JP7203850B2 - Reduced graphene oxide, reduced graphene oxide-functional material composite, and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、還元された酸化グラフェン(reduced graphene oxide, r-GO)又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造する方法に関し、より具体的には、酸化グラフェンを電気化学的に還元することにより還元された酸化グラフェンを製造し、さらに酸化グラフェンと機能性物質の複合体を還元することにより還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing reduced graphene oxide (r-GO) or a reduced graphene oxide-functional material composite, and more specifically, electrochemically reducing graphene oxide. and a method for producing a reduced graphene oxide-functional substance composite by reducing the composite of graphene oxide and the functional substance.
グラフェンは、電気的、機械的、化学的特性が非常に安定して優れた物質であり、様々な応用分野で活用されており、それに関する多くの研究が行われてきている。 Graphene is a material with extremely stable electrical, mechanical, and chemical properties, and is used in various fields of application, and many studies have been conducted on it.
酸化グラフェンは、グラフェンの性質の一部を有し、溶媒に分散しやすく、安価であるという利点があるので、多くの研究が行われてきている。一方、酸化グラフェンは、グラフェンに比べて電気伝導性が劣るという欠点がある。しかし、酸化グラフェンを化学的又は電気化学的に還元することにより還元された酸化グラフェンを製造する方法を用いると、電気伝導性を向上させることができる。よって、還元された酸化グラフェンは、二次電池及びスーパーキャパシタに用いられる電極、電気化学センサに用いられる電気化学電極及び化学反応触媒電極などの分野において、電極候補物質として関心が寄せられ、研究が行われている。 Graphene oxide has some of the properties of graphene, and has the advantage of being easily dispersed in solvents and being inexpensive, so much research has been done. On the other hand, graphene oxide has a drawback of being inferior to graphene in electrical conductivity. However, electrical conductivity can be improved by chemically or electrochemically reducing graphene oxide to produce reduced graphene oxide. Therefore, reduced graphene oxide has attracted interest as an electrode candidate material in fields such as electrodes used in secondary batteries and supercapacitors, electrochemical electrodes used in electrochemical sensors, and electrodes used for chemical reaction catalysts, and research has been conducted. It is done.
また、近年、還元された酸化グラフェンの特性にさらに機能性を付与し、活用度をより高める研究が盛んに行われている。詳細には、還元された酸化グラフェンにさらに機能性物質を導入し、還元された酸化グラフェン特有の特性と機能性を同時に発現させる例が挙げられる。 Further, in recent years, research has been actively conducted to add functionality to the properties of reduced graphene oxide to further increase its utility. Specifically, there is an example in which a functional substance is further introduced into the reduced graphene oxide to exhibit properties and functionality unique to the reduced graphene oxide at the same time.
しかし、還元された酸化グラフェンと機能性物質の複合体においては、機能性物質が還元された酸化グラフェンの表面で活性化するという問題があった。そこで、本発明においては、還元された酸化グラフェンの表面だけでなく内部にも機能性物質が含まれ、機能性物質が還元された酸化グラフェンの内部でも活性化することにより、機能性物質の性質を最大化することのできる、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法を提示する。 However, a composite of reduced graphene oxide and a functional substance has a problem that the functional substance is activated on the surface of the reduced graphene oxide. Therefore, in the present invention, the functional substance is included not only on the surface of the reduced graphene oxide but also in the interior thereof, and the functional substance is activated also in the reduced graphene oxide. We present a method for producing reduced graphene oxide-functional substance composites that can maximize the .
本発明の目的は、酸化グラフェン又は酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元して電気伝導性を向上させるための製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a production method for reducing graphene oxide or a graphene oxide-functional substance composite to improve electrical conductivity.
本発明の他の目的は、還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の特性を向上させるための製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for improving the properties of reduced graphene oxide or reduced graphene oxide-functional material composites.
本発明のさらに他の目的は、特性が向上した還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を迅速に製造する方法を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a method for rapidly preparing reduced graphene oxide or reduced graphene oxide-functional material composites with improved properties.
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態による還元された酸化グラフェンの製造方法は、酸化グラフェンを溶媒に分散させて酸化グラフェン分散液を形成するステップと、前記酸化グラフェン分散液に所定の溶液を供給して酸化グラフェン混合液を形成するステップと、前記酸化グラフェン混合液を導電体に塗布して所定の温度で乾燥して酸化グラフェン薄膜を形成するステップと、前記酸化グラフェン薄膜が形成された導電体を35~70℃の温度範囲の電解質に浸漬して電気化学的に還元することにより還元された酸化グラフェンを形成するステップとを含む。 To achieve the above object, a method for preparing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention includes dispersing graphene oxide in a solvent to form a graphene oxide dispersion; forming a graphene oxide mixture by supplying a solution of; coating the graphene oxide mixture on a conductor and drying it at a predetermined temperature to form a graphene oxide thin film; and forming the graphene oxide thin film. immersing the resulting conductor in an electrolyte in the temperature range of 35-70° C. to electrochemically reduce it to form reduced graphene oxide.
一実施形態において、前記分散液は、溶媒と、0.1~5重量%の前記酸化グラフェンとを含むことを特徴とする。 In one embodiment, the dispersion contains a solvent and 0.1 to 5% by weight of the graphene oxide.
一実施形態において、前記所定の溶液は、水溶性高分子を含む。詳細には、前記水溶性高分子は、ポリビニルアルコール(polyvinylalcohol, PVA)、ポリアクリル酸(polyacrylicacid, PAA)、ポリビニルピロリドン(polyvinylpyrrolidone, PVP)、ポリエチレングリコール(polyethyleneglycol, PEG)、ポリウレタン(polyurethane, PU)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene, PTFE)、及びポリテトラフルオロエチレン骨格にスルホン酸基を導入したポリマー(ナフィオン)の少なくとも1つを含む。 In one embodiment, the predetermined solution contains a water-soluble polymer. Specifically, the water-soluble polymer includes polyvinylalcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethyleneglycol (PEG), and polyurethane (PU). , polytetrafluoroethylene (PTFE), and a polymer (Nafion) having a sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoroethylene skeleton.
一実施形態において、前記所定の溶液は、溶媒と、0.05~0.2重量%の前記高分子とを含むことを特徴とする。 In one embodiment, the predetermined solution contains a solvent and 0.05 to 0.2% by weight of the polymer.
一実施形態において、前記酸化グラフェン薄膜を形成するステップにおける前記所定の温度は、50~80℃の範囲であることを特徴とする。 In one embodiment, the predetermined temperature in the step of forming the graphene oxide thin film is in the range of 50 to 80.degree.
一実施形態において、前記還元された酸化グラフェンを形成するステップにおける前記電解質の濃度は、1M~飽和溶液の範囲であることを特徴とする。 In one embodiment, the concentration of the electrolyte in the step of forming the reduced graphene oxide ranges from 1 M to a saturated solution.
一実施形態において、前記還元された酸化グラフェンを形成するステップにおいては、参照電極(reference electrode)、対電極(counter electrode)及び作用電極(working electrode)を含む三電極システム(three electrode system)を形成し、前記酸化グラフェン薄膜を電気化学的に還元することを特徴とする。 In one embodiment, the step of forming reduced graphene oxide includes forming a three electrode system including a reference electrode, a counter electrode and a working electrode. and electrochemically reducing the graphene oxide thin film.
一実施形態によれば、前記製造方法のいずれかの方法により製造される還元された酸化グラフェンが提供される。 According to one embodiment, a reduced graphene oxide produced by any of the above production methods is provided.
また、本発明の一実施形態による還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法は、酸化グラフェンを溶媒に分散させて酸化グラフェン分散液を形成するステップと、前記酸化グラフェン分散液に機能性物質及び所定の溶液を供給して酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成するステップと、前記酸化グラフェン-機能性物質混合液を導電体に塗布して所定の温度で乾燥して酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を形成するステップと、前記酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成された導電体を35~70℃の温度範囲の電解質に浸漬して電気化学的に還元することにより還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を形成するステップとを含む。 In addition, a method for producing a reduced graphene oxide-functional material composite according to an embodiment of the present invention includes dispersing graphene oxide in a solvent to form a graphene oxide dispersion; supplying a functional material and a predetermined solution to form a graphene oxide-functional material mixture; coating the graphene oxide-functional material mixture on a conductor and drying at a predetermined temperature to form graphene oxide- By forming a functional substance composite thin film, and electrochemically reducing the conductor on which the graphene oxide-functional substance composite thin film is formed by immersing it in an electrolyte in a temperature range of 35 to 70 ° C. and forming a reduced graphene oxide-functional substance composite.
一実施形態において、前記酸化グラフェン分散液は、溶媒と、0.1~5重量%の前記酸化グラフェンとを含むことを特徴とする。 In one embodiment, the graphene oxide dispersion comprises a solvent and 0.1 to 5% by weight of the graphene oxide.
一実施形態において、前記酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成するステップにおける前記機能性物質は、電気化学的活性粒子であるケイ素(Si)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)、鉛(Pb)、アンチモン錫酸化物(Antimony Tin Oxide, ATO)及びそれらの酸化物の少なくとも1つを含む。 In one embodiment, the functional material in the step of forming the graphene oxide-functional material mixture includes electrochemically active particles silicon (Si), titanium (Ti), vanadium (V), manganese (Mn ), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), lead (Pb), Antimony Tin Oxide (ATO) and at least one of their oxides.
一実施形態において、前記酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成するステップにおける前記機能性物質は、電気化学的活性化合物であるニッケルプルシアンブルー(Ni-PB)、フェロセン、フェロセン誘導体、キノン、キノン誘導体、ルテニウムアミン錯体、オスミウム(I)、オスミウム(II)、オスミウム(III)錯体、メタロセン及びメタロセン誘導体の少なくとも1つを含む。 In one embodiment, the functional material in the step of forming the graphene oxide-functional material mixture is an electrochemically active compound, nickel Prussian blue (Ni-PB), ferrocene, ferrocene derivatives, quinones, quinone derivatives. , ruthenium amine complexes, osmium(I), osmium(II), osmium(III) complexes, metallocenes and metallocene derivatives.
一実施形態において、前記酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成するステップにおける前記機能性物質は、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)及び白金(Pt)の少なくとも1つを含む。 In one embodiment, the functional material in the step of forming the graphene oxide-functional material mixture includes iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), palladium (Pd) and At least one of platinum (Pt) is included.
一実施形態において、前記所定の溶液は、水溶性高分子を含む。詳細には、前記水溶性高分子は、ポリビニルアルコール(polyvinylalcohol, PVA)、ポリアクリル酸(polyacrylicacid, PAA)、ポリビニルピロリドン(polyvinylpyrrolidone, PVP)、ポリエチレングリコール(polyethyleneglycol, PEG)、ポリウレタン(polyurethane, PU)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene, PTFE)、及びポリテトラフルオロエチレン骨格にスルホン酸基を導入したポリマー(ナフィオン)の少なくとも1つを含む。 In one embodiment, the predetermined solution contains a water-soluble polymer. Specifically, the water-soluble polymer includes polyvinylalcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethyleneglycol (PEG), and polyurethane (PU). , polytetrafluoroethylene (PTFE), and a polymer (Nafion) having a sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoroethylene skeleton.
一実施形態において、前記所定の溶液は、溶媒と、0.05~0.2重量%の前記高分子とを含むことを特徴とする。 In one embodiment, the predetermined solution contains a solvent and 0.05 to 0.2% by weight of the polymer.
一実施形態において、前記酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を形成するステップにおける前記所定の温度は、50~80℃の範囲であることを特徴とする。 In one embodiment, the predetermined temperature in the step of forming the graphene oxide-functional substance composite thin film is in the range of 50 to 80.degree.
一実施形態において、前記還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を形成するステップにおける前記電解質の濃度は、1M~飽和溶液の範囲であることを特徴とする。 In one embodiment, the concentration of the electrolyte in the step of forming the reduced graphene oxide-functional material complex is in the range of 1 M to a saturated solution.
一実施形態において、前記還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を形成するステップにおいては、参照電極、対電極及び作用電極を含む三電極システムを形成し、前記酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を電気化学的に還元することを特徴とする。 In one embodiment, forming the reduced graphene oxide-functional material composite includes forming a three-electrode system including a reference electrode, a counter electrode and a working electrode, and It is characterized by electrochemically reducing a thin film.
一実施形態によれば、前記製造方法のいずれかの方法により製造される還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体が提供される。 According to one embodiment, there is provided a reduced graphene oxide-functional substance composite produced by any one of the above production methods.
本発明による還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法により、酸化グラフェン又は酸化グラフェン-機能性物質複合体が電気化学的に還元され、電気伝導性が向上する。 According to the method for producing reduced graphene oxide or reduced graphene oxide-functional substance composite according to the present invention, graphene oxide or graphene oxide-functional substance composite is electrochemically reduced to improve electrical conductivity. .
また、本発明によれば、酸化グラフェン又は酸化グラフェン-機能性物質複合体を電気化学的に還元する方法により、単位面積当たりの活性面積が大きくなり、還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の特性を最大化することができる。 In addition, according to the present invention, a method for electrochemically reducing graphene oxide or a graphene oxide-functional substance composite increases the active area per unit area, and reduces graphene oxide or reduced graphene oxide. - the properties of the functional substance complex can be maximized;
さらに、本発明によれば、酸化グラフェン又は酸化グラフェン-機能性物質複合体を電気化学的に還元する方法において、電解質の濃度を1M~電解質飽和溶液の範囲にして還元し、電気化学セルの温度を35~70℃の範囲にして還元することにより、還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を迅速に製造することができる。 Further, according to the present invention, in the method of electrochemically reducing graphene oxide or graphene oxide-functional substance composite, the concentration of the electrolyte is reduced in the range of 1 M to the electrolyte saturated solution, and the temperature of the electrochemical cell is in the range of 35 to 70° C., reduced graphene oxide or reduced graphene oxide-functional substance composite can be rapidly produced.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明するが、全体を通して同一符号は同一構成要素を示すものである。また、本明細書に開示された実施形態について説明する上で、関連する公知技術についての具体的な説明が本明細書に開示された実施形態の要旨を不明にすると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。さらに、添付図面は本明細書に開示された実施形態を容易に理解できるようにするためのものにすぎず、添付図面により本明細書に開示された技術的思想が限定されるものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。本明細書において用いられる単数の表現には、特に断らない限り複数の表現が含まれる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein the same reference numerals denote the same components throughout. In addition, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that the specific description of the related known technology obscures the gist of the embodiments disclosed in this specification, that Detailed description is omitted. Furthermore, the accompanying drawings are merely for the purpose of making it easier to understand the embodiments disclosed herein, and the technical ideas disclosed herein are not limited by the accompanying drawings. It should be understood to include all modifications, equivalents or alternatives falling within the spirit and scope of the invention. As used herein, singular terms include plural terms unless specifically stated otherwise.
本発明においては、酸化グラフェン又は酸化グラフェン-機能性物質複合体が電気化学的に還元されて電気伝導性が向上する、還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法を提示する。 In the present invention, production of reduced graphene oxide or reduced graphene oxide-functional substance composite, in which graphene oxide or graphene oxide-functional substance composite is electrochemically reduced to improve electrical conductivity. Present a method.
また、二次電池及びスーパーキャパシタに用いられる電極、電気化学センサに用いられる電気化学電極及び化学反応触媒電極などの電気化学セルの電極においては、単位面積当たりの活性電極面積が非常に重要である。それに加えて、二次電池及びスーパーキャパシタにおいて、所定面積当たりの反応に関与する活性電極面積の増大は充電容量の増加につながる。 In addition, in electrodes of electrochemical cells such as electrodes used in secondary batteries and supercapacitors, electrochemical electrodes used in electrochemical sensors, and electrodes for chemical reaction catalysts, the active electrode area per unit area is very important. . In addition, in secondary batteries and supercapacitors, an increase in the active electrode area involved in the reaction per given area leads to an increase in charge capacity.
そこで、本発明においては、酸化グラフェン又は酸化グラフェン-機能性物質複合体を電気化学的に還元する方法により、単位面積当たりの活性面積が大きくなり、還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の特性を最大化することのできる、還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法を提示する。 Therefore, in the present invention, a method for electrochemically reducing graphene oxide or a graphene oxide-functional substance complex increases the active area per unit area, and reduces the reduced graphene oxide or the reduced graphene oxide- A method for producing reduced graphene oxide or reduced graphene oxide-functional substance composite is presented, which can maximize the properties of the functional substance composite.
図1Aは本発明の還元された酸化グラフェンの製造方法を示すフローチャートであり、図1Bは本発明の還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法を示すフローチャートである。 FIG. 1A is a flow chart showing the method for producing reduced graphene oxide of the present invention, and FIG. 1B is a flow chart showing the method for producing the reduced graphene oxide-functional material composite of the present invention.
図1Aに示すように、本発明の還元された酸化グラフェンの製造方法は、酸化グラフェンを溶媒に分散させて分散液を形成し、次に、前記分散液を導電体に塗布して乾燥して薄膜を形成し、それを電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェンを製造することができる。以下、各過程について説明する。 As shown in FIG. 1A, the method for producing reduced graphene oxide of the present invention comprises dispersing graphene oxide in a solvent to form a dispersion, then coating the dispersion on a conductor and drying it. By forming a thin film and electrochemically reducing it, reduced graphene oxide can be produced. Each process will be described below.
まず、ステップS100においては、酸化グラフェンと溶媒を準備する。準備した溶媒に酸化グラフェンを投入して分散液を製造する。前記分散液における前記酸化グラフェンの含有量は、0.1~5重量%であってもよい。 First, in step S100, graphene oxide and a solvent are prepared. A dispersion is prepared by adding graphene oxide to the prepared solvent. A content of the graphene oxide in the dispersion may be 0.1 to 5% by weight.
一実施形態において、前記酸化グラフェンの含有量が0.1重量%未満であると、前記酸化グラフェンの含有量が低いので、後述する酸化グラフェン薄膜の形成が困難になる。 In one embodiment, when the content of the graphene oxide is less than 0.1% by weight, it is difficult to form a graphene oxide thin film, which will be described later, because the content of the graphene oxide is low.
それに対して、前記酸化グラフェンの含有量が5重量%を超えると、前記酸化グラフェン溶液の粘度が非常に高いので、取り扱いが非常に難しい。 On the other hand, when the content of the graphene oxide exceeds 5% by weight, the graphene oxide solution has a very high viscosity and is very difficult to handle.
次に、ステップS200においては、前記酸化グラフェン分散液に所定の溶液を供給して酸化グラフェン混合液を形成する。前記酸化グラフェン分散液に供給される所定の溶液は、水溶性高分子を含む溶液である。詳細には、前記所定の溶液中の高分子は、コーティング膜の形成を可能にし、水溶性を有する高分子であり、酸化グラフェンと混合されて酸化グラフェン薄膜の形成を助ける。 Next, in step S200, a predetermined solution is supplied to the graphene oxide dispersion to form a graphene oxide mixture. A predetermined solution supplied to the graphene oxide dispersion is a solution containing a water-soluble polymer. Specifically, the polymer in the predetermined solution is a water-soluble polymer that enables formation of a coating film, and is mixed with graphene oxide to help form a graphene oxide thin film.
前記所定の溶液中の水溶性高分子は、後述する酸化グラフェン薄膜を電気化学的に還元するステップで酸化グラフェンのバインダーの役割を果たし、電解質での酸化グラフェンの損失を防止する役割を果たす。 The water-soluble polymer in the predetermined solution serves as a binder for graphene oxide in a step of electrochemically reducing the graphene oxide thin film, which will be described later, and prevents loss of graphene oxide in the electrolyte.
前記所定の溶液中の水溶性高分子は、ポリビニルアルコール(polyvinylalcohol, PVA)、ポリアクリル酸(polyacrylicacid, PAA)、ポリビニルピロリドン(polyvinylpyrrolidone, PVP)、ポリエチレングリコール(polyethyleneglycol, PEG)、ポリウレタン(polyurethane, PU)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene, PTFE)、及びポリテトラフルオロエチレン骨格にスルホン酸基を導入したポリマー(ナフィオン)の少なくとも1つを含むものであってもよい。 The water-soluble polymer in the predetermined solution includes polyvinylalcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethyleneglycol (PEG), polyurethane (PU). ), polytetrafluoroethylene (PTFE), and a polymer (Nafion) having a sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoroethylene skeleton.
また、前記所定の溶液は、溶媒と、0.05~0.2重量%の高分子とを含むものであってもよい。前記高分子の含有量が0.05重量%未満であると、後述する酸化グラフェン薄膜を形成するステップで薄膜の形成が困難になる恐れがあり、前記高分子の含有量が0.2重量%を超えると、前記高分子が前記酸化グラフェンをコーティングするので前記酸化グラフェンの電気化学的還元が円滑に行われなくなる恐れがある。 Moreover, the predetermined solution may contain a solvent and 0.05 to 0.2% by weight of a polymer. If the content of the polymer is less than 0.05% by weight, it may be difficult to form a thin film in the step of forming a graphene oxide thin film, which will be described later. , the polymer coats the graphene oxide, which may hinder smooth electrochemical reduction of the graphene oxide.
その後、ステップS300においては、前記酸化グラフェン混合液を導電体に塗布して所定の温度で乾燥することにより、酸化グラフェン薄膜を形成する。前記導電体は、優れた導電性、高い化学的安定性を有する物質であり得る。また、前記導電体は、前記酸化グラフェン薄膜でコーティングされて前記酸化グラフェンを電気化学的に還元する作用電極として用いられる。 Then, in step S300, a graphene oxide thin film is formed by coating the graphene oxide mixed solution on a conductor and drying it at a predetermined temperature. The conductor may be a material with good electrical conductivity and high chemical stability. Also, the conductor is coated with the graphene oxide thin film and used as a working electrode for electrochemically reducing the graphene oxide.
一実施形態においては、前記酸化グラフェンを前記導電体に塗布するために、ディップコート、スピンコート、スクリーンコート、オフセット印刷、インクジェット印刷、スプレー、パッド印刷、ナイフコート、キスコート、グラビアコート、ブラッシング、超音波微細噴霧コート及びスプレーミスト噴霧コートのいずれかを選択的に行うが、これらに限定されるものではない。 In one embodiment, dip coating, spin coating, screen coating, offset printing, inkjet printing, spraying, pad printing, knife coating, kiss coating, gravure coating, brushing, ultra-thickness coating, etc., are used to apply the graphene oxide to the conductor. Either sonic fine spray coating or spray mist spray coating is selectively performed, but not limited to these.
一方、前記導電体としては、電気化学的還元において過電圧、極性範囲、化学的安定性の面で優れた不活性物質が用いられてもよい。一実施形態において、前記導電体は、ガラス状炭素(グラッシーカーボン)及び白金(Pt)であるが、これらに限定されるものではない。 On the other hand, as the conductor, an inert material that is excellent in terms of overvoltage, polarity range, and chemical stability in electrochemical reduction may be used. In one embodiment, the conductor is glassy carbon and platinum (Pt), but is not limited thereto.
前記酸化グラフェン薄膜を前記導電体にコーティングするために、所定の温度で乾燥するステップが必要である。詳細には、前記所定の温度は、50~80℃の範囲であってもよい。具体的には、前記酸化グラフェン混合液が塗布された導電体を乾燥する温度が50℃未満であると、溶媒を除去して酸化グラフェン薄膜を形成するのに長時間かかるという問題が生じ得る。 In order to coat the graphene oxide thin film on the conductor, a drying step is required at a predetermined temperature. Specifically, the predetermined temperature may be in the range of 50-80°C. Specifically, if the temperature for drying the conductor coated with the graphene oxide mixed solution is less than 50° C., it may take a long time to remove the solvent and form the graphene oxide thin film.
それに対して、前記酸化グラフェン混合液が塗布された導電体を乾燥する温度が80℃を超えると、高分子が変色したり徐々に分解することがある。これは、高分子のガラス転移温度に近づくか又は高分子のガラス転移温度を超えることにより生じる問題である。詳細には、前記酸化グラフェン混合液の高分子が加熱され、熱による高分子の変形が生じ得る。 On the other hand, when the temperature for drying the conductor coated with the graphene oxide mixed solution exceeds 80° C., the polymer may be discolored or gradually decomposed. This is a problem caused by approaching or exceeding the glass transition temperature of the polymer. Specifically, the polymers in the graphene oxide mixed solution are heated, and deformation of the polymers may occur due to heat.
次に、ステップS400においては、前記酸化グラフェン薄膜が形成された導電体を電解質に浸漬して電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン薄膜を形成する。よって、還元された酸化グラフェンが製造される。 Next, in step S400, the conductor on which the graphene oxide thin film is formed is immersed in an electrolyte for electrochemical reduction, thereby forming a reduced graphene oxide thin film. Thus, reduced graphene oxide is produced.
一実施形態においては、参照電極、対電極及び作用電極を含む三電極システムを形成し、前記酸化グラフェン薄膜を電気化学的に還元するようにしてもよい。すなわち、前記三電極システムを用いると、前記酸化グラフェン薄膜を還元することにより、還元された酸化グラフェンを製造することができる。 In one embodiment, a three-electrode system comprising a reference electrode, a counter electrode and a working electrode may be formed to electrochemically reduce the graphene oxide thin film. That is, using the three-electrode system, reduced graphene oxide can be produced by reducing the graphene oxide thin film.
詳細には、イオン性物質が所定の濃度で形成されている電解質で還元反応が行われる作用電極は、前記酸化グラフェン薄膜が形成された導電体で構成されてもよい。また、前記作用電極と対をなして前記作用電極の酸化又は還元をサポートする対電極が必要である。さらに、基準電位を設定する参照電極が必要である。 Specifically, the working electrode in which the reduction reaction is performed in the electrolyte in which the ionic substance is formed at a predetermined concentration may be composed of the conductor on which the graphene oxide thin film is formed. There is also a need for a counter electrode that mates with the working electrode to support oxidation or reduction of the working electrode. In addition, a reference electrode is required to set the reference potential.
一実施形態において、前記電解質のイオン性物質は、陽イオンと陰イオンに解離し、前記酸化グラフェンと反応しないと共に前記酸化グラフェンが還元されるように電子を伝達する物質であってもよい。前記イオン性物質は、塩化リチウム(LiCl)、塩化ナトリウム(NaCl)及び硝酸ナトリウム(NaNO3)であってもよい。 In one embodiment, the ionic material of the electrolyte may be a material that dissociates into cations and anions, does not react with the graphene oxide, and transfers electrons so that the graphene oxide is reduced. The ionic substance may be lithium chloride (LiCl), sodium chloride (NaCl) and sodium nitrate (NaNO 3 ).
また、前記酸化グラフェン薄膜が形成された導電体は、35~70℃の温度範囲の電解質に浸漬されて電気化学的に還元されるようにしてもよい。前記電解質の温度が35℃未満であると、前記酸化グラフェンの完全な還元に数時間かかる。よって、常温では電気化学的に還元された酸化グラフェンを迅速に製造できないという問題がある。それに対して、前記電解質の温度が70℃を超えると、前記酸化グラフェン薄膜が電気化学的に還元されることにより前記電解質が蒸発することがあるという問題が生じる。よって、前記酸化グラフェンを電気化学的に還元することにより還元された酸化グラフェンを迅速に製造できる好ましい電解質の温度は、35~70℃の範囲である。 Also, the conductor on which the graphene oxide thin film is formed may be immersed in an electrolyte at a temperature of 35 to 70° C. to be electrochemically reduced. When the temperature of the electrolyte is less than 35° C., the complete reduction of the graphene oxide takes several hours. Therefore, there is a problem that electrochemically reduced graphene oxide cannot be rapidly produced at room temperature. On the other hand, when the temperature of the electrolyte exceeds 70° C., the graphene oxide thin film is electrochemically reduced and the electrolyte may evaporate. Therefore, the preferred temperature of the electrolyte that can rapidly produce reduced graphene oxide by electrochemically reducing the graphene oxide is in the range of 35 to 70°C.
また、前記電解質の濃度は、1M~飽和溶液の範囲であってもよい。1M未満の濃度の電解質で酸化グラフェンを還元すると、還元された酸化グラフェンの充電容量が低くなることがある。これは、前記電解質の濃度が低い場合、前記酸化グラフェンが電気化学的に還元される過程で、前記作用電極の界面の拡散層が厚くなり、前記酸化グラフェンが円滑に還元されないからである。前記酸化グラフェンを十分に還元してその内部の機能性物質を十分に活性化するためには、前記電解質の濃度が1M以上であることが好ましい。 Also, the concentration of the electrolyte may range from 1M to a saturated solution. Reduction of graphene oxide with an electrolyte concentration below 1 M may result in a low charge capacity of the reduced graphene oxide. This is because when the concentration of the electrolyte is low, the diffusion layer at the interface of the working electrode becomes thick during the electrochemical reduction of the graphene oxide, and the graphene oxide is not smoothly reduced. In order to sufficiently reduce the graphene oxide and sufficiently activate the functional material therein, the concentration of the electrolyte is preferably 1 M or more.
前記電解質に関する事項は例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではない。 The matters related to the electrolyte are merely examples, and the present invention is not limited thereto.
さらに、前記酸化グラフェン薄膜を還元する方法としては、酸化グラフェンの還元電圧以上の電圧を印加し続けるクロノアンペロメトリー(定電位法)と、所定の範囲で電圧を連続的に変化させるサイクリックボルタンメトリー(循環電圧電流法)がある。これらにより還元された酸化グラフェンを製造することができる。 Furthermore, as a method for reducing the graphene oxide thin film, there are chronoamperometry (potentiostatic method) in which a voltage equal to or higher than the reduction voltage of graphene oxide is continuously applied, and cyclic voltammetry in which the voltage is continuously changed within a predetermined range. (circulating voltage current method). Graphene oxide reduced by these can be produced.
クロノアンペロメトリー又はサイクリックボルタンメトリーにより前記酸化グラフェン薄膜が還元されることにより製造された還元された酸化グラフェンは空隙を有する。よって、単位面積当たりの活性面積が大きくなり、前記還元された酸化グラフェンの特性が最大化される。 The reduced graphene oxide produced by reducing the graphene oxide thin film by chronoamperometry or cyclic voltammetry has voids. Accordingly, the active area per unit area is increased and the properties of the reduced graphene oxide are maximized.
以下、他の実施形態について説明するが、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一又は類似の符号を付し、その説明を省略する。 Hereinafter, another embodiment will be described, but the same or similar reference numerals will be given to the same or similar configurations as those of the above embodiment, and the description thereof will be omitted.
図1Bに示すように、本発明の還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法は、酸化グラフェンを溶媒に分散させて分散液を形成し、次に、機能性物質及び所定の溶液を供給して混合液を形成し、さらに、前記混合液を導電体に塗布して乾燥して薄膜を形成し、それを電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造することができる。 As shown in FIG. 1B, the method for producing a reduced graphene oxide-functional material composite of the present invention comprises dispersing graphene oxide in a solvent to form a dispersion, and then dispersing the functional material and a predetermined solution. is supplied to form a mixed solution, the mixed solution is applied to a conductor, dried to form a thin film, and electrochemically reduced to form a reduced graphene oxide-functional substance Composites can be made.
まず、ステップS100’においては、酸化グラフェンと溶媒を準備する。準備した溶媒に酸化グラフェンを投入して分散液を製造する。前記分散液における前記酸化グラフェンの含有量は、0.1~5重量%であってもよい。 First, in step S100', graphene oxide and a solvent are prepared. A dispersion is prepared by adding graphene oxide to the prepared solvent. A content of the graphene oxide in the dispersion may be 0.1 to 5% by weight.
一実施形態において、前記酸化グラフェンの含有量が0.1重量%未満であると、前述したように、前記酸化グラフェンの含有量が低いので、酸化グラフェン薄膜の形成が困難になる。また、後述する機能性物質との複合体の形成において前記機能性物質との均一な分散が困難になり、前記機能性物質の自己凝集(self-aggregation)が生じ、その凝集により前記機能性物質が溶媒中に均一に分散せず沈殿することがある。 In one embodiment, when the content of the graphene oxide is less than 0.1% by weight, it is difficult to form a graphene oxide thin film because the content of the graphene oxide is low as described above. In addition, uniform dispersion with the functional substance becomes difficult in the formation of a complex with the functional substance described later, self-aggregation of the functional substance occurs, and the aggregation causes the functional substance may not disperse uniformly in the solvent and may precipitate.
それに対して、前記酸化グラフェンの含有量が5重量%を超えると、前記酸化グラフェン溶液の粘度が非常に高いので、取り扱いが非常に難しい。 On the other hand, when the content of the graphene oxide exceeds 5% by weight, the graphene oxide solution has a very high viscosity and is very difficult to handle.
次に、ステップS200’においては、前記酸化グラフェン分散液に機能性物質及び所定の溶液を供給して酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成する。 Next, in step S200', a functional material and a predetermined solution are supplied to the graphene oxide dispersion to form a graphene oxide-functional material mixture.
前記酸化グラフェン分散液に供給される機能性物質は、二次電池又はスーパーキャパシタの電極に添加されて電極の表面で酸化還元反応を起こす電気化学的活性粒子であるケイ素(Si)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)、鉛(Pb)、アンチモン錫酸化物(Antimony Tin Oxide, ATO)及びそれらの酸化物からなる群から選択される1つ以上を含んでもよい。 The functional materials supplied to the graphene oxide dispersion include silicon (Si) and titanium (Ti), which are electrochemically active particles that are added to the electrode of a secondary battery or a supercapacitor to cause a redox reaction on the surface of the electrode. ), vanadium (V), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), lead (Pb), antimony tin oxide (ATO) and these and one or more selected from the group consisting of oxides of
また、前記機能性物質は、電気化学センサに用いられる電気化学的活性化合物であるニッケルプルシアンブルー(Ni-PB)、フェロセン、フェロセン誘導体、キノン、キノン誘導体、ルテニウムアミン錯体、オスミウム(I)、オスミウム(II)、オスミウム(III)錯体、メタロセン及びメタロセン誘導体の1つ以上を含んでもよい。 In addition, the functional substance includes nickel Prussian blue (Ni-PB), ferrocene, ferrocene derivatives, quinone, quinone derivatives, ruthenium amine complex, osmium (I), osmium (II), osmium (III) complexes, metallocenes and one or more of metallocene derivatives.
一実施形態において、ニッケルプルシアンブルーは、放射性活性物質であるセシウム(Cs)を選択的に分離できる物質であるだけでなく、過酸化水素(H2O2)の濃度を測定できる電気化学的活性化合物及びNaバッテリ電極物質であることが知られている。しかし、ニッケルプルシアンブルーは、粒子が非常に小さいので、水溶液中での処理が容易でない。 In one embodiment, nickel Prussian blue is an electrochemically active material capable of selectively separating cesium (Cs), a radioactive substance, as well as measuring the concentration of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). compound and Na battery electrode material. However, nickel Prussian blue has very small particles and is not easily processed in an aqueous solution.
さらに、前記機能性物質は、燃料電池の負極及び正極の活性触媒として用いられる鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)及び白金(Pt)からなる群の1つ以上を含んでもよい。 Furthermore, the functional material is selected from iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), palladium (Pd) and platinum (Pt), which are used as active catalysts for the anode and cathode of fuel cells. may include one or more of the group
一方、前記酸化グラフェン分散液に供給される所定の溶液は、高分子を含む溶液である。詳細には、前記所定の溶液中の高分子は、コーティング膜の形成を可能にし、水溶性を有する高分子であり、酸化グラフェン-機能性物質複合体と混合されて酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜の形成を助ける。 On the other hand, the predetermined solution supplied to the graphene oxide dispersion is a solution containing a polymer. Specifically, the polymer in the predetermined solution is a polymer capable of forming a coating film and having water solubility, and is mixed with the graphene oxide-functional substance composite to form a graphene oxide-functional substance composite. Helps form body membranes.
その後、ステップS300’においては、前記酸化グラフェン-機能性物質混合液を導電体に塗布して所定の温度で乾燥することにより、酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を形成する。 Then, in step S300', the graphene oxide-functional substance mixture is applied to a conductor and dried at a predetermined temperature to form a graphene oxide-functional substance composite thin film.
次に、ステップS400’においては、前記酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成された導電体を35~70℃の温度範囲の電解質に浸漬して電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を形成する。よって、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体が製造される。 Next, in step S400′, the conductor on which the graphene oxide-functional substance composite thin film is formed is immersed in an electrolyte in a temperature range of 35 to 70° C. for electrochemical reduction. Graphene oxide-functional substance composite thin film is formed. Thus, a reduced graphene oxide-functional substance composite is produced.
図2Aは本発明の酸化グラフェン-機能性物質複合体100を示す概念図である。
FIG. 2A is a conceptual diagram showing the graphene oxide-
図2Aは前述したステップS300’の酸化グラフェン-機能性物質複合体100を示すものである。詳細には、導電体1上で、酸化グラフェン10、活性化された機能性物質20a及び不活性機能性物質20bが酸化グラフェン-機能性物質複合体100を形成している。
FIG. 2A shows the graphene oxide-
具体的には、活性化された機能性物質20a及び不活性機能性物質20bは酸化グラフェン10に均一に分布しているが、酸化グラフェン10層内に小さい空隙が形成されている。よって、複合体薄膜100の表面上には、活性化された機能性物質20aが存在し、電気化学的に活性化された領域が形成され、それに対して、複合体薄膜100の内部には、活性化されていない不活性機能性物質20bが存在し、電気化学的に活性化されていない領域が形成される。
Specifically, the activated
図2Bは本発明の還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体200を示す概念図である。
FIG. 2B is a conceptual diagram showing the reduced graphene oxide-
図2Bは前述したステップS400’の還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体200を示すものである。詳細には、導電体1上に、酸化グラフェンが電気化学的に還元されることにより還元された酸化グラフェン10’が形成されている。
FIG. 2B shows the reduced graphene oxide-
クロノアンペロメトリー又はサイクリックボルタンメトリーにより製造された還元された酸化グラフェン10’は、多くの空隙を有する。よって、前記機能性物質は、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体200の内部でも、不活性機能性物質ではなく、活性化された機能性物質20aとして存在する。つまり、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体200の全領域にわたって電気化学的に活性化された領域が形成される。
The reduced graphene oxide 10' prepared by chronoamperometry or cyclic voltammetry has many voids. Therefore, the functional material exists as an activated
よって、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体200の電気伝導性が向上する。また、酸化グラフェンの電気化学的還元により、単位面積当たりの活性面積が大きくなり、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体200の内部でも活性化された機能性物質20aが増加する。従って、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体200における機能性物質の特性が最大化される。
Therefore, the electrical conductivity of the reduced graphene oxide-
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
蒸留水に酸化グラフェンを分散させ、その後0.1重量%のポリビニルアルコール水溶液を供給することにより、酸化グラフェン溶液を形成した。酸化グラフェン溶液に超音波を10分間照射することにより、分散液を均一に製造した。均一に分散した酸化グラフェン溶液200ulを取り、ガラス状炭素に塗布した。酸化グラフェン混合液が塗布されたガラス状炭素を60℃の温度で乾燥することにより、酸化グラフェン薄膜を製造した。酸化グラフェン薄膜が形成されたガラス状炭素を作用電極とし、白金を対電極とし、Ag/AgClを参照電極とすることにより、三電極システムを形成した。温度が25、35、50、60、70℃のいずれかであり、濃度が5Mである硝酸ナトリウム(NaNO3)の電解質溶液に作用電極、対電極及び参照電極を浸漬し、作用電極に-1.2~1.2V(vs.Ag/Ag+)を印加するサイクリックボルタンメトリー又は-1.2Vを印加するクロノアンペロメトリーを行い、酸化グラフェン薄膜を電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン薄膜を製造した。 A graphene oxide solution was formed by dispersing graphene oxide in distilled water and then supplying a 0.1 wt% polyvinyl alcohol aqueous solution. A uniform dispersion was prepared by irradiating the graphene oxide solution with ultrasonic waves for 10 minutes. 200ul of the uniformly dispersed graphene oxide solution was taken and applied to the glassy carbon. A graphene oxide thin film was manufactured by drying the glassy carbon coated with the graphene oxide mixture at a temperature of 60°C. A three-electrode system was formed by using glassy carbon with a graphene oxide thin film as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. The working electrode, the counter electrode and the reference electrode were immersed in an electrolyte solution of sodium nitrate (NaNO 3 ) having a temperature of 25, 35, 50, 60 or 70° C. and a concentration of 5M. .2 to 1.2 V (vs. Ag/Ag+) by applying cyclic voltammetry or −1.2 V by applying chronoamperometry to electrochemically reduce the graphene oxide thin film. Graphene oxide thin films were fabricated.
図3は酸化グラフェン薄膜を所定時間還元した後に測定したサイクリックボルタンメトリー曲線を示すグラフである。 FIG. 3 is a graph showing a cyclic voltammetry curve measured after reducing a graphene oxide thin film for a predetermined time.
図3から分かるように、定電位の印加時間が増加するにつれて酸化グラフェン薄膜の測定電流が増加した。その過程で、初期に比べて充電容量が6倍に増加した還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体が製造された。 As can be seen from FIG. 3, the measured current of the graphene oxide thin film increased as the constant potential application time increased. In the process, a reduced graphene oxide-functional material composite with a six-fold increase in charge capacity compared to the initial one was produced.
図4は様々な温度で還元した酸化グラフェン薄膜の比容量と還元時間の関係を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the specific capacity of graphene oxide thin films reduced at various temperatures and the reduction time.
図4の(a)に示すように、常温で酸化グラフェン薄膜を完全に還元するためには、少なくとも100分以上の時間がかかる。図4の(a)のグラフにおける点線領域を拡大した図4の(b)から分かるように、35℃以上の高温では数分以内に酸化グラフェンが還元された。また、60℃で還元した場合、常温に比べて、酸化グラフェンの比容量が約30%増加した。 As shown in (a) of FIG. 4, it takes at least 100 minutes or more to completely reduce the graphene oxide thin film at room temperature. As can be seen from FIG. 4B, which is an enlarged dotted line area in the graph of FIG. 4A, graphene oxide was reduced within several minutes at a high temperature of 35° C. or higher. In addition, when reduced at 60° C., the specific capacity of graphene oxide increased by about 30% compared to room temperature.
蒸留水に酸化グラフェンを分散させ、その後ニッケルプルシアンブルー(Ni-PB)と0.1重量%のポリビニルアルコール水溶液を供給することにより、酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成した。酸化グラフェン-機能性物質混合液に超音波を10分間照射することにより、分散液を均一に製造した。均一に分散した酸化グラフェン-機能性物質混合液200ulを取り、ガラス状炭素に塗布した。酸化グラフェン-機能性物質混合液が塗布されたガラス状炭素を60℃の温度で乾燥することにより、酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を製造した。 A graphene oxide-functional substance mixture was formed by dispersing graphene oxide in distilled water and then supplying nickel Prussian blue (Ni—PB) and 0.1 wt % polyvinyl alcohol aqueous solution. A uniform dispersion was prepared by irradiating the graphene oxide-functional substance mixture with ultrasonic waves for 10 minutes. 200 μl of the uniformly dispersed graphene oxide-functional substance mixture was taken and applied to glassy carbon. A graphene oxide-functional substance composite thin film was manufactured by drying the glassy carbon coated with the graphene oxide-functional substance mixture at a temperature of 60.degree.
酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成されたガラス状炭素を作用電極とし、白金を対電極とし、Ag/AgClを参照電極とすることにより、三電極システムを形成した。濃度が14Mである塩化リチウム(LiCl)の電解質溶液に作用電極、対電極及び参照電極を浸漬し、作用電極に-1.2~1.2V(vs.Ag/AgCl)を印加するサイクリックボルタンメトリーを行い、ニッケルプルシアンブルーを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造した。 A three-electrode system was formed by using the glassy carbon on which the graphene oxide-functional substance composite thin film was formed as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. Cyclic voltammetry in which the working electrode, counter electrode and reference electrode are immersed in an electrolyte solution of lithium chloride (LiCl) with a concentration of 14 M, and −1.2 to 1.2 V (vs. Ag/AgCl) is applied to the working electrode. and electrochemically reducing the graphene oxide-functional substance composite thin film containing nickel Prussian blue to produce a reduced graphene oxide-functional substance composite.
図5はサイクリックボルタンメトリーによりニッケルプルシアンブルーを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元する過程で電圧と電流を測定したグラフである。 FIG. 5 is a graph of voltage and current measured during the reduction of the graphene oxide-functional material complex containing nickel Prussian blue by cyclic voltammetry.
図5から分かるように、サイクリックボルタンメトリーが行われる循環回数が増加するにつれて測定電流が増加した。その過程で、初期に比べて充電容量が50倍に増加した還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体が製造された。 As can be seen from FIG. 5, the measured current increased as the number of cycles for which cyclic voltammetry was performed increased. In the process, a reduced graphene oxide-functional material composite with a 50-fold increase in charge capacity compared to the initial one was produced.
蒸留水に酸化グラフェンを分散させ、その後ニッケルプルシアンブルー(Ni-PB)と0.1重量%のポリビニルアルコール水溶液を供給することにより、酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成した。酸化グラフェン-機能性物質混合液に超音波を10分間照射することにより、分散液を均一に製造した。均一に分散した酸化グラフェン-機能性物質混合液200ulを取り、ガラス状炭素に塗布した。酸化グラフェン-機能性物質混合液が塗布されたガラス状炭素を60℃の温度で乾燥することにより、酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を製造した。 A graphene oxide-functional substance mixture was formed by dispersing graphene oxide in distilled water and then supplying nickel Prussian blue (Ni—PB) and 0.1 wt % polyvinyl alcohol aqueous solution. A uniform dispersion was prepared by irradiating the graphene oxide-functional substance mixture with ultrasonic waves for 10 minutes. 200 μl of the uniformly dispersed graphene oxide-functional substance mixture was taken and applied to glassy carbon. A graphene oxide-functional substance composite thin film was manufactured by drying the glassy carbon coated with the graphene oxide-functional substance mixture at a temperature of 60.degree.
酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成されたガラス状炭素を作用電極とし、白金を対電極とし、Ag/AgClを参照電極とすることにより、三電極システムを形成した。濃度が0.1M、1M、3M、飽和濃度(6.14M)のNaCl電解質及び1M、5M、10MのLiCl電解質溶液に作用電極、対電極及び参照電極を浸漬し、作用電極に-1.2~1.2V(vs.Ag/AgCl)を印加するサイクリックボルタンメトリーを行い、ニッケルプルシアンブルーを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造した。 A three-electrode system was formed by using the glassy carbon on which the graphene oxide-functional substance composite thin film was formed as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. The working electrode, the counter electrode and the reference electrode were immersed in NaCl electrolytes with concentrations of 0.1 M, 1 M, 3 M and saturated concentrations (6.14 M) and LiCl electrolyte solutions with 1 M, 5 M and 10 M, and the working electrode was -1.2. By performing cyclic voltammetry applying ~1.2 V (vs. Ag/AgCl) and electrochemically reducing the graphene oxide-functional material composite thin film containing nickel Prussian blue, the reduced graphene oxide- A functional substance composite was produced.
図6はサイクリックボルタンメトリーにより様々な濃度のNaCl、LiCl電解質でニッケルプルシアンブルーを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元した後に電圧と電流を測定したグラフである。 FIG. 6 is a graph of measured voltage and current after reducing graphene oxide-functional material composites containing nickel Prussian blue with various concentrations of NaCl and LiCl electrolytes by cyclic voltammetry.
図6の(a)及び(b)から分かるように、サイクリックボルタンメトリーを行う電解質の濃度が増加するにつれて測定電流が増加した。その過程で、低濃度に比べて高濃度の電解質で還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の充電容量が3倍以上に増加した。これは、電解質の濃度が低い場合、酸化グラフェンが電気化学的に還元される過程で、作用電極の界面の拡散層が厚くなり、酸化グラフェンが円滑に還元されないからであり、酸化グラフェンを十分に還元してその内部の機能性物質を十分に活性化するためには、電解質の濃度が1M以上であることが好ましい。 As can be seen from Figures 6(a) and (b), the measured current increased as the concentration of the electrolyte on which the cyclic voltammetry was performed increased. In the process, the charge capacity of the reduced graphene oxide-functional material composite increased by more than three times in the high-concentration electrolyte compared to the low-concentration electrolyte. This is because when the concentration of the electrolyte is low, the diffusion layer at the interface of the working electrode becomes thicker during the electrochemical reduction of graphene oxide, and the graphene oxide cannot be reduced smoothly. In order to reduce and sufficiently activate the functional substance therein, the concentration of the electrolyte is preferably 1M or more.
実施例2と同様に酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を製造した。ただし、機能性物質はシリコンナノパウダーに変更した。 A graphene oxide-functional substance composite thin film was produced in the same manner as in Example 2. However, the functional substance was changed to silicon nanopowder.
酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成されたガラス状炭素を作用電極とし、白金を対電極とし、Ag/AgClを参照電極とすることにより、三電極システムを形成した。温度が60℃であり、濃度が3Mである塩化ナトリウム(NaCl)の電解質溶液に作用電極、対電極及び参照電極を浸漬し、作用電極に-1.2~1.0V(vs.Ag/AgCl)を印加するサイクリックボルタンメトリーを行い、シリコンナノパウダーを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造した。 A three-electrode system was formed by using the glassy carbon on which the graphene oxide-functional substance composite thin film was formed as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. The temperature is 60 ° C., the working electrode, the counter electrode and the reference electrode are immersed in an electrolyte solution of sodium chloride (NaCl) with a concentration of 3 M, and the working electrode is −1.2 to 1.0 V (vs. Ag/AgCl ) to electrochemically reduce the graphene oxide-functional substance composite thin film containing silicon nanopowder to produce a reduced graphene oxide-functional substance composite.
図7はサイクリックボルタンメトリーによりシリコンナノパウダーを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元した後に電圧と電流を測定したグラフである。 FIG. 7 is a graph of measured voltage and current after reducing the graphene oxide-functional material composite containing silicon nanopowder by cyclic voltammetry.
図7から分かるように、複合体を還元した後、測定電流が大幅に増加した。その過程で、初期に比べて充電容量が増加した還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体が製造された。 As can be seen from Figure 7, the measured current increased significantly after reduction of the complex. In the process, a reduced graphene oxide-functional material composite with increased charge capacity compared to the initial stage was produced.
蒸留水に酸化グラフェンを分散させ、その後塩化ルテニウム(RuCl3)を供給し、滴定によりpH8にした。滴定により塩化ルテニウム(RuCl3)は酸化ルテニウム(RuO2)に変換された。酸化グラフェンと酸化ルテニウム(RuO2)の混合液に0.1重量%のポリビニルアルコール水溶液を供給することにより、酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成した。酸化グラフェン-機能性物質混合液に超音波を10分間照射することにより、分散液を均一に製造した。均一に分散した酸化グラフェン-機能性物質混合液200ulを取り、ガラス状炭素に塗布した。酸化グラフェン-機能性物質混合液が塗布されたガラス状炭素を60℃の温度で乾燥することにより、酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を製造した。
Graphene oxide was dispersed in distilled water, then ruthenium chloride (RuCl 3 ) was fed and titrated to
酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成されたガラス状炭素を作用電極とし、白金を対電極とし、Ag/AgClを参照電極とすることにより、三電極システムを形成した。温度が60℃であり、濃度が3Mである塩化ナトリウム(NaCl)の電解質溶液に作用電極、対電極及び参照電極を浸漬し、作用電極に-1.2V(vs.Ag/AgCl)を印加するクロノアンペロメトリーを600秒間行い、酸化ルテニウムを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造した。 A three-electrode system was formed by using the glassy carbon on which the graphene oxide-functional substance composite thin film was formed as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. The working electrode, the counter electrode and the reference electrode are immersed in an electrolyte solution of sodium chloride (NaCl) with a temperature of 60° C. and a concentration of 3 M, and −1.2 V (vs. Ag/AgCl) is applied to the working electrode. Chronoamperometry was performed for 600 seconds to electrochemically reduce the graphene oxide-functional substance composite thin film containing ruthenium oxide, thereby producing a reduced graphene oxide-functional substance composite.
図8はクロノアンペロメトリーにより酸化ルテニウムを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元した後に電圧と電流を測定したグラフである。 FIG. 8 is a graph of measured voltage and current after reduction of a graphene oxide-functional material composite containing ruthenium oxide by chronoamperometry.
図8から分かるように、クロノアンペロメトリーを600秒間行った酸化ルテニウムを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体は電流が増加した。その過程で、酸化グラフェンを電気化学的に還元していない初期に比べて充電容量が増加した還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体が製造された。 As can be seen from FIG. 8, the current increased in the graphene oxide-functional substance composite containing ruthenium oxide subjected to chronoamperometry for 600 seconds. In the process, a reduced graphene oxide-functional material composite with increased charge capacity compared to the initial graphene oxide without electrochemical reduction was produced.
実施例2と同様に酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を製造した。ただし、機能性物質は酸化鉛(PbO2)に変更した。 A graphene oxide-functional substance composite thin film was produced in the same manner as in Example 2. However, the functional substance was changed to lead oxide (PbO 2 ).
酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成されたガラス状炭素を作用電極とし、白金を対電極とし、Ag/AgClを参照電極とすることにより、三電極システムを形成した。温度が60℃であり、濃度が3Mである塩化ナトリウム(NaCl)の電解質溶液に作用電極、対電極及び参照電極を浸漬し、作用電極に-1.2~1.2V(vs.Ag/AgCl)を印加するサイクリックボルタンメトリーを行い、酸化鉛を含む酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造した。 A three-electrode system was formed by using the glassy carbon on which the graphene oxide-functional substance composite thin film was formed as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. The temperature is 60 ° C., the working electrode, the counter electrode and the reference electrode are immersed in an electrolyte solution of sodium chloride (NaCl) with a concentration of 3 M, and the working electrode is −1.2 to 1.2 V (vs. Ag/AgCl ) to electrochemically reduce the graphene oxide-functional substance composite thin film containing lead oxide, thereby producing a reduced graphene oxide-functional substance composite.
図9はサイクリックボルタンメトリーにより酸化鉛を含む酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元した後に電圧と電流を測定したグラフである。 FIG. 9 is a graph of measured voltage and current after reducing the graphene oxide-functional material composite containing lead oxide by cyclic voltammetry.
図9から分かるように、酸化鉛を含む酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元することにより測定電流が増加した。その過程で、初期に比べて充電容量が増加した還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体が製造された。 As can be seen from FIG. 9, the reduction of the graphene oxide-functional substance composite containing lead oxide increased the measured current. In the process, a reduced graphene oxide-functional material composite with increased charge capacity compared to the initial stage was produced.
実施例2と同様に酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を製造した。ただし、機能性物質はアンチモン錫酸化物(Antimony Tin Oxide, ATO)に変更した。 A graphene oxide-functional substance composite thin film was produced in the same manner as in Example 2. However, the functional substance was changed to Antimony Tin Oxide (ATO).
酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成されたガラス状炭素を作用電極とし、白金を対電極とし、Ag/AgClを参照電極とすることにより、三電極システムを形成した。温度が60℃であり、濃度が3Mである塩化ナトリウム(NaCl)の電解質溶液に作用電極、対電極及び参照電極を浸漬し、作用電極に-1.2~0.9V(vs.Ag/AgCl)を印加するサイクリックボルタンメトリーを行い、ATOを含む酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造した。 A three-electrode system was formed by using the glassy carbon on which the graphene oxide-functional substance composite thin film was formed as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. The temperature is 60 ° C., the working electrode, the counter electrode and the reference electrode are immersed in an electrolyte solution of sodium chloride (NaCl) with a concentration of 3 M, and the working electrode is −1.2 to 0.9 V (vs. Ag/AgCl ) to electrochemically reduce the graphene oxide-functional substance composite thin film containing ATO to produce a reduced graphene oxide-functional substance composite.
図10はサイクリックボルタンメトリーによりアンチモン錫酸化物(Antimony Tin Oxide, ATO)を含む酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元する過程で電圧と電流を測定したグラフである。 FIG. 10 is a graph of voltage and current measured during reduction of a graphene oxide-functional material composite containing antimony tin oxide (ATO) by cyclic voltammetry.
図10から分かるように、複合体を還元することにより測定電流が増加した。その過程で、初期に比べて充電容量が増加した還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体が製造された。 As can be seen from Figure 10, reducing the complex increased the measured current. In the process, a reduced graphene oxide-functional material composite with increased charge capacity compared to the initial stage was produced.
蒸留水に酸化グラフェンを分散させ、その後塩化白金酸(H2PtCl6)を供給し、NaBH4を添加することにより、白金酸を還元して白金ナノ粒子にした。酸化グラフェンと白金ナノ粒子の混合液に0.1重量%のポリビニルアルコール水溶液を供給することにより、酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成した。酸化グラフェン-機能性物質混合液に超音波を10分間照射することにより、分散液を均一に製造した。均一に分散した酸化グラフェン-機能性物質混合液200ulを取り、ガラス状炭素に塗布する。酸化グラフェン-機能性物質混合液が塗布されたガラス状炭素を60℃の温度で乾燥することにより、酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を製造した。 Graphene oxide was dispersed in distilled water, then chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ) was supplied and NaBH 4 was added to reduce the platinic acid to platinum nanoparticles. A graphene oxide-functional substance mixed solution was formed by supplying a 0.1% by weight polyvinyl alcohol aqueous solution to a mixed solution of graphene oxide and platinum nanoparticles. A uniform dispersion was prepared by irradiating the graphene oxide-functional substance mixture with ultrasonic waves for 10 minutes. 200 ul of the uniformly dispersed graphene oxide-functional substance mixture is taken and applied to glassy carbon. A graphene oxide-functional substance composite thin film was manufactured by drying the glassy carbon coated with the graphene oxide-functional substance mixture at a temperature of 60.degree.
酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成されたガラス状炭素を作用電極とし、白金を対電極とし、Ag/AgClを参照電極とすることにより、三電極システムを形成した。温度が60℃であり、濃度が3Mである塩化ナトリウム(NaCl)の電解質溶液に作用電極、対電極及び参照電極を浸漬し、作用電極に-1.2V(vs.Ag/AgCl)を印加するクロノアンペロメトリーを600秒間行い、白金ナノ粒子を含む酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を電気化学的に還元することにより、還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を製造した。 A three-electrode system was formed by using the glassy carbon on which the graphene oxide-functional substance composite thin film was formed as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. The working electrode, the counter electrode and the reference electrode are immersed in an electrolyte solution of sodium chloride (NaCl) with a temperature of 60° C. and a concentration of 3 M, and −1.2 V (vs. Ag/AgCl) is applied to the working electrode. Chronoamperometry was performed for 600 seconds to electrochemically reduce the graphene oxide-functional substance composite thin film containing platinum nanoparticles to produce a reduced graphene oxide-functional substance composite.
図11Aはクロノアンペロメトリーにより白金ナノ粒子を含む酸化グラフェン-機能性物質複合体を還元した後に測定した電子顕微鏡画像であり、図11Bは図11Aの試料のエネルギー分散型X線分析(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX)の結果である。 FIG. 11A is an electron microscope image measured after reducing the graphene oxide-functional substance composite containing platinum nanoparticles by chronoamperometry, and FIG. 11B is an energy dispersive X-ray analysis of the sample in FIG. These are the results of X-ray Spectroscopy, EDX).
図11Aと図11Bから分かるように、酸化グラフェン-白金粒子製造法とクロノアンペロメトリーを600秒間行った結果、白金ナノ粒子を含む酸化グラフェン-機能性物質複合体が製造された。 As can be seen from FIGS. 11A and 11B, the graphene oxide-platinum particle production method and chronoamperometry were performed for 600 seconds, resulting in the production of a graphene oxide-functional material composite containing platinum nanoparticles.
前述した還元された酸化グラフェン又は還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法は、前述した実施形態の構成と方法に限定されるものではなく、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせて構成することにより様々に変形することができる。 The above-described method for producing reduced graphene oxide or reduced graphene oxide-functional substance composite is not limited to the configurations and methods of the above-described embodiments, and all or part of each embodiment can be selected. It can be modified in various ways by combining and configuring.
Claims (8)
前記酸化グラフェン分散液に機能性物質及び所定の溶液を供給して酸化グラフェン-機能性物質混合液を形成するステップと、
前記酸化グラフェン-機能性物質混合液を導電体に塗布して所定の温度で乾燥して酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜を形成するステップと、
前記酸化グラフェン-機能性物質複合体薄膜が形成された導電体を35~70℃の温度範囲の電解質に浸漬して電気化学的に還元することにより還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体を形成するステップとを含み、
前記機能性物質は、電気化学的活性化合物であるニッケルプルシアンブルー(Ni-PB)、フェロセン、フェロセン誘導体、キノン、キノン誘導体、ルテニウムアミン錯体、オスミウム(I)、オスミウム(II)、オスミウム(III)錯体、メタロセン及びメタロセン誘導体の少なくとも1つを含むことを特徴とする還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法。 dispersing graphene oxide in a solvent to form a graphene oxide dispersion;
supplying a functional material and a predetermined solution to the graphene oxide dispersion to form a graphene oxide-functional material mixture;
forming a graphene oxide-functional material composite thin film by coating the graphene oxide-functional material mixture on a conductor and drying it at a predetermined temperature;
The conductor on which the graphene oxide-functional substance composite thin film is formed is immersed in an electrolyte in a temperature range of 35 to 70° C. to electrochemically reduce the reduced graphene oxide-functional substance composite. forming;
The functional substance is electrochemically active compound nickel Prussian blue (Ni-PB), ferrocene, ferrocene derivative, quinone, quinone derivative, ruthenium amine complex, osmium (I), osmium (II), osmium (III). A method for producing a reduced graphene oxide-functional substance composite comprising at least one of a complex, a metallocene and a metallocene derivative.
溶媒と、
0.1~5重量%の前記酸化グラフェンとを含むことを特徴とする請求項1に記載の還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法。 The graphene oxide dispersion is
a solvent;
2. The method for producing a reduced graphene oxide-functional material composite according to claim 1, comprising 0.1 to 5% by weight of the graphene oxide.
溶媒と、
0.05~0.2重量%の前記高分子とを含むことを特徴とする請求項3に記載の還元された酸化グラフェン-機能性物質複合体の製造方法。 The predetermined solution is
a solvent;
4. The method for producing a reduced graphene oxide-functional material composite according to claim 3, comprising 0.05 to 0.2% by weight of the polymer.
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