JP2015229619A - Complex between titanium dioxide and graphene, and production method therefor - Google Patents
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本発明は、二酸化チタンとグラフェンとの複合体、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a composite of titanium dioxide and graphene and a method for producing the same.
炭素は人類が最も長く使用してきた材料の一つである。炭素材料としては、木炭やコークスなどの燃料、カーボンブラックや活性炭、黒鉛などの一般材料、炭素繊維やガラス状炭素などの機能性材料など、様々な製品が知られている。そして近年は最も新しい炭素材料として、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェンといった、いわゆるナノ材料が提案され、これらを人工的に製造することが可能となった。これらは炭素結晶が二次元に層状に、あるいは三次元に多面体状あるいは中空形状に成長・延長した構造を有する。これらの構造における外殻や層の厚みは、理論上は、炭素原子１つ分であり、地球上でもっとも薄いものと言える。これらカーボンナノ材料には、そのユニークな形状に起因する、従来の炭素材料には無い特殊な化学的・物理的性質が認められる。それゆえ、カーボンナノ材料は、これまでの炭素材料に替わる新しい材料として、様々な分野での利用が期待されている。 Carbon is one of the materials that mankind has used the longest. As carbon materials, various products such as fuels such as charcoal and coke, general materials such as carbon black, activated carbon and graphite, and functional materials such as carbon fiber and glassy carbon are known. In recent years, so-called nanomaterials such as fullerenes, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene have been proposed as the newest carbon materials, and these can be artificially produced. These have a structure in which carbon crystals are grown and extended in a two-dimensional layered manner, or in a three-dimensional polyhedral or hollow shape. The thickness of the outer shells and layers in these structures is theoretically one carbon atom and can be said to be the thinnest on the earth. These carbon nanomaterials have special chemical and physical properties that are not found in conventional carbon materials due to their unique shapes. Therefore, carbon nanomaterials are expected to be used in various fields as new materials that replace conventional carbon materials.
カーボンナノ材料の利用として、各種金属化合物、セラミックスなどの無機材料とカーボンナノ材料との複合化が、熱心に検討されている。複合化によって、軽量で、従来にない優れた導電性、熱導電性、強度を有するナノ複合体が得られると期待されている。 As the use of carbon nanomaterials, the compounding of inorganic materials such as various metal compounds and ceramics with carbon nanomaterials has been eagerly studied. It is expected that a nanocomposite that is light and has excellent conductivity, thermal conductivity, and strength that has never been obtained by combining is expected.
このようなナノ複合体に用いる無機材料として注目されるものの一つが、導電性あるいは半導電性無機材料である。例えば、酸化チタンは幾つかの異なる結晶構造を持ち、それぞれが工業材料として優れた性質を示す。酸化チタンの用途は、顔料や着色剤、触媒、導電材料、電池材料など、幅広い。カーボンナノ材料と酸化チタン等の導電性あるいは半導電性無機材料とのナノ複合体は、広範囲の応用が期待できる新規材料として期待されている。 One of the inorganic materials used for such a nanocomposite is a conductive or semiconductive inorganic material. For example, titanium oxide has several different crystal structures, each exhibiting excellent properties as an industrial material. Titanium oxide has a wide range of uses such as pigments, colorants, catalysts, conductive materials, and battery materials. Nanocomposites of carbon nanomaterials and conductive or semiconductive inorganic materials such as titanium oxide are expected as new materials that can be expected to be used in a wide range of applications.
カーボンナノ材料と二酸化チタンとのナノ複合体としては、カーボンナノチューブ（ＣＮT)と二酸化チタンとのナノ複合体については比較的多くの開発例が知られている（特許文献１，２）。しかし、グラフェンのような他のカーボンナノ材料のナノ複合体に関する報告例は、それほど多くない。
As nanocomposites of carbon nanomaterials and titanium dioxide, relatively many development examples of nanocomposites of carbon nanotubes (CNT) and titanium dioxide are known (
グラフェンは興味深いナノマテリアルである。まず、グラフェンの形状が特殊である。グラフェンはそれ自体が地球上最も薄い材料である。グラフェンを構成する炭素原子は、二次元方向にハニカム格子状に共有結合している。グラフェンの厚みは、理論上は炭素原子1個分にすぎない。そして、グラフェンの物性も特殊である。グラフェンは、他のカーボンナノマテリアル、例えばカーボンナノチューブと比べても、より大きな表面積、より高い導電性、より高い熱伝導性、優れた機械的安定性、より高い耐熱性、より低い密度を有する。このような独自の形状や物性を持つグラフェンには、従来の炭素系材料では実現できなかった微細な工業製品への応用が可能である。そこで、より効率のよいグラフェンの製造方法と、グラフェンの様々な分野での応用が盛んに研究されている。 Graphene is an interesting nanomaterial. First, the shape of graphene is special. Graphene is itself the thinnest material on earth. The carbon atoms constituting the graphene are covalently bonded in a honeycomb lattice shape in the two-dimensional direction. The thickness of graphene is theoretically only one carbon atom. And the physical properties of graphene are also special. Graphene has a larger surface area, higher electrical conductivity, higher thermal conductivity, better mechanical stability, higher heat resistance, and lower density than other carbon nanomaterials, such as carbon nanotubes. Graphene having such unique shapes and physical properties can be applied to fine industrial products that could not be realized with conventional carbon-based materials. Therefore, more efficient graphene production methods and application of graphene in various fields are actively studied.
ナノマテリアルの場合、理論的には、より小さな部位からより大きな部位へ成長させることによって目的物を製造する方法、いわゆるボトムアップ法と、より大きな部位からより小さな部位を抽出することによって目的物を製造する方法、いわゆるトップダウン法の両方が検討されている。グラフェンの場合は、トップダウン的法製造方法である、グラファイト結晶からグラフェン膜を剥離する方法が検討されてきた。グラファイトは比較的安価で大量に生産されている炭素材料である。理論上は、大量のグラファイトの積層結晶を単層に分離すれば、理論的には、大量のグラフェンが得られる。このようなグラフェンの剥離方法として、比較的大規模化に適しており単純な設備で行うことのできる方法として、化学剥離法が提案されている。（非特許文献４，５，６） In the case of nanomaterials, theoretically, a target is produced by growing a target from a smaller part to a larger part, a so-called bottom-up method, and extracting a smaller part from a larger part. Both manufacturing methods, so-called top-down methods, are being considered. In the case of graphene, a method of peeling the graphene film from the graphite crystal, which is a top-down manufacturing method, has been studied. Graphite is a relatively inexpensive and mass produced carbon material. Theoretically, a large amount of graphene can be obtained by separating a large amount of graphite laminated crystals into a single layer. As such a graphene exfoliation method, a chemical exfoliation method has been proposed as a method that is suitable for relatively large scale and can be performed with simple equipment. (Non-patent documents 4, 5, 6)
本発明の発明者は、さらに新規なナノ材料を求めるべく、カーボンナノ材料と導体・半導体材料とのナノ複合体として、これまでの検討が乏しかった、グラフェンと導体・半導体材料とのナノ複合体に注目した。そして、グラフェンの比較的低コストの製造方法である化学剥離法を、このナノ複合体と関連付けて検討した。 The inventor of the present invention has further studied the nanocomposite of graphene and a conductor / semiconductor material as a nanocomposite of a carbon nanomaterial and a conductor / semiconductor material in order to obtain a new nanomaterial. I paid attention to. Then, a chemical exfoliation method, which is a relatively low cost production method of graphene, was examined in association with this nanocomposite.
その結果、化学剥離法によるグラファイトからのグラフェン剥離と、グラフェンと酸化チタンとのナノ複合化とを、一連の工程で行うという、画期的な手法を見出した。 As a result, they discovered an epoch-making technique in which graphene exfoliation from graphite by chemical exfoliation and nanocomposite of graphene and titanium oxide are performed in a series of steps.
すなわち本発明は以下のものである。 That is, the present invention is as follows.
（発明１）二酸化チタンとグラフェンとの複合体。 (Invention 1) A composite of titanium dioxide and graphene.
（発明２）以下の工程を含むことを特徴とする、二酸化チタンとグラフェンとの複合体の製造方法。（工程１）チタンテトラアルコキシドとグラファイト粉末とを混合してグラファイト懸濁液を得る工程。
（工程２）工程１で得られたグラファイト懸濁液を超音波処理してグラフェンを剥離する工程。（工程３）工程２の後、沈降画分を除いてグラフェンとチタンテトラアルコキシドを含む分散液を回収する工程。（工程４）工程３で得られた分散液にそれ自体が触媒となるグラフェン剥離剤あるいは少量の触媒を含むグラフェン剥離剤を滴下しながら撹拌し、ゾル・ゲル反応を進行させる工程。（工程５）工程４を経た混合物を乾燥して二酸化チタンとグラフェンとの複合体を回収する工程。
(Invention 2) A method for producing a composite of titanium dioxide and graphene, comprising the following steps. (Step 1) A step of mixing a titanium tetraalkoxide and graphite powder to obtain a graphite suspension.
(Step 2) A step of exfoliating the graphene by sonicating the graphite suspension obtained in
（発明３）グラフェン剥離剤として、ベンジルアミンを用いることを特徴とする、上記二酸化チタンとグラフェンとの複合体の製造方法。 (Invention 3) A method for producing a composite of titanium dioxide and graphene, wherein benzylamine is used as the graphene remover.
（発明４）グラフェン剥離剤として、ジメチルスルホキシドと少量のフタル酸を用いることを特徴とする、上記二酸化チタンとグラフェンとの複合体の製造方法。フタル酸の使用量は、触媒量に相当する量であって、少量である。 (Invention 4) A method for producing a composite of titanium dioxide and graphene, wherein dimethyl sulfoxide and a small amount of phthalic acid are used as a graphene stripping agent. The amount of phthalic acid used is a small amount corresponding to the amount of catalyst.
（二酸化チタンとグラフェンとの複合体）本発明の複合体の出発物質は、チタンテトラアルコキシドとグラファイトである。チタンテトラアルコキシドはＴｉ（ＯＲ）４（Ｒは炭素数２〜４のアルキル基）で表される液状化合物である。好ましいチタンテトラアルコキシドは、チタンテトラエトキシド：Ｔｉ（ＯＥｔ）４（Ｅｔ：エチル基）、チタンテトラノルマルプロポキシド：Ｔｉ（ＯｎPr）４（ｎPr：ｎ−プロピル基）、チタンテトライソ プロポキシド：Ｔｉ（ＯｉＰｒ）４（ｉＰｒ：ｉ−プロピル基）、チタンテトラノルマルブトキシド：Ｔｉ（ＯｎＢｕ）４（ｎＢｕ：ｎ−ブチル基）、チタンテトライソブトキシド：Ｔｉ（ＯｉＢｕ）４（ｉＢｕ：ｉ−ブチル基）である。チタンテトラアルコキシドのグラフェン剥離能を確実に発現させるためには上記チタンテトラアルコキシドは純度の高い製品を使用する必要がある。 (Composite of titanium dioxide and graphene) The starting materials of the composite of the present invention are titanium tetraalkoxide and graphite. Titanium tetraalkoxide is a liquid compound represented by Ti (OR) 4 (R is an alkyl group having 2 to 4 carbon atoms). Preferred titanium tetraalkoxides are titanium tetraethoxide: Ti (OEt) 4 (Et: ethyl group), titanium tetranormal propoxide: Ti (OnPr) 4 (nPr: n-propyl group), titanium tetraisopropoxide: Ti (OiPr) 4 (iPr: i-propyl group), titanium tetranormal butoxide: Ti (OnBu) 4 (nBu: n-butyl group), titanium tetraisobutoxide: Ti (OiBu) 4 (iBu: i-butyl group) It is. In order to reliably develop the graphene stripping ability of titanium tetraalkoxide, it is necessary to use a product having high purity as the titanium tetraalkoxide.
（二酸化チタンとグラフェンとの複合体の製造方法）本発明の複合体は以下の工程で製造することができる。 (Method for producing composite of titanium dioxide and graphene) The composite of the present invention can be produced by the following steps.
（工程１）チタンテトラアルコキシドとグラファイト粉末を混合してグラファイト懸濁液を作成する。グラファイト粉末の濃度は、チタンテトラアルコキシド1００ｍｌに対して２００〜２０００ｍｇが適当である。 (Step 1) Titanium tetraalkoxide and graphite powder are mixed to prepare a graphite suspension. The concentration of the graphite powder is suitably 200 to 2000 mg with respect to 100 ml of titanium tetraalkoxide.
（工程２）得られたグラファイト懸濁液を超音波処理することによって、グラファイトの層状結晶から単層のグラフェンが剥離し、チタンテトラアルコキシド中に分散する。超音波処理の条件は、周波数、温度、処理時間の組合せによって、グラフェンの収率が最大になるように調節される。周波数は２８〜６８ｋＨｚの範囲から選択できるが、繊細な対象物の洗浄に用いられる４０ｋＨｚが一般的である。温度は１０〜６０℃の範囲から選択できる。処理時間は長いほどグラフェンの剥離が進行し、グラフェンの収率が高くなる。しかし、グラフェン膜の欠陥を防ぐために、処理時間は１〜３時間が一般的である。 (Step 2) By sonicating the obtained graphite suspension, a single layer of graphene peels from the layered crystal of graphite and is dispersed in titanium tetraalkoxide. Sonication conditions are adjusted to maximize the graphene yield by a combination of frequency, temperature, and treatment time. The frequency can be selected from the range of 28 to 68 kHz, but 40 kHz used for cleaning delicate objects is common. The temperature can be selected from a range of 10 to 60 ° C. The longer the treatment time, the more graphene exfoliation proceeds and the graphene yield increases. However, in order to prevent defects in the graphene film, the processing time is generally 1 to 3 hours.
（工程３）工程２の後、グラフェンが剥離せずグラファイト状態を維持した画分は、やがて沈降する。沈降した画分を除き、チタンテトラアルコキシドとグラフェンを含む分散液を回収する。
(Step 3) After
（工程４）工程３で得られた分散液にグラフェン剥離剤を滴下しながら撹拌する。グラフェン剥離剤としては、化学剥離法によるグラフェン製造で従来用いられている剥離剤である、ベンジルアミン又はジメチルスルホキシドが有効である。ジメチルスルホキシドを用いる場合にはフタル酸を触媒として併用する。フタル酸の量は触媒量の範囲から選択する。使用する剥離剤の総量は、分散液の５〜２０％とする。剥離剤の滴下と撹拌に従って、分散液の外観変化、粘度の変化から、この工程でゾル・ゲル反応が進行すると推測される。
(Step 4) The graphene remover is stirred while being dropped into the dispersion obtained in
（工程５）工程４の後、分散液を乾燥して二酸化チタンとグラフェンとの複合体を回収する。 (Step 5) After Step 4, the dispersion is dried to recover a composite of titanium dioxide and graphene.
本発明の複合体は金属光沢を示す固体である。通常半透明の黒色を示すグラフェン膜とは外見が全く異なる。金属光沢は、半導体としての二酸化チタンと半金属としてのグラフェンが高度に接合することによって生成した自由電子に由来すると推測される。 The composite of the present invention is a solid exhibiting a metallic luster. The appearance is completely different from that of a graphene film that usually shows a translucent black color. The metallic luster is presumed to originate from free electrons generated by highly bonding titanium dioxide as a semiconductor and graphene as a semimetal.
［実施例１］（工程１）５ｍｌのＴｉ（ＯｎBt）４と、グラファイト粉末４０ｍｇを混合し、Ｔｉ（ＯｎBt）４中にグラファイト粉末を懸濁液させた。（工程２）得られた懸濁液を４０ｋＨｚ，５０℃、２時間の条件で超音波処理した。Ｔｉ（ＯｎBt）４に、グラフェンと、未剥離のグラファイトが含まれる分散液が得られた。（工程３）得られた分散液を２０００ｒｐｍ、２時間の条件で遠心分離し、分散液の沈降画分を除いてグラフェンとＴｉ（ＯｎBt）４を含む分散液を回収した。分散液の外観を図３に示す。（工程４）回収した分散液に、撹拌しながらベンジルアミンを滴下した。３０分間の撹拌中に、分散液に対して１０％量（体積比）のベンジルアミンを滴下した。更に撹拌し、分散液に変化が見られなくなった時点で反応を終了した。（工程５）得られた混合物を６０℃で真空乾燥し、二酸化チタンとグラフェンの複合体を回収した。得られた複合体の外観を図４に示す。図４に見られる、金属光沢を示す複合体を回収した。
［実施例２］実施例１において、Ｔｉ（ＯｎBt）４及びベンジルアミンに替えて、Ｔｉ（ＯEt）４及び、３．５９ｍｏｌ／ｌの濃度でフタル酸を含むジメチルスルホキシド（ジメチルスルホキシド５ｍｌあたり２．９８ｇのフタル酸を含む）を用いたこと以外は同じ条件で、本発明の複合体を製造した。実施例１と同様に、金属光沢を示す複合体を回収した。
［比較例］実施例１において、Ｔｉ（ＯｎBt）４に換えて、Ｓｉ（OＥｔ）４を用いた。工程２でグラファイトからのグラフェンの剥離が起こらず、グラフェンを含む分散液を製造することができなかった。
[Example 1] (Step 1) 5 ml of Ti (OnBt) 4 and 40 mg of graphite powder were mixed, and the graphite powder was suspended in Ti (OnBt) 4. (Step 2) The obtained suspension was subjected to ultrasonic treatment at 40 kHz, 50 ° C. for 2 hours. A dispersion containing graphene and unexfoliated graphite was obtained in Ti (OnBt) 4. (Step 3) The obtained dispersion was centrifuged at 2000 rpm for 2 hours, and the dispersion containing graphene and Ti (OnBt) 4 was recovered except for the sedimented fraction of the dispersion. The appearance of the dispersion is shown in FIG. (Step 4) Benzylamine was added dropwise to the recovered dispersion while stirring. During stirring for 30 minutes, 10% (volume ratio) of benzylamine was added dropwise to the dispersion. Further, the reaction was terminated when the dispersion was no longer changed. (Step 5) The obtained mixture was vacuum-dried at 60 ° C. to recover a composite of titanium dioxide and graphene. The appearance of the obtained composite is shown in FIG. The composite showing the metallic luster seen in FIG. 4 was recovered.
[Example 2] In Example 1, instead of Ti (OnBt) 4 and benzylamine, Ti (OEt) 4 and dimethyl sulfoxide containing phthalic acid at a concentration of 3.59 mol / l (2. The composite of the present invention was produced under the same conditions except that 98 g of phthalic acid was used. As in Example 1, a composite exhibiting metallic luster was recovered.
[Comparative Example] In Example 1, Si (OEt) 4 was used in place of Ti (OnBt) 4. In
本発明は、新規なカーボンナノ複合体を製造できた点で画期的である。本発明により、カーボンナノ材料であるグラフェンの応用範囲が拡大する。本発明で、新規なカーボンナノ複合体を、化学剥離法によるグラフェンの製造と一連の工程で製造したことも、画期的である。本発明の二酸化チタンとグラフェンとの複合体は、比較的簡単な設備で製造することができる。本発明は低コストのカーボンナノ複合体の製造方法を提供することができる。本発明の二酸化チタンとグラフェンとの複合体は、電極、光触媒、燃料電池等の用途で特異な性能を発揮すると期待される。 The present invention is epoch-making in that a novel carbon nanocomposite can be produced. According to the present invention, the application range of graphene, which is a carbon nanomaterial, is expanded. In the present invention, it is also epoch-making that a novel carbon nanocomposite is manufactured through a series of processes by manufacturing graphene by a chemical peeling method. The composite of titanium dioxide and graphene of the present invention can be produced with relatively simple equipment. The present invention can provide a low-cost method for producing a carbon nanocomposite. The composite of titanium dioxide and graphene of the present invention is expected to exhibit unique performance in applications such as electrodes, photocatalysts, and fuel cells.
１ グラフェン
２ 剥離剤
３ グラファイト
1
Claims (4)
工程１：チタンアルコキシドとグラファイト粉末とを混合してグラファイト懸濁液を得る工程。
工程２：工程１で得られたグラファイト懸濁液を超音波処理してグラフェンを剥離する工程。
工程３：工程２の後、沈降画分を除いてグラフェンとチタンアルコキシドを含む分散液を回収する工程。
工程４：工程３で得られた分散液にグラフェン剥離剤を滴下しながら撹拌し、ゾル・ゲル反応を進行させる工程。
工程５：工程４の後、分散液を乾燥して二酸化チタンとグラフェンとの複合体を回収する工程。 The manufacturing method of the composite_body | complex of titanium dioxide and graphene characterized by including the following processes.
Step 1: A step of mixing a titanium alkoxide and graphite powder to obtain a graphite suspension.
Process 2: A process of exfoliating the graphene by sonicating the graphite suspension obtained in Process 1.
Process 3: The process of collect | recovering the dispersion liquid containing a graphene and a titanium alkoxide after a process 2 except a sedimentation fraction.
Step 4: A step of stirring the graphene stripping agent while dropping the dispersion obtained in Step 3 to advance the sol-gel reaction.
Process 5: A process of recovering the composite of titanium dioxide and graphene by drying the dispersion after the process 4.
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