JP2019507715A - Graphene-carbon hybrid foam - Google Patents

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Abstract

複数の細孔および細孔壁から構成される一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体であって、細孔壁が、1/100〜1/2の炭素材料対グラフェン重量比を有する炭素材料によって化学結合した単層または数層グラフェンシートを含み、数層グラフェンシートが、0.3354nm〜0.40nmの面間隔doo2を有する2〜10層の積層グラフェン面を有し、グラフェンシートが、実質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料、または0.01重量%〜25重量%の非炭素元素を有する不純グラフェン材料を含み、上記不純グラフェンが、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープされたグラフェン、化学官能化グラフェン、またはそれらの組合せから選択される、一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体が提供される。そのハイブリッド形態の製造方法、本発明のハイブリッド発泡体を含む製品、および用途も提供する。【選択図】2AAn integrated 3D graphene-carbon hybrid foam composed of a plurality of pores and pore walls, wherein the pore walls are chemically modified by a carbon material having a carbon material to graphene weight ratio of 1/100 to 1/2. A graphene sheet comprising 2 to 10 layers of stacked graphene planes comprising coupled single-layer or few-layer graphene sheets, the few-layer graphene sheets having an interplanar spacing doo2 of 0.3354 nm to 0.40 nm; The pure graphene material having 0% non-carbon element, or the impure graphene material having 0.01% to 25% by weight non-carbon element, wherein the impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride Graphene Chloride, Graphene Bromide, Graphene Iodide, Graphene Hydrogenated, Graphitized Graphite, Doped Graph Emissions, chemical functionalization graphene, or combinations thereof, integrated 3D graphene - carbon hybrid foam is provided. Also provided are methods of making the hybrid form, products comprising the hybrid foams of the invention, and applications. [Selected figure] 2A

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に援用される、それぞれ2015年12月28日に出願された米国特許出願第14/998,356号明細書および米国特許出願第14/998,357号明細書の優先権を主張する。
Cross-Reference to Related Applications This application is related to US patent application Ser. No. 14 / 998,356, filed Dec. 28, 2015 and US patent application Ser. No. 14/998, each of which is incorporated herein by reference. Claim the priority of the specification, 357.

本発明は、一般に、炭素/黒鉛発泡体の分野に関し、特に、本明細書において一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体と呼ばれる新しい形態の多孔質黒鉛材料、その製造方法、それを含む製品、およびその製品の操作方法に関する。   FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of carbon / graphite foams, and in particular, to new forms of porous graphite materials, referred to herein as integral 3D graphene-carbon hybrid foams, methods of making the same, and articles comprising the same It relates to how to operate the product.

炭素は、ダイヤモンド、フラーレン(0Dナノ黒鉛材料)、カーボンナノチューブもしくはカーボンナノファイバ(1Dナノ黒鉛材料)、グラフェン(2Dナノ黒鉛材料)、および黒鉛(3D黒鉛材料)を含む5つの特有の結晶構造を有することが知られている。カーボンナノチューブ(CNT)は、単層または多層で成長した管状構造を意味する。カーボンナノチューブ(CNT)およびカーボンナノファイバ(CNF)は、数ナノメートルから数百ナノメートル程度の直径を有する。これらの長手方向の中空構造によって、特有の機械的性質、電気的性質、および化学的性質が材料に付与される。CNTまたはCNFは、1次元ナノ炭素または1Dナノ黒鉛材料である。   Carbon has five unique crystal structures including diamond, fullerene (0D nanographite material), carbon nanotubes or carbon nanofibers (1D nanographite material), graphene (2D nanographite material), and graphite (3D graphite material) It is known to have. Carbon nanotube (CNT) refers to a tubular structure grown in a single layer or multiple layers. Carbon nanotubes (CNT) and carbon nanofibers (CNF) have a diameter of several nanometers to several hundreds of nanometers. These longitudinal hollow structures impart unique mechanical, electrical and chemical properties to the material. CNTs or CNFs are one-dimensional nanocarbon or 1D nanographitic materials.

本発明者らの研究グループは、2002年にはグラフェン材料および関連する製造方法の開発の先駆者であった:(1)B.Z.JangおよびW.C.Huang,“Nano−scaled Graphene Plates”、米国特許第7,071,258号明細書(07/04/2006)、2002年10月21日に出願;(2)B.Z.Jangら、“Process for Producing Nano−scaled Graphene Plates”、米国特許出願第10/858,814号明細書(06/03/2004);および(3)B.Z.Jang、A.Zhamu、およびJ.Guo、“Process for Producing Nano−scaled Platelets and Nanocomposites”、米国特許出願第11/509,424号明細書(08/25/2006)。   Our research group was a pioneer in the development of graphene materials and related manufacturing methods in 2002: (1) B.1. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates", U.S. Patent No. 7,071,258 (07/04/2006), filed October 21, 2002; Z. Jang et al., "Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates", U.S. Patent Application No. 10 / 858,814 (06/03/2004); Z. Jang, A. Zhamu, and J.A. Guo, "Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites", US Patent Application No. 11 / 509,424 (08/25/2006).

単層グラフェンシートは、2次元の六角形格子を占める炭素原子から構成される。多層グラフェンは、2つ以上のグラフェン面から構成されるプレートレットである。個別の単層グラフェンシートおよび多層グラフェンプレートレットは、本明細書では一括してナノグラフェンプレートレット(NGP)またはグラフェン材料と記載される。NGPとしては、純粋なグラフェン(実質的に99%炭素原子)、わずかに酸化されたグラフェン(<5重量%の酸素)、酸化グラフェン(≧5重量%の酸素)、わずかにフッ素化されたグラフェン(<5重量%のフッ素)、フッ化グラフェン((≧5重量%のフッ素)、他のハロゲン化グラフェン、および化学官能化グラフェンが挙げられる。   Single-layer graphene sheets are composed of carbon atoms that occupy a two-dimensional hexagonal lattice. Multilayer graphene is a platelet composed of two or more graphene planes. Individual single layer graphene sheets and multilayer graphene platelets are collectively described herein as nanographene platelets (NGP) or graphene materials. For NGP, pure graphene (essentially 99% carbon atoms), slightly oxidized graphene (<5% by weight oxygen), graphene oxide (≧ 5% by weight oxygen), slightly fluorinated graphene (<5 wt% fluorine), graphene fluoride (((5 wt% fluorine), other halogenated graphene, and chemically functionalized graphene.

NGPは、一連の独特の物理的性質、化学的性質、および機械的性質を有することが分かっている。例えば、グラフェンは、あらゆる既存の材料の中で最も高い固有強度および最も高い熱伝導率を示すことが分かった。グラフェンの実際の電子デバイス用途(例えば、トランジスタ中の主要要素としてのSiの代替)は、今後5〜10年の間に実現するとは考えられていないが、複合材料中、およびエネルギー貯蔵装置の電極材料中のナノフィラーとしてのその用途は目前に迫っている。加工可能グラフェンシートを大量に利用できることが、グラフェンの複合物用途、エネルギー用途、および別の用途の開発に成功するために重要である。   NGP has been found to have a series of unique physical, chemical and mechanical properties. For example, graphene has been found to exhibit the highest intrinsic strength and the highest thermal conductivity of any existing materials. Graphene's actual electronic device applications (eg, substitution of Si as a key element in transistors) are not expected to be realized in the next 5-10 years, but in composites and electrodes of energy storage devices Its use as a nanofiller in materials is imminent. The ability to utilize processable graphene sheets in large quantities is important for the successful development of graphene composite applications, energy applications, and other applications.

本発明者らの研究グループは、グラフェンを最初に発見した[B.Z.JangおよびW.C.Huang、“Nano−scaled Graphene Plates”、2002年10月21日に提出された米国特許出願第10/274,473号明細書;現在は米国特許第7,071,258号明細書(07/04/2006)]。NGPおよびNGPナノ複合物の製造方法は本発明者らによって最近レビューされている[Bor Z.Jang and A Zhamu,“Processing of Nano Graphene Platelets(NGPs)and NGP Nanocomposites:A Review,”J.Materials Sci.43(2008)5092−5101]。NGPを製造するために4つの主要な従来技術の方法が採用されてきた。これらの利点および欠点を以下に簡潔にまとめている。   Our research group first discovered graphene [B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates", U.S. Patent Application No. 10 / 274,473, filed October 21, 2002; now U.S. Patent No. 7,071,258 (07/04 / 2006)]. Methods for producing NGP and NGP nanocomposites have recently been reviewed by the present inventors [Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Am. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]. Four major prior art methods have been employed to produce NGP. These advantages and disadvantages are briefly summarized below.

単離されたナノグラフェンプレートまたはシート(NGP)の製造に関するレビュー
方法1:酸化グラフェン(GO)の化学的形成および還元
第1の方法(図1)は、黒鉛インターカレーション化合物(GIC)、または実際には酸化黒鉛(GO)を得るために、インターカラントおよび酸化剤(例えば、それぞれ濃硫酸および硝酸)を用いた天然黒鉛粉末の処理を伴う[William S.Hummers,Jr.,et al.,Preparation of Graphitic Oxide,Journal of the American Chemical Society,1958,p.1339]。インターカレーションまたは酸化の前、黒鉛は約0.335nmのグラフェン面間隔を有する(Ld=1/2 d002=0.335nm)。インターカレーションおよび酸化処理を行うと、グラフェン間隔は、典型的には0.6nmを超える値まで増加する。これは、この化学的経路中に黒鉛材料に生じる第1の膨張段階である。得られたGICまたはGOは、次いで、熱衝撃曝露、または溶液系の超音波支援グラフェン層剥離方法のいずれかを用いることでさらに膨張する(多くの場合で剥離と呼ばれる)。
Review method 1 for the preparation of isolated nano-graphene plates or sheets (NGP) Method 1: Chemical formation and reduction of graphene oxide (GO) The first method (Figure 1) is a Graphite Intercalation Compound (GIC), or indeed In order to obtain graphite oxide (GO), the treatment of natural graphite powder with an intercalant and an oxidizing agent (for example, concentrated sulfuric acid and nitric acid, respectively) [William S. Hummers, Jr. , Et al. , Preparation of Graphitic Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339]. Before intercalation or oxidation, the graphite has a graphene interplanar spacing of about 0.335 nm (Ld = 1/2 d 002 = 0.335 nm). With intercalation and oxidation treatments, the graphene spacing typically increases to values above 0.6 nm. This is the first expansion stage that occurs in the graphite material during this chemical path. The resulting GIC or GO is then further expanded (sometimes referred to as exfoliation) using either thermal shock exposure, or solution based ultrasonic assisted graphene layer exfoliation methods.

熱衝撃曝露方法では、典型的には依然として互いに相互接続する黒鉛フレークから構成される「黒鉛ワーム」の形態である剥離またはさらに膨張した黒鉛を形成するために、GICまたはGOを高温(典型的には800〜1,050℃)に短時間(典型的には15〜60秒)曝露して、GICまたはGOを剥離または膨張させる。この熱衝撃手順によって、一部分離した黒鉛フレークまたはグラフェンシートを製造することができるが、通常は、黒鉛フレークの大部分は相互接続されたままである。典型的には、次いで、剥離した黒鉛または黒鉛ワームに対して、エアミル粉砕、機械的剪断、または水中の超音波処理を用いたフレーク分離処理が行われる。したがって、方法1は、基本的に、第1の膨張(酸化またはインターカレーション)と、さらなる膨張(または「剥離」)と、分離との3つの異なる手順を伴う。   In thermal shock exposure methods, high temperatures are typically applied to GIC or GO to form exfoliated or further expanded graphite, which is typically still in the form of a "graphite worm" composed of graphite flakes interconnected with one another. Is exposed to a short time (typically 15 to 60 seconds) to 800 to 1,050.degree. C. to peel or expand GIC or GO. This thermal bombardment procedure can produce partially separated graphite flakes or graphene sheets, but usually the majority of the graphite flakes remain interconnected. Typically, the exfoliated graphite or graphite worm is then subjected to a flake separation process using air milling, mechanical shear, or sonication in water. Thus, method 1 basically involves three different procedures: first expansion (oxidation or intercalation), further expansion (or "peeling"), and separation.

溶液系分離方法では、膨張または剥離したGO粉末を水中または水性アルコール溶液中に分散させ、これに対して超音波処理を行う。これらの方法において、超音波処理は、黒鉛のインターカレーションおよび酸化の後(すなわち第1の膨張の後)、ならびに典型的には、得られたGICまたはGOの熱衝撃曝露の後(第2の膨張の後)に使用されることに留意することが重要である。あるいは、面間空間内に存在するイオン間の反発力がグラフェン間ファンデルワールス力に打ち勝って、結果としてグラフェン層が分離するように、水中に分散させたGO粉末のイオン交換または長時間の精製手順が行われる。   In the solution-based separation method, the expanded or exfoliated GO powder is dispersed in water or an aqueous alcohol solution and subjected to ultrasonication. In these methods, sonication occurs after graphite intercalation and oxidation (i.e. after the first expansion), and typically after thermal shock exposure of the resulting GIC or GO (second It is important to note that it is used after Alternatively, ion exchange or long-time purification of GO powder dispersed in water so that the repulsive force between ions existing in the interplanar space overcomes the inter-graph van der Waals force and as a result, the graphene layer separates. The procedure is done.

この従来の化学的製造方法に関連した幾つかの大きな問題が存在する:
(1)この方法は、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムもしくは塩素酸ナトリウムなどの幾つかの望ましくない化学物質を多量に使用する必要がある。
(2)化学処理方法は、典型的には5時間から5日間の長いインターカレーションおよび酸化の時間を必要とする。
(3)強酸によって、「黒鉛中に入り込むこと」によるこの長いインターカレーションまたは酸化プロセス中に、多量の黒鉛が消費される(黒鉛が二酸化炭素に変換され、これがプロセス中に失われる)。強酸および酸化剤中に浸漬した黒鉛材料の20〜50重量%が失われることは珍しくない。
(4)熱剥離は、高温(典型的には800〜1,200℃)を必要とし、したがって、非常にエネルギーを消費するプロセスである。
(5)熱で誘発される剥離方法および溶液で誘発される剥離方法の両方は、非常に時間のかかる洗浄および精製のステップを必要とする。例えば、洗浄して1グラムのGICを回収するために典型的には2.5kgの水が使用され、適切な処理が必要となる多量の廃水が生じる。
(6)熱で誘発される剥離方法および溶液で誘発される剥離方法の両方では、得られる生成物は、酸素含有量を減少させるためのさらなる化学的還元処理を行う必要があるGOプレートレットである。典型的には、還元後でさえも、GOプレートレットの導電率は、純粋なグラフェンの導電率よりもはるかに低いままである。さらに、この還元手順は、ヒドラジンなどの毒性化学物質の利用を伴うことが多い。
(7)さらに、排液後にフレーク上に保持されるインターカレーション溶液の量は、黒鉛フレーク100重量部当たり20〜150重量部(pph)の溶液の範囲、より典型的には約50〜120pphの範囲となりうる。高温剥離中、フレークによって保持される残存インターカレート(intercalate)種は分解して硫黄化合物および窒素化合物の種々の化学種(例えば、NOおよびSO)を生成し、これらは望ましくない。流出液は、環境に対して悪影響が生じないようにするために、費用のかかる改善手順が必要となる。
There are several major problems associated with this conventional chemical manufacturing method:
(1) This method requires the use of large amounts of sulfuric acid, nitric acid, and some undesirable chemicals such as potassium permanganate or sodium chlorate.
(2) Chemical treatment methods require a long time of intercalation and oxidation, typically 5 hours to 5 days.
(3) The strong acid consumes large amounts of graphite during this long intercalation or oxidation process by "entering into graphite" (graphite is converted to carbon dioxide which is lost during the process). It is not uncommon for 20 to 50% by weight of graphite material immersed in strong acid and oxidant to be lost.
(4) Thermal exfoliation is a process that requires high temperatures (typically 800-1200 ° C.) and is therefore very energy consuming.
(5) Both heat-induced and solution-induced peeling methods require very time-consuming washing and purification steps. For example, 2.5 kg of water is typically used to wash and recover 1 gram of GIC, resulting in a large amount of wastewater that requires proper treatment.
(6) In both heat- and solution-induced stripping methods, the resulting product is a GO platelet that needs to be subjected to an additional chemical reduction treatment to reduce the oxygen content. is there. Typically, even after reduction, the conductivity of the GO platelets remains much lower than that of pure graphene. Furthermore, this reduction procedure often involves the use of toxic chemicals such as hydrazine.
(7) Furthermore, the amount of intercalation solution retained on the flakes after drainage is in the range of 20 to 150 parts by weight (pph) of solution per 100 parts by weight of graphite flakes, more typically about 50 to 120 pph It can be in the range of During hot exfoliation, the remaining intercalate species retained by the flakes decompose to form various chemical species of sulfur and nitrogen compounds (eg, NO x and SO x ) which are undesirable. Effluents require costly remediation procedures to ensure that they do not adversely affect the environment.

上記概略の制限または問題を克服するために本発明が作られた。   The present invention was made to overcome the limitations or problems outlined above.

方法2:純粋なナノグラフェンプレートレットの直接形成
2002年に、本発明者らの研究チームは、ポリマーまたはピッチ前駆体から得られた部分的に炭化または黒鉛化されたポリマー炭素から、単層および多層のグラフェンシートを単離することに成功した[B.Z.JangおよびW.C.Huang、“Nano−scaled Graphene Plates”、2002年10月21日に提出された米国特許出願第10/274,473号明細書;現在は米国特許第7,071,258号明細書(07/04/2006)]。Mackら[“Chemical manufacture of nanostructured materials”米国特許第6,872,330号明細書(2005年3月29日)]は、黒鉛にカリウム溶融物をインターカレートさせるステップと、結果としてKがインターカレートされた黒鉛をアルコールと接触させて、NGPを含む乱暴に剥離された黒鉛を生成するステップとを含む方法を開発した。カリウムおよびナトリウムなどの純アルカリ金属は水分に対して非常に敏感であり、爆発の危険が生じるので、この方法は、真空中または非常に乾燥したグローブボックス環境中で注意深く行う必要がある。この方法は、NGPの大量生産には適していない。上記概略の制限を克服するために本発明が作られた。
Method 2: Direct Formation of Pure Nano-Graphene Platelets In 2002, our team of researchers have studied monolayers and multilayers from partially carbonized or graphitized polymer carbons obtained from polymers or pitch precursors. Succeeded in isolating graphene sheets of [B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates", U.S. Patent Application No. 10 / 274,473, filed October 21, 2002; now U.S. Patent No. 7,071,258 (07/04 / 2006)]. Mack et al. ["Chemical manufacture of nanostructured materials", US Pat. No. 6,872,330 (Mar. 29, 2005)] intercalates graphite with a potassium melt and as a result K intercalates Contacting the carbonated graphite with an alcohol to produce rough exfoliated graphite comprising NGP. This method needs to be performed carefully in vacuum or in a very dry glove box environment, as pure alkali metals such as potassium and sodium are very sensitive to moisture and pose an explosion hazard. This method is not suitable for mass production of NGP. The present invention was made to overcome the limitations outlined above.

方法3:無機結晶表面上でのナノグラフェンシートのエピタキシャル成長および化学蒸着
基板上の超薄グラフェンシートの小規模製造は、熱分解に基づくエピタキシャル成長およびレーザー脱離イオン化技術によって行うことができる[Walt A.DeHeer,Claire Berger,Phillip N.First,“Patterned thin film graphite devices and method for making same”米国特許第7,327,000B2号明細書(2003年6月12日)]。わずか1層または数層の原子層を有する黒鉛のエピタキシャル膜は、それらの特有の特性およびデバイス基板としての大きな可能性のため、技術的および化学的に重要である。しかし、これらの方法は、複合材料およびエネルギー貯蔵用途の単離されたグラフェンシートの大量生産には適していない。上記概略の制限を克服するために本発明が作られた。
Method 3: Epitaxial Growth and Chemical Vapor Deposition of Nano-graphene Sheets on Inorganic Crystal Surfaces Small-scale production of ultra-thin graphene sheets on substrates can be performed by thermal growth based epitaxial growth and laser desorption ionization techniques [Walt A. DeHeer, Claire Berger, Phillip N. First, "Patterned thin film devices and methods for making same", U.S. Patent No. 7,327,000 B2 (June 12, 2003)]. Epitaxial films of graphite having only one or several atomic layers are of technical and chemical importance because of their unique properties and their great potential as device substrates. However, these methods are not suitable for mass production of isolated graphene sheets for composite materials and energy storage applications. The present invention was made to overcome the limitations outlined above.

薄膜形態(典型的には<2nmの厚さ)のグラフェンの別の製造方法は、触媒化学蒸着方法である。この触媒CVDは、NiまたはCuの表面上で炭化水素ガス(例えばC)を接触分解させて、単層または数層グラフェンを形成することを含む。NiまたはCuは触媒であるので、800〜1,000℃の温度における炭化水素ガス分子の分解によって得られる炭素原子は、Cu箔表面上に直接堆積するか、Ni−C固溶体状態からNi箔の表面に析出するかして、単層または数層グラフェン(5層未満)のシートが形成される。NiまたはCu触媒によるCVDプロセスは、5を超えるグラフェン面(典型的には<2nm)の堆積には適しておらず、それを超えると下にあるNiまたはCu層は、もはや触媒作用が全く得られなくなる。CVDグラフェンフィルムは非常に高価である。 Another method of producing graphene in thin film form (typically <2 nm thickness) is a catalytic chemical vapor deposition method. This catalytic CVD involves catalytic decomposition of a hydrocarbon gas (eg, C 2 H 4 ) on the surface of Ni or Cu to form monolayer or few-layer graphene. Since Ni or Cu is a catalyst, carbon atoms obtained by decomposition of hydrocarbon gas molecules at a temperature of 800 to 1,000 ° C. may be deposited directly on the Cu foil surface or from a Ni-C solid solution state to a Ni foil Deposited on the surface, a sheet of single layer or few layers of graphene (less than 5 layers) is formed. Ni or Cu catalyzed CVD processes are not suitable for deposition of more than 5 graphene planes (typically <2 nm), beyond which the underlying Ni or Cu layer is no longer catalytically viable It will not be possible. CVD graphene films are very expensive.

方法4:ボトムアップ方法(小分子からのグラフェンの合成)
Yangら[“Two−dimensional Graphene Nano−ribbons,”J.Am.Chem.Soc.130(2008)4216−17]は、1,4−ジヨード−2,3,5,6−テトラフェニル−ベンゼンと4−ブロモフェニルボロン酸との鈴木−宮浦カップリングから開始する方法を用いて最長12nmの長さのナノグラフェンシートを合成した。この結果得られたヘキサフェニルベンゼン誘導体をさらに誘導体化させ環を縮合させて小さいグラフェンシートを得た。これは、これまでは非常に小さいグラフェンシートが生成されている遅いプロセスである。上記概略の制限を克服するために本発明が作られた。
Method 4: Bottom-up method (synthesis of graphene from small molecules)
Yang et al ["Two-dimensional Graphene Nano-ribbons," J. Mol. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 4216-17] is the longest using the method starting from the Suzuki-Miyaura coupling of 1,4-diiodo-2,3,5,6-tetraphenyl-benzene with 4-bromophenylboronic acid A nanographene sheet with a length of 12 nm was synthesized. The hexaphenylbenzene derivative obtained as a result was further derivatized to condense the ring to obtain a small graphene sheet. This is a slow process where very small graphene sheets have been produced so far. The present invention was made to overcome the limitations outlined above.

したがって、望ましくない化学物質の量の減少(またはこれらの化学物質全ての除去)、短縮された処理時間、より少ないエネルギー消費、より低いグラフェン酸化度、望ましくない化学種の排液中(例えば、硫酸)または空気中(例えば、SOおよびNO)への流出の減少または排除が要求されるグラフェン製造方法が緊急に必要とされている。この方法によって、より純粋(より少ない酸化および損傷)で、より高い導電性で、より大きい/より幅広のグラフェンシートが製造可能となるべきである。さらに、これらのグラフェンシートから発泡体構造を容易に製造可能となるべきである。 Thus, reduction of the amount of undesired chemicals (or removal of all these chemicals), reduced processing time, less energy consumption, lower degree of graphene oxidation, drainage of undesired species (eg sulfuric acid) There is an urgent need for graphene production methods that require reduction or elimination of efflux to or in air (eg, SO 2 and NO 2 ). This method should allow the production of purer (less oxidation and damage), higher conductivity, larger / wider graphene sheets. In addition, foam structures should be able to be easily manufactured from these graphene sheets.

本発明らの最近の研究によって、上記に概略を示すナノグラフェンプレートレットの確立された製造方法には従わないという点で新規である、単離されたナノグラフェンプレートレットのケミカルフリー製造方法が得られた。さらに、この方法は、費用対効果が高く、大幅に少ない環境影響で新規グラフェン材料が得られるという点で有用性が高い。さらに、本明細書に開示されるように、本発明者らは、グラフェンのケミカルフリー製造とグラフェン−炭素ハイブリッド形態の形成とを1つの作業に組み合わせた。   Our recent work has provided a chemical-free method of producing isolated nanographene platelets that is novel in that it does not follow the established method of producing nanographene platelets outlined above . Furthermore, this method is highly useful in that it is cost effective and provides novel graphene materials with significantly less environmental impact. Furthermore, as disclosed herein, we combined the chemical free preparation of graphene with the formation of graphene-carbon hybrid forms in one operation.

本出願の特許請求の範囲を定義する目的で、NGPまたはグラフェン材料は、単層および多層(典型的には10層未満)の純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン(RGO)、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、ドープされた(例えばBまたはNでドープされた)グラフェンのばらばらのシート/プレートレットを含む。純粋なグラフェンは、実質的に0%の酸素を有する。RGOは、典型的には0.001重量%〜5重量%の酸素含有量を有する。酸化グラフェン(RGOを含む)は、0.001重量%〜50重量%の酸素を有することができる。純粋なグラフェン以外の全てのグラフェン材料は、0.001重量%〜50重量%の非炭素元素(例えばO、H、N、B、F、Cl、Br、Iなど)を有する。本明細書では、これらの材料を不純グラフェン材料と呼ぶ。本発明によるグラフェン−炭素発泡体は、純粋なグラフェンまたは不純グラフェンを含むことができ、本発明による方法によってこの汎用性が可能となる。   For the purpose of defining the claims of the present application, NGP or graphene materials can be single-layer and multi-layer (typically less than 10 layers) pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), graphene fluoride , Discrete sheets / platelets of graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, chemically functionalized graphene, doped (eg, B or N doped) graphene. Pure graphene has substantially 0% oxygen. RGO typically has an oxygen content of 0.001% to 5% by weight. Graphene oxide (including RGO) can have 0.001 wt% to 50 wt% oxygen. All graphene materials except pure graphene have 0.001 wt% to 50 wt% non-carbon elements (e.g. O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). These materials are referred to herein as impure graphene materials. Graphene-carbon foams according to the invention may comprise pure graphene or impure graphene, which enables this versatility by the method according to the invention.

グラフェン発泡体の製造に関するレビュー
一般的に言えば、発泡体または発泡材料は、細孔(またはセル)および細孔壁(固体材料)から構成される。細孔は、相互接続されてオープンセル発泡体を形成することができる。グラフェン発泡体は、細孔と、グラフェン材料を含む細孔壁とから構成される。グラフェン発泡体の製造の3つの主要な方法が存在する:
Review on the Production of Graphene Foam Generally speaking, the foam or foam material is composed of pores (or cells) and pore walls (solid material). The pores can be interconnected to form an open cell foam. Graphene foams are composed of pores and pore walls comprising graphene material. There are three main methods of producing graphene foam:

第1の方法は、典型的には酸化グラフェン(GO)水性懸濁液を高圧オートクレーブ中に密封するステップと、GO懸濁液を高圧(数十または数十気圧)下、典型的には180〜300℃の範囲内の温度で長時間(典型的には12〜36時間)加熱するステップとを含む、酸化グラフェンヒドロゲルの熱水還元である。この方法の有用な参考文献は、Y.Xu,et al.“Self−Assembled Graphene Hydrogel via a One−Step Hydrothermal Process,” ACS Nano 2010,4,4324−4330である。この方法に関連する幾つかの主要な問題が存在する:(a)高圧が必要なため、工業規模での製造の場合には実用的な方法ではなくなる。一例を挙げると、この方法は連続原理で行うことができない。(b)、不可能ではないとしても、結果として得られる多孔質構造の孔径および多孔率レベルの制御は困難である。(c)結果として得られる還元酸化グラフェン(RGO)材料の形状およびサイズの変更に関する自由度がない(例えばフィルム形状で製造することができない)。(d)この方法は、水中に懸濁された超低濃度(例えば2mg/mL=2g/L=2kg/kL)のGOの使用を伴う。非炭素元素(最大50%)を除去すると、懸濁液1000リットル当たり2kg未満のグラフェン材料(RGO)しか製造することができない。さらに、高温および高圧の条件に耐える必要がある1000リットルの反応器を運転することは事実上不可能である。あきらかに、これは多孔質グラフェン構造の大量生産に適応できる方法ではない。   The first method is typically sealing the graphene oxide (GO) aqueous suspension in a high pressure autoclave, and the GO suspension under high pressure (tens or tens of atmosphere), typically 180 Heating at a temperature in the range of -300 <0> C for an extended period of time (typically 12 to 36 hours). Useful references for this method are: Xu, et al. “Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process,” ACS Nano 2010, 4, 4324-4330. There are several major problems associated with this method: (a) the need for high pressure makes it impractical for industrial scale production. As an example, this method can not be performed on a continuous basis. (B) It is difficult, if not impossible, to control the pore size and porosity levels of the resulting porous structure. (C) There is no freedom in changing the shape and size of the resulting reduced graphene oxide (RGO) material (eg, can not be produced in film form). (D) This method involves the use of very low concentrations of GO (eg 2 mg / mL = 2 g / L = 2 kg / kL) suspended in water. Removal of non-carbon elements (up to 50%) can produce less than 2 kg of graphene material (RGO) per 1000 liters of suspension. Furthermore, it is virtually impossible to operate a 1000 liter reactor which needs to withstand high temperature and high pressure conditions. Clearly, this is not an adaptable method for mass production of porous graphene structures.

第2の方法は、犠牲テンプレート(例えばNi発泡体)上へのグラフェンのCVD堆積を含む、テンプレート支援触媒CVD方法に基づく。グラフェン材料は、Ni発泡体構造の形状および寸法に適合する。次いで、エッチング剤を用いてNi発泡体をエッチングにより除去すると、実質的にオープンセル発泡体であるグラフェン骨格のモノリスが残る。この方法の有用な参考文献は、Zongping Chen,et al.,“Three−dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition,” Nature Materials,10(June 2011)424−428である。このような方法に関連する幾つかの問題が存在する:(a)触媒CVDは、本来非常に遅く、非常に多量のエネルギーを消費し、費用のかかる方法であり;(b)エッチング剤は、典型的には非常に望ましくない化学物質であり、結果として得られるNi含有エッチング溶液は汚染源となる。エッチャント溶液から溶存Ni金属を回収し再利用することは非常に困難で費用がかかる。(c)Ni発泡体がエッチングで除去されるときに、セル壁を損傷することなくグラフェン発泡体の形状および寸法を維持することは困難である。結果として得られるグラフェン発泡体は、典型的には非常に脆く壊れやすい。(d)犠牲金属発泡体内部の特定の場所にはCVD前駆体ガスが到達できない場合があるので、CVD前駆体ガス(例えば炭化水素)の金属発泡体内部への移動が困難な場合があり、不均一な構造が得られる場合がある。   The second method is based on a template assisted catalytic CVD method, which comprises CVD deposition of graphene on a sacrificial template (eg Ni foam). The graphene material conforms to the shape and dimensions of the Ni foam structure. The Ni foam is then etched away using an etchant, leaving a monolith of graphene framework that is essentially an open cell foam. Useful references for this method can be found in Zongping Chen, et al. “Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition,” Nature Materials, 10 (June 2011) 424-428. There are several problems associated with such methods: (a) Catalytic CVD is inherently very slow, consumes very large amounts of energy, and is an expensive method; (b) etchants It is typically a highly undesirable chemical, and the resulting Ni-containing etching solution is a source of contamination. It is very difficult and expensive to recover and reuse the dissolved Ni metal from the etchant solution. (C) When the Ni foam is etched away, it is difficult to maintain the shape and size of the graphene foam without damaging the cell walls. The resulting graphene foam is typically very fragile and fragile. (D) Because the CVD precursor gas may not reach a specific location inside the sacrificial metal foam, it may be difficult to move the CVD precursor gas (eg, hydrocarbon) into the metal foam. Uneven structures may be obtained.

グラフェン発泡体の第3の製造方法も、犠牲材料が使用され(例えばコロイドポリスチレン粒子、PS)、これに自己集合方法を用いて酸化グラフェンシートが被覆される。例えば、Choiらは、CMGおよびPS(2.0μmのPS球)の混合水性コロイド懸濁液を減圧濾過することによって自立PS/CMGフィルムの作製と、続いて、PSビーズを除去して3Dマクロ細孔の形成との2段階で、化学修飾グラフェン(CMG)紙を作製した[B.G.Choi,et al.,“3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities,”ACS Nano,6(2012)4020−4028]。Choiらは、負に帯電するCMGコロイドおよび正に帯電するPS懸濁液を別々に調製することから開始して、濾過によって、秩序だった自立PS/CMG紙を作製した。CMGコロイドおよびPS懸濁液の混合物を、2つの化合物が同じ表面電荷(CMGの場合は+13±2.4mV、PSの場合は+68±5.6mVのゼータ電位値)を有する制御されたpH(=2)下の溶液中に分散させた。pHが6まで上昇すると、CMG(ゼータ電位=−29±3.7mV)およびPS球(ゼータ電位=+51±2.5mV)は、それらの間の静電相互作用および疎水性のために集合し、続いてこれらは濾過プロセスによって一体化してPS/CMG複合紙となった。この方法も幾つかの欠点を有する:(a)この方法は、酸化グラフェンおよびPS粒子の両方の非常に時間のかかる化学処理を必要とする。(b)トルエンによるPSの除去も、マクロ多孔質構造を弱める原因となる。(c)トルエンは非常に規制された化学物質であり、特別に注意して処理する必要がある。(d)孔径は、典型的には非常に大きく(例えば数μm)、多くの有用な用途には大きすぎる。   A third method of making graphene foam also uses a sacrificial material (e.g., colloidal polystyrene particles, PS) onto which the graphene oxide sheet is coated using a self-assembly method. For example, Choi et al. Produced free-standing PS / CMG films by vacuum filtration of a mixed aqueous colloidal suspension of CMG and PS (2.0 μm PS spheres), followed by removal of PS beads to give a 3D macro. Chemically modified graphene (CMG) paper was made in two steps with pore formation [B. G. Choi, et al. “3D Macroporous Graphene Frameworks with High Energy and Power Densities,” ACS Nano, 6 (2012) 4020-4028]. Starting from separately preparing negatively charged CMG colloids and positively charged PS suspensions, Choi et al. Produced ordered free standing PS / CMG paper by filtration. A mixture of CMG colloid and PS suspension is controlled pH (the zeta potential value of the two compounds has the same surface charge (+ 13 ± 2.4 mV for CMG, + 68 ± 5.6 mV for PS)) = 2) dispersed in the solution below. When the pH rises to 6, CMG (Zeta potential = -29 ± 3.7 mV) and PS spheres (Zeta potential = + 51 ± 2.5 mV) assemble due to electrostatic interaction and hydrophobicity between them Then, they were integrated by filtration process into PS / CMG composite paper. This method also has some drawbacks: (a) This method requires very time-consuming chemical treatment of both graphene oxide and PS particles. (B) Removal of PS by toluene also causes weakening of the macroporous structure. (C) Toluene is a very regulated chemical and needs special care. (D) The pore size is typically very large (e.g. several micrometers) and too large for many useful applications.

以上の議論は、グラフェン発泡体を製造するための全ての従来技術の方法またはプロセスが大きな欠陥を有することを明確に示している。したがって、本発明の目的は、高伝導性で、機械的に堅牢なグラフェンベースの発泡体(特に、一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体)を大量に製造するための費用対効果の高い方法を提供することである。この方法は、環境に優しくない化学物質の使用を伴わない。この方法によって、多孔率レベルおよび孔径の自由度の高い設計制御が可能となる。   The above discussion clearly shows that all prior art methods or processes for producing graphene foam have major deficiencies. Thus, the object of the present invention is a cost-effective method for mass-producing highly conductive, mechanically robust graphene-based foams, in particular, integrated 3D graphene-carbon hybrid foams. It is to provide. This method does not involve the use of chemicals that are not environmentally friendly. This method allows for design control with a high degree of freedom in porosity level and pore size.

本発明の別の目的は、従来の黒鉛または炭素発泡体と同等以上の熱伝導率、導電率、弾性率、および/または強度を示すグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の製造方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a method for producing a graphene-carbon hybrid foam exhibiting thermal conductivity, conductivity, elastic modulus and / or strength equal to or higher than conventional graphite or carbon foam. .

本発明のさらに別の目的は、(a)実質的に全て炭素のみを含み、好ましくはメソスケールの孔径範囲(2〜50nm)を有する純粋なグラフェンベースのハイブリッド発泡体と;(b)多岐にわたる用途に使用可能な、少なくとも0.001重量%(典型的には0.01重量%〜25重量%、最も典型的には0.1%〜20%)の非炭素元素を含む不純グラフェン発泡体(フッ化グラフェン、塩化グラフェン、窒素化グラフェンなど)とを提供することである。   Yet another object of the present invention is (a) pure graphene based hybrid foam comprising substantially all carbon only, preferably with mesoscale pore size range (2 to 50 nm); (b) a wide variety Impure graphene foam containing at least 0.001 wt% (typically 0.01 wt% to 25 wt%, most typically 0.1% to 20%) of non-carbon elements that can be used for the application (Graphene fluoride, graphene chloride, nitrogenated graphene and the like).

本発明の別の目的は、本発明のグラフェン−炭素発泡体を含む製品(例えばデバイス)、およびこれらの製品の操作方法を提供することである。   Another object of the invention is to provide products (e.g. devices) comprising the graphene-carbon foams of the invention, and methods of operating these products.

本発明は、黒鉛材料の粒子およびポリマーの粒子から一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を直接製造する方法を提供する。この方法は驚くほど単純である。この方法は:
(a)エネルギー衝突装置の衝突チャンバ中で黒鉛材料の複数の粒子と固体ポリマー担体材料の複数の粒子とを混合して混合物を形成するステップと;
(b)黒鉛材料からグラフェンシートを剥離し、グラフェンシートを固体ポリマー担体材料粒子の表面に移動させて、グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を衝突チャンバの内部で形成するのに十分な時間の間、ある頻度およびある強度でこのエネルギー衝突装置を運転するステップと(例えば衝突装置は、運転中に、運動エネルギーをポリマー粒子に付与し、次いでポリマー粒子が黒鉛粒子表面/エッジに衝突して、衝突した黒鉛粒子からグラフェンシートが剥離される。これらの剥離したグラフェンシートは、これらのポリマー粒子の表面に付着する。本明細書ではこれを「直接移動」プロセスと呼び、任意の第3の要素を媒介することなく、グラフェンシートが、黒鉛粒子からポリマー粒子の表面に直接移動することを意味する);
(c)グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を衝突チャンバから回収して、グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を、グラフェン−ポリマーハイブリッド構造の所望の形状に固化させるステップと(この固化ステップは、グラフェン被覆粒子またはグラフェン埋め込み粒子を所望の形状に単に充填する圧密ステップと同様に単純であってよい);
(d)グラフェン−ポリマーハイブリッド構造のこの形状を熱分解させ、ポリマーを細孔とグラフェンシートを結合させる炭素もしくは黒鉛とに熱的に変換させて、一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を形成するステップとを含む。
The present invention provides a method of directly producing integrated 3D graphene-carbon hybrid foams from particles of graphite material and particles of polymer. This method is surprisingly simple. This method is:
(A) mixing the plurality of particles of the graphite material and the plurality of particles of the solid polymer support material in a collision chamber of the energy collision apparatus to form a mixture;
(B) Stripping the graphene sheet from the graphite material and moving the graphene sheet to the surface of the solid polymer carrier material particles to form graphene-coated polymer particles or graphene-embedded polymer particles within the collision chamber for a sufficient amount of time Operating the energy collision device with a certain frequency and a certain intensity (for example, the collision device applies kinetic energy to the polymer particles during operation, and then the polymer particles collide with the graphite particle surface / edge, Graphene sheets are exfoliated from the impacted graphite particles, and these exfoliated graphene sheets adhere to the surface of these polymer particles, which is referred to herein as the "direct transfer" process, and any third factor Graphene sheet directly from the graphite particle to the surface of the polymer particle without Means that the motion);
(C) recovering the graphene-coated polymer particles or the graphene-embedded polymer particles from the collision chamber to solidify the graphene-coated polymer particles or the graphene-embedded polymer particles into a desired shape of the graphene-polymer hybrid structure (this solidification step , May be as simple as a consolidation step of simply loading the graphene coated particles or graphene embedded particles into the desired shape);
(D) Pyrolyze this shape of the graphene-polymer hybrid structure and thermally convert the polymer to carbon or graphite that combines the pores with the graphene sheet to form an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam And step.

特定の別の実施形態では、複数の衝突ボールまたは媒体が、エネルギー衝突装置の衝突チャンバに加えられる。これらの衝突ボールは、衝突装置によって加速して、黒鉛粒子の表面/エッジに衝突して、それらからグラフェンシートを剥離する。これらのグラフェンシートは、これらの衝突ボール表面に一時的に移動する。これらのグラフェンを支持する衝突ボールは、続いてポリマー粒子に衝突して、支持されたグラフェンシートがこれらのポリマー粒子の表面に移動する。この一連の事象を本明細書では「間接移動」と呼ぶ。間接移動プロセスの幾つかの実施形態では、ステップ(c)は、衝突ボールまたは媒体をグラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子から分離するために磁石を操作するステップを含む。   In certain alternative embodiments, a plurality of collision balls or media are added to the collision chamber of the energy collision device. These collision balls are accelerated by the collision device to collide with the surface / edge of the graphite particles and exfoliate the graphene sheet from them. These graphene sheets move temporarily to the surface of these collision balls. The collision balls supporting these graphenes subsequently collide with the polymer particles, and the supported graphene sheets move to the surface of these polymer particles. This series of events is referred to herein as "indirect movement". In some embodiments of the indirect transfer process, step (c) comprises manipulating the magnet to separate the collision ball or medium from the graphene coated polymer particles or the graphene embedded polymer particles.

固体ポリマー材料粒子は、10nm〜10mmの直径または厚さを有するプラスチックまたはゴムのビーズ、ペレット、球、ワイヤ、繊維、フィラメント、ディスク、リボン、またはロッドを含むことができる。好ましくは、直径または厚さは100nm〜1mm、より好ましくは200nm〜200μmである。固体ポリマーは、熱可塑性プラスチック、熱硬化性樹脂、ゴム、半貫通ネットワークポリマー、貫通ネットワークポリマー、天然ポリマー、またはそれらの組合せの固体粒子から選択することができる。一実施形態では、ステップ(d)の前に、固体ポリマーは、溶融、エッチング、または溶媒中への溶解によって部分的に除去される。   The solid polymer material particles can comprise plastic or rubber beads, pellets, spheres, wires, fibers, filaments, disks, ribbons, or rods having a diameter or thickness of 10 nm to 10 mm. Preferably, the diameter or thickness is 100 nm to 1 mm, more preferably 200 nm to 200 μm. The solid polymer can be selected from solid particles of thermoplastics, thermosetting resins, rubbers, semi-penetrating network polymers, penetrating network polymers, natural polymers, or combinations thereof. In one embodiment, prior to step (d), the solid polymer is partially removed by melting, etching or dissolution in a solvent.

特定の実施形態では、黒鉛材料は、天然黒鉛、合成黒鉛、高配向熱分解黒鉛、黒鉛繊維、黒鉛ナノファイバ、フッ化黒鉛、酸化黒鉛、化学修飾黒鉛、剥離黒鉛、剥離し再圧縮した黒鉛、膨張黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、またはそれらの組合せから選択される。好ましくは、黒鉛材料は、混合ステップ(a)の前に化学処理または酸化処理があらかじめ行われていないインターカレートしておらず酸化していない黒鉛材料を含む。   In certain embodiments, the graphite material is natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fibers, graphite nanofibers, fluorinated graphite, graphite oxide, chemically modified graphite, exfoliated graphite, exfoliated recompressed graphite, It is selected from expanded graphite, mesocarbon microbeads, or a combination thereof. Preferably, the graphite material comprises a non-intercalated and non-oxidized graphite material which has not been previously subjected to a chemical treatment or oxidation treatment prior to the mixing step (a).

本発明者らは、驚くべきことに、本発明を実施するために多岐にわたる衝突装置を使用できることを確認した。例えば、エネルギー衝突装置は、振動ボールミル、遊星ボールミル、高エネルギーミル、バスケットミル、アジテーターボールミル、クライオボールミル、マイクロボールミル、タンブラーボールミル、連続ボールミル、撹拌ボールミル、加圧ボールミル、フリーザーミル、振動ふるい、ビーズミル、ナノビーズミル、超音波ホモジナイザーミル、遠心分離遊星ミキサー、真空ボールミル、または共鳴音響ミキサーであってよい。   The inventors have surprisingly identified that a wide variety of collision devices can be used to practice the present invention. For example, energy collision devices include vibration ball mills, planetary ball mills, high energy mills, basket mills, agitator ball mills, cryo ball mills, micro ball mills, tumbler ball mills, continuous ball mills, stirred ball mills, pressure ball mills, freezer mills, vibratory sieves, bead mills, It may be a nanobeads mill, an ultrasonic homogenizer mill, a centrifugal planetary mixer, a vacuum ball mill, or a resonance acoustic mixer.

結果として得られるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の炭素成分を形成するため、高い炭素収率または炭収率(例えば>30重量%)を有するポリマー粒子を選択することができる。炭素収率は、熱によって、揮発性ガス部分となる代わりに固体炭素相に変換されるポリマー構造の重量パーセント値である。高炭素収率ポリマーは、フェノール樹脂、ポリフルフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、それらのコポリマー、それらのポリマーブレンド、またはそれらの組合せから選択することができる。   Polymer particles having a high carbon yield or carbon yield (e.g.,> 30 wt%) can be selected to form the carbon component of the resulting graphene-carbon hybrid foam. Carbon yield is the weight percent value of a polymer structure that is converted by heat to a solid carbon phase instead of being a volatile gas fraction. High carbon yield polymers include phenolic resins, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimides, polyamides, polyoxadiazoles, polybenzoxazoles, polybenzobisoxazoles, polythiazoles, polybenzothiazoles, polybenzobisthiazoles, poly (p -Phenylenevinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof.

グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体中で、より少ない炭素含有量(より高いグラフェン比率)が望まれる場合、ポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン(ABS)、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリジエン(poly vinylidiene fluoride)(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、それらのコポリマー、それらのポリマーブレンド、またはそれらの組合せから選択される低炭素収率ポリマーを含むことができる。   If less carbon content (higher graphene ratio) is desired in the graphene-carbon hybrid foam, the polymer may be polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene (ABS), polyester, polyvinyl Alcohol, poly vinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene oxide (PPO), polymethyl methacrylate (PMMA), their copolymers, their polymer blends, or combinations thereof It can include low carbon yield polymers of choice.

これらのポリマー(高炭素収率および低炭素収率の両方)は、300〜2,500℃の温度に加熱すると、炭素材料に変換され、これはグラフェンシートのエッジ付近で優先的に核を形成することに留意されたい。このような炭素材料は、グラフェンシート間の間隙を埋めて、相互接続された電子伝導経路を形成する役割を果たす。言い換えると、結果として得られるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、炭素が結合したグラフェンシートの一体型3Dネットワークから構成され、これによって中断せずにグラフェンシートまたは領域の間の電子およびフォノン(量子化格子振動)の連続輸送が可能となる。2,500℃よりも高温にさらに加熱すると、炭素相が「ソフトカーボン」である、または黒鉛化可能である場合には、グラフェンが結合する炭素相が黒鉛化しうる。そのような状況では、導電率および熱伝導率の両方がさらに増加する。   These polymers (both high and low carbon yields) are converted to carbon materials when heated to temperatures of 300 to 2,500 ° C., which preferentially nucleate near the edge of the graphene sheet Please note that. Such carbon materials serve to fill the gaps between the graphene sheets to form interconnected electron conduction paths. In other words, the resulting graphene-carbon hybrid foam is composed of an integrated 3D network of carbon-bonded graphene sheets, thereby causing uninterrupted electrons and phonons between the graphene sheets or regions (quantized lattice Continuous transport of vibration). Further heating to temperatures above 2,500 ° C. may graphitize the carbon phase to which the graphene is attached if the carbon phase is “soft carbon” or is graphitizable. In such situations, both conductivity and thermal conductivity are further increased.

したがって、特定の実施形態では、熱分解のステップは、200℃〜2,500℃の温度でポリマーを炭化させて、炭素が結合したグラフェンシートを得るステップを含む。場合により、炭素が結合したグラフェンシートは、次いで2,500℃〜3,200℃の温度で黒鉛化させて、黒鉛が結合したグラフェンシートを得ることができる。   Thus, in certain embodiments, the pyrolysis step comprises carbonizing the polymer at a temperature of 200 ° C. to 2,500 ° C. to obtain a carbon bonded graphene sheet. Optionally, the carbon bonded graphene sheets can then be graphitized at a temperature of 2,500 ° C. to 3,200 ° C. to obtain graphite bonded graphene sheets.

ポリマーの熱分解によって、COおよびHOなどの揮発性ガス分子が発生するために、得られるポリマー炭素層中に細孔が形成される傾向にあることに留意されたい。しかし、ポリマーが炭化するときに抑制されなければ、このような細孔は崩壊する傾向も強い。驚くべきことに、本発明者らは、ポリマー粒子を包み込むグラフェンシートは、炭素細孔壁の収縮および崩壊を抑制することができ、一部の炭素種は、グラフェンシート間の間隙への浸透も起こり、そこでこれらの炭素種がグラフェンシートを互いに結合させることを発見した。結果として得られる3D一体型グラフェン発泡体の孔径および細孔容積(多孔率レベル)は、出発ポリマーのサイズおよびポリマーの炭素収率によって決定され、より少ない程度であるが、熱分解温度によって決定される。 It should be noted that the pyrolysis of the polymer tends to form pores in the resulting polymer carbon layer, as volatile gas molecules such as CO 2 and H 2 O are generated. However, such pores are also more prone to collapse if not suppressed as the polymer carbonizes. Surprisingly, we have found that graphene sheets that wrap polymer particles can inhibit shrinkage and collapse of carbon pore walls, and some carbon species also penetrate into the gaps between graphene sheets It has been discovered that these carbon species bond graphene sheets together. The pore size and pore volume (porosity level) of the resulting 3D-integrated graphene foam is determined by the size of the starting polymer and the carbon yield of the polymer and to a lesser extent by the thermal decomposition temperature Ru.

特定の好ましい実施形態では、固化ステップは、これらのグラフェン被覆ポリマー粒子の材料を所望の形状に圧密するステップを含む。例えば、グラフェン被覆粒子の材料を金型キャビティ中に圧搾し圧縮することによって、圧密グリーン体を容易に形成することができる。ポリマーを急速に加熱し溶融させ、グリーン体をわずかに圧縮すると、熱によってポリマー粒子を互いにわずかに融合させることができ、急速に冷却してこの物体を固化させることができる。この固化させた物体は、次いで熱分解処理(ポリマーの炭化、及び場合により黒鉛化)が行われる。   In certain preferred embodiments, the solidifying step comprises compacting the material of these graphene coated polymer particles into a desired shape. For example, a compacted green body can be easily formed by squeezing and compacting the material of the graphene coated particles into the mold cavity. When the polymer is rapidly heated and melted and the green body is slightly compressed, the heat can cause the polymer particles to fuse slightly together, and can be rapidly cooled to solidify the body. The solidified body is then subjected to a pyrolysis treatment (carbonization of the polymer and optionally graphitization).

幾つかの別の実施形態では、固化ステップは、ポリマー粒子を溶融させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶融混合物を形成するステップと、ポリマー溶融混合物から所望の形状を形成するステップと、その形状を固化させてグラフェン−ポリマー複合物構造にするステップとを含む。このような形状は、ロッド、フィルム(薄いまたは厚いフィルム、幅の広いまたは狭い、1つのシートまたはロール形態)、繊維(短いフィラメントまたは連続長フィラメント)、板、インゴット、あらゆる規則的な形状、または不揃いの形状であってよい。このグラフェン−ポリマー複合物形状は次いで熱分解が行われる   In some further embodiments, the solidifying step comprises melting the polymer particles to form a polymer melt mixture having graphene sheets dispersed therein, forming the desired shape from the polymer melt mixture, and Solidifying the shape into a graphene-polymer composite structure. Such shapes may be rods, films (thin or thick film, wide or narrow, single sheet or roll form), fibers (short filaments or continuous long filaments), plates, ingots, any regular shape, or It may be irregular in shape. This graphene-polymer composite shape is then subjected to thermal decomposition

あるいは、固化ステップは、ポリマー粒子を溶媒中に溶解させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶液混合物を形成するステップと、ポリマー溶液混合物から所望の形状を形成するステップと、溶媒を除去してその形状を固化させてグラフェン−ポリマー複合物構造を得るステップとを含むことができる。この複合物構造は、次いで熱分解させて、多孔質構造が形成される。   Alternatively, the solidifying step may include dissolving the polymer particles in a solvent to form a polymer solution mixture in which the graphene sheet is dispersed, forming the desired shape from the polymer solution mixture, and removing the solvent. Solidifying the shape to obtain a graphene-polymer composite structure. The composite structure is then pyrolyzed to form a porous structure.

固化ステップは、ポリマー粒子を溶融させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶融混合物を形成するステップと、混合物を押出成形してロッド形態もしくはシート形態にするステップ、混合物を紡糸して繊維形態にするステップ、混合物を噴霧して粉末形態にするステップ、または混合物をキャスティングしてインゴット形態にするステップとを含むことができる。   The solidifying step includes melting the polymer particles to form a polymer melt mixture in which the graphene sheet is dispersed, extruding the mixture into a rod form or sheet form, spinning the mixture into fiber form And spraying the mixture into a powder form or casting the mixture into an ingot form.

幾つかの実施形態では、固化ステップは、ポリマー粒子を溶媒中に溶解させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶液混合物を形成するステップと、および溶液混合物を押出成形してロッド形態もしくはシート形態にするステップ、溶液混合物を紡糸して繊維形態にするステップ、溶液混合物を噴霧して粉末形態にするステップ、または溶液混合物をキャスティングしてインゴット形態にするステップと、溶媒を除去するステップとを含む。   In some embodiments, the solidifying step comprises dissolving the polymer particles in a solvent to form a polymer solution mixture having graphene sheets dispersed therein, and extruding the solution mixture to form a rod or sheet form Including spinning the solution mixture into fiber form, spraying the solution mixture into powder form, or casting the solution mixture into ingot form and removing the solvent. .

特定の一実施形態では、ポリマー溶液混合物を噴霧することで、グラフェン−ポリマー複合物被覆またはフィルムが形成され、次いでその熱分解(炭化、または炭化と黒鉛化)が行われる。   In one particular embodiment, the polymer solution mixture is sprayed to form a graphene-polymer composite coating or film, which is then subjected to its thermal decomposition (carbonization or carbonization and graphitization).

好ましくは、固化ステップは、グラフェン被覆ポリマー粒子を圧密して、マクロ細孔を有する多孔質グリーンコンパクトにするステップを含むことができ、次いで、石油ピッチ、コールタールピッチ、芳香族有機材料(例えばナフタレンまたはピッチの別の誘導体)、モノマー、有機ポリマー、またはそれらの組合せから選択されるさらなる炭素源材料を細孔に浸透または含浸させることができる。有機ポリマーは、フェノール樹脂、ポリフルフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、それらのコポリマー、それらのポリマーブレンド、またはそれらの組合せから選択される高炭素収率ポリマーを含むことができる。ハイブリッド発泡体中により多い量の炭素が望まれる場合に、浸透させたグラフェン被覆ポリマー粒子のグリーンコンパクトの熱分解が行われると、これらの化学種はさらなる炭素源となる。   Preferably, the solidifying step may comprise compacting the graphene coated polymer particles into a porous green compact with macropores, then petroleum pitch, coal tar pitch, aromatic organic materials such as naphthalene Alternatively, the pores can be impregnated or impregnated with additional carbon source material selected from other derivatives of pitch), monomers, organic polymers, or combinations thereof. Organic polymers include phenolic resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, polybenzobisthiazole, poly (p-phenylenevinylene) ), Polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof may comprise high carbon yield polymers. These thermal species provide an additional source of carbon when thermal decomposition of the green compact of the infiltrated graphene-coated polymer particles is performed when higher amounts of carbon are desired in the hybrid foam.

本発明は、複数の細孔および細孔壁から構成される一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体であって、細孔壁が、1/200〜1/2の炭素材料対グラフェン重量比を有する炭素材料によって化学結合した単層または数層グラフェンシートを含み、数層グラフェンシートが、X線回折によって測定して0.3354nm〜0.36nmの面間隔d002を有する2〜10層の積層グラフェン面を有し、単層または数層グラフェンシートが、実質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料、または0.001重量%〜35重量%(好ましくは0.01%〜25%)の非炭素元素を有する不純グラフェン材料を含み、不純グラフェンが、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、またはそれらの組合せから選択される、一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体も提供する。下にあるポリマー粒子を取り囲む複数の単層または数層グラフェンは、互いに重なり合ってグラフェンシートのスタックを形成することができる。このスタックは、5nmを超え、幾つかの場合では、10nmを超え、またはさらには100nmを超える厚さを有することができる。 The present invention is an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam composed of a plurality of pores and pore walls, wherein the pore walls have a carbon material to graphene weight ratio of 1/200 to 1/2. 2 to 10 layers of laminated graphene comprising a monolayer or few-layer graphene sheet chemically bonded by a carbon material, the few-layer graphene sheet having a spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.36 nm, measured by X-ray diffraction Plane, a single or few layer graphene sheet is pure graphene material with substantially 0% non-carbon elements, or 0.001 wt% to 35 wt% (preferably 0.01% to 25%) Containing impure graphene materials having non-carbon elements), impure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, bromide graph Also provided is an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam selected from: enene, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof. The plurality of monolayer or multi-layer graphenes surrounding the underlying polymer particles can overlap one another to form a stack of graphene sheets. This stack can have a thickness of more than 5 nm, in some cases more than 10 nm, or even more than 100 nm.

その一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、典型的には0.001〜1.7g/cmの密度、および50〜3,000m/gの比表面積を有する。好ましい一実施形態では、細孔壁は、X線回折によって測定して0.3354nm〜0.40nmの面間隔d002を有する積層グラフェン面を含む。 The integral 3D graphene-carbon hybrid foam typically has a density of 0.001 to 1.7 g / cm 3 and a specific surface area of 50 to 3,000 m 2 / g. In a preferred embodiment, the pore wall comprises laminated graphene planes having an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm as measured by X-ray diffraction.

油回収用途(例えば水からの油の分離)の場合、グラフェン−炭素は、好ましくは1重量%〜25重量%(より好ましくは1〜15%、最も好ましくは1〜10%)の酸素含有量を有する。これは、出発物質が酸化黒鉛である場合、または炭化処理がわずかに酸化性の環境において300〜1,500℃(好ましくは1,000℃以下)の温度で行われ、引き続いて黒鉛化が行われない場合に実現可能である。本発明者らは、驚くべきことに、この性質の高多孔質グラフェン−炭素発泡体が、その自重の最大500%の油−水混合物から油を吸収できることを発見した。   For oil recovery applications (eg separation of oil from water), graphene-carbon preferably has an oxygen content of 1% to 25% by weight (more preferably 1 to 15%, most preferably 1 to 10%) Have. This is done when the starting material is graphite oxide or at a temperature of 300-1,500 ° C. (preferably less than 1,000 ° C.) in an environment where the carbonization process is slightly oxidizing, followed by graphitization. It can be realized if not The inventors have surprisingly found that highly porous graphene-carbon foams of this nature can absorb oil from oil-water mixtures up to 500% of their own weight.

温度管理用途の場合、グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、好ましくは、炭素が結合したグラフェンシート(炭化後)に対して圧縮応力下で黒鉛化処理を行うことによって製造される。これによって、グラフェンシートまたはグラフェン領域の配向および再組織化(合体、成長など)が促進される。結果としてグラフェン−炭素発泡体のシートまたはフィルムは、単位比重当たり少なくとも200W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり2,000S/cm以上の導電率を示す。   For temperature control applications, graphene-carbon hybrid foams are preferably produced by graphitizing the carbon-bonded graphene sheets (after carbonization) under compressive stress. This promotes orientation and reorganization (coalescence, growth, etc.) of the graphene sheets or graphene regions. As a result, the sheet or film of graphene-carbon foam exhibits a thermal conductivity of at least 200 W / mK per unit specific gravity, and / or a conductivity of 2,000 S / cm or higher per unit specific gravity.

一実施形態では、細孔壁は純粋なグラフェンを含み、3D固体グラフェン−炭素発泡体は、0.001〜1.7g/cmの密度または2nm〜50nmの平均孔径を有する。一実施形態では、細孔壁は、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン,およびそれらの組合せからなる群から選択される不純グラフェン材料を含み、固体グラフェン発泡体は、0.01重量%〜20重量%の範囲内の非炭素元素含有量を含む。言い換えると、非炭素元素は、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、窒素、水素、またはホウ素から選択される元素を含むことができる。特定の一実施形態では、細孔壁はフッ化グラフェンを含み、固体グラフェン発泡体は0.01重量%〜20重量%のフッ素含有量を含む。別の一実施形態では、細孔壁は酸化グラフェンを含み、上記固体グラフェン発泡体は0.01重量%〜20重量%の酸素含有量を含む。一実施形態では、固体グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、200〜2,000m/gの比表面積または0.01〜1.5g/cmの密度を有する。 In one embodiment, the pore walls comprise pure graphene and the 3D solid graphene-carbon foam has a density of 0.001 to 1.7 g / cm 3 or an average pore size of 2 to 50 nm. In one embodiment, the pore walls are from graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, chemically functionalized graphene, and combinations thereof Wherein the solid graphene foam comprises a non-carbon element content in the range of 0.01 wt% to 20 wt%. In other words, the non-carbon element can include an element selected from oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen or boron. In a particular embodiment, the pore walls comprise graphene fluoride and the solid graphene foam comprises a fluorine content of 0.01 wt% to 20 wt%. In another embodiment, the pore wall comprises graphene oxide and the solid graphene foam comprises an oxygen content of 0.01 wt% to 20 wt%. In one embodiment, the solid graphene-carbon hybrid foam has a specific surface area of 200 to 2,000 m 2 / g or a density of 0.01 to 1.5 g / cm 3 .

本発明によるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の形状または寸法に対する制限はないことに留意されたい。好ましい一実施形態では、固体グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体から、100nm以上および10cm以下の厚さと、少なくとも1メートルの長さ、好ましくは少なくとも2メートル、さらに好ましくは少なくとも10メートル、最も好ましくは少なくとも100メートルの長さとを有する連続長のロールシート形態(連続発泡体シートのロール)が作製される。このシートロールは、ロールツーロールプロセスによって製造される。シートロール形態に形成される従来技術のグラフェンベースの発泡体は存在しない。純粋または不純なもののいずれかのグラフェン発泡体を連続長で製造するためのロールツーロールプロセスを有することが可能であると従来見出されたり示唆されたりしたことはない。   It should be noted that there is no limitation on the shape or size of the graphene-carbon hybrid foam according to the present invention. In a preferred embodiment, from solid graphene-carbon hybrid foam, a thickness of 100 nm or more and 10 cm or less and a length of at least 1 meter, preferably at least 2 meters, more preferably at least 10 meters, most preferably at least 100 meters A roll sheet form of continuous length (roll of continuous foam sheet) having a length of This sheet roll is manufactured by a roll-to-roll process. There is no prior art graphene based foam formed in sheet roll form. It has not previously been found or suggested that it is possible to have a roll-to-roll process to produce either pure or impure graphene foams in continuous length.

温度管理または導電性ベース用途の場合、グラフェン−炭素発泡体は、好ましくは1重量%未満の酸素含有量または非炭素含有量を有し、細孔壁は、0.35nm未満のグラフェン間隔、単位比重当たり少なくとも250W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり2,500S/cm以上の導電率を有する積層グラフェン面を有する。   For thermal management or conductive based applications, the graphene-carbon foam preferably has an oxygen content or non-carbon content of less than 1% by weight, and the pore walls have graphene spacings less than 0.35 nm, units It has a laminated graphene surface having a thermal conductivity of at least 250 W / mK per specific gravity, and / or a conductivity of 2,500 S / cm or higher per unit specific gravity.

さらなる好ましい一実施形態では、グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、0.01重量%未満の酸素含有量または非炭素含有量を有し、上記細孔壁は、0.34nm未満のグラフェン間隔、単位比重当たり少なくとも300W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり3,000S/cm以上の導電率を有する積層グラフェン面を含む。   In a further preferred embodiment, the graphene-carbon hybrid foam has an oxygen content or non-carbon content of less than 0.01% by weight, the pore walls have a graphene spacing less than 0.34 nm, unit specific gravity It comprises a laminated graphene surface having a thermal conductivity of at least 300 W / mK and / or a conductivity of 3,000 S / cm or more per unit specific gravity.

さらに別の好ましい一実施形態では、グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、0.01重量%以下の酸素含有量または非炭素含有量を有し、上記細孔壁は、0.336nm未満のグラフェン間隔、0.7以下のモザイクスプレッド値、単位比重当たり少なくとも350W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり3,500S/cm以上の導電率を有する積層グラフェン面を含む。   In yet another preferred embodiment, the graphene-carbon hybrid foam has an oxygen content or non-carbon content of 0.01 wt% or less, and the pore walls have a graphene spacing less than 0.336 nm, It includes laminated graphene surfaces having mosaic spread values of 0.7 or less, thermal conductivity of at least 350 W / mK per unit specific gravity, and / or conductivity of 3,500 S / cm or more per unit specific gravity.

さらに別の好ましい一実施形態では、グラフェン発泡体は、0.336nm未満のグラフェン間隔、0.4以下のモザイクスプレッド値、単位比重当たり400W/mKを超える熱伝導率、および/または単位比重当たり4,000S/cmを超える導電率を有する積層グラフェン面を含む細孔壁を有する。   In yet another preferred embodiment, the graphene foam has a graphene spacing of less than 0.336 nm, a mosaic spread value of 0.4 or less, a thermal conductivity of more than 400 W / mK per unit specific gravity, and / or 4 per unit specific gravity It has a pore wall including a laminated graphene surface having a conductivity of over 1,000 S / cm.

好ましい一実施形態では、細孔壁は、0.337nm未満のグラフェン間隔および1.0未満のモザイクスプレッド値を有する積層グラフェン面を含む。好ましい一実施形態では、グラフェン発泡体は、80%以上(好ましくは90%以上)の黒鉛化度、および/または0.4未満のモザイクスプレッド値を示す。好ましい一実施形態では、細孔壁は、相互接続されたグラフェン面の3Dネットワークを含む。   In a preferred embodiment, the pore wall comprises laminated graphene planes having graphene spacings less than 0.337 nm and mosaic spread values less than 1.0. In a preferred embodiment, the graphene foam exhibits a degree of graphitization of 80% or more (preferably 90% or more), and / or a mosaic spread value of less than 0.4. In a preferred embodiment, the pore wall comprises a 3D network of interconnected graphene planes.

好ましい一実施形態では、固体グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、2nm〜50nmの孔径を有するメソスケールの細孔を含む。固体グラフェン発泡体は、ミクロンスケールの細孔(1〜500μm)含むように作製することもできる。   In a preferred embodiment, the solid graphene-carbon hybrid foam comprises mesoscale pores having a pore size of 2 nm to 50 nm. Solid graphene foams can also be made to include micron-scale pores (1-500 μm).

本発明は、本発明による3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を油吸収要素として含む油除去装置または油分離装置も提供する。その3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を溶媒吸収要素として含む溶媒除去装置または溶媒分離装置も提供される。   The invention also provides an oil removal device or oil separation device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam according to the invention as an oil absorbing element. Also provided is a solvent removal or separation device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam as a solvent absorbing element.

本発明は、油−水混合物(例えば油が流出した水、またはオイルサンドからの廃水)から油を分離する方法も提供する。この方法は、(a)一体型グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む油吸収要素を提供するステップと、(b)油−水混合物を、上記要素と接触させて、上記要素に混合物から油を吸収させるステップと、(c)上記要素を混合物から取り出して、上記要素から油を抽出するステップとを含む。好ましくは、この方法は、上記要素を再利用するさらなるステップ(d)を含む。   The invention also provides a method of separating oil from an oil-water mixture (e.g. water from which the oil has drained, or wastewater from the oil sands). The method comprises the steps of (a) providing an oil absorbing element comprising an integrated graphene-carbon hybrid foam, and (b) contacting an oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture into the element. And (c) removing the component from the mixture and extracting oil from the component. Preferably, the method comprises the further step (d) of recycling said element.

さらに、本発明は、溶媒−水混合物から、または複数の溶媒の混合物から有機溶媒を分離する方法を提供する。この方法は、(a)一体型グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む有機溶媒吸収要素を提供するステップと、(b)上記要素を、有機溶媒−水混合物、または第1の溶媒および少なくとも第2の溶媒を含む複数の溶媒の混合物と接触させるステップと、(c)この要素に、混合物から有機溶媒を吸収させる、または少なくとも第2の溶媒から第1の溶媒を吸収させるステップと、(d)上記要素を混合物から取り出し、上記要素から有機溶媒または第1の溶媒を抽出するステップとを含む。好ましくは、この方法は、上記要素を再利用するさらなるステップ(e)を含む。   Furthermore, the invention provides a method of separating an organic solvent from a solvent-water mixture or from a mixture of solvents. The method comprises the steps of (a) providing an organic solvent absorbing element comprising an integrated graphene-carbon hybrid foam, and (b) the element being an organic solvent-water mixture, or a first solvent and at least a second solvent. Contacting with a mixture of solvents including the solvent, (c) allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture, or absorbing the first solvent from at least the second solvent, and (d) above. Removing the element from the mixture and extracting the organic solvent or the first solvent from the element. Preferably, the method comprises the further step (e) of recycling the element.

時間のかかる化学酸化/インターカレーション、洗浄、および高温剥離手順を伴う、最も一般に使用される従来技術の高酸化NGPの製造方法を示すフローチャートである。Figure 2 is a flow chart showing the most commonly used prior art method of producing highly oxidized NGP with time consuming chemical oxidation / intercalation, cleaning, and high temperature exfoliation procedures. 一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を製造するための本発明による方法を示すフローチャートである。1 is a flow chart showing a method according to the invention for producing an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam. 熱によって誘導されるポリマーから炭素への変換の概略図であり、これによってグラフェンシートが互いに結合して3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体が形成される。グラフェン被覆ポリマー粒子の圧密構造は高多孔質構造に変換される。FIG. 2 is a schematic diagram of a thermally induced conversion of polymer to carbon whereby graphene sheets are bonded together to form a 3D graphene-carbon hybrid foam. The consolidated structure of the graphene coated polymer particles is converted to a highly porous structure. 3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の内部構造のSEM画像である。It is a SEM image of the internal structure of 3D graphene-carbon hybrid foam. 別の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の内部構造のSEM画像である。FIG. 6 is a SEM image of the internal structure of another 3D graphene-carbon hybrid foam. 本発明による方法によって製造された3D一体型グラフェン−炭素発泡体、メソフェーズピッチ由来の黒鉛発泡体、およびNi発泡体テンプレート支援CVDグラフェン発泡体の熱伝導率値対比重である。FIG. 7 is the thermal conductivity values versus specific gravity of 3D integrated graphene-carbon foam, mesophase pitch-derived graphite foam, and Ni foam template-assisted CVD graphene foam produced by the method according to the present invention. 3Dグラフェン−炭素発泡体および熱水還元されたGOグラフェン発泡体の熱伝導率値である。FIG. 7 is the thermal conductivity value of 3D graphene-carbon foam and hydrothermally reduced GO graphene foam. 最終(最高)熱処理温度の関数としてプロットした3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体および純粋なグラフェン発泡体(発泡剤を加えてキャスティングし、次いで熱処理することによって作製した)の熱伝導率値である。FIG. 7 is the thermal conductivity value of 3D graphene-carbon hybrid foam and pure graphene foam (made by adding blowing agent and casting followed by heat treatment) plotted as a function of final (maximum) heat treatment temperature. 3Dグラフェン−炭素発泡体および熱水還元されたGOグラフェン発泡体の導電率値である。FIG. 10 is conductivity values of 3D graphene-carbon foam and hydrothermally reduced GO graphene foam. 約98%の多孔率レベルを有する発泡体中の酸素含有量の関数としてプロットした一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体1グラム当たりに吸収された油の量である(油−水混合物からの油の分離)。The amount of oil absorbed per gram of integrated 3D graphene-carbon hybrid foam plotted as a function of oxygen content in the foam having a porosity level of about 98% (oil from oil-water mixture Separation). 多孔率レベル(同じ酸素含有量の場合)の関数としてプロットした一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体1グラム当たりに吸収された油の量である。The amount of oil absorbed per gram of integrated 3D graphene-carbon hybrid foam plotted as a function of porosity level (for the same oxygen content). フッ素化度の関数としてプロットしたクロロホルム−水混合物から吸収されたクロロホルムの量である。The amount of chloroform absorbed from a chloroform-water mixture plotted as a function of degree of fluorination. ヒートシンク構造(2つの例)の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of a heat sink structure (two examples).

本発明は、黒鉛材料の粒子およびポリマーの粒子から一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を直接製造する方法を提供する。   The present invention provides a method of directly producing integrated 3D graphene-carbon hybrid foams from particles of graphite material and particles of polymer.

図2(A)に概略的に示されるように、この方法は、黒鉛材料の複数の粒子と、固体ポリマー担体材料の複数の粒子とを混合して混合物を形成することから開始し、この混合物が、エネルギー衝突装置(例えば、振動ボールミル、遊星ボールミル、高エネルギーミル、バスケットミル、アジテーターボールミル、クライオボールミル、マイクロボールミル、タンブラーボールミル、連続ボールミル、撹拌ボールミル、加圧ボールミル、フリーザーミル、振動ふるい、ビーズミル、ナノビーズミル、超音波ホモジナイザーミル、遠心分離遊星ミキサー、真空ボールミル、または共鳴音響ミキサー)の衝突チャンバ中に密閉される。運転中、このエネルギー衝突装置は、中に含まれる固体粒子に運動エネルギーを与えて、高強度および高頻度でポリマー粒子を黒鉛粒子上に衝突させることができる。   As schematically shown in FIG. 2 (A), the method starts with mixing a plurality of particles of graphite material and a plurality of particles of solid polymer carrier material to form a mixture, the mixture Energy collision devices (eg, vibration ball mill, planetary ball mill, high energy mill, basket mill, agitator ball mill, cryo ball mill, micro ball mill, tumbler ball mill, continuous ball mill, stirred ball mill, pressure ball mill, freezer mill, vibratory sieve, bead mill , Nanobeads Mill, Ultrasonic Homogenizer Mill, Centrifuge Planetary Mixer, Vacuum Ball Mill, or Resonant Acoustic Mixer) in a collision chamber. During operation, the energy collision device can impart kinetic energy to solid particles contained therein to cause polymer particles to collide on graphite particles with high strength and frequency.

典型的な運転条件では、このような衝突事象によって、黒鉛材料からグラフェンシートが剥離し、それらのグラフェンシートが固体ポリマー担体粒子の表面に移動する。これらのグラフェンシートはポリマー粒子を包み込んで、衝突チャンバ内部でグラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を形成する。本明細書ではこれを「直接移動」プロセスと呼び、任意の第3の要素を媒介することなく、グラフェンシートが黒鉛粒子からポリマー粒子の表面に直接移動することを意味する。   Under typical operating conditions, such collision events cause the graphene sheets to delaminate from the graphite material and transfer them to the surface of the solid polymer carrier particles. These graphene sheets wrap around the polymer particles to form graphene coated polymer particles or graphene embedded polymer particles inside the collision chamber. This is referred to herein as the "direct transfer" process, which means that the graphene sheet moves directly from the graphite particles to the surface of the polymer particles without mediating any third factor.

あるいは、エネルギー衝突装置の衝突チャンバに複数の衝突ボールまたは媒体を加えることができる。衝突装置によって加速されたこれらの衝突ボールは、黒鉛粒子からグラフェンシートを剥離するのに好都合な角度において高い運動エネルギーで黒鉛粒子の表面/エッジに衝突する。これらのグラフェンシートは、これらの衝突ボールの表面に一時的に移動する。これらのグラフェンを支持する衝突ボールは、続いて、ポリマー粒子と衝突し、支持されたグラフェンシートはこれらのポリマー粒子の表面に移動する。この一連の事象を本明細書では「間接移動」プロセスと呼ぶ。これらの事象は非常に高頻度で発生し、したがって、典型的には1時間未満でほとんどのポリマー粒子がグラフェンシートで覆われる。間接移動プロセスの幾つかの実施形態では、ステップ(c)は、グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子から衝突ボールまたは媒体を分離するために磁石を操作するステップを含む。   Alternatively, multiple collision balls or media can be added to the collision chamber of the energy collision device. These collision balls accelerated by the collision device collide with the surface / edge of the graphite particles with high kinetic energy at an angle that is favorable for peeling the graphene sheet from the graphite particles. These graphene sheets move temporarily to the surface of these collision balls. The collision balls supporting these graphenes subsequently collide with the polymer particles, and the supported graphene sheets move to the surface of these polymer particles. This series of events is referred to herein as the "indirect transfer" process. These events occur very frequently, so most polymer particles are typically covered with graphene sheets in less than one hour. In some embodiments of the indirect transfer process, step (c) comprises manipulating the magnet to separate the impacting ball or medium from the graphene coated polymer particles or graphene embedded polymer particles.

次いでこの方法は、グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を衝突チャンバから回収するステップと、グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子をグラフェン−ポリマー複合物構造の所望の形状に固化させるステップとを含む。この固化ステップは、グラフェン被覆粒子またはグラフェン埋め込み粒子を所望の形状に単に機械的に充填する圧密ステップのように単純であってよい。あるいは、この固化ステップは、ポリマー粒子を溶融させて、グラフェンシートが中に分散したポリマーマトリックスを形成するステップを伴うことができる。このようなグラフェン−ポリマー構造は、あらゆる実際的な形状または寸法(繊維、ロッド、板、円筒、またはあらゆる規則的な形状もしくは不揃いの形状)であってよい。   The method then includes recovering the graphene coated polymer particles or graphene embedded polymer particles from the collision chamber, and solidifying the graphene coated polymer particles or graphene embedded polymer particles into the desired shape of the graphene-polymer composite structure . This solidification step may be as simple as a consolidation step which simply mechanically fills the graphene coated particles or graphene embedded particles into the desired shape. Alternatively, the solidifying step may involve melting the polymer particles to form a polymer matrix having graphene sheets dispersed therein. Such graphene-polymer structures may be of any practical shape or size (fibers, rods, plates, cylinders, or any regular shape or irregular shape).

図3(A)および3(B)に示すように、グラフェン−ポリマーコンパクトまたは複合構造は、次いで熱分解させることで、ポリマーが、グラフェンシートに結合する炭素または黒鉛に熱的に変換されて、一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体が形成される。   As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), the graphene-polymer compact or composite structure is then pyrolyzed to thermally convert the polymer to carbon or graphite that bonds to the graphene sheet, An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam is formed.

得られたグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の炭素成分を形成するために、高炭素収率または炭収率を有するポリマー粒子(例えば、ポリマーの>30重量%が、揮発性のガスの一部となる代わりに、固体炭素相に変換される)を選択することができる。高炭素収率ポリマーは、フェノール樹脂、ポリフルフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、それらのコポリマー、それらのポリマーブレンド、またはそれらの組合せから選択することができる。熱分解させると、これらのポリマーの粒子は、図2(B)の下部分に示されるような多孔質となる。   Polymer particles with high carbon or carbon yield (eg,> 30% by weight of the polymer become part of the volatile gas) to form the carbon component of the resulting graphene-carbon hybrid foam Alternatively, it can be selected to be converted to a solid carbon phase. High carbon yield polymers include phenolic resins, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimides, polyamides, polyoxadiazoles, polybenzoxazoles, polybenzobisoxazoles, polythiazoles, polybenzothiazoles, polybenzobisthiazoles, poly (p -Phenylenevinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. When pyrolyzed, the particles of these polymers become porous as shown in the lower part of FIG. 2 (B).

より少ない炭素含有量(炭素比率に対してより高いグラフェン比率)およびより低い発泡体密度がグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体に望まれる場合、ポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン(ABS)、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリジエン(poly vinylidiene fluoride)(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、それらのコポリマー、それらのポリマーブレンド、またはそれらの組合せから選択される低炭素収率ポリマーを含むことができる。熱分解させると、これらのポリマーの粒子は、図2(B)の中央部分に示されるような多孔質となる。   If lower carbon content (higher graphene to carbon ratio) and lower foam density are desired for graphene-carbon hybrid foam, the polymer may be polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, acrylonitrile -Butadiene (ABS), polyester, polyvinyl alcohol, poly vinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene oxide (PPO), polymethyl methacrylate (PMMA), their copolymers, they Low carbon yield polymers selected from polymer blends of the foregoing, or combinations thereof. When pyrolyzed, the particles of these polymers become porous as shown in the central portion of FIG. 2 (B).

これらのポリマー(高炭素収率および低炭素収率の両方)は、300〜2,500℃の温度で加熱すると、炭素材料に変換され、これはグラフェンシートのエッジ付近で優先的に核を形成する。このような炭素材料は、グラフェンシート間の間隙を自然に埋めて、相互接続された電子伝導経路を形成する。実際には、結果として得られるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、炭素が結合したグラフェンシートの一体型3Dネットワークから構成され、これによって中断せずにグラフェンシートまたは領域の間の電子およびフォノン(量子化格子振動)の連続輸送が可能となる。2,500℃よりも高温にさらに加熱すると、炭素相が黒鉛化して、導電率および熱伝導率の両方がさらに増加しうる。黒鉛化時間が1時間を超える場合は、非炭素元素の量も典型的には1重量%未満まで減少する。   These polymers (both high and low carbon yields) are converted to carbon materials when heated at temperatures of 300 to 2,500 ° C., which preferentially nucleate near the edge of the graphene sheet Do. Such carbon materials naturally fill the gaps between the graphene sheets to form interconnected electron conduction pathways. In fact, the resulting graphene-carbon hybrid foam is composed of an integrated 3D network of carbon-bonded graphene sheets, which allows the electrons and phonons (quantization between graphene sheets or regions without interruption) Continuous transport of lattice vibration). Further heating to temperatures above 2,500 ° C. can graphitize the carbon phase and further increase both conductivity and thermal conductivity. If the graphitization time exceeds one hour, the amount of non-carbon elements also typically decreases to less than 1% by weight.

有機ポリマーは、典型的には顕著な量の非炭素元素を含み、これは熱処理によって減少させたりなくしたりすることが可能なことに留意されたい。したがって、ポリマーの熱分解によって、COおよびHOなどの揮発性ガス分子の形成および発生が起こり、これによって、結果として得られるポリマー炭素相中に細孔が形成される。しかし、ポリマーが炭化するときに抑制されなければ、このような細孔は崩壊する傾向も強い(非炭素元素が放出されるときに、炭素構造が収縮することがある)。本発明者らは、驚くべきことに、ポリマー粒子を包み込むグラフェンシートは、炭素細孔壁の崩壊を抑制できることを発見した。一方、一部の炭素種は、グラフェンシート間の間隙への浸透も起こり、そこでこれらの炭素種がグラフェンシートを互いに結合させる。結果として得られる3D一体型グラフェン発泡体の孔径および細孔容積(多孔率レベル)は、主として、出発ポリマーのサイズおよびポリマーの炭素収率によって決定される。 It should be noted that the organic polymer typically contains significant amounts of non-carbon elements, which can be reduced or eliminated by heat treatment. Thus, pyrolysis of the polymer results in the formation and generation of volatile gas molecules such as CO 2 and H 2 O, which results in the formation of pores in the resulting polymer carbon phase. However, such pores are also more prone to collapse if unrestrained when the polymer is carbonized (the carbon structure may shrink when non-carbon elements are released). The present inventors have surprisingly found that graphene sheets that wrap polymer particles can suppress the collapse of carbon pore walls. On the other hand, some carbon species also penetrate into the interstices between the graphene sheets, where these carbon species bond the graphene sheets together. The pore size and pore volume (porosity level) of the resulting 3D-integrated graphene foam is mainly determined by the size of the starting polymer and the carbon yield of the polymer.

グラフェンシートの供給源としての黒鉛材料は、天然黒鉛、合成黒鉛、高配向熱分解黒鉛、黒鉛繊維、黒鉛ナノファイバ、フッ化黒鉛、酸化黒鉛、化学修飾黒鉛、剥離黒鉛、剥離し再圧縮した黒鉛、膨張黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、またはそれらの組合せから選択することができる。これに関して、本発明による方法に関連する幾つかのさらなる驚くべき要素がある:
(1)より重くより硬質の衝突ボール(例えば、ボールミル中に一般に使用される二酸化ジルコニウムまたは鋼のボールなど)を使用せずに、ポリマー粒子単独を使用することで、グラフェンシートを天然黒鉛から剥離することができる。剥離されたグラフェンシートは、ポリマー粒子表面に直接移動し、ポリマー粒子をしっかりと包み込む。
(2)衝突ポリマー粒子によって、非晶質炭素のスキン層を有することが知られているメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)などの人造黒鉛からグラフェンシートを剥離可能なことも驚くべきことである。
(3)より硬質の衝突ボールを使用することで、炭素または黒鉛繊維の内部構造を構成する炭素原子のグラフェン様の面も剥離して、ポリマー粒子表面に移動させることができる。このようなことは、従来技術では教示や示唆がなされていない。
(4)本発明は、従来技術のグラフェンシートの製造方法に関連する実質的に全ての欠点が回避される、非常に単純で、迅速で、規模の変更が可能であり、環境に優しく、費用対効果の高い方法を提供する。グラフェンシートは、直ちにポリマー粒子に移動してポリマー粒子を包み込み、次いでこれらは一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体に容易に変換される。
Graphite materials as a supply source of graphene sheets include natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fibers, graphite nanofibers, fluorinated graphite, graphite oxide, chemically modified graphite, exfoliated graphite, exfoliated and recompressed graphite , Expanded graphite, mesocarbon microbeads, or a combination thereof. In this regard, there are several additional surprising elements associated with the method according to the invention:
(1) Peeling graphene sheets from natural graphite by using polymer particles alone, without using heavier and harder collision balls (such as, for example, zirconium dioxide or steel balls commonly used in ball mills) can do. The exfoliated graphene sheet moves directly to the surface of the polymer particle and tightly wraps the polymer particle.
(2) It is also surprising that it is possible to exfoliate the graphene sheet from artificial graphite such as mesocarbon microbeads (MCMB), which are known to have a skin layer of amorphous carbon, by impacting polymer particles.
(3) By using a harder collision ball, the graphene-like surface of carbon atoms constituting the internal structure of carbon or graphite fiber can also be exfoliated and transferred to the surface of the polymer particle. Such a thing is not taught or suggested in the prior art.
(4) The present invention is very simple, fast, scaleable, environmentally friendly, costing that virtually all the drawbacks associated with the prior art graphene sheet manufacturing methods are avoided Provide a highly effective method. The graphene sheets are immediately transferred to the polymer particles to encapsulate the polymer particles, which are then easily converted to integral 3D graphene-carbon hybrid foams.

出発黒鉛がある程度(例えば2〜15重量%の酸素を含有する)まで意図的に酸化される場合、特定の所望の程度の親水性をグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の細孔壁に付与することができることに留意されたい。あるいは、炭化処理がわずかに酸化性の環境中で行われる場合に、酸素含有官能基を炭素相に結合させることができる。これらの特徴によって、油−水混合物から油を選択的に吸収することにより、水から油を分離することが可能となる。言い換えると、このようなグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体材料によって、水からの油の回収、油が流出した川、湖、または海の清浄化の促進が可能となる。油吸収能力は、典型的には発泡体の自重の50%〜500%である。これは、環境保護の目的のために驚くほど有用な材料である。   If the starting graphite is purposely oxidized to a certain extent (eg containing 2 to 15% by weight of oxygen), imparting a desired desired degree of hydrophilicity to the pore walls of the graphene-carbon hybrid foam Note that you can. Alternatively, the oxygen containing functional group can be attached to the carbon phase when the carbonization process is performed in a slightly oxidizing environment. These characteristics make it possible to separate the oil from the water by selectively absorbing the oil from the oil-water mixture. In other words, such graphene-carbon hybrid foam materials allow for the recovery of oil from water, facilitating the cleaning of the river, lake, or sea from which the oil has spilled. Oil absorption capacity is typically 50% to 500% of the foam's own weight. This is a surprisingly useful material for environmental protection purposes.

高い導電率または熱伝導率が望まれる場合、黒鉛材料は、衝突チャンバ中に入れる前に化学処理または酸化処理があらかじめ行われていないインターカレートされず酸化されていない黒鉛材料から選択することができる。これとは別に、またはこれに加えて、グラフェン−炭素発泡体は、2,500℃よりも高い温度で黒鉛化処理を行うことができる。結果として得られる材料は、温度管理用途に(例えばフィン付きヒートシンク、熱交換器、またはヒートスプレッダの作製に使用するために、特に有用である)。   If high conductivity or thermal conductivity is desired, the graphite material should be selected from non-intercalated, non-oxidized graphite materials that have not been previously chemically or oxidized prior to entering the collision chamber. it can. Alternatively, or additionally, the graphene-carbon foam can be graphitized at temperatures greater than 2,500 ° C. The resulting material is particularly useful for thermal management applications (eg, for use in making finned heat sinks, heat exchangers, or heat spreaders).

グラフェン−炭素発泡体は、黒鉛化処理の最中および/または後に圧縮することができることに留意されたい。この作業によって、グラフェンシートの配向および多孔率の調節が可能となる。   It should be noted that the graphene-carbon foam can be compressed during and / or after the graphitization process. This operation enables adjustment of the orientation and porosity of the graphene sheet.

CuKcv放射線を備えたX線回折計を用いて、X線回折パターンを得た。回折ピークのシフトおよびブロードニングは、ケイ素粉末標準物質を用いて較正した。黒鉛化度gは、Meringの式d002=0.3354g+0.344(1−g)(式中、d002は、黒鉛またはグラフェン結晶のnmの単位での層間隔である)を用いてX線パターンから計算した。この式は、d002が約0.3440nm以下である場合にのみ有効である。0.3440nmを超えるd002を有するグラフェン発泡体壁は、グラフェン間隔を増加させるスペーサーとして機能する酸素またはフッ素を含有する官能基(グラフェン分子面の表面またはエッジ上の−F、−OH、>O、および−COOHなど)の存在を反映している。 X-ray diffraction patterns were obtained using an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. Diffraction peak shifts and broadening were calibrated using silicon powder standards. The degree of graphitization g is X-ray using Mering's equation d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1-g) (wherein, d 002 is the layer spacing in nm of graphite or graphene crystal) Calculated from the pattern. This equation is valid only when d 002 is about 0.3440 nm or less. Graphene foam walls with d 002 greater than 0.3440 nm are oxygen or fluorine containing functional groups that function as spacers to increase the graphene spacing (-F, -OH,> O on the surface or edge of the graphene molecular plane , And -COOH etc.).

グラフェンの発泡体壁中の積層し結合したグラフェン面、および従来の黒鉛結晶の秩序度を特徴付けるために使用できる別の構造指標は、(002)または(004)反射のロッキングカーブ(X線回折強度)の半値全幅によって表される「モザイクスプレッド」である。この秩序度によって、黒鉛またはグラフェンの結晶サイズ(または結晶粒度)、結晶粒界および別の欠陥の量、好ましい結晶粒配向の程度が特徴付けられる。黒鉛のほぼ完全な単結晶は、0.2〜0.4のモザイクスプレッド値を有することを特徴とする。本発明者らのほとんどのグラフェン壁は、この0.2〜0.4の範囲内のモザイクスプレッド値を有する(2,500℃以上の熱処理温度(HTT)で製造した場合)。しかし、一部の値は、HTTが1,500〜2,500℃の間の場合で0.4〜0.7の範囲内であり、HTTが300〜1,500℃の間の場合で0.7〜1.0の範囲内である。   Stacked coupled graphene surfaces in graphene foam walls, and another structural indicator that can be used to characterize the degree of order of conventional graphite crystals, is the rocking curve (X-ray diffraction intensity of (002) or (004) reflection Is a "mosaic spread" represented by the full width at half maximum of This degree of order characterizes the crystal size (or grain size) of graphite or graphene, the amount of grain boundaries and other defects, and the degree of preferred grain orientation. An almost perfect single crystal of graphite is characterized by having a mosaic spread value of 0.2 to 0.4. Most of the graphene walls of the present inventors have mosaic spread values within this 0.2-0.4 range (when manufactured at a heat treatment temperature (HTT) of 2,500 ° C. or higher). However, some values are in the range of 0.4 to 0.7 for HTTs between 1,500 and 2,500 ° C and 0 for HTTs between 300 and 1,500 ° C. In the range of 7 to 1.0.

SEM、TEM、制限視野回折、X線回折、AFM、ラマン分光法、およびFTIRの組合せを用いたより詳細な研究によって、本発明のグラフェン発泡体壁は、幾つかの巨大なグラフェン面(長さ/幅が典型的には>>20nm、より典型的には>>100nm、多くの場合>>1μm、多くの場合>>10μm、またはさらには>>100μmである)から構成されることが示される。最終熱処理温度が2,500℃未満の場合、これらの巨大なグラフェン面は、厚さ方向(結晶学的c軸方向)に沿って、多くの場合(従来の黒鉛微結晶のような)ファンデルワールス力だけでなく、共有結合でも、積層して結合する。これらの場合、理論によって限定しようと望むものではないが、RamanおよびFTIR分光法の研究は、sp(支配的)およびsp(弱いが存在する)の電池配置の共存を示していると思われるが、黒鉛中では従来のspのみである。 The graphene foam wall of the present invention has several huge graphene planes (length / length) by more detailed studies using a combination of SEM, TEM, limited field diffraction, X-ray diffraction, AFM, Raman spectroscopy and FTIR It is shown that the width is typically composed of >> 20 nm, more typically >> 100 nm, often >> 1 μm, often >> 10 μm, or even >> 100 μm) . When the final heat treatment temperature is less than 2,500 ° C., these large graphene planes are often van der (like conventional graphite microcrystals) along the thickness direction (crystallographic c-axis direction) Not only Waals force but also covalent bond is laminated and bonded. In these cases, without wishing to be limited by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies seem to indicate the coexistence of sp 2 (dominant) and sp 3 (weak is present) cell configurations However, in graphite, it is only conventional sp 2 .

本発明の一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、複数の細孔および細孔壁から構成され、細孔壁は、1/100〜1/2の炭素材料対グラフェン重量比を有する炭素材料によって化学結合した単層または数層グラフェンシートを含み、数層グラフェンシートは、X線回折によって測定して0.3354nm〜0.36nmの面間隔d002を有する2〜10層の積層グラフェン面を有し、単層または数層グラフェンシートは、実質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料、または0.01重量%〜25重量%の非炭素元素(より典型的には<15%)を有する不純グラフェン材料を含み、不純グラフェンは、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、またはそれらの組合せから選択される。下にあるポリマー粒子を取り囲む複数の単層または数層グラフェンは、互いに重なり合ってグラフェンシートの積層体を形成することができる。この積層体は、厚さが5nmを超えることができ、幾つかの場合では10nmを超えることができ、さらには100nmを超えることができる。 The integrated 3D graphene-carbon hybrid foam of the present invention is composed of a plurality of pores and pore walls, wherein the pore walls are made of a carbon material having a carbon material to graphene weight ratio of 1/100 to 1/2. Chemically bonded single-layer or multi-layer graphene sheets, which have 2 to 10 layers of stacked graphene planes with spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.36 nm, measured by X-ray diffraction Single-layer or few-layer graphene sheets are pure graphene materials with substantially 0% non-carbon elements, or 0.01% -25% by weight non-carbon elements (more typically <15%) Impure graphene material having impure graphene material), impure graphene material is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, It is selected from phen, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof. The plurality of single-layer or multi-layer graphenes surrounding the underlying polymer particles can overlap one another to form a stack of graphene sheets. The laminate can have a thickness of more than 5 nm, in some cases more than 10 nm, and even more than 100 nm.

その一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、典型的には、0.001〜1.7g/cmの密度、50〜3,000m/gの比表面積、単位比重当たり少なくとも200W/mKの熱伝導率、および/または2,000S/cm以上の導電率を有する。好ましい一実施形態では、細孔壁は、X線回折によって測定して0.3354nm〜0.40nmの面間隔d002を有する積層グラフェン面を含む。 The integral 3D graphene-carbon hybrid foam typically has a density of 0.001 to 1.7 g / cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,000 m 2 / g, at least 200 W / m K per unit specific gravity. It has a thermal conductivity and / or a conductivity of 2,000 S / cm or more. In a preferred embodiment, the pore wall comprises laminated graphene planes having an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm as measured by X-ray diffraction.

本発明のグラフェンシートの多くは、共有結合によってエッジ間で互いに合体して、一体化したグラフェン要素となることができる。これらの合体していないシートまたは合体したより短いシートの自由端の間の間隙は、ポリマーから変換した炭素相によって結合する。これらの独特の化学組成(酸素またはフッ素含有量などを含む)、形態、結晶構造(グラフェン間隔を含む)、および構造的特徴(例えば、配向角、数個の欠陥、化学結合、およびグラフェンシート間に間隙がないこと、ならびにグラフェン面方向に沿って実質的に中断がないこと)のために、本発明のグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、顕著な熱伝導率、導電率、機械的強度、および剛性(弾性率)の独特の組合せを有する。   Many of the graphene sheets of the present invention can be coalesced with one another by covalent bonds into an integrated graphene element. The gaps between the free ends of these non-coalescent sheets or coalesced shorter sheets are bound by the carbon phase converted from the polymer. Their unique chemical composition (including oxygen or fluorine content, etc.), morphology, crystal structure (including graphene spacing), and structural features (eg, orientation angle, several defects, chemical bonds, and graphene sheets) The graphene-carbon hybrid foam according to the present invention has remarkable thermal conductivity, conductivity, mechanical strength, and It has a unique combination of stiffness (modulus of elasticity).

温度管理用途
上記の特徴および特性によって、その一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、多岐にわたる工学および生物医学用途での理想的な要素となる。例えば、温度管理の目的単独の場合、グラフェン−炭素発泡体は以下の用途に使用することができる:
a)圧縮可能で高熱伝導率であるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、熱源とヒートスプレッダとの間、または熱源とヒートシンクとの間に組み込むことができる熱界面材料(TIM)としての使用に理想的である。
b)そのハイブリッド発泡体は、その高熱伝導率のためにそれ自体をヒートスプレッダとして使用することができる。
c)そのハイブリッド発泡体は、その高い熱拡散能力(高熱伝導率)および高い放熱能力(多量の空気対流ミクロまたはナノチャネルが得られる多数の表面細孔)のためにヒートシンクまたは放熱材料として使用することができる。
d)軽量(0.001〜1.8g/cmの間で調節可能な低密度)、単位比重当たりもしくは単位物理的密度当たりの高い熱伝導率、および高い構造的完全性(グラフェンシートは炭素によって結合している)のために、このハイブリッド発泡体は耐久性熱交換器の理想的な材料となる。
Thermal Management Applications The above features and characteristics make the integrated 3D graphene-carbon hybrid foam an ideal element in a wide variety of engineering and biomedical applications. For example, for thermal management purposes alone, graphene-carbon foam can be used for the following applications:
a) Compressible, high thermal conductivity graphene-carbon hybrid foam is ideal for use as a thermal interface material (TIM) that can be incorporated between a heat source and a heat spreader or between a heat source and a heat sink is there.
b) The hybrid foam can itself be used as a heat spreader due to its high thermal conductivity.
c) The hybrid foam is used as a heat sink or heat dissipating material because of its high heat diffusive capacity (high thermal conductivity) and high heat dissipating capacity (many surface pores where a large amount of air convection micro or nano channels can be obtained) be able to.
d) Light weight (low density adjustable between 0.001 and 1.8 g / cm 3 ), high thermal conductivity per unit specific gravity or per unit physical density, and high structural integrity (graphene sheet is carbon This hybrid foam is an ideal material for durable heat exchangers.

そのグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体に基づく温度管理装置または放熱装置としては、熱交換器、ヒートシンク(例えばフィン付きヒートシンク)、ヒートパイプ、高伝導性インサート、薄いまたは厚い伝導板(ヒートシンクと熱源との間)、熱界面媒体(または熱界面材料TIM)、熱電冷却板またはペルチェ冷却板などが挙げられる。   Thermal management devices or heat dissipation devices based on the graphene-carbon hybrid foams include heat exchangers, heat sinks (eg finned heat sinks), heat pipes, highly conductive inserts, thin or thick conductive plates (between heat sinks and heat sources A thermal interface medium (or thermal interface material TIM), a thermoelectric cooler plate or a Peltier cooler plate, and the like.

熱交換器は、1つまたは複数の流体の間で熱を伝達するために使用される装置であり、例えば気体および液体が、別々に異なるチャネル中に流される。複数の流体は、典型的には混合を防止するために固体の壁によって分離される。発泡体が、流体の混合が可能となる全体的にオープンセルの発泡体とならないのであれば、本発明によるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体材料は、このような壁の理想的な材料である。本発明による方法によって、オープンセルおよびクローズドセルの両方の発泡体構造の製造が可能となる。高表面細孔面積によって、2つまたは複数の流体の間での熱の非常に迅速な交換が可能となる   A heat exchanger is a device used to transfer heat between one or more fluids, for example gases and liquids are flowed separately into different channels. Multiple fluids are typically separated by solid walls to prevent mixing. The graphene-carbon hybrid foam material according to the invention is an ideal material for such a wall, provided that the foam does not become a totally open cell foam allowing fluid mixing. The process according to the invention allows the production of both open and closed cell foam structures. High surface pore area allows very rapid exchange of heat between two or more fluids

熱交換器は、冷却システム、空調装置、ヒーター、発電所、化学プラント、石油化学プラント、石油精製所、天然ガス処理、および下水処理に広く使用される。熱交換器の周知の例は、内燃機関中に見ることができ、この場合、循環するエンジン冷却液はラジエーターコイルを通って流れ、一方、空気はコイルを通り過ぎて流れ、これによって冷却液は冷却され、流入する空気は加熱される。固体の壁(例えばラジエーターコイルを構成するもの)は、CuおよびAlなどの高熱伝導性材料で通常はできている。より高い熱伝導率またはより広い比表面積のいずれかを有する本発明によるグラフェン発泡体は、例えばCuおよびAlの優れた代替品となる。   Heat exchangers are widely used in refrigeration systems, air conditioners, heaters, power plants, chemical plants, petrochemical plants, petroleum refineries, natural gas treatment, and sewage treatment. A well-known example of a heat exchanger can be found in an internal combustion engine, where circulating engine coolant flows through the radiator coil while air flows past the coil, whereby the coolant is cooled And the incoming air is heated. Solid walls (e.g. constituting the radiator coil) are usually made of high thermal conductivity materials such as Cu and Al. Graphene foams according to the present invention, which have either higher thermal conductivity or a wider specific surface area, are excellent alternatives to, for example, Cu and Al.

市販されている多くの種類の熱交換器:シェルアンドチューブ式熱交換器、平板熱交換器、プレートアンドシェル式熱交換器、断熱ホイール熱交換器、平板フィン熱交換器、ピロープレート熱交換器、流体熱交換器、廃熱回収装置、ダイナミックスクレープドサーフェス熱交換器、相変化熱交換器、直接接触熱交換器、およびマイクロチャネル熱交換器が存在する。これらの種類の熱交換器のいずれも、本発明による発泡体材料の非常に高い熱伝導率および非常に大きい比表面積を利用することができる。   Many types of heat exchangers on the market: shell and tube heat exchangers, flat plate heat exchangers, plate and shell heat exchangers, adiabatic wheel heat exchangers, flat plate fin heat exchangers, pillow plate heat exchangers There are fluid heat exchangers, waste heat recovery devices, dynamic scraped surface heat exchangers, phase change heat exchangers, direct contact heat exchangers, and microchannel heat exchangers. Any of these types of heat exchangers can take advantage of the very high thermal conductivity and very large specific surface area of the foam material according to the invention.

本発明による固体グラフェン発泡体は、ヒートシンク中に使用することもできる。ヒートシンクは、放熱の目的で電子デバイス中に広く使用されている。携帯型マイクロ電子デバイス(ノートブックコンピュータ、タブレット、およびスマートフォンなど)の中の中央処理装置(CPU)および電池は、よく知られた熱源である。典型的には、金属または黒鉛の物体(例えばCu箔または黒鉛箔)を高温表面と接触させると、この物体によって、外部表面または外気への熱の放散が促進される(主として伝導および対流により、より少ない程度で放射による)。ほとんどの場合、熱源の高温表面とヒートスプレッダまたはヒートシンクの熱放散面との間に薄い熱界面材料(TIM)が介在する。   The solid graphene foam according to the invention can also be used in a heat sink. Heat sinks are widely used in electronic devices for the purpose of heat dissipation. Central processing units (CPUs) and batteries in portable microelectronic devices (such as notebook computers, tablets, and smartphones) are well known heat sources. Typically, when a metal or graphite body (e.g. Cu foil or graphite foil) is brought into contact with a high temperature surface, this body promotes the dissipation of heat to the external surface or to the outside air (mainly by conduction and convection) To a lesser extent by radiation). In most cases, a thin thermal interface material (TIM) is interposed between the high temperature surface of the heat source and the heat dissipating surface of the heat spreader or heat sink.

ヒートシンクは、通常は、冷却する部品との良好な熱的接触を保証するための1つ以上の平坦面と、空気との表面接触を増加させ、それによって放熱速度を増加させるためのくしまたはフィン状の突出部の配列とを有する高伝導性材料構造からなる。ヒートシンクは、ヒートシンク上の気流速度を増加させるためにファンとともに使用することができる。ヒートシンクは、熱伝達を改善するために複数のフィン(広いまたは突出した表面)を有することができる。空間の量が限定された電子デバイスでは、伝熱密度が最大となるように、フィンの形状/配置を最適化する必要がある。これとは別に、またはこれに加えて、隣接するフィンの間に形成される領域中にキャビティ(反転フィン)を組み込むことができる。これらのキャビティは、種々の発熱体からヒートシンクへの熱の抽出に有効である。   Heat sinks usually have one or more flat surfaces to ensure good thermal contact with the parts to be cooled, and combs or fins to increase the surface contact with air and thereby increase the heat release rate A highly conductive material structure having an array of lobes. The heat sink can be used with a fan to increase the airflow rate on the heat sink. The heat sink can have a plurality of fins (wide or protruding surfaces) to improve heat transfer. In electronic devices with a limited amount of space, it is necessary to optimize the fin shape / arrangement to maximize the heat transfer density. Alternatively or additionally, cavities (inverted fins) can be incorporated in the area formed between adjacent fins. These cavities are effective for extracting heat from the various heating elements to the heat sink.

典型的には、一体型ヒートシンクは、集熱部材(コアまたはベース)と、集熱部材(ベース)と一体となってフィン付きヒートシンクを形成する少なくとも1つの放熱部材(例えば1つのフィンまたは複数のフィン)とを含む。フィンおよびコアは、フィンをコアに接続するための外部から加えられる接着剤または機械的締結手段を使用せずに、本来接続または一体化されて、一体化した物体となる。集熱ベースは、熱源(例えばLED)と熱的に接触する表面を有し、この熱源から熱を収集し、フィンを介して空気中に熱を散逸させる。   Typically, the integrated heat sink comprises a heat collecting member (core or base) and at least one heat dissipating member (eg one fin or plurality of heat sinking members together with the heat collecting member (base) to form a finned heat sink And the fin). The fins and core are inherently connected or integrated into an integrated body without the use of externally applied adhesives or mechanical fastening means for connecting the fins to the core. The heat collection base has a surface in thermal contact with a heat source (e.g., an LED) to collect heat from the heat source and dissipate the heat into the air through the fins.

説明的な例として、図10は、2つのヒートシンク300および302の概略図を示している。その第1のものは、集熱部材(またはベース部材)304と、ベース部材304に接続された複数のフィンまたは放熱部材(例えばフィン306)とを含む。ベース部材304は、熱源と熱的に接触することが意図された集熱面314を有することが示されている。放熱部材またはフィン306は、少なくとも1つの放熱面320を有することが示されている。   As an illustrative example, FIG. 10 shows a schematic view of two heat sinks 300 and 302. The first includes a heat collecting member (or base member) 304 and a plurality of fins or heat dissipating members (eg, fins 306) connected to the base member 304. Base member 304 is shown to have a heat collecting surface 314 intended to be in thermal contact with the heat source. The heat dissipating member or fin 306 is shown to have at least one heat dissipating surface 320.

特に有用な一実施形態は、(a)集熱面318を含むベース308と、(b)ベース308によって支持されるまたはベース308と一体となる、複数の間隔を開けて平行に配置される平面状フィン部材(例えば2つの例として310、312)とを含む放射状フィン付きヒートシンクアセンブリを含む一体型放射状ヒートシンク302であり、平面状フィン部材(例えば310)は少なくとも1つの放熱面322を含む。複数の平行の平面状フィン部材は、好ましくは等間隔に配置される。   One particularly useful embodiment is: (a) a base 308 including a heat collecting surface 318; (b) a plurality of spaced apart parallel planes supported by or integral with the base 308. A radial finned heat sink assembly comprising a radial finned heat sink assembly including fin-like fin members (e.g. two examples 310, 312), the planar fin member (e.g. 310) comprising at least one heat dissipating surface 322; The plurality of parallel planar fin members are preferably equally spaced.

高い弾性および弾力性である本発明によるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、それ自体が良好な熱界面材料であり、非常に有効な熱拡散要素でもある。さらに、この高伝導性発泡体は、エレクトロニクスの冷却のため、および小型チップからヒートシンクへの熱除去の向上のためのインサートとして使用することもできる。高伝導性材料によって示される空間は大きな問題となるため、発熱体中に組み込むことができる高伝導性経路を利用することがより効果的な設計となる。本明細書に開示される弾性で高伝導性の固体グラフェン発泡体は、これらの要求に完全に適合する。   The graphene-carbon hybrid foam according to the invention, which is highly elastic and resilient, is itself a good thermal interface material and also a very effective thermal diffusion element. Furthermore, the high conductivity foam can also be used as an insert for cooling the electronics and for improving the heat removal from the small chip to the heat sink. Because the space presented by the high conductivity material is a major issue, it is a more effective design to take advantage of the high conductivity pathways that can be incorporated into the heating element. The elastic and highly conductive solid graphene foam disclosed herein fully meets these requirements.

高弾性および高熱伝導率のため、本発明による固体グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、冷却性能を改善するために熱源と低温流動流体(または任意の別のヒートシンク)との間の伝熱界面として配置される良好な伝導性厚板となる。このような配置では、熱源は、冷却流体と直接接触して冷却される代わりに、厚いグラフェン発泡体の板の下で冷却される。グラフェン発泡体の厚板は、最適な方法で熱流を伝導させる目的で熱源と冷却流体との間の熱伝達を顕著に改善することができる。追加のポンプ能力および追加の伝熱表面領域は不要である。   Due to high elasticity and high thermal conductivity, the solid graphene-carbon hybrid foam according to the invention is arranged as a heat transfer interface between a heat source and a low temperature flowing fluid (or any other heat sink) to improve the cooling performance Be a good conductive board. In such an arrangement, the heat source is cooled under a thick graphene foam plate instead of being cooled in direct contact with the cooling fluid. Graphene foam planks can significantly improve heat transfer between the heat source and the cooling fluid in order to conduct heat flow in an optimal manner. No additional pumping capacity and no additional heat transfer surface area is required.

その固体グラフェン発泡体は、ヒートパイプを構成するための優れた材料でもある。ヒートパイプは、高温および低温の界面の間を非常に小さい温度差で多量の熱を輸送するための2相作動流体または冷媒を使用する伝熱装置である。従来のヒートパイプは、CuまたはAlなどの熱伝導性金属でできた密封中空管と、蒸発器から凝縮器に作動流体を戻すウィックとからなる。このパイプは、作動流体(水、メタノール、またはアンモニア)の飽和液体および蒸気を含み、あらゆる他のガスは排除される。しかし、CuおよびAlの両方は酸化または腐食が起こりやすく、したがって、それらの性能は時間とともに比較的早く低下する。対照的に、本発明の固体グラフェン発泡体は、化学的に不活性であり、これらの酸化または腐食の問題はない。エレクトロニクスの温度管理用のヒートパイプは、固体グラフェン発泡体のエンベロープおよびウィックと、作動流体としての水とを有することができる。ヒートパイプが水の凝固点より低温で動作する必要がある場合はグラフェン/メタノールを使用することができ、間隙を介してエレクトロニクスを冷却する場合はグラフェン/アンモニアヒートパイプを使用することができる。   The solid graphene foam is also an excellent material for constructing heat pipes. A heat pipe is a heat transfer device that uses a two phase working fluid or refrigerant to transport large amounts of heat with very small temperature differentials between hot and cold interfaces. A conventional heat pipe consists of a sealed hollow tube made of a thermally conductive metal such as Cu or Al, and a wick which returns the working fluid from the evaporator to the condenser. This pipe contains saturated liquid and vapor of the working fluid (water, methanol or ammonia) and any other gases are excluded. However, both Cu and Al are susceptible to oxidation or corrosion, so their performance declines relatively quickly with time. In contrast, the solid graphene foams of the present invention are chemically inert and there are no problems with their oxidation or corrosion. Heat pipes for temperature control of electronics can have solid graphene foam envelopes and wicks, and water as the working fluid. Graphene / methanol can be used if the heat pipe needs to operate below the freezing point of water, or a graphene / ammonia heat pipe can be used to cool the electronics through the gap.

ペルチェ冷却板は、電流を印加することによって2つの異なる導電体の接合点の間に熱流束が生じるペルチェ効果によって動作する。この効果は、電子部品および小型機器の冷却に一般に使用される。実際には、必要な加熱または冷却の量まで効果を増大させるために、このような接合点の多くは直列に配置することができる。伝熱効率を改善するために、その固体グラフェン発泡体を使用することができる。   The Peltier cold plate operates by the Peltier effect where heat flux is generated between the junctions of two different conductors by applying an electric current. This effect is commonly used to cool electronic components and small devices. In practice, many such junctions can be arranged in series to increase the effectiveness to the amount of heating or cooling required. The solid graphene foam can be used to improve heat transfer efficiency.

濾過および流体吸収用途
本発明の固体グラフェン発泡体は、微細な細孔(<2nm)または2nm〜50nmの孔径を有するメソスケールの細孔を含むように製造することができる。本発明の固体グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、ミクロンスケールの細孔(1〜500μm)を含むように製造することもできる。十分に制御された孔径のみに基づいて、本発明のグラフェン−炭素発泡体は、空気または水の濾過のための優れたフィルター材料となりうる。
Filtration and Fluid Absorption Applications The solid graphene foams of the present invention can be made to include fine pores (<2 nm) or mesoscale pores with pore sizes of 2 nm to 50 nm. The solid graphene-carbon hybrid foam of the present invention can also be manufactured to include micron-scale pores (1 to 500 μm). Based solely on well-controlled pore sizes, the graphene-carbon foams of the present invention can be excellent filter materials for air or water filtration.

さらに、グラフェン細孔壁の化学的性質および炭素相の化学的性質は、グラフェンシートおよび炭素バインダー相のいずれかまたは両方に異なる量および/または種類の官能基を付与することで独立に制御することができる(例えば発泡体中のO、F、N、Hなどのパーセント値で反映される)。言い換えると、内部構造中の異なる位置における孔径および化学官能基の両方を同時にまたは独立して制御することで、多くの予期せぬ性質、相乗効果、および通常は相互に排他的であると考えられる幾つかの独特の性質の組合せ(例えば、構造のある部分は疎水性で、別の部分は親水性となる;または発泡体構造が疎水性および親油性の両方である)を示すグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の設計および製造において前例のない柔軟性または最高の自由度が得られる。表面または材料は、水がこの材料または表面からはじかれる場合に疎水性と呼ばれ、疎水性の表面または材料の上に水滴を載せると大きな接触角が形成される。表面または材料は、油に対して強い親和性を有し水に対して親和性を有さない場合に親油性と呼ばれる。本発明の方法は、疎水性、親水性、および親油性にわたって厳密に制御することができる。   Furthermore, the chemistry of the graphene pore walls and the chemistry of the carbon phase can be independently controlled by applying different amounts and / or types of functional groups to either or both of the graphene sheet and the carbon binder phase. (Eg, reflected in percent values such as O, F, N, H etc. in the foam). In other words, by simultaneously or independently controlling both the pore size and chemical functionality at different positions in the internal structure, it is believed that many unexpected properties, synergistic effects, and usually mutually exclusive. Graphene-carbon hybrids that exhibit a combination of several unique properties (eg, one part of the structure is hydrophobic and another part is hydrophilic; or the foam structure is both hydrophobic and lipophilic) Unprecedented flexibility or maximum freedom is obtained in foam design and manufacture. A surface or material is said to be hydrophobic when water is repelled from this material or surface, and a large contact angle is formed when a water droplet is placed on the hydrophobic surface or material. A surface or material is called lipophilic if it has a strong affinity for oil and no affinity for water. The methods of the present invention can be tightly controlled over hydrophobicity, hydrophilicity and lipophilicity.

本発明は、油吸収要素または油分離要素として本発明による3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む油除去装置、油分離装置、または油回収装置も提供する。溶媒吸収要素としてその3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む溶媒除去装置または溶媒分離装置も提供する。   The invention also provides an oil removal device, an oil separation device or an oil recovery device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam according to the invention as an oil absorption element or oil separation element. Also provided is a solvent removal or separation device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam as a solvent absorbing element.

油吸収要素としての本発明のグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の使用の大きな利点は、その構造的完全性である。グラフェンシートは炭素材料によって化学的に結合するという見解のため、得られる発泡体は油吸収作業を繰り返しても崩壊しない。対照的に、本発明者らは、熱水還元によって、真空支援濾過、または凍結乾燥によって作製されたグラフェンをベースとする油吸収要素は、2または3回の油の吸収後に崩壊することを発見した。これらの別の場合には分離するグラフェンシートを互いに保持するものは(最初に油と接触する前に存在する弱いファンデルワールス力以外には)全く存在しない。これらのグラフェンシートが油によってぬれると、これらはもはや油吸収要素の元の形状に戻ることはできない。   A major advantage of the use of the inventive graphene-carbon hybrid foam as an oil absorbing element is its structural integrity. Due to the notion that graphene sheets are chemically bonded by the carbon material, the resulting foam does not disintegrate upon repeated oil absorption operations. In contrast, we have found that graphene-based oil-absorbing elements made by hydrothermal reduction, vacuum-assisted filtration, or lyophilization disintegrate after two or three absorptions of oil did. In these other cases there is nothing to hold the separating graphene sheets together (other than the weak van der Waals forces present prior to first contact with the oil). When these graphene sheets get wet by oil, they can no longer return to the original shape of the oil absorbing element.

本発明の技術の別の大きな利点は、その構造形状を依然として維持しながら(顕著な膨張を引き起こさずに)、その自重の最大400倍までの油を吸収できる油吸収要素の設計および製造の柔軟性である。この量は、発泡体の比細孔体積に依存し、これは、熱処理前の元の担体ポリマー粒子の量と、グラフェンシートの量との間の比によって主に制御することができる。   Another great advantage of the technology of the present invention is the flexibility of the design and manufacture of an oil absorbing element that can absorb oil up to 400 times its own weight while still maintaining its structural shape (without causing significant swelling) It is sex. This amount depends on the specific pore volume of the foam, which can be mainly controlled by the ratio between the amount of original carrier polymer particles before heat treatment and the amount of graphene sheet.

本発明は、油−水混合物(例えば油が流出した水、またはオイルサンドからの廃水)から油を分離/回収する方法も提供する。この方法は、(a)一体型グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む油吸収要素を提供するステップと、(b)油−水混合物を、上記要素と接触させて、上記要素に混合物から油を吸収させるステップと、(c)油吸収要素を混合物から取り出して、上記要素から油を抽出するステップとを含む。好ましくは、この方法は、上記要素を再利用するさらなるステップ(d)を含む。   The invention also provides a method of separating / recovering oil from an oil-water mixture (e.g. water from which the oil has drained, or wastewater from an oil sand). The method comprises the steps of (a) providing an oil absorbing element comprising an integrated graphene-carbon hybrid foam, and (b) contacting an oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture into the element. And (c) removing the oil absorbing element from the mixture and extracting oil from the element. Preferably, the method comprises the further step (d) of recycling said element.

さらに、本発明は、溶媒−水混合物から、または複数の溶媒の混合物から有機溶媒を分離する方法を提供する。この方法は、(a)一体型グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む有機溶媒吸収要素を提供するステップと、(b)上記要素を、有機溶媒−水混合物、または第1の溶媒および少なくとも第2の溶媒を含む複数の溶媒の混合物と接触させるステップと、(c)この要素に、混合物から有機溶媒を吸収させる、または少なくとも第2の溶媒から第1の溶媒を吸収させるステップと、(d)上記要素を混合物から取り出し、上記要素から有機溶媒または第1の溶媒を抽出するステップとを含む。好ましくは、この方法は、溶媒吸収要素を再利用するさらなるステップ(e)を含む。   Furthermore, the invention provides a method of separating an organic solvent from a solvent-water mixture or from a mixture of solvents. The method comprises the steps of (a) providing an organic solvent absorbing element comprising an integrated graphene-carbon hybrid foam, and (b) the element being an organic solvent-water mixture, or a first solvent and at least a second solvent. Contacting with a mixture of solvents including the solvent, (c) allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture, or absorbing the first solvent from at least the second solvent, and (d) above. Removing the element from the mixture and extracting the organic solvent or the first solvent from the element. Preferably, the method comprises the further step (e) of recycling the solvent absorbing element.

以下の実施例は、本発明の実施の最良の形態に関する幾つかの特定の詳細を説明するために使用されるものであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。   The following examples are used to illustrate some particular details regarding the best mode of practice of the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention.

実施例1:ポリプロピレン粉末ベースの固体ポリマー担体を介したフレーク黒鉛からのグラフェン−炭素発泡体の製造
実験において、1kgのポリプロピレン(PP)ペレット、50グラムの50メッシュのフレーク黒鉛(平均粒度0.18mm;Asbury Carbons、Asbury NJ)、および250グラムの磁性鋼ボールを高エネルギーボールミル容器中に入れた。ボールミルを300rpmで2時間運転した。容器の蓋を取り外し、磁石でステンレス鋼ボールを除去した。ポリマー担体材料が暗色のグラフェン層で覆われたことが分かった。担体材料を50メッシュのふるいの上に置き、少量の未処理のフレーク黒鉛を除去した。
Example 1: Preparation of Graphene-Carbon Foam from Flakes Graphite via Solid Polymer Carrier Based on Polypropylene Powder In the experiment, 1 kg of polypropylene (PP) pellets, 50 grams of 50 mesh flake graphite (average particle size 0.18 mm) Asbury Carbons, Asbury NJ), and 250 grams of magnetic steel balls were placed in a high energy ball mill container. The ball mill was operated at 300 rpm for 2 hours. The lid of the container was removed and the stainless steel ball was removed with a magnet. It was found that the polymeric support material was covered with a dark graphene layer. The support material was placed on a 50 mesh screen to remove small amounts of untreated flake graphite.

次いで、被覆された担体材料の試料を80℃のテトラクロロエチレン中に24時間浸漬して、PPを溶解させて、グラフェンシートを有機溶媒中に分散させた。溶媒を除去した後、単離したグラフェンシート粉末を回収した(大部分が数層グラフェン)。残りの被覆された担体材料は、次いで金型キャビティ中で圧密してグリーンコンパクトを形成し、次いでこれを密閉したるつぼ中350℃において、次いで600℃において2時間で熱処理して、グラフェン−炭素発泡体を作製した。   Then, a sample of the coated support material was immersed in tetrachloroethylene at 80 ° C. for 24 hours to dissolve the PP and disperse the graphene sheet in the organic solvent. After removing the solvent, the isolated graphene sheet powder was recovered (mostly several layers of graphene). The remaining coated support material is then compacted in a mold cavity to form a green compact, which is then heat treated in a closed crucible at 350 ° C. and then at 600 ° C. for 2 hours for graphene-carbon foam The body was made.

別の実験において、同じバッチのPPペレットおよびフレーク黒鉛粒子(衝突鋼ボールは使用せず)を同じ高エネルギーボールミル容器中に入れ、ボールミルを同じ条件下で同じ時間運転した。これらの結果を、衝突ボールを用いた運転で得られた結果と比較した。PPを溶解させることでPP粒子から単離された単離グラフェンシートは、ほとんどが単層グラフェンである。このプロセスで製造されたグラフェン−炭素発泡体は、高レベルの多孔率(より低い物理的密度)を有する。   In another experiment, the same batch of PP pellets and flake graphite particles (not using impact steel balls) was placed in the same high energy ball mill container and the ball mill was run for the same time under the same conditions. These results were compared to the results obtained in driving with a collision ball. Most of isolated graphene sheets isolated from PP particles by dissolving PP are single-layer graphene. Graphene-carbon foams produced by this process have high levels of porosity (lower physical density).

本明細書においてポリプロピレン(PP)を一例として使用しているが、グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を製造するための担体材料はPPに限定されるものではない。ポリマーを粒子形態にできるのであれば、あらゆるポリマー(熱可塑性、熱硬化性、ゴム、ワックス、マスチック、ゴム、有機樹脂など)であってよい。未硬化または部分硬化の熱硬化性樹脂(エポキシドおよびイミドベースのオリゴマーまたはゴムなど)は、室温またはより低温(例えば極低温)で粒子形態にすることが可能なことに留意されたい。したがって、部分的に硬化させた熱硬化性樹脂粒子でさえもポリマー担体として使用できる。   Although polypropylene (PP) is used herein as an example, the carrier material for producing graphene-carbon hybrid foam is not limited to PP. The polymer may be any polymer (thermoplastic, thermosetting, rubber, wax, mastic, rubber, organic resin, etc.) as long as the polymer can be in particle form. It should be noted that uncured or partially cured thermoset resins (such as epoxide and imide based oligomers or rubbers) can be in particulate form at room temperature or lower temperatures (eg cryogenic temperatures). Thus, even partially cured thermoset resin particles can be used as a polymer carrier.

実施例2:グラフェン源としての膨張黒鉛(厚さ>100nm)およびポリマー固体担体粒子としてのABSを使用するグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体
実験において、固体担体材料粒子としての100グラムのABSペレットを5グラムの膨張黒鉛とともに16オンスのプラスチック容器中に入れた。この容器を音響混合装置(Resodyn Acoustic mixer)中に入れ、30分間処理した。処理後、担体材料が炭素の薄層で覆われたことが分かった。担体材料の少量の試料をアセトン中に入れ、ABSの溶解を促進するために超音波エネルギーを加えた。適切なフィルターを用いて溶液を濾過し、追加のアセトンで4回洗浄した。洗浄後、濾液を60℃に設定した真空オーブン中で2時間乾燥させた。この試料を光学顕微鏡法で調べると、グラフェンであることが分かった。残りのペレットを押出成形して、グラフェン−ポリマーシート(厚さ1mm)を作製し、次いでこれらを、異なる温度および圧縮条件下で炭化させてグラフェン−炭素発泡体試料を作製した。
Example 2 Graphene-Carbon Hybrid Foam Using Expanded Graphite (Thickness> 100 nm) as Graphene Source and ABS as Polymer Solid Support Particles In an experiment, 5 grams of 100 grams ABS pellet as solid support material particles Into a 16 ounce plastic container with expanded graphite. The vessel was placed in an acoustic mixer (Resodyn Acoustic mixer) and treated for 30 minutes. After treatment, it was found that the support material was covered with a thin layer of carbon. A small sample of the carrier material was placed in acetone and ultrasonic energy was applied to facilitate dissolution of the ABS. The solution was filtered using a suitable filter and washed four times with additional acetone. After washing, the filtrate was dried in a vacuum oven set at 60 ° C. for 2 hours. The sample was examined by optical microscopy and found to be graphene. The remaining pellets were extruded to make graphene-polymer sheets (1 mm thick), which were then carbonized under different temperature and compression conditions to make graphene-carbon foam samples.

実施例3:メソカーボンマイクロビーズ(グラフェン源材料としてのMCMB)およびポリアクリロニトリル(PAN)繊維(固体担体粒子として)からのグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の製造
一例では、100グラムのPAN繊維セグメント(担体粒子として長さ2mm)、5グラムのMCMB(China Steel Chemical Co.、Taiwan)、および50グラムのジルコニアビーズを振動ボールミル中に入れ、2時間処理した。処理の終了後、次いで振動ミルを開くと、担体材料がグラフェンシートの暗色の被覆で覆われていることが分かった。明確に異なるサイズおよび色を有するジルコニア粒子を手作業で取り除いた。次いで、得られたグラフェン被覆PAN繊維を圧密して互いに溶融させて、数枚の複合フィルムを作製した。これらのフィルムを250℃で1時間(室内空気中)、350℃で2時間、および1,000℃で2時間(アルゴンガス雰囲気下)熱処理して、グラフェン−炭素発泡体層を得た。炭化させた発泡体層の半分は、次いで2,850℃まで加熱し、この温度を0.5時間維持した。
Example 3: Preparation of graphene-carbon hybrid foam from mesocarbon microbeads (MCMB as graphene source material) and polyacrylonitrile (PAN) fibers (as solid support particles) In one example, 100 grams of PAN fiber segments (support) Particles of length 2 mm), 5 grams of MCMB (China Steel Chemical Co., Taiwan), and 50 grams of zirconia beads were placed in a vibrating ball mill and processed for 2 hours. After the end of the treatment, when the vibratory mill was then opened it was found that the support material was covered with a dark coating of graphene sheet. Zirconia particles with distinctly different sizes and colors were removed manually. The resulting graphene coated PAN fibers were then consolidated and melted together to produce several composite films. The films were heat treated at 250 ° C. for 1 hour (in room air), 350 ° C. for 2 hours, and 1,000 ° C. for 2 hours (under an argon gas atmosphere) to obtain a graphene-carbon foam layer. Half of the carbonized foam layer was then heated to 2,850 ° C. and maintained at this temperature for 0.5 hours.

実施例4:フリーザーミル中のポリマー担体としての硬化フェノール樹脂の粒子
実験において、10グラムのフェノール樹脂粒子をSPEXミルの試料ホルダ(SPEX Sample Prep、Metuchen、NJ)中に、黒鉛化ポリイミドから得られる0.25グラムのHOPG粉末および磁性ステンレス鋼インパクターとともに入れた。同じ実験を行ったが、試料ホルダはインパクターボールを含まなかった。これらのプロセスは、完成生成物上での水の凝縮を減少させるために、湿度1%の「乾燥室」中で行った。SPEXミルを10〜120分間運転した。運転後、試料ホルダの内容物を分類して、残留HOPG粉末およびインパクターボール(使用した場合)を除去することによって、グラフェン被覆樹脂粒子を回収した。
Example 4 Particles of Hardened Phenolic Resin as Polymer Carrier in a Freezer Mill In an experiment, 10 grams of phenolic resin particles are obtained from graphitized polyimide in a sample holder of a SPEX mill (SPEX Sample Prep, Metuchen, NJ) Placed with 0.25 grams of HOPG powder and magnetic stainless steel impactor. The same experiment was performed but the sample holder did not contain an impactor ball. These processes were carried out in a "dry room" at 1% humidity to reduce water condensation on the finished product. The SPEX mill was run for 10 to 120 minutes. After operation, the contents of the sample holder were classified to recover graphene-coated resin particles by removing residual HOPG powder and impactor balls (if used).

両方の場合(インパクターボールを使用した場合、または使用しなかった場合)で得られたグラフェン被覆樹脂粒子について、デジタル光学顕微鏡法および走査型電子顕微鏡法(SEM)の両方を用いて調べた。樹脂粒子を包み込むグラフェンシートの厚さは、ミルの運転時間とともに増加し、同じ運転時間の場合は、インパクターを使用した運転によって、より厚いグラフェン被覆が得られることを観察した。   Graphene-coated resin particles obtained in both cases (with or without impactor balls) were examined using both digital optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). It was observed that the thickness of the graphene sheet that encases the resin particles increased with the run time of the mill, and for the same run time, operation with an impactor resulted in a thicker graphene coating.

グラフェン被覆樹脂粒子の材料を圧縮してグリーンコンパクトを形成し、次いでこれに少量の石油ピッチを浸透させた。これとは別に、グラフェン被覆樹脂粒子の別のグリーンコンパクトを同等の条件下で作製したが、ピッチの浸透は試みなかった。これら2つのコンパクトに対して、次いで同一の熱分解処理を行った。   The material of the graphene coated resin particles was compressed to form a green compact, which was then infiltrated with a small amount of petroleum pitch. Separately, another green compact of graphene-coated resin particles was made under comparable conditions, but no pitch penetration was attempted. The same pyrolysis process was then performed on these two compacts.

実施例5:グラフェン源としての天然黒鉛粒子、固体担体粒子としてのポリエチレン(PE)もしくはナイロン6/6のビーズ、および添加される衝突ボールとしてのセラミックもしくはガラスのビーズ
実験において、0.5kgのPEもしくはナイロンのビーズ(固体担体材料として)、50グラムの天然黒鉛(グラフェンシート源)、および250グラムのジルコニア粉末(衝突ボール)を遊星ボールミルの容器中に入れた。このボールミル300rpmで4時間運転した。容器の蓋を取り外し、ジルコニアビーズ(グラフェン被覆PEビーズとは異なるサイズおよび重量)を振動ふるいによって除去した。ポリマー担体材料粒子が暗色のグラフェン層で覆われたことが分かった。担体材料を50メッシュのふるいの上に置き、少量の未処理のフレーク黒鉛を除去した。別の実験において、ガラスビーズを衝突ボールとして使用し、他のボールミル運転条件は同じままとした。
Example 5 Natural Graphite Particles as Graphene Source, Polyethylene (PE) or Nylon 6/6 Beads as Solid Support Particles, and Ceramic or Glass Beads as Impact Balls Added 0.5 kg PE in Experiment Or nylon beads (as a solid support material), 50 grams of natural graphite (graphene sheet source), and 250 grams of zirconia powder (collision ball) were placed in the container of a planetary ball mill. The ball mill was operated at 300 rpm for 4 hours. The lid of the container was removed and the zirconia beads (a different size and weight than the graphene coated PE beads) were removed by vibrating sieves. It was found that the polymer support material particles were covered with a dark graphene layer. The support material was placed on a 50 mesh screen to remove small amounts of untreated flake graphite. In another experiment, glass beads were used as the impact ball and the other ball mill operating conditions remained the same.

グラフェン被覆PEペレットの材料、およびグラフェン被覆ナイロンビーズの材料を別々に金型キャビティ中で圧密し、PEまたはナイロンの融点よりも高温に短時間加熱し、次いで急冷して2つのグリーンコンパクトを作製した。比較の目的で、被覆されていないPEペレットの材料および被覆されていないナイロンビーズの材料から、2つの対応するコンパクトを作製した。これら4つのコンパクトに対して、次いで熱分解を行った(100℃〜650℃のチャンバ中でコンパクトを加熱することによって)。結果は非常に驚くべきものであった。グラフェン被覆ポリマー粒子のコンパクトは、元のコンパクトの寸法(3cm×3cm×0.5cm)と同等の寸法を有するグラフェン−炭素ハイブリッド発泡構造に変換されたことが分かった。これらの構造のSEM検査では、グラフェンシートのエッジ付近に炭素相が存在し、これらの炭素相がグラフェンシートを互いに結合させる機能を果たしていることを示している。図2(A)に概略的に示されるように、炭素が結合したグラフェンシートは、元のポリマー粒子が占めた空間であった空間中に存在する細孔を有するグラフェン−炭素ハイブリッド細孔壁の骨格を形成する。   Graphene-coated PE pellet material and graphene-coated nylon bead material were separately consolidated in the mold cavity, briefly heated to a temperature above the melting point of PE or nylon, and then quenched to produce two green compacts . For comparative purposes, two corresponding compacts were made from the uncoated PE pellet material and the uncoated nylon bead material. These four compacts were then subjected to pyrolysis (by heating the compacts in a chamber at 100 ° C. to 650 ° C.). The results were very surprising. It was found that the compact of graphene-coated polymer particles was converted to a graphene-carbon hybrid foam structure having dimensions comparable to the dimensions of the original compact (3 cm × 3 cm × 0.5 cm). SEM examinations of these structures indicate that the carbon phase is present near the edges of the graphene sheets, and these carbon phases serve to bond the graphene sheets together. As schematically shown in FIG. 2 (A), the carbon-bonded graphene sheet is a graphene-carbon hybrid pore wall having pores existing in the space occupied by the original polymer particle. Form a skeleton.

対照的に、被覆されていないペレットまたはビーズから得た2つのコンパクトは、元のコンパクトの体積の約15%〜20%の体積を有する実質的に2つの炭素固体材料となるまで収縮した。これらの非常に収縮した固体材料は、実質的に細孔のない炭素材料であり、これらは発泡材料ではない。   In contrast, the two compacts obtained from uncoated pellets or beads shrunk to substantially two solid carbon materials having a volume of about 15% to 20% of the volume of the original compact. These highly shrunk solid materials are substantially pore free carbon materials and they are not foam materials.

実施例6:固体ポリマー担体粒子としてのミクロンサイズのゴム粒子
この実験は、ミクロンサイズのゴム粒子の作製から開始した。周囲条件下で1分間ホモジナイザーを使用することによって、メチルヒドロジメチルシロキサンポリマー(20g)とポリジメチルシロキサンのビニルジメチル末端ポリマー(30g)との混合物を得た。Tween 80(4.6g)を加え、その混合物を20秒間均質化した。白金−ジビニルテトラメチルジシロキサン錯体(15gのメタノール中0.5g)を加え、10秒間混合した。この混合物を350gの蒸留水に加え、15分間均質化することによって安定なラテックスを得た。このラテックスを60℃に15時間加熱した。次いでラテックスに無水硫酸ナトリウム(20g)を加えて脱乳化して、減圧下で濾過することによってシリコーンゴム粒子を得て、蒸留水で洗浄し、減圧下25℃で乾燥させた。得られたゴム粒子の粒度分布は3〜11μmであった。
Example 6: Micron-sized rubber particles as solid polymer carrier particles This experiment started with the production of micron-sized rubber particles. Using a homogenizer for 1 minute under ambient conditions resulted in a mixture of methylhydrodimethyl siloxane polymer (20 g) and vinyldimethyl terminated polymer of polydimethylsiloxane (30 g). Tween 80 (4.6 g) was added and the mixture homogenized for 20 seconds. Platinum-divinyl tetramethyldisiloxane complex (0.5 g in 15 g of methanol) was added and mixed for 10 seconds. The mixture was added to 350 g of distilled water and homogenized for 15 minutes to obtain a stable latex. The latex was heated to 60 ° C. for 15 hours. Then, anhydrous sodium sulfate (20 g) was added to the latex to de-emulsify, and silicone rubber particles were obtained by filtering under reduced pressure, washed with distilled water, and dried at 25 ° C. under reduced pressure. The particle size distribution of the obtained rubber particles was 3 to 11 μm.

一例では、10グラムのゴム粒子、2グラムの天然黒鉛、および5グラムのジルコニアビーズを振動ボールミル中に入れ、2時間処理した。処理の終了後、次いで振動ミルを開くと、ゴム粒子がグラフェンシートの暗色の被覆で覆われたことが分かった。ジルコニア粒子を手作業で取り除いた。得られたグラフェン被覆ゴム粒子を、次いで5重量%の石油ピッチ(バインダーとして)と混合し、互いに機械的に圧密して、数枚の複合シートを形成した。これらの複合シートに対して、次いで、管状炉中で350℃で1時間、650℃で2時間、および1,000℃で1時間の熱処理を行って、グラフェン−炭素発泡体層を得た。   In one example, 10 grams of rubber particles, 2 grams of natural graphite, and 5 grams of zirconia beads were placed in a vibrating ball mill and processed for 2 hours. After the end of the treatment, when the vibratory mill was then opened, it was found that the rubber particles were covered with a dark coating of graphene sheet. The zirconia particles were removed manually. The resulting graphene coated rubber particles were then mixed with 5 wt% petroleum pitch (as a binder) and mechanically consolidated together to form several composite sheets. These composite sheets were then heat-treated at 350 ° C. for 1 hour, 650 ° C. for 2 hours, and 1,000 ° C. for 1 hour in a tubular furnace to obtain a graphene-carbon foam layer.

実施例7:フッ化グラフェン発泡体の作製
典型的な手順では、密閉したオートクレーブ反応器中で三フッ化塩素の蒸気によってグラフェン−炭素ハイブリッドのシートをフッ素化して、フッ素化グラフェン−炭素ハイブリッドフィルムを得た。異なるフッ素化時間によって、異なるフッ素化度を実現できた。フッ素化グラフェン−炭素発泡体のシートを、次いで別々に、それぞれクロロホルム−水混合物が入った容器中に浸漬した。本発明者らは、これらの発泡体シートが水からクロロホルムを選択的に吸収し、フッ素含有量が7.3重量%に到達するまで、吸収クロロホルム量がフッ素化度とともに増加することを確認した(図9)。
Example 7 Preparation of Graphene Fluoride Foam In a typical procedure, a sheet of graphene-carbon hybrid is fluorinated by vapor of chlorine trifluoride in a closed autoclave reactor to obtain a fluorinated graphene-carbon hybrid film Obtained. Different fluorination times could achieve different degrees of fluorination. The sheets of fluorinated graphene-carbon foam were then separately dipped into containers each containing a chloroform-water mixture. The present inventors confirmed that these foam sheets selectively absorbed chloroform from water, and the amount of absorbed chloroform increased with the degree of fluorination until the fluorine content reached 7.3% by weight (Figure 9).

実施例8:酸化グラフェン発泡体および窒素化グラフェン発泡体の作製
実施例3で作製した数個のグラフェン−炭素発泡体を30%H−水溶液中に2〜48時間浸漬して、2〜25重量%の酸素含有量を有する酸化グラフェン(GO)発泡体を得た。
Example 8 Preparation of Graphene Oxide Foam and Nitrogenated Graphene Foam A few graphene-carbon foams prepared in Example 3 are immersed in a 30% H 2 O 2 -water solution for 2 to 48 hours, 2 A graphene oxide (GO) foam having an oxygen content of ̃25% by weight was obtained.

幾つかのGO発泡体試料を異なる比率の尿素と混合し、得られた混合物をマイクロ波反応器(900W)中で0.5〜5分間加熱した。生成物を脱イオン水で数回洗浄し、真空乾燥した。得られた生成物は窒素化グラフェン発泡体であった。元素分析によって測定される窒素含有量は3%〜17.5重量%であった。   Several GO foam samples were mixed with different ratios of urea, and the resulting mixture was heated in a microwave reactor (900 W) for 0.5 to 5 minutes. The product was washed several times with deionized water and vacuum dried. The resulting product was a nitrogenated graphene foam. The nitrogen content determined by elemental analysis was 3% to 17.5% by weight.

グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体の異なる官能化処理を異なる目的で行ったことに留意されたい。例えば、酸化グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体構造は、油−水混合物(すなわち、水上に油がこぼれ、次いで互いに混合される)からの油の吸収剤として特に有効である。この場合、一体型3Dグラフェン(0〜15重量%の酸素)−炭素発泡体構造は、疎水性および親油性の両方となる(図7および図8)。表面または材料は、水がこの材料または表面からはじかれる場合に疎水性と呼ばれ、疎水性の表面または材料の上に水滴を載せると大きな接触角が形成される。表面または材料は、油に対して強い親和性を有し水に対して親和性を有さない場合に親油性と呼ばれる。   It should be noted that different functionalization treatments of graphene-carbon hybrid foam were performed for different purposes. For example, a graphene oxide-carbon hybrid foam structure is particularly effective as an absorbent of oil from an oil-water mixture (i.e. oil spills on water and then mixed with one another). In this case, the integrated 3D graphene (0-15 wt% oxygen) -carbon foam structure is both hydrophobic and lipophilic (Figures 7 and 8). A surface or material is said to be hydrophobic when water is repelled from this material or surface, and a large contact angle is formed when a water droplet is placed on the hydrophobic surface or material. A surface or material is called lipophilic if it has a strong affinity for oil and no affinity for water.

O、F、および/またはNの異なる含有量によって、本発明によるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体は、水から異なる有機溶媒を吸収可能となったり、複数の溶媒の混合物から1種類の有機溶媒を分離可能となったりもする。   The different contents of O, F and / or N make the graphene-carbon hybrid foam according to the invention able to absorb different organic solvents from water or separate one organic solvent from a mixture of solvents It also becomes possible.

比較例1:Hummerの方法によるグラフェンおよびグラフェン−ポリマー複合物の炭化
酸化黒鉛は、Hummersの方法[米国特許第2,798,878号明細書、1957年7月9日]による硫酸、硝酸塩、および過マンガン酸塩を用いた黒鉛フレークの酸化によって調製される。反応終了後、得られた混合物を脱イオン水中に注ぎ、濾過した。大部分の硫酸イオンを除去するため、得られた酸化黒鉛をHClの5%溶液中で繰り返し洗浄した。次いで、濾液のpHが中性となるまで、試料を脱イオン水で繰り返し洗浄した。得られたスラリを噴霧乾燥し、真空オーブン中60℃で24時間保管した。結果として得られる層状酸化黒鉛の層間隔をDebey−ScherrerのX線技術によって測定すると約0.73nm(7.3A)であった。次いでこの材料の試料を、剥離のために、650℃にあらかじめ設定した炉に4分間入れ、1200℃の不活性雰囲気の炉中で4時間加熱して、数層還元酸化グラフェン(RGO)から構成される低密度粉末を形成した。窒素吸着BETによって表面積を測定した。次いでこの粉末を1%〜25%の使用量でABS、PE、PP、およびナイロンのペレットとそれぞれ乾式混合し、25mmの二軸スクリュー押出機を用いて配合して、複合シートを形成した。次いでこれらの複合シートを熱分解させた。
Comparative Example 1: Carbonization of Graphene and Graphene-Polymer Composite by Hummer's Method Graphite oxide can be prepared according to Hummers' method [U.S. Pat. No. 2,798,878, July 9, 1957], nitrate, and Prepared by oxidation of graphite flakes with permanganate. After completion of the reaction, the resulting mixture was poured into deionized water and filtered. The resulting graphite oxide was repeatedly washed in a 5% solution of HCl to remove most of the sulfate ion. The sample was then repeatedly washed with deionized water until the pH of the filtrate was neutral. The resulting slurry was spray dried and stored in a vacuum oven at 60 ° C. for 24 hours. The layer spacing of the resulting layered graphite oxide was about 0.73 nm (7.3 A) as measured by Debey-Scherrer's X-ray technique. A sample of this material is then placed in a furnace preset at 650 ° C. for 4 minutes for exfoliation, heated for 4 hours in an inert atmosphere furnace at 1200 ° C., and composed of several layers of reduced graphene oxide (RGO) Form a low density powder. The surface area was measured by nitrogen adsorption BET. This powder was then dry mixed with pellets of ABS, PE, PP, and nylon at loadings of 1% to 25%, respectively, and compounded using a 25 mm twin screw extruder to form a composite sheet. These composite sheets were then pyrolyzed.

比較例2:メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)からの単層酸化グラフェン(GO)シートの作製、次いでGOシートからのグラフェン発泡体層の製造
メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)は、China Steel Chemical Co.,Kaohsiung,Taiwanから供給された。この材料は、約2.24g/cmの密度を有し、メジアン粒度は約16μmである。MCMB(10グラム)に酸溶液(4:1:0.05の比率の硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウム)を48〜96時間インターカレートさせた。反応終了後、混合物を脱イオン水中に注ぎ、濾過した。大部分の硫酸イオンを除去するために、インターカレートさせたMCMBをHClの5%溶液中で繰り返し洗浄した。次いで、濾液のpHが4.5以上になるまで、試料を脱イオン水で繰り返し洗浄した。次いで、得られたスラリに対して10〜100分の超音波処理を行って、GO懸濁液を得た。TEMおよび原子間力顕微鏡による研究では、酸化処理が72時間を超える場合はほとんどのGOシートが単層グラフェンであり、酸化時間が48〜72時間の場合は2または3層グラフェンであることが示される。
Comparative Example 2: Preparation of single-layer graphene oxide (GO) sheet from mesocarbon microbeads (MCMB), followed by preparation of graphene foam layer from GO sheet Mesocarbon microbeads (MCMB) were prepared according to China Steel Chemical Co. , Kaohsiung, Taiwan. This material has a density of about 2.24 g / cm 3 and a median particle size of about 16 μm. MCMB (10 grams) was intercalated with an acid solution (sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate in a ratio of 4: 1: 0.05) for 48 to 96 hours. After the reaction was complete, the mixture was poured into deionized water and filtered. The intercalated MCMB was repeatedly washed in a 5% solution of HCl to remove most of the sulfate ion. The sample was then repeatedly washed with deionized water until the pH of the filtrate was above 4.5. Next, the obtained slurry was subjected to ultrasonic treatment for 10 to 100 minutes to obtain a GO suspension. TEM and atomic force microscopy studies show that most GO sheets are single-layer graphene if the oxidation treatment exceeds 72 hours and two or three-layer graphene if the oxidation time is 48 to 72 hours Be

これらのGOシートは、48〜96時間の酸化処理時間の場合に約35重量%〜47重量%の酸素比率を含む。GOシートを水中に懸濁させた。キャスティングの直前に、化学発泡剤としての重曹(5〜20重量%)を懸濁液に加えた。次いで、懸濁液をガラス表面上にキャスティングした。数個の試料をキャスティングし、幾つかは発泡剤を含み、幾つかは発泡剤を含まないものであった。液体の除去後に得られたGOフィルムは、約10〜500μmで変動しうる厚さを有する。発泡剤を有するまたは有さない数枚のGOフィルムのシートに対して、次いで、1〜5時間で80〜500℃の加熱温度を含む熱処理を行うことで、グラフェン発泡体構造を作製した。   These GO sheets contain an oxygen ratio of about 35% to 47% by weight for an oxidation treatment time of 48 to 96 hours. The GO sheet was suspended in water. Immediately before casting, baking soda (5-20 wt%) as a chemical blowing agent was added to the suspension. The suspension was then cast on a glass surface. Several samples were cast, some with blowing agent and some without blowing agent. The GO film obtained after removal of the liquid has a thickness which can vary from about 10 to 500 μm. Then, a sheet of several GO films with or without a foaming agent was subjected to a heat treatment including a heating temperature of 80 to 500 ° C. for 1 to 5 hours to produce a graphene foam structure.

比較例3:純粋なグラフェン発泡体(0%の酸素)の作製
個別のグラフェン面の伝導率を低下させる作用が得られるGOシート中の高欠陥集団の可能性を認識して、本発明者らは、純粋なグラフェンシート(酸化されず酸素を含まない、ハロゲン化されずハロゲンを含まない、など)を使用することで、より高い熱伝導率を有するグラフェン発泡体を得ることができるかどうかを調べることにした。直接超音波処理法(当技術分野において液相剥離としても知られる)を用いて、純粋なグラフェンシートを作製した。
Comparative Example 3 Preparation of Pure Graphene Foam (0% Oxygen) In recognition of the possibility of a high defect population in the GO sheet, the effect of lowering the conductivity of the individual graphene surface can be obtained. Whether it is possible to obtain graphene foams with higher thermal conductivity by using pure graphene sheets (such as non-oxidized and oxygen-free, non-halogenated and halogen-free, etc.) I decided to investigate. Pure graphene sheets were made using direct sonication (also known in the art as liquid phase exfoliation).

典型的な手順では、約20μm以下のサイズに粉砕した5グラムの黒鉛フレークを1,000mLの脱イオン水(0.1重量%の分散剤を含む。DuPont社製のZonyl(登録商標)FSO)中に分散させて、懸濁液を得た。グラフェンシートの剥離、分離、およびサイズ減少のために、85Wの超音波エネルギーレベル(Branson S450 Ultrasonicator)を15分〜2時間の期間にわたって使用した。得られたグラフェンシートは、一度も酸化されておらず、酸素を含まず、比較的欠陥のない純粋なグラフェンである。純粋なグラフェンは、非炭素元素を本質的に含まない。   In a typical procedure, 5 grams of graphite flakes ground to a size of about 20 μm or less in 1,000 mL of deionized water (with 0.1 wt% dispersant) Zonyl® FSO from DuPont Dispersed in, a suspension was obtained. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used for a period of 15 minutes to 2 hours for exfoliation, separation, and size reduction of graphene sheets. The obtained graphene sheet is a non-oxidized, oxygen-free, relatively defect-free pure graphene. Pure graphene is essentially free of non-carbon elements.

種々の量(グラフェン材料に対して1重量%〜30重量%)の化学発泡剤(N,N−ジニトロソペンタメチレンテトラミンまたは4,4’−オキシビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド))を、純粋なグラフェンシートおよび界面活性剤を含む懸濁液に加えた。次いで懸濁液をガラス表面上にキャスティングした。数個の試料をキャスティングし、キャスティング直前に懸濁液に導入した物理発泡剤としてCOを使用した試料を含んだ。液体の除去後に得られたグラフェンフィルムは、約10〜100μmで変動しうる厚さを有する。次いで、これらのグラフェンフィルムに対して、80〜1,500℃で1〜5時間の熱処理を行って、グラフェン発泡体を作製した。 Chemical Graphing Agent (N, N-dinitrosopentamethylenetetramine or 4,4'-oxybis (benzenesulfonylhydrazide)) in various amounts (1 wt% to 30 wt% relative to the graphene material), pure graphene sheet And added to the suspension containing the surfactant. The suspension was then cast on a glass surface. Several samples were cast and included samples using CO 2 as a physical blowing agent introduced into the suspension just prior to casting. The graphene film obtained after removal of the liquid has a thickness which can vary from about 10 to 100 μm. Then, heat treatment was performed on these graphene films at 80 to 1,500 ° C. for 1 to 5 hours to prepare graphene foams.

比較例4:Ni発泡体テンプレート上のCVDグラフェン発泡体
公開文献のChen,Z.et al.“Three−dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition,”Nat.Mater.10,424−428(2011)に開示される手順を適応させた。ニッケルの相互接続された3D足場を有する多孔質構造のニッケル発泡体を、グラフェン発泡体の成長のためのテンプレートとして選択した。簡潔に述べると、周囲圧力下で1,000℃においてCHを分解させることによってニッケル発泡体中に炭素を導入し、次いでグラフェンフィルムをニッケル発泡体の表面上に堆積した。ニッケルとグラフェンとの間の熱膨張係数の差のため、グラフェンフィルム上に波形および皺が形成された。グラフェン発泡体を回収(分離)するために、Niフレームをエッチングで除去する必要がある。熱HCl(またはFeCl)溶液によってニッケル骨格をエッチングで除去する前に、ニッケルのエッチング中にグラフェンネットワークの崩壊を防止するための支持体として、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)の薄層をグラフェンフィルムの表面上に堆積した。熱アセトンによってPMMA層を注意深く除去した後、脆いグラフェン発泡体試料が得られた。PMMA支持層の使用は、グラフェン発泡体の自立フィルムを作製するために重要であり、PMMA支持層を使用しない場合は、単に非常に破壊され変形したグラフェン発泡体試料が得られた。これは、環境に優しくなく適応性のない時間のかかる方法である。
Comparative Example 4: CVD Graphene Foam on Ni Foam Template Chen, Z., et al. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nat. Mater. The procedure disclosed in 10, 424-428 (2011) was adapted. Porous structured nickel foam with nickel interconnected 3D scaffold was chosen as a template for the growth of graphene foam. Briefly, carbon was introduced into the nickel foam by decomposing CH 4 at 1,000 ° C. under ambient pressure, and then a graphene film was deposited on the surface of the nickel foam. Corrugations and wrinkles were formed on the graphene film due to the difference in thermal expansion coefficient between nickel and graphene. In order to recover (separate) the graphene foam, it is necessary to etch away the Ni frame. A thin layer of poly (methyl methacrylate) (PMMA) as a support to prevent the collapse of the graphene network during etching of nickel before etching away the nickel skeleton with a hot HCl (or FeCl 3 ) solution It was deposited on the surface of graphene film. After careful removal of the PMMA layer with hot acetone, brittle graphene foam samples were obtained. The use of a PMMA support layer is important for making free-standing films of graphene foam, and without the use of a PMMA support layer, a very broken and deformed graphene foam sample was obtained. This is a time-consuming way that is not environmentally friendly and adaptable.

比較例5:ピッチベースの炭素発泡体からの従来の黒鉛発泡体
ピッチの粉末、顆粒、またはペレットを、発泡体の所望の最終形状を有するアルミニウム鋳型に入れる。Mitsubishi ARA−24メソフェーズピッチを利用した。試料を1トール未満に排気し、次いで約300℃の温度に加熱する。この時点で、真空を解放して窒素ブランケットとし、次いで1,000psiまでの圧力を加えた。次いで、系の温度を800℃に上昇させた。これは2℃/分の速度で行った。温度を少なくとも15分間保って浸漬を実現し、次いで炉の電力を切って約1.5℃/分の速度で室温まで冷却し、それと共に約2psi/分の速度で圧力を解放した。最終的な発泡体の温度は、630℃および800℃であった。冷却サイクル中、圧力は大気条件まで徐々に解放される。次いで、発泡体を窒素ブランケット下で1050℃まで熱処理(炭化)し、次いで、黒鉛るつぼ内で、アルゴン中で2500℃および2800℃まで別々に熱処理(黒鉛化)した。
Comparative Example 5: Conventional Graphite Foam From Pitch Based Carbon Foam The powder, granules, or pellets of pitch are placed in an aluminum mold having the desired final shape of the foam. A Mitsubishi ARA-24 mesophase pitch was used. The sample is evacuated to less than 1 Torr and then heated to a temperature of about 300.degree. At this point, the vacuum was released to a nitrogen blanket and then a pressure of up to 1,000 psi was applied. The temperature of the system was then raised to 800.degree. This was done at a rate of 2 ° C./min. The temperature was maintained for at least 15 minutes to achieve immersion, then the furnace was turned off and cooled to room temperature at a rate of about 1.5 ° C./min, with which the pressure was released at a rate of about 2 psi / min. The final foam temperature was 630.degree. C. and 800.degree. During the cooling cycle, the pressure is gradually released to atmospheric conditions. The foam was then heat treated (carbonized) to 1050 ° C. under a nitrogen blanket and then separately heat treated (graphitized) to 2500 ° C. and 2800 ° C. in argon in a graphite crucible.

比較例6:熱水還元した酸化グラフェンからのグラフェン発泡体
比較のため、1段階熱水方法によって、自己組織化グラフェンヒドロゲル(SGH)試料を調製した。典型的な手順では、SGHは、Teflonでライニングされたオートクレーブ中に密閉した2mg/mLの均一な酸化グラフェン(GO)水性分散液を180℃で12時間加熱することによって容易に調製することができる。約2.6%(重量基準)のグラフェンシートおよび97.4%の水を含むSGHは、約5×10−3S/cmの導電率を有する。乾燥および1,500℃における熱処理の後、得られるグラフェン発泡体は約1.5×10−1S/cmの導電率を示し、これは同じ温度で熱処理することによって製造される本発明によるグラフェン発泡体の導電率の2分の1である。
Comparative Example 6: Graphene foam from hydrothermally reduced graphene oxide For comparison, a self-assembled graphene hydrogel (SGH) sample was prepared by a one-step hydrothermal method. In a typical procedure, SGH can be easily prepared by heating a 2 mg / mL homogeneous graphene oxide (GO) aqueous dispersion sealed in a Teflon lined autoclave for 12 hours at 180 ° C. . An SGH comprising about 2.6% (by weight) of graphene sheet and 97.4% water has a conductivity of about 5 × 10 −3 S / cm. After drying and heat treatment at 1,500 ° C., the resulting graphene foam exhibits a conductivity of about 1.5 × 10 −1 S / cm, which is a graphene according to the invention produced by heat treatment at the same temperature It is half the conductivity of the foam.

実施例9:種々のグラフェン発泡体および従来の黒鉛発泡体の熱的および機械的試験
種々の従来の炭素またはグラフェン発泡体材料から得た試料を、熱伝導率測定用の試験片に機械加工した。メソフェーズピッチ由来の発泡体のバルク熱伝導率は67W/mK〜151W/mKの範囲であった。試料の密度は0.31〜0.61g/cmであった。重量を考慮すると、ピッチ由来の発泡体の比熱伝導率は、単位比重当たり(または単位物理的密度当たり)、約67/0.31=216および151/0.61=247.5W/mKである。
Example 9 Thermal and Mechanical Testing of Various Graphene Foams and Conventional Graphite Foams Samples obtained from various conventional carbon or graphene foam materials were machined into specimens for thermal conductivity measurements. . The bulk thermal conductivity of the mesophase pitch derived foam was in the range of 67 W / mK to 151 W / mK. The density of the sample was 0.31 to 0.61 g / cm 3 . When considering the weight, the specific thermal conductivity of foam derived from pitch is about 67 / 0.31 = 216 and 151 / 0.61 = 247.5 W / mK per unit specific gravity (or per unit physical density) .

0.51g/cmの平均密度を有する試料の圧縮強度を測定すると3.6MPaであり、圧縮弾性率を測定すると74MPaであった。対照的に、同等の物理的密度を有する本発明によるグラフェン−炭素発泡体試料の圧縮強度および圧縮弾性率は、それぞれ6.2MPaおよび113MPaである。 The compressive strength of the sample having an average density of 0.51 g / cm 3 was measured to be 3.6 MPa, and the compressive elastic modulus was measured to be 74 MPa. In contrast, the compressive strength and compressive modulus of the graphene-carbon foam sample according to the invention with comparable physical density are 6.2 MPa and 113 MPa, respectively.

図4(A)中に、3Dグラフェン−炭素発泡体、メソフェーズピッチ由来の黒鉛発泡体、およびNi発泡体テンプレート支援CVDグラフェン発泡体の熱伝導率対比重を示している。これらのデータは、以下の予期せぬ結果を明確に示している:
1)本発明による方法によって作製した3D一体型のグラフェン−炭素発泡体は、同じ物理的密度の場合に、メソフェーズピッチ由来の黒鉛発泡体およびNi発泡体テンプレート支援CVDグラフェンの両方と比較すると顕著に高い熱伝導率を示す。
FIG. 4 (A) shows the thermal conductivity versus specific gravity of 3D graphene-carbon foam, graphite foam derived from mesophase pitch, and Ni foam template assisted CVD graphene foam. These data clearly show the following unexpected results:
1) 3D-integrated graphene-carbon foams produced by the method according to the invention are significantly more comparable to both mesophase pitch-derived graphite foam and Ni foam template-assisted CVD graphene for the same physical density It exhibits high thermal conductivity.

2)これは、CVDグラフェンは酸化が行われていない実質的に純粋なグラフェンであり、本発明者らのグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体よりも高い熱伝導率を示したはずであるという見解を考慮すると、非常に驚くべきことである。ハイブリッド発泡体の炭素相は、一般に結晶化度が低く(一部が非晶質炭素である)、したがって、グラフェン単独と比較するとはるかに低い熱伝導率または導電率を有する。しかし、炭素相がグラフェンシートと結合して、本発明による方法により形成される一体型構造を形成すると、結果として得られるハイブリッド形態は、完全に純粋なグラフェン発泡体と比較してある熱伝導率を示す。本発明により作製されたグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体で観察されるこれらの非常に高い熱伝導率値は、本発明者らにとって非常に驚くべきことである。これは、他の場合には単離しているグラフェンシートが、この場合、炭素相によって結合して、電子およびフォノンの連続した輸送のための橋が形成されるという観察によるものと思われる。   2) This takes into account the notion that CVD graphene is substantially pure graphene that has not been oxidized, and should have a higher thermal conductivity than our graphene-carbon hybrid foams Then it is very surprising. The carbon phase of the hybrid foam is generally low in crystallinity (some of which is amorphous carbon), and thus has a much lower thermal conductivity or conductivity compared to graphene alone. However, when the carbon phase combines with the graphene sheet to form an integral structure formed by the method according to the invention, the resulting hybrid form has a thermal conductivity compared to completely pure graphene foam Indicates These very high thermal conductivity values observed for graphene-carbon hybrid foams made according to the present invention are very surprising to the present inventors. This is believed to be due to the observation that otherwise isolated graphene sheets are bound by the carbon phase in this case to form a bridge for the continuous transport of electrons and phonons.

3)本発明によるハイブリッド発泡体材料の比伝導率値は、単位比重当たり250〜500W/mKの値を示すが、他の種類の発泡体材料の値は典型的には単位比重当たり250W/mK未満である。   3) The specific conductivity value of the hybrid foam material according to the present invention shows a value of 250 to 500 W / mK per unit specific gravity, but the value of other kinds of foam materials is typically 250 W / mK per unit specific gravity Less than.

4)図5中に、一連の3Dグラフェン−炭素発泡体および一連の純粋なグラフェン由来の発泡体の熱伝導率データをまとめており、どちらも最終(最高)熱処理温度にわたってプロットしている。両方の種類の材料で、熱伝導率は最終HTTとともに単調増加する。しかし、本発明による方法によって、純粋なグラフェン発泡体より優れたグラフェン−炭素発泡体の費用対効果が高く環境に優しい製造が可能となる。これは、もう1つの予期せぬ結果である。   4) The thermal conductivity data of a series of 3D graphene-carbon foams and a series of pure graphene-derived foams are summarized in FIG. 5, both plotted over the final (maximum) heat treatment temperature. Thermal conductivity increases monotonically with the final HTT for both types of materials. However, the method according to the invention allows cost-effective and environmentally friendly production of graphene-carbon foams superior to pure graphene foams. This is another unexpected result.

5)図4(B)は、本発明によるハイブリッド発泡体および熱水還元されたGOグラフェン発泡体の熱伝導率値を示している。図6中には、3Dグラフェン−炭素発泡体および熱水還元されたGOグラフェン発泡体の導電率値を示している。これらのデータは、同量の固体材料の場合、本発明によるグラフェン−炭素発泡体は本来ほとんど伝導性であり、電子およびフォノンの輸送経路の顕著な連続性を反映しているという見解をさらに支持している。炭素相が、グラフェンシート間の間隙または中断を埋める。   5) FIG. 4 (B) shows the thermal conductivity value of the hybrid foam according to the present invention and the hydrothermally reduced GO graphene foam. In FIG. 6, the conductivity values of 3D graphene-carbon foam and hydrothermally reduced GO graphene foam are shown. These data further support the notion that, for the same amount of solid material, the graphene-carbon foam according to the invention is largely conductive in nature and reflects the remarkable continuity of the electron and phonon transport pathways doing. The carbon phase fills in the gaps or breaks between the graphene sheets.

実施例10:種々のグラフェン発泡体および従来の黒鉛発泡体の特性決定
幾つかの一連のグラフェン−炭素発泡体材料の内部構造(結晶構造および配向)について、X線回折を用いて調べた。天然黒鉛のX線回折曲線は、典型的にはおおよそ2θ=26°においてピークを示し、約0.3345nmのグラフェン間隔(d002)に相当する。ハイブリッド発泡体材料のグラフェン壁は、典型的には0.3345nm〜0.40nm、より典型的には最大0.34nmのd002間隔を示す。
Example 10: Characterization of Various Graphene Foams and Conventional Graphite Foams The internal structure (crystal structure and orientation) of several series of graphene-carbon foam materials was investigated using X-ray diffraction. The x-ray diffraction curve of natural graphite typically shows a peak at approximately 2θ = 26 °, corresponding to a graphene spacing (d 002 ) of about 0.3345 nm. The graphene walls of the hybrid foam material typically exhibit d 002 spacing of 0.3345 nm to 0.40 nm, more typically up to 0.34 nm.

発泡体構造に対して圧縮下で1時間の2,750℃の熱処理温度を使用すると、d002間隔が約0.3354nmまで減少し、黒鉛単結晶の値と同じである。さらに、高強度の第2の回折ピークが2θ=55°に現れ、これは(004)面からのX線回折に相当する。同じ回折曲線上の(002)強度に対する(004)ピーク強度、すなわちI(004)/I(002)比は、結晶完全性の程度およびグラフェン面の好ましい配向の良好な指標となる。2,800℃未満の温度で熱処理されたあらゆる黒鉛材料の場合、(004)ピークは、存在しないか、比較的弱いかのいずれかであり、I(004)/I(002)比<0.1である。3,000〜3,250℃で熱処理した(例えば、高配向熱分解黒鉛、HOPG)黒鉛材料のI(004)/I(002)比は0.2〜0.5の範囲内である。対照的に、2,750℃の最終HTTで1時間で作製したグラフェン発泡体は、0.78のI(004)/I(002)比および0.21のモザイクスプレッド値を示し、細孔壁は実質的に完全なグラフェン単結晶であり良好な程度の好ましい配向を有する(圧縮力下で作製した場合)ことを示している。 Using a heat treatment temperature of 2750 ° C. under compression for 1 hour for the foam structure reduces the d 002 spacing to about 0.3354 nm, which is the same as the value for graphite single crystals. In addition, a high intensity second diffraction peak appears at 2θ = 55 °, which corresponds to X-ray diffraction from the (004) plane. The (004) peak intensity to the (002) intensity on the same diffraction curve, ie, the I (004) / I (002) ratio, is a good indicator of the degree of crystal perfection and the preferred orientation of the graphene surface. For any graphite material heat treated at a temperature less than 2,800 ° C., the (004) peak is either absent or relatively weak, with an I (004) / I (002) ratio of <0. It is 1. The I (004) / I (002) ratio of the heat treated (for example, highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) graphite material at 3,000 to 3,250 ° C. is in the range of 0.2 to 0.5. In contrast, graphene foams made in one hour at a final HTT of 2750 ° C. show an I (004) / I (002) ratio of 0.78 and a mosaic spread value of 0.21, with pore walls Indicates that the graphene is substantially complete graphene single crystal and has a favorable degree of preferred orientation (when fabricated under compressive force).

「モザイクスプレッド」値は、X線回折強度曲線中の(002)反射の半値全幅から得られる。この秩序度の指数によって、黒鉛またはグラフェンの結晶サイズ(または結晶粒度)、結晶粒界および別の欠陥の量、ならびに好ましい結晶粒配向が特徴付けられる。黒鉛のほぼ完全な単結晶は、0.2〜0.4のモザイクスプレッド値を有することを特徴とする。本発明者らのグラフェン発泡体の幾つかは、2,500℃以上の最終熱処理温度を用いて製造した場合、この0.3〜0.6の範囲内のモザイクスプレッド値を有する。   The "mosaic spread" value is obtained from the full width at half maximum of (002) reflection in the x-ray diffraction intensity curve. The index of the degree of order characterizes the crystal size (or grain size) of graphite or graphene, the amount of grain boundaries and other defects, and the preferred grain orientation. An almost perfect single crystal of graphite is characterized by having a mosaic spread value of 0.2 to 0.4. Some of our graphene foams have mosaic spread values within this 0.3 to 0.6 range when manufactured using a final heat treatment temperature of 2,500 ° C. or higher.

以下は、より顕著な結果の一部のまとめである:
1)一般に、衝突ボールの添加は、黒鉛粒子からのグラフェンシートの剥離過程の促進に役立つ。しかし、この選択肢は、グラフェン被覆ポリマー粒子が作製された後に、これらの衝突ボールの分離が必要となる。
The following is a summary of some of the more prominent results:
1) In general, the addition of collision balls helps to accelerate the exfoliation process of graphene sheets from graphite particles. However, this option requires the separation of these impact balls after the graphene coated polymer particles are made.

2)衝突ボール(例えばセラミック、ガラス、金属のボールなど)が使用されない場合、より硬質のポリマー粒子(例えばPE、PP、ナイロン、ABS、ポリスチレン、高衝撃ポリスチレンなど、およびそれらのフィラーで強化されたバージョン)は、より軟質のポリマー粒子(例えばゴム、PVC、ポリビニルアルコール、ラテックスの粒子)よりも黒鉛粒子からグラフェンシートを剥離する能力が高い。   2) Hardened polymer particles (eg PE, PP, nylon, ABS, polystyrene, high impact polystyrene etc.) and their fillers reinforced if collision balls (eg ceramic, glass, metal balls etc) are not used Versions have a higher ability to exfoliate the graphene sheet from the graphite particles than softer polymer particles (eg, rubber, PVC, polyvinyl alcohol, latex particles).

3)外部から衝突ボールを加えない場合、同じ1時間の運転時間の場合で、より軟質のポリマー粒子で、0.001重量%〜5重量%のグラフェン(ほとんどが単層グラフェンシート)を有するグラフェン被覆粒子またはグラフェン埋め込み粒子が得られる傾向にあり、より硬質のポリマーボールで、0.01重量%〜30重量%のグラフェン(ほとんどが単層および数層グラフェンシート)を有するグラフェン被覆粒子が得られる傾向にある。   3) Graphene with 0.001 wt% to 5 wt% of graphene (mostly single-layer graphene sheet), with softer polymer particles, in the case of the same 1 hour operation time, when no collision ball is added externally Coated or graphene-embedded particles tend to be obtained, and harder polymer balls result in graphene-coated particles with 0.01 wt% to 30 wt% of graphene (mostly monolayer and few-layer graphene sheets) There is a tendency.

4)外部から加えられる衝突ボールを使用する場合、全てのポリマーボールが、0.001重量%〜約80重量%のグラフェンシート(ほとんどが数層グラフェン、30重量%を超えるグラフェンシートの場合<10層)を支持することができる。   4) When using externally added collision balls, all polymer balls are from 0.001 wt% to about 80 wt% graphene sheets (mostly few layers graphene, more than 30 wt% graphene sheets <10 Layer) can be supported.

5)本発明によるグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体材料は典型的には、従来の先行技術方法によって製造されるそれらの相当物と比較して、顕著に高い構造的完全性(例えば圧縮強度、弾性、および弾力性)および高い熱伝導率および導電率を示す。   5) Graphene-carbon hybrid foam materials according to the present invention typically have significantly higher structural integrity (eg compressive strength, elasticity, etc.) compared to their counterparts produced by conventional prior art methods And elasticity) and high thermal conductivity and conductivity.

6)黒鉛発泡体またはグラフェン発泡体の全ての従来技術の製造方法では、わずか約0.2〜0.6g/cmの範囲内の物理的密度を有するマクロ多孔質発泡体が得られることが分かり、孔径は、意図する用途のほとんどでは典型的には大きすぎる(例えば20〜300μm)ことに注目することは重要である。対照的に、本発明は、低くて0.001g/cm、高くて1.7g/cmとなりうる密度を有するグラフェン発泡体を製造する方法を提供する。それらの孔径は、顕微鏡的(<2nm)から、メソスケール(2〜50nm)、および最大でマクロスケールまで(例えば1〜500μm)まで変動しうる。様々な種類のグラフェン−炭素発泡体の設計におけるこのレベルの自由度および汎用性は、前例がなく、いずれの従来技術の方法でも到達できない。 6) All prior art methods of making graphite foam or graphene foam yield macroporous foams having physical densities in the range of only about 0.2 to 0.6 g / cm 3 It is important to note that the pore size is typically too large (e.g. 20-300 [mu] m) for most of the intended applications. In contrast, the present invention provides a method of producing graphene foam having a density that can be as low as 0.001 g / cm 3 and as high as 1.7 g / cm 3 . Their pore size can vary from microscopic (<2 nm) to meso scale (2 to 50 nm) and up to macro scale (eg 1 to 500 μm). This level of freedom and versatility in the design of various types of graphene-carbon foams is unprecedented and can not be reached by any prior art method.

7)本発明による方法は、種々の用途の要求(例えば油で汚染された水からの油の回収、水または別の溶媒からの有機溶媒の分離、放熱など)に応じて、化学組成(例えばF、O、およびNの含有量など)に対する好都合でおよび自由度の高い制御も可能となる。   7) The method according to the present invention may have a chemical composition (eg, recovery of oil from water contaminated with oil, separation of organic solvent from water or another solvent, release of heat, etc.) depending on the requirements of various applications It also enables convenient and flexible control over the content of F, O, and N, etc.).

結論として、本発明者らは、完全に新しく、新規で、予期せぬ、明確に異なる種類の高伝導性グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体材料、デバイス、および関連する製造方法を首尾良く開発した。この新しい種類の発泡体材料の化学組成(酸素、フッ素、および別の非炭素元素の%)、構造(結晶完全性、結晶粒度、欠陥集団など)、結晶配向、形態、製造方法、および性質は、メソフェーズピッチ由来の黒鉛発泡体、CVDグラフェン由来の発泡体、およびGOの熱水還元から得られるグラフェン発泡体とは根本的に別のものであり明らかに異なる。   In conclusion, we have successfully developed a completely new, novel, unexpected and distinctly different kind of high conductivity graphene-carbon hybrid foam material, device and related manufacturing method. The chemical composition (oxygen, fluorine, and% of other non-carbon elements), structure (crystal integrity, grain size, defect clusters etc), crystal orientation, morphology, manufacturing method and properties of this new type of foam material The mesophase pitch-derived graphite foam, the CVD graphene-derived foam, and the graphene foam obtained from the hydrothermal reduction of GO are fundamentally different from and distinct from each other.

Claims (41)

複数の細孔および細孔壁から構成される一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体であって、前記細孔壁が、1/200〜1/2の炭素材料対グラフェン重量比を有する炭素材料によって化学結合した単層または数層グラフェンシートを含み、前記数層グラフェンシートが、X線回折によって測定して0.3354nm〜0.40nmの面間隔d002を有する2〜10層の積層グラフェン面を有し、前記単層または数層グラフェンシートが、実質的に0%の非炭素元素を有する純粋なグラフェン材料、または0.001重量%〜25重量%の非炭素元素を有する不純グラフェン材料を含み、前記不純グラフェンが、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ドープされたグラフェン、化学官能化グラフェン、またはそれらの組合せから選択される、一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。 An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam composed of a plurality of pores and pore walls, wherein the pore walls are by a carbon material having a carbon material to graphene weight ratio of 1/200 to 1/2. 2 to 10 stacked graphene planes comprising chemically bound single or several layer graphene sheets, said few layers graphene sheets having a spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm, measured by X-ray diffraction And the single-layer or few-layer graphene sheet comprises pure graphene material having substantially 0% non-carbon element, or impure graphene material having 0.001% to 25% non-carbon element by weight. Wherein said impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, water An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam selected from hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof. 前記3Dグラフェン発泡体が、0.005〜1.7g/cmの密度、50〜3,200m/gの比表面積、単位比重当たり少なくとも200W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり2,000S/cm以上の導電率を有する、請求項1に記載の一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。 The 3D graphene foam has a density of 0.005 to 1.7 g / cm 3 , a specific surface area of 50 to 3,200 m 2 / g, a thermal conductivity of at least 200 W / m K per unit specific gravity, and / or per unit specific gravity The integrated 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, having a conductivity of 2,000 S / cm or more. 前記細孔壁が純粋なグラフェンを含み、前記3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体が0.01〜1.7g/cmの密度または2nm〜50nmの平均孔径を有する、請求項1に記載の一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。 The integrated type according to claim 1, wherein the pore wall comprises pure graphene, and the 3D graphene-carbon hybrid foam has a density of 0.01 to 1.7 g / cm 3 or an average pore diameter of 2 to 50 nm. 3D Graphene-Carbon Hybrid Foam. 前記細孔壁が不純グラフェン材料を含み、前記発泡体が0.01重量%〜20重量%の範囲内の非炭素元素含有量を含み、前記非炭素元素が、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、窒素、水素、またはホウ素から選択される元素を含む、請求項1に記載の一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   The pore wall comprises impure graphene material, the foam comprises a non-carbon element content in the range of 0.01 wt% to 20 wt%, and the non-carbon element comprises oxygen, fluorine, chlorine, bromine, The integrated 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, comprising an element selected from iodine, nitrogen, hydrogen or boron. 前記細孔壁がフッ化グラフェンを含み、前記固体グラフェン発泡体が0.01重量%〜15重量%のフッ素含有量を含む、請求項1に記載の一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   The integrated 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore wall comprises graphene fluoride and the solid graphene foam comprises 0.01 wt% to 15 wt% fluorine content. 前記細孔壁が酸化グラフェンを含み、前記固体グラフェン発泡体が0.01重量%〜20重量%の酸素含有量を含む、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   The 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore wall comprises graphene oxide and the solid graphene foam comprises an oxygen content of 0.01 wt% to 20 wt%. 前記発泡体が200〜3,000m/gの比表面積または0.1〜1.2g/cmの密度を有する、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。 The 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, wherein the foam has a specific surface area of 200 to 3,000 m 2 / g or a density of 0.1 to 1.2 g / cm 3 . 100nm〜10cmの厚さ、および少なくとも2メートルの長さを有する連続長ロールシートの形態であり、ロールツーロールプロセスによって製造される、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   The 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, in the form of a continuous long roll sheet having a thickness of 100 nm to 10 cm, and a length of at least 2 meters, and manufactured by a roll-to-roll process. 前記発泡体が1重量%未満の酸素含有量または非炭素含有量を有し、前記細孔壁が、0.35nm未満のグラフェン間隔、単位比重当たり少なくとも250W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり2,500S/cm以上の導電率を有する、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   The foam has an oxygen or non-carbon content of less than 1% by weight, the pore walls have a graphene spacing of less than 0.35 nm, a thermal conductivity of at least 250 W / mK per unit specific gravity, and / or The 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, having a conductivity of 2,500 S / cm or more per unit specific gravity. 前記発泡体が0.01重量%未満の酸素含有量または非炭素含有量を有し、前記細孔壁が、0.34nm未満のグラフェン間隔、単位比重当たり少なくとも300W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり3,000S/cm以上の導電率を有する積層グラフェン面を含む、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   Said foam having an oxygen content or non-carbon content of less than 0.01% by weight, said pore walls being graphene spacings of less than 0.34 nm, thermal conductivity of at least 300 W / mK per unit specific gravity, and The 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, comprising stacked graphene surfaces having a conductivity of 3,000 S / cm or more per unit specific gravity. 前記発泡体が0.01重量%以下の酸素含有量または非炭素含有量を有し、前記細孔壁が、0.336nm未満のグラフェン間隔、単位比重当たり少なくとも350W/mKの熱伝導率、および/または単位比重当たり3,500S/cm以上の導電率を有する積層グラフェン面を含む、請求項1に記載の3Dグラフェン発泡体。   The foam has an oxygen content or non-carbon content of 0.01% by weight or less, the pore walls have graphene spacing less than 0.336 nm, a thermal conductivity of at least 350 W / mK per unit specific gravity, The 3D graphene foam according to claim 1, comprising laminated graphene surfaces having a conductivity of at least 3,500 S / cm per unit specific gravity. 前記発泡体が、0.336nm未満のグラフェン間隔、単位比重当たり400W/mKを超える熱伝導率、および/または単位比重当たり4,000S/cmを超える導電率を有する積層グラフェン面を含む細孔壁を有する、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   A pore wall comprising a laminated graphene surface wherein said foam has a graphene spacing of less than 0.336 nm, a thermal conductivity of more than 400 W / mK per unit specific gravity, and / or a conductivity of more than 4,000 S / cm per unit specific gravity. The 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, having 前記細孔壁が、0.337nm未満のグラフェン間隔および1.0未満のモザイクスプレッド値を有する積層グラフェン面を含む、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   The 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, wherein the pore wall comprises laminated graphene surfaces having a graphene spacing of less than 0.337 nm and a mosaic spread value of less than 1.0. 前記細孔壁が、相互接続されたグラフェン面の3Dネットワークを含む、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   The 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore wall comprises a 3D network of interconnected graphene planes. 前記発泡体が、2nm〜50nmの孔径を有するメソスケールの細孔を含む、請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体。   The 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the foam comprises mesoscale pores having a pore size of 2 nm to 50 nm. 油吸収要素として請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む、油除去装置または油分離装置。   An oil removal device or oil separation device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1 as an oil absorbing element. 溶媒吸収要素または溶媒分離要素として請求項1に記載の3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む、溶媒除去装置または溶媒分離装置。   A solvent removal or separation device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1 as solvent absorption or separation element. 水から油を分離する方法であって:
a.請求項1に記載の一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む油吸収要素を提供するステップと;
b.油−水混合物を前記要素と接触させて、前記要素に前記混合物から前記油を吸収させるステップと;
c.前記要素を前記混合物から取り出し、前記要素から前記油を抽出するステップと;
d.前記要素を再利用するステップと、
を含む方法。
How to separate oil from water:
a. Providing an oil-absorbing element comprising the integrated 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1;
b. Contacting an oil-water mixture with the element to cause the element to absorb the oil from the mixture;
c. Removing the element from the mixture and extracting the oil from the element;
d. Reusing the element;
Method including.
溶媒−水混合物から、または複数の溶媒の混合物から有機溶媒を分離する方法であって:
a.請求項1に記載の一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む有機溶媒吸収要素または溶媒分離要素を提供するステップと、;
b前記要素を、有機溶媒−水混合物、または第1の溶媒および少なくとも第2の溶媒を含む複数の溶媒の混合物と接触させるステップと;
c.前記要素に、前記混合物から前記有機溶媒を吸収させる、または前記要素によって、前記少なくとも第2の溶媒から前記第1の溶媒を分離するステップと;
d.前記要素を前記混合物から取り出し、前記要素から有機溶媒または第1の溶媒を抽出するステップと;
e.前記要素を再利用するステップと、
を含む方法。
A method of separating an organic solvent from a solvent-water mixture or from a mixture of solvents:
a. Providing an organic solvent absorbing element or solvent separating element comprising the integrated 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1;
b contacting the element with an organic solvent-water mixture, or a mixture of solvents including a first solvent and at least a second solvent;
c. Allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture, or separating the first solvent from the at least second solvent by the element;
d. Removing the element from the mixture and extracting an organic solvent or a first solvent from the element;
e. Reusing the element;
Method including.
熱拡散要素または放熱要素として請求項1に記載の3D一体型グラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を含む、温度管理装置。   A thermal management device comprising the 3D integrated graphene-carbon hybrid foam according to claim 1 as a heat spreading or heat dissipating element. 熱交換器、ヒートシンク、ヒートパイプ、高伝導性インサート、ヒートシンクと熱源との間の伝導板、熱拡散部品、放熱部品、熱界面媒体、または熱電気冷却装置もしくはペルチェ冷却装置から選択される装置を含む、請求項20に記載の温度管理装置。   Heat exchangers, heat sinks, heat pipes, highly conductive inserts, conductive plates between heat sinks and heat sources, heat spreaders, heat spreaders, heat interface media, or devices selected from thermal electrical coolers or Peltier coolers 21. A thermal management device according to claim 20, comprising. 黒鉛材料から一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を直接製造する方法であって:
(a)エネルギー衝突装置の衝突チャンバ中で黒鉛材料の複数の粒子と固体ポリマー担体材料の複数の粒子とを混合して混合物を形成するステップと;
(b)前記黒鉛材料からグラフェンシートを剥離し、前記グラフェンシートを前記固体ポリマー担体材料粒子の表面に移動させて、グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を前記衝突チャンバの内部で形成するのに十分な時間の間、ある頻度およびある強度で前記エネルギー衝突装置を運転するステップと;
(c)前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を前記衝突チャンバから回収して、前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子を、グラフェン−ポリマー複合構造の所望の形状に固化させるステップと;
(d)グラフェン−ポリマー複合構造の前記形状を熱分解させ、前記ポリマーを細孔と前記グラフェンシートを結合させる炭素もしくは黒鉛とに熱的に変換させて、一体型3Dグラフェン−炭素ハイブリッド発泡体を形成するステップと、
を含む方法。
A method of directly producing integrated 3D graphene-carbon hybrid foam from a graphite material:
(A) mixing the plurality of particles of the graphite material and the plurality of particles of the solid polymer support material in a collision chamber of the energy collision apparatus to form a mixture;
(B) peeling a graphene sheet from the graphite material and transferring the graphene sheet to the surface of the solid polymer carrier material particles to form graphene coated polymer particles or graphene embedded polymer particles inside the collision chamber Operating the energy collision device for a sufficient time, for a certain frequency and for a certain intensity;
(C) recovering said graphene coated polymer particles or graphene embedded polymer particles from said collision chamber to solidify said graphene coated polymer particles or graphene embedded polymer particles into a desired shape of a graphene-polymer composite structure;
(D) Thermally decomposing the shape of the graphene-polymer composite structure and thermally converting the polymer into pores or carbon or graphite that bonds the graphene sheet, thereby forming an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam Forming steps,
Method including.
前記エネルギー衝突装置の前記衝突チャンバに複数の衝突ボールまたは媒体が加えられる、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein a plurality of collision balls or media are added to the collision chamber of the energy collision device. ステップ(c)が、前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子から前記衝突ボールまたは媒体を分離するために磁石を操作するステップと含む、請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein step (c) comprises manipulating a magnet to separate the collision ball or medium from the graphene coated polymer particle or graphene embedded polymer particle. 前記固体ポリマー材料粒子が、10nm〜10mmの直径または厚さを有するプラスチックまたはゴムのビーズ、ペレット、球、ワイヤ、繊維、フィラメント、ディスク、リボン、またはロッドを含む、請求項22に記載の方法。   The method according to claim 22, wherein the solid polymer material particles comprise plastic or rubber beads, pellets, spheres, wires, fibers, filaments, disks, ribbons or rods having a diameter or thickness of 10 nm to 10 mm. 前記直径または厚さが100nm〜1mmである、請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein the diameter or thickness is 100 nm to 1 mm. 前記固体ポリマーが、熱可塑性プラスチック、熱硬化性樹脂、ゴム、半貫通ネットワークポリマー、貫通ネットワークポリマー、天然ポリマー、またはそれらの組合せの固体粒子から選択される、請求項22に記載の方法。   The method according to claim 22, wherein the solid polymer is selected from solid particles of thermoplastics, thermosetting resins, rubbers, semi-penetrating network polymers, penetrating network polymers, natural polymers, or combinations thereof. ステップ(d)の前に、前記固体ポリマーが溶融、エッチング、または溶媒中への溶解によって部分的に除去される、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein prior to step (d), the solid polymer is partially removed by melting, etching or dissolution in a solvent. 前記黒鉛材料が、天然黒鉛、剛性黒鉛、高配向熱分解黒鉛、黒鉛繊維、黒鉛ナノファイバ、フッ化黒鉛、酸化黒鉛、化学修飾黒鉛、剥離黒鉛、剥離し再圧縮した黒鉛、膨張黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、またはそれらの組合せから選択される、請求項22に記載の方法。   The graphite material is natural graphite, rigid graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fiber, graphite nanofiber, fluorinated graphite, graphite oxide, chemically modified graphite, exfoliated graphite, exfoliated and recompressed graphite, expanded graphite, meso carbon 23. The method of claim 22, wherein the method is selected from microbeads, or a combination thereof. 前記エネルギー衝突装置が、振動ボールミル、遊星ボールミル、高エネルギーミル、バスケットミル、アジテーターボールミル、クライオボールミル、マイクロボールミル、タンブラーボールミル、連続ボールミル、撹拌ボールミル、加圧ボールミル、フリーザーミル、振動ふるい、ビーズミル、ナノビーズミル、超音波ホモジナイザーミル、遠心分離遊星ミキサー、真空ボールミル、または共鳴音響ミキサーである、請求項22に記載の方法。   The energy collision apparatus includes a vibration ball mill, a planetary ball mill, a high energy mill, a basket mill, an agitator ball mill, a cryo ball mill, a micro ball mill, a tumble ball mill, a continuous ball mill, a stirring ball mill, a pressure ball mill, a freezer mill, a vibrating sieve, a bead mill, nano The method according to claim 22, wherein the method is a bead mill, an ultrasonic homogenizer mill, a centrifugal planetary mixer, a vacuum ball mill, or a resonance acoustic mixer. 前記黒鉛材料が、前記混合ステップの前に化学処理および酸化処理があらかじめ行われていないインターカレートされず酸化されていない黒鉛材料を含む、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein the graphite material comprises a non-intercalated, non-oxidized graphite material that has not been previously treated with chemical and oxidative treatments prior to the mixing step. 前記固体ポリマーが、フェノール樹脂、ポリフルフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、それらのコポリマー、それらのポリマーブレンド、またはそれらの組合せから選択される、高炭素収率ポリマーを含む、請求項22に記載の方法。   The solid polymer is a phenolic resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, polybenzobisthiazole, poly (p-phenylene) 23. The method of claim 22, comprising a high carbon yield polymer selected from vinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. 前記固体ポリマーが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン(ABS)、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリジエン(poly vinylidiene fluoride)(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、それらのコポリマー、それらのポリマーブレンド、またはそれらの組合せから選択される低炭素収率ポリマーを含む、請求項22に記載の方法。   The solid polymer is polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene (ABS), polyester, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene 23. The method of claim 22, comprising a low carbon yield polymer selected from oxide (PPO), polymethyl methacrylate (PMMA), their copolymers, their polymer blends, or combinations thereof. 熱分解の前記ステップが、前記ポリマーを200℃〜2,500℃の温度で炭化させてグラフェン−炭素発泡体を得るステップ、または前記ポリマー200℃〜2,500℃の温度の温度で炭化させてグラフェン−炭素発泡体を得て、次いで前記グラフェン−炭素発泡体を2,500℃〜3,200℃で黒鉛化させて黒鉛化グラフェン−炭素発泡体を得るステップを含む、請求項22に記載の方法。   The step of thermal decomposition carbonizes the polymer at a temperature of 200 ° C. to 2,500 ° C. to obtain a graphene-carbon foam, or carbonizes it at a temperature of a temperature of 200 ° C. to 2,500 ° C. The method according to claim 22, comprising obtaining a graphene-carbon foam, and then graphitizing the graphene-carbon foam at 2,500 ° C to 3,200 ° C to obtain a graphitized graphene-carbon foam. Method. 前記固化ステップが、前記ポリマー粒子を溶融させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶融混合物を形成するステップと、前記ポリマー溶融混合物から所望の形状を形成するステップと、前記形状をグラフェン−ポリマー複合構造に固化させるステップとを含む、請求項22に記載の方法。   The solidifying step melts the polymer particles to form a polymer melt mixture in which graphene sheets are dispersed, forming a desired shape from the polymer melt mixture, and the shape being graphene-polymer composite Solidifying the structure. 前記固化ステップが、前記ポリマー粒子を溶媒中に溶解させて、グラフェンシートが中に分散したポリマー溶液混合物を形成するステップと、前記ポリマー溶液混合物から所望の形状を形成するステップと、前記溶媒を除去して、前記形状を前記グラフェン−ポリマー複合構造に固化させるステップとを含む、請求項22に記載の方法。   The solidifying step dissolves the polymer particles in a solvent to form a polymer solution mixture in which a graphene sheet is dispersed, forms a desired shape from the polymer solution mixture, and removes the solvent. Solidifying the shape into the graphene-polymer composite structure. 前記固化ステップが、前記グラフェン被覆ポリマー粒子から、ロッド、シート、フィルム、繊維、粉末、インゴット、またはブロックの形態から選択される複合形状を形成するステップを含む、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein said solidifying step comprises forming from said graphene coated polymer particles a composite shape selected from the form of rods, sheets, films, fibers, powders, ingots, or blocks. 前記固化ステップが、前記グラフェン被覆ポリマー粒子を圧密して、マクロ細孔を有する多孔質のグリーンコンパクトにするステップと、次いで、石油ピッチ、コールタールピッチ、芳香族有機材料、モノマー、有機ポリマー、またはそれらの組合せから選択される追加の炭素源材料を前記細孔中に浸透または含浸させるステップとを含む、請求項22に記載の方法。   Said solidifying step compacts said graphene-coated polymer particles into macroporous porous green compacts, then petroleum pitch, coal tar pitch, aromatic organic material, monomer, organic polymer, or Permeating or impregnating additional carbon source material selected from the combination thereof into the pores. 前記有機ポリマーが、フェノール樹脂、ポリフルフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリチアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、それらのコポリマー、それらのポリマーブレンド、またはそれらの組合せから選択される高炭素収率ポリマーを含む、請求項38に記載の方法。   The organic polymer is a phenol resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, polybenzobisthiazole, poly (p-phenylene) 39. The method of claim 38, comprising a high carbon yield polymer selected from vinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. 前記固化ステップが、前記グラフェン被覆ポリマー粒子またはグラフェン埋め込みポリマー粒子の材料から圧密体を形成するステップを含む、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein the solidifying step comprises forming a compact from the material of the graphene coated polymer particles or graphene embedded polymer particles. 前記圧密体が、ロッド、シート、フィルム、繊維、粉末、インゴット、またはブロックから選択される形態である、請求項40に記載の方法。

41. The method of claim 40, wherein the compact is in a form selected from rods, sheets, films, fibers, powders, ingots, or blocks.

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