JP5753274B2 - フッ化グラフェンの調製方法 - Google Patents
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Description
黒鉛を提供するステップと、
前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップと、
無酸素環境において、前記酸化グラフェンとフッ素含有化合物とを質量比1:1〜1:100に基づいて混合した後、200℃〜1000℃下で1時間〜10時間反応させた後冷却して、前記フッ化グラフェンを得るステップと、を含む。
前記黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比2:1:1に基づいて75℃〜95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にした後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得るステップと、
前記前処理された混合物を過マンガン酸カリウムと温度が20℃よりも低い濃硫酸に加え、その後30℃〜40℃下でオイルバスに1.5時間〜2.5時間浸漬させ、脱イオン水を加え、15分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集するステップと、
前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥を行って、前記酸化グラフェンを得るステップと、を含む。
(ステップS01:黒鉛を提供する。)
純度が99.5%より高い黒鉛を購入する。
一般的に、Hummers法によって酸化黒鉛を調製でき、すなわち、黒鉛、過マンガン酸カリウム及び高濃度強酸化性の酸(硫酸または硝酸)を同一の容器に加えて水浴またはオイルバスで加熱し、十分酸化させた後取り出し、まず過酸化水素で過マンガン酸カリウムを還元し、さらに蒸留水または塩酸で生成物を複数回洗浄し、乾燥した後酸化黒鉛を得る。
ステップ02から得た酸化グラフェンを使用してフッ素含有化合物と反応させてフッ化グラフェンを調製する方法は固相法と呼ばれ、フッ素含有化合物がフッ素含有無機物とフッ素含有重合体とに分けられることで、固相法は無機固相法と有機固相法とを含み、以下、順次に具体的に説明する。
本方法は、加熱分解できるフッ素含有化合物を使用してステップS02から得た酸化グラフェンと反応させ、使用されるフッ素含有化合物は一般的にフッ化アンモニウム、フルオロホウ酸ナトリウム、フルオロホウ酸カリウム、フッ化アルミニウムカリウム及びフッ化ケイ酸ナトリウムを例として挙げられる。実際の操作する時に、そのうちの1種を選んでもよく、複種を選んで混合してもよい。
本方法は加熱分解できるフッ素含有重合体を使用してステップS02から得た酸化グラフェンと反応させ、使用されるフッ素含有重合体は一般的にポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン及びポリフッ化ビニリデンを例として挙げられる。実際に操作する時に、そのうちの1種を選んでもよく、複種を選んで混合してもよい。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを75℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後40℃のオイルバスにおいて1.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、フッ素含有無機物フッ化アンモニウムと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比フッ化アンモニウム:酸化グラフェン=100:1に基づいて均一に混合した後重量を量って反応装置に加え、500℃下で5時間反応させる。少々冷却した後反応物を取り出し、順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
[式]
Ii:i元素のピーク強度(面積)
Si:i元素の相対元素敏感度因子
表1から分かるようにFの質量百分率は53.5%である。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後30℃のオイルバスにおいて2.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、フッ素含有無機物フルオロホウ酸ナトリウムと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比フルオロホウ酸ナトリウム:酸化グラフェン=50:1に基づいて均一に混合した後重量を量って反応装置に加え、800℃下で4時間反応させる。少々冷却した後反応物を取り出し、順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを80℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて2時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、フッ素含有無機物フッ化ケイ酸ナトリウムと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比フッ化ケイ酸ナトリウム:酸化グラフェン=80:1に基づいて均一に混合した後重量を量って反応装置に加え、1000℃下で1時間反応させる。少々冷却した後反応物を取り出し、順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて1.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、フッ素含有無機物フッ化アルミニウムカリウムと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比フッ化アルミニウムカリウム:酸化グラフェン=45:1に基づいて均一に混合した後重量を量って反応装置に加え、200℃下で10時間反応させる。少々冷却した後反応物を取り出し、順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを75℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後40℃のオイルバスにおいて2時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、沸騰水に3時間煮て、加熱乾燥した後のフッ素含有重合体ポリテトラフルオロエチレンと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比ポリテトラフルオロエチレン:酸化グラフェン=30:1に基づいて有機溶剤において均一に混合し、その後加熱乾燥箱に入れて約150℃で加熱乾燥し、その後打錠してニッケルボートに入れる。ニッケルボートを高温炉の石英管内に入れて窒素ガスを適量注入した後密封して加熱する。炉温を800℃に制御し、5時間反応させた後、石英管を取り出して冷却して、フッ化グラフェンを得る。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを85℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて1.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、沸騰水に3時間煮て、加熱乾燥した後のフッ素含有重合体ポリヘキサフルオロプロピレンと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比ポリヘキサフルオロプロピレン:酸化グラフェン=15:1に基づいて有機溶剤において均一に混合し、その後加熱乾燥箱に入れて約150℃で加熱乾燥し、その後打錠してニッケルボートに入れる。ニッケルボートを高温炉の石英管内に入れて窒素ガスを適量注入した後密封して加熱する。炉温を200℃に制御し、4時間反応させた後、石英管を取り出して冷却して、フッ化グラフェンを得る。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを85℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて2.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、沸騰水に3時間煮て、加熱乾燥した後のフッ素含有重合体ポリフッ化ビニリデンと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比ポリフッ化ビニリデン:酸化グラフェン=5:1に基づいて有機溶剤において均一に混合し、その後加熱乾燥箱に入れて約150℃で加熱乾燥し、その後打錠してニッケルボートに入れる。ニッケルボートを高温炉の石英管内に入れて窒素ガスを適量注入した後密封して加熱する。炉温を1000℃に制御し、1時間反応させた後、石英管を取り出して冷却して、フッ化グラフェンを得る。
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを80℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて1.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、沸騰水に3時間煮て、加熱乾燥した後のフッ素含有重合体ポリフッ化ビニリデンと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比ポリフッ化ビニリデン:酸化グラフェン=1:1に基づいて有機溶剤において均一に混合し、その後加熱乾燥箱に入れて約150℃で加熱乾燥し、その後打錠してニッケルボートに入れる。ニッケルボートを高温炉の石英管内に入れて窒素ガスを適量注入した後密封して加熱する。炉温を500℃に制御し、3時間反応させた後、石英管を取り出して冷却して、フッ化グラフェンを得る。
[表1]フッ化グラフェンのフッ素含有量
Claims (8)
- Fの質量百分率は0.5%≦F%≦53.5%で、Cの質量百分率は46.5%<C%<99.5%であるフッ化グラフェンの調製方法であって、
黒鉛を準備するステップと、前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップと、無酸素環境において、前記酸化グラフェンとフッ素含有化合物とを質量比1:1〜1:100に基づいて混合した後、200℃〜1000℃下で1時間〜10時間反応させた後冷却して、前記フッ化グラフェンを得るステップと、を含む、ことを特徴とするフッ化グラフェンの調製方法。 - 前記フッ素含有化合物は、フッ化アンモニウム、フルオロホウ酸ナトリウム、フルオロホウ酸カリウム、フッ化アルミニウムカリウム及びフッ化ケイ酸ナトリウムのうちの少なくとも1種である、ことを特徴とする請求項1に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
- 前記フッ素含有化合物は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン及びポリフッ化ビニリデンのうちの少なくとも1種である、ことを特徴とする請求項2に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
- 前記酸化グラフェンと前記フッ素含有化合物との質量比は、1:1〜1:50である、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
- 前記酸化グラフェンと前記フッ素含有化合物とは、500℃〜800℃下で反応して前記フッ化グラフェンを調製する、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
- 前記フッ化グラフェンの調製方法はさらに前記フッ化グラフェンを得た後、順に水及びエタノールで洗浄、乾燥を行う精製操作を含む、ことを特徴とする請求項1に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
- 前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップは、
前記黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比2:1:1に基づいて75℃〜95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にした後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得るステップと、
前記前処理された混合物を過マンガン酸カリウムと温度が20℃よりも低い濃硫酸に加え、その後30℃〜40℃下でオイルバスに1.5時間〜2.5時間浸漬させ、脱イオン水を加え、15分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集するステップと、
前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥を行って、前記酸化グラフェンを得るステップと、を含む、ことを特徴とする請求項1に記載のフッ化グラフェンの調製方法。 - 前記黒鉛の純度は99.5%より高い、ことを特徴とする請求項1に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
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