[發(fā)明專利]形成石墨烯及氧化石墨烯鹽的方法、以及氧化石墨烯鹽

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610010490.2
• 申請日: 2012-07-30
• 公開（公告）號: CN105600776B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 野元邦治;井上信洋;湯川干央;池沼達(dá)也
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會社半導(dǎo)體能源研究所
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198;H01M4/587
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 童春媛,黃希貴

本申請是申請日2012年7月30日，申請?zhí)?01280040240.3 (PCT/JP2012/069928)，發(fā)明名稱為“形成石墨烯及氧化石墨烯鹽的方法、以及氧化石墨烯鹽”的發(fā)明專利申請的分案申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種形成石墨烯的方法和一種形成氧化石墨烯鹽的方法、氧化石墨烯鹽、以及包含石墨烯和氧化石墨烯的蓄電裝置及半導(dǎo)體裝置。

背景技術(shù)

近年來，對將石墨烯用作半導(dǎo)體裝置中的導(dǎo)電電子材料進(jìn)行研究。石墨烯是各自由碳原子構(gòu)成的六元環(huán)在平面方向上連接的碳層，2層或更多且100層或更少的碳層的疊層被稱為多層石墨烯。

由于石墨烯具有化學(xué)穩(wěn)定性和有利的電特性，所以被期待應(yīng)用于包含在半導(dǎo)體裝置中的晶體管的溝道區(qū)、通孔、布線等。

為了使用于鋰離子電池的電極的材料可具有高導(dǎo)電性，由石墨烯覆蓋活性電極材料。

形成石墨烯的方法為在堿存在下將氧化石墨或氧化石墨烯還原。為了形成氧化石墨，可以采用如下方法：將硫酸、硝酸及氯酸鉀用作氧化劑的方法；將硫酸及高錳酸鉀用作氧化劑的方法；以及將氯酸鉀及發(fā)煙硝酸用作氧化劑的方法（參照專利文獻(xiàn)1）。

[參考文獻(xiàn)]

[專利文獻(xiàn)1] 日本專利申請公開第2011-500488號。

發(fā)明公開內(nèi)容

作為通過使用由采用石墨和作為氧化劑的硫酸及高錳酸鉀獲得的氧化石墨來形成石墨烯的方法，有Modified Hummers法。參照圖3對利用Modified Hummers法形成石墨烯的方法進(jìn)行說明。

如步驟S101所示，使用氧化劑將石墨氧化，來形成包含氧化石墨的混合液1。然后，為了去除殘留的氧化劑，對混合液1添加過氧化氫及水，來形成混合液2。未反應(yīng)的高錳酸鉀被過氧化氫還原，然后被還原的高錳酸鉀與硫酸起反應(yīng)，而能夠形成硫酸錳。接著，如步驟S102所示，從混合液2收集氧化石墨。接著，如步驟S103所示，為了去除殘留的氧化劑，使用酸性溶液對氧化石墨進(jìn)行洗滌。然后，用大量的水稀釋氧化石墨并對其進(jìn)行離心分離，接著，如步驟S104所示，收集與酸分離的氧化石墨。接著，如步驟S105所示，對包含收集的氧化石墨的混合液施加超聲波，然后分離氧化石墨中的氧化了的碳層，使得形成氧化石墨烯。然后，如步驟S106所示，在惰性氣氛下進(jìn)行還原處理用于還原鍵合于碳層的氧，來獲得石墨烯。

雖然步驟S103中的洗滌氧化石墨烯的步驟需要大量的水，但是通過重復(fù)進(jìn)行步驟S103，能夠從氧化石墨去除酸。然而，當(dāng)其酸含量降低時，難以將作為沉淀物的氧化石墨與包含在上清液中的酸分離；因此，氧化石墨的收率有可能低。這導(dǎo)致石墨烯的低收率。

蓄電裝置所包括的電極包含集電體及活性物質(zhì)層。在常規(guī)電極的情況下，活性物質(zhì)層除了活性物質(zhì)以外還包含導(dǎo)電助劑、粘合劑等，該導(dǎo)電助劑、粘合劑等是活性物質(zhì)層的每單位重量的放電容量下降的原因。再者，活性物質(zhì)層所包含的粘合劑在與電解液接觸時會溶脹，使電極容易變形及破壞。

鑒于上述問題，本發(fā)明的一個實(shí)施方案的目的是高生產(chǎn)率地形成石墨烯及作為石墨烯原料的氧化石墨烯鹽。本發(fā)明的一個實(shí)施方案的另一目的是高生產(chǎn)率地提供作為能夠形成石墨烯的原料的氧化石墨烯鹽。本發(fā)明的一個實(shí)施方案的另一目的是提供具有更高的放電容量和有利的電特性的蓄電裝置。本發(fā)明的一個實(shí)施方案的另一目的是提供具有高可靠性和高耐久性的蓄電裝置。

本發(fā)明的一個實(shí)施方案的氧化石墨烯鹽由通式（G1）表示。

[化學(xué)式1]

C_n－A－B　　　（G1）

（在式中，n為自然數(shù)，A表示羰基、羧基和羥基中的一個，B表示銨基、氨基或堿金屬。）

就是說，本發(fā)明的一個實(shí)施方案的氧化石墨烯鹽包括以下作為骨架結(jié)構(gòu)：在上述通式中以C_n表示的石墨烯；在上述通式中以A表示的鍵合于石墨烯中的碳原子的羰基、羧基或羥基；在上述通式中以B表示的與羰基、羧基和羥基中的一個鍵合的銨基、氨基或堿金屬。

石墨烯包含在平面方向上連接的各自由碳原子構(gòu)成的六元環(huán)，以及在六元環(huán)的部分中的碳鍵斷開時各自形成的多元環(huán)，諸如七元環(huán)、八元環(huán)、九元環(huán)及十元環(huán)等。以該多元環(huán)中的碳原子圍繞的區(qū)域成為隙孔。

當(dāng)在還原氣氛或真空下加熱氧化石墨烯鹽時，該氧化石墨烯鹽被還原而成為石墨烯。因此，通過在還原氣氛或真空下進(jìn)行焙燒，能夠使氧化石墨烯鹽還原而生成石墨烯。