KR20200018019A - Method for low defective graphene oxide using antioxidant and graphene oxide thereby - Google Patents

Method for low defective graphene oxide using antioxidant and graphene oxide thereby Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for producing low defectivity graphene oxide using an oxidation stabilizer and the low defectivity graphene oxide produced by the method and, more specifically, to a graphene oxide producing method comprising: a step (a) of producing oxidation stabilizer solution by adding acid solution and an oxidation stabilizer into a reactor and stirring the same; a step (b) of adding graphite and potassium permanganate (KMnO_4) into a reactor including the oxidation stabilizer solution, and performing an oxidation reaction therein; a step (c) of obtaining a product containing graphene oxide by adding and stirring hydrogen peroxide (H_2O_2) after adding distilled water to the reactant; and a step (d) of washing and drying the product. The present invention produces low defectivity graphene oxide in which residual binding is reduced after the reduction of graphene oxide while maintaining the size of a graphene oxide sheet by suppressing the formation of a ketone group (C=O) which is a non-reducible defect formed during an oxidation process in a graphene oxide producing process.

Description

산화안정제를 이용한 저결함 산화 그래핀 제조 방법 및 이에 의하여 제조되는 산화 그래핀{METHOD FOR LOW DEFECTIVE GRAPHENE OXIDE USING ANTIOXIDANT AND GRAPHENE OXIDE THEREBY}TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION A method for producing low defect graphene oxide using an oxidative stabilizer and a graphene oxide produced thereby

본 발명은 산화 그래핀 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화안정제를 이용한 저결함 산화 그래핀 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing graphene oxide, and more particularly to a method for producing low defect graphene oxide using an oxidative stabilizer.

그래핀은 우수한 전기전도도와 열전도도 및 기계적 물성으로 인하여 다양한 전자제품의 적용을 위하여 그래핀 박막을 제조와 관련하여 많은 연구가 진행되고 있다.Graphene has a lot of researches on the manufacture of graphene thin film for the application of various electronic products due to the excellent electrical conductivity, thermal conductivity and mechanical properties.

그래핀 박막은 물리적인 방법과 화학적인 방법으로 제조될 수 있으며, 화학적인 방법을 이용한 그래핀 제조방법은 산화-환원 반응을 이용한 것으로 그라파이트(graphite)를 화학적으로 산화 박리(oxidation exfoliation)하여 산화 그래핀 시트로 분리해 내는 원리를 이용한다.The graphene thin film may be manufactured by a physical method and a chemical method, and the graphene manufacturing method using the chemical method is an oxidation-reduction reaction. The graphite is chemically oxidized by exfoliation of graphite. Use the principle of separating it into a pin sheet.

일반적인 허머 방법(hummer's method)로 만드는 산화 그래핀은 케톤기(C=O), 카르복실기(C=O-O-H), 하이드록시기(-OH), 에테르기(C-O-C) 등의 산소 기능기들을 갖는다. 이러한 산소 기능기들은 그라파이트(graphite)의 층 사이에 전하를 형성하고 정전기적 반발력을 부여하는 분산기구의 역할을 하며, 이들은 환원공정을 통해 가역적으로 환원되어 그래핀의 격자로 돌아간다.Graphene oxide made by a general Hummer's method has oxygen functional groups such as ketone group (C = O), carboxyl group (C = O-O-H), hydroxy group (-OH) and ether group (C-O-C). These oxygen functional groups act as dispersing mechanisms that form charges and impart electrostatic repulsion between the layers of graphite, which are reversibly reduced through the reduction process and return to the lattice of graphene.

산화-환원반응을 이용하는 경우에는 산화반응을 통해 그라파이트로부터 그래핀 시트를 제조하는데 용이하지만, 완벽한 환원반응이 이루어지기 어렵기 때문에 박리된 그래핀의 분산 안정성이 저하되어 재응집이 일어나고 환원반응으로 인해 그래핀 시트의 손상이 발생한다는 문제점이 있다.In the case of using an oxidation-reduction reaction, it is easy to prepare graphene sheets from graphite through oxidation, but since it is difficult to achieve a perfect reduction reaction, the dispersion stability of the exfoliated graphene is degraded and reagglomeration occurs due to the reduction reaction. There is a problem that damage to the graphene sheet occurs.

한국등록특허 제10-1844644호Korean Patent Registration No. 10-1844644

상기와 같은 점을 감안한 본 발명의 목적은 산화 그래핀 제조과정에서 산화안정제를 이용함으로써 그라파이트로부터 저결함 산화 그래핀을 현저하게 향상된 수율로 제조할 수 있는 산화안정제를 이용한 저결함 산화 그래핀 제조 방법 및 이에 의하여 제조되는 산화 그래핀을 제공하는 것이다.In view of the above, an object of the present invention is to provide a low-defect graphene oxide production method using an oxidation stabilizer that can produce low-defect graphene oxide from graphite by a significantly improved yield by using an oxidation stabilizer in the process of preparing graphene oxide. And it provides a graphene oxide produced thereby.

본 발명이 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않는다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산화 그래핀 제조 방법은, (a) 반응기에 산 용액와 산화안정제를 넣고 교반하여 산화안정제 용액을 제조하는 단계,(b) 상기 산화안정제 용액이 들어 있는 반응기에 그라파이트 및 과망간산칼륨(KMnO4)을 넣고 산화 반응시키는 단계, (c) 상기 (b)단계의 반응물에 증류수를 넣은 후, 과산화수소수(H2O2)를 첨가하고 교반하여 산화 그래핀을 포함하는 생성물을 수득하는 단계, 및 (d) 상기 생성물을 세척 및 진공 건조하여 산화 그래핀 분말을 수득하는 세척 및 건조 단계를 포함한다.Graphene oxide production method of the present invention for achieving the above object, (a) the step of preparing an oxidation stabilizer solution by putting an acid solution and an oxidation stabilizer in the reactor, stirring, (b) a reactor containing the oxidation stabilizer solution Step of oxidizing the graphite and potassium permanganate (KMnO 4 ) in the reaction, (c) After the distilled water is added to the reaction of the step (b), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is added and stirred to include graphene oxide (D) washing and drying the product to obtain graphene oxide powder.

상기 산화안정제로는 붕산(boric acid), 삼산화황(sulfur trioxide), 아세트산(acetic acid) 및 인산(phosphoric acid) 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 사용할 수 있다.The oxidation stabilizer may be any one selected from boric acid, sulfur trioxide, acetic acid, and phosphoric acid.

상기 (a) 단계에서, 상기 산화안정제 용액은 산 용액 100중량%를 기준으로 5중량% 내지 15 중량% 산화안정제로 포함할 수 있다.In the step (a), the oxidant stabilizer solution may include 5 wt% to 15 wt% oxidative stabilizer based on 100 wt% of the acid solution.

상기 (a) 단계는, 상기 반응기의 온도를 10℃ 이하로 유지하면서, 산 용액과 산화안정제를 50 내지 200rpm으로 교반하여 산화안정제 용액을 제조한다.In the step (a), while maintaining the temperature of the reactor below 10 ℃, the acid solution and the oxidizing stabilizer by stirring at 50 to 200rpm to prepare an oxidizing stabilizer solution.

상기 산 용액은 황산 또는 황산에 오산화인(P2O5) 및 싸이오황산칼륨(K2S2O8) 중에서 어느 하나 이상을 포함하는 혼합물을 사용할 수 있다.The acid solution may be a sulfuric acid or a mixture containing any one or more of phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) and potassium thiosulfate (K 2 S 2 O 8 ) in sulfuric acid.

상기 (b) 단계는, 상기 반응기의 온도를 30 내지 70℃로 유지하면서 50 내지 200rpm의 교반속도로 6시간 내지 24시간 동안 교반할 수 있다.The step (b) may be stirred for 6 hours to 24 hours at a stirring speed of 50 to 200 rpm while maintaining the temperature of the reactor at 30 to 70 ℃.

상기 그라파이트는 입자의 크기가 50㎛ 내지 850㎛이다. The graphite has a particle size of 50 μm to 850 μm.

만약 상기 그라파이트 입자의 크기가 50㎛ 미만이면, 제조과정에서 분산이 어려워 산화 그래핀의 형성이 원활하게 이루어지지 않으며, 또한 상기 그라파이트 입자의 크기가 850㎛를 초과하는 경우, 큰 입자의 크기로 인해 산화 반응과 후속 공정에 시간과 비용이 많이 소요되고 산화 그래핀의 형성이 제대로 이루어지지 않으므로 바람직하지 않다.If the size of the graphite particles is less than 50㎛, it is difficult to disperse during the manufacturing process is not formed smoothly, and if the size of the graphite particles exceeds 850㎛, due to the size of large particles It is not preferable because the oxidation reaction and subsequent processes are time-consuming and expensive, and the formation of graphene oxide is not performed properly.

따라서 상기 제시된 입자 크기 범위를 갖는 그라파이트를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 평균 입자의 크기가 300㎛인 것을 사용할 수 있다.Therefore, it is preferable to use graphite having the particle size range set out above, and more preferably, an average particle size of 300 μm can be used.

상기 (c) 단계는, 상기 반응기의 온도를 10℃ 이하로 낮추고, 상기 반응물에 증류수를 1시간 내지 3시간 동안 천천히 적하한 후, 여기에 과산화수소수(H2O2)를 첨가하고 교반하여 반응시킬 수 있다.In the step (c), the temperature of the reactor is lowered to 10 ° C. or lower, and distilled water is slowly added dropwise to the reaction product for 1 to 3 hours, and then, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is added thereto, followed by stirring. You can.

상기 (d) 단계는, 상기 생성물을 염산 수용액으로 세척하고, 세척된 생성물을 진공 데시케이터(desicator)에 넣고 진공 건조하는 1차 세척 및 건조 단계, 및 상기 1차 세척 및 건조 단계를 거친 생성물을 아세톤으로 세척하고, 세척된 생성물을 진공 데시케이터에 넣고 진공 건조하여 산화 그래핀 분말을 수득하는 2차 세척 및 건조 단계를 포함할 수 있다.The step (d) comprises washing the product with an aqueous hydrochloric acid solution, putting the washed product in a vacuum desiccator and vacuum drying the product, and the product having undergone the first washing and drying step. It may comprise a second washing and drying step of washing with acetone, the washed product is put in a vacuum desiccator and vacuum dried to obtain a graphene oxide powder.

본 발명의 산화 그래핀 제조 방법은 상기 산화 그래핀을 세척 및 진공 건조하는 단계 이후, 상기 건조가 완료된 산화 그래핀을 물에 넣고 분산시켜 산화 그래핀 분산액을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The graphene oxide production method of the present invention may further comprise the step of preparing a graphene oxide dispersion by dispersing the graphene oxide is dried in water after the step of washing and vacuum drying the graphene oxide in water.

본 발명은 또한, 앞서 설명한 산화 그래핀 제조 방법에 의하여 저결함의 산화 그래핀을 제조할 수 있다.The present invention can also produce low-defect graphene oxide by the method for producing graphene oxide described above.

본 발명에 따른 산화안정제를 이용한 산화 그래핀 제조 방법은 산화 그래핀 제조 과정에서 산화과정 중 형성되는 환원 불가능한 결함인 케톤기(C=O)의 형성을 억제시켜 산화그래핀의 시트의 크기를 유지하면서 산화 그래핀의 환원 후 잔류 결합이 줄어드는 저결함의 산화 그래핀을 제조할 수 있는 효과가 있다.Graphene oxide manufacturing method using the oxidation stabilizer according to the present invention to maintain the size of the sheet of graphene oxide by inhibiting the formation of the ketone group (C = O), which is a non-reduced defect formed during the oxidation process in the graphene oxide manufacturing process While there is an effect that can produce a low defect graphene oxide that reduces residual bonds after reduction of graphene oxide.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화안정제를 이용한 산화 그래핀 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 산화안정제 도입 유무에 따른 산화 그래핀의 산화반응의 차이를 간략하게 나타낸 모식도이다.
도 3은 비교예 1에 따라 산화안정제를 사용하지 않고 제조된 산화 그래핀의 X-선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 산화안정제를 이용하여 제조된 산화 그래핀의 X-선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 산화 그래핀의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 산화 그래핀의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 분석 결과이다.
1 is a flow chart of a graphene oxide manufacturing method using an oxidation stabilizer according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the difference between the oxidation reaction of graphene oxide with or without the introduction of an oxidative stabilizer.
3 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of graphene oxide prepared using an oxidative stabilizer according to Comparative Example 1. FIG.
4 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of graphene oxide prepared using an oxidative stabilizer according to Example 1 of the present invention.
5 is a scanning electron microscope (SEM) analysis result of graphene oxide prepared according to Comparative Example 1 of the present invention.
6 is a scanning electron microscope (SEM) analysis result of graphene oxide prepared according to Example 1 of the present invention.

본 발명의 산화 그래핀 제조 방법을 첨부된 도면을 참조로 보다 상세히 설명한다. 그러나 이는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 것에 한정되지 않는다.The graphene oxide production method of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, this is by way of example, and those skilled in the art to which the present invention pertains may be embodied in many different forms, not limited to what is described herein.

본 발명의 산화 그래핀 제조 방법은 modified hummer's method을 이용하여 수행된 것으로 도 1에서처럼, (a) 산화안정제 용액 제조하는 단계(S100), (b) 산화안정제 용액에 그라파이트와 과망간산칼륨을 넣고 산화 반응을 수행하는 단계(S200), (c) 상기 (b) 단계를 거친 반응물에 증류수 및 과산화수소수를 차례로 첨가하고 교반하여 산화 그래핀을 포함하는 생성물을 수득하는 단계(S300), (d) 상기 생성물을 세척 및 진공 건조하는 단계(S400)를 포함한다.Graphene oxide production method of the present invention is carried out using a modified hummer's method as shown in Figure 1, (a) step of preparing an oxidant stabilizer solution (S100), (b) the addition of graphite and potassium permanganate into the oxidant stabilizer solution oxidation reaction To perform the step (S200), (c) adding distilled water and hydrogen peroxide water to the reactants after the step (b) in turn and stirring to obtain a product containing graphene oxide (S300), (d) the product To wash and vacuum drying step (S400).

상기 (a) 산화안정제 용액 제조하는 단계(S100)는 반응기에 산 용액과 산화안정제를 넣고 교반하여 산화안정제 용액을 제조하며, 반응기의 온도를 10℃ 이하로 낮추고 온도를 유지하면서 산 용액과 산화안정제를 50 내지 200rpm으로 교반하여 산화안정제 용액을 제조할 수 있다.The step (a) of preparing an oxidant stabilizer solution (S100) comprises adding an acid solution and an oxidant stabilizer to the reactor and stirring to prepare an oxidant stabilizer solution, while lowering the temperature of the reactor to 10 ° C. or lower and maintaining the temperature. By stirring at 50 to 200rpm can be prepared an oxidative stabilizer solution.

상기 (a) 단계(S100)에서 산화안정제는 산 용액 100 중량%를 기준으로 5 중량% 내지 15 중량%로 포함한다.In the step (a) (S100), the oxidative stabilizer includes 5 wt% to 15 wt% based on 100 wt% of the acid solution.

만약 산화안정제 용액에서 산 용액 100 중량%를 기준으로 산화안정제가 5 중량% 미만으로 포함되면 산화안정제의 함량이 적어져서 산화안정제의 효과가 미비하여 케톤기(C=O)의 형성을 억제시키지 못하며, 산화안정제가 15 중량%를 초과하면 상대적으로 산 용액의 함량이 적어져 이후 과정에서 첨가되는 과망간산칼륨(KMnO4)과 산 용액의 반응을 방해하여 산화 그래핀의 형성이 제대로 이루어지지 못한다.If the oxidizing stabilizer solution contains less than 5 wt% of the oxidizing stabilizer based on 100% by weight of the acid solution, the content of the oxidizing stabilizer is low, and thus the effect of the oxidizing stabilizer is insignificant, and the formation of the ketone group (C = O) is not inhibited. If the amount of the oxidation stabilizer exceeds 15% by weight, the content of the acid solution is relatively low, thereby preventing the reaction of potassium permanganate (KMnO 4 ) and the acid solution added in the subsequent process, thereby preventing the formation of graphene oxide.

상기 산 용액은 황산 또는 황산에 오산화인(P2O5) 및 싸이오황산칼륨(K2S2O8) 중에서 어느 하나 이상을 포함하는 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 반드시 한정되지 않고, 그라파이트를 산화 박리하는 공정에 통상적으로 사용되는 산 용액이면 무방하다.The acid solution may be a mixture containing sulfuric acid or any one or more of phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) and potassium thiosulfate (K 2 S 2 O 8 ) in sulfuric acid, but is not necessarily limited thereto, graphite Any acid solution usually used in the step of oxidative peeling may be used.

상기 산화안정제로는 붕산(boric acid), 삼산화황(sulfur trioxide), 아세트산(acetic acid) 및 인산(phosphoric acid) 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 붕산을 사용할 수 있다.The oxidation stabilizer may be any one selected from boric acid, sulfur trioxide, acetic acid and phosphoric acid, and preferably boric acid may be used.

(b) 산화 반응을 수행하는 단계(S200)는 상기 (a) 단계(S100)를 거쳐 제조된 산화안정제 용액이 들어 있는 반응기에 그라파이트 및 과망간산칼륨(KMnO4)을 넣고 산화 반응시키는 단계로, 여기서 산화 반응이란 그라파이트로부터 단일층(monolayer)으로 박리되어 산화 그래핀을 제조하는 산화 박리(oxidation exfoliation) 과정이다.(B) performing an oxidation reaction (S200) is a step of oxidizing and adding graphite and potassium permanganate (KMnO 4 ) to a reactor containing an oxidizing stabilizer solution prepared through step (a) (S100). Oxidation reaction is an oxidation exfoliation process in which graphene is peeled off from graphite into a monolayer to produce graphene oxide.

상기 (b) 단계(S200)는, 상기 산화안정제 용액에 그라파이트 및 과망간산칼륨을 넣고 반응기의 온도를 30 내지 70℃로 유지하면서 50 내지 200rpm의 교반속도로 6 시간 내지 24시간 동안 교반한다. 여기서 그라파이트의 산화정도는 반응시간으로 조절할 수 있다.In step (b), the graphite and potassium permanganate are added to the oxidant stabilizer solution and stirred at a stirring speed of 50 to 200 rpm for 6 to 24 hours while maintaining the temperature of the reactor at 30 to 70 ° C. Here, the degree of oxidation of graphite can be controlled by the reaction time.

(c) 산화 그래핀을 포함하는 생성물을 수득하는 단계(S300)는, 상기 (b) 단계(S300)의 산화 반응을 종료하기 위한 과정으로, 반응물에 증류수를 넣은 후, 과산화수소수를 첨가하고 교반하여 산화 그래핀을 포함하는 생성물을 수득한다.(c) obtaining the product containing graphene oxide (S300) is a process for terminating the oxidation reaction of the step (b) (S300), after the distilled water is added to the reactants, the hydrogen peroxide solution is added and stirred To obtain a product containing graphene oxide.

구체적으로 상기 (c) 단계(S300)는 상기 반응기의 온도를 10℃ 이하로 낮추고, 상기 반응물에 증류수를 1시간 내지 3시간 동안 천천히 적하한 후, 여기에 20 내지 40중량%의 과산화수소수를 반응물이 첨가하고 교반하여 산화 그래핀을 포함하는 생성물을 얻는다. 여기서 첨가되는 증류수는 상기 과망간산칼륨(KMnO4) 100 중량부룰 기준으로 100 내지 1000 중량부 첨가될 수 있고, 과산화수소수는 상기 과망간산칼륨(KMnO4) 100 중량부룰 기준으로 50 내지 150 중량부로 첨가될 수 있다.Specifically, step (c) (S300) is to lower the temperature of the reactor to 10 ℃ or less, slowly dropping distilled water to the reactant for 1 hour to 3 hours, and then 20 to 40% by weight of hydrogen peroxide water reactant It is added and stirred to obtain a product containing graphene oxide. Of distilled water to be added here may be added to part 100 to 1,000 parts by weight in the potassium permanganate (KMnO 4) 100 parts by weight burul based, hydrogen peroxide may be added in an amount of 50 to 150 by weight, the potassium permanganate (KMnO 4) 100 parts by weight burul reference have.

(d) 생성물을 세척 및 진공 건조하는 단계(S400)는 상기 수득한 산화 그래핀을 포함하는 생성물을 세척 및 건조하는 과정으로, 일 구체예로 상기 생성물을 염산 수용액으로 세척하고, 세척된 생성물을 진공 데시케이터(desicator)에 넣고 진공 건조하는 1차 세척 및 건조 단계, 및 상기 1차 세척 및 건조 단계를 거친 생성물을 아세톤으로 세척하고, 세척된 생성물을 진공 데시케이터에 넣고 진공 건조하여 산화 그래핀 분말을 수득하는 2차 세척 및 건조 단계를 포함하여 수행하는게 바람직하나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 1차 세척 및 건조 단계와 및 2차 세척 및 건조 단계를 다수 회 반복할 수 있다.(D) washing and vacuum drying the product (S400) is a process of washing and drying the product containing the obtained graphene oxide, in one embodiment, the product is washed with an aqueous hydrochloric acid solution, and the washed product The first washing and drying step of placing in a vacuum desiccator and vacuum drying, and the product after the first washing and drying step are washed with acetone, the washed product is put in a vacuum desiccator and vacuum dried to oxidize It is preferable to perform the second washing and drying step to obtain the graphene powder, but is not limited thereto, and the first washing and drying step and the second washing and drying step may be repeated as many times as necessary.

상기 (d) 단계(S400)에서 상기 염산 수용액 또는 아세톤으로 세척하는 과정은 상기 생성물에 염산 수용액 또는 아세톤을 넣고 이를 원심분리 등의 방법으로 제조된 산화 그래핀을 분리하고 회수하는 과정을 통해 세척할 수 있다.In the step (d), the process of washing with the aqueous hydrochloric acid solution or acetone in step (S400) may be washed through the process of separating and recovering the graphene oxide prepared by a method such as centrifugation by putting hydrochloric acid aqueous solution or acetone in the product. Can be.

그 다음 상기 (d) 단계(S400)를 통해 형성된 산화 그래핀 분말을 원하는 농도로 물에 넣고 분산시켜 산화 그래핀 분산액을 제조하여 이를 이용할 수 있다.Then, the graphene oxide powder formed through the step (d) (S400) is dispersed in water at a desired concentration to prepare a graphene oxide dispersion and use it.

도 2는 본 발명의 산화 그래핀 제조 과정에서 산화안정제 도입 유무에 따른 산화 그래핀의 산화반응의 차이를 간략하게 나타낸 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 산화안정제를 사용하지 않고 종래의 일반적인 modified hummer's method로 제조된 산화 그래핀은 산화 과정에서 형성되는 산화 그래핀 표면의 하이드록시기(-OH)가 축합 중합되어 케톤기(C=O)로 변화하지만, 산화안정제를 사용한 경우, 산화안정제가 하이드록시기에 결합되어 하이드록시기가 축합중합되어 케톤기를 형성하는 것을 방지할 수 있다.Figure 2 is a schematic diagram showing the difference in the oxidation reaction of the graphene oxide with or without the introduction of an oxidizing stabilizer in the graphene oxide manufacturing process of the present invention. As shown in FIG. 2, graphene oxide prepared by a conventional modified hummer's method without using an oxidative stabilizer is condensation-polymerized with a hydroxyl group (-OH) on the surface of graphene oxide formed during oxidation. C = O), but when an oxidative stabilizer is used, the oxidative stabilizer is bonded to the hydroxy group to prevent the hydroxy group from condensation polymerization to form a ketone group.

따라서 본 발명에 따른 산화안정제를 이용한 산화 그래핀 제조 방법은 산화 그래핀 제조 과정에서 산화과정 중 형성되는 환원 불가능한 결함인 케톤기(C=O)의 형성을 억제시켜 저결함의 산화 그래핀을 제조할 수 있음을 알 수 있다.Therefore, the graphene oxide manufacturing method using the oxidation stabilizer according to the present invention to suppress the formation of the ketone group (C = O), which is a non-reduced defect formed during the oxidation process in the production of graphene oxide to produce a low defect graphene oxide It can be seen that.

이하에서는 본 발명의 산화 그래핀 제조 방법에 사용되는 산화안정제에 대한 효과를 알아보기 위하여 실시예 및 비교예를 이용한 실험을 통해 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter will be described in more detail through experiments using examples and comparative examples in order to determine the effect on the oxidation stabilizer used in the graphene oxide production method of the present invention.

<실시예 1><Example 1>

반응기에 황산 450 mL와 산화안정제로 붕산(Boric acid) 50mL를 함께 넣어준 후, 뒤 0℃의 냉각수를 순환시켜 반응기의 온도를 10℃ 이하로 낮추고 교반 속도를 150rpm으로 하여 산화안정제 용액을 제조한다. 제조된 산화안정제 용액에 그라파이트 3g과 과망간산칼륨 18g을 각각 넣어준 뒤 반응기의 온도를 50℃로 유지하면서 180rpm의 교반속도 18시간 반응시킨다. 그 다음 산화 반응의 종료를 위해 반응기 온도를 10℃ 이하로 낮추어 반응물에 증류수 400mL를 약 2시간에 걸쳐 천천히 적하하고, 그 후, 금색의 슬러리(slurry)가 얻어질 때까지 35중량%의 과산화수소수 10mL을 넣어준다. 산화 그래핀을 포함하는 생성물을 10% HCl로 세척한 후, 3일간 데시케이터에서 진공 건조한 뒤, 건조된 생성물을 다시 아세톤으로 세척한 후, 3일간 데시케이터에서 진공 건조시켜 최종 산화 그래핀 분말을 제조한다.Put 450 mL of sulfuric acid and 50 mL of boric acid as oxidizing stabilizer together, and then circulate cooling water at 0 ° C to reduce the temperature of the reactor to 10 ° C or below, and prepare an oxidizing stabilizer solution at a stirring speed of 150rpm. . 3 g of graphite and 18 g of potassium permanganate were added to the prepared oxidative stabilizer solution, and the reaction was stirred for 18 hours at 180 rpm while maintaining the temperature of the reactor at 50 ° C. Then, the reactor temperature was lowered to 10 ° C. or lower for completion of the oxidation reaction, and 400 mL of distilled water was slowly added dropwise to the reaction over about 2 hours, and then 35% by weight of hydrogen peroxide solution until a golden slurry was obtained. Add 10 mL. The product containing graphene oxide was washed with 10% HCl, vacuum dried in a desiccator for 3 days, the dried product was washed again with acetone, and vacuum dried in a desiccator for 3 days to obtain final graphene oxide. Prepare a powder.

<비교예 1>Comparative Example 1

비교예 1은 산화안정제를 사용하지 않은 것만 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 산화 그래핀을 제조한다.Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that no oxidation stabilizer was used to prepare graphene oxide.

도 3과 아래 표 1은 비교예 1에 따라 산화안정제를 사용하지 않고 제조된 산화 그래핀의 X-선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 4와 아래 표 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 산화안정제를 이용하여 제조된 산화 그래핀의 X-선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과이다.3 and Table 1 below show the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of graphene oxide prepared using an oxidative stabilizer according to Comparative Example 1, and FIG. 4 and Table 2 below. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of graphene oxide prepared using an oxidative stabilizer according to Example 1 of the present invention.

비교예 1Comparative Example 1 Peak position(eV)Peak position (eV) %% C-CC-C 284.565284.565 36.6036.60 C-OC-O 286.765286.765 54.6954.69 C=OC = O 287.865287.865 5.655.65 -COOH-COOH 288.965288.965 3.063.06

실시예 1Example 1 Peak position(eV)Peak position (eV) %% C-CC-C 284.684284.684 39.2139.21 C-OC-O 286.867286.867 55.4355.43 C=OC = O 287.984287.984 2.592.59 -COOH-COOH 289.084289.084 2.772.77

도 3 내지 도 4와 표 1 내지 표 2를 서로 비교하면 비교예 1의 산화 그래핀에서 산소기능기의 환원불가능한 결함인 케톤기(C=O)의 결합 비율이 5.65%로 나타내고, 실시예 1의 산화그래핀에서 케톤기(C=O)의 결합 비율은 2.59%으로, 산화안정제를 이용하여 제조된 산화 그래핀에서 케톤기의 결합 비율이 약 2배 정도 감소한 것을 확인할 수 있다.그리고 도 5와 도 6은 각각 비교예 1과 실시예 1에 따라 제조된 산화 그래핀을 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 결과로, 도시된 바와 같이 산화 그래핀에서 케톤기 결합 비율의 감소는 산화그래핀 시트의 절단을 방지하여 산화 반응 후에도 그래핀 시트 크기를 유지시킬 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있다.Comparing FIGS. 3 to 4 with Tables 1 to 2, the bonding ratio of the ketone group (C = O), which is a nonreducible defect of the oxygen functional group, in the graphene oxide of Comparative Example 1 was represented by 5.65%, Example 1 The bond ratio of ketone group (C = O) in graphene oxide is 2.59%, and the bond ratio of ketone group in graphene oxide prepared using an oxidative stabilizer is reduced by about 2 times. And FIG. 6 shows the results of observing the graphene oxide prepared according to Comparative Example 1 and Example 1 with a scanning electron microscope (SEM), respectively, as shown in FIG. By preventing the cutting of the graphene oxide sheet can be confirmed that there is an effect that can maintain the graphene sheet size even after the oxidation reaction.

Claims (11)

(a) 반응기에 산 용액와 산화안정제를 넣고 교반하여 산화안정제 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 산화안정제 용액이 들어 있는 반응기에 그라파이트 및 과망간산칼륨(KMnO4)을 넣고 산화 반응시키는 단계;
(c) 상기 (b)단계의 반응물에 증류수를 넣은 후, 과산화수소수(H2O2)를 첨가하고 교반하여 산화 그래핀을 포함하는 생성물을 수득하는 단계; 및
(d) 상기 생성물을 세척 및 진공 건조하여 산화 그래핀 분말을 수득하는 세척 및 건조 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
(a) adding an acid solution and an oxidant stabilizer to the reactor and stirring to prepare an oxidant stabilizer solution;
(b) oxidizing graphite and potassium permanganate (KMnO 4 ) in a reactor containing the oxidant stabilizer solution;
(c) adding distilled water to the reaction of step (b), adding hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and stirring to obtain a product including graphene oxide; And
(d) a washing and drying step of washing and vacuum drying the product to obtain graphene oxide powder.
제1항에 있어서,
상기 산화안정제는 붕산(boric acid), 삼산화황(sulfur trioxide), 아세트산(acetic acid) 및 인산(phosphoric acid) 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
The oxidation stabilizer is a graphene oxide manufacturing method, characterized in that any one selected from boric acid (boric acid), sulfur trioxide (sulfur trioxide), acetic acid (acetic acid) and phosphoric acid (phosphoric acid).
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 상기 산화안정제 용액은, 산 용액 100중량%를 기준으로 5중량% 내지 15 중량% 산화안정제로 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
In the step (a), the oxidation stabilizer solution, the graphene oxide manufacturing method, characterized in that it comprises 5 to 15% by weight oxidizing stabilizer based on 100% by weight of the acid solution.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
상기 반응기의 온도를 10℃ 이하로 유지하면서, 산 용액과 산화안정제를 50 내지 200rpm으로 교반하여 산화안정제 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
In step (a),
While maintaining the temperature of the reactor below 10 ℃, stirring the acid solution and the oxidation stabilizer at 50 to 200rpm to prepare an oxide stabilizer solution, characterized in that for producing an oxidation stabilizer solution.
제1항에 있어서,
상기 산 용액은 황산 또는 황산에 오산화인(P2O5) 및 싸이오황산칼륨(K2S2O8) 중에서 어느 하나 이상을 포함하는 혼합물인 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
The acid solution is a method for producing graphene oxide, characterized in that the mixture containing any one or more of sulfuric acid or phosphoric pentoxide (P 2 O 5 ) and potassium thiosulfate (K 2 S 2 O 8 ).
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 반응기의 온도를 30 내지 70℃로 유지하면서 50 내지 200rpm의 교반속도로 6 시간 내지 24시간 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
Step (b) is,
Graphene oxide production method characterized in that the stirring for 6 to 24 hours at a stirring speed of 50 to 200rpm while maintaining the temperature of the reactor at 30 to 70 ℃.
제1항에 있어서,
상기 그라파이트는 입자의 크기가 50 내지 850㎛인 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
The graphite is a graphene oxide manufacturing method, characterized in that the particle size of 50 to 850㎛.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 반응기의 온도를 10℃ 이하로 낮추고, 상기 반응물에 증류수를 1시간 내지 3시간 동안 적하한 후, 과산화수소수(H2O2)를 첨가하고 교반하여 반응시키는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
In step (c),
After lowering the temperature of the reactor to 10 ℃ or less, distilled water is added dropwise to the reaction for 1 hour to 3 hours, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is added and stirred to react the graphene oxide manufacturing method .
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 생성물을 염산 수용액으로 세척하고, 세척된 생성물을 진공 데시케이터(desicator)에 넣고 진공 건조하는 1차 세척 및 건조 단계; 및
상기 1차 세척 및 건조 단계를 거친 생성물을 아세톤으로 세척하고, 세척된 생성물을 진공 데시케이터에 넣고 진공 건조하여 산화 그래핀 분말을 수득하는 2차 세척 및 건조 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
In step (d),
Washing the product with an aqueous hydrochloric acid solution, placing the washed product in a vacuum desiccator, and vacuum drying the first product; And
A second washing and drying step of washing the product passed through the first washing and drying step with acetone, putting the washed product into a vacuum desiccator and vacuum drying to obtain graphene oxide powder. Graphene oxide production method.
제1항에 있어서,
상기 산화 그래핀을 세척 및 진공 건조하는 단계 이후,
상기 산화 그래핀을 물에 분산시켜 산화 그래핀 분산액을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀 제조 방법.
The method of claim 1,
After washing and vacuum drying the graphene oxide,
Dispersing the graphene oxide in water to prepare a graphene oxide dispersion; Graphene oxide manufacturing method comprising a.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법으로 제조된 산화 그래핀.Graphene oxide prepared by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 10.
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