JP2017502168A - 酸化グラフェンの製造 - Google Patents
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Abstract
Description
酸化グラフェンの最初の合成は一世紀以上前に報告された。1859年において、Brodieは、発煙硝酸中のグラファイトのスラリーに塩素酸カリウムを加えることによるGOの最初の合成を示した(Brodie 1859)。その後、Staudenmaierは、反応経路に少量の塩素酸塩を加えることによってこの方法を改良した(Staudenmaier 1898)。彼はまた、混合物の酸性度を増加させるために濃硫酸を加えた。この手順における僅かな変化によって、全体として酸化の程度が増加した。
グラフェンの電気化学的製造方法の開示は、文献において十分に報告されている。例えば、Liuら(Liu 2008)は、イオン性液体−水混合物電解液を用いてグラファイトを剥離して、「一種のIL官能化」グラフェンナノシートを形成することを報告した。Luら(Lu 2009)は、Liuの方法においてはアノードにおいてグラフェンナノシートが生成したのは、分解された水種とBF4 −のようなイオン性液体からのアニオンの相互作用によるものであることを示した。本発明者らはまた、国際公開2012/120264号において、溶媒中においてアルキルアンモニウムカチオンをグラファイト中へ電気化学的に挿入することによってグラフェンを製造する方法を報告した。グラフェンを製造するための他の電気化学的方法はまた、国際公開2013/132261号においても公開されており、これによれば、グラファイトを金属及び有機イオンと共に陰電極中に二重にインターカレートしている。これらの方法においては、必然的にグラフェンの生成を最大にするために非酸化性条件を与えることに重きが置かれている。
電気化学セル内で(即ち、グラファイトの電気化学的酸化によって)100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶媒中の有機アニオンを含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオン(即ち有機アニオン)をグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む上記方法
が提供される。
電気化学セル内で(即ち、グラファイトの電気化学的酸化によって)100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶液中の非酸化剤多原子アニオンを含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオン(即ち非酸化剤多原子アニオン)をグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む上記方法
も提供される。
電気化学セル内で(即ち、グラファイトの電気化学的酸化によって)100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)<1×10−1モル・dm−3の水素イオン(即ちH+)濃度を有する(例えば電解液は>1のpHを有する)溶媒中の多原子アニオンを含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオン(即ち多原子アニオン)をグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む上記方法
が提供される。
電気化学セル内で(即ち、グラファイトの電気化学的酸化によって)100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)(i)溶媒中の有機アニオン;
(ii)溶液中の非酸化剤多原子アニオン;及び/又は
(ii)電解液がpH>1、<1×10−1モル・dm3の水素イオン濃度を有する溶媒中の多原子アニオン;
を含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオンをグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む上記方法
を提供する。幾つかの態様においては、(i)、(ii)、及び(iii)におけるそれぞれのアニオンは、而して同一又は異なっていてよい。
電気化学セル内で(即ち、グラファイトの電気化学的酸化によって)100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶媒中の非酸化剤アニオンを含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオン(即ち非酸化剤アニオン)をグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む上記方法
が提供される。
電気化学セル内で(即ち、グラファイトの電気化学的酸化によって)100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶媒中のアニオンを含み、<1×10−1モル・dm−3の水素イオン濃度を有する、例えば>1のpHを有する電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオン(即ち上記のアニオン)をグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む上記方法
が提供される。
電気化学セル内で(即ち、グラファイトの電気化学的酸化によって)100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)電極凝集要素と結合したグラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶媒中のアニオンを含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオンをグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む上記方法
が提供される。
好適には、使用中において電極凝集要素を陽電極と結合させて、電気化学プロセス中においてグラファイト電極中のグラファイト成分/粒子の間の凝集を増加させる。而して、電極凝集要素は、陽電極に近接させるか、それと接触させるか、或いは例えばその一体部品とすることができる。好適には、電極凝集要素は、電気化学反応中においてグラファイト電極からグラファイトの大きな片が分離するのを減少させ、好ましくは阻止するように機能する。したがって好適には、電極凝集要素は、凝集要素を与えない場合、即ちグラファイト電極を単独で与える場合と比べて、グラファイト電極のより大きな部分をより長く電源と接触している状態に維持するように機能させることができる。
幾つかの態様において、直接接触とは、陽電極の電解液と接触する表面の少なくとも半分、好ましくは半分より多くを、電極凝集要素と直接接触させることを指す。幾つかの態様においては、直接物理的接触とは、陽電極表面の電解液と接触する部分と電極凝集要素の間の接触を指す。この点に関して「電解液と接触する表面」とは、本発明の方法において使用中に電解質溶媒中に浸漬される電極表面の部分を指す。幾つかの態様においては、この直接接触とは、陽電極の電解液と接触する表面の実質的に全体を電極凝集要素と直接接触させること、例えば陽電極の電解液と接触する表面の全部を電極凝集要素と直接接触させることを指す。この文脈において「実質的に全部」とは、陽電極の電解液と接触する表面の少なくとも90面積%、例えば少なくとも95面積%、好ましくは少なくとも98面積%、例えば少なくとも99面積%を電極凝集要素と直接接触させることを指す。この点に関し、電極凝集要素及び/又はグラファイト電極は、不規則な表面を有する材料にして、グラファイト表面の全体がフィルター材料と接触することが不可能になるようにすることができる。当業者であれば、かかる場合において、表面積とは、フィルター材料領域と接触する表面によって測られる電極表面の表面積を指す。幾つかの態様においては、陽電極は、電極凝集要素によって少なくとも部分的に被包し、即ち電極凝集要素によって少なくとも部分的に取り囲み、通常は少なくとも半分、好ましくは半分より多く、幾つかの態様においては実質的に完全に、通常は完全に被包する。幾つかの態様においては、電極が被包されているという言及はグラファイト電極全体を指すが、通常は電極の電解液と接触する表面、即ち電解質溶液中に浸漬される電極の部分のみを指す。
グラファイト陽電極中への電解質アニオンのインターカレーションを促進するために(即ち、好適にはグラファイトの大きな片がグラファイト電極の本体から電解液中に離脱するのを回避しながら)電解質アニオンがグラファイト電極に接近するのを可能にするという条件で、任意の好適な多孔質フィルターを用いることができる。多孔質フィルターは、好適には、電気化学的工程中のグラファイト陽電極の崩壊(即ち物理的崩壊)が制限されるように本発明方法において好適に与えられる。この文脈において「崩壊」とは、グラファイト電極からのグラファイトの大きな片(即ち、実質的に酸化/剥離していない)の分離を指す。
この形態及び幾つかの態様においては、溶媒中のアニオンは任意の好適なアニオンであってよい。好適な態様においては、アニオンは上記の任意の形態及び態様に関してここに規定したアニオンであってよい。アニオンは、非酸化剤アニオン(例えば下記に規定するもの)、好適には非酸化剤多原子アニオンであってよい。而して幾つかの態様においては、アニオンはナイトレート又はスルフェートアニオンを含まない。好ましい態様においては、アニオンは下記に規定するような有機アニオンである。
(a)電極凝集要素と結合したグラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶媒中のアニオンを含む電解液;
を含み;
この方法は、セルに電流を流してアニオンをグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む。
本発明の方法、使用、及び幾つかの態様において有機アニオンを用いる場合には、任意の好適な有機アニオンを用いることができる。有機アニオンは、分岐又は非分岐で、環式又は非環式であってよい。通常は、これらは非環式及び/又は分岐である。
「酸素含有有機アニオン」とは、1以上の酸素原子を含む有機アニオンを指す。酸素含有有機アニオンは、C−H結合中の少なくとも1つのHが酸素置換基によって理論上置換されているアニオン性有機化合物であってよい。通常は1つより多い酸素置換基(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、又は5つの酸素置換基)が与えられ、及び/又は有機アニオン中の1以上のメチレン基(即ち−CH2−)(例えば1つ、2つ、3つ、4つ、又は5つのメチレン基)は、酸素(即ち−O−)によって理論上置き換えられている。酸素含有有機アニオンは、1以上の水素原子が1以上の酸素置換基(例えば1つ、2つ、3つ、4つ、又は5つの酸素置換基)によって理論上置換されているか、及び/又は炭化水素中の1以上のメチレン基(即ち−CH2−)(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、又は5つのメチレン基)が酸素(即ち−O−)によって理論上置き換えられている炭化水素であってよい。而して、酸素含有有機アニオンという用語には、独立して−OH及び=Oからなる群から選択される1以上の酸素置換基によって置換されており;及び/又は、1以上のアニオン性基が存在するという条件で、1以上のメチレン基(即ち−CH2−)(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、又は5つのメチレン基)が酸素(即ち−O−)によって置き換えられている(例えばエーテル基を形成している)炭化水素が含まれる。かかる−OH及び=O基の1つより多くが同じ炭素原子に結合していてよい。例えば、同じ末端炭素原子に−O(H)及び=O置換基が結合している場合にはカルボン酸/カルボキシレートが形成され、=O置換基がエーテル酸素原子に隣接する炭素原子に結合している場合にはカルボン酸エステルが形成される。当業者であれば、=Oによる置換は、同じ炭素に結合している2つの水素原子の理論上の置換を伴うことを理解するであろう。好適には、1つより多いメチレン基が酸素によって置き換えられている場合には、2つ以下の酸素原子が隣接していてよく、即ち、好適には3つ以上の酸素原子の鎖は包含されない。したがって、酸素含有有機アニオンの例は、アルコール(及び/又はアルコキシド)、エポキシド、アルデヒド、ケトン、カルボン酸(及び/又はカルボキシレート)、カルボン酸エステル、アミド、カルバメート、尿素、エーテル、ペルオキシド、並びに過酸(及び/又はペルカルボキシレート)を含むアニオンである。
上記に記載する酸素含有有機アニオン、例えば酸素置換炭化水素、カルボキシレート、アルカノエート、アルケノエート、及びアルキノエートは、場合によっては、酸素以外の1以上の通常の置換基(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、又は5つの置換基)、例えば1つより多い通常の置換基によって置換されていてもよい。或いは、少なくとも1つの酸素含有基が存在するという条件で、1つのみの置換基が存在していてもよい。幾つかの態様においては、酸素含有アニオンは、酸素含有基以外の置換基で更に置換されていない。通常は、置換は、置換基による水素原子、又は=NRによる置換の場合には2つの水素原子の理論上の置き換えを伴う。
随意的な1つ又は複数の置換基は、独立して、ハロゲン、NH2、−NO2、−CN、−N+(C1〜6アルキル)2O−、−SOC1〜6アルキル、−SO2C1〜6アルキル、−SO3C1〜6アルキル、−C(=O)NH2、−C(=O)N(C1〜6アルキル)2、−N(C1〜6アルキル)C(=O)O(C1〜6アルキル)、−N(C1〜6アルキル)C(=O)N(C1〜6アルキル)2、−OC(=O)N(C1〜6アルキル)2、−N(C1〜6アルキル)C(=O)C1〜6アルキル、−C(=S)N(C1〜6アルキル)2、−N(C1〜6アルキル)C(=S)C1〜6アルキル、−SO2N(C1〜6アルキル)2、−N(C1〜6アルキル)SO2C1〜6アルキル、−N(C1〜6アルキル)C(=S)N(C1〜6アルキル)2、−N(C1〜6アルキル)SO2N(C1〜6アルキル)2、−Zu−C1〜6アルキル、−Zu−C3〜6シクロアルキル、−Zu−C2〜6アルケニル、−Zu−C3〜6シクロアルケニル、及び−Zu−C2〜6アルキニル(ここで、Zuは、独立して、S、NH、又はN(C1〜6アルキル)である)からなる群から選択することができる。通常は、随意的な1つ又は複数の置換基は、独立して、ハロゲン、−CN、−N(C1〜6アルキル)2、又は−C(=O)NH2である。
多原子アニオン:
多原子アニオンという用語には、2以上の原子から形成されるアニオンが含まれる。かかるイオンは有機又は無機イオンであってよく、好ましくは有機イオンであってよい。好適な有機イオンは上記に記載した通りである。好ましくは、多原子アニオンは下記に記載するように非酸化剤アニオンである。
非酸化剤アニオン:
本発明の関連において(例えば非酸化剤多原子アニオンの場合において)「非酸化剤アニオン」という用語は、アノードにおいてグラファイトを酸化しないアニオンを指す。而して、非酸化剤アニオンはグラファイトの酸化に直接は寄与しない。通常は、このアニオンは、アノードにおいて酸化反応にともなって電気化学的に分解することによって酸化性の種を形成しない。
幾つかの態様においては、非酸化剤アニオンは、0V未満、例えば−0.1V未満、−0.2V未満、−0.5V未満、−0.8V未満、−1.0V未満、例えば−1.2V未満、−1.4V未満、−1.6V未満、−1.8V未満、又は−2V未満の標準水素電極に対する標準還元電位(E0)を有する。通常は、非酸化剤アニオンは、−2Vより高く、例えば−1.5Vより高く、例えば−1.0Vより高く、−0.8Vより高く、又は−0.6Vより高い標準水素電極に対する標準還元電位(E0)を有する。好ましくは、非酸化剤アニオンは、−1V〜0V、例えば−0.8V〜−0.2V、例えば−0.6V〜−0.4Vの標準水素電極に対する標準還元電位(E0)を有する。当業者であれば所定の物質に関する標準電極電位を決定することができ、種々の参照表が、例えば(Milazzo, G. 1978)、(Bard, A. J. 1985)、及び(Bratch, S. G. 1989)に与えられている。
任意の形態の幾つかの態様、及びここに開示する幾つかの態様においては、それぞれのアニオン(例えば有機アニオン、非酸化剤アニオン等)は、好適にはハロゲン化物含有アニオンを含まない。
本出願において、「酸化グラフェン」という用語は、理想的には1〜10個の酸化グラフェン層から構成され、好ましくは生成物中の層の数の分布が制御されている材料を説明するために用いる。
ここに記載する方法によれば、高い収率の酸化グラフェン及び/又はグラファイトナノプレートレット構造体を製造することができる。
陽電極は、陰電極及び陽電極の中で、より多い陽電位で保持される電極である。また、更なる参照電極(Ag/AgBF4のような任意の好適な材料であってよい)を用いることもできる。
陰電極は、2つの電極の中で、最も大きい陰電位で保持される電極である。また、参照電極を用いることもできる。
電解液:
上記に記載した本発明の幾つかの形態及び態様においては、電解液に、溶媒中のアニオン(例えば、上記の第1の形態及び幾つかの態様におけるように有機アニオン、並びに上記の第3の形態及び幾つかの態様におけるように多原子アニオン)を含ませることができる。電解液が溶媒中のアニオンを含む態様においては、電解液の少なくとも半分、好ましくは半分よりも多くは溶媒中のイオンから構成され、ここでイオンはかかるアニオンを含む。好適には、電解液は、溶媒中のイオンから実質的に構成することができ、好ましくはこれから構成することができ、ここでイオンはかかるアニオンを含む。この文脈において「実質的に構成される」とは、電解液の少なくとも90重量%、95重量%、98重量%、又は好ましくは99重量%が溶媒中のイオンであることを意味し、ここでイオンはかかるアニオンを含む。
幾つかの態様においては、電解液は再循環することができる。これは、アニオンが電気化学プロセス中に実質的に分解しない態様、例えば有機アニオンを用いる場合、例えばシトレート及び/又はアセテートを用いる場合に特に当てはまる。
ここで他に示していない限りにおいて、電解液は任意の好適な水素イオン濃度(即ち[H+])で与えることができ、実際には水素イオンが実質的又は完全に欠落(即ち[H+]=0)していてよい。好ましくは、上記の形態及び態様においては、電解液中の水素イオン濃度(即ち[H+])は、(上記の第3の形態及び態様において必須なように)<1×10−1モル・dm3である。この水素イオン濃度は、溶液(例えば水溶液)において>1のpHに相当するであろう。而して上記の形態及び態様においては、電解液中の水素イオン濃度は、<1×10−2モル・dm3(即ち溶液において>pH2に対応する)、好ましくは<1×10−3モル・dm3、例えば<1×10−4モル・dm3、又は<1×10−5モル・dm3であってよい。上述したように、本発明者らは、従来の理解に反して、強酸性の環境を用いない系は、より腐食性の低いアノード環境を与えて、それによってアノードのより均一な剥離、並びにその結果として生じる改良された収率、酸化レベル、及び厚さをもたらすことによって、酸化グラフェンを電気化学的に製造する改良された方法を導くことができることを観察した。
電解液が溶液中のアニオンである場合には、代わりにpHによって水素イオン濃度を規定することができる。而して、ここで他に示していない限りにおいては、任意の好適なpHの電解液を与えることができる。しかしながら好ましくは、上記の幾つかの形態及び態様においては、電解液のpHは>1(即ち、ここでは水素濃度は、上記の第3の形態及び幾つかの態様において必須なように<1×10−1モル・dm3である)である。而して上記の幾つかの形態及び態様においては、pHは、>2、好ましくは>3、例えば>4、又は>5であってよい。上述したように、本発明者らは、従来の理解に反して、強酸性の環境を用いない系は、より腐食性の低いアノード環境を与えて、それによりアノードのより均一な剥離をもたらすことによって、酸化グラフェンを電気化学的に製造する改良された方法を導くことができることを観察した。
セルの作動電位は、少なくともインターカレーションのための標準電位のものである。反応速度を増加させ、陽電極においてグラファイトの層間中にアニオンを導入するために、過電位を用いることができる。
電極を横切って印加する電圧は、サイクリング又はスイープさせることができる。即ち、電位を変化させてそれを増加又は減少させることができる。例えば、電位を、第1の時間の間、第1の方向に変化(増加又は減少)させ、次に第2の時間の間、第1の方向と反対の第2の方向に変化させる。而して、電位を第1の時間の間増加させる場合には、それを第2の時間の間減少させることができる。第1及び第2の時間は同一又は異なっていてよい。好ましくは、これらは同一である。変化(増加又は減少)の大きさは、同一又は異なっていてよい。好ましくは、これは同一である。それぞれの時間における変化速度は、同一又は異なっていてよい。好ましくは、これは同一である。好適には、第1の時間の間変化させ、そして第2の時間の間変化させる工程を、好ましくは少なくとも2回、より好ましくは少なくとも5回、より好ましくは少なくとも10回、より好ましくは少なくとも30回繰り返す。それぞれの繰り返しサイクルに関して、変化の方向、大きさ、及び速度、並びに第1及び第2の時間の経過時間は、独立して選択することができる。好ましくはこれらは同一である。
幾つかの態様においては、電位の変動には、電極の極性を交換/切り替えて、陰電極が陽電極になるようにすること、及びその逆を行うことが含まれる。これは、極性を逆転させる方法の部分の間においては陽電極上のアノードプロセスが停止することを意味する。
好適には、電位切替後(即ち、第1の切替と第2の切替の間)の時間は、少なくとも10分間、好適には少なくとも20分間、好適には少なくとも30分間、好適には少なくとも40分間、好適には少なくとも50分間、好適には少なくとも60分間、好適には少なくとも90分間、好適には少なくとも120分間である。
特に好ましい態様においては、両方の電極がグラファイトであり、電位を変化させて、電極が陽電極から陰電極へ変化し、及びその逆が行われるようにする。この態様においては、電圧サイクル中の電極の極性に応じて、アニオン剥離が両方の電極において起こる。
電流:
反応は、電圧ではなく、電流の制御下で行うことができる。絶対電流値は、電解液の抵抗、電極の寸法、温度等によって変化し、したがって電流は反応条件に応じて当業者によって変化させることができる。
セルは、所望の材料の製造を可能にする温度において運転する。最適な運転温度は電解液の性質に伴って変動する。例えば、本発明においては、電解液の融点に近く、その沸点以下の温度でセルの運転を行うことができる。
電気化学セルは、所望の酸化グラフェン/酸化グラファイトナノプレートレット構造体の製造を可能にする任意の好適な圧力において運転することができる。
電気化学セルは、任意の好適な気体雰囲気下で運転することができる。好ましい態様においては、電気化学セルは空気下で運転する。
電気化学プロセスは、酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体の所望の収率、所望の酸化レベル、及び/又は酸化グラフェンの厚さを与えるのに適当な長さの時間運転することができる。プロセスの継続時間とは、通常はグラフェン/グラファイトナノプレートレット構造体の単離の前にインターカレーションアニオンの存在下で電極の間に電極の間に電流を流す時間の長さを指す。電流は、連続的又は断続的、通常は連続的に電極の間に流すことができる。
一態様においては、剥離に用いたアニオンは、剥離の後に回収する。アニオンは、剥離した材料の洗浄及び/又は加熱、アニオンの電気化学的還元、剥離した材料の超音波エネルギー処理、界面活性剤による剥離した材料からの置換、又はこれらの組合せによって回収することができる。通常は、アニオンは洗浄によって回収する。
一態様においては、重合及びグラフェン層の間の膨張のプロセスによるグラファイトの剥離を促進するために、有機イオンを用いることができる。好適な有機イオンとしては、ニトリル、カルボキシル、フェニル、及びビニルのような電子吸引基を有する重合のためのモノマーが挙げられる。
(a)濾過;
(b)グラフェン又はグラファイトナノプレートレット構造体を沈殿させるために遠心力を使用すること;
(c)2つの非混和性溶媒の界面において酸化グラフェン又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を回収すること;並びに
(d)沈降分離;
などの数多くの分離技術によって電解液から分離することができる。
上記で議論したように、陽電極におけるグラファイトは、その剥離の前に、化学的、電気化学的、及び/又は機械的に処理することができ、例えばグラファイトは、電気化学的剥離、及び/又は硝酸中での酸化、及び/又はフッ化水素酸を用いるフッ素化によって化学的に官能化することができる。また、グラファイトアノードはボールミルによって機械的に処理することができる。通常は、グラファイト陽電極は、本方法の電気化学的工程において用いる前に、予備インターカレーションにかけない。好適には、陽電極は化学的に予備処理せず、より好ましくは全く予備処理しない。例えば、天然グラファイトを用いることができる。幾つかの態様においては、グラファイトアノードは、本方法の電気化学的工程において用いる前に機械的に予備処理せず、例えば幾つかの態様においては、グラファイトアノードは、本方法の電気化学的工程において用いる前にボールミルによって予備処理しない。
本発明はまた、ここでの任意の形態又は態様において記載する酸化グラフェンも提供する。幾つかの態様においては、酸化グラフェンは、ここでの任意の従前の形態及び態様の任意の方法にしたがって製造されるものである。幾つかの態様においては、酸化グラフェンは、任意の1つの図面によって特徴付けられるものである。
全ての実験に関して、天然グラファイト(下記において他に示さない限りにおいては、通常は25ミクロンの粒径を有する)の試料をアノードに接続し、白金線をカソードとして機能させた。Instek PSUソフトウエアを装備したPSS−210−GW INSTEKプログラム可能電源を用いて、電気化学実験を300mAの一定の電流(通常は5V未満の電極間の電位差)において5時間行った。電気分解の後、残留している生成物(黒色の炭素質粉末)を濾過によって電気化学セルから回収した後、まず希釈HCl、次に水で洗浄し、次に真空下で一晩乾燥した。次に、粉末を30分間超音波処理することによって水中に懸濁させた後、5000rpmにおいて30分間遠心分離した。次に、単離された沈殿物を乾燥し、プロセス収率を計算するために秤量した。
He−Neレーザー(633nm)に接続したRenishawシステム1000分光計を用いてラマンスペクトルを得た。Olympus BH−1顕微鏡を用いてレーザーの焦点を試料に当てた場合に、レーザースポットサイズは約1〜2μmであり、出力は約1mWであった。SEM画像は、Zeiss Leo 1530 FEGSEMを用いて採取した。FEI Tecnai FZO 200kv FEGTEMを用いてTEM分析を行った。
上記の基本的方法のセクションにおいて記載したようにして実験を行った。クエン酸ナトリウムの0.2M緩衝溶液を電解液として用いた。約0.11グラムが回収された。XPS測定によって、酸素含量は13.15重量%であり、プロセスの収率は86%であったことが示された。
上記の実施例1と同様にして反応を行ったが、0.2Mのクエン酸ナトリウム電解質水溶液を0.2Mの酢酸ナトリウム水溶液に置き換えた。0.14グラムが回収された。XPS測定によって、生成物の酸素含量は12.4%であり、プロセスの収率は78%であったことが示された。
上記の実施例1と同様にして反応を行ったが、電解質溶液は、0.2Mのクエン酸ナトリウム及び0.2Mの酢酸ナトリウムの混合水溶液であった。(a)25ミクロンのグラファイトの粒径を用いた場合には0.15グラムが回収された。XPS測定によって、酸素含量は14.23%であり、プロセスの収率は85%であったことが示された。図7にXRDデータを示す。(b)3ミクロンのグラファイトの粒径を用いた場合には0.21グラムが回収された。XPS測定によって、酸素含量は16.49%であり、プロセスの収率は88%であったことが示された。
上記の実施例1と同様にして反応を行ったが、電解質溶液は0.2Mの亜硝酸ナトリウムの水溶液であった。0.58グラムが回収され、これは9.6%の収率に相当していた。
上記の実施例1と同様にして反応を行ったが、電解質溶液は0.2Mの硝酸ナトリウムの水溶液であった。0.62グラムが回収され、これは12.7%の収率に相当していた。
上記の実施例1と同様にして反応を行ったが、電解質溶液は0.2Mの硫酸ナトリウムの水溶液であった。0.58グラムが回収され、これは11.6%の収率に相当していた。
実施例1と同様の条件を用いたが、電解液は0.2Mのクエン酸ナトリウム、0.2Mの酢酸ナトリウム、及び0.1Mの亜硝酸ナトリウムの組合せを含んでいた。0.11gが回収された。XPS測定によって、酸素含量は17.89%であり、プロセスの収率は14%であったことが示された。製造された酸化グラフェンに関するXRDデータを図9に示す。
実施例1と同様の条件を用いたが、電解質溶液は0.2Mのクエン酸ナトリウム及び0.2Mの硝酸の混合電解質水溶液であった。0.08gの生成物が回収された。XPS測定によって、酸素含量は18.3%であり、プロセスの収率は18%であったことが示された。製造された酸化グラフェンに関するXRDデータを図8に示す。
実施例7と同様の条件を用いたが、130ミクロンの平均細孔径を有するモスリン布内にグラファイト電極を被包した。3cmのグラファイト棒材をモスリンによって被覆し、被覆された部分の1cmのみを電解液中に浸漬した。次に、必要な電流/電圧を印加した。0.45gが回収された。XPS測定によって、酸素含量は21.23%であり、プロセスの収率は64%であったことが示された。
実施例9aと同様の条件を用いたが、反応を16時間行った。0.79gが回収された。XPS測定によって、酸素含量は32.14%であり、プロセスの収率は83%であったことが示された。
実施例9と同様の条件を用いたが、電解液は、0.2Mのクエン酸ナトリウム、0.2Mの酢酸ナトリウム、0.1Mの硝酸、及び0.1Mの硫酸の混合電解質水溶液であり、グラファイト陽電極の浸漬される部分を、モスリンに代えて約1cmの直径及び約200ミクロンの細孔を有する多孔質プラスチック箱体によって被包した。0.88gの生成物が回収された。XPS測定によって、酸素含量は35.23%であり、プロセスの収率は87%であったことが示された。
実施例1と同様にして反応を行ったが、電解液は0.1Mの硝酸であった。0.67gの生成物が単離された。XPS測定によって、酸素含量は18.9%であったことが示された。収率は8%であった。
比較例1と同様にして反応を行ったが、電解液は0.1Mの硫酸であった。0.57gの生成物が単離された。XPS測定によって、酸素含量は19.4%であったことが示された。収率は10.2%であった。
上記の実験のそれぞれの条件及び結果の概要表を上表1に一覧する。
比較例1及び2において示されるように、硝酸及び硫酸の電解質溶液を用いると、酸化グラフェン生成物の僅かにより高い酸化レベルが与えられるが、本発明方法と比べてより低い収率である。
上記の代表的な実験においては、電流を印加した数分後に、電解液の色は、非常に明澄から黄色がかった色、次に金色、褐色、暗褐色、そして最終的に黒色に変化した。これらの色の変化は、懸濁液中のGO濃度の変化を反映している。GOの懸濁液は5週間の間安定であることが観察され、これはGOが電解質水溶液中に良く分散していたことを示している。
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Claims (21)
- 電気化学セル内で100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶媒中の有機アニオンを含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオンをグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む、上記方法。 - 電気化学セル内で100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶液中の非酸化剤多原子アニオンを含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオンをグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む、上記方法。 - 電気化学セル内で100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)グラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)<1×10−1モル・dm−3の水素イオン濃度を有する、溶媒中の多原子アニオンを含む電解液;
を含み、
セルに電流を流してアニオンをグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む、上記方法。 - 電気化学セル内で100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法であって、前記電気化学セルは、
(a)電極凝集要素と結合したグラファイトである陽電極;
(b)グラファイト又は他の材料であってよい陰電極;
(c)溶媒中のアニオンを含む電解液;
を含み、 セルに電流を流してアニオンをグラファイト陽電極中にインターカレートして、グラファイト陽電極を剥離させる工程を含む、上記方法。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法であって、前記陽電極は、電極凝集要素と結合している、前記方法。
- 請求項4および5のいずれか一項に記載の方法であって、前記陽電極の前記電解液に接触する表面の少なくとも半分を電気化学プロセス中に前記電極凝集要素と直接接触させ、場合によっては、前記陽電極の前記電解液に接触する表面の実質的に全部を電気化学プロセス中に前記電極凝集要素と直接接触させる、前記方法。
- 請求項4〜6のいずれか一項に記載の方法であって、前記電極凝集要素は、多孔質フィルター、場合によってはセルロース透析膜、ポリカーボネート膜、及びモスリン布の1以上から選択される材料を含む多孔質フィルターである、前記方法。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法であって、前記陽電極は、その中にアニオンをインターカレートすることができる層状グラファイト化合物を含む、前記方法。
- 請求項2〜8のいずれか一項に記載の方法であって、アニオンは、有機アニオンを含み、場合によってはアニオンは、有機アニオンから実質的に構成される、前記方法。
- 請求項1および9のいずれか一項に記載の方法であって、有機アニオンは、酸素含有有機アニオンである、前記方法。
- 請求項10に記載の方法であって、前記酸素含有有機アニオンは、カルボキシレートアニオンを含み、場合によっては前記酸素含有有機アニオンは、カルボキシレートアニオンから実質的に構成される、前記方法。
- 請求項11に記載の方法であって、前記カルボキシレートアニオンは、C1〜10アルカノエートであり、場合によっては前記カルボキシレートアニオンは、シトレート及びアセテートの1以上から選択される、前記方法。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法であって、前記電解液は、溶液中のアニオンを含み、場合によっては溶液は、水溶液である、前記方法。
- 請求項1、2、および4〜13のいずれか一項に記載の方法であって、電解液は、<1×10−1モル・dm−3の水素イオン濃度を有する、前記方法、或いは場合によっては、請求項1、2、および4〜13のいずれか一項に記載の方法であって、電解液は、<1×10−2モル・dm−3の水素イオン濃度を有する、前記方法。
- 請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法であって、アニオンは、0.1〜2Mの濃度で前記電解液中に存在する、前記方法。
- 請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法であって、酸化グラフェンを製造するための、前記方法。
- 請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法であって、製造される酸化グラフェンは、少なくとも10重量%の酸素含量を有する、前記方法。
- 請求項1〜17のいずれか一項に記載の方法であって、電気化学反応を、10時間未満、場合によっては6時間未満の時間行う、前記方法。
- 電気化学セル内で100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法における有機アニオンの使用であって、該有機アニオンを電解液中に存在させ、グラファイトアノードをインターカレーションして、グラファイトアノードを剥離させる上記使用。
- 電気化学セル内で100nm未満の厚さを有する酸化グラフェン及び/又は酸化グラファイトナノプレートレット構造体を製造する方法における非酸化剤多原子アニオンの使用であって、該非酸化剤多原子アニオンを電解液中に存在させ、グラファイトアノードをインターカレーションして、グラファイトアノードを剥離させる上記使用。
- 請求項1〜20のいずれか一項に記載の方法によって製造される酸化グラフェン。
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