[發明專利]氧化石墨、氧化石墨烯或石墨烯、使用它們的電器設備、制造它們的方法以及電滲析設備

有效

• 申請號: 201280036403.0
• 申請日: 2012-07-13
• 公開（公告）號: CN103702936A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 等等力弘篤;竹村保彥;野元邦治
• 申請（專利權）人: 株式會社半導體能源研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;B01D61/44;C01B31/02;C02F1/469;H01M4/62
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉力;梁謀

技術領域

本發明涉及氧化石墨、氧化石墨烯或石墨烯以及使用這些材料的各種電器設備。

背景技術

石墨烯被定義為單層厚的sp²鍵碳原子的薄片，該sp²鍵碳原子形成蜂窩狀六方晶格。嚴密地說，石墨烯如上述那樣被定義，但是在本說明書中，由層疊有至多100層的上述薄片構成的碳膜也被稱為石墨烯。

石墨烯可以通過各種方法制造。其中Hummers法是簡便的方法，因此對該方法已進行了大量的研究(參照專利文件1及專利文件2)。在Hummers法中，首先使用氧化劑將石墨氧化。作為氧化劑使用過錳酸鉀，通常同時添加硫酸等酸以促進氧化作用。

被氧化的石墨(氧化石墨)保持層狀結構，但是其層間間隔比石墨的層間間隔大，由此通過超聲波處理等可以容易破壞層狀結構，從而可以獲得被氧化的石墨烯(氧化石墨烯)。所獲得的氧化石墨烯可能具有至少一片的碳原子的薄片。

將氧化石墨烯以薄膜狀形成在適當的物體表面，并使氧化石墨烯還原，來可以形成非常薄的碳膜(石墨烯)。

[參考文件]

專利文件1美國專利申請公開第2007／0131915號說明書

專利文件2美國專利申請公開第2010／0303706號說明書

專利文件3美國專利第3705846號說明書

專利文件4美國專利第6495013號說明書

發明內容

如上所述，Hummers法是不需要昂貴的設備的方法，由此在工業上有前途。然而，為了準備實用性氧化石墨，如下所述那樣，在精制工序中需要大量的時間、人力和資源。

如上所述，在將石墨氧化而獲得的溶液中，溶解有各種離子。在很多情況下，這些離子是不要的物質，這些離子可能會使所獲得的石墨烯的特性惡化，所以需要分離去除這些離子。為了分離離子，通常需要反復進行如下工序：用純水稀釋溶液；以離心分離使溶液分離；然后去除澄清部分。在利用該方法時，不容易進行連續生產，并且需用大量的純水。

另一方面，作為從氧化石墨溶液分離離子的技術，已提出了滲析法(參照專利文件2)。當使用滲析法時，可以省去用純水稀釋氧化石墨溶液的工序，但是，在該專利文件2中沒有公開高效的滲析法。

鑒于上述問題，本發明的一實施方式的目的在于提供一種批量生產性高的氧化石墨、氧化石墨烯或石墨烯的制造方法以及該制造方法所需要的設備等。本發明的一實施方式的目的在于提供一種利用氧化石墨、氧化石墨烯或石墨烯而形成的電器設備。本發明的一實施方式的目的在于提供一種具有特殊組成等的氧化石墨、氧化石墨烯或石墨烯。本發明的一實施方式的目的在于提供一種新穎的電器設備。

本發明的一實施方式是一種氧化石墨的制造方法，包括如下步驟：在溶液中將石墨氧化；以將溶液中的氫離子濃度降低到pH3以下的方式添加酸；以及通過電滲析從溶液中去除陽離子。作為酸也可以使用鹽酸。

另外，本發明的一實施方式是一種氧化石墨的制造方法，包括如下步驟：在溶液中將石墨氧化；以將溶液中的氫離子濃度調節為pH6至pH8的方式添加pH調節劑；以及通過電滲析從溶液中去除陽離子及陰離子。

另外，本發明的一實施方式是一種氧化石墨的制造方法，包括如如下步驟：在溶液中將石墨氧化；以將溶液中的氫離子濃度調節為pH6至pH8的方式添加pH調節劑；從溶液中去除陽離子及陰離子的第一電滲析；以及使用去除陽離子的雙極膜的第二電滲析。

在上述方式中，作為pH調節劑也可以使用氫氧化鋰或氫氧化銨。

另外，本發明的一實施方式是一種氧化石墨烯的制造方法，其中對利用上述方法制造的氧化石墨進行超聲波處理。

另外，本發明的一實施方式是一種石墨烯的制造方法，其中使利用上述方法制造的氧化石墨烯還原。

利用上述方法制造的氧化石墨、氧化石墨烯或石墨烯可用于各種電器設備。該電器設備例如為蓄電裝置。此外，該蓄電裝置例如為以離子為載流子的二次電池。作為以離子為載流子的二次電池，例如可以舉出鋰離子二次電池、鈉硫二次電池，但不局限于此。

另外，本發明的一實施方式是一種電滲析設備，包括：陽極；陰離子交換膜；陽離子交換膜；以及陰極，其中，在陽極與陽離子交換膜之間設置有陰離子交換膜，在陰極與陰離子交換膜之間設置有陽離子交換膜，對陽離子交換膜與陰離子交換膜之間注入包含氧化石墨和陰離子且其氫離子濃度為pH3以下的溶液。