KR20210128177A - Method for Preparing Graphene - Google Patents

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KR20210128177A
KR20210128177A KR1020200046049A KR20200046049A KR20210128177A KR 20210128177 A KR20210128177 A KR 20210128177A KR 1020200046049 A KR1020200046049 A KR 1020200046049A KR 20200046049 A KR20200046049 A KR 20200046049A KR 20210128177 A KR20210128177 A KR 20210128177A
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유희준
한승용
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주식회사 그래핀올
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing graphene and provides a method for preparing graphene in a high production yield with a specific surface area of 1000 m^2/g or more without a separate classification process by performing a repeated oxidation process in which graphite is primarily oxidized using an acid and an oxidizing agent, and then the same is secondary oxidized using the acid and the oxidizing agent, followed by pulverization and reduction.

Description

그래핀의 제조방법 {Method for Preparing Graphene}Method for preparing graphene {Method for Preparing Graphene}

본 발명은 그래핀의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing graphene, and more particularly, to a method for producing graphene having a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more with a high production yield without a separate classification process.

그래핀은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조를 가지며, 이러한 구조적 특성으로 인해 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다. 또한, 그래핀은 전기 전도성, 열전도성 등이 매우 우수하여 다양한 분야에 응용 가능성이 매우 높은 물질로 소재 산업에서의 핵심 신소재로 주목 받고 있다.Graphene has a structure in which planes in which carbons are arranged like a honeycomb hexagonal network are stacked in layers, and due to these structural properties, physical and chemical stability is very high. In addition, graphene is attracting attention as a key new material in the material industry as a material with very high application potential in various fields due to its excellent electrical conductivity and thermal conductivity.

그래핀은 이론상으로만 존재해 오다가 2004년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 연필심에 유리 테이프를 붙여 떼어내는 방식으로 최초로 분리하였고 그래핀을 다양한 영역에서 활용할 수 있게 하여 신소재 분야에 새로운 길을 열었다.Graphene has existed only in theory, but in 2004 Andre Geim and Konstantin Novoselov were the first to separate it by attaching and peeling glass tape to the pencil lead. .

현재까지 그래핀의 제조 방법은 크게 두 가지로 분류된다. 탄소로부터 그래핀을 화학적으로 합성하는 상향식(bottom-up) 방식과 흑연으로부터 그래핀을 박리하는 하향식(top-down) 방식이다. 상향식 방식으로는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)이나 에피텍셜(Epitaxial) 성장법이 있으며 이러한 방법은 여러 종류의 기판을 이용해 그래핀의 층수와 성장 인자들을 조절할 수 있다. 화학기상증착법(CVD)의 경우 대면적, 고순도의 그래핀을 만들 수 있으나 제조 비용이 높아 양산화에 대한 이슈가 있다. 하향식 방식으로는 흑연으로부터 기계적으로 분리하는 방법과 산화를 통해 용액 상에서 분리하여 산화 그래핀을 얻어내는 방법이 있다. 흑연의 산화를 통해 얻어지는 분말 형태의 산화 그래핀은 결정성이 우수하나 유기불순물 오염가능성이 있으며 화학기상증착법(CVD)으로 만든 구조적 결함이 적은 그래핀에 비해 물리적 특성들이 조금 저하되는 단점이 있지만 대량생산 및 공업화를 하기에는 가장 유리한 제조 방법이다[대한민국 등록특허 제10-1109961호 참조].To date, graphene manufacturing methods are largely classified into two types. A bottom-up method of chemically synthesizing graphene from carbon and a top-down method of exfoliating graphene from graphite. As a bottom-up method, there is a chemical vapor deposition method or an epitaxial growth method, and these methods can control the number of graphene layers and growth factors using various types of substrates. In the case of chemical vapor deposition (CVD), large-area, high-purity graphene can be produced, but there is an issue with mass production due to high manufacturing cost. As a top-down method, there are a method of mechanically separating from graphite and a method of obtaining graphene oxide by separating it in a solution phase through oxidation. Graphene oxide in powder form obtained through the oxidation of graphite has excellent crystallinity, but has a potential for organic impurity contamination, and has a disadvantage in that physical properties are slightly lowered compared to graphene made by chemical vapor deposition (CVD), which has fewer structural defects. It is the most advantageous manufacturing method for production and industrialization [refer to Korean Patent Registration No. 10-1109961].

일반적으로 흑연의 산화를 통해 얻어지는 산화 그래핀은 5~10 ㎛의 크기를 갖는 다층 구조를 갖는다. 이러한 산화 그래핀은 비표면적을 증가시키기 위해 기계적 분쇄를 통해 박리 과정을 거친 후 환원되는데, 비표면적이 700 m2/g 이하로 크게 제한되는 문제점이 있다. 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 환원 그래핀을 수득하기 위해서는, 산화 그래핀을 기계적으로 분쇄한 후 분급 과정을 거쳐 특정 입도 이하의 산화 그래핀 분말을 분리하여 사용하여야 한다. 그러나, 이러한 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 제공할 수 있는 입도 범위가 작아 생산 수율이 10%에도 미치지 못할 뿐만 아니라 분급에 따른 공정상의 번거로움도 존재한다.In general, graphene oxide obtained through oxidation of graphite has a multilayer structure having a size of 5 to 10 μm. Such graphene oxide is reduced after an exfoliation process through mechanical grinding to increase the specific surface area, but there is a problem that the specific surface area is greatly limited to 700 m 2 /g or less. In order to obtain reduced graphene having a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more, graphene oxide powder having a specific particle size or less must be separated and used through a classification process after mechanically pulverizing graphene oxide. However, the particle size range that can provide such a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more is small, so that the production yield does not even reach 10%, and there is also a cumbersome process according to classification.

따라서, 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로 제조할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.Therefore, it is required to develop a technology capable of producing graphene having a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more with a high production yield without a separate classification process.

대한민국 등록특허 제10-1109961호Republic of Korea Patent No. 10-1109961

본 발명자들은 높은 비표면적을 갖는 그래핀의 제조에 있어서 상기 기술한 문제점을 해결하고자 예의 연구 검토한 결과, 흑연을 산과 산화제를 이용하여 1차 산화시킨 후 다시 산과 산화제를 이용하여 2차 산화시키는 반복 산화 공정을 거친 다음, 분쇄 및 환원시킴으로써 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로 효율적이고 경제적으로 제조할 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하게 되었다.As a result of intensive research and examination to solve the above-described problems in the manufacture of graphene having a high specific surface area, the present inventors repeated primary oxidation of graphite using an acid and an oxidizing agent and then secondary oxidation using an acid and an oxidizing agent. It was found that graphene having a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more can be efficiently and economically manufactured with a high production yield without a separate classification process by grinding and reducing after the oxidation process, and the present invention has been completed. .

따라서, 본 발명의 목적은 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of producing graphene having a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more with a high production yield without a separate classification process.

한편으로, 본 발명은 (i) 흑연을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소를 이용하여 1차 산화시켜 산화 그래핀을 수득하는 단계; (ii) 상기 산화 그래핀을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소를 이용하여 2차 산화시켜 나노 산화 그래핀을 수득하는 단계; (iii) 상기 나노 산화 그래핀을 분쇄하는 단계; 및 (iv) 상기 분쇄된 나노 산화 그래핀을 환원시키는 단계를 포함하는 환원 그래핀의 제조방법을 제공한다.On the other hand, the present invention comprises the steps of (i) primary oxidation of graphite using sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide to obtain graphene oxide; (ii) secondary oxidation of the graphene oxide using sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide to obtain nano-oxide graphene; (iii) pulverizing the nano-oxide graphene; And (iv) provides a method for producing reduced graphene comprising the step of reducing the pulverized nano-oxide graphene.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 환원된 그래핀은 1,000 ㎡/g 이상의 BET 비표면적을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reduced graphene may have a BET specific surface area of 1,000 m 2 /g or more.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (i) 및 (ii)에서 산화는 55℃ 미만에서 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxidation in steps (i) and (ii) may be carried out at less than 55 °C.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (ii)에서 과망간산칼륨은 산화 그래핀 중량 대비 1 내지 6배의 양으로 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, potassium permanganate in step (ii) may be used in an amount of 1 to 6 times the weight of graphene oxide.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (iii)에서 분쇄는 믹서기를 이용하여 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the grinding in step (iii) may be performed using a mixer.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (iii)에서 분쇄는 2,000 내지 3,000 rpm으로 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the grinding in step (iii) may be performed at 2,000 to 3,000 rpm.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (iii)에서 분쇄는 15 내지 30초 동안 수행하고 1 내지 3분 동안 휴지하는 과정을 20 내지 40회 반복하여 수행할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the grinding in step (iii) may be performed for 15 to 30 seconds and the process of resting for 1 to 3 minutes may be repeated 20 to 40 times.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (iii)에서 분쇄된 나노 산화 그래핀은 100 ㎛ 이하의 입도를 갖는 응집체 형태로 수득될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the nano graphene oxide pulverized in step (iii) may be obtained in the form of an aggregate having a particle size of 100 μm or less.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (iv)에서 환원은 가열 환원으로 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reduction in step (iv) may be performed by heating reduction.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가열 환원은 300 내지 400℃에서 1차 열처리한 후, 수소 가스 분위기 하에 900 내지 1,000℃에서 2차 열처리하여 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat reduction may be performed by primary heat treatment at 300 to 400° C., and then secondary heat treatment at 900 to 1,000° C. under a hydrogen gas atmosphere.

본 발명에 따르면 흑연을 산과 산화제를 이용하여 1차 산화시킨 후 다시 산과 산화제를 이용하여 2차 산화시키는 반복 산화 공정을 거친 다음, 분쇄 및 환원시킴으로써 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로 효율적이고 경제적으로 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 그래핀은 높은 비표면적을 가져 에너지 저장장치용 전극 소재는 물론 다공성 흡착 특성을 활용해 환경 분야인 수처리, 악취 및 유독가스 제거에 유리하게 사용될 수 있다.According to the present invention, graphite is first oxidized using an acid and an oxidizing agent, then subjected to a repeated oxidation process of secondary oxidation using an acid and an oxidizing agent, and then pulverized and reduced to achieve a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more without a separate classification process Graphene having a high production yield can be efficiently and economically produced. Graphene prepared according to the present invention has a high specific surface area, so it can be advantageously used in environmental fields such as water treatment, odor and toxic gas removal by utilizing porous adsorption properties as well as electrode materials for energy storage devices.

도 1은 1차 산화 반응으로 수득한 산화 그래핀(GO)(A)과, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 각각 1배(B) 및 2배(C)의 양으로 넣어 2차 산화 반응시켜 수득한 나노 산화 그래핀(Nano-GO)의 SEM 이미지이다.
도 2는 1차 산화 반응으로 수득한 산화 그래핀(GO)과, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 각각 0.1배, 1배, 2배 및 3배의 양으로 넣어 2차 산화 반응시켜 수득한 나노 산화 그래핀(Nano-GO)의 UV-가시광선 스펙트럼이다.
도 3은 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 4에서 각각 수득한 환원 그래핀의 비표면적이 1,000 ㎡/g 이상인 비율과 전기전도도 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
1 is graphene oxide (GO) (A) obtained by the primary oxidation reaction, and KMnO 4 is put in an amount of 1 times (B) and 2 times (C) relative to the weight of graphene oxide, respectively, and the secondary oxidation reaction is performed It is an SEM image of the obtained nano graphene oxide (Nano-GO).
2 is graphene oxide (GO) obtained by the primary oxidation reaction, and KMnO 4 Nano obtained by secondary oxidation reaction by putting 0.1 times, 1 times, 2 times and 3 times the weight of graphene oxide, respectively. UV-visible spectrum of graphene oxide (Nano-GO).
3 is a graph showing the relationship between the ratio and electrical conductivity of the specific surface area of 1,000 m 2 /g or more of the reduced graphene obtained in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 4, respectively.

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

본 발명의 일 실시형태는 그래핀의 제조방법에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a method for producing graphene.

본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀의 제조방법은 (i) 흑연을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소를 이용하여 1차 산화시켜 산화 그래핀을 수득하는 단계; (ii) 상기 산화 그래핀을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소를 이용하여 2차 산화시켜 나노 산화 그래핀을 수득하는 단계; (iii) 상기 나노 산화 그래핀을 분쇄하는 단계; 및 (iv) 상기 분쇄된 나노 산화 그래핀을 환원시키는 단계를 포함한다.A method for producing graphene according to an embodiment of the present invention comprises: (i) primary oxidation of graphite using sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide to obtain graphene oxide; (ii) secondary oxidation of the graphene oxide using sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide to obtain nano-oxide graphene; (iii) pulverizing the nano-oxide graphene; and (iv) reducing the pulverized nano graphene oxide.

본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 그래핀은 1,000 ㎡/g 이상, 예컨대 1,000 내지 1,500 ㎡/g, 바람직하기로 1,100 내지 1,500 ㎡/g의 BET 비표면적을 가질 수 있다.The graphene prepared according to an embodiment of the present invention may have a BET specific surface area of 1,000 m 2 /g or more, such as 1,000 to 1,500 m 2 /g, preferably 1,100 to 1,500 m 2 /g.

상기 BET 비표면적은 간행물 [The Journal of the American Chemical Society, 60, 309 (1938)]에 기재된 브루나우어-에머트-텔러(Brunauer-Emmet-Teller) 방법에 기초한 ASTMD 3663-78 표준에 따른 질소 흡착에 의해 결정되는 비표면적을 의미한다.The BET specific surface area is nitrogen according to ASTMD 3663-78 standard based on the Brunauer-Emmet-Teller method described in the publication The Journal of the American Chemical Society, 60, 309 (1938). It refers to the specific surface area determined by adsorption.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (i)은 흑연(graphite)을 황산과, 산화제로서 과망간산칼륨(potassium permanganate: KMnO4) 및 과산화수소(H2O2)를 이용하여 1차 산화시켜 산화 그래핀을 수득하는 단계이다.In one embodiment of the present invention, the step (i) is by primary oxidation of graphite (graphite) with sulfuric acid, potassium permanganate (KMnO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) as an oxidizing agent to graphene oxide This is the step to obtain a pin.

상기 황산은 흑연 1g 당 10 내지 100 ㎖의 양으로 사용될 수 있다. 상기 황산이 10㎖ 미만의 양으로 사용되면 1차 산화가 충분히 진행되지 않을 수 있고, 100㎖ 초과의 양으로 사용되면 산폐액의 양이 증가하고, 세정이 어려울 수 있다.The sulfuric acid may be used in an amount of 10 to 100 ml per 1 g of graphite. If the sulfuric acid is used in an amount of less than 10 ml, the primary oxidation may not proceed sufficiently, and if used in an amount of more than 100 ml, the amount of acid waste may increase, and cleaning may be difficult.

상기 과망간산칼륨은 흑연 중량 대비 1 내지 10배의 양으로 사용될 수 있다. 상기 과망간산칼륨이 1배 미만의 양으로 사용되면 1차 산화가 충분히 진행되지 않을 수 있고, 10배 초과의 양으로 사용되면 과망간산칼륨의 사용량이 많아져 생산단가가 높아질 수 있다.The potassium permanganate may be used in an amount of 1 to 10 times the weight of graphite. When the potassium permanganate is used in an amount of less than one time, the primary oxidation may not proceed sufficiently, and when used in an amount of more than ten times, the amount of potassium permanganate used increases and the production cost may increase.

상기 과산화수소는 흑연 1g 당 1 내지 10 ㎖의 양으로 사용될 수 있다. 상기 과산화수소가 1㎖ 미만의 양으로 사용되면 1차 산화가 충분히 진행되지 않을 수 있다.The hydrogen peroxide may be used in an amount of 1 to 10 ml per 1 g of graphite. When the hydrogen peroxide is used in an amount of less than 1 ml, the primary oxidation may not proceed sufficiently.

상기 1차 산화는 55℃ 미만에서 수행할 수 있다. 산화 온도가 55℃ 이상이면 황산에 의한 폭발 위험성이 있고 흑연이 비결정질(amorphous) 형태로 전환될 수 있다.The primary oxidation may be carried out at less than 55 ℃. If the oxidation temperature is more than 55 ℃, there is a risk of explosion by sulfuric acid and the graphite may be converted into an amorphous form.

상기 1차 산화는 흑연을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소로 순차적으로 처리하여 수행될 수 있다.The primary oxidation may be performed by sequentially treating graphite with sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide.

구체적으로, 상기 1차 산화는 흑연을 황산 중에서 1 내지 2시간 동안 교반한 다음, 얼음 배쓰에서 과망간산칼륨을 넣어 1 내지 2시간 동안 교반한 후 5 내지 24시간 동안 반응시킨 다음, 과산화수소를 넣어 10분 내지 1시간 동안 반응시킴으로써 수행할 수 있다.Specifically, in the primary oxidation, graphite is stirred in sulfuric acid for 1 to 2 hours, potassium permanganate is added in an ice bath, stirred for 1 to 2 hours, and then reacted for 5 to 24 hours, and then hydrogen peroxide is added for 10 minutes It can be carried out by reacting for 1 hour.

상기 1차 산화를 통해 흑연에 산소 함유 작용기가 도입되어 층간 거리를 넓혀 단일 층의 산화 그래핀을 제조할 수 있다.Through the primary oxidation, oxygen-containing functional groups are introduced into graphite to increase the interlayer distance, so that a single layer of graphene oxide can be prepared.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (ii)는 상기 1차 산화를 통해 수득한 산화 그래핀을 황산과, 산화제로서 과망간산칼륨 및 과산화수소를 이용하여 2차 산화시켜 나노 산화 그래핀을 수득하는 단계이다.In one embodiment of the present invention, in the step (ii), the graphene oxide obtained through the primary oxidation is secondary oxidized using sulfuric acid and potassium permanganate and hydrogen peroxide as oxidizing agents to obtain nano graphene oxide am.

상기 황산은 산화 그래핀 1g 당 10 내지 100 ㎖의 양으로 사용될 수 있다. 상기 황산이 10㎖ 미만의 양으로 사용되면 2차 산화가 충분히 진행되지 않을 수 있고, 100㎖ 초과의 양으로 사용되면 산화가 너무 많이 진행되어 정제 후 필터로 걸러지지 않아 나노 산화 그래핀을 수득하기 어려울 수 있다.The sulfuric acid may be used in an amount of 10 to 100 ml per 1 g of graphene oxide. If the sulfuric acid is used in an amount of less than 10 ml, secondary oxidation may not proceed sufficiently, and when used in an amount of more than 100 ml, oxidation proceeds too much and is not filtered through a filter after purification to obtain nano-oxide graphene It can be difficult.

상기 과망간산칼륨은 산화 그래핀 중량 대비 1 내지 6배, 바람직하기로 1 내지 4배, 더욱 바람직하기로 1 내지 3배의 양으로 사용될 수 있다. 상기 과망간산칼륨이 1배 미만의 양으로 사용되면 2차 산화가 충분히 진행되지 않아 BET 비표면적이 떨어질 수 있고, 6배 초과의 양으로 사용되면 최종적으로 수득되는 그래핀의 전기전도도가 떨어질 수 있고 산화가 너무 많이 진행되어 정제 후 필터로 걸러지지 않아 나노 산화 그래핀을 수득하기 어려울 수 있다.The potassium permanganate may be used in an amount of 1 to 6 times, preferably 1 to 4 times, more preferably 1 to 3 times the weight of graphene oxide. If the potassium permanganate is used in an amount of less than 1 times, secondary oxidation may not proceed sufficiently and the BET specific surface area may be reduced, and if used in an amount of more than 6 times, the electrical conductivity of the finally obtained graphene may decrease It may be difficult to obtain nano-oxide graphene because it proceeds too much and is not filtered through a filter after purification.

상기 과산화수소는 산화 그래핀 1g 당 1 내지 10 ㎖의 양으로 사용될 수 있다. 상기 과산화수소가 1㎖ 미만의 양으로 사용되면 2차 산화가 충분히 진행되지 않을 수 있다.The hydrogen peroxide may be used in an amount of 1 to 10 ml per 1 g of graphene oxide. If the hydrogen peroxide is used in an amount of less than 1 ml, secondary oxidation may not proceed sufficiently.

상기 2차 산화는 55℃ 미만에서 수행할 수 있다. 산화 온도가 55℃ 이상이면 황산에 의한 폭발 위험성이 있고 산화 그래핀이 비결정질 형태로 전환될 수 있다.The secondary oxidation may be carried out at less than 55 ℃. If the oxidation temperature is 55° C. or higher, there is a risk of explosion by sulfuric acid and graphene oxide may be converted into an amorphous form.

상기 2차 산화는 산화 그래핀을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소로 순차적으로 처리하여 수행될 수 있다.The secondary oxidation may be performed by sequentially treating graphene oxide with sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide.

구체적으로, 상기 2차 산화는 산화 그래핀을 황산 중에서 1 내지 2시간 동안 분산시킨 다음, 얼음 배쓰에서 과망간산칼륨을 넣어 4 내지 24 시간 동안 동안 반응시킨 다음, 과산화수소를 넣어 10분 내지 1시간 동안 반응시킴으로써 수행할 수 있다.Specifically, in the secondary oxidation, graphene oxide is dispersed in sulfuric acid for 1 to 2 hours, potassium permanganate is added in an ice bath to react for 4 to 24 hours, and then hydrogen peroxide is added to react for 10 minutes to 1 hour. It can be done by

상기 2차 산화를 통해 나노 수준의 입자 크기, 예컨대 300 내지 500㎚의 입자 크기를 갖는 나노 산화 그래핀을 수득할 수 있다. 본 발명에서는 상술한 1차 및 2차의 반복 산화 과정을 통해 상기 입자 크기 범위를 갖는 나노 산화 그래핀을 간단하고 용이하게 수득할 수 있고, 이후 분쇄 과정을 거침으로써 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 수득할 수 있다.Through the secondary oxidation, nano-scale graphene oxide having a particle size of, for example, 300 to 500 nm can be obtained. In the present invention, nano-oxide graphene having the above particle size range can be obtained simply and easily through the above-described primary and secondary repeated oxidation process, and then by going through a grinding process, 1,000 m 2 without a separate classification process Graphene having a specific surface area of /g or more can be obtained.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (iii)은 비표면적을 향상시키기 위하여 나노 산화 그래핀을 분쇄하는 단계이다.In one embodiment of the present invention, step (iii) is a step of pulverizing nano graphene oxide in order to improve the specific surface area.

상기 단계 (iii)에서 분쇄는 믹서기를 이용하여 수행할 수 있으며, 2,000 내지 3,000 rpm으로 수행할 수 있다. 상기 분쇄가 2,000 rpm 미만으로 수행되면 분쇄가 원활하게 이루어지지 않아 분급이 되지 않을 수 있고, 3,000 rpm 초과로 수행되면 분쇄 시 열이 많이 발생하여 산화 그래핀이 분쇄가 되지 않고 환원이 될 수 있다.Grinding in step (iii) may be performed using a mixer, and may be performed at 2,000 to 3,000 rpm. If the pulverization is performed at less than 2,000 rpm, the pulverization may not be performed smoothly and classification may not be performed.

상기 분쇄 과정에서 산화 그래핀이 부분적으로 환원되어 비표면적이 감소하는 것을 방지하기 위하여, 상기 분쇄는 15 내지 30초 동안 수행하고 1 내지 3분 동안 휴지하는 과정을 20 내지 40회 반복하여 수행할 수 있다.In order to prevent a decrease in specific surface area due to partial reduction of graphene oxide in the grinding process, the grinding may be performed for 15 to 30 seconds and then the process of resting for 1 to 3 minutes may be repeated 20 to 40 times. have.

상기 분쇄를 통해 나노 산화 그래핀이 표면에 존재하는 작용기로 인하여 응집이 일어나 100 ㎛ 이하, 예컨대 20 내지 100㎛의 입도를 갖는 응집체 형태로 수득될 수 있다.Through the pulverization, agglomeration occurs due to the functional groups present on the surface of the nano graphene oxide, and thus it can be obtained in the form of an aggregate having a particle size of 100 μm or less, for example, 20 to 100 μm.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (iv)는 분쇄된 나노 산화 그래핀을 환원시켜 환원 그래핀을 수득하는 단계이다.In one embodiment of the present invention, the step (iv) is a step of reducing the pulverized nano graphene oxide to obtain reduced graphene.

상기 환원은 가열 환원으로 수행될 수 있다.The reduction may be performed by heating reduction.

상기 가열 환원은 300℃ 내지 1,000℃의 온도 범위에서 수소 가스 분위기 하에 수행될 수 있다. 바람직하기로, 상기 가열 환원은 300 내지 400℃에서 1차 열처리한 후, 수소 가스 분위기 하에 900 내지 1,000℃에서 2차 열처리하여 수행할 수 있다. 상기와 같이 2단계 열처리를 통해 산소 작용기 및 불순물을 제거하여 결함을 최소화할 수 있다.The heat reduction may be performed in a hydrogen gas atmosphere at a temperature range of 300°C to 1,000°C. Preferably, the heat reduction may be performed by primary heat treatment at 300 to 400° C., and then secondary heat treatment at 900 to 1,000° C. under a hydrogen gas atmosphere. Defects can be minimized by removing oxygen functional groups and impurities through the two-step heat treatment as described above.

본 발명의 일 실시형태에 따른 제조방법은 흑연을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소로 1차 산화시킨 후 다시 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소로 2차 산화시키는 반복 산화 공정을 거친 다음, 분쇄 및 환원 공정을 거침으로써 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상, 바람직하기로 1,300 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로, 예컨대 80% 이상, 바람직하기로 90% 이상, 더욱 바람직하기로 100%까지 효율적이고 경제적으로 제조할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조방법은 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로 제조할 수 있다.In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, graphite is first oxidized with sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide, and then undergoes an iterative oxidation process of secondary oxidation with sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide, followed by pulverization and reduction processes Thus, graphene having a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more, preferably 1,300 m 2 /g or more, without a separate classification process, can be produced in high yield, for example, 80% or more, preferably 90% or more, more preferably It can be manufactured efficiently and economically up to 100%. That is, the manufacturing method according to an embodiment of the present invention can manufacture graphene having a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more with a high production yield without a separate classification process.

아울러, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조방법은 높은 전기전도도, 예컨대 90 내지 400 S/m의 전기전도도를 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로 제조할 수 있다.In addition, the manufacturing method according to an embodiment of the present invention can manufacture graphene having high electrical conductivity, for example, electrical conductivity of 90 to 400 S/m with high production yield.

본 발명에 따라 제조된 그래핀은 높은 비표면적을 가져 에너지 저장장치용 전극 소재는 물론 다공성 흡착 특성을 활용해 환경 분야인 수처리, 악취 및 유독가스 제거에 유리하게 사용될 수 있다.Graphene prepared according to the present invention has a high specific surface area, so it can be advantageously used in environmental fields such as water treatment, odor and toxic gas removal by utilizing porous adsorption properties as well as electrode materials for energy storage devices.

이하, 실시예, 비교예 및 실험예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예, 비교예 및 실험예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. These Examples, Comparative Examples, and Experimental Examples are only for illustrating the present invention, and it is apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1: 환원 그래핀의 제조Example 1: Preparation of reduced graphene

1) 1차 산화 단계1) primary oxidation step

황산(sulfuric acid, SA) 400 mL에 흑연(graphite, 입도: 200㎛ 이하) 10 g을 넣고 1 내지 2 시간 동안 교반한 후, 얼음 배쓰에서 과망간산칼륨(potassium permanganate, KMnO4) 50 g을 넣어 1 내지 2 시간 동안 교반하였다. 상기 얼음 배쓰에서 1 내지 2 시간 동안 교반하여 준비한 흑연을 55 ℃ 미만에서 5 내지 24 시간 동안 산화 반응시켰다. 이후 사용한 산화제를 재사용하기 위해 감압필터를 이용하여 황산과 KMnO4를 회수하여 추후 2 차 산화 반응 시 사용하였다. 상기 반응물에 400 내지 800 g의 얼음을 추가하여 희석한 후 과산화수소수(hydrogen peroxide, H2O2) 50 mL를 넣어 1시간 동안 반응시켜 1차 산화반응을 완료하였다. 산화반응이 완료된 반응물은 세라믹 필터를 이용하여 걸러내고 증류수를 추가하여 원심분리를 이용하여 반복 세정 작업을 진행하였다. 이를 세정 후 건조과정을 통해 산화 그래핀 분말을 얻을 수 있다.Add 10 g of graphite (particle size: 200 μm or less) to 400 mL of sulfuric acid (SA), stir for 1 to 2 hours, and then add 50 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) in an ice bath to 1 to 2 hours. Graphite prepared by stirring in the ice bath for 1 to 2 hours was subjected to oxidation reaction at less than 55° C. for 5 to 24 hours. Afterwards, sulfuric acid and KMnO 4 were recovered using a reduced pressure filter to reuse the used oxidizing agent and used in the subsequent secondary oxidation reaction. After dilution by adding 400 to 800 g of ice to the reaction mixture, 50 mL of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) was added and reacted for 1 hour to complete the primary oxidation reaction. After the oxidation reaction was completed, the reactants were filtered using a ceramic filter, distilled water was added, and repeated washing was performed by centrifugation. After washing, it is possible to obtain graphene oxide powder through a drying process.

2) 2차 산화 단계2) Secondary oxidation step

상기 분말 상태의 산화 그래핀(graphene oxide, GO) 10 g에 황산을 400 mL를 넣고, 초음파 배쓰(sonic bath)를 이용하여 1 내지 2시간 동안 분산시켰다. 이후 얼음 배쓰에서 KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 1배의 양으로 넣었다. 이후 55 ℃ 미만에서 4 내지 24 시간 동안 산화 반응시켰다. 그 다음 400 내지 800 g의 얼음으로 희석하고 H2O2를 50 mL를 넣어 1시간 동안 반응시켜 2차 산화 반응을 완료하였다. 이후 증류수에 희석하여 전기투석 장치(electrodialysis, ED)를 이용하여 산을 정제 분리 후 건조하여 나노 산화 그래핀(Nano-GO)을 수득하였다.400 mL of sulfuric acid was added to 10 g of the powdery graphene oxide (GO), and dispersed for 1 to 2 hours using an ultrasonic bath (sonic bath). After that, KMnO 4 was added in an amount of 1 times the weight of graphene oxide in an ice bath. Then, oxidation reaction was carried out at less than 55 °C for 4 to 24 hours. Then, it was diluted with 400 to 800 g of ice, and 50 mL of H 2 O 2 was added to react for 1 hour to complete the secondary oxidation reaction. After dilution in distilled water, the acid was purified and separated using an electrodialysis device (ED), and then dried to obtain nano-graphene oxide (Nano-GO).

3) 분쇄 단계3) crushing step

상기 나노 산화 그래핀을 믹서기를 이용하여 2,500 rpm으로 15~30 초 동안 분쇄하고, 2 분 휴지하는 과정을 30 회 반복하여 산화 그래핀의 온도가 상승하지 않게 조절하면서 분쇄하였다.The nano graphene oxide was pulverized at 2,500 rpm for 15 to 30 seconds using a mixer, and the process of resting for 2 minutes was repeated 30 times to pulverize while controlling the temperature of the graphene oxide not to increase.

4) 환원 단계4) reduction step

상기 분쇄된 나노 산화 그래핀을 회전 건조 소각로를 이용하여 300~400 ℃에서 1차 열처리한 뒤, 튜브로를 이용하여 수소 가스 분위기 하에 900~1,000 ℃에서 2차 열처리하여 환원 그래핀을 제조하였다.The pulverized nano-oxide graphene was subjected to a primary heat treatment at 300 to 400 ° C using a rotary drying incinerator, and then secondary heat treatment at 900 to 1,000 ° C in a hydrogen gas atmosphere using a tube furnace to prepare reduced graphene.

실시예 2: 환원 그래핀의 제조Example 2: Preparation of reduced graphene

2차 산화 반응 수행시, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 2배의 양으로 넣은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 환원 그래핀을 제조하였다.When the secondary oxidation reaction was performed, reduced graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that KMnO 4 was added in an amount twice the weight of graphene oxide.

실시예 3: 환원 그래핀의 제조Example 3: Preparation of reduced graphene

2차 산화 반응 수행시, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 3배의 양으로 넣은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 환원 그래핀을 제조하였다.When the secondary oxidation reaction was performed, reduced graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that KMnO 4 was added in an amount three times the weight of graphene oxide.

실시예 4: 환원 그래핀의 제조Example 4: Preparation of reduced graphene

2차 산화 반응 수행시, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 4배의 양으로 넣은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 환원 그래핀을 제조하였다.When performing the secondary oxidation reaction, reduced graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that KMnO 4 was added in an amount of 4 times the weight of graphene oxide.

비교예 1:Comparative Example 1: 환원 그래핀의 제조Preparation of reduced graphene

2차 산화 단계를 수행하지 않는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 환원 그래핀을 제조하였다.Reduced graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that the secondary oxidation step was not performed.

비교예 2:Comparative Example 2: 환원 그래핀의 제조Preparation of reduced graphene

2차 산화 반응 수행시, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 0.1배의 양으로 넣은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 환원 그래핀을 제조하였다.When performing the secondary oxidation reaction, reduced graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that KMnO 4 was added in an amount of 0.1 times the weight of graphene oxide.

비교예 3:Comparative Example 3: 환원 그래핀의 제조Preparation of reduced graphene

2차 산화 반응 수행시, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 0.5배의 양으로 넣은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 환원 그래핀을 제조하였다.When performing the secondary oxidation reaction, reduced graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that KMnO 4 was added in an amount of 0.5 times the weight of graphene oxide.

실험예 1: 산화 그래핀의 SEM 분석Experimental Example 1: SEM analysis of graphene oxide

1차 산화 반응으로 수득한 산화 그래핀(GO)(A)과, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 각각 1배(B) 및 2배(C)의 양으로 넣어 2차 산화 반응시켜 수득한 나노 산화 그래핀(Nano-GO)의 입자 크기 분석을 위해 주사전자현미경(SEM) 분석을 수행하였다.Nano obtained by secondary oxidation reaction by putting graphene oxide (GO) (A) obtained by the primary oxidation reaction and KMnO 4 in an amount of 1 times (B) and 2 times (C), respectively, relative to the weight of graphene oxide Scanning electron microscope (SEM) analysis was performed for particle size analysis of graphene oxide (Nano-GO).

그 결과를 도 1에 나타내었다.The results are shown in FIG. 1 .

도 1을 통해, 2차 산화 반응을 거친 나노 산화 그래핀(Nano-GO)의 입자 크기가 300㎚ 내지 500㎚ 범위로 분포하는 것을 알 수 있다. 나노 산화 그래핀(Nano-GO)의 입자 크기는 1차 산화 반응을 거친 산화 그래핀(GO)의 입자 크기와 비교할 때 더욱 작은 것을 알 수 있다.1, it can be seen that the particle size of the graphene nano-oxide (Nano-GO) subjected to the secondary oxidation reaction is distributed in the range of 300 nm to 500 nm. It can be seen that the particle size of nano-graphene oxide (Nano-GO) is smaller than that of graphene oxide (GO) that has undergone the primary oxidation reaction.

실험예 2: 산화 그래핀의 UV-가시광선 스펙트럼 측정Experimental Example 2: Measurement of UV-Visible Light Spectrum of Graphene Oxide

1차 산화 반응으로 수득한 산화 그래핀(GO)과, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 각각 0.1배, 1배, 2배 및 3배의 양으로 넣어 2차 산화 반응시켜 수득한 나노 산화 그래핀(Nano-GO)의 UV-가시광선 스펙트럼을 측정하였다.Graphene oxide (GO) obtained by the primary oxidation reaction and KMnO 4 Nano graphene oxide obtained by the secondary oxidation reaction by adding 0.1 times, 1 times, 2 times and 3 times the weight of graphene oxide, respectively The UV-visible spectrum of (Nano-GO) was measured.

그 결과를 도 2에 나타내었다.The results are shown in FIG. 2 .

도 2를 통해, 2차 산화 반응을 거친 나노 산화 그래핀(Nano-GO)과 1차 산화 반응을 거친 산화 그래핀(GO)의 UV-가시광선 스펙트럼의 피크가 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 그래핀은 230 nm에서 π-π* 전이 피크(transition peak)를 나타내는데, 이는 그래핀이 지닌 아로마틱(aromatic) 구조에서 나오는 현상이다. 그러나, 나노 산화 그래핀(Nano-GO)의 경우 산화 그래핀(GO)과 비교해 230 nm에서 π-π* 전이 피크가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 나노 산화 그래핀(Nano-GO)의 크기가 작아져 아로마틱 성질이 감소하기 때문인 것으로 보여진다.2, it can be confirmed that the peaks of the UV-visible spectrum of graphene oxide (Nano-GO) that has undergone secondary oxidation and graphene oxide (GO) that have undergone primary oxidation are different from each other. Graphene exhibits a π-π* transition peak at 230 nm, which is a phenomenon arising from the aromatic structure of graphene. However, in the case of nano-graphene oxide (Nano-GO), it can be seen that the π-π* transition peak at 230 nm is reduced compared to graphene oxide (GO). This is believed to be because the size of the nano-graphene oxide (Nano-GO) is reduced and the aromatic properties are reduced.

실험예 3: 분급된 환원 그래핀의 비표면적 및 전기전도도 분석Experimental Example 3: Analysis of specific surface area and electrical conductivity of classified reduced graphene

상기 실시예 및 비교예에서 수득한 분쇄된 나노 산화 그래핀을 환원시키기 전에 분체기(sieve shaker)를 이용하여 4~8 시간 분급하여 45 ㎛ 이하, 45㎛ 초과 75 ㎛ 이하, 75㎛ 초과 100 ㎛ 이하, 100㎛ 초과 150 ㎛ 이하 및 150㎛ 초과 200 ㎛ 이하의 범위로 분급하였다. 각 구간별 수율을 하기 표 1에 나타내었다(단위: %).Before reducing the pulverized nano graphene oxide obtained in the Examples and Comparative Examples, classifying for 4 to 8 hours using a sieve shaker, 45 μm or less, 45 μm or more, 75 μm or less, 75 μm or more 100 μm Hereinafter, it was classified into a range of more than 100 µm and less than 150 µm and more than 150 µm and less than or equal to 200 µm. The yield for each section is shown in Table 1 below (unit: %).

150㎛ 초과 200 ㎛ 이하More than 150 200㎛ or less 100㎛ 초과 150 ㎛이하More than 100 150㎛ or less 75㎛ 초과 100 ㎛ 이하More than 75 100㎛ or less 45㎛ 초과 75 ㎛ 이하More than 45㎛ 75㎛ or less 45 ㎛ 이하45 μm or less 비교예 1Comparative Example 1 2020 5050 1515 1010 55 비교예 2Comparative Example 2 -- 3030 3535 2525 1010 비교예 3Comparative Example 3 -- 1515 4040 3030 1515 실시예 1Example 1 -- -- 3535 4040 2525 실시예 2Example 2 -- -- 2525 4545 3030 실시예 3Example 3 -- -- 2525 4545 3030 실시예 4Example 4 -- -- 2525 4545 3030

상기 표 1을 통해, 실시예의 나노 산화 그래핀이 비교예의 나노 산화 그래핀에 비해 더 낮은 입도를 갖는 응집체의 수율이 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, KMnO4를 1배수 이상 사용하는 경우 100 ㎛ 초과의 크기를 가지는 나노 산화 그래핀의 응집체가 존재하지 않는 것을 알 수 있다.From Table 1, it can be seen that the nano-oxide graphene of the example has a higher yield of aggregates having a lower particle size than the nano-oxide graphene of the comparative example. In addition, it can be seen that when KMnO 4 is used one or more times, there is no aggregate of nano-oxide graphene having a size of more than 100 μm.

상기 분급된 나노 산화 그래핀을 실시예 1과 동일한 조건으로 환원시켜 각 구간별 BET 비표면적을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다(단위: ㎡/g).The classified nano graphene oxide was reduced under the same conditions as in Example 1 to measure the BET specific surface area for each section. The results are shown in Table 2 below (unit: m 2 /g).

150㎛ 초과 200 ㎛ 이하More than 150 200㎛ or less 100㎛ 초과 150 ㎛이하More than 100 150㎛ or less 75㎛ 초과 100 ㎛ 이하More than 75 100㎛ or less 45㎛ 초과 75 ㎛ 이하More than 45㎛ 75㎛ or less 45 ㎛ 이하45 μm or less 비교예 1Comparative Example 1 712.36712.36 740.81740.81 870.86870.86 925.37925.37 1080.41080.4 비교예 2Comparative Example 2 -- 910.56910.56 993.36993.36 1105.61105.6 1188.71188.7 비교예 3Comparative Example 3 -- 920.89920.89 1048.241048.24 1175.91175.9 1269.41269.4 실시예 1Example 1 -- -- 1331.51331.5 1334.61334.6 1335.71335.7 실시예 2Example 2 -- -- 1320.21320.2 1326.41326.4 1327.91327.9 실시예 3Example 3 -- -- 1321.71321.7 1328.61328.6 1330.11330.1 실시예 4Example 4 -- -- 1328.41328.4 1330.11330.1 1330.51330.5

상기 표 2를 통해, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 환원 그래핀은 모든 응집체 입도 범위에서 비표면적이 1,000 ㎡/g 이상, 특히 1,300 ㎡/g 이상인 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제조방법에 따르면 별도의 분급 공정 없이도 1,000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 그래핀을 높은 생산 수율로 효율적이고 경제적으로 제조할 수 있음을 알 수 있다. 반면, 2차 산화 반응을 거치지 않은 비교예 1의 환원 그래핀과, KMnO4를 산화 그래핀 중량 대비 각각 0.1배 및 0.5배의 양으로 사용한 비교예 2 및 3의 환원 그래핀은 각각 45㎛ 초과, 75㎛ 초과 및 100 ㎛ 초과의 응집체 입도 범위에서 비표면적이 1,000 ㎡/g 미만인 것을 확인할 수 있다.From Table 2, it can be confirmed that the reduced graphene prepared according to Examples 1 to 4 has a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more, particularly 1,300 m 2 /g or more in all aggregate particle size ranges. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention , it can be seen that graphene having a specific surface area of 1,000 m 2 /g or more can be efficiently and economically manufactured with a high production yield without a separate classification process. On the other hand, the reduced graphene of Comparative Example 1 that did not undergo the secondary oxidation reaction and the reduced graphene of Comparative Examples 2 and 3 using KMnO 4 in an amount of 0.1 times and 0.5 times the weight of graphene oxide, respectively, exceeded 45 μm, respectively. , it can be confirmed that the specific surface area is less than 1,000 m 2 /g in the aggregate particle size range of more than 75 μm and more than 100 μm.

또한, 상기 표 1 및 표 2를 종합해보면, 실시예 1 내지 4의 나노 산화 그래핀 응집체는 비교예 1 내지 3의 나노 산화 그래핀 응집체와 입도 크기가 동일하더라도 비표면적이 더 높게 나오는 것을 확인할 수 있다.In addition, taking a look at Tables 1 and 2, it can be seen that the graphene oxide agglomerates nano of Examples 1 to 4 have a higher specific surface area even though they have the same particle size as the graphene oxide aggregates of Comparative Examples 1 to 3 have.

아울러, 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 4에서 각각 수득한 환원 그래핀, 즉 KMnO4 사용 비율이 각각 0배, 0.1배, 0.5배, 1배, 2배, 3배 및 4배인 환원 그래핀의 비표면적이 1,000 ㎡/g 이상인 비율과 전기전도도를 측정하여 이들 간의 관계를 도 3에 나타내었다. 전기전도도는 4-포인트 프로브를 이용하여 측정하였다. 각각의 환원 그래핀 분말을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더와 함께 섞어 필름을 제조하여 롤 프레스를 이용하여 압착한 샘플을 이용하여 측정하였다.In addition, the reduced graphene obtained in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 4, that is, reduced graphene in which the ratio of KMnO 4 used is 0 times, 0.1 times, 0.5 times, 1 times, 2 times, 3 times, and 4 times, respectively The ratio between the specific surface area of the pin and the electrical conductivity of 1,000 m 2 /g or more was measured, and the relationship between them is shown in FIG. 3 . Electrical conductivity was measured using a 4-point probe. Each reduced graphene powder was mixed with a polytetrafluoroethylene (PTFE) binder to prepare a film, and measured using a sample compressed using a roll press.

도 3을 통해, KMnO4 사용 비율이 1배 이상인 실시예 1 내지 4의 환원 그래핀은 비표면적이 1,000 ㎡/g 이상인 비율이 100%임을 확인할 수 있다. 따라서, KMnO4 사용 비율을 1배 이상으로 제어하는 것이 환원 그래핀의 비표면적 측면에서 바람직함을 알 수 있다. 다만, 전기전도도가 KMnO4 사용 비율이 증가함에 따라 감소되는 바, KMnO4 사용 비율을 3배 이하로 제어하는 것이 유리함을 알 수 있다. 3, it can be confirmed that the reduced graphene of Examples 1 to 4 in which the ratio of KMnO 4 used is one-fold or more is 100% in the ratio of the specific surface area of 1,000 m 2 /g or more. Therefore, it can be seen that it is preferable in terms of the specific surface area of the reduced graphene to control the ratio of KMnO 4 to be used by one or more times. However, since the electrical conductivity decreases as the KMnO 4 usage ratio increases, it can be seen that it is advantageous to control the KMnO 4 usage ratio to 3 times or less.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, for those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, it is clear that these specific techniques are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereto. do. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (10)

(i) 흑연을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소를 이용하여 1차 산화시켜 산화 그래핀을 수득하는 단계;
(ii) 상기 산화 그래핀을 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소를 이용하여 2차 산화시켜 나노 산화 그래핀을 수득하는 단계;
(iii) 상기 나노 산화 그래핀을 분쇄하는 단계; 및
(iv) 상기 분쇄된 나노 산화 그래핀을 환원시키는 단계를 포함하는 그래핀의 제조방법.
(i) primary oxidation of graphite using sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide to obtain graphene oxide;
(ii) secondary oxidation of the graphene oxide using sulfuric acid, potassium permanganate and hydrogen peroxide to obtain nano-oxide graphene;
(iii) pulverizing the nano-oxide graphene; and
(iv) a method for producing graphene comprising the step of reducing the pulverized nano graphene oxide.
제1항에 있어서, 상기 환원된 그래핀은 1,000 ㎡/g 이상의 BET 비표면적을 가지는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the reduced graphene has a BET specific surface area of 1,000 m 2 /g or more. 제1항에 있어서, 상기 단계 (i) 및 (ii)에서 산화는 55℃ 미만에서 수행하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the oxidation in steps (i) and (ii) is performed at less than 55°C. 제1항에 있어서, 상기 단계 (ii)에서 과망간산칼륨은 산화 그래핀 중량 대비 1 내지 6배의 양으로 사용되는 제조방법.The method according to claim 1, wherein in step (ii), potassium permanganate is used in an amount of 1 to 6 times the weight of graphene oxide. 제1항에 있어서, 상기 단계 (iii)에서 분쇄는 믹서기를 이용하여 수행하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the pulverization in step (iii) is performed using a mixer. 제5항에 있어서, 상기 단계 (iii)에서 분쇄는 2,000 내지 3,000 rpm으로 수행하는 제조방법.The method according to claim 5, wherein the grinding in step (iii) is performed at 2,000 to 3,000 rpm. 제5항에 있어서, 상기 단계 (iii)에서 분쇄는 15 내지 30초 동안 수행하고 1 내지 3분 동안 휴지하는 과정을 20 내지 40회 반복하여 수행하는 제조방법.The method according to claim 5, wherein the grinding in step (iii) is performed for 15 to 30 seconds and the process of resting for 1 to 3 minutes is repeated 20 to 40 times. 제1항에 있어서, 상기 단계 (iii)에서 분쇄된 나노 산화 그래핀은 100 ㎛ 이하의 입도를 갖는 응집체 형태로 수득되는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the nano graphene oxide pulverized in step (iii) is obtained in the form of an aggregate having a particle size of 100 μm or less. 제1항에 있어서, 상기 단계 (iv)에서 환원은 가열 환원으로 수행되는 것인 제조방법.The method according to claim 1, wherein the reduction in step (iv) is performed by heating reduction. 제9항에 있어서, 상기 가열 환원은 300 내지 400℃에서 1차 열처리한 후, 수소 가스 분위기 하에 900 내지 1000℃에서 2차 열처리하여 수행하는 제조방법.The method according to claim 9, wherein the heat reduction is performed by performing a primary heat treatment at 300 to 400°C, and then performing a secondary heat treatment at 900 to 1000°C in a hydrogen gas atmosphere.
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