KR20190038585A - 그래핀 산화물의 합성을 위한 개선된 방법 - Google Patents

Abstract

그래핀 산화물은 시약으로서 H₂SO₄, KMnO4, H₂O₂ 및/또는 H₂O만을 사용하는 그래파이트의 화학적 처리에 의해 합성된다. 본원에 개시된 방법을 사용하여 얻어진 그래핀 산화물 필름은 다양한 분석 기법을 사용하여 특성화되었다. 이런 분석 기법들은 본원에 개시된 방법을 사용하여, 상대적으로 큰 측면 크기 분포를 가지는 단일층 내지 소수층 그래핀 산화물의 생성을 보여주었다.

Description

그래핀 산화물의 합성을 위한 개선된 방법

본 발명은 그래핀 산화물의 화학적 합성에 관한 것이다. 구체적으로, 선행 기술 방법과 비교하여, 본원에 개시된 발명은 상대적으로 대규모 및 고품질의 그래핀 산화물 물질을 제공하는 한편 유독 가스의 생성을 방지하고 H₃PO₄의 사용을 피할 수 있는 간단하고, 비용-효율적인 방법을 제공한다.

기본적으로, 그래핀은 그래파이트 (즉 sp² 혼성화 탄소 원자들)의 단일층으로 구성된다. 그래핀은 강철보다 대략 200배 더 강하고, 인간의 모발보다 거의 일백만배 얇으며, 구리보다 전도성이 크다. 그러한 특유하고 유익한 물리적 특성으로, 그래핀, 특히, 고품질 그래핀은 다양한 산업분야에 사용하기에 바람직하다. 예를 들어, 고품질 그래핀을 얻는 것은 전자 및 광자 기반 용도에 상당히 중요하다. 현재, 화학적 증착법이 이러한 용도에 대해 고품질 그래핀을 제조하는 바람직한 경로이다. 그러한, 화학적 증착법은 값비싸고 합리적인 비용으로 대규모 산업적 용도에 요구되는 양의 그래핀을 현재로서는 생산할 수 없다.

특유하고 유익한 특성으로 인해, 상업적 규모로 고품질 그래핀을 비용-효율적으로 생산하기 위한 상당한 조사 및 개발 작업이 최근에 진행되었다. 대량의 그래핀을 생산할 수 있는 것으로 여겨지는 한가지 그러한 방법은 그래핀 산화물의 화학적 제조이다. 그래핀 산화물의 제조를 통해 생산된 그래핀은 전통적으로 화학적 증착법을 통해 제조된 그래핀과 비교하여, 제조 공정 중에 생성되는 결함 (하기 논의됨)으로 인해 열등한 품질의 것이었다. 그래핀 산화물의 제조를 통해 생산된 그래핀은 현재 특수하게 나노복합재, 기능성 코팅, 도료 및 화학적 및 생물학적 감지 및 에너지 저장 디바이스용 전극 재료 영역에서 새로운 기술적으로 진보된 재료를 개발하는데 사용된다.

그래핀 산화물을 생성하는 가장 흔한 방법들 중 하나는 반 데르 발스 힘에 의해 함께 붙들려 있는 다수의 그래핀 시트로 구성된 그래파이트 (예컨대, 벌크 그래파이트)의 화학적 박리(exfoliation)를 통한 것이다. 우수한, 고품질의 순수한 벌크 그래파이트의 한 가지 공급원은 스리랑카의 맥상형 그래파이트(vein graphite)이다. 스리랑카는 80 내지 99% 탄소 범위의 순도 수준을 가진 고품질의 결정성 맥상형 그래파이트에 대해 오랫동안 명성을 누려오고 있다. 스리랑카의 맥상형 그래파이트는 덩어리로서 채광되고, 기타 천연 그래파이트 물질과 비교하여 고도의 결정 완벽성, 우수한 전기적 및 열적 전도성, 및 월등한 응집 에너지를 가지는 것으로 여겨진다.

전통적인 화학적 박리 방법에서, 그래파이트는 그래핀 산화물을 제조하기 위해 강력한 산화제로 처리된다. 그래핀 산화물을 합성하는 가장 초기의 기록된 방법들 중 하나는 Brodie (1859)에 의한 것이었다. Brodie는 발연 질산(fuming nitric acid) 중의 그래파이트의 슬러리에 약간의 염소산 칼륨을 첨가함으로써 그래핀 산화물의 합성을 입증하였다. Staudenmaier (1898)에 의한 후속된 연구들은 발연 질산뿐만 아니라 농축 황산을 사용하고 반응 공정에 걸쳐 다수의 부분표본으로 염소산 칼륨을 첨가함으로써 Brodie의 방법을 개선시켰다. Staudenmaier에 의한 Brodie 방법의 변경은 단일 반응 용기에서 고도로 산화된 그래핀 산화물의 제조를 더 실제적이 되도록 하였다. Hummers (1958)는 이 방법을 한층 더 개선시켰다 (Hummers et al, 1958 참조, 본원에서 "Hummer"로 언급함). 현재 통상적으로 사용되는 Hummers의 방법에서, 그래파이트는 농축된 H₂SO₄ 중에서 KMnO₄ 및 NaNO₃으로의 처리에 의해 산화된다.

그래핀 산화물을 제조하는 이러한 전통적인 방법들은 결함을 피할 수 없다. Brodie, Staudenmaier, 및 Hummers 방법들은 각각 그래핀 산화물을 생성하기 위해 사용될 수 있는 한편으로, 각각의 방법은 상업적 규모에서의 환원을 통해 고품질의 그래핀을 생산하기 위해 이상적이지 못한 그래핀 산화물 구조를 초래한다. 보다 구체적으로 말하면, 이들 방법들은 각각 그래핀 산화물 화학적 구조에 상당한 결함을 초래하는데, 그런 결함은 그래핀 산화물의 그래핀으로의 후속적인 환원 중에 쉽게 복구될 수 없다. 예를 들어, Hummers 방법에서 결함이 형성될 수 있는데, KMnO₄로의 그래파이트의 산화가 근접한 다이올을 생성할 망간산염 에스테르의 형성을 초래하기 때문이다. 보호되지 않은 채로 있다면, 근접한 다이올은 다이케톤으로 산화될 수 있고, 그것은 그래핀 기저면에서의 구멍들의 형성으로 이어진다. 결과적으로 생성된 화학적으로 전환된 그래핀의 그러한 화학적 결함들은 아주 깨끗한, 고품질의 그래핀과 비교하여 매우 수요가 많은 전기적 및 기계적 특성을 감소시킨다. 추가로, 이러한 선행 기술 방법들은 각각 하나 이상의 유독 가스, 예컨대 NO₂, N₂O₄, 및/또는 ClO₂의 생성을 포함한다.

최근에 Hummers 방법의 개선된 버전이 라이스 대학교(Rice University)의 James Tour 그룹에 의해 개시되었다 (US 2012/0129736 A1 참조, 본원에서 "Tour"로 언급함). 이 개선된 방법은 NaNO₃을 배제하고, 더 많은 양의 KMnO₄ 및 H₂SO₄를 필요로 하며, 또한 H₂SO₄/H₃PO₄의 9:1 혼합물에서 반응을 수행한다. Tour에 따르면, 이 방법은 유독 가스를 생성하지 않으며 결과적인 그래핀 산화물에서 과도한 산화 및 결함 (즉 구멍) 형성을 방지한다. 또한 Tour에 따르면, 그래핀 산화물 구조에서 과도한 산화에 의해 유발될 수 있는 결함 형성을 방지하는 것을 돕는 것은 바로 H₃PO₄의 첨가이다. 보다 최근에 Chen과 그의 동료들은 (Chen et al, 2013 참조, 본원에서 "Chen"으로 언급함) H₃PO₄를 사용하지 않는 방법을 소개하지만, 그 산화 방법은 Tour 방법보다 더 낮은 정도의 산화를 초래한다.

그러나, H₃PO₄의 사용은 그것의 비용 및 반응 방법의 증가하는 복잡성으로 인해 바람직하지 못하다. 게다가, KMnO₄는 특히 산성 매질에서 가장 강력한 산화제 중 하나이다. 농축 H₂SO₄로의 그래파이트의 완전한 층간 삽입(intercalation)은 KMnO₄의 보조로 그래파이트 바이설페이트의 형성에 의해 이루어질 수 있다 (Sorokina et al, 2005 참조). 따라서, 그래파이트 바이설페이트의 형성은 반응 안정성을 제공하고, 그로써 NaNO₃ 및/또는 H₃PO₄의 역할은 Hummers 방법을 사용하는 그래핀 산화물 (본원에서 "GO"로 언급함)의 합성에는 불필요하게 된다. 따라서, 벌크 그래파이트로부터 유독 가스 또는 기타 독성 부산물의 생성 또는 H₃PO₄의 사용 없이 고품질의, 고도로 산화된 그래핀 산화물 (즉, 결함이 적은 그래핀 산화물)을 생성하는 상업적으로 실행 가능한 방법을 개발하는 것이 유익할 것이다.

본원에는 합성을 위한 시약으로서, 유일하게 H₂SO₄, KMnO₄ 및 H₂O₂ 및/또는 H₂O만을 사용하여 그래파이트로부터 그래핀 산화물을 화학적으로 합성하기 위한 신규한 접근법이 개시된다. 개시된 방법은 선행 기술 방법들보다 확장 가능하고, 저렴하며, 안전하다. 본원에 개시된 방법에 의해 제조된 화학적으로 박리된 그래핀 산화물은 수성 및 극성 유기 용매에서 모두 고도의 용해도를 가지며 박막으로 주조될 수 있을뿐만 아니라 선행 기술 방법들에 의해 제조된 구조들과 비교하여 상대적으로 큰 측면 치수를 가지는 단일 층 내지 소수 층 그래핀 산화물 구조로 박리될 수 있다.

보다 구체적으로, 본 출원은 H₂SO₄, KMnO₄만을 사용하고 H₂O₂ 및/또는 H₂O 또는 얼음으로 퀀칭함으로써 그래파이트로부터 그래핀 산화물을 합성하는 변형된 화학적 산화 방법을 개시한다. 본 발명의 방법은 Tour에서 개시된 방법에서 사용된 중심 보호제인 H₃PO₄를 사용하지 않는다. 놀랍고도 예상치 못하게, 정확한 비율의, H₂SO₄, KMnO₄, H₂O₂, 및/또는 H₂O가 단독으로 그래파이트로부터 고품질의 그래핀 산화물을 제조하기 위한 시약으로서 H₃PO₄ 없이 사용될 수 있는 것으로 발견되었다. 본 출원인의 발명 전에는, H₃PO₄의 사용이 독성 가스 유리 방법(toxic-fume free method)으로 그래파이트로부터 고품질의 그래핀 산화물을 제조하는데 필수적이었던 것으로 여겨졌다.

일반적으로, 본 발명의 구체예에서, 그래파이트는 H₂SO₄가 첨가된 용기에 넣어진다. 이 H₂SO₄/그래파이트 혼합물에, 교반하면서 KMnO₄가 첨가된다. 그런 후 교반은 수시간 동인 계속되고 반응은 얼음, H₂O, 및/또는 얼음 및 H₂O₂로 퀀칭된다. 그런 후 상층액은 버려지고, 그래핀 산화물 슬러리가 남겨진다. 그런 후 남겨진 것은 탈이온수로 시작하여 계속해서 1:2의 물:HCl 혼합물로 여러번 세척되어 Mn²⁺ 이온 및 기타 불순물이 제거된다. 그런 후 세척은 마지막으로 에탄올 및 다이에틸에테르로 수행되어 그래핀 산화물 분말이 얻어진다. 이 단계 후 얻어진 갈색의 고체 물질은 그런 후 상온에서 진공하에 건조된다. 파일럿 규모 공정이 또한, 반응의 확장성을 이해하기 위하여, 이 구체예로 수행된다.

대안적으로, 그래핀 산화물 슬러리는 수용액에 약간의 그래핀 산화물 슬러리를 적하방식으로 첨가한 후 수용액/그래핀 산화물 슬러리를 초음파 처리함으로써 박리될 수 있다. 초음파 처리된 혼합물은 필요에 따라 적절한 기질로 옮겨질 수 있다. 일단 그래핀 산화물이 수용액에 분산되면, 그것은 그래핀 산화물의 단분자 또는 실질적으로 단분자 시트를 생산한다. 이러한 시트들은 그런 후 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 형태를 얻기 위해 환원될 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시 구체예에 따르는 그래핀 산화물 분말에 대해 얻어진 X-선 회절 패턴을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시 구체예에 따르는 그래핀 산화물에 대해 얻어진 열중량 분석 스펙트럼(Thermo-gravimetric Analysis spectrum)을 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시 구체예에 따르는 그래핀 산화물 분말에 대한 푸리에 변환 적외선 분광학(Fourier Transform IR spectrum)을 도시한다.
도 4는 그래핀 산화물에 대한 라만 스펙트럼을 도시한다.
도 5는 그래힌 산화물에 대한 핵 자기 공명 (NMR) 스펙트럼을 도시한다.
도 6은 운모 기질 상의 그래핀 산화물 플레이크의 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy) 이미지를 도시한다.
도 7은 레이시 카본 TEM 격자 상에 얻어진 그래핀 산화물에 대한 TEM 이미지 및 SAED 패턴을 도시한다.
도 8은 고도로 산화된 그래핀 산화물에 대한 자외선/가시광 스펙트럼을 도시한다.

다음의 설명은 본원에서 기술된 발명의 다양한 실행의 상세한 구체예들을 제공한다. 본 설명을 읽은 후에, 당업자에게는 다양한 대체 구체예들 및 대체 적용으로 발명을 실행하는 방법이 드러날 것이다. 그러나, 비록 본 발명의 다양한 구체예들이 본원에서 기술될지라도, 이러한 구체예들은 단지 예시에 의해 제공되며, 제한하는 것이 아니라는 것이 인지된다. 그와 같이, 다양한 대체 구체예들의 상세한 설명은 발명의 범주 또는 폭을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

구체예에서, Bogala 그래파이트 (GK) (Sri Lanka)로부터 얻어진 대략 1.5 g의 천연 고순도 (>99%) 맥상형 그래파이트가 100 ml의 0℃의 H₂SO₄ (95 내지 97%, Sigma-Aldrich, 분석급)에 첨가되었다. 이 첨가 중에, 혼합물은 0 내지 10℃로 유지되었고 교반되었다. 혼합물은 교반되는 한편, 약 5.4 g의 KMnO₄ (99%, Lions Lab Chemicals, India, LR 급)가 합리적인 속도 (즉, 2 g/분)로 첨가되었다. 혼합물의 온도는 약 0 내지 10℃에서 유지되었다. 이 지점에서, 반응 혼합물은 녹색을 띄었다. KMnO₄의 첨가 후에 혼합물은 12시간 동안 0 내지 10℃에서 교반되었고 혼합물의 색은 진한 갈색으로 바뀌었다. 12시간 동안 교반된 후에, 반응 혼합물은 약 200 g의 얼음, 200 ml의 H₂O, 및 1.5 ml의 H₂O₂의 혼합물로 퀀칭되었다. 이 단계에서 반응 혼합물의 색은 황색으로 바뀌었다.

그런 후 상층액은 조심스럽게 버려지고 그래핀 산화물 슬러리가 남겨졌다. 다음으로, 남겨진 그래핀 산화물 슬러리는 400 ml의 탈이온수로 세척된 후 1:2의 수성 HCl 용액으로 세척되었다. 그 다음, 그래핀 산화물 분말을 얻기 위하여, 남겨진 슬러리는 400 ml의 에탄올 및 400 ml의 에테르로 세척되었다. 얻어진 갈색의 고체 물질은 상온에서 진공 하에 건조되었다.

반응의 확장성을 이해하기 위하여, 대략 100 g의 천연 고순도 (>99%) 맥상형 그래파이트를 사용하여 동일한 공정으로 파일럿 규모의 공정이 또한 수행된다. 구체예에서, 반응 시간은 최대 20시간으로 증가한다.

대안적으로, 그래핀 산화물 슬러리는 그런 후 약 5 mg의 점성 그래핀 산화물 슬러리를 약 200 ml의 탈이온수에 적하방식으로 첨가함으로써 박리되었다. 이런 슬러리/물 혼합물은 그런 후 초음파 처리 장치 (Grant, USA, 120 W, 150 Hz)에 20분 동안 넣어졌다. 초음차 처리된, 그래핀 산화물 슬러리/물 혼합물은 그런 후 원자력 현미경 이미지를 얻기 위해 새롭게 절단된 운모 시트 위로 적하방식으로 옮겨졌다.

그래핀 산화물 막 특성화

구체예에서 생성된 그래핀 산화물 막에 대한 X-선 회절, 열중량 분석, 푸리에 변환 적외선 분광학, 핵 자기 공명 분광학, 라만 분광학, 원자력 분광학 및 투과 전자 현미경 측정들은 구조 및 산화 공정으로 인해 발생한 화학적 변화를 보여준다.

1) X-선 회절 특성화

X-선 회절 ("XRD") 데이터는 MBraun PSD 위치 감작 검출기가 장착되고 X-축이 5° 내지 55°의 범위 (2θ의) 내로 한정된 D8-Bruker AXS 회절분석기 상에서 측정되었다. 도 1은 (a)에서 본 발명의 구체예 방법에 따라 생성된 그래핀 산화물로부터 얻어진 대표적인 XRD 스펙트럼을 나타낸다. 도 1은 (a)에서 9.48 ± 0.12 Å의 층간 간격을 나타낸다. XRD 층간 간격은 산화 정도에 비례한다. 이것은 차례로 GO를 단층 시트로 박리하기 위한 기능과 관련되며, 단층 시트는 환원시 단층 그래핀으로 이어질 수 있다. 여기서 기록된 층간 간격은 Tour에서 개시된 방법을 사용할 때 기록된 간격과 유사한 것이 주지되어야 한다. 그러나, 도 1은 (b)에서 파일럿 규모 공정으로부터의 그래핀 산화물로부터 얻어진 XRD 스펙트럼을 나타내는데, 이때의 층간 간격은 9.59 ± 0.12 Å이었고, 매우 고도의 산화 정도를 보여준다. 이렇게 높은 값은 지금까지의 문헌에서는 결코 보고되지 않았다.

2) 열중량 분석

열중량 분석 ("TGA")은 열천칭이 장착된 SDT Q600 분석기 상에서 100 ml/분의 가스 유량으로 고순도의 N₂로 퍼지된 환경 하에서 수행되었다. 샘플은 5℃/분의 속도로 35℃로부터 1000℃로 가열되었다. 도 2는 본 발명의 구체예 방법에 따라 생성된 그래핀 산화물에 대해 얻어진 TGA 스펙트럼을 나타낸다. 도 2의 TGA 스펙트럼은 130℃ 내지 220℃에서의 유의미한 중량 손실을 나타낸다. 이것은 대부분의 가변적인 작용기로부터 CO 및 CO₂ 방출의 방출에 상응한다. 그 이상의 온도에서 1000℃에서의 더 느린 중량 손실은 보다 안정적인 산소 작용기의 제거에 기인할 수 있다.

3) 푸리에 변환 적외선 분광학 특성화

활용할 수 있는 작용기의 정성적 이해를 도모하기 위하여, 푸리에 변환 적외선 분광학 ("FTIR") 측정값이 약화된 총 반사율 악세사리가 장착된 Bruker NANCO Vertex 80 FTIR 분광계 상에서 기록되었다. 대표적인 FTIR 스펙트럼이 도 3에 도시된다. 다음의 작용기들이 확인되었다. 하이드록실 신장 밴드 (3000 내지 4000 cm^-1 ). 1732 cm^-1에서의 피크는 카르보닐 C=O 이중 결합 신장 진동으로서 배정되었고, 1624 cm^-1에서의 예리하고 강한 흡수는 층간 삽입된 물 분자의 연신 모드로서 배정되었다. 산화되지 않은 sp² CC 결합으로부터의 C=C (1590 내지 1620 cm^-1), 1200 cm^-1 및 그 아래에서의 C-O 진동 및 C-O-C (-에폭시-) 진동. 관찰된 스펙트럼상의 피크 위치들은 Tour에서 개시된 방법을 사용하는 그래핀에 대한 공개된 데이터와 아주 잘 일치한다.

4) 라만 분광학

실험실 및 파일럿 규모 공정의 샘플의 라만 분광학은 514.5 nm 파장 레이저를 사용하여 Renishaw InVia 라만 분광계에 의해 수행되었다. 데이터는 50배의 대물 렌즈로 수집되었고, 분광계는 100 cm^-1에서 500 cm^-1까지 주사되었다. 실험실 공정 및 파일럿 규모 공정의 두 샘플의 라만 스펙트럼이 도 4에서 각각 (a) 및 (b)로 도시된다. 보통 그래핀 산화물은 D 및 G로 불리는 2개의 두드러진 피크 및 덜 강력한 고차원 피크 2D 및 S3을 가진다. G 피크는 브릴루앙 영역 중심 (Brillouin zone centre)에서의 E2G 포논(phonon)에 상응하며 그래파이트의 경우 1580 cm^-1에서 관찰된다. 실험실에서 처리된 샘플의 G 피크는 더 넓으며 1587 cm^-1로 청색 이동되었고, Tour에서 개시된 방법에 유사한 고차원 산화를 보여준다. 활성화를 위해 결함을 필요로 하는 D 피크는, sp² 고리의 브리딩 모드(breathing mode)로 인해 발생하고, 1352 cm^-1에서 집중된다. 그러나, 파일럿 규모 공정 샘플의 G 피크 위치는 1580 cm^-1에서 유지되고 D 피크는 이미 XRD에서와 같이 관찰된 매우 높은 산화로 인해 1347 cm^-1에서 집중된다. 다른 방법으로부터 유래된 이러한 GO에 대한 I(D)/I(G) 비율은 실험실 공정의 경우 0.95 및 파일럿 규모 공정의 경우 0.94에 비교하여, 보통 약 1 또는 그 이상이다. 더 낮은 I(D)/I(g) 비율은 현재의 산화 방법에서 발생하는 sp² 결합된 그래핀 구조의 결함의 상대적인 수가 더 낮은 것을 가리킨다. 무질서한 sp² 탄소들에서 결함간 거리 (La)는 관계식 I(D)/I(G) = C'(λ) La² (이때 C'는 (514.5 nm) ∼ 0.55 nm^-2임)으로부터 계산될 수 있다. 샘플에 대한 L_a의 값은 약 1.3 nm이다.

5) 고체 상태 ¹³C 핵 자기 공명 (NMR) 분광학

도 5는 고도로 산화된 그래핀 산화물에 대한 고체 상태 직접 ¹³C 펄스(pulse) NMR 스펙트럼을 도시한다. ¹³C NMR 스펙트럼은 10 kHz의 매직각 스피닝(magic angle spinning), 90°¹³C 펄스, 40 ms FID 및 20초 이완 지연을 포함하여, 50.3 MHz에서 얻어졌다. ¹³C NMR 스펙트럼에서, 6개의 피크가 62, 73, 87, 130, 159에서 및 173 ppm 근처에서 관찰되었고, 각각 에폭사이드, 알코올, 락톨(lactol), 그래파이트 탄소, 카르복실레이트, 및 케톤으로 배정된다. NMR 결과는 또한 산화 공정을 잘 나타내고 다른 기록된 방법과 양호하게 일치한다.

6) 원자력 현미경 이미지

임의의 그래핀 산화물 제조 방법의 상업적 실행 가능성의 가장 중요한 측면들 중 하나는 타당한 측면 치수를 가지는 단일층 내지 소수층 그래핀 산화물 시트를 얻을 수 있는 능력이다. 상기에서 기술된 것과 같이, 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 그래핀 산화물은 원자력 현미경을 사용한 특성화를 위해 박리되고 운모 기질 위로 옮겨졌다. 도 6은 고품질 그래핀 산화물의 단일층 내지 소수층의 상대적으로 큰 (대략 5 마이크론 x 7.5 마이크론) 시트의 제조를 보여주는 원자력 현미경 이미지 ("AFM")를 도시한다. 이 시트의 측면 크기는 Hummers 또는 Tour 방법을 사용하여 얻어진 기록된 값들보다 훨씬 더 크다. 중요하게도, AFM 이미지는 본 발명의 방법에 의해 제조된 그래핀 산화물 시트가 고품질이고, Tour 방법에 의해 제조된 그래핀 산화물과 유사하게, 실질적인 결함을 함유하지 않았음을 보여준다.

7) 투과 전자 현미경 및 선택 영역 전자 회절 (SAED)

도 7은 (a)에서 레이시-탄소 격자 상에 얻어진 단일/소수 층 고도-산화 그래핀 산화물에 대한 TEM 이미지를 나타낸다. 그래핀 산화물에 대한 선택적 영역 전자 회절 (SAED) 패턴을 보여주는 상응하는 것은 도 7 (b)에서 도시된다. 본 개시의 방법에 의해 제조된 그래힌 산화물에 대한 SAED 패턴은 sp² 결합된 탄소 평면에서 양호한 결정성 및 더 규칙적인 탄소 프레임워크를 나타낸다.

8) 자외선-가시관 (UV-Vis) 분광학

도 8은 0.1 mg ml^-1 농도에서의, 그래핀 산화물에 대한 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 본 개시의 λ_max 값은 아릴 고리의 π-π* 이행으로부터 유발되어, 231.6 nm이다. 이것은 그래핀 층 내의 가장 큰 손상되지 않는 콘쥬게이트된 그래파이트 도메인의 존재를 함축한다. 추가적으로, 300 nm 근처에서의 작은 어깨 피크(small shoulder peak)는 π-π* 이행의 표준화된 흡광도에 기인하며, sp²-콘쥬게이트된 도메인과 관련하여 C=O 함유 작용기의 상대적인 개체군의 증가를 함축한다.

개시된 구체예들의 상기 설명은 당업자가 발명을 제조하거나 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 이런 구체예들에 대한 다양한 변형이 당업자들에게 쉽게 드러날 것이며, 본원에 기술된 일반적인 원칙은 발명의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않으면서 다른 구체예들에도 적용될 수 있다. 그러므로, 본원에 제공된 설명 및 도면은 현재 발명의 바람직한 구체예들을 나타내며 그러므로 본 발명에 의해 폭넓게 포함되는 대상물을 나타내는 것으로 인지되어야 한다. 또한 본 발명의 범주는 당업자들에게 명백해질 다른 구체예들을 전체적으로 포함하며 따라서 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위 이외에는 그 어떤 것에 의해서도 제한되지 않는 것이 인지된다.

Claims (13)

1. H₃PO₄를 사용하지 않는 그래핀 산화물의 합성 방법으로서,
   a. 그래파이트 공급원을 제공하는 단계;
   b. 그래파이트 공급원을 용기에서 H₂SO₄와 반응시키는 단계;
   c. 용기에 KMnO₄를 첨가하여 반응 혼합물을 형성하는 단계;
   d. H₂O₂ 및 H₂O를 반응 혼합물에 첨가하여 상층액과 그래핀 산화물 슬러리를 생성시키는 단계; 및
   e. 상층액을 분리시켜서 그래핀 산화물 슬러리를 얻는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 세척제로 그래핀 산화물 슬러리를 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 세척제는 H₂O와 HCl의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 세척제는 에탄올과 다이에틸 에테르의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 2 항에 있어서, 그래핀 산화물 슬러리는 진공 하에 상온에서 건조되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 2 항에 있어서, 그래핀 산화물 슬러리는 박리되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 박리는 그래핀 산화물 슬러리를 수용액에 첨가하는 단계 및 그 결과의 혼합물을 음파처리하여 음파처리된 혼합물을 생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 박리는 음파처리된 혼합물을 기질로 옮기는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 그래파이트 공급원 (g) 대 H₂SO₄ (ml)의 비율은 약 0.5:100 내지 약 2.5:100인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 그래파이트 공급원 (g) 대 KMnO₄ (g)의 비율은 약 1:2 내지 약 1:5인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 그래파이트 공급원은 적어도 99%의 그래파이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 10 항에 있어서, 그래파이트 공급원과의 반응 중에 H₂SO₄의 온도는 0℃ 내지 10℃에서 유지되고 H₂SO₄ 및 그래파이트 공급원은 용기에서 교반되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 10 항에 있어서, 반응 혼합물은 8 내지 24시간 동안 0℃ 내지 10℃에서 교반되는 것을 특징으로 하는 방법.

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