PL218099B1

PL218099B1 - Sposób termicznej redukcji tlenku grafenu

Info

Publication number: PL218099B1
Application number: PL403168A
Authority: PL
Inventors: Ludwika Lipińska; Rafał Koziński; Zbigniew Wiliński; Krzysztof Librant; Magdalena Aksienionek; Joanna Jagiełło; Adam Witek; Irena Witosławska; Krzysztof Perkowski; Marcin Osuchowski; Zbigniew Mularzuk
Original assignee: Inst Ceramiki I Materiałów Budowlanych; Inst Technologii Materiałów Elektronicznych; Nano Carbon Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-10-31
Also published as: EP2778128A1; EP2778128B1; PL403168A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji tlenku grafenu na drodze prasowania na gorąco, który charakteryzuje się tym, że tlenek grafenu poddaje się izostatycznemu prasowaniu na gorąco, czyli działaniu wysokiej temperatury z jednoczesnym ściskaniem gazem z wszystkich stron, w reaktorze.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznej redukcji tlenku grafenu na drodze prasowania na gorąco. Bardziej szczegółowo, wynalazek dotyczy sposobu redukcji tlenku grafenu, zwłaszcza w postaci proszku, papieru grafenowego, cienkich warstw przez poddanie go działaniu temperatury i ciśnienia w określonych warunkach.

Tlenek grafenu jest produktem utleniania grafitu płatkowego za pomocą silnych utleniaczy, najczęściej stosuje się do tego celu metodę Hummersa. Obecnie wiele firm oferuje tlenek grafenu jako produkt handlowy w postaci wodnych zawiesin lub proszku. Tlenek grafenu jest to specyficzne indywiduum chemiczne, którego stechiometria może zmieniać się w szerokich granicach. Niestety, z uwagi na dużą obecność grup funkcyjnych (hydroksylowych, epoksydowych, karboksylowych) jest izolatorem. Z punktu widzenia zastosowania przemysłowego oraz obecnie prowadzonych badań - bardzo pożądany jest w postaci zredukowanej - to jest w postaci grafenu, ponieważ po redukcji jego przewodnictwo elektryczne rośnie o kilka rzędów. Do dalszych zastosowań zredukowany tlenek grafenu potrzebny jest w postaci zawiesin, warstw oraz w postaci proszku.

Dotychczas próbowano przeprowadzić redukcję tlenku grafenu następującymi sposobami: chemiczną, elektrochemiczną, termiczną, promieniowaniem nadfioletowym, za pomocą mikrofal [1]. Spośród nich metoda termiczna uważana jest za bardzo ekonomiczną i pozwalającą na łatwe powiększanie skali. Nie wymaga stosowania katalizatorów jak np. metoda redukcji za pomocą promieniowania UV, ani związków funkcjonalizujących, które są niezbędne podczas redukcji chemicznej w roztworach. Dlatego redukcja termiczna ma jeszcze tę przewagę nad innymi metodami, że pozwala otrzymywać bardzo czysty chemicznie grafen płatkowy. Stosowano różne warunki prowadzenia procesów termicznej redukcji: temperatury, składy atmosfer, ciśnienia. Autorzy pracy [2] badali zależność stopnia redukcji, który można między innymi charakteryzować za pomocą stosunku atomowego C/O (węgiel/tlen) w zależności od temperatury. Według nich, dla temperatur niższych od 500°C stosunek C/O był mniejszy niż 7, natomiast przy przekroczeniu temperatury 750°C, wynosił on już 13. Natomiast w pracy [3] śledzono zmiany struktury chemicznej tlenku grafenu w różnych temperaturach wygrzewania za pomocą widm XPS, które wykazały, że do efektywnej redukcji potrzebne są wysokie temperatury powyżej 800°C. Miarą skuteczności redukcji może być również przewodnictwo elektryczne otrzymanego produktu zredukowanego tlenku grafenu (rGO, ang. reduced graphene oxide) [4]. Znacznie łatwiej redukować jest małe ilości materiału np. nałożonego w postaci cienkich filmów na różne podłoża o dobrej adhezji i takie sytuacje mają liczne odzwierciedlenie w literaturze [4-9]. Znacznie mniej prac dotyczy redukcji proszku tlenku grafenu [10-12]. Zasadnicza trudność w obróbce termicznej proszku tlenku grafenu polega na jego bardzo rozwiniętej powierzchni i małym ciężarze właściwym. Umieszczenie luźnego, lekkiego proszku w otwartym tyglu, przy nawet niewielkim przepływie gazu powoduje wydmuchiwanie materiału i duże jego straty. Z kolei przykrycie tygla uniemożliwia szybkie odprowadzenie gazów poreakcyjnych i zmienia lokalne warunki w strefie reakcyjnej pogarszając parametry produktu końcowego. Nowością w redukcji tlenku grafenu jest prasowanie na gorąco ang. hot pressing. Autorzy [13] z powodzeniem zastosowali metodę jednoosiowego prasowania na gorąco (ciśnienie działa tylko w jednym kierunku) do otrzymywania arkuszy rGO. Inna technika prasowania na gorąco polega na poddaniu materiału działaniu wysokiego ciśnienia we wszystkich kierunkach, jest to technika izostatycznego prasowania na gorąco ang. hot isostatic pressing (HIP). Jest ona stosowana do wytwarzania kompozytów grafenowo-ceramicznych [14].

Technika izostatycznego prasowania na gorąco została rozwinięta na potrzeby energetyki jądrowej i zastosowana po raz pierwszy pod koniec lat pięćdziesiątych ubiegłego stulecia. W trakcie swego rozwoju znalazła zastosowanie w przemyśle ceramicznym, odlewnictwie i w badaniach materiałowych. Idea izostatycznego prasowania na gorąco polega na poddaniu badanego materiału jednocześnie działaniu wysokiego ciśnienia, przenoszonego przez czynnik gazów obojętnych i wysokiej temperatury. W trakcie rozwoju metody ugruntowały się pewne standardy liczbowe charakteryzujące tę metodę. I tak, ciśnienia możliwie do uzyskania w komorze wysokotemperaturowej prasy izostatycznej (ang. hot isostatic press) typowo nie przekraczają 2000 barów (200 MPa), choć w szczególnych wersjach tych urządzeń mogą być osiągalne jako standard ciśnienia maksymalne 3000 barów (300 MPa), a w wersjach laboratoryjnych, tzn. dla komór ciśnieniowych poniżej 100 mm średnicy, mogą osiągać 4000 barów (400 MPa). Podobnie, standardem temperaturowym jest temperatura komory roboczej do 2000°C, osiągana w efekcie grzania oporowego pieca grafitowego. Dla wersji pras metalurgicznych ten standard to temperatura maksymalna 1400°C, osiągana przy użyciu pieców molibdenowych. Z punktu

PL 218 099 B1 widzenia zastosowań przemysłowych najistotniejszy jest rozmiar komory ciśnieniowej izostatycznej prasy wysokotemperaturowej. Standardy przemysłowe komór zaczynają się od średnic powyżej 100 mm. W praktyce przemysłowej oznacza to pojemność strefy roboczej od 1 litra w górę. Typowa pojemność przestrzeni roboczej wysokotemperaturowych pras izostatycznych wynosi kilka litrów. Nie wynika ona z warunków technicznych konstrukcji komór wysokociśnieniowych, a jedynie z ograniczeń eksploatacyjnych. Świadczą o tym pracujące, rekordowe instalacje przemysłowe tego typu pras. Obecnie eksploatowane największe z nich pracują z komorami wysokociśnieniowymi o średnicy 70 cali (około 178 cm), co w efekcie daje kilkaset litrów przestrzeni roboczej w tego typu prasie. Wynika stąd, że dla techniki wysokotemperaturowego izostatycznego prasowania na gorąco nie ma praktycznie problemu skalowania „w górę (tj. skalowania w zakresie objętości komór roboczych pras i objętości pojedynczej partii obrabianego materiału). Opisane w tym akapicie urządzenia są znane i dostępne w handlu, ewentualnie wykonywane na indywidualne zamówienia.

Jednakże technika HIP nigdy jak dotąd nie była stosowana do redukcji tlenku grafenu w celu ₂ usunięcia grup funkcyjnych i odzyskania hybrydyzacji sp² charakterystycznej dla czystego chemicznie, niezdefektowanego grafenu. A to jest warunkiem uzyskania dobrego przewodnictwa elektrycznego jednego z najważniejszych parametrów użytkowych tego „niezwykłego materiału.

Ideą zgłaszanego wynalazku jest redukcja czystego tlenku grafenu zarówno w postaci proszku, papieru jaki i cienkich filmów naniesionych na podłoże za pomocą izostatycznego prasowanie na gorąco. Możliwość zastosowania techniki HIP do redukcji nie zaglomerowanego proszku tlenku grafenu (GO, ang. graphene oxide), o bardzo rozwiniętej powierzchni nie była wcześniej brana pod uwagę. Intencja zachowania bardzo rozwiniętej powierzchni proszku GO i stosowanie bardzo wysokich ciśnień wydaje się pozostawać w sprzeczności. Nie ma również doniesień dotyczących zastosowania tej techniki do wytwarzania papieru grafenowego i cienkich filmów osadzonych na podłożu, chociaż w tym przypadku stosowanie bardzo wysokich ciśnień sięgających 3000 barów (300 MPa) wydaje się być zasadne.

Liczby umieszczone powyżej w nawiasach kwadratowych odnoszą się do następujących publikacji, należących do stanu techniki:

1. Carbon 50 (2012) 3210-3228, S. Pei, H.M. Cheng, „The reduction of graphene oxide.

2. J. Phys. Chem. B 110 (2006) 8535-8539, H. C. Schniepp etal., „Functionalized single graphene sheets derived from splitting graphite oxide.

3. J. Am. Chem. Soc. 131 (2009)15939-44, X. Li et al., „Simultaneous nitrogen doping and reduction of graphene oxide.

4. Nano Lett. 8 (2008) 323-327, Xuan Wang et al., Transparent, Conductive Graphene Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells.

5. Materials Letters 64 (2010) 765-767, Tran Viet Cuong et al., Optoelectronic properties of graphene thin films prepared by thermal reduction of graphene oxide

6. Carbon 49 (2011) 2905-2916, Qing Bin Zheng et al., Improved electrical and optical characteristics of transparent graphene thin films produced by acid and doping treatments

7. Materials Research Bulletin 46 (2011) 2131-2134, A. Wei et al., Synthesis of highperformance graphene nanosheets by thermal reduction of grapheme oxide.

8. Chemical Physics Letters 511 (2011) 110-115, Chan-Jun Kim et al., Structural evolution of graphite oxide during heat treatment

9. Carbon 50 (2012) 659-667, C. M. Chen et al., Annealing a graphene oxide film to produce a free standing high conductive grapheme film.

10. Adv. Funct. Mater. 21 (2011) 3496-3501, Meihua Jin et al., Facile Physical Route to Highly Crystalline Graphene

11. Carbon 48 (2010) 1146-1152, W. Chen, I. Yan, P. R. Bangal, 'Preparation of graphene by the rapid and mild thermal reduction of graphene oxide induced by microwaves

12. Carbon Letters 13 (2013) 48-50, S. Lee, S. Park, Facile mass production of thermally reduced grapheme oxide

13. Carbon 54 (2013) 143-148, Y. Zhang et al., High quality graphene sheets from graphene oxide by hot-pressing

14. Materials Science and Engineering A 528 (2011) 7933-7937, S. F. Bartolucci et al., Graphenealuminum nanocomposites

Sposób redukcji tlenku grafenu na drodze prasowania na gorąco, charakteryzujący się tym, że tlenek grafenu poddaje się izostatycznemu prasowaniu na gorąco (ang. hot isostatic pressing, HIP), czyli

PL 218 099 B1 działaniu wysokiej temperatury z zakresu od 200°C do 3000°C, z jednoczesnym ściskaniem obojętnym gazem ze wszystkich stron w warunkach ciśnienia z zakresu od 0,2 MPa do 300 MPa, w reaktorze.

Korzystnie, izostatyczne prasowanie na gorąco prowadzi się w temperaturze od 1000°C do

2000°C.

Korzystnie, izostatyczne prasowanie na gorąco prowadzi się przy ciśnieniu od 150 MPa do 300 MPa.

Korzystnie, jako gaz obojętny stosuje się gaz wybrany z grupy obejmującej azot, argon, hel i ich mieszaniny.

Korzystnie, tlenek grafenu jest w postaci proszku, cienkiej warstwy lub papieru grafenowego.

Korzystnie, stosuje się reaktor wybrany z grupy obejmującej wysokotemperaturową prasę izostatyczną, prasę metalurgiczną, piec do izostatycznego prasowania na gorąco.

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania, z odniesieniem do załączonych rysunków, na których:

fig. 1 przedstawia charakterystyczne widmo Ramana zredukowanego tlenku grafenu, otrzymanego sposobem według wynalazku, fig. 2 przedstawia obraz SEM wysuszonego proszku grafenu, otrzymanego sposobem według wynalazku, przy małym powiększeniu, fig. 3 przedstawia obraz SEM proszku grafenowego, otrzymanego sposobem według wynalazku, przy dużym powiększeniu z widoczną strukturą pojedynczego płatka, fig. 4 przedstawia obraz SEM papieru grafenowego, otrzymanego sposobem według wynalazku, przy dużym powiększeniu z widoczną strukturą składającą się z pakietów warstw grafenowych, fig. 5 przedstawia widmo FTIR skutecznie zredukowanego zgodnie z wynalazkiem tlenku grafenu w postaci papieru grafenowego (papier grafenowy, wygrzewanie w 2000°C, 300 MPa - Przykład II).

Korzystne przykłady wykonania wynalazku

P r z y k ł a d I

Umieszczony w grafitowym tyglu tlenek grafenu w postaci proszku (50 g) wstawiono do pieca do izostatycznego prasowania na gorąco. Piec taki jest urządzeniem znanym w stanie techniki i dostępnym w handlu. Do wykonania tego i kolejnych opisanych w obecnym zgłoszeniu procesów użyto pieca wykonanego na zamówienie przez firmę Engineered Pressure Systems International (EPSI) o średnicy komory roboczej 260 mm. Piec zamknięto i przepłukiwano argonem w celu usunięcia powietrza w układzie. Za pomocą wysokosprawnej pompy zwiększono ciśnienie argonu do wartości 1000 bar (100 MPa) Następnie ogrzewano układ aż osiągnięto temperaturę 1500°C i ciśnienie 3000 bar (300 MPa). Te warunki utrzymywano przez 30 min a następnie obniżano temperaturę do pokojowej. Po ochłodzeniu, układ zapowietrzono i wyjęto z pieca zredukowany tlenek grafenu w postaci nie zaglomerowanego proszku.

P r z y k ł a d II

Tlenek grafenu w postaci papieru o powierzchni 10 cm² (2,5 x 4 cm)-wstawiono do pieca do izostatycznego prasowania na gorąco. Piec zamknięto i przepłukiwano argonem w celu usunięcia powietrza w układzie. Za pomocą wysokosprawnej pompy zwiększono ciśnienie argonu do wartości 1000 bar (100 MPa). Następnie ogrzewano układ aż osiągnięto temperaturę 2000°C i ciśnienie 3000 bar (300 MPa). Te warunki utrzymywano przez 30 min a następnie obniżano temperaturę do pokojowej. Po ochłodzeniu, układ zapowietrzono i wyjęto z pieca zredukowany tlenek grafenu w postaci papieru grafenowego.

P r z y k ł a d III

Tlenek grafenu w postaci warstwy o grubości od 1 do 10 nm nałożonej na podłoże z węglika krzemu (SiC) o średnicy 2 cale wstawiono do pieca do izostatycznego prasowania na gorąco. Piec zamknięto i przepłukiwano argonem w celu usunięcia powietrza w układzie. Za pomocą wysokosprawnej pompy zwiększono ciśnienie argonu do wartości 800 bar (80 MPa). Następnie ogrzewano układ aż osiągnięto temperaturę 800°C i ciśnienie 2000 bar (200 MPa). Te warunki utrzymywano przez 30 min a następnie obniżano temperaturę do pokojowej. Po ochłodzeniu, układ zapowietrzono i wyjęto z pieca zredukowany tlenek grafenu w postaci szarawej połyskującej warstwy na podłożu SiC.

Według poniższych danych literaturowych [15,16] przewodnictwo elektryczne papieru grafeno₅ wego wynosi od 190 do 5,71°10⁵S/m. Przy czym tak wysoką wartość przewodnictwa uzyskano poprzez połączenie redukcji chemicznej (hydrazyną) oraz długotrwałe wygrzewanie w wysokich temperaturach (do 2700°C)

15. Nano Res DOI: 10.1007/s12274-013-0298-6 R. Rozada, et al. „Towards full repair of defects in reduced graphene oxide films by two-step graphitization.

PL 218 099 B1

16. C. Valles, et al., Carbon 50 (2012), 835-844, Flexible conductive graphene paper obtained by direct and gentle annealing of graphene oxide paper

Papier z tlenku grafenu po redukcji sposobem według obecnego wynalazku ma jedno z wyższych przewodnictw w stosunku do wartości cytowanych w literaturze. Świadczy to o bardzo wysokiej jakości ₅ zredukowanego tlenku grafenu uzyskiwanego sposobem według wynalazku, wynosi ono 2,26°10⁵ S/m. Zredukowany tlenek grafenu uzyskany w opisanych powyżej przykładach poddano charakteryzacji, której wyniki zilustrowano na fig. 1 - 5.

Claims

1. Sposób redukcji tlenku grafenu na drodze prasowania na gorąco, znamienny tym, że tlenek grafenu poddaje się izostatycznemu prasowaniu na gorąco, czyli działaniu wysokiej temperatury z zakresu od 200°C do 3000°C, z jednoczesnym ściskaniem obojętnym gazem ze wszystkich stron w warunkach ciśnienia z zakresu od 0,2 MPa do 300 MPa, w reaktorze.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że izostatyczne prasowanie na gorąco prowadzi się w temperaturze od 1000°C do 2000°C.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że izostatyczne prasowanie na gorąco prowadzi się przy ciśnieniu od 150 MPa do 300 MPa.

4. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że jako gaz obojętny stosuje się gaz wybrany z grupy obejmującej azot, argon, hel i ich mieszaniny.

5. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że tlenek grafenu jest w postaci proszku, cienkiej warstwy lub papieru grafenowego.

6. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że stosuje się reaktor wybrany z grupy obejmującej wysokotemperaturową prasę izostatyczną, prasę metalurgiczną, piec do izostatycznego prasowania na gorąco.