WO2023017870A1 - Reduced graphene oxide and method for preparing same - Google Patents

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WO2023017870A1
WO2023017870A1 PCT/KR2021/010677 KR2021010677W WO2023017870A1 WO 2023017870 A1 WO2023017870 A1 WO 2023017870A1 KR 2021010677 W KR2021010677 W KR 2021010677W WO 2023017870 A1 WO2023017870 A1 WO 2023017870A1
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graphene oxide
reduced graphene
atomic
rgo
carbon
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장지현
윤종철
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울산과학기술원
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74Iron group metals
    • B01J23/745Iron
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    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/198Graphene oxide

Definitions

  • the present invention relates to reduced graphene oxide having an average crystal size and oxygen (O) content within a specific range, and a method for preparing the same.
  • Graphene oxide is a material with a two-dimensional planar structure that can be widely used in future applications, and is in the spotlight for its excellent physical properties and mass production.
  • Methods for reducing graphene oxide include a deoxidation method by chemical treatment and a recrystallization method by thermal reduction.
  • a chemical reducing agent such as a hydrazine compound and sodium borohydride is used to remove the oxygen group of graphene oxide, which may cause structural destruction by chemical treatment, and the reduction There is a problem that toxic chemicals can be generated during the process.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Registration No. 101470927
  • An object of the present invention is a high-quality reduced graphene oxide capable of minimizing structural defects and vacancies and providing excellent electrical properties by having an average crystal size and oxygen (O) content within a specific range is to provide
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing reduced graphene oxide capable of minimizing carbon loss in a hydrogen-sufficient environment by applying a specific pressure and temperature in the presence of a catalyst.
  • the present invention is a reduced graphene oxide having an oxygen (O) content of 6 atomic% to 18 atomic% based on the total content of carbon (C), hydrogen (H) and oxygen (O), Provides a reduced graphene oxide having an average crystalline size of (average crystalline size).
  • the present invention includes (1) mixing graphene oxide and an iron-based catalyst; And (2) reducing graphene oxide by treating the mixture at a pressure of 3,000 kgf / cm 2 to 4,500 kgf / cm 2 and a temperature of 150 ° C to 450 ° C; to provide.
  • reduced graphene oxide having a specific average crystal size and oxygen content having low resistance and high electrical conductivity by reducing graphene oxide in the presence of a catalyst in a specific pressure, temperature, and hydrogen-sufficient environment can provide efficiently.
  • graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, CVD-grown graphene (CVD-graphene) of Comparative Example 2 and Examples, respectively.
  • Raman spectrum of reduced graphene oxide (CA-rGO) of 1 (FIG. 2), X-ray photoelectron spectroscopy (FIG. 3) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) (FIG. 4) show the measurement results.
  • Figure 6 (a) is an optical image of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1
  • (b) to (f) are each of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 It shows the Raman map.
  • FIG. 9 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and CVD-rGO of Comparative Example 2. It is a graph showing the crystal size (y-axis) according to the number of layers (I 2D /I G ) (x-axis) and the ratio (I D /I G ) from Raman spectroscopic measurements of grown graphene (CVD-graphene).
  • FIG. 10 shows gases (CO, CO 2 , O 2 , H generated from graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 during heat treatment at 0 ° C. to 500 ° C. 2 O) is a graph showing the GC-Mass analysis results, and FIG. 11 is a graph comparing the total amount of the generated gas.
  • FIG. 13(a) shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 is a graph comparing the electrical properties of CVD-grown graphene (CVD-graphene), and (b) is an LED display connected using paper coated with reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 14 and 15 are graphene oxide (CA-rGO) reduced in Example 1, graphene oxide (GO) in Preparation Example 1, and thermally reduced graphene in Comparative Example 1. Linear sweeping current-voltage curves for oxygen evolution reactions and hydrogen evolution reactions of oxide (TrGO), CVD-grown graphene of Comparative Example 2, and bay carbon (BC) are shown.
  • one component is formed on or under another component, which means that one component is directly above or under another component, or indirectly through another component. Including everything formed by That is, when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being “on” another element, it is to be understood that it may be directly on the other element or intervening elements may exist. There will be.
  • the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention has an oxygen (O) content of 6 atomic% to 18 atomic% based on the total content of carbon (C), hydrogen (H) and oxygen (O).
  • O oxygen
  • the reduced graphene oxide has a crystal size and oxygen (O) content within a specific range, structural defects and vacancies can be minimized, and stable and ordered structures can be obtained, resulting in low resistance and improved electrical conductivity can be achieved.
  • Reduced graphene oxide may have an average crystalline size of 120 nm to 250 nm. Specifically, the reduced graphene oxide may have an average crystal size of 130 nm to 230 nm, 140 nm to 220 nm, 150 nm to 220 nm, or 150 nm to 200 nm.
  • the average crystal size of the reduced graphene oxide When the average crystal size of the reduced graphene oxide satisfies the above range, resistance may be lowered and electrical conductivity may be greatly improved. If the average crystal size of the reduced graphene oxide is less than 120 nm, resistance may increase and electrical conductivity may decrease, and if it exceeds 250 nm, the electrochemically active area is reduced, resulting in degradation of performance there may be
  • the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention has an oxygen (O) content of 6 atomic% to 18 atomic% based on the total content of carbon (C), hydrogen (H) and oxygen (O). .
  • the reduced graphene oxide has an oxygen (O) content of 8 atomic % to 18 atomic %, 10 atomic % to 17 atomic %, 12 atomic % to 17 atomic %, or 12 atomic % to 16 atomic %.
  • the oxygen (O) content of the reduced graphene oxide satisfies the above range, the minimum amount of oxygen required for high-quality reduced graphene oxide can be realized and a completely reconstituted carbon structure can be formed. Electrical properties can be further improved. If the oxygen (O) content of the reduced graphene oxide is less than 6 atomic %, there may be a problem of performance degradation due to a decrease in electrochemical reactivity, and if it exceeds 18 atomic %, structural defects And it may be difficult to form an aligned structure due to the occurrence of vacancies, and there may be problems in that resistance increases and electrical conductivity decreases.
  • the carbon/oxygen (C/O) atomic ratio of the reduced graphene oxide may be 3 to 5, 3.5 to 5, 3.8 to 4.8, or 3.8 to 4.5.
  • a carbon/oxygen (C/O) atomic ratio within the above range, structural defects and vacancies may be minimized to have a well-ordered structure.
  • the reduced graphene oxide may have a carbon (C) content of 45 atomic % to 65 atomic %, 45 atomic % to 60 atomic %, 48 atomic % to 55 atomic %, or 48 atomic % to 53 atomic %. there is.
  • the reduced graphene oxide may have a hydrogen (H) content of 30 atomic % to 50 atomic %, 32 atomic % to 48 atomic %, 32 atomic % to 42 atomic %, or 32 atomic % to 40 atomic %. there is.
  • the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention may have a significantly low content of oxygen on the graphene oxide base surface.
  • the reduced graphene oxide is 0.2 to 0.6 atomic% of the epoxy group; 1.0 to 1.8 atomic % of hydroxy groups; 10 to 20 atomic % carboxyl groups; and the remaining amount of carbon (C).
  • the reduced graphene oxide may have a carbon sp3/sp2 ratio of 0.1 to 0.9, 0.1 to 0.7, 0.1 to 0.5, or 0.1 to 0.3.
  • the sp3/sp2 ratio is an index indicating the degree of graphitization, and when the sp3/sp2 satisfies the above range, the sp2 ratio is relatively increased, so that the graphite structure can be perfectly reconstructed, thereby improving electrical properties. there is.
  • the reduced graphene oxide has a low defect density and is structurally well aligned.
  • oxygen of graphene is adsorbed on the surface of the catalyst and then separated from carbon. This can be done to minimize carbon loss.
  • the method according to the embodiment of the present invention can adsorb oxygen of graphene on the surface of the iron-based catalyst and then separate it from carbon, carbon loss can be minimized during deoxidation and graphitization processes.
  • k c represents the reaction rate constant and C i represents the inert surface carbon species.
  • the reduced graphene oxide prepared by the above method has a large average crystal size and a low oxygen content by minimizing the loss of carbon in the reduction process, unlike the reduced graphene oxide prepared by the conventional reduction method. , thereby minimizing structural defects and improving electrical properties.
  • FeCl 2 (II) 50 mM, Cu(NO 3 ) 2 50 mM, and NaOH 4 g were added to 50 ml deionized water and mixed. Then, 0.6 ml of propionaldehyde (reducing agent) was added to the mixed solution. The solution was heat treated at 180 °C (18 °C/min) for 2 hours using a microwave oven. After the reaction, the product was washed with ethanol to remove contaminants, and FeCuO 2 , an iron-based catalyst having a delafossite structure, was obtained.
  • Example 1 Preparation of reduced graphene oxide (CA-rGO) using the Fischer-Tropsch reaction method
  • a high-purity copper foil (99.999%) 1 cm 2 was placed on one side of the SiO 2 wafer. After placing it in a quartz tube and putting it into a chamber, the chamber was evacuated to 170 mTorr under an argon/hydrogen (Ar/H 2 ,1000/50 sccm) atmosphere, and the temperature was raised to 1,000 °C (20 °C/min). Then, methane gas (CH 4, 24 sccm) was additionally injected into the chamber, maintained for 30 minutes, and graphene was synthesized through cooling (200 °C/min).
  • argon/hydrogen Ar/H 2 ,1000/50 sccm
  • the synthesized graphene was synthesized using a polymethyl methacrylate (PMMA) solution (molecular weight 996 kD, 4% by weight, ethyl lactate, 2000 rpm for 1 minute) to graphene on a SiO 2 wafer (wafer) on a copper foil. ) was transcribed. Finally, the coated PMMA was completely removed using acetone. Thus, CVD-grown graphene (brown) was obtained.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • Figure 6 is a Raman map of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 in a 150 x 150 ⁇ m 2 area of a SiO 2 wafer, as shown in (b) of FIG. 6, the D band In this case, a bright region showing a strong D band was observed around the edge and wrinkled sheet of the reduced graphene oxide.
  • the G and 2D bands were evenly distributed throughout the reduced graphene oxide sheet, and similar results to the optical images of FIG. 6 (a) were obtained. showed up
  • FIG. 12 is a pie graph showing the gas analysis results generated from the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 for the results of FIGS. 10 and 11.
  • the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and the thermally reduced graphene oxide (TrGO of Comparative Example 1). ), and the current densities for electrodes using bay carbon (BC) all suddenly increased from 1.45 V to 1.8 V potential, indicating an obvious OER catalytic activity of Ni(OH) 2 .
  • the overpotential required to reach a current density of 10 mA/cm 2 using the Ni(OH) 2 @CA-rGO electrode was 1.58 V versus the reference electrode (RHE). This was lower than Ni(OH) 2 @GO (1.70 V) and Ni(OH) 2 @TrGO (1.61 V) and similar to Ni(OH) 2 @bay carbon (BC, 1.57 V), and exhibited excellent electrical conductivity.
  • a carbon current collector for hydrogen evolution reaction compared to a reversible hydrogen electrode (RHE) at a current density of -10 mA/cm 2
  • the operating potentials of were -0.43 V for bay carbon (BC), -0.34 V for GO, -0.32 V for TrGO, and -0.30 V for CA-rGO. Therefore, it can be seen that the Ni(OH) 2 @CA-rGO electrode using excellent electrical coupling between the active material and the carbon current collector exhibits excellent HER performance.
  • the Ni(OH) 2 @BC electrode using bay carbon (BC) had poor HER performance, which could be attributed to the lack of functional groups including -OH and -COOH.
  • 19 is a graph showing the correlation between internal temperature (y-axis) and external temperature (x-axis) according to pressure during reduction treatment.

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Abstract

The present invention efficiently provides reduced graphene oxide which, by reducing graphene oxide in an environment lacking hydrogen by applying a specific pressure and temperature in the presence of a catalyst, to have a specific average crystalline size and oxygen content, has low resistance, high electrical conductivity, and excellent quality. In addition, in a method according to an embodiment of the present invention, reduction is carried out in an environment lacking hydrogen and under low-temperature conditions, and carbon loss during the reduction process can be minimized.

Description

환원된 그래핀옥사이드 및 이의 제조방법Reduced graphene oxide and its preparation method
본 발명은 특정 범위의 평균 결정 크기 및 산소(O)의 함량을 갖는 환원된 그래핀옥사이드, 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to reduced graphene oxide having an average crystal size and oxygen (O) content within a specific range, and a method for preparing the same.
그래핀옥사이드(GO)는 미래 응용 분야에 널리 사용될 수 있는 2차원 평면 구조의 재료로서, 그 물성이 우수하고 대량 생산이 가능하다는 점에서 각광받고 있다. Graphene oxide (GO) is a material with a two-dimensional planar structure that can be widely used in future applications, and is in the spotlight for its excellent physical properties and mass production.
이에, 이러한 그래핀옥사이드로부터 고품질의 그래핀 시트를 얻기 위한 환원 방법이 다양하게 연구되어 왔다. Accordingly, various reduction methods for obtaining high-quality graphene sheets from such graphene oxide have been studied.
그래핀옥사이드를 환원시키는 방법으로는 화학적 처리에 의한 탈산화 방법 및 열적 환원에 의한 재결정화 방법이 있다.Methods for reducing graphene oxide include a deoxidation method by chemical treatment and a recrystallization method by thermal reduction.
먼저, 화학적 처리에 의한 탈산화 방법의 경우, 그래핀옥사이드의 산소기를 제거하기 위해 히드라진 화합물 및 수소화붕소나트륨 등의 화학적 환원제를 사용하는데, 이는 화학적 처리에 의해 구조적인 파괴를 야기할 수 있고, 환원 과정 중 독성 화학물질을 생성할 수 있다는 문제점이 있다.First, in the case of the deoxidation method by chemical treatment, a chemical reducing agent such as a hydrazine compound and sodium borohydride is used to remove the oxygen group of graphene oxide, which may cause structural destruction by chemical treatment, and the reduction There is a problem that toxic chemicals can be generated during the process.
한편, 열적 환원에 의한 재결정화 방법은 상기 화학적 처리에 의한 탈산화 방법에 비해 전기 전도도 측면에서 더 실용적이기는 하나, 1000 ℃ 이상의 고온에서 열처리하여 부산물로서 탄소 함유 가스, 예컨대 CO2 및 CO를 생성하여 산소-함유 기를 분해하는 방법이어서 환원 과정 중 탄소 손실량이 많으며, 이로 인해 구조적 결함을 발생시켜 그래핀의 특성을 저하시키는 문제점이 있다.On the other hand, the recrystallization method by thermal reduction is more practical in terms of electrical conductivity than the deoxidation method by chemical treatment, but heat treatment at a high temperature of 1000 ° C. or more generates carbon-containing gases such as CO 2 and CO as by-products, Since it is a method of decomposing oxygen-containing groups, a large amount of carbon is lost during the reduction process, which causes structural defects to deteriorate the properties of graphene.
따라서, 이러한 문제점을 갖지 않는 그래핀옥사이드 환원방법에 대한 연구가 절실히 필요한 실정이다.Therefore, there is an urgent need for research on a method for reducing graphene oxide that does not have these problems.
[선행기술문헌][Prior art literature]
[특허문헌][Patent Literature]
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허 제101470927호(Patent Document 1) Republic of Korea Patent Registration No. 101470927
본 발명의 목적은 특정 범위의 평균 결정 크기 및 산소(O)의 함량을 가짐으로써 구조적 결함(defects) 및 공공(vacancies)을 최소하고, 우수한 전기적 특성을 제공할 수 있는 고품질의 환원된 그래핀옥사이드를 제공하는 것이다. An object of the present invention is a high-quality reduced graphene oxide capable of minimizing structural defects and vacancies and providing excellent electrical properties by having an average crystal size and oxygen (O) content within a specific range is to provide
본 발명의 다른 목적은 촉매의 존재 하에 특정 압력 및 온도를 가함으로써 수소가 부족한 환경에서 탄소 손실을 최소화할 수 있는 환원된 그래핀옥사이드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing reduced graphene oxide capable of minimizing carbon loss in a hydrogen-sufficient environment by applying a specific pressure and temperature in the presence of a catalyst.
본 발명은 산소(O)의 함량이 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)의 총 함량을 기준으로 6 원자% 내지 18 원자%인 환원된 그래핀옥사이드로서, 120 nm 내지 250 nm의 평균 결정 크기(average crystalline size)를 갖는, 환원된 그래핀옥사이드를 제공한다.The present invention is a reduced graphene oxide having an oxygen (O) content of 6 atomic% to 18 atomic% based on the total content of carbon (C), hydrogen (H) and oxygen (O), Provides a reduced graphene oxide having an average crystalline size of (average crystalline size).
또한, 본 발명은 (1) 그래핀옥사이드 및 철계 촉매를 혼합하는 단계; 및 (2) 상기 혼합물을 3,000 kgf/㎠ 내지 4,500 kgf/㎠의 압력 및 150 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 처리하여 그래핀옥사이드를 환원시키는 단계;를 포함하는, 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention includes (1) mixing graphene oxide and an iron-based catalyst; And (2) reducing graphene oxide by treating the mixture at a pressure of 3,000 kgf / cm 2 to 4,500 kgf / cm 2 and a temperature of 150 ° C to 450 ° C; to provide.
본 발명의 구현예에 따르면, 촉매의 존재 하에 특정 압력, 온도 및 수소가 부족한 환경에서 그래핀옥사이드를 환원시킴으로써 특정 평균 결정 크기 및 산소 함량을 가져 낮은 저항 및 높은 전기 전도도를 갖는 환원된 그래핀옥사이드를 효율적으로 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, reduced graphene oxide having a specific average crystal size and oxygen content having low resistance and high electrical conductivity by reducing graphene oxide in the presence of a catalyst in a specific pressure, temperature, and hydrogen-sufficient environment can provide efficiently.
또한, 본 발명의 구현예에 따른 방법은 수소가 부족한 환경 및 저온 조건하에서 환원이 이루어지며, 환원 과정 중 탄소 손실을 최소화할 수 있다.In addition, in the method according to an embodiment of the present invention, reduction is performed in a hydrogen-sufficient environment and under low-temperature conditions, and carbon loss during the reduction process can be minimized.
이하 첨부된 아래의 도면을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through the accompanying drawings.
도 1은 (i) 열적 및 화학적으로 환원된 그래핀옥사이드, (ii) 수소 존재하에서 촉매를 사용한 환원된 그래핀옥사이드, 및 (iii) 수소가 부족한 환경에서 촉매를 사용한 환원된 그래핀옥사이드(실시예 1)의 제조 과정을 나타내는 개략도이다.1 shows (i) thermally and chemically reduced graphene oxide, (ii) reduced graphene oxide using a catalyst in the presence of hydrogen, and (iii) reduced graphene oxide using a catalyst in a hydrogen-deficient environment (Example It is a schematic diagram showing the manufacturing process of Example 1).
도 2 내지 4는 각각 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 라만 스펙트럼(도 2), X-선 광전자 분광법(도 3) 및 푸리에 변형 적외선 분광법(FT-IR)(도 4)의 측정 결과를 나타낸 것이다.2 to 4 are graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, CVD-grown graphene (CVD-graphene) of Comparative Example 2 and Examples, respectively. Raman spectrum of reduced graphene oxide (CA-rGO) of 1 (FIG. 2), X-ray photoelectron spectroscopy (FIG. 3) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) (FIG. 4) show the measurement results.
도 5의 (a)는 본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드의 환원 메커니즘을 나타낸 것이고, (b)는 그래핀 시트와 FeCuO2에서의 O 원자와 C 원자의 결합 에너지를 나타낸 것이다.Figure 5 (a) shows the reduction mechanism of the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention, (b) shows the binding energy of O atoms and C atoms in the graphene sheet and FeCuO 2 .
도 6의 (a)는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 광학 이미지이고, (b) 내지 (f)는 각각 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 라만 맵을 나타낸 것이다.Figure 6 (a) is an optical image of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, (b) to (f) are each of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 It shows the Raman map.
도 7의 (a) 내지 (d)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)의 라만 맵을 나타낸 것이고, (e) 내지 (h)는 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)의 라만 맵을 나타낸 것이다.7 (a) to (d) show Raman maps of graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, and (e) to (h) are thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1. It shows the Raman map of
도 8은 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 및 베이 카본(BC)의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 측정 결과를 나타낸다. 8 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and bay carbon (BC). Shows the scanning electron microscope (SEM) measurement results of.
도 9는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO) 및 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)의 라만 분광 측정으로부터 적층수(I2D/IG)(x축)와 비율(ID/IG)에 따른 결정 크기(y축)를 나타낸 그래프이다.9 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and CVD-rGO of Comparative Example 2. It is a graph showing the crystal size (y-axis) according to the number of layers (I 2D /I G ) (x-axis) and the ratio (I D /I G ) from Raman spectroscopic measurements of grown graphene (CVD-graphene).
도 10은 0 ℃ 내지 500 ℃의 열처리 시, 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)에서 발생한 가스(CO, CO2, O2, H2O)의 GC-Mass 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11은 상기 발생한 가스의 총량을 비교한 그래프이다.10 shows gases (CO, CO 2 , O 2 , H generated from graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 during heat treatment at 0 ° C. to 500 ° C. 2 O) is a graph showing the GC-Mass analysis results, and FIG. 11 is a graph comparing the total amount of the generated gas.
도 12는 도 10 및 11의 결과에 대한 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)로부터 발생한 가스 분석 결과를 나타낸 파이 그래프이다.FIG. 12 is a pie graph showing the gas analysis results generated from the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 for the results of FIGS. 10 and 11.
도 13의 (a)는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO) 및 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)의 전기적 특성을 비교한 그래프이고, (b)는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)로 코팅된 종이를 이용하여 연결된 LED 표시 등의 디지털 카메라 이미지를 나타낸 것이며, 도 14 및 15는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene) 및 베이 카본(BC)의 산소 발생 반응 및 수소 발생 반응에 대한 선형 스위핑 전류-전압 곡선을 나타낸 것이다.13(a) shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 is a graph comparing the electrical properties of CVD-grown graphene (CVD-graphene), and (b) is an LED display connected using paper coated with reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 14 and 15 are graphene oxide (CA-rGO) reduced in Example 1, graphene oxide (GO) in Preparation Example 1, and thermally reduced graphene in Comparative Example 1. Linear sweeping current-voltage curves for oxygen evolution reactions and hydrogen evolution reactions of oxide (TrGO), CVD-grown graphene of Comparative Example 2, and bay carbon (BC) are shown.
도 16은 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene) 및 베이 카본(BC)의 저항을 나타낸 그래프이다.16 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and CVD-rGO of Comparative Example 2. It is a graph showing the resistance of grown graphene (CVD-graphene) and bay carbon (BC).
도 17은 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 및 베이 카본(BC)의 탄소 재료 촉매의 Pt에 대한 작동 전위의 Tafel 기울기 (a) 및 과전위((b) 및 (c))를 나타낸 것이고, (d) 및 (f)는 RHE에 대한 작동 전위의 Tafel 기울기(d) 및 과전위((e) 및 (f))를 나타낸 것이다.17 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and bay carbon (BC). shows the Tafel slope (a) and overpotential ((b) and (c)) of the operating potential for Pt of the carbon material catalyst of (d) and (f) the Tafel slope of the operating potential for RHE (d ) and overpotentials ((e) and (f)).
도 18은 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 및 비교예 3 내지 5의 환원된 그래핀옥사이드의 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 측정에 의한 sp2, sp3, C-O-C 및 O-C=0의 비율을 나타낸 것이다. 18 is an X-ray photoelectron spectroscopy of reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 and reduced graphene oxide of Comparative Examples 3 to 5. It shows the ratio of sp2, sp3, COC and OC=0 by XPS) measurement.
도 19는 환원 처리 시 압력에 따른 내부 온도와 외부 온도의 상관관계를 나타낸 그래프이다.19 is a graph showing the correlation between internal temperature and external temperature according to pressure during reduction treatment.
도 20의 (a)는 압력과 온도 변화에 따른 ID/IG의 비율을 나타낸 그래프이고, (b)는 4,000 kgf/cm2 압력 및 250 ℃의 온도에서 시간 변화에 따른 XPS 측정에 의한 sp2, sp3, C-O-C 및 O-C=0의 비율을 나타낸 것이다. Figure 20 (a) is a graph showing the ratio of I D / I G according to pressure and temperature change, (b) is 4,000 kgf / cm 2 pressure and sp2 by XPS measurement according to time change at a temperature of 250 ℃ , sp3, COC, and the ratio of OC=0.
이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
이하의 구현예의 설명에 있어서, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 형성되는 것으로 기재되는 것은, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함한다. 즉, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. In the following description of embodiments, it is described that one component is formed on or under another component, which means that one component is directly above or under another component, or indirectly through another component. Including everything formed by That is, when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being “on” another element, it is to be understood that it may be directly on the other element or intervening elements may exist. There will be.
또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기와 다를 수 있다.In addition, the criteria for the top/bottom of each component will be described based on the drawings. The size of each component in the drawing may be exaggerated for description, and may differ from the actually applied size.
본 명세서에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. "Including" a component in this specification means that other components may be further included, not excluding other components, unless otherwise stated.
또한, 본 명세서에 기재된 구성요소의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.In addition, it should be understood that all numerical ranges representing physical property values, dimensions, etc. of components described in this specification are modified by the term "about" in all cases unless otherwise specified.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석되어야 한다.In this specification, singular expressions should be interpreted as meaning including the singular or plural interpreted in context unless otherwise specified.
본 발명의 일 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드는 산소(O)의 함량이 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)의 총 함량을 기준으로 6 원자% 내지 18 원자%인 환원된 그래핀옥사이드로서, 120 nm 내지 250 nm의 평균 결정 크기(average crystalline size)를 갖는다.The reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention has an oxygen (O) content of 6 atomic% to 18 atomic% based on the total content of carbon (C), hydrogen (H) and oxygen (O). As a graphene oxide, it has an average crystalline size of 120 nm to 250 nm.
상기 환원된 그래핀옥사이드는 특정 범위의 결정 크기 및 산소(O)의 함량을 가짐으로써 구조적 결함(defects) 및 공공(vacancies)을 최소화하고, 안정적이고 정렬된 구조를 가질 수 있으므로, 낮은 저항 및 향상된 전기 전도도를 구현할 수 있다. Since the reduced graphene oxide has a crystal size and oxygen (O) content within a specific range, structural defects and vacancies can be minimized, and stable and ordered structures can be obtained, resulting in low resistance and improved electrical conductivity can be achieved.
이하, 본 발명의 일 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
환원된 그래핀옥사이드Reduced Graphene Oxide
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드는 평균 결정 크기(average crystalline size)가 120 nm 내지 250 nm일 수 있다. 구체적으로, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 평균 결정 크기가 130 nm 내지 230 nm, 140 nm 내지 220 nm, 150 nm 내지 220 nm, 또는 150 nm 내지 200 nm일 수 있다.Reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention may have an average crystalline size of 120 nm to 250 nm. Specifically, the reduced graphene oxide may have an average crystal size of 130 nm to 230 nm, 140 nm to 220 nm, 150 nm to 220 nm, or 150 nm to 200 nm.
상기 환원된 그래핀옥사이드의 평균 결정 크기가 상기 범위를 만족하는 경우, 저항을 낮추고 전기 전도도를 크게 향상시킬 수 있다. 만일, 환원된 그래핀옥사이드의 평균 결정 크기가 120 nm 미만인 경우, 저항이 증가하고, 전기 전도도가 저하하는 문제가 있을 수 있고, 250 nm를 초과하는 경우 전기화학적 활성 영역의 감소로 성능 저하의 문제가 있을 수 있다.When the average crystal size of the reduced graphene oxide satisfies the above range, resistance may be lowered and electrical conductivity may be greatly improved. If the average crystal size of the reduced graphene oxide is less than 120 nm, resistance may increase and electrical conductivity may decrease, and if it exceeds 250 nm, the electrochemically active area is reduced, resulting in degradation of performance there may be
한편, 본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드는 산소(O)의 함량이 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)의 총 함량을 기준으로 6 원자% 내지 18 원자%이다. 구체적으로, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 산소(O)의 함량이 8 원자% 내지 18 원자%, 10 원자% 내지 17 원자%, 12 원자% 내지 17 원자%, 또는 12 원자% 내지 16 원자%일 수 있다.On the other hand, the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention has an oxygen (O) content of 6 atomic% to 18 atomic% based on the total content of carbon (C), hydrogen (H) and oxygen (O). . Specifically, the reduced graphene oxide has an oxygen (O) content of 8 atomic % to 18 atomic %, 10 atomic % to 17 atomic %, 12 atomic % to 17 atomic %, or 12 atomic % to 16 atomic %. can
상기 환원된 그래핀옥사이드의 산소(O)의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 고품질의 환원된 그래핀옥사이드에서 요구되는 최소한의 산소량을 구현할 수 있고 완벽하게 재구성된 탄소 구조를 형성할 수 있으므로, 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 만일, 상기 환원된 그래핀옥사이드의 산소(O)의 함량이 6 원자% 미만인 경우, 전기화학적인 반응성의 감소로 인한 성능 저하의 문제가 있을 수 있고, 18 원자%를 초과하는 경우, 구조적인 결함 및 공공이 발생하여 정렬된 구조를 형성하기 어려울 수 있고, 저항이 증가하고 전기 전도도가 저하하는 문제가 있을 수 있다.When the oxygen (O) content of the reduced graphene oxide satisfies the above range, the minimum amount of oxygen required for high-quality reduced graphene oxide can be realized and a completely reconstituted carbon structure can be formed. Electrical properties can be further improved. If the oxygen (O) content of the reduced graphene oxide is less than 6 atomic %, there may be a problem of performance degradation due to a decrease in electrochemical reactivity, and if it exceeds 18 atomic %, structural defects And it may be difficult to form an aligned structure due to the occurrence of vacancies, and there may be problems in that resistance increases and electrical conductivity decreases.
상기 환원된 그래핀옥사이드의 탄소/산소(C/O) 원자비는 3 내지 5, 3.5 내지 5, 3.8 내지 4.8, 또는 3.8 내지 4.5일 수 있다. 상기 범위의 탄소/산소(C/O) 원자비를 가짐으로써, 구조적인 결함 및 공공 발생이 최소화되어 구조적으로 잘 정렬된 구조를 가질 수 있다.The carbon/oxygen (C/O) atomic ratio of the reduced graphene oxide may be 3 to 5, 3.5 to 5, 3.8 to 4.8, or 3.8 to 4.5. By having a carbon/oxygen (C/O) atomic ratio within the above range, structural defects and vacancies may be minimized to have a well-ordered structure.
또한, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 탄소(C)의 함량이 45 원자% 내지 65 원자%, 45 원자% 내지 60 원자%, 48 원자% 내지 55 원자%, 또는 48 원자% 내지 53 원자%일 수 있다.In addition, the reduced graphene oxide may have a carbon (C) content of 45 atomic % to 65 atomic %, 45 atomic % to 60 atomic %, 48 atomic % to 55 atomic %, or 48 atomic % to 53 atomic %. there is.
또한, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 수소(H)의 함량이 30 원자% 내지 50 원자%, 32 원자% 내지 48 원자%, 32 원자% 내지 42 원자%, 또는 32 원자% 내지 40 원자%일 수 있다.In addition, the reduced graphene oxide may have a hydrogen (H) content of 30 atomic % to 50 atomic %, 32 atomic % to 48 atomic %, 32 atomic % to 42 atomic %, or 32 atomic % to 40 atomic %. there is.
특히, 본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드는 그래핀옥사이드 기저면에 산소를 현저히 낮은 함량으로 가질 수 있다.In particular, the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention may have a significantly low content of oxygen on the graphene oxide base surface.
구체적으로, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 에폭시기, 히드록시기, 카복실기를 포함하며, 구체적으로, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 기저면의 산소기로서 에폭시기를 포함하고, 가장자리부의 산소기로서 카복실기 및 히드록시기를 포함할 수 있다. Specifically, the reduced graphene oxide includes an epoxy group, a hydroxyl group, and a carboxyl group. Specifically, the reduced graphene oxide may include an epoxy group as an oxygen group on a basal surface and a carboxyl group and a hydroxy group as an oxygen group on an edge portion. there is.
상기 기저면의 산소기는 구조적 변형 및 결함에 기인할 수 있으므로, 환원된 그래핀옥사이드의 전기적 특성에 결정적인 영향을 미칠 수 있다. 또한, 상기 가장자리부의 산소기는 작용기로서의 역할을 할 수 있으므로 전기 촉매 활성에 영향을 미칠 수 있다.Since oxygen groups on the basal surface may be due to structural deformation and defects, it may have a decisive effect on the electrical properties of the reduced graphene oxide. In addition, since the oxygen group of the edge part can serve as a functional group, it can affect the electrocatalytic activity.
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드는 환원 전의 그래핀옥사이드에 비해 기저면에 존재하는 에폭시기의 함량은 현저히 낮고, 가장자리부에 존재하는 카복실기 및 히드록시기의 함량은 더욱 높을 수 있다. Compared to the graphene oxide before reduction, the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention may have a significantly lower content of epoxy groups present on the basal surface and a higher content of carboxyl and hydroxy groups present on the edge portion.
구체적으로, 상기 환원된 그래핀옥사이드에 있어서, 상기 에폭시기의 함량은 0.2 내지 0.6 원자%, 0.2 내지 0.5 원자%, 또는 0.2 내지 0.48 원자%일 수 있다.Specifically, in the reduced graphene oxide, the content of the epoxy group may be 0.2 to 0.6 atomic %, 0.2 to 0.5 atomic %, or 0.2 to 0.48 atomic %.
한편, 상기 히드록시기의 함량은 1.0 내지 1.8 원자%, 1.0 내지 1.7 원자%, 1.0 내지 1.6 원자% 또는 1.0 내지 1.5 원자%일 수 있다.Meanwhile, the content of the hydroxy group may be 1.0 to 1.8 atomic %, 1.0 to 1.7 atomic %, 1.0 to 1.6 atomic %, or 1.0 to 1.5 atomic %.
상기 카복실기의 함량은 10 내지 20 원자%, 10 내지 18 원자%, 10 내지 16 원자% 또는 11 내지 15 원자%일 수 있다.The content of the carboxyl group may be 10 to 20 atomic %, 10 to 18 atomic %, 10 to 16 atomic %, or 11 to 15 atomic %.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 환원된 그래핀옥사이드의 기저면에 포함되는 에폭시기의 함량을 크게 낮춤으로써 구조적 변형 및 결함을 최소화하여 전기 전도도를 크게 향상시킬 수 있다. According to an embodiment of the present invention, electrical conductivity can be greatly improved by minimizing structural deformation and defects by significantly lowering the content of the epoxy group included in the basal surface of the reduced graphene oxide.
또한, 상기 환원된 그래핀옥사이드의 가장자리부에 포함하는 히드록시기 및 카복실기 함량을 상기 범위로 만족하는 경우, 상기 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 가장자리부에 풍부한 작용기를 갖기 때문에 이 경우, 상기 환원된 그래핀옥사이드를 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction; OER) 촉매 및 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction; HER) 촉매로 사용하는 경우 높은 활성을 나타내어 우수한 성능의 OER 및 HER를 제공할 수 있다. In addition, when the hydroxy group and carboxyl group contents included in the edge portion of the reduced graphene oxide are satisfied within the above range, since the reduced graphene oxide (CA-rGO) has an abundant functional group at the edge portion, in this case, When the reduced graphene oxide is used as an oxygen evolution reaction (OER) catalyst and a hydrogen evolution reaction (HER) catalyst, it exhibits high activity and can provide OER and HER with excellent performance.
구체적으로, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 0.2 내지 0.6 원자%의 에폭시기; 1.0 내지 1.8 원자%의 히드록시기; 10 내지 20 원자%의 카복실기; 및 나머지량의 탄소(C)를 포함할 수 있다.Specifically, the reduced graphene oxide is 0.2 to 0.6 atomic% of the epoxy group; 1.0 to 1.8 atomic % of hydroxy groups; 10 to 20 atomic % carboxyl groups; and the remaining amount of carbon (C).
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드가 상기 범위의 에폭시기, 히드록시기 및 카복실기의 함량을 동시에 만족함으로써, 전기적 특성 및 전기 촉매의 활성을 더욱 향상시킬 수 있다. Since the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention simultaneously satisfies the contents of the epoxy group, hydroxyl group, and carboxyl group within the above range, electrical characteristics and activity of the electrocatalyst can be further improved.
한편, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 탄소의 sp3/sp2 비율이 0.1 내지 0.9, 0.1 내지 0.7, 0.1 내지 0.5, 또는 0.1 내지 0.3일 수 있다. 상기 sp3/sp2 비율은 흑연화 정도를 나타내는 지표로서, 상기 sp3/sp2가 상기 범위를 만족하는 경우 sp2 비율이 상대적으로 증가하여 흑연 구조가 완벽하게 재구성될 수 있으며, 이로 인해 전기적 특성이 향상될 수 있다.Meanwhile, the reduced graphene oxide may have a carbon sp3/sp2 ratio of 0.1 to 0.9, 0.1 to 0.7, 0.1 to 0.5, or 0.1 to 0.3. The sp3/sp2 ratio is an index indicating the degree of graphitization, and when the sp3/sp2 satisfies the above range, the sp2 ratio is relatively increased, so that the graphite structure can be perfectly reconstructed, thereby improving electrical properties. there is.
한편, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 라만 분광 측정시 하기 식 1의 조건을 만족할 수 있다.Meanwhile, the reduced graphene oxide may satisfy the condition of Equation 1 below when measuring Raman spectroscopy.
[식 1][Equation 1]
0.05 ≤ ID/IG ≤ 0.450.05 ≤ I D /I G ≤ 0.45
상기 식 1에서,In Equation 1 above,
ID는 라만 스펙트럼에서 1350 내지 1380 ㎝-1 범위에 존재하는 피크의 강도를 나타내고,I D represents the intensity of a peak existing in the range of 1350 to 1380 cm -1 in the Raman spectrum,
IG는 라만 스펙트럼에서 1550 내지 1650 ㎝-1 범위에 존재하는 피크의 강도를 나타낸다.I G represents the intensity of a peak present in the range of 1550 to 1650 cm -1 in the Raman spectrum.
구체적으로, 환원된 그래핀옥사이드는 라만 스펙트럼에서 약 1361 cm-1 근처의 D 밴드와 약 1590 cm-1 근처의 G 밴드를 가질 수 있다. 이때, 상기 D 밴드 및 G 밴드의 정확한 위치는 환원된 그래핀옥사이드의 결함 농도, 구조, 및 공공의 영향에 의해 이동할 수 있다Specifically, the reduced graphene oxide may have a D band around 1361 cm -1 and a G band around 1590 cm -1 in a Raman spectrum. At this time, the precise positions of the D band and G band may be moved by the effect of the defect concentration, structure, and vacancies of the reduced graphene oxide.
구체적으로, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 상기 식 1의 ID/IG가 0.05 내지 0.3, 0.05 내지 0.25, 0.05 내지 0.18, 0.05 내지 0.15, 또는 0.05 내지 0.1일 수 있다. 상기 범위 내에서 ID가 낮을수록 환원된 그래핀옥사이드의 결정성이 증가할 수 있다. Specifically, the reduced graphene oxide may have I D /I G of Formula 1 of 0.05 to 0.3, 0.05 to 0.25, 0.05 to 0.18, 0.05 to 0.15, or 0.05 to 0.1. As the I D is lower within the above range, the crystallinity of the reduced graphene oxide may increase.
상기 식 1의 ID/IG가 상기 범위를 만족하는 경우, 환원된 그래핀옥사이드는 결함 밀도가 낮고 구조적으로 잘 정렬되었음을 나타낸다.When I D /I G of Equation 1 satisfies the above range, the reduced graphene oxide has a low defect density and is structurally well aligned.
또한, 상기 환원된 그래핀옥사이드가 라만 분광 측정시 I2D/IG가 0.44 내지 1.084일 수 있다. 상기 I2D/IG는 환원된 그래핀옥사이드의 적층수를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 구현예에 따른 압력 조건 하에서 강화된 π-π 상호 작용으로 재적층 되어, 상기 환원된 그래핀옥사이드는 두 층 내지 수십 층으로 적층될 수 있다. In addition, when the reduced graphene oxide is measured by Raman spectroscopy, I 2D /I G may be 0.44 to 1.084. The I 2D /I G may indicate the number of layers of reduced graphene oxide. For example, the reduced graphene oxide may be stacked in two to several tens of layers by being redeposited by an enhanced π-π interaction under a pressure condition according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드의 결함 밀도는 2X1010 cm-2 내지 7X1010 cm-2, 2X1010 cm-2 내지 5X1010 cm-2, 또는 2X1010 cm-2 내지 4.5X1010 cm-2일 수 있다. The defect density of the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention is 2X10 10 cm -2 to 7X10 10 cm -2 , 2X10 10 cm -2 to 5X10 10 cm -2 , or 2X10 10 cm -2 to 4.5X10 10 cm -2 .
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드가 상기 범위의 결함 밀도를 가짐으로써 구조적 결함 및 공공이 최소화되고 구조적으로 잘 정렬되어 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. Since the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention has a defect density within the above range, structural defects and vacancies are minimized and structurally well aligned, thereby further improving electrical properties.
상기 환원된 그래핀옥사이드의 전기저항은 40 μΩm 내지 60 μΩm, 40 μΩm 내지 58 μΩm, 또는 40 μΩm 내지 55 μΩm일 수 있다. 상기 환원된 그래핀옥사이드의 전기저항이 상기 범위를 만족함으로써, 전기 전도도를 더욱 향상시켜 우수한 전기적 특성을 구현할 수 있다.Electrical resistance of the reduced graphene oxide may be 40 μΩm to 60 μΩm, 40 μΩm to 58 μΩm, or 40 μΩm to 55 μΩm. When the electrical resistance of the reduced graphene oxide satisfies the above range, electrical conductivity may be further improved to realize excellent electrical characteristics.
환원된 그래핀옥사이드의 제조방법Manufacturing method of reduced graphene oxide
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법은 (1) 그래핀옥사이드 및 철계 촉매를 혼합하는 단계; 및 (2) 상기 혼합물을 3,000 kgf/㎠ 내지 4,500 kgf/㎠의 압력 및 150 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 처리하여 그래핀옥사이드를 환원시키는 단계;를 포함한다.A method for producing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention includes (1) mixing graphene oxide and an iron-based catalyst; and (2) reducing graphene oxide by treating the mixture at a pressure of 3,000 kgf/cm 2 to 4,500 kgf/cm 2 and a temperature of 150° C. to 450° C.
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법은 특징적으로 철계 촉매를 이용하여 수소가 부족한 환경에서 피셔-트롭스치(Fischer-Tropsch) 반응을 적용한다. The method for producing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention characteristically employs a Fischer-Tropsch reaction in a hydrogen-sufficient environment using an iron-based catalyst.
상기 피셔-트롭스치 반응은 일반적으로 풍부한 수소 가스 조건 하에서 CO 또는 CO2로부터 긴 사슬의 탄화수소를 생성하는 반응이다.The Fischer-Tropsch reaction is generally a reaction that produces long-chain hydrocarbons from CO or CO 2 under abundant hydrogen gas conditions.
이와 관련하여, 도 1은 (i) 열적 및 화학적으로 환원된 그래핀옥사이드, (ii) 수소 존재하에서 촉매를 사용한 환원된 그래핀옥사이드, 및 (iii) 수소가 부족한 환경에서 촉매를 사용한 환원된 그래핀옥사이드(실시예 1)의 제조 과정을 나타내는 개략도이며, 이를 참조하여 본 발명의 제조방법에 따른 구체적인 특징을 상세히 설명한다.In this regard, FIG. 1 shows (i) thermally and chemically reduced graphene oxide, (ii) catalytically reduced graphene oxide in the presence of hydrogen, and (iii) catalytically reduced graphene oxide in a hydrogen-deficient environment. It is a schematic diagram showing the manufacturing process of pin oxide (Example 1), and with reference to this, specific features according to the manufacturing method of the present invention will be described in detail.
도 1을 참조하면, (i)에 나타낸 바와 같이, 열적 및 화학적으로 환원된 그래핀옥사이드의 경우, 환원 시 탄소 함유 가스를 생성함으로써 탄소 손실이 발생하며, 고온의 열처리로 인해, 탄소에 부착된 산소 함유 작용기를 탄소 함유 가스, 예컨대 CO2와 CO로 분해시켜 그래핀 시트에 구조적 결함 및 공공을 남길 수 있다. Referring to FIG. 1, as shown in (i), in the case of thermally and chemically reduced graphene oxide, carbon loss occurs by generating a carbon-containing gas during reduction, and due to high-temperature heat treatment, The decomposition of oxygen-containing functional groups into carbon-containing gases, such as CO 2 and CO, can leave structural defects and vacancies in the graphene sheet.
(ii)에 나타낸 바와 같이, 수소 존재하에서 촉매를 사용한 환원된 그래핀옥사이드의 경우, 촉매 표면 상에서 탄소와 수소와의 결합에 의해 CHx(수소화된 그래핀 시트)가 생성될 수 있으므로, 최종 생성물인 환원된 그래핀옥사이드에서도 CHx가 생성될 수 있다. As shown in (ii), in the case of reduced graphene oxide using a catalyst in the presence of hydrogen, since CHx (hydrogenated graphene sheet) can be produced by the combination of carbon and hydrogen on the catalyst surface, the final product, CHx can also be generated from reduced graphene oxide.
이에 반해, (iii)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 구현예에 따른 수소가 부족한 환경에서 촉매를 사용한 환원된 그래핀옥사이드의 경우, 그래핀의 산소를 촉매의 표면 상에 흡착시킨 이후 탄소로부터 분리할 수 있으므로 탄소 손실을 최소화할 수 있다.On the other hand, as shown in (iii), in the case of reduced graphene oxide using a catalyst in a hydrogen-sufficient environment according to an embodiment of the present invention, oxygen of graphene is adsorbed on the surface of the catalyst and then separated from carbon. This can be done to minimize carbon loss.
구체적으로, 도 5의 (a)를 참조하면, 본 발명의 구현예에 따른 피셔-트롭스치 반응을 적용한 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법은, (i) 그래핀옥사이드 및 철계 촉매를 혼합함으로써, 그래핀의 산소를 촉매 표면 상에 흡착시킨 다음, (ii) 산소를 탄소로부터 분해(dissociation)시켜 그래핀옥사이드의 탈산화가 이루어질 수 있다. 이후, (iii) 상기 탈산화에 의해 산소 분자를 잃어버린 탄소를 수소가 부족한 환경, 즉 3,000 kgf/㎠ 내지 4,500 kgf/㎠의 압력 및 150 ℃ 내지 450 ℃의 온도 조건 하에서 처리함으로써 흑연화(graphitization)가 이루어질 수 있다. 그 다음 (iv) 상기의 조건에서, 촉매 표면 상에 흡착된 산소는 가스 형태로 배출됨으로써 산소의 탈착(desorption)과 촉매 표면의 복원이 이루어질 수 있다.Specifically, referring to (a) of FIG. 5, a method for producing reduced graphene oxide using a Fischer-Tropsch reaction according to an embodiment of the present invention is (i) by mixing graphene oxide and an iron-based catalyst, Deoxidation of graphene oxide can be achieved by adsorbing oxygen of graphene on the catalyst surface and then (ii) dissociating oxygen from carbon. Then, (iii) graphitization by treating the carbon that has lost oxygen molecules by the deoxidation under a hydrogen-sufficient environment, that is, a pressure of 3,000 kgf / cm 2 to 4,500 kgf / cm 2 and a temperature of 150 ° C to 450 ° C can be done Then (iv) under the above conditions, oxygen adsorbed on the catalyst surface is discharged in the form of a gas, so that desorption of oxygen and restoration of the catalyst surface can be achieved.
즉, 본 발명의 구현예에 따른 방법은 그래핀의 산소를 철계 촉매의 표면 상에 흡착시킨 이후 탄소로부터 분리할 수 있으므로, 탈산화 및 흑연화 공정 중에 탄소 손실을 최소화할 수 있다.That is, since the method according to the embodiment of the present invention can adsorb oxygen of graphene on the surface of the iron-based catalyst and then separate it from carbon, carbon loss can be minimized during deoxidation and graphitization processes.
또한, 상기 그래핀옥사이드 및 철계 촉매의 혼합물에 상기 범위의 압력을 가함으로써, 수소의 출입을 강제적으로 차단할 수 있으며, 이로 인해 수소가 부족한 환경 하에서 충분한 탄소와 탈산화된 탄소 원자의 직접적인 결합을 통해 비활성 표면 탄소 종을 생성할 수 있다. 이는 하기 반응식 1로 나타낼 수 있다.In addition, by applying a pressure in the above range to the mixture of the graphene oxide and the iron-based catalyst, it is possible to forcibly block the entry and exit of hydrogen, and as a result, through direct bonding of sufficient carbon and deoxidized carbon atoms in an environment where hydrogen is insufficient. It can generate inert surface carbon species. This can be represented by Reaction Scheme 1 below.
[반응식 1] [Scheme 1]
Figure PCTKR2021010677-appb-I000001
Figure PCTKR2021010677-appb-I000001
여기서, kc는 반응 속도 상수를 나타내고, Ci는 비활성 표면 탄소 종을 나타낸다.Here, k c represents the reaction rate constant and C i represents the inert surface carbon species.
즉, 본 발명의 구현예에 따른 그래핀옥사이드의 환원 처리는 상기 특정 범위의 압력을 가하여 내부와 외부 시스템 사이의 가스 교환이 어려운 준-폐쇄 시스템을 생성함으로써 외부로부터의 수소의 출입을 강제적으로 차단하는 시스템일 수 있다. That is, the graphene oxide reduction treatment according to the embodiment of the present invention applies a pressure in the specific range to create a semi-closed system in which gas exchange between the internal and external systems is difficult, thereby forcibly blocking the entry and exit of hydrogen from the outside. It may be a system that
도 5의 (b)를 참조하면, 철계 촉매(FeCuO2)와 산소(O) 원자의 결합에너지는 약 3.57 eV로서, 그래핀 시트와 산소(O) 원자의 결합에너지(약 2.15 eV)보다 결합에너지가 높기 때문에, 철계 촉매(FeCuO2) 표면 상에 산소를 용이하게 흡착(3.57 eV)할 수 있으므로 탈산화가 이루어질 수 있으며, 그래핀 시트와 탄소(C) 원자와의 결합에너지는 약 15.3 eV로, 철계 촉매(FeCuO2)와 탄소(C) 원자와의 결합에너지(7.03 eV)보다 높기 때문에 탄소의 손실을 야기하는 탄화물의 형성을 억제하고, 흑연화를 용이하게 수행할 수 있다. Referring to (b) of FIG. 5, the binding energy between the iron-based catalyst (FeCuO 2 ) and the oxygen (O) atom is about 3.57 eV, which is higher than the binding energy between the graphene sheet and the oxygen (O) atom (about 2.15 eV). Since the energy is high, oxygen can be easily adsorbed (3.57 eV) on the surface of the iron-based catalyst (FeCuO 2 ), so deoxidation can be achieved, and the binding energy between the graphene sheet and carbon (C) atoms is about 15.3 eV. , Since it is higher than the binding energy (7.03 eV) between an iron-based catalyst (FeCuO 2 ) and a carbon (C) atom, formation of carbides that cause carbon loss can be suppressed, and graphitization can be easily performed.
이러한 방법으로 제조된 환원된 그래핀옥사이드는 탄소 손실 및 구조적 결함 및 공공 발생을 최소화할 수 있으므로, 낮은 저항 및 높은 전기 전도도를 갖는 우수한 품질의 환원된 그래핀옥사이드를 효율적으로 제공할 수 있다. Since the reduced graphene oxide prepared in this way can minimize carbon loss and structural defects and generation of vacancies, it is possible to efficiently provide reduced graphene oxide of excellent quality with low resistance and high electrical conductivity.
이하, 각 공정을 단계별로 구체적으로 설명한다:Hereinafter, each process will be described in detail step by step:
(1)(One) 그래핀옥사이드 및 철계 촉매를 혼합하는 단계Mixing graphene oxide and iron-based catalyst
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (1)은 그래핀옥사이드 및 철계 촉매를 혼합하는 단계이다. In the method for producing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention, step (1) is a step of mixing graphene oxide and an iron-based catalyst.
상기 철계 촉매는 산화철(Fe2O3), 델라포사이트 구조를 갖는 철계 화합물 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 철계 촉매는 델라포사이트 구조를 갖는 철계 화합물을 포함할 수 있다. The iron-based catalyst may include iron oxide (Fe 2 O 3 ), an iron-based compound having a delafossite structure, or a combination thereof. Specifically, the iron-based catalyst may include an iron-based compound having a delafossite structure.
상기 델라포사이트 구조를 갖는 철계 화합물은 FeCuO2일 수 있다.The iron-based compound having the delafossite structure may be FeCuO 2 .
(2) 상기 혼합물을 3,000 kgf/㎠ 내지 4,500 kgf/㎠의 압력 및 150 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 처리하여 그래핀옥사이드를 환원시키는 단계(2) reducing graphene oxide by treating the mixture at a pressure of 3,000 kgf/cm 2 to 4,500 kgf/cm 2 and a temperature of 150° C. to 450° C.
본 발명의 일 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (2)는 상기 혼합물을 3,000 kgf/㎠ 내지 4,500 kgf/㎠의 압력 및 150 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 처리하여 그래핀옥사이드를 환원시키는 단계이다. In the method for producing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention, the step (2) is to treat the mixture at a pressure of 3,000 kgf / cm 2 to 4,500 kgf / cm 2 and a temperature of 150 ° C to 450 ° C This is the step of reducing graphene oxide.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 범위의 압력을 가함으로써, 수소의 출입을 강제적으로 차단할 수 있으며, 이로 인해 450 ℃ 이하의 저온 및 수소가 부족한 환경 하에서 충분한 탄소와 탈산화된 탄소 원자의 직접적인 결합이 이루어질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by applying a pressure in the above range, it is possible to forcibly block the entry and exit of hydrogen, which results in direct bonding of sufficient carbon and deoxidized carbon atoms under a low temperature of 450 ° C. or less and an environment lacking hydrogen. this can be done
구체적으로, 상기 압력은 3,000 kgf/㎠ 내지 4,500 kgf/㎠, 3,000 kgf/㎠ 내지 4,200 kgf/㎠, 3,000 kgf/㎠ 내지 4,000 kgf/㎠, 또는 3,500 kgf/㎠ 내지 4,000 kgf/㎠일 수 있다. 상기 범위의 압력하에서 환원을 수행하는 경우, 반응기의 내부와 외부 시스템 사이의 가스 교환이 어려워 수소가 부족한 환경을 마련할 수 있다. 이로 인해, 탄소 손실 및 구조적 결함 발생을 억제할 수 있으므로, 낮은 저항 및 높은 전기 전도도를 갖는 우수한 품질의 환원된 그래핀옥사이드를 효율적으로 제공할 수 있다. Specifically, the pressure may be 3,000 kgf/cm 2 to 4,500 kgf/cm 2 , 3,000 kgf/cm 2 to 4,200 kgf/cm 2 , 3,000 kgf/cm 2 to 4,000 kgf/cm 2 , or 3,500 kgf/cm 2 to 4,000 kgf/cm 2 . When the reduction is performed under a pressure in the above range, gas exchange between the inside of the reactor and the external system is difficult, and an environment in which hydrogen is insufficient may be provided. Due to this, since carbon loss and occurrence of structural defects can be suppressed, reduced graphene oxide of excellent quality having low resistance and high electrical conductivity can be efficiently provided.
만일, 상기 압력이 3,000 kgf/㎠ 미만인 경우, 반응이 내부의 온도가 흑연화 반응이 일어나는 온도(예컨대, 280 ℃ 이상)에 못 미쳐 탈산화 이후 재결정을 통한 흑연화가 일어나지 않을 수 있으며, 높은 저항 및 낮은 전기 전도도를 갖는 그래핀 옥사이드 필름이 생성될 수 있다. 한편, 상기 압력이 4,500 kgf/㎠을 초과하는 경우, 사용된 촉매 및 그래핀옥사이드의 구조적 변형이 발생할 수 있다.If the pressure is less than 3,000 kgf/cm 2 , graphitization through recrystallization after deoxidation may not occur because the temperature inside the reaction is less than the temperature at which the graphitization reaction occurs (eg, 280 ° C. or higher), and high resistance and Graphene oxide films with low electrical conductivity can be produced. On the other hand, when the pressure exceeds 4,500 kgf/cm 2 , structural deformation of the catalyst and graphene oxide may occur.
상기 환원 처리 시 온도는 150 ℃ 내지 450 ℃, 200 ℃ 내지 400 ℃, 200 ℃ 내지 350 ℃, 또는 220 ℃ 내지 350 ℃일 수 있다. 상기 온도는 반응기의 내부 온도 기준일 수 있다. 만일, 상기 온도가 150 ℃ 미만인 경우, 환원이 일어나지 않아 본 발명에서 목적하는 구조 및 효과를 갖는 환원된 그래핀옥사이드의 제조가 용이하지 않을 수 있고, 450 ℃를 초과하는 경우, 사용된 촉매 및 그래핀옥사이드의 구조적 변형이 발생할 수 있다.During the reduction treatment, the temperature may be 150 °C to 450 °C, 200 °C to 400 °C, 200 °C to 350 °C, or 220 °C to 350 °C. The temperature may be based on the internal temperature of the reactor. If the temperature is less than 150 ° C, reduction does not occur, so it may not be easy to prepare reduced graphene oxide having a structure and effect desired in the present invention, and if the temperature exceeds 450 ° C, the catalyst used and graphene oxide Structural transformation of pinoxide may occur.
한편, 상기 혼합물은 분말 형태일 수 있다. 만일, 상기 혼합물이 액체 형태인 경우 압력에 의해 액체의 누수가 발생할 수 있고 외부 환경으로부터 수소의 공급을 차단하기 어려울 수 있으며, 분말 형태인 경우 안정적으로 수소가 부족한 환경을 구현하는데 더욱 용이할 수 있다.Meanwhile, the mixture may be in powder form. If the mixture is in liquid form, liquid leakage may occur due to pressure and it may be difficult to block the supply of hydrogen from the external environment. In the case of powder form, it may be easier to stably implement an environment lacking in hydrogen. .
구체적으로, 상기 단계 (1)에서 그래핀옥사이드 및 철계 촉매의 혼합물이 액체 형태의 혼합물인 경우, 상기 액체 혼합물을 약 50 ℃ 내지 150 ℃, 구체적으로 80 ℃ 내지 120 ℃의 온도 범위에서 오븐 건조하여 분말 형태의 혼합물을 얻을 수 있다. Specifically, when the mixture of graphene oxide and iron-based catalyst in step (1) is a mixture in liquid form, the liquid mixture is oven-dried at a temperature range of about 50 ° C to 150 ° C, specifically 80 ° C to 120 ° C A mixture in powder form can be obtained.
한편, 본 발명의 구현예에 따른 그래핀옥사이드의 환원 처리는 상기 압력과 온도에서 처리하기 이전에 오염을 방지하고 수소가 부족한 환경을 만들기 위해 상기 혼합물을 금속 박으로 덮은 다음 환원을 수행할 수 있다. Meanwhile, In the reduction treatment of graphene oxide according to an embodiment of the present invention, reduction may be performed after covering the mixture with metal foil to prevent contamination and create a hydrogen-sufficient environment before treatment at the pressure and temperature.
구체적으로, 상기 혼합물, 예를 들어 분말 형태의 혼합물을 금속 박에 배치하여 금속 박을 완전히 덮음으로써 상기 혼합물을 캡슐화할 수 있다. 이 후, 상기 특정 범위의 압력을 가하여 반응기의 내부와 외부 시스템 사이의 가스 교환이 어려운 준-폐쇄 시스템을 생성함으로써 수소의 출입을 강제적으로 차단할 수 있다. Specifically, the mixture may be encapsulated by disposing the mixture, for example in powder form, on a metal foil to completely cover the metal foil. Thereafter, by applying a pressure in the specific range to create a semi-closed system in which gas exchange between the inside of the reactor and the external system is difficult, the entry and exit of hydrogen can be forcibly blocked.
상기 금속 박은 본 발명에서 목적하는 효과를 저해하지 않은 한, 다양한 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들어 구리, 니켈 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As long as the effect desired in the present invention is not impaired, various materials may be used for the metal foil, and for example, one or more selected from the group consisting of copper, nickel, and aluminum may be included.
한편, 본 발명의 일 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법은 상기 단계 (2)에서 얻은 환원된 그래핀옥사이드에 산 용액을 첨가하여 그로부터 철계 촉매를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. On the other hand, the method for producing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention may further include adding an acid solution to the reduced graphene oxide obtained in step (2) to remove the iron-based catalyst therefrom. .
상기 산 용액은 상기 철계 촉매를 제거할 수 있고, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 한 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 산 용액은 염산, 질산, 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The acid solution can remove the iron-based catalyst and can be used without limitation as long as the effect of the present invention is not impaired. Specifically, the acid solution may include at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid.
또한, 환원된 그래핀옥사이드에 산 용액을 첨가한 후, 약 5 시간 내지 30 시간 동안 유지함으로써 그로부터 촉매를 제거할 수 있다.In addition, after adding an acid solution to the reduced graphene oxide, the catalyst may be removed therefrom by maintaining it for about 5 hours to 30 hours.
본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법은 철계 촉매 존재 하에 그래핀옥사이드에 특정 압력과 온도를 가하여 수소가 부족한 환경에서 피셔-트롭스치 반응시킴으로써, 탄소 손실이 없는 환원된 그래핀옥사이드를 효율적으로 제조할 수 있다.In the method for producing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention, reduced graphene without carbon loss is obtained by applying a specific pressure and temperature to graphene oxide in the presence of an iron-based catalyst to perform a Fischer-Tropsch reaction in a hydrogen-sufficient environment. Oxides can be produced efficiently.
또한, 상기 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀옥사이드는 종래의 환원방법에 의해 제조된 환원된 그래핀옥사이드와 달리 환원 과정에서 탄소의 손실을 최소화함으로써, 큰 평균 결정 크기를 갖고, 산소를 낮은 함량으로 가질 수 있으며, 이로 인해 최소화된 구조적 결함을 가져 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. In addition, the reduced graphene oxide prepared by the above method has a large average crystal size and a low oxygen content by minimizing the loss of carbon in the reduction process, unlike the reduced graphene oxide prepared by the conventional reduction method. , thereby minimizing structural defects and improving electrical properties.
나아가, 상기 환원된 그래핀옥사이드를 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction; OER) 촉매 및 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction; HER) 촉매로 사용하는 경우 높은 활성을 나타내어 우수한 성능의 OER 및 HER를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드는 다양한 분야에서 촉매로 유용하게 활용될 수 있다.Furthermore, when the reduced graphene oxide is used as an OER (Oxygen Evolution Reaction) catalyst and a Hydrogen Evolution Reaction (HER) catalyst, it exhibits high activity, thereby providing OER and HER with excellent performance. there is. Therefore, the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention can be usefully used as a catalyst in various fields.
이하 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들로 한정되지는 않는다.The present invention will be described in more detail by the following examples. The following examples are merely illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
제조예 1: 그래핀옥사이드(GO)의 제조Preparation Example 1: Preparation of graphene oxide (GO)
2구 플라스크에 흑연 분말(Bay Carbon) 0.5 g과 NaOH3 0.5 g를 첨가하여 혼합한 후, H2SO4 23 ml를 첨가하고 이를 교반하였다. 이 후, 상기 플라스크에 KMnO4 3 g을 천천히 첨가한 다음, 이 혼합물을 35 ℃에서 2 시간 동안 교반하였다. 이후, 상기 플라스크에 수용액(aqueous solution) 40 ml를 첨가한 후, 95 ℃에서 1 시간 동안 보관하였다. 그 다음, 상기 혼합물에 탈이온수(DI) 100 ml를 첨가하고 상온에서 30 분 동안 교반하였다. 이렇게 준비된 그래핀옥사이드 용액을 200 ml의 탈이온수와 혼합하였고, 유리 섬유 멤브레인으로 여과하였다. 이후 1 wt%의 HCl과 충분한 탈이온수를 이용하여 여과물을 세척하고, 10 분 내지 15 분 동안 4000 R.P.M에서 원심분리에 의해 상기 용액이 거의 중성 상청액으로 변할 때까지 용액의 pH를 조절하였다. After adding and mixing 0.5 g of graphite powder (Bay Carbon) and 0.5 g of NaOH 3 in a two-necked flask, 23 ml of H 2 SO 4 was added and stirred. Thereafter, 3 g of KMnO 4 was slowly added to the flask, and the mixture was stirred at 35 °C for 2 hours. Thereafter, after adding 40 ml of an aqueous solution to the flask, the mixture was stored at 95° C. for 1 hour. Then, 100 ml of deionized water (DI) was added to the mixture and stirred at room temperature for 30 minutes. The graphene oxide solution thus prepared was mixed with 200 ml of deionized water and filtered through a glass fiber membrane. The filtrate was then washed with 1 wt% HCl and sufficient deionized water, and the pH of the solution was adjusted by centrifugation at 4000 RPM for 10 to 15 minutes until the solution turned into a nearly neutral supernatant.
제조예 2: 촉매 합성(델라포사이트, FeCuO2)Preparation Example 2: Catalyst Synthesis (Delafossite, FeCuO 2 )
FeCl2(II) 50 mM, Cu(NO3)2 50 mM, 및 NaOH 4 g을 탈이온수 50 ml에 첨가하여 혼합하였다. 그 다음, 상기 혼합 용액에 0.6 ml의 프로피온알데하이드(환원제)를 첨가하였다. 상기 용액을 마이크로파 오븐을 이용하여 180 ℃(18 ℃/min)에서 2 시간 동안 열처리하였다. 반응 후 생성물의 오염물을 제거하기 위해 에탄올로 세척하여 델라포사이트 구조의 철계 촉매인 FeCuO2를 얻었다. FeCl 2 (II) 50 mM, Cu(NO 3 ) 2 50 mM, and NaOH 4 g were added to 50 ml deionized water and mixed. Then, 0.6 ml of propionaldehyde (reducing agent) was added to the mixed solution. The solution was heat treated at 180 °C (18 °C/min) for 2 hours using a microwave oven. After the reaction, the product was washed with ethanol to remove contaminants, and FeCuO 2 , an iron-based catalyst having a delafossite structure, was obtained.
<환원된 그래핀옥사이드의 제조><Preparation of reduced graphene oxide>
실시예 1: 피셔-트롭스치 반응법을 적용한 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 제조Example 1: Preparation of reduced graphene oxide (CA-rGO) using the Fischer-Tropsch reaction method
제조예 1에서 얻은 그래핀옥사이드 용액 300 mg/L을 초음파를 이용하여 촉매(delafossite, FeCuO2)와 혼합하였다. 상기 혼합물을 80 ℃에서 밤새 오븐 건조하여 분말 형태로 얻었다. 주변 오염을 방지하기 위해 상기 분말을 구리 박(1 cm2)으로 완전히 덮었다. 그 다음, 가열 압축기를 이용하여 상기 샘플을 압력 4,000 kgf/cm2 및 온도 250 ℃에서 처리하여 그래핀옥사이드를 환원시켰다. 이후, 환원 처리에 의해 얻은 생성물에 염산(1 M) 용액을 첨가하고 24시간 동안 처리하여 철계 촉매가 제거된 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)를 얻었다. 300 mg/L of the graphene oxide solution obtained in Preparation Example 1 was mixed with a catalyst (delafossite, FeCuO 2 ) using ultrasonic waves. The mixture was oven dried at 80 °C overnight to obtain a powder form. The powder was completely covered with copper foil (1 cm 2 ) to prevent contamination of the surroundings. Then, the sample was treated at a pressure of 4,000 kgf/cm 2 and a temperature of 250 °C using a heating compressor to reduce graphene oxide. Thereafter, a hydrochloric acid (1 M) solution was added to the product obtained by the reduction treatment and treated for 24 hours to obtain reduced graphene oxide (CA-rGO) from which the iron-based catalyst was removed.
비교예 1: 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)의 제조Comparative Example 1: Preparation of thermally reduced graphene oxide (TrGO)
제조예 1에서 얻은 그래핀옥사이드 용액 300 mg/L으로 SiO2 웨이퍼(wafer) 의 일면을 코팅하였다(60 초 동안 3,000 R.P.M.). 이를 석영관에 위치시키고 챔버에 넣은 후, 상기 챔버를 아르곤(A,100 sccm) 분위기 하에서 3 mTorr까지 배기시키고 1,000 ℃까지 온도를 올려 30 분 동안 열처리하였다. 이 후, 온도를 상온으로 냉각시켜 열적 환원에 의한 그래핀옥사이드(TrGO, 청색)를 얻었다. One surface of a SiO 2 wafer was coated with 300 mg/L of the graphene oxide solution obtained in Preparation Example 1 (3,000 RPM for 60 seconds). After placing it in a quartz tube and putting it in a chamber, the chamber was evacuated to 3 mTorr under an argon (A, 100 sccm) atmosphere, and the temperature was raised to 1,000 ° C. and heat treatment was performed for 30 minutes. Thereafter, the temperature was cooled to room temperature to obtain graphene oxide (TrGO, blue) by thermal reduction.
비교예 2: CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)의 제조Comparative Example 2: Preparation of CVD-grown graphene
고순도 구리 호일(99.999%) 1cm2를 SiO2 웨이퍼(wafer)의 일면에 배치하였다. 이를 석영관에 위치시키고 챔버에 넣은 후, 상기 챔버를 아르곤/수소(Ar/H2,1000/50 sccm) 분위기 하에서 170 mTorr까지 배기시키고, 1,000 ℃(20℃/분)까지 온도를 올렸다. 그 다음, 상기 챔버에 메탄가스(CH4, 24 sccm)을 추가로 주입한 후, 30 분 동안 유지한 후, 냉각(200 ℃/분)을 통해 그래핀을 합성하였다. 합성된 그래핀은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 용액(분자량 996 kD, 4 중량%, 에틸 락테이트(ethyl lactate), 2000 r.p.m. 1분)을 이용하여 그래핀을 구리 호일에서 SiO2 웨이퍼(wafer)로 전사하였다. 최종적으로, 코팅된 PMMA를 아세톤을 이용하여 완벽히 제거하였다. 이로써, CVD-성장 그래핀(CVD-graphene, 갈색)을 얻었다.A high-purity copper foil (99.999%) 1 cm 2 was placed on one side of the SiO 2 wafer. After placing it in a quartz tube and putting it into a chamber, the chamber was evacuated to 170 mTorr under an argon/hydrogen (Ar/H 2 ,1000/50 sccm) atmosphere, and the temperature was raised to 1,000 °C (20 °C/min). Then, methane gas (CH 4, 24 sccm) was additionally injected into the chamber, maintained for 30 minutes, and graphene was synthesized through cooling (200 °C/min). The synthesized graphene was synthesized using a polymethyl methacrylate (PMMA) solution (molecular weight 996 kD, 4% by weight, ethyl lactate, 2000 rpm for 1 minute) to graphene on a SiO 2 wafer (wafer) on a copper foil. ) was transcribed. Finally, the coated PMMA was completely removed using acetone. Thus, CVD-grown graphene (brown) was obtained.
비교예 3: PGO의 제조Comparative Example 3: Preparation of PGO
실시예 1에서 온도를 상온으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 환원된 그래핀옥사이드(PGO)를 얻었다.Reduced graphene oxide (PGO) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the temperature was changed to room temperature in Example 1.
비교예 4: HGO의 제조Comparative Example 4: Preparation of HGO
실시예 1에서 압력을 1 atm으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 환원된 그래핀옥사이드(HGO)를 제조하였다.Reduced graphene oxide (HGO) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the pressure was changed to 1 atm in Example 1.
비교예 5: PHGO의 제조Comparative Example 5: Preparation of PHGO
실시예 1에서 촉매를 사용하지 않고, 제조예 1에서 얻은 그래핀옥사이드 용액을 이용하여 환원 처리를 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 환원된 그래핀옥사이드(PHGO)를 제조하였다.The reduced graphene oxide (PHGO) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the reduction treatment was performed using the graphene oxide solution obtained in Preparation Example 1 without using a catalyst in Example 1. manufactured.
시험 장치tester
상기 실시예에서 사용된 시험 장치는 아래와 같다.The test apparatus used in the above examples is as follows.
(1)(One) 라만 분광 측정Raman spectroscopic measurements
WItec, alpha300R (532 nm, 2 mW, 50x 렌즈)을 사용하여 구조를 분석하였다.The structure was analyzed using WItec, alpha300R (532 nm, 2 mW, 50x lens).
(2)(2) 평균 결정 크기 및 결함 밀도Average grain size and defect density
환원된 그래핀옥사이드의 결함 밀도(nD) 및 평균 결정 크기(LD)는 라만 스펙트럼으로부터 얻은 결과를 하기 식 2의 칸카도(Cancado) 방정식에 적용하여 결정될 수 있다: The defect density (n D ) and average crystallite size (L D ) of the reduced graphene oxide can be determined by applying the results obtained from the Raman spectrum to the Cancado equation in Equation 2 below:
[식 2][Equation 2]
Figure PCTKR2021010677-appb-I000002
Figure PCTKR2021010677-appb-I000002
상기 식 2에서, EL은 사용한 레이저 에너지(여기서, 2.33 eV)이고,In Equation 2, E L is the laser energy used (here, 2.33 eV),
ID 및 IG는 상기에서 정의한 바와 같다.I D and I G are as defined above.
(3)(3) X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy,X-ray photoelectron spectroscopy (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)XPS)
1.0X10-9 Torr 기반 압력에서 단색의 Al-Kα X-선 공급원으로 Thermo Fisher Scientific EXCALAB 250XI을 사용하여 X-선 광전자 분광법(XPS) 스펙트럼을 측정하였다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra were measured using a Thermo Fisher Scientific EXCALAB 250XI with a monochromatic Al-Kα X-ray source at 1.0X10 -9 Torr base pressure.
한편, 도 19에 나타낸 내부 온도(y축)는 하기 식 3을 기초로 결정되었다:Meanwhile, the internal temperature (y-axis) shown in FIG. 19 was determined based on Equation 3 below:
[식 3][Equation 3]
Figure PCTKR2021010677-appb-I000003
Figure PCTKR2021010677-appb-I000003
여기서 T1 및 P1은 초기(외부) 온도 및 압력이고, where T 1 and P 1 are the initial (external) temperature and pressure;
T2 및 P2는 최종(내부) 온도 및 압력이며; T 2 and P 2 are the final (internal) temperature and pressure;
n은 다열 지수(1 ~ 1.4)이다. n is a multi-row index (1 to 1.4).
상기 식을 적용하기 위해, 실험 시스템을 폐쇄 시스템으로 간주하였다. 압력이 250 ℃(외부 온도)에서 4,000 kgf/cm2이었을 경우, 내부 온도는 약 450 ℃로 증가하였다. To apply the above equation, the experimental system was considered as a closed system. When the pressure was 4,000 kgf/cm 2 at 250 °C (external temperature), the internal temperature increased to about 450 °C.
(4) 푸리에 변환 적외선 분광법(fourier transform infrared spectroscopy,(4) Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)FTIR)
Cary 670 FTIR 분광계(Agilent)를 사용하여 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 스펙트럼을 측정하였다.Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra were measured using a Cary 670 FTIR spectrometer (Agilent).
(5) 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)(5) Scanning Electron Microscope (SEM)
Nano-SEM 230을 사용하여 15 kV에서 주사 전자 현미경을 측정하였다.Scanning electron microscopy measurements were made at 15 kV using a Nano-SEM 230.
(6) GC-Mass(Gas Chromatography-Mass Spectrometry) 분석(6) GC-Mass (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) analysis
Ar 가스에서 샘플을 최대 500 ℃에서 100 분 동안(5 ℃/분) 가열하여 TGA/GC-mass(TA Instruments/Hiden Analytical LLC, TGA Q500 Auto/QGA) 측정을 수행하였다. TGA/GC-mass (TA Instruments/Hiden Analytical LLC, TGA Q500 Auto/QGA) measurements were performed by heating the sample in Ar gas at a maximum of 500 °C for 100 min (5 °C/min).
(7) 전기적 특성 평가(7) Evaluation of electrical characteristics
SiO2 웨이퍼 상에 증착된 40 nm Au 상에, GO(1.6 μm), TrGO(2.1 μm), CVD-graphene(단일층), 및 CA-rGO 막(2.7μm)으로 코팅된 두 전극 (5 μm)을 장치(MS TECH, MODEL 4000A, keithley 2636B SMU software)를 이용하여 전류-전압(IV) 특성을 측정하였다.Two electrodes (5 μm) coated with GO (1.6 μm), TrGO (2.1 μm), CVD-graphene (monolayer), and CA-rGO films (2.7 μm) on 40 nm Au deposited on a SiO 2 wafer. ) was measured for current-voltage (IV) characteristics using a device (MS TECH, MODEL 4000A, keithley 2636B SMU software).
(8) 밀도 함수 이론(DFT) 계산(8) Density functional theory (DFT) calculation
밀도 함수 이론(DFT) 계산은 비엔나 압이니티오 시뮬레이션 패키지(Vienna Ab initio Simulation Package; VASP)를 이용하였다. Density functional theory (DFT) calculations were performed using the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP).
상호교환-상호관계 함수는 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)의 일반 구배 근사법(CGA)을 이용하였다. 전자 평면파 인터셉션 에너지는 400 eV로 설정하고, 4×4×1 k-포인트 메쉬를 사용하였다. 이웃 이미지 사이의 진공 층은 15 Å보다 크게 설정하였고, 모든 원자의 힘은 0.01 eV / Å 미만이었다.The reciprocal-correlation function used the general gradient approximation (CGA) of Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). The electron plane wave interception energy was set to 400 eV, and a 4×4×1 k-point mesh was used. The vacuum layer between neighboring images was set larger than 15 Å, and the force of all atoms was less than 0.01 eV/Å.
상기 실험예에서 측정한 결과 및 기타 물성들을 표 1 내지 3 및 도 1 내지 20을 참조하여 이하에 구체적으로 설명한다:The results and other physical properties measured in the above experimental example are described in detail below with reference to Tables 1 to 3 and FIGS. 1 to 20:
시험예 1: 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 구조적 특징 Test Example 1: Structural characteristics of reduced graphene oxide (CA-rGO)
도 2 내지 4는 각각 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 라만 스펙트럼(도 2), X-선 광전자 분광법(도 3) 및 푸리에 변형 적외선 분광법(FT-IR)(도 4)의 측정 결과를 나타낸 것이다.2 to 4 are graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, CVD-grown graphene (CVD-graphene) of Comparative Example 2 and Examples, respectively. Raman spectrum of reduced graphene oxide (CA-rGO) of 1 (FIG. 2), X-ray photoelectron spectroscopy (FIG. 3) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) (FIG. 4) show the measurement results.
구체적으로, 도 2에서 볼 수 있듯이, 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO) 모두 라만 스펙트럼에서 1361 cm-1 근처의 D 밴드와 1590 cm-1 근처의 G 밴드를 가졌다. 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO) 및 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)는 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)와 비교하여, 날카롭고 대칭적인 G 및 2D 밴드를 갖고 D 밴드는 거의 없는, 상당히 정렬된 그래핀 유사의 라만 특징을 나타내었다. Specifically, as shown in FIG. 2, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and CVD-grown graphene (CVD-graphene of Comparative Example 2) ) and the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 both had a D band near 1361 cm -1 and a G band near 1590 cm -1 in the Raman spectrum. The reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 and the CVD-grown graphene (CVD-graphene) of Comparative Example 2 were sharper than the thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1. It exhibited highly ordered, graphene-like Raman features with highly symmetric G and 2D bands and almost no D band.
한편, 도 3에서 볼 수 있듯이, C-C(sp2)의 결합 에너지는 284.5±0.2 eV에 해당되고, 이로부터 +0.5, +1.5, +2.5 및 +4.0 eV의 화학적 이동은 전형적으로 sp3 혼성화, C-OH, C = O, 및 COOH 작용기 각각에 해당되는데, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)에서 C 1s 코어 레벨의 XPS는 284.5±0.3 및 285.0±0.3 eV에서 나타남을 확인하였다. 이는 sp2 및 sp3 혼성화 형태의 탄소로 식별되었다. 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 sp3/sp2 비는 0.147인 반면, 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)의 sp3/sp2 비는 2.759를 나타내었다. 즉, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 낮은 sp3/sp2의 값은 sp2 결합이 재구성되었음을 나타내고, 이는 흑연의 구조를 가지며, 전기적 특성이 향상됨을 나타낸다. On the other hand, as can be seen in Figure 3, the binding energy of CC (sp 2 ) corresponds to 284.5 ± 0.2 eV, from which chemical shifts of +0.5, +1.5, +2.5 and +4.0 eV are typically sp 3 hybridization, Corresponds to C-OH, C = O, and COOH functional groups, respectively. In the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, it was confirmed that the XPS of the C 1s core level appeared at 284.5 ± 0.3 and 285.0 ± 0.3 eV. did It has been identified as sp 2 and sp 3 hybridized forms of carbon. The sp 3 /sp 2 ratio of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 was 0.147, whereas the sp 3 /sp 2 ratio of the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 was 2.759. That is, the low value of sp 3 /sp 2 of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 indicates that the sp 2 bond is reconstituted, which has a graphite structure and improves electrical properties.
도 4에서 볼 수 있듯이, 푸리에 변형 적외선 분광법(FT-IR) 측정 결과, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 카복실기에 해당하는 1720 cm-1에서 관찰된 밴드는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)의 밴드보다 강도가 높았다. As can be seen in Figure 4, as a result of Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement, the band observed at 1720 cm -1 corresponding to the carboxyl group of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is Preparation Example 1 was higher in intensity than the band of graphene oxide (GO).
도 6의 (a)는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 광학 이미지이고, (b) 내지 (f)는 각각 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 라만 맵을 나타낸 것이다.Figure 6 (a) is an optical image of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, (b) to (f) are each of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 It shows the Raman map.
구체적으로, 도 6은 SiO2 웨이퍼의 150 x 150 μm2 영역에서 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 라만 맵으로서, 도 6의 (b)에서 볼 수 있듯이, D 밴드의 경우, 강한 D 밴드를 나타내는 밝은 영역이 환원된 그래핀옥사이드의 가장자리 및 주름진 시트 주위에 관찰되었다. 이에 반해, 도 6의 (c) 및 (d)에서 볼 수 있듯이, G 및 2D 밴드는 환원된 그래핀옥사이드 시트 전체에 걸쳐 균등하게 분포되었고, 도 6의 (a)의 광학 이미지와 유사한 결과를 나타내었다. Specifically, Figure 6 is a Raman map of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 in a 150 x 150 μm 2 area of a SiO 2 wafer, as shown in (b) of FIG. 6, the D band In this case, a bright region showing a strong D band was observed around the edge and wrinkled sheet of the reduced graphene oxide. On the other hand, as can be seen in (c) and (d) of FIG. 6, the G and 2D bands were evenly distributed throughout the reduced graphene oxide sheet, and similar results to the optical images of FIG. 6 (a) were obtained. showed up
한편, 도 6의 (e) 및 (f)는 각각 ID/IG 및 I2D/IG 비율을 나타내는 이미지이다. 도 6의 (e)에서 볼 수 있듯이, 환원된 그래핀옥사이드의 배경부는 ID/IG가 높은 비율(밝은 부분)이지만, 환원된 그래핀옥사이드의 시트에서 균일하게 낮은 비율(어두운 부분)을 갖고, D 및 2D 밴드의 세기가 G 밴드의 세기보다 낮았다(<1). 또한, ID/IG가 약 0.07 ± 0.1로 낮은 경우, 결함 밀도가 낮고 구조가 잘 정렬되었음을 나타낸다. Meanwhile, (e) and (f) of FIG. 6 are images showing I D /I G and I 2D /I G ratios, respectively. As can be seen in (e) of FIG. 6, the background portion of the reduced graphene oxide has a high ratio of I D /I G (bright part), but a uniformly low ratio (dark part) in the sheet of reduced graphene oxide. and the intensities of the D and 2D bands were lower than those of the G band (<1). In addition, when I D /I G is as low as about 0.07 ± 0.1, it indicates that the defect density is low and the structure is well aligned.
한편, 도 7의 (a) 내지 (d)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)의 라만 맵을 나타낸 것이고, (e) 내지 (h)는 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)의 라만 맵을 나타낸 것이다. 도 7의 (a) 내지 (d)는 도 6의 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)와 확연히 구분되는 라만 맵을 나타냄을 알 수 있다.On the other hand, (a) to (d) of FIG. 7 show Raman maps of graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, and (e) to (h) are thermally reduced graphene oxide of Comparative Example 1 ( TrGO) shows the Raman map. It can be seen that (a) to (d) of FIG. 7 represent Raman maps clearly distinguished from the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 of FIG. 6 .
도 8은 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 및 베이 카본(BC)의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 측정 결과를 나타낸다. 8 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and bay carbon (BC). Shows the scanning electron microscope (SEM) measurement results of.
도 8에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 표면의 거칠기는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 및 베이 카본(BC)의 표면 거칠기에 비해 현저히 거침을 확인할 수 있다. 표면 거칠기의 증가는 표면적의 증가를 야기하며, 전기화학적 반응의 향상을 가져온다. As shown in Figure 8, the roughness of the surface of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, the thermally reduced graphene oxide (TrGO of Comparative Example 1) ), and significantly rougher than the surface roughness of the bay carbon (BC). An increase in surface roughness causes an increase in surface area and improves electrochemical reactions.
도 9는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO) 및 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)의 라만 분광 측정으로부터 적층수(I2D/IG)(x축)와 비율(ID/IG)에 따른 결정 크기(y축)를 나타낸 그래프이다.9 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and CVD-rGO of Comparative Example 2. It is a graph showing the crystal size (y-axis) according to the number of layers (I 2D /I G ) (x-axis) and the ratio (I D /I G ) from Raman spectroscopic measurements of grown graphene (CVD-graphene).
도 9 및 도 6의 (f)에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 I2D/IG는 0.44 내지 1.084의 범위이고, 본 발명의 구현예에 따른 압력 조건 하에서 π- π 상호 작용으로 시트 사이의 재적층되어 CA-rGO가 두 층 내지 수십 층으로 적층되었음을 알 수 있다. As can be seen in (f) of FIG. 9 and FIG. 6, I 2D /I G of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 ranges from 0.44 to 1.084, and the pressure according to the embodiment of the present invention It can be seen that CA-rGO is stacked in two to several tens of layers due to the re-stacking between the sheets due to the π-π interaction under the condition.
또한, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 결정 크기는 60 nm 내지 300 nm로 평균 결정 크기가 약 120 nm 내지 250 nm의 범위이고, I2D/IG의 평균 값은 약 0.62 ± 0.2이었다.In addition, the crystal size of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 ranges from 60 nm to 300 nm with an average crystal size ranging from about 120 nm to 250 nm, and the average value of I 2D /I G is about It was 0.62 ± 0.2.
한편, 표 1에 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 평균 결정 크기 및 결함 밀도를 나타내었다.On the other hand, in Table 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, CVD-grown graphene of Comparative Example 2 (CVD-graphene) and Example 1 The average crystal size and defect density of reduced graphene oxide (CA-rGO) were shown.
Figure PCTKR2021010677-appb-T000001
Figure PCTKR2021010677-appb-T000001
표 1에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 비교예 1과 2의 환원된 그래핀옥사이드, 및 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)에 비해 매우 큰 평균 결정 크기 및 매우 낮은 결함 밀도를 가짐을 확인하였다. As can be seen in Table 1, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 has a very large average compared to the reduced graphene oxide of Comparative Examples 1 and 2, and the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1. It was confirmed to have a crystal size and a very low defect density.
구체적으로, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 평균 결정 크기(LD)는 174.0 nm(9 개의 샘플로부터 측정)로서, 비교예 1과 2의 환원된 그래핀옥사이드, 및 제조예 1의 그래핀옥사이드에 비해 2 배 내지 3배 이상 더 증가하였다.Specifically, the average crystal size (L D ) of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is 174.0 nm (measured from 9 samples), the reduced graphene oxide of Comparative Examples 1 and 2, and Compared to the graphene oxide of Preparation Example 1, it increased more than 2 to 3 times.
반면, 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)의 평균 결정 크기(LD)는 42.13 nm로 가장 작았다. 즉, 탈산화 과정 중에 작용기의 제거 및 무작위 재배열로 인해서, 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)의 평균 결정 크기가 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)(61.77 nm)보다도 훨씬 작아진 것임을 알 수 있다. On the other hand, the average crystal size (L D ) of the thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1 was the smallest at 42.13 nm. That is, due to the removal and random rearrangement of functional groups during the deoxidation process, the average crystal size of the thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1 is greater than that of the graphene oxide (GO) (61.77 nm) of Preparation Example 1. It can be seen that it is much smaller.
또한, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 평균 결정 크기(LD)는 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)의 평균 결정 크기에 비해 약 1.66 배 더 증가하였다. 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 탄소로부터 산소만 분리되었고 철계 촉매의 표면에서 재구성이 일어남으로써 다이아몬드에서 확인할 수 있는 구조(sp3 결합)가 흑연 구조(sp2 결합)로 되었기 때문이다.In addition, the average crystal size (L D ) of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is about 1.66 times greater than the average crystal size of the CVD-grown graphene of Comparative Example 2 increased. In the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, only oxygen was separated from carbon, and reorganization occurred on the surface of the iron-based catalyst, so that the diamond structure (sp 3 bond) was converted into a graphite structure (sp 2 bond). because it has been
한편, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 결함 밀도는 4.462x1010로서, 비교예 1과 2의 환원된 그래핀옥사이드, 및 제조예 1의 그래핀옥사이드에 비해 현저히 감소함을 확인하였다. On the other hand, the defect density of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is 4.462x10 10 , which is significantly reduced compared to the reduced graphene oxide of Comparative Examples 1 and 2 and the graphene oxide of Preparation Example 1. confirmed.
특히 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 결함 밀도는 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)의 결함 밀도에 비해 0.35 배 더 감소하였다. In particular, the defect density of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 was reduced by 0.35 times more than that of the CVD-grown graphene of Comparative Example 2.
한편, 표 2에 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 원소 함량을 나타내었다.On the other hand, Table 2 shows the elemental content of graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1.
Figure PCTKR2021010677-appb-T000002
Figure PCTKR2021010677-appb-T000002
표 2에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 산소(O) 함량은 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)의 산소(O) 함량에 비해 현저히 감소하고 C/O 원자비는 크게 향상되었음을 알 수 있다.As can be seen in Table 2, the oxygen (O) content of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is significantly reduced compared to the oxygen (O) content of the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, and C It can be seen that the /O atomic ratio is greatly improved.
구체적으로, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 산소(O) 함량은 12.15 원자%로서, 25.96 원자%의 산소(O) 함량을 갖는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)에 비해 50% 이상 감소하였다. Specifically, the oxygen (O) content of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is 12.15 atomic%, and the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 having an oxygen (O) content of 25.96 atomic% decreased by more than 50% compared to
또한, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 C/O 원자비는 4.16으로서, 1.30의 C/O 원자비를 갖는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)에 비해 3배 이상 향상됨을 확인하였다.In addition, the C / O atomic ratio of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is 4.16, more than three times as compared to the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 having a C / O atomic ratio of 1.30 improvement was confirmed.
또한, 표 3에 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 원소 함량을 나타내었다.In addition, Table 3 shows the element content of graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1.
Figure PCTKR2021010677-appb-T000003
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표 3에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)에 비해 히드록시기 및 카복실기의 함량이 증가한 반면, 에폭시기의 함량이 현저히 감소함을 알 수 있다. As can be seen in Table 3, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 has an increased content of hydroxyl and carboxyl groups compared to graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, whereas the content of epoxy groups is significantly reduced can know that
구체적으로, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)에 비해 히드록시기의 함량이 0.94 원자%에서 1.14 원자%로 증가하고, 카복실기의 함량이 9.51 원자%에서 13.64 원자%로 증가한 반면, 에폭시기의 함량은 48.84 원자%에서 0.48 원자%로 급격히 감소하였다. Specifically, in the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, the content of hydroxy groups increased from 0.94 atomic % to 1.14 atomic % compared to the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, and the content of carboxyl groups increased. While it increased from 9.51 atomic % to 13.64 atomic %, the content of epoxy group rapidly decreased from 48.84 atomic % to 0.48 atomic %.
시험예 2: 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 발생 가스 분석Test Example 2: Analysis of gas generated from reduced graphene oxide (CA-rGO)
도 10의 (a)는 0 ℃ 내지 500 ℃의 열처리 시, 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)에서 발생한 가스(CO, CO2, O2, H2O)의 GC-Mass 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11은 상기 발생한 가스의 총량을 비교한 그래프이다.10 (a) shows gases (CO, CO 2 , CO 2 , O 2 , H 2 O) is a graph showing the results of GC-Mass analysis, and FIG. 11 is a graph comparing the total amount of the generated gas.
도 12는 도 10 및 11의 결과에 대한 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)로부터 발생한 가스 분석 결과를 나타낸 파이 그래프이다.FIG. 12 is a pie graph showing the gas analysis results generated from the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 for the results of FIGS. 10 and 11.
도 10에서 볼 수 있듯이, 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 및 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 아르곤 분위기에서 CO(m/z 비 = 28), CO2 (m/z 비 = 44), O2 (m/z 비 = 16), 및 H2O (m/z 비 = 18)를 방출하였다. 또한, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 발생 가스 각각의 최대 피크 세기를 갖는 평균 온도는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 보다 낮았고, 이는 촉매가 탈산화 반응을 가속화하였음을 나타냈다. As can be seen in Figure 10, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 are CO (m / z ratio = 28), CO 2 (m / z ratio = 28) in an argon atmosphere /z ratio = 44), O 2 (m/z ratio = 16), and H 2 O (m/z ratio = 18). In addition, the average temperature with the maximum peak intensity of each generated gas of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 was lower than that of the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, which means that the catalyst accelerates the deoxidation reaction. showed that it did.
아울러, 도 11 및 도 12에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 보다 훨씬 적은 탄소 함유 가스(CO, CO2) 및 산소 함유 가스(O2 및 H2O)를 방출하였다. 구체적으로, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)의 배출 가스량(100% 기준)의 24.35 %가 배출되었음을 확인하였다. 이는 저온에서 촉매 표면 상에 산소를 흡착(3.57 eV의 결합 에너지를 가짐)하였기 때문이다. In addition, as can be seen in FIGS. 11 and 12, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 contains much less carbon-containing gas (CO, CO 2 ) than the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and Oxygen containing gases (O 2 and H 2 O) were released. Specifically, it was confirmed that the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 emitted 24.35% of the exhaust gas amount (based on 100%) of the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1. This is due to the adsorption of oxygen (with a binding energy of 3.57 eV) on the catalyst surface at low temperatures.
구체적으로, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 보다 75.65 % 적은 가스를 방출하였다. 또한, 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)에서 발생하는 탄소 함유 가스량의 92.8 %가 감소하였으며, 이는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)가 환원 과정 중에 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO) 대비 7.2 % 가스를 방출하였음을 의미한다. 각 샘플에서, 총 가스 함량을 기준으로 CO 및 CO2와 같은 탄소 함유 가스의 비율은 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)의 경우 51 %였고, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 21 %로 비율이 감소함을 확인하였다.Specifically, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 released 75.65% less gas than the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1. In addition, 92.8% of the amount of carbon-containing gas generated from the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 was reduced, indicating that the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 was reduced during the reduction process to the graphene of Preparation Example 1. This means that 7.2% gas was released compared to oxide (GO). In each sample, the ratio of carbon-containing gases such as CO and CO 2 based on the total gas content was 51% for the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and the reduced graphene oxide (CA- rGO) was confirmed to decrease to 21%.
시험예 3: 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 전기적 특성 및 촉매 활성 평가Test Example 3: Evaluation of Electrical Characteristics and Catalytic Activity of Reduced Graphene Oxide (CA-rGO)
도 13의 (a)는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO) 및 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)의 전기적 특성을 비교한 그래프이고, (b)는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)로 코팅된 종이를 이용하여 연결된 LED 표시 등의 디지털 카메라 이미지를 나타낸 것이며, 도 14의 (a) 및 (b), 및 도 15의 (a) 및 (b)는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene) 및 베이 카본(BC)의 산소 발생 반응 및 수소 발생 반응에 대한 선형 스위핑 전류-전압 곡선을 나타낸 것이다.13(a) shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 is a graph comparing the electrical properties of CVD-grown graphene, (b) is an LED display connected using paper coated with reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 14 (a) and (b), and 15 (a) and (b) show the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, Preparation Example 1 Oxygen evolution reaction and hydrogen of graphene oxide (GO), thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, CVD-grown graphene (CVD-graphene) and bay carbon (BC) of Comparative Example 2 A linear sweeping current-voltage curve for the resulting response is shown.
도 16은 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene) 및 베이 카본(BC)의 저항을 나타낸 그래프이다.16 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and CVD-rGO of Comparative Example 2. It is a graph showing the resistance of grown graphene (CVD-graphene) and bay carbon (BC).
도 13의 (a) 및 도 16에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO) 및 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)에 비해 전기적 특성이 우수하였다.As can be seen in (a) and 16 of FIG. 13, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and the thermally reduced graphene of Comparative Example 1. The electrical properties were superior to oxide (TrGO) and CVD-grown graphene of Comparative Example 2 (CVD-graphene).
특히, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO) 및 비교예 2의 CVD-성장된 그래핀(CVD-graphene)에 비해 저항이 현저히 낮았으며, 흑연과 유사한 수준의 저항값을 보였다.In particular, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1 and CVD-growth of Comparative Example 2 Its resistance was significantly lower than that of CVD-graphene, and it showed a resistance value similar to that of graphite.
특히, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)(약 55 μΩm)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)(약 3.7 MΩm)와 비교하여 전기 전도도가 현저히 향상되었다. In particular, reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 (about 55 μΩm) has significantly improved electrical conductivity compared to graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 (about 3.7 MΩm).
또한, 도 13의 (b)에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO) 시트로 코팅된 종이 티슈가 동전형 셀(6V)에 연결되었을 때, LED 벌브가 점등됨을 확인하였다.In addition, as can be seen in (b) of FIG. 13, when the paper tissue coated with the reduced graphene oxide (CA-rGO) sheet of Example 1 is connected to the coin cell (6V), the LED bulb is turned on. Confirmed.
한편, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 및 베이 카본(BC) 상에 Ni(OH)2 활물질을 제조한 후, 전기 전도도 및 전기 화학적 성능을 확인하였다.On the other hand, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, the thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and the bay carbon (BC) phase. After preparing the Ni(OH) 2 active material, electrical conductivity and electrochemical performance were confirmed.
도 14의 (a)에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 및 베이 카본(BC)을 이용한 전극에 대한 전류 밀도가 모두 1.45 V 내지 1.8 V 전위에서 갑자기 증가하였고, 이는 Ni(OH)2의 명백한 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction; OER) 촉매 활성을 나타냄을 의미한다. Ni(OH)2@CA-rGO 전극을 사용하여 10 mA/cm2의 전류 밀도에 도달하는 데 필요한 과전위는 참조극(RHE) 대비 1.58 V였다. 이는 Ni(OH)2@GO(1.70 V) 및 Ni(OH)2@TrGO(1.61 V) 보다 낮았으며 Ni(OH)2@베이 카본(BC, 1.57 V)과 유사한 수준이었고, 우수한 전기 전도도를 가진다. As can be seen in (a) of FIG. 14, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1 and the thermally reduced graphene oxide (TrGO of Comparative Example 1). ), and the current densities for electrodes using bay carbon (BC) all suddenly increased from 1.45 V to 1.8 V potential, indicating an obvious OER catalytic activity of Ni(OH) 2 . means The overpotential required to reach a current density of 10 mA/cm 2 using the Ni(OH) 2 @CA-rGO electrode was 1.58 V versus the reference electrode (RHE). This was lower than Ni(OH) 2 @GO (1.70 V) and Ni(OH) 2 @TrGO (1.61 V) and similar to Ni(OH) 2 @bay carbon (BC, 1.57 V), and exhibited excellent electrical conductivity. have
또한, 도 14의 (b)에서 볼 수 있듯이, -10 mA/cm2의 전류 밀도에서 가역적 수소 전극(Reversible Hydrogen Electrode; RHE)과 비교한 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction; HER)용 탄소 집전체의 작동 전위는, 베이 카본(BC)의 경우 -0.43V, GO의 경우 -0.34V, TrGO의 경우 -0.32V, 및 CA-rGO의 경우 -0.30V였다. 이로 인해, 활물질과 탄소 집전체 사이의 우수한 전기적 결합을 이용한 Ni(OH)2@CA-rGO 전극은 우수한 HER 성능을 나타냄을 알 수 있다. 한편, 베이 카본(BC)을 이용한 Ni(OH)2@BC 전극은 HER 성능이 열악하였고, 이는 -OH 및 -COOH를 포함한 작용기가 부족한 것에 기인할 수 있다. In addition, as shown in (b) of FIG. 14, a carbon current collector for hydrogen evolution reaction (HER) compared to a reversible hydrogen electrode (RHE) at a current density of -10 mA/cm 2 The operating potentials of were -0.43 V for bay carbon (BC), -0.34 V for GO, -0.32 V for TrGO, and -0.30 V for CA-rGO. Therefore, it can be seen that the Ni(OH) 2 @CA-rGO electrode using excellent electrical coupling between the active material and the carbon current collector exhibits excellent HER performance. On the other hand, the Ni(OH) 2 @BC electrode using bay carbon (BC) had poor HER performance, which could be attributed to the lack of functional groups including -OH and -COOH.
한편, 탄소 물질의 전기 촉매 활성에 대한 작용기의 영향을 조사하기 위해, 활물질로서 다양한 탄소 재료의 OER 및 HER 성능을 알칼리 매질에서 조사하였고, 그 결과를 도 15의 (a) 및 (b)에 나타내었다.Meanwhile, in order to investigate the effect of functional groups on the electrocatalytic activity of carbon materials, the OER and HER performances of various carbon materials as active materials were investigated in an alkaline medium, and the results are shown in (a) and (b) of FIG. was
도 15의 (a)에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 HER 성능은 베이 카본(BC), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)의 HER 성능보다 현저히 높은 활성을 나타냄을 확인할 수 있다.As can be seen in (a) of FIG. 15, the HER performance of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 was compared to that of bay carbon (BC), graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, and Comparative Example 1. It can be confirmed that it exhibits significantly higher activity than the HER performance of thermally reduced graphene oxide (TrGO).
도 15의 (b)에서 볼 수 있듯이, OER 성능의 경우, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO) 촉매를 사용하여 10 mA/cm2의 전류 밀도에 도달하는 데 필요한 전위가 RHE에 대해 1.65 V였다. 상기 전위는 베이 카본(BC)(1.72 V), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)(1.71 V), 및 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)(1.69 V)와 같은 탄소 재료 촉매를 사용한 경우에 비해 감소하였다. As can be seen in (b) of FIG. 15, in the case of OER performance, the potential required to reach a current density of 10 mA/cm 2 using the reduced graphene oxide (CA-rGO) catalyst of Example 1 is RHE was 1.65 V for The potential is carbon such as bay carbon (BC) (1.72 V), graphene oxide (GO) (1.71 V) of Preparation Example 1, and thermally reduced graphene oxide (TrGO) (1.69 V) of Comparative Example 1. It decreased compared to the case of using the material catalyst.
도 17은 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 및 베이 카본(BC)의 탄소 재료 촉매의 Pt에 대한 작동 전위의 Tafel 기울기 (a) 및 과전위((b) 및 (c))를 나타낸 것이고, (d) 및 (f)는 RHE에 대한 작동 전위의 Tafel 기울기(d) 및 과전위((e) 및 (f))를 나타낸 것이다.17 shows reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1, graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and bay carbon (BC). shows the Tafel slope (a) and overpotential ((b) and (c)) of the operating potential for Pt of the carbon material catalyst of (d) and (f) the Tafel slope of the operating potential for RHE (d ) and overpotentials ((e) and (f)).
도 17의 (a) 및 (f)에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 Tafel 기울기는 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO), 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO), 및 베이 카본(BC)의 Tafel 기울기보다 현저히 낮았고, 이는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO) 촉매가 더 빠른 OER 촉매 동력학을 가짐을 나타낼 수 있다. As can be seen in (a) and (f) of Figure 17, the Tafel slope of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 is the graphene oxide (GO) of Preparation Example 1, thermally of Comparative Example 1 It was significantly lower than the Tafel slopes of reduced graphene oxide (TrGO) and bay carbon (BC), which may indicate that the reduced graphene oxide (CA-rGO) catalyst of Example 1 has faster OER catalyst kinetics. .
또한, 도 17의 (b) 및 (c)에서 볼 수 있듯이, -10 mA/cm2의 전류 밀도에서의 작동 전위는, 베이 카본(BC)의 경우 -0.3 V, 제조예 1의 그래핀옥사이드(GO)의 경우 -0.29 V, 비교예 1의 열적으로 환원된 그래핀옥사이드(TrGO)의 경우 -0.27 V, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 경우 -0.23 V였다. In addition, as can be seen in (b) and (c) of FIG. 17, the operating potential at a current density of -10 mA/cm 2 is -0.3 V for bay carbon (BC), graphene oxide of Preparation Example 1 It was -0.29 V for (GO), -0.27 V for thermally reduced graphene oxide (TrGO) of Comparative Example 1, and -0.23 V for reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1.
결론적으로, 도 17의 (a) 내지 (c)에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 125.8 mV dec-1에서 가장 낮은 Tafel 기울기를 갖는 우수한 동력학 특성, 및 -0.3 V 과전위에서 높은 전류 밀도를 갖는 가장 높은 수소 발생 능력을 나타내었다.In conclusion, as can be seen in (a) to (c) of FIG. 17, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 has excellent kinetic characteristics with the lowest Tafel slope at 125.8 mV dec -1 , and It showed the highest hydrogen generation ability with high current density at -0.3 V overpotential.
상기 결과는 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)가 가장자리부에 풍부한 -COOH 기 및 -OH를 갖기 때문이며, 이는 전기 촉매 활성을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소 재료의 가장자리부의 이러한 변형은 수소 흡착의 깁스 자유 에너지(ΔGH)를 감소시키고, OER에 대해 4-전자 전달 동력학을 빠르게 촉진시킬 수 있다. 특히, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 결함이 없는 기저면과 -COOH 작용화된 가장자리부를 가짐으로써 전기 전도도를 향상시키고 OER 및 HER 성능에 적합한 전기 전도도를 나타내었다. This result is because the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 has abundant -COOH groups and -OH at the edge, which can improve the electrocatalytic activity. In addition, this deformation of the edge portion of the carbon material can reduce the Gibbs free energy (ΔG H ) of hydrogen adsorption and rapidly promote the 4-electron transfer kinetics for OER. In particular, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 improved electrical conductivity by having a defect-free base surface and a -COOH functionalized edge portion, and exhibited electrical conductivity suitable for OER and HER performance.
시험예 4: 압력과 온도에 따른 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 물성 변화Test Example 4: Physical property change of reduced graphene oxide (CA-rGO) according to pressure and temperature
도 18은 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO), 및 비교예 3 내지 5의 환원된 그래핀옥사이드의 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 측정에 의한 sp2, sp3, C-O-C 및 O-C=0의 비율을 나타낸 것이다. 18 is an X-ray photoelectron spectroscopy of reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 and reduced graphene oxide of Comparative Examples 3 to 5. It shows the ratio of sp2, sp3, COC and OC=0 by XPS) measurement.
도 18에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)는 비교예 3 내지 5의 환원된 그래핀옥사이드에 비해, sp2 비율이 현저히 증가하고, sp3의 비율이 현저히 감소하였다. 또한, O-C=O의 비율은 증가하고, -O-C-O의 비율은 감소하였다. As can be seen in FIG. 18, the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 significantly increased the ratio of sp2 and significantly decreased the ratio of sp3 compared to the reduced graphene oxide of Comparative Examples 3 to 5. . In addition, the ratio of O-C=O increased, and the ratio of -O-C-O decreased.
반면, 상온에서 환원 처리한 비교예 1의 그래핀옥사이드(PGO)의 경우, 그래핀옥사이드(GO)에 비해 sp2의 비율이 오히려 더 감소하고 sp3 비율이 더 증가하였다.On the other hand, in the case of graphene oxide (PGO) of Comparative Example 1 subjected to reduction treatment at room temperature, the ratio of sp2 rather decreased and the ratio of sp3 increased more than that of graphene oxide (GO).
또한, 압력을 1 atm으로 변경하고 촉매를 사용하지 않은 비교예 4 및 5의 환원된 그래핀옥사이드(HGO 및 PHGO)의 경우, 그래핀옥사이드(GO)에 비해 sp2의 비율이 증가하였으나, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)에 비해 현저히 낮았다.In addition, in the case of reduced graphene oxides (HGO and PHGO) of Comparative Examples 4 and 5 in which the pressure was changed to 1 atm and no catalyst was used, the ratio of sp2 was increased compared to graphene oxide (GO), but in Example It was significantly lower than that of reduced graphene oxide (CA-rGO) of 1.
도 19는 환원 처리 시 압력에 따른 내부 온도(y축)와 외부 온도(x축)의 상관관계를 나타낸 그래프이다.19 is a graph showing the correlation between internal temperature (y-axis) and external temperature (x-axis) according to pressure during reduction treatment.
도 19에서 볼 수 있듯이, 상기 그래프의 내부 온도(y축)에 기초해서, 압력이 1,000 kgf/cm2 이상으로 적용되는 경우, 200 ℃보다 높은 온도(외부 온도 180 ℃ 이상)에서 환원되는 것을 관찰하였고, 내부 온도 280 ℃ 이상(외부 온도 250 ℃ 이상)에서 흑연화 과정이 일어남을 확인하였다. 특히, 3,000 kgf/cm2 및 4,000 kgf/cm2의 압력에서는 환원이 150 ℃(외부 온도)에서 이루어졌다. As can be seen in FIG. 19, based on the internal temperature (y-axis) of the graph, when a pressure of 1,000 kgf/cm 2 or more is applied, reduction is observed at a temperature higher than 200° C. (external temperature 180° C. or higher). It was confirmed that the graphitization process occurred at an internal temperature of 280 °C or higher (external temperature of 250 °C or higher). In particular, at pressures of 3,000 kgf/cm 2 and 4,000 kgf/cm 2 , reduction was performed at 150° C. (external temperature).
도 20의 (a)는 압력과 온도 변화에 따른 ID/IG의 비율을 나타낸 그래프이고, (b)는 4,000 kgf/cm2 압력 및 250 ℃의 온도에서 시간 변화에 따른 XPS 측정에 의한 sp2, sp3, C-O-C 및 O-C=0의 비율을 나타낸 것이다. 도 20의 (a)에 나타낸 바와 같이, 4,000 kgf/cm2 압력 및 250 ℃의 온도에서 그래핀옥사이드가 환원되고 재배열되었다고 가정하였다. Figure 20 (a) is a graph showing the ratio of I D / I G according to pressure and temperature change, (b) is 4,000 kgf / cm 2 pressure and sp2 by XPS measurement according to time change at a temperature of 250 ℃ , sp3, COC, and the ratio of OC=0. As shown in (a) of FIG. 20, it was assumed that graphene oxide was reduced and rearranged at a pressure of 4,000 kgf/cm 2 and a temperature of 250 °C.
도 20의 (b)에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 환원된 그래핀옥사이드(CA-rGO)의 기저면에서 산소 함량이 0.48 원자% 미만이었으며, 흑연의 값에 근사하다. 또한, 반응 시간이 0에서 24 시간으로 증가함에 따라, sp2의 비율은 24.4 원자%에서 77.8 원자%로 증가하고 sp3는 22.86 원자%에서 6.9 원자%로 감소하는 반면, 기저면의 산소 함량(에폭시기)은 43.8 원자%에서 0.48 원자%로 감소하고 가장자리부에서의 산소 함량(카복실기 또는 히드록시기)은 8.89 원자%에서 14.79 원자%로 증가하였다. 24 시간 이후 총 산소 함량은 52.73 원자%에서 15.27 원자%로 감소하였다. As can be seen in (b) of FIG. 20, the oxygen content in the basal surface of the reduced graphene oxide (CA-rGO) of Example 1 was less than 0.48 atomic%, and is close to the value of graphite. In addition, as the reaction time increases from 0 to 24 hours, the proportion of sp 2 increases from 24.4 atomic % to 77.8 atomic % and sp 3 decreases from 22.86 atomic % to 6.9 atomic %, while the oxygen content of the basal plane (epoxy group) ) decreased from 43.8 atomic % to 0.48 atomic %, and the oxygen content (carboxyl group or hydroxyl group) at the edge portion increased from 8.89 atomic % to 14.79 atomic %. After 24 hours, the total oxygen content decreased from 52.73 atomic % to 15.27 atomic %.
따라서, 본 발명의 구현예에 따른 환원된 그래핀옥사이드는 환원 전의 그래핀옥사이드에 비해 기저면에 존재하는 에폭시기의 함량은 현저히 감소하고, 가장자리부에 존재하는 카복실기 및 히드록시기의 함량은 증가하였으며, sp2의 비율은 현저히 증가하였음을 확인하였다.Therefore, in the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention, the content of epoxy groups present on the basal surface is significantly reduced, and the content of carboxyl and hydroxy groups present on the edge portion is increased compared to graphene oxide before reduction, sp It was confirmed that the ratio of 2 significantly increased.

Claims (13)

  1. 산소(O)의 함량이 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)의 총 함량을 기준으로 6 원자% 내지 18 원자%인 환원된 그래핀옥사이드로서, A reduced graphene oxide having an oxygen (O) content of 6 atomic% to 18 atomic% based on the total content of carbon (C), hydrogen (H) and oxygen (O),
    120 nm 내지 250 nm의 평균 결정 크기(average crystalline size)를 갖는, 환원된 그래핀옥사이드.A reduced graphene oxide having an average crystalline size of 120 nm to 250 nm.
  2. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 환원된 그래핀옥사이드가 3 내지 5의 탄소/산소(C/O) 원자비를 갖는, 환원된 그래핀옥사이드.The reduced graphene oxide having a carbon / oxygen (C / O) atomic ratio of 3 to 5, the reduced graphene oxide.
  3. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 환원된 그래핀옥사이드가 The reduced graphene oxide
    0.2 내지 0.6 원자%의 에폭시기;0.2 to 0.6 atomic % of epoxy groups;
    1.0 내지 1.8 원자%의 히드록시기;1.0 to 1.8 atomic % of hydroxy groups;
    10 내지 20 원자%의 카복실기; 및10 to 20 atomic % carboxyl groups; and
    나머지량의 탄소(C)The remaining amount of carbon (C)
    를 포함하는, 환원된 그래핀옥사이드.Containing, the reduced graphene oxide.
  4. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 환원된 그래핀옥사이드가 0.1 내지 0.9의 탄소의 sp3/sp2 비율을 갖는, 환원된 그래핀옥사이드.The reduced graphene oxide having an sp3 / sp2 ratio of carbon of 0.1 to 0.9.
  5. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 환원된 그래핀옥사이드가 2X1010 cm-2 내지 7X1010 cm-2의 결함 밀도 및 40 μΩm 내지 60 μΩm의 전기저항을 갖는, 환원된 그래핀옥사이드.The reduced graphene oxide having a defect density of 2X10 10 cm -2 to 7X10 10 cm -2 and an electrical resistance of 40 μΩm to 60 μΩm, the reduced graphene oxide.
  6. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 환원된 그래핀옥사이드가 라만 분광 측정시 하기 식 1의 조건을 만족하는, 환원된 그래핀옥사이드:Reduced graphene oxide that satisfies the condition of Equation 1 below when the reduced graphene oxide is measured by Raman spectroscopy:
    [식 1][Equation 1]
    0.05 ≤ ID/IG ≤ 0.450.05 ≤ I D /I G ≤ 0.45
    상기 식 1에서,In Equation 1 above,
    ID는 라만 스펙트럼에서 1350 내지 1380 ㎝-1 범위에 존재하는 피크의 강도를 나타내고,I D represents the intensity of a peak existing in the range of 1350 to 1380 cm -1 in the Raman spectrum,
    IG는 라만 스펙트럼에서 1550 내지 1650 ㎝-1 범위에 존재하는 피크의 강도를 나타낸다.I G represents the intensity of a peak present in the range of 1550 to 1650 cm -1 in the Raman spectrum.
  7. (1) 그래핀옥사이드 및 철계 촉매를 혼합하는 단계; 및(1) mixing graphene oxide and an iron-based catalyst; and
    (2) 상기 혼합물을 3,000 kgf/㎠ 내지 4,500 kgf/㎠의 압력 및 150 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 처리하여 그래핀옥사이드를 환원시키는 단계;(2) reducing graphene oxide by treating the mixture at a pressure of 3,000 kgf/cm 2 to 4,500 kgf/cm 2 and a temperature of 150° C. to 450° C.;
    를 포함하는, 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법.Method for producing a reduced graphene oxide comprising a.
  8. 제 7 항에 있어서,According to claim 7,
    상기 철계 촉매가 산화철(Fe2O3), 델라포사이트 구조를 갖는 철계 화합물 또는 이의 조합을 포함하는, 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법.The iron-based catalyst comprises iron oxide (Fe 2 O 3 ), an iron-based compound having a delafossite structure, or a combination thereof, a method for producing reduced graphene oxide.
  9. 제 8 항에 있어서,According to claim 8,
    상기 델라포사이트 구조를 갖는 철계 화합물이 FeCuO2인, 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법.The iron-based compound having the delafossite structure is FeCuO 2 Method for producing a reduced graphene oxide.
  10. 제 7 항에 있어서,According to claim 7,
    상기 단계 (2)의 혼합물을 금속 박으로 덮은 다음 처리하는, 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법.A method for producing reduced graphene oxide in which the mixture of step (2) is covered with metal foil and then treated.
  11. 제 10 항에 있어서,According to claim 10,
    상기 금속 박이 구리, 니켈 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법.Method for producing a reduced graphene oxide, wherein the metal foil contains at least one selected from the group consisting of copper, nickel and aluminum.
  12. 제 7 항에 있어서,According to claim 7,
    상기 단계 (2)의 혼합물이 분말 형태인, 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법.Method for producing reduced graphene oxide, wherein the mixture of step (2) is in powder form.
  13. 제 7 항에 있어서,According to claim 7,
    상기 방법이, 상기 단계 (2)에서 얻은 환원된 그래핀옥사이드에 산 용액을 첨가하여 철계 촉매를 제거하는 단계를 더 포함하는, 환원된 그래핀옥사이드의 제조방법.The method for producing reduced graphene oxide, wherein the method further comprises the step of removing the iron-based catalyst by adding an acid solution to the reduced graphene oxide obtained in step (2).
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