed by a transmission electron microscope .
3 is a graph of X-ray diffraction analysis (XPS) of the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and the graphite of Comparative Example 2;
4 is a result of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of graphite oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and graphite of Comparative Example 2. Fig.
5 is a graph of Fourier Transform-Infrared Spectroscopy (FT-IR) measurement of graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and graphite of Comparative Example 2. FIG.
FIG. 6 is a graph showing the UV-visible absorbance of a graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and a graphite of Comparative Example 2 measured using a UV-Vis pectrophotometer. FIG.
7 is a graph showing the Raman spectrum of the graphite of Example 1 and Comparative Example 1 and the graphite of the graphite of Comparative Example 2: (a) shows the Raman spectrum of the graphite of Comparative Example 2, (b) (C) shows the Raman spectrum of the graphene oxide of Comparative Example 1, and (d) shows the 2D Raman spectrum of the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 Can be confirmed.
8 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and graphite of Comparative Example 2. Fig.

본 발명은 초음파를 이용하여 얇고 비표면적이 넓으며 결정성이 높아 산화효율이 우수한 그래핀 옥사이드의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing graphene oxide which is thin and has a large specific surface area and high crystallinity by using ultrasonic waves and is excellent in oxidation efficiency.

그래핀은 탄소원자가 한 층으로 벌집모양의 육각형의 격자를 가진 탄소의 2차원적인 동소체로, 독특한 물성과 우수한 전기적, 물리적 특성을 가지고 있어 지난 수년 동안 활발한 연구가 진행되고 있다. 그래핀을 제조하는 방법에는 흑연결정으로부터 그래핀 한 층을 분리하는 방법과 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 화학기상증착법 및 고온에서 결정에 흡착되거나 포함되어 있던 탄소가 표면의 결을 따라 성장하는 에피성장법이 연구되고 있다. 특히, 흑연을 산화시켜 용액상에서 분리한 후 환원시키는 화학적 박리법은 대량생산의 가능성과 화학적 개질이 용이하여 다른 소재와의 하이브리드가 가능하다는 장점 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 화학적 박리법은 농황산(fuming sulfuric acid)에 질산나트륨(sodium nitrate)과 염소산칼륨을 섞은 혼합물을 이용하여 흑연을 산화시키는 방법이 있으나, 상기와 같은 방법은 질산나트륨을 사용하여 그래핀 제조시에 유독가스가 발생하는 단점이 있다. Graphene is a two - dimensional allotropic carbon with honeycomb - shaped hexagonal lattice as a layer of carbon atoms. It has unique properties and excellent electrical and physical properties and has been actively studied for many years. Methods for producing graphene include a method of separating a graphene layer from a graphite crystal and a chemical vapor deposition method of synthesizing graphene using a transition metal that adsorbs carbon well at a high temperature as a catalyst layer, The epitaxial growth method in which carbon was grown along the surface texture is being studied. Particularly, the chemical peeling method in which graphite is oxidized and separated in a solution state and then reduced is subjected to a great deal of research due to the possibility of mass production and easy chemical modification and hybridization with other materials. However, in the chemical stripping method, there is a method of oxidizing graphite by using a mixture of fuming sulfuric acid and sodium nitrate and potassium chlorate. However, in the case of using sodium nitrate, Toxic gas is generated.

이에, 본 발명은 친환경적이고 효율적이며 대량생산이 가능한 그래핀 옥사이드의 제조방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a process for producing graphene oxide that is eco-friendly, efficient, and mass-producible.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법은 초음파를 조사하여 그래핀 옥사이드를 제조하여 그래핀 옥사이드가 얇게 형성되며 비표면적 및 결정성이 높아 산화효율이 우수하며, 질산나트륨을 사용하지 않아 유해가스가 발생하지 않아 친환경적인 이점이 있다.The method for producing graphene oxide according to the present invention is characterized in that graphene oxide is produced by irradiating ultrasonic waves to form graphene oxide thinly and has high specific surface area and high crystallinity so that oxidation efficiency is excellent and no harmful gas is used because sodium nitrate is not used There is an advantage that it is environmentally friendly.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 일실시예에서In one embodiment,

그라파이트를 산 및 과망간산 칼륨과 혼합한 혼합물에 초음파를 조사하는 단계를 포함하며,Comprising the step of irradiating a mixture of graphite with an acid and potassium permanganate with ultrasonic waves,

상기 초음파를 조사하는 단계는 20 내지 50℃에서 30분 내지 70분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 그래핀 옥사이드의 제조방법을 제공한다.Wherein the step of irradiating the ultrasonic waves is performed at 20 to 50 DEG C for 30 minutes to 70 minutes.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법은 그라파이트를 산 및 과망간산 칼륨과 혼합한 혼합물에 초음파를 조사하여 산 및 과망간산 칼륨이 겹겹이 쌓여있는 그라파이트 내에 스며들어 그라파이트의 산화효율이 우수하며, 초음파를 조사함으로써 그라파이트의 산화 및 박리가 동시에 진행되어 제조방법이 간단하다는 장점이 있다. 이에, 본 발명은 그라파이트 산화 및 박리의 효율을 높이기 위해 질산나트륨과 같은 첨가제를 사용하지 않기 때문에 유해가스가 발생하지 않아 친환경적이다.The method for producing graphene oxide according to the present invention is characterized in that the mixture of graphite and potassium permanganate is irradiated with ultrasound to penetrate into graphite in which an acid and potassium permanganate are stacked to form an excellent graphite oxidation efficiency, Oxidation and peeling of the graphite proceed at the same time, which is advantageous in that the production method is simple. Thus, the present invention does not use any additive such as sodium nitrate to increase the efficiency of graphite oxidation and exfoliation, so that no harmful gas is generated, which is eco-friendly.

하나의 예로서, 본 발명에서 초음파를 조사하는 단계는 20℃ 내지 50℃, 25℃ 내지 45℃ 또는 30℃ 내지 40℃의 온도에서 30분 내지 70분, 35분 내지 65분 35분 내지 50분 또는 40분 내지 60분 동안 수행될 수 있다. 구체적으로, 25 내지 35℃에서 40분 내지 50분 동안 수행될 수 있다. 상기와 같은 조건으로 초음파를 조사함으로써 그래핀 옥사이드 제조시 소비되는 총 에너지 소비량을 최소화하여 제조비용을 절감할 수 있다.As one example, the step of irradiating ultrasonic waves in the present invention may be performed at a temperature of 20 to 50 占 폚, 25 to 45 占 폚 or 30 to 40 占 폚 for 30 to 70 minutes, 35 to 65 minutes and 35 to 50 minutes Or 40 minutes to 60 minutes. Specifically, it may be carried out at 25 to 35 DEG C for 40 to 50 minutes. By irradiating ultrasonic waves under the above conditions, the total energy consumption consumed in the production of graphene oxide can be minimized, and manufacturing cost can be reduced.

또한, 초음파를 조사하는 단계는 30 kHz 내지 60 kHz 주파수의 초음파를 조사할 수 있다. 구체적으로, 초음파를 조사하는 단계는 30 kHz 내지 55 kHz, 35 내지 55 kHz 또는 40 kHz 내지 50 kHz 주파수의 초음파를 조사할 수 있다. 보다 구체적으로, 초음파를 조사하는 단계는 40 kHz 내지 50 kHz 주파수의 초음파를 조사할 수 있다. 상기 범위의 주파수를 조사함으로써, 산 및 과망간산 칼륨이 짧은 시간 내에 그라파이트에 효율적으로 침투하여 산화효율이 우수한 그래핀 옥사이드를 제조하여 제조시간 및 제조비용을 절감할 수 있고, 얇은(fewer sheet) 그래핀 옥사이드를 제조하며 그래핀 옥사이드 결정의 크기가 균일할 수 있다.In addition, the step of irradiating ultrasonic waves may irradiate ultrasound at a frequency of 30 kHz to 60 kHz. Specifically, the step of irradiating ultrasonic waves may irradiate ultrasound at a frequency of 30 kHz to 55 kHz, 35 to 55 kHz, or 40 kHz to 50 kHz. More specifically, the step of irradiating ultrasonic waves may irradiate ultrasound at a frequency of 40 kHz to 50 kHz. By examining the frequency in the above range, the acid and the potassium permanganate can efficiently penetrate into the graphite in a short time, and the graphene oxide having excellent oxidation efficiency can be produced, and the manufacturing time and manufacturing cost can be reduced, and the fewer sheet grains Oxide and the size of the graphene oxide crystal can be uniform.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법에서 사용하는 산(acid)은 황산, 인산, 질산 및 염산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 산(acid)은 황산 및 인산을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 황산 및 인산의 혼합비는 황산 100 부피비를 기준으로 인산 8 내지 13 부피비를 포함할 수 있다. 구체적으로, 황산 및 인산의 혼합비는 황산 100 부피비를 기준으로 인산 9 내지 12 부피비를 포함할 수 있다. 상기와 같은 산을 사용함으로써 그라파이트에 효과적으로 침투하여 만들어 산화 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.The acid used in the process for preparing graphene oxide according to the present invention may include two or more kinds selected from the group consisting of sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid and hydrochloric acid. Specifically, the acid may include sulfuric acid and phosphoric acid. As an example, the mixing ratio of sulfuric acid and phosphoric acid may comprise 8 to 13 volume parts of phosphoric acid based on 100 parts by volume of sulfuric acid. Specifically, the mixing ratio of sulfuric acid and phosphoric acid may include 9 to 12 volume parts of phosphoric acid based on 100 parts by volume of sulfuric acid. The use of the acid as described above has the advantage of being able to effectively penetrate the graphite and increase the oxidation efficiency.

또한, 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법에서 과망간산 칼륨의 첨가량은 그라파이트 100 중량부 대비 500 내지 800 중량부일 수 있다. 구체적으로, 과망간산 칼륨의 첨가량은 그라파이트 100 중량부 대비 530 내지 750 중량부, 550 내지 700 중량부 또는 575 내지 650 중량부일 수 있다. 보다 구체적으로, 과망간산 칼륨의 첨가량은 그라파이트 100 중량부 대비 550 내지 650 중량부일 수 있다. 상기 비율로 과망간산 칼륨을 첨가함으로써 그라파이트의 산화효율을 향상시킬 수 있다.In addition, in the process for producing graphene oxide according to the present invention, potassium permanganate may be added in an amount of 500 to 800 parts by weight based on 100 parts by weight of graphite. Specifically, the amount of potassium permanganate added may be 530 to 750 parts by weight, 550 to 700 parts by weight or 575 to 650 parts by weight based on 100 parts by weight of graphite. More specifically, the amount of potassium permanganate added may be 550 to 650 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite. By adding potassium permanganate at the above ratio, the oxidation efficiency of the graphite can be improved.

하나의 예로서, 본 발명에서 그라파이트를 산과 과망간산 칼륨을 혼합한 혼합물에 초음파를 조사하는 단계 이후에 상기 혼합물은 짙은 갈색의 현탁액일 수 있다. As an example, in the present invention, after the step of irradiating the mixture of graphite with acid and potassium permanganate with ultrasonic waves, the mixture may be a dark brown suspension.

또한, 상기 초음파 조사 단계를 거친 혼합물을 상온(20 내지 25℃를 의미)로 식히고 얼음물, 증류수 및/또는 과산화수소수를 천천히 첨가할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 혼합물을 상온으로 식히고 얼음물 및/또는 과산화수소수를 첨가하여 잔여 과망간산염을 용해 가능한(soluble) 망간이온으로 전환시켜 과망간산염을 제거할 수 있다.In addition, the mixture having been subjected to the ultrasonic wave irradiation step may be cooled to room temperature (20 to 25 ° C), and the ice water, distilled water and / or hydrogen peroxide water may be slowly added. More specifically, the mixture may be cooled to room temperature and ice water and / or hydrogen peroxide water may be added to convert the residual permanganate to soluble manganese ions to remove the permanganate.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법은 그라파이트를 산 및 과망간산 칼륨과 혼합한 혼합물에 초음파를 조사하는 단계 이후에 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 세척하는 단계는 상기 초음파 조사 단계를 거친 혼합물을 여과하고 묽은 염산 수용액 또는 물로 세척할 수 있다. 보다 구체적으로, 세척하는 단계는 상기 혼합물을 여과하고 묽은 염산 수용액으로 세척하여 금속 이온들을 제거할 수 있다.The method for producing graphene oxide according to the present invention may further comprise a step of washing the mixture of graphite with an acid and potassium permanganate after the step of irradiating ultrasonic waves. Specifically, in the washing step, the mixture subjected to the ultrasonic irradiation step may be filtered and washed with a diluted hydrochloric acid aqueous solution or water. More specifically, the step of washing can remove the metal ions by washing the mixture with a dilute aqueous hydrochloric acid solution.

하나의 예로서, 상기 초음파 조사 단계를 거친 혼합물을 여과하는 방법은 고체와 액체의 혼합물을 분리시키는 방법이라면 특별히 제한하지 않는다. 예를 들어, 여과하는 방법은 상압여과, 가압여과 또는 감압여과 방법을 포함할 수 있다.As an example, the method of filtering the mixture through the ultrasonic wave irradiation step is not particularly limited as far as it is a method of separating a mixture of a solid and a liquid. For example, the method of filtration may include atmospheric filtration, pressure filtration or vacuum filtration.

또한, 본 발명은 상기 세척하는 단계는 이후에 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 건조하는 단계는 20℃ 내지 25℃에서 24시간 이상 제조된 그래핀 옥사이드를 건조할 수 있다. 상기와 같은 조건에서 건조함으로써 불순물이 제거된 그래핀 옥사이드를 얻을 수 있다.In addition, the present invention may further include a step of drying after the washing. The drying step may be performed by drying the graphene oxide prepared at 20 ° C to 25 ° C for at least 24 hours. By drying under the above conditions, impurity-removed graphene oxide can be obtained.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.

실시예Example 1. One.

그라파이트 1g과 KMnO4 6g을 황산(H2SO4) 120 ml 및 인산(H3PO4) 13.3 ml에 첨가하고 1분 동안 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 제조된 혼합물을 초음파 조사 가능한 중탕기기에 넣어 30℃에서 45분간 초음파 조사를 하여 짙은 갈색(dark brown)의 현탁액을 얻었다. 상기 갈색 현탁액을 상온으로 식히고 얼음물 133 ml와 30%의 과산화수소(H2O-2)- 1ml을 현탁액에 천천히 첨가하였다. 이때, 잔여 과망간산염을 망간이온으로 변하여 감소하였고, 현탁액의 색은 연한 갈색(yellowish brown)으로 변하였다. 그런 다음, 연한 갈색의 현탁액을 필터로 거른 후 10%의 염산(HCl) 250 ml로 세척한 후 24시간 동안 공기 중에서 건조시켜 그래핀 옥사이드를 제조하였다.1 g of graphite and 6 g of KMnO 4 were added to 120 ml of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 13.3 ml of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and mixed for 1 minute to prepare a mixture. The prepared mixture was placed in a bath apparatus capable of being irradiated with ultrasonic waves and ultrasonically irradiated at 30 캜 for 45 minutes to obtain a dark brown suspension. The brown suspension was cooled to room temperature ice water and 133 ml of hydrogen peroxide (H 2 O- 2) of 30% was added slowly to a suspension of 1ml. At this time, the residual permanganate decreased to manganese ion, and the color of the suspension changed to yellowish brown. The light brown suspension was then filtered, washed with 250 ml of 10% hydrochloric acid (HCl) and dried in air for 24 hours to produce graphene oxide.

비교예Comparative Example 1. One.

그라파이트 1g, 과망간산칼륨(KMnO4) 6g 및 질산나트륨(NaNO3) 1 g을 황산(H2SO4) 120 ml 및 인산(H3PO4) 13.3 ml에 첨가하고 1분 동안 혼합하여 혼합물을 제조하였으며, 초음파를 조사하는 과정을 생략한 대신 12시간 동안 50℃로 열을 가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 옥사이드를 제조하였다.1 g of graphite, 6 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) and 1 g of sodium nitrate (NaNO 3 ) were added to 120 ml of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 13.3 ml of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) And graphene oxide was prepared in the same manner as in Example 1, except that the process of irradiating ultrasonic waves was omitted, and heat was applied at 50 ° C. for 12 hours.

비교예 2.Comparative Example 2

그라파이트를 상업적으로 입수하였다.Graphite was commercially obtained.

실험예 1.Experimental Example 1

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법으로 제조된 그래핀 옥사이드의 형태, 성분 함량 등을 확인하기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 대상으로 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 촬영, 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 촬영 및 고해상도 투과전자현미경(High-resolution Transmission Electron Microscope, HRTEM)을 수행하였다. 또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트에 대한 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 및 비표면적을 측정하였으며, 측정된 결과들을 도 1, 도 2, 도 3 및 표 1에 나타내었다.The graphene oxide prepared in Example 1 and Comparative Example 1 and the graphite of Comparative Example 2 were injected to the graphene oxide prepared in Example 1 and Comparative Example 1 in order to confirm the form and content of graphene oxide produced by the process for producing graphene oxide according to the present invention Scanning Electron Microscope (SEM), Transmission Electron Microscope (TEM), and High-resolution Transmission Electron Microscope (HRTEM) were performed. X-ray diffraction (XRD) and specific surface area of the graphene oxide prepared in Example 1 and Comparative Example 1 and the graphite of Comparative Example 2 were measured. The measured results were shown in FIGS. 1 and 2 2, Fig. 3 and Table 1.

2θ(°)2? (?) FWHM(°)FWHM (°) 층간거리(nm)Interlayer distance (nm) 결정지름(nm)Crystalline diameter (nm) 층 개수Floor number 비표면적(㎡/g)Specific surface area (m < 2 > / g) 실시예 1Example 1 9.689.68 2.522.52 0.9680.968 3.233.23 4.334.33 112.0112.0 비교예 1Comparative Example 1 9.929.92 1.981.98 0.9920.992 4.024.02 5.055.05 66.066.0 비교예 2Comparative Example 2 26.5226.52 0.120.12 0.3350.335 69.369.3 207.86207.86 60.060.0

도 1는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트의 주사전자현미경으로 촬영한 이미지로, 탄소의 소판상 결정형태의 그래파이트 입자가 그라파이트 내에 어떻게 적층되어 있는지, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드에서 그래핀 시트가 어떻게 박리되었는지 나타낸다.Fig. 1 is an image of a graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and an image of a graphite of Comparative Example 2 taken by a scanning electron microscope, showing how graphitic particles of a carbon platelet-like crystalline form are laminated in graphite, And how the graphene sheet was peeled off from the graphene oxide of Comparative Example 1.

도 1의 (a)를 살펴보면, 적층된 구조의 그라파이트 형태로 반데르발스 힘으로 인해 그라파이트 층들이 적층되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 1의 (b)를 살펴보면, 30℃에서 45분간 초음파를 조사한 그래핀 옥사이드이며 초음파 조사를 통해 그래핀 옥사이드 층이 효과적으로 박리된 것을 알 수 있다. 아울러, 도 1의 (c)를 살펴보면, 12시간 동안 50℃로 가열했음에도 불구하고 실시예 1과 비교하여 박리가 효과적으로 진행되지 않음을 알 수 있다. 따라서 초음파 조사를 통해 적층된 구조의 그라파이트가 효과적으로 얇은 그래핀 옥사이드 층으로 박리된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 1 (a), it can be seen that the graphite layers are stacked due to the van der Waals force in a graphite form of a laminated structure. Referring to FIG. 1 (b), it can be seen that the graphene oxide layer is effectively peeled off by ultrasonic irradiation at 45.degree. C. for 45 minutes under ultrasonic irradiation. 1 (c), it can be seen that the peeling does not proceed effectively as compared with Example 1, even though the substrate is heated to 50 ° C. for 12 hours. Therefore, it can be seen that the graphite having a laminated structure is effectively stripped by the thinner graphene oxide layer through the ultrasonic irradiation.

도 2는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 투과전자현미경(TEM)과 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)으로 촬영한 이미지이다. 도 2의 (a)는 실시예 1의 그래핀 옥사이드의 투과전자현미경 촬영 이미지이며, 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 투명하고 얇은 시트 구조이고 접힌 부분이 적은 것을 확인할 수 있다. 도 2의 (b)는 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 투과전자현미경 촬영 이미지이며, 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 초음파 조사한 그래핀 옥사이드에 비해 두꺼우며 접힌 부분도 많은 것을 알 수 있다. 또한, 도 2의 (c)는 실시예 1의 그래핀 옥사이드의 고해상도 투과전자현미경 촬영 이미지이며, 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 단일층으로 이루어진 허니콤 구조로 작은 크기의 세공(pore)로 형성되었으며 세공 밀도가 높은 것을 알 수 있다. 반면, 도 2의 (d)는 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 고해상도 투과전자현미경 촬영 이미지로, 실시예 1의 그래핀 옥사이드와 비교하여 세공의 크기가 크고 세공의 밀도도 작은 것 확인할 수 있다. 이는 그라파이트에 산을 처리시 그라파이트 표면이 침식(erosion)되고 그라파이트 산화 시 탄소층 내에 카르복실기, 히드록실기, 에폭시 등이 형성되어 하여 더 작은 크기의 세공을 만든 것이다. 따라서, 초음파 조사하여 제조된 그래핀 옥사이드는 초음파 조사를 하지 않은 그래핀 옥사이드에 비해 초음파 조사를 통해 효율적으로 박리된 것을 알 수 있다.2 is an image of graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 taken by a transmission electron microscope (TEM) and a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM). 2 (a) is a transmission electron microscope image of graphene oxide of Example 1, and it is confirmed that the graphene oxide of Example 1 has a transparent thin sheet structure and few folds. FIG. 2 (b) is a transmission electron microscope image of the graphene oxide of Comparative Example 1, and the graphene oxide of Comparative Example 1 is thicker than the graphene oxide irradiated with ultrasonic waves and has many folded portions. 2 (c) is a high-resolution transmission electron microscope image of the graphene oxide of Example 1, and the graphene oxide of Example 1 is a honeycomb structure composed of a single layer and formed into small pores And the pore density is high. On the other hand, FIG. 2 (d) is a high-resolution transmission electron microscope image of graphene oxide of Comparative Example 1, which shows that the pore size is larger and the pore density is smaller than that of the graphene oxide of Example 1. This is because when the graphite is treated with an acid, the surface of the graphite is erosioned and a carboxyl group, a hydroxyl group, an epoxy and the like are formed in the carbon layer upon the oxidation of the graphite, thereby forming smaller pores. Therefore, it can be seen that the graphene oxide produced by ultrasonic irradiation is more efficiently peeled off by ultrasonic irradiation than the graphene oxide not subjected to ultrasonic irradiation.

도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트의 X선 회절 측정 그래프이다. 도 3을 살펴보면, 비교예 2의 그라파이트는 2θ 값이 26.52±1.0°인 피크가 관찰되며, 이는 비교예 2의 그라파이트가 층 구조 형태임을 나타낸다. 그러나, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 2θ 값이 26.52±1.0°인 (002)피크가 사라지고 각각 2θ 값이 9.12±1.0° 및 8.9±1.0°에서 브로드한 (001) 회절피크가 관찰된다. 이중에서도 비교예 1의 그래핀 옥사이드에서는 그라파이트의 회절 피크(2θ=31.19°)가 여전히 관찰되지만 실시예 1의 그래핀 옥사이드에서는 그라파이트의 회절 피크가 관찰되지 않는다. 이를 통해, 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 같이 초음파 조사 없이 12시간 동안 50℃로 열을 가한 경우에는 그라파이트가 충분히 산화되지 않았다는 것을 알 수 있다.3 is a X-ray diffraction measurement graph of graphite oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and graphite of Comparative Example 2. Fig. Referring to FIG. 3, the graphite of Comparative Example 2 has a peak with a 2θ value of 26.52 ± 1.0 °, which indicates that the graphite of Comparative Example 2 has a layered structure. However, graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 exhibited a (001) diffraction peak in which the (002) peak with a 2θ value of 26.52 ± 1.0 ° disappeared and broadened at 2θ values of 9.12 ± 1.0 ° and 8.9 ± 1.0 °, respectively . In the graphene oxide of Comparative Example 1, diffraction peaks of graphite (2 &thetas; = 31.19 DEG) were still observed, but in graphene oxide of Example 1, diffraction peaks of graphite were not observed. As a result, it can be seen that graphite was not sufficiently oxidized when heat was applied at 50 ° C for 12 hours without ultrasonic irradiation like the graphene oxide of Comparative Example 1.

표 1은 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트의 회절각(2θ), 주피크의 반치전폭(FWHM), 층간거리(D), 평균 결정자의 지름(d) 및 결정내에 평균 시트의 개수(N) 값을 나타낸 표이다. 표 1를 살펴보면 비교예 2의 그라파이트의 층간 거리(interlayer distance)는 0.335 nm인 반면, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 층간거리는 각각 0.968 nm 및 0.992 nm으로 나타나 산화 과정에서 그라파이트의 π-결합 공액계(conjugated system)이 히드록실기, 에폭시기, 카보닐기, 카르복실기와 같은 산소 관능기의 삽입으로 인해 깨진 것을 알 수 있다. 또한, 평균 결정자지름은 실시예 1의 그래핀 옥사이드가 약 3.23 nm으로 제일 작고, 결정자 내의 시트의 개수는 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 약 4.33개이고 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 약 5.05개로 상태적으로 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드가 더 적은 수의 시트를 포함하고 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법은 초음파 조사 과정을 포함함으로써 결정 성장보다 결정 핵생성의 비율이 높으며, 더 얇은 시트의 그래핀 옥사이드를 제조하는 것을 알 수 있다.Table 1 shows the diffraction angles (2?) Of the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and the graphite of Comparative Example 2, the full width at half maximum of the main peak (FWHM), the interlayer distance (D) (N) of average sheets in the crystal. As shown in Table 1, the interlayer distance of the graphite of Comparative Example 2 is 0.335 nm, while the interlayer distances of the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 are 0.968 nm and 0.992 nm, respectively, -Bonded conjugated system is broken due to the insertion of an oxygen functional group such as a hydroxyl group, an epoxy group, a carbonyl group or a carboxyl group. The average crystallite diameter of the graphene oxide of Example 1 was about 3.23 nm, the number of sheets in the crystallite was about 4.33 and the graphene oxide of Comparative Example 1 was about 5.05 The graphene oxide according to the present invention contains fewer sheets. As a result, it can be seen that the method of producing graphene oxide according to the present invention includes a step of ultrasonic irradiation to produce a thinner sheet of graphene oxide having a higher rate of nucleation than crystal growth.

또한, 표 1를 살펴보면, 실시예 1의 그래핀 옥사이드가 비교예 1의 그래핀 옥사이드 및 비교예 2의 그라파이트와 비교하여 BET 비표면적이 약 1.8배 정도 높은 것을 알 수 있다.As can be seen from Table 1, the BET specific surface area of the graphene oxide of Example 1 is about 1.8 times higher than that of the graphene oxide of Comparative Example 1 and the graphite of Comparative Example 2.

따라서, 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법으로 제조된 그래핀 옥사이드는 초음파를 조사하는 과정을 포함하여 그래핀 옥사이드에 산화가 충분히 일어나 층을 이루는 그라파이트로부터 박리가 일어나 얇은 층을 포함하고 이에 따라 비표면적이 넓은 것을 알 수 있다.Therefore, the graphene oxide prepared by the process for producing graphene oxide according to the present invention includes a step of irradiating ultrasound to oxidize graphene oxide sufficiently, resulting in peeling from a layer of graphite to form a thin layer, It can be seen that the specific surface area is wide.

실험예Experimental Example 2. 2.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드를 구성하는 성분들간의 결합 성질 등을 확인하기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 대상으로 X선 광전자분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)과 푸리에 변환 적외선 흡수분광(Fourier Transform-Infarared spectroscopy, FT-IR)을 측정하였으며, 측정된 결과들을 하기 도 4 및 도 5에 나타내었다.X-ray photoelectron spectroscopy (X-ray photoelectron spectroscopy) was performed on graphite oxide prepared in Example 1 and Comparative Example 1 and graphite in Comparative Example 2 in order to confirm the binding properties between the components constituting the graphene oxide according to the present invention. ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) were measured. The measured results are shown in FIGS. 4 and 5.

도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 X선 광전자 분석한 결과이다. 도 4를 살펴보면, 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 C1s의 결합에너지가 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트와 대비하여 높아진 것을 알 수 있다. 또한, O/C의 비율이 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 0.914이고, 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 0.79이고, 비교예 2의 그라파이트는 0.12이다. 이는 실시예 1의 그래핀 옥사이드의 탄소 원소와 산소 원소간의 결합 에너지가 증가되었음을 의미한다.Fig. 4 shows X-ray photoelectron spectroscopic results of graphite oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and graphite of Comparative Example 2. Fig. Referring to FIG. 4, the graphene oxide of Example 1 has a higher binding energy of C1s than the graphene oxide of Comparative Example 1 and the graphite of Comparative Example 2. The graphene oxide of Example 1 is 0.914, the graphene oxide of Comparative Example 1 is 0.79, and the graphite of Comparative Example 2 is 0.12. This means that the binding energy between the carbon element and the oxygen element of the graphene oxide of Example 1 is increased.

또한, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 경우, C1s의 결합에너지 그래프 중 284.5±0.5 eV, 286.6±0.5 eV 및 287.6±0.5 eV 결합에너지에서 각각 C=C/C=C/C-H, C-O 및 C=O의 피크가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 게다가 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교하여 산소 원소와 결합된 피크가 강하고, 289.1±0.5 eV 결합에너지에서 O-C=O의 피크가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이는 실시예 1의 그래핀 옥사이드가 산소 관능기를 더 많이 포함하고 있기 때문이다. 도 4의 O1s 그래프를 살펴보면, 4개의 분리된 피크를 관찰할 수 있으며, 각각 530.3±0.5 eV, 531.7±0.5 eV, 532.5±0.5 eV 및 535.3±0.5 eV 결합에너지에서 각각 퀴논(quinone), C=O, C-O 및 O-H의 피크가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 실시예 1의 그래핀 옥사이드에 비해 산소 관능기의 피크가 현저히 약한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법은 초음파 조사를 함으로써 그라파이트를 효과적으로 산화시키는 것을 알 수 있다.C = C / C = C / CH at the bond energy of 284.5 ± 0.5 eV, 286.6 ± 0.5 eV and 287.6 ± 0.5 eV in the binding energy graph of C1s in the case of the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1, The presence of peaks of CO and C = O can be confirmed. Furthermore, the graphene oxide of Example 1 has a strong peak bound to the oxygen element as compared with the graphene oxide of Comparative Example 1, and a peak of O-C = O exists at a binding energy of 289.1 ± 0.5 eV. This is because the graphene oxide of Example 1 contains more oxygen functional groups. 4, the four separated peaks can be observed, and quinone, C = 1, 2, 3, 4, 5 and 6 are observed at 530.3 ± 0.5 eV, 531.7 ± 0.5 eV, 532.5 ± 0.5 eV, and 535.3 ± 0.5 eV, O, CO and OH peaks are present. Further, it can be seen that the graphene oxide of Comparative Example 1 has a significantly weaker peak of oxygen functional group than the graphene oxide of Example 1. Thus, it can be seen that the method of producing graphene oxide according to the present invention efficiently oxidizes graphite by ultrasonic irradiation.

또한, 도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 대상으로 푸리에 변환 적외선 흡수분광(Fourier Transform-Infarared spectroscopy, FT-IR)을 측정한 그래프이다. 도 5를 살펴보면, 비교예 2의 그라파이트는 3627±5 cm-1 영역에서 위치한 피크를 통해 O-H 결합이 존재하는 것을 확인할 수 있고, 1031±5 cm-1 영역에서 위치한 피크를 통해 C-O 결합이 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 3000 내지 3600 cm-1 영역에서 위치한 피크를 통해 O-H 결합을, 1728±5 cm-1 영역에서 위치한 피크를 통해 C=O 결합을, 1615±5 cm-1 영역에서 위치한 피크를 통해 C=C 결합을, 1627±5 cm-1 영역에서 위치한 피크를 통해 H-O-H 결합을, 1274±5 cm-1 영역에서 위치한 피크를 통해 C-O 에폭시 결합을, 1627±5 cm-1 영역에서 C-O 카르복실 결합을 확인할 수 있다. 상기와 같이 카르복실기 및 에폭시기가 존재한다는 것은 그라파이트가 산화되면서 탄소 원소에 산소 관능기가 첨가되어 그라파이트의 π 공액 오비탈이 깨졌다는 것을 알 수 있다. 그러나, 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 실시예 1의 그래핀 옥사이드에 비해 산소 관능기 및 수산화기 흡수 스펙트럼의 강도가 약한 것을 알 수 있다. 이는 실시예 1의 그래핀 옥사이드가 그라파이트 산화 과정에서 초음파를 조사하여 산화가 더 잘 일어났기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법은 초음파 조사를 통해 탄소층 사이에 활성자리를 더 많이 제공하여 산화반응이 활발히 진행되기 때문에 높은 온도와 압력 및 냉각 시간이 필요하지 않다.5 is a graph showing Fourier Transform-Infrared spectroscopy (FT-IR) measurement of graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and graphite of Comparative Example 2. Fig. Referring to FIG. 5, the graphite of Comparative Example 2 can confirm that the OH bond exists through the peak located in the region of 3627 ± 5 cm -1 , and the CO bond exists through the peak located in the region of 1031 ± 5 cm -1 . The graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 also had OH bonds through peaks located in the region of 3000 to 3600 cm -1 , C═O bonds through peaks located in the region of 1728 ± 5 cm -1 , 1615 ± 5, a C = C bond with a peak area located in cm -1, 1627 ± 5 of HOH bond with a peak area located in cm -1, 1274 ± 5 cm -1 region of CO epoxy bonded via a peak located at, 1627 The CO carboxyl bond can be confirmed in the region of ± 5 cm -1 . As described above, the existence of a carboxyl group and an epoxy group indicates that the graphite is oxidized, and an oxygen functional group is added to the carbon element to break the π conjugated orbitals of the graphite. However, the graphene oxide of Comparative Example 1 has a weaker intensity of the oxygen functional group and hydroxyl group absorption spectrum than the graphene oxide of Example 1. This is because the graphene oxide of Example 1 was oxidized more easily by irradiating ultrasonic waves in the graphite oxidation process. Therefore, the method of preparing graphene oxide according to the present invention does not require high temperature, pressure, and cooling time because the oxidation reaction is actively performed by providing more active sites between carbon layers through ultrasonic irradiation.

실험예Experimental Example 3. 3.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 광학 특성을 확인하기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트를 대상으로 시마즈사(Shimadzu,Japan)의 UV-1601PC UV-Vis 분광광도계(UV-Vis spectrophotometer)를 이용하여 UV-visible 흡광도를 측정하여 도 6에 나타내었다.In order to confirm the optical properties of the graphene oxide according to the present invention, the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and the graphite of Comparative Example 2 were subjected to UV-1601PC UV-Vis spectroscopy of Shimadzu, Japan The UV-visible absorbance was measured using a UV-Vis spectrophotometer and is shown in FIG.

도 6를 살펴보면, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예2의 모든 그래프는 200 내지 300nm영역에서 π-π* 전이에 의한 흡광도 피크가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 비교예 2의 그라파이트는 약 250 nm에서, 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 233 nm에서 약하고 브로드(broad)한 피크가 확인된다. 반면, 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 227 nm에서 강한 피크가 나타나며, 300 nm 영역에서 η-π* 전이에 의한 C=O 흡광도 피크가 약하게 존재하는 것을 확인할 수 있다. 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 비교예 1의 그래핀 옥사이드에 비해 π-π* 전이에 의한 흡광도 피크가 좀 더 짧은 파장에서 관찰되는데 이는 실시예 1의 그래핀 옥사이드의 산화가 더 잘 진행되었다는 의미이다.6, all the graphs of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 show that there is an absorbance peak due to? -Π * transition in the region of 200 to 300 nm. Specifically, the graphite of Comparative Example 2 shows a weak peak at about 250 nm, and the graphene oxide of Comparative Example 1 shows a weak and broad peak at 233 nm. On the other hand, the graphene oxide of Example 1 exhibits a strong peak at 227 nm, and the peak of C = O absorbance due to η-π * transition is weakly present in the region of 300 nm. The graphene oxide of Example 1 is observed at a shorter wavelength of absorption peak due to the transfer of π-π * than that of the graphene oxide of Comparative Example 1, which means that the oxidation of graphene oxide of Example 1 is more advanced to be.

실험예Experimental Example 4. 4.

실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트의 라만 스펙트럼을 측정하였으며, 그 결과는 하기 도 7에 나타내었다. 도 7의 (a)는 비교예 2의 그라파이트의 라만 스펙트럼을 나타내고, (b)는 실시예 1의 그래핀 옥사이드의 라만 스펙트럼을 나타내며, (c)는 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 라만 스펙트럼을 나타내며, (d)는 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 2D 라만 스펙트럼을 나타내는 것을 확인할 수 있다. The graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and the Raman spectrum of the graphite of Comparative Example 2 were measured and the results are shown in FIG. 7 (a) shows Raman spectrum of graphite of Comparative Example 2, (b) shows Raman spectrum of graphene oxide of Example 1, and (c) shows Raman spectrum of graphene oxide of Comparative Example 1 (D) shows the 2D Raman spectrum of the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1, respectively.

도 7을 살펴보면, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드 경우 비교예 2의 그라파이트에 비해 D 피크가 넓어지고, 강도가 강해진 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 비교예 2의 그라파이트는 1580±5 cm-1 영역에서 G 밴드가 관찰되고, 1350±5 cm-1 영역에서 D 피크가 관찰되며 피크의 모양도 뾰쪽(sharp)한 것을 알 수 있다. 반면, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 각각 1595±2 cm-1 및 1592±2 cm-1 영역에서 G 밴드가 관찰되고, 1361±5 cm-1 및 1351±5 cm-1 영역에서 D 피크가 관찰되며 피크의 모양도 넓은(broad) 것을 알 수 있다. 이때, G 밴드는 층(layer)가 얇을수록 밴드 위치는 더 높은 에너지 쪽으로 이동하며, 그래핀 옥사이드 내에 D 피크는 탄소 표면에 히드록시기 및/또는 에폭시기와 같은 치환기가 존재하여 구조의 불완전성으로 인해 넓게(broad) 나타난다. 또한, 그래핀의 무질서 지표로 사용되는 ID/IG 강도 비율은 실시예 1의 그래핀 옥사이드가 약 0.97로 비교예 1의 그래핀 옥사이드의 값인 0.95 및 비교예 2의 그라파이트의 값인 0.7에 비해 더 높은 것을 알 수 있다. 이를 통해 그라파이트에 비해 그래핀 옥사이드는 산소 관능기의 치환으로 그라파이트의 탄소 정렬이 깨졌다는 것을 알 수 있다. 7, it can be seen that the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 is broader in D peak and stronger in strength than the graphite of Comparative Example 2. Specifically, the graphite of Comparative Example 2 has a G band in the region of 1580 ± 5 cm -1 , a D peak in the region of 1350 ± 5 cm -1 , and the shape of the peak is sharp. On the other hand, in the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1, the G band was observed in the regions of 1595 ± 2 cm -1 and 1592 ± 2 cm -1 , and 1361 ± 5 cm -1 and 1351 ± 5 cm -1 regions D peak is observed and the shape of the peak is broad. At this time, the G band shifts to a higher energy band as the layer becomes thinner, and the D peak within graphene oxide has a substituent such as a hydroxyl group and / or an epoxy group on the carbon surface, (broad) appears. In addition, the I D / I G intensity ratio used as a disorder index of graphene is about 0.97 in the graphene oxide of Example 1, which is 0.95 which is the value of the graphene oxide of Comparative Example 1 and 0.7 of the graphite of Comparative Example 2 Higher. As a result, it can be seen that graphene oxide has a higher carbon content than that of graphite due to substitution of oxygen functional groups.

또한, 도 7의 (d)를 살펴보면 약 2700 cm-1 영역에서 2D 피크가 관찰 되며, 실시예 1의 그래핀 옥사이드가 비교예 1의 그래핀 옥사이드보다 넓고(broad), 높은(upshifted) 피크를 가지는 것을 알 수 있다. 이를 통해 실시예 1의 그래핀 옥사이드가 비교예 1의 그래핀 옥사이드보다 더 얇은 층(layer)으로 이루어진 것을 알 수 있다.7 (d), a 2D peak is observed at about 2700 cm -1 , and the graphene oxide of Example 1 is broader than the graphene oxide of Comparative Example 1 and has an upshifted peak . It can be seen that the graphene oxide of Example 1 is composed of a thinner layer than that of the graphene oxide of Comparative Example 1.

실험예 5.Experimental Example 5

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 온도에 따른 손실 정도를 평가하기 위하여 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드와 비교예 2의 그라파이트의 열중량 분석을 수행하였다. 이때, 열 중량 분석은 열 중량 분석기를 이용하여 질소 가스 분위기 하에서, 10℃/min의 승온 속도로 0℃에서 800℃까지 승온하여 수행되었으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.Thermogravimetric analysis of graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 and graphite of Comparative Example 2 was performed to evaluate the degree of loss of graphene oxide according to the present invention. At this time, the thermogravimetric analysis was performed by raising the temperature from 0 ° C to 800 ° C at a rate of 10 ° C / min under a nitrogen gas atmosphere using a thermogravimetric analyzer, and the results are shown in FIG.

도 8을 살펴보면, 비교예 2의 그라파이트는 약 650℃ 이상 범위에서 중량이 감소하여 약 13.39%의 중량 손실이 일어난 것을 알 수 있고, 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 3단계로 중량감소가 일어난다. 구체적으로 50 내지 170℃ 범위에서 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 약 36.74%의 중량 감소가 일어나고 비교예 1의그래핀 옥사이드는 액 26.42%의 중량 감소가 일어나는 것을 알 수 있다. 이는 그래핀 옥사이드 사이에 존재하는 물분자가 제거되기 때문이다. 또한, 170 내지 380℃ 범위에서 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 약 15.42%의 중량 감소가 일어나고 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 약 26.9%의 중량 감소가 일어나는 것을 알 수 있다. 이는 히드록시기 및 에폭시기와 나머지 물분자가 제거되는 과정으로 실시예 1의 그래핀 옥사이드가 열에 안정하여 비교예 1의 그래핀 옥사이드보다 적은 비율로 감소하는 것을 알 수 있다. 아울러 380℃ 이상의 범위에서 그래핀 옥사이드 내에 남은 탄소와 산소관능기의 열분해로 일산화탄소와 이산화탄소가 생성되며 최종적으로 800℃로 열 분해하였을 때 실시예 1 및 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 각각 약 86.14% 및 약 82.12%의 중량 감소를 나타낸다.8, graphite of Comparative Example 2 showed a weight loss of about 13.39% due to a decrease in weight in a range of about 650 ° C or higher, and the graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1 had a weight Reduction occurs. Specifically, in the range of 50 to 170 캜, the graphene oxide of Example 1 shows a weight loss of about 36.74% and the graphene oxide of Comparative Example 1 shows a weight loss of 26.42%. This is because water molecules present between graphene oxide are removed. It can also be seen that the weight loss of graphene oxide of Example 1 is about 15.42% and the weight loss of graphene oxide of Comparative Example 1 is about 26.9% at 170 to 380 ° C. It can be seen that the graphene oxide of Example 1 is stable to heat and is reduced at a smaller rate than the graphene oxide of Comparative Example 1 due to the process in which the hydroxyl group, the epoxy group and the remaining water molecules are removed. In addition, carbon monoxide and carbon dioxide were generated by pyrolysis of the carbon and oxygen functional groups remaining in graphene oxide in the range of 380 ° C or higher, and finally, when thermally decomposed at 800 ° C, the graphene oxides of Example 1 and Comparative Example 1 were about 86.14% Indicating a weight loss of about 82.12%.

실험예Experimental Example 6. 6.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법에 대한 에너지 소비효율을 알아보기 위하여, 실시예 1 및 비교예1의 그래핀 옥사이드 제조방법에서 1g의 그라파이트를 통해 얻은 그래핀 옥사이드의 수득량, 열 에너지 소모량, 시간 에너지 소모량, 열 및 시간 에너지 소모량 및 그램당 제조비용 등을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.In order to investigate the energy consumption efficiency of the process for producing graphene oxide according to the present invention, in the process for producing graphene oxide of Example 1 and Comparative Example 1, the yield of graphene oxide obtained through 1 g of graphite, , Time energy consumption, heat and time energy consumption, and manufacturing cost per gram were measured, and the results are shown in Table 2 below.

실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 합성 조건Synthesis condition 30℃, 45분
(초음파 조사)
30 ° C, 45 minutes
(Ultrasonic irradiation)
50℃, 12시간
(초음파 미조사)
50 캜, 12 hours
(Ultrasonic irradiation)
수득량(g)Yield (g) 1.691.69 1.351.35 총에너지 소비량
(heat, kW·h/g)
Total energy consumption
(heat, kW · h / g)
0.026
(96.67 kJ)
0.026
(96.67 kJ)
0.116
(421.11 kJ)
0.116
(421.11 kJ)
총에너지 소비량
(time, kW·h/g)
Total energy consumption
(time, kW · h / g)
0.11700.1170 2.1602.160
총에너지 소비량
(heat+time, kW·h/g)
Total energy consumption
(heat + time, kW · h / g)
0.1430.143 2.2762.276
총비용/g($/g)Gross cost / g ($ / g) 0.020.02 0.320.32

표 2를 살펴보면, 실시예 1의 그래핀 옥사이드는 30℃에서 45분간 초음파를 조사해서 제조하고, 비교예 1의 그래핀 옥사이드는 50℃에서 12시간 동안 열을 가하여 제조하였으며 실시예 1의 그래핀 옥사이드 수득량은 1.69g으로 비교예 1의 그래핀 옥사이드 수득량인 1.35g와 비교하여 약 1.25배 이상 수득량이 많은 것을 알 수 있다. 이때, 실시예 1과 같이 상온(20℃)에서 30℃로 온도를 올리는데 드는 총 에너지 소비량은 0.026 kW·h/g이고, 비교예 1과 같이 상온(20℃)에서 50℃로 온도를 올리는데 드는 총 에너지 소비량은 0.116 kW·h/g이다. 또한, 실시예 1과 같이 45분간 그래핀 옥사이드를 제조하는데 걸린 총 에너지 소비량은 0.117 kW·h/g이고, 비교예 1과 같이 12시간 동안 그래핀 옥사이드를 제조하는데 소비된 총 에너지 소비량은 2.160 kW·h/g이다. 이에, 제조시간과 온도를 유지하는데 소비된 총 에너지 소비량은 실시예 1의 경우가 0.143 kW·h/g이고, 비교예 1의 경우가 2.276 kW·h/g으로, 실시예 1의 그래핀 옥사이드 제조방법이 에너지 소비율 측면에서 효율적인 것을 알 수 있다. 또한, 1g당 제조비용 측면에서도 실시예 1의 경우 1g 당 0.02 달러의 비용이 들지만, 비교예 1의 경우 1g 당 0.32 달러의 비용이 드는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드의 제조방법은 에너지 소비 측면뿐만 아니라 제조비용 측면에서도 이점이 있는 것을 알 수 있다.Referring to Table 2, the graphene oxide of Example 1 was prepared by irradiating ultrasonic waves at 30 ° C for 45 minutes, and the graphene oxide of Comparative Example 1 was prepared by heating at 50 ° C for 12 hours. The graphene oxide of Example 1 The oxide yield was 1.69 g, which is larger than the 1.35 g gain of the graphene oxide of Comparative Example 1 by about 1.25 times. As in Example 1, the total energy consumption for raising the temperature from room temperature (20 ° C) to 30 ° C was 0.026 kWh / g, and the temperature was increased from room temperature (20 ° C) to 50 ° C Total energy consumption is 0.116 kW · h / g. In addition, the total energy consumption for producing graphene oxide for 45 minutes as in Example 1 was 0.117 kWh / g, and the total energy consumption for producing graphene oxide for 12 hours as in Comparative Example 1 was 2.160 kW · H / g. Thus, the total amount of energy consumed in maintaining the production time and temperature was 0.143 kWh / g in Example 1 and 2.276 kWh / g in Comparative Example 1, It can be seen that the manufacturing method is efficient in terms of the energy consumption rate. In addition, from the viewpoint of the manufacturing cost per 1 g, the cost of Example 1 is about 0.02 dollars per gram, while that of Comparative Example 1 is about 0.32 dollars per gram. Therefore, it can be seen that the method of producing graphene oxide according to the present invention is advantageous not only in terms of energy consumption but also in manufacturing cost.

Claims (6)

그라파이트를 산 및 과망간산 칼륨과 혼합한 혼합물에 초음파를 조사하는 단계를 포함하며,
상기 초음파를 조사하는 단계는 20 내지 50℃에서 30분 내지 70분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 그래핀 옥사이드의 제조방법.
Comprising the step of irradiating a mixture of graphite with an acid and potassium permanganate with ultrasonic waves,
Wherein the step of irradiating the ultrasonic waves is performed at 20 to 50 DEG C for 30 to 70 minutes.
제1항에 있어서,
상기 산은 황산, 인산, 질산 및 염산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 옥사이드의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the acid comprises at least two selected from the group consisting of sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, and hydrochloric acid.
제1항에 있어서,
초음파를 조사하는 단계에서 과망간산 칼륨의 첨가량은 그라파이트 100 중량부 대비 500 내지 800 중량부인 것을 특징으로 하는 그래핀 옥사이드의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the potassium permanganate is added in an amount of 500 to 800 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite in the step of irradiating ultrasonic waves.
제1항에 있어서,
초음파를 조사하는 단계는 30 kHz 내지 60 kHz 주파수의 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 그래핀 옥사이드의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of irradiating ultrasonic waves comprises irradiating ultrasound at a frequency of 30 kHz to 60 kHz.
제1항에 있어서,
상기 초음파를 조사하는 단계 이후에 세척하는 단계를 더 포함하는 그래핀 옥사이드의 제조방법.
The method according to claim 1,
And washing the ultrasonic wave after the step of irradiating the ultrasonic wave.
제5항에 있어서,
세척하는 단계 이후에 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 옥사이드의 제조방법.

6. The method of claim 5,
Further comprising the step of drying after the step of washing.

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