JP6313636B2 - Superlattice structure, manufacturing method thereof, and electrode material using the same - Google Patents

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Description

本発明は、複水酸化物ナノシートを用いた超格子構造体、その製造方法およびそれを用いた電極材料に関する。   The present invention relates to a superlattice structure using a double hydroxide nanosheet, a manufacturing method thereof, and an electrode material using the same.

限りある化石燃料の需要が高まり、燃料電池、太陽電池、二次リチウムイオン電池、スーパーキャパシタ等の代替エネルギーの転換/蓄積システムの研究が盛んである。中でも、スーパーキャパシタは、高出力密度(約5kW/kg)の観点からもっとも有利とされる。しかしながら、スーパーキャパシタのエネルギー密度は10Wh/kg以下(比容量に換算すると100F/g以下)であり、二次リチウムイオン電池のそれ(約200Wh/g)と比較すると極めて小さいことが分かっている。スーパーキャパシタを実用化するためには、容量を少なくとも2〜5倍増大させる必要がある。   As demand for limited fossil fuels increases, research into alternative energy conversion / storage systems such as fuel cells, solar cells, secondary lithium-ion batteries, and supercapacitors is actively underway. Among them, the supercapacitor is most advantageous from the viewpoint of high power density (about 5 kW / kg). However, the energy density of the supercapacitor is 10 Wh / kg or less (100 F / g or less in terms of specific capacity), which is known to be extremely small compared to that of the secondary lithium ion battery (about 200 Wh / g). In order to put the super capacitor into practical use, it is necessary to increase the capacitance by at least 2 to 5 times.

スーパーキャパシタのエネルギーの蓄積および放出には、イオン吸着/脱着プロセスおよび酸化・還元反応の2つの電気化学プロセスがある。導電性表面へのイオンの高速吸着/脱着を利用することで、高出力電気二重層(EDL)スーパーキャパシタが構築され得る。このようなスーパーキャパシタの電極活物質として、活性炭、カーボンナノチューブ、グラフェン等の高比表面積の炭素材料が採用されている。   There are two electrochemical processes for energy storage and release of supercapacitors: ion adsorption / desorption processes and oxidation / reduction reactions. By utilizing fast adsorption / desorption of ions to / from conductive surfaces, high power electric double layer (EDL) supercapacitors can be constructed. As the electrode active material of such a supercapacitor, a carbon material having a high specific surface area such as activated carbon, carbon nanotube, graphene, or the like is employed.

一方、電池と同じく酸化・還元反応を利用している高容量デバイスである擬似容量キャパシタでは、電極材料として、酸化・還元可能な遷移金属(Fe、Co、Ni、Mn、Ru等)の酸化物/水酸化物が用いられる。しかしながら、高い導電性を示すRuO(Ruは希少かつ高価な金属である)を除いては、他の遷移金属酸化物/水酸化物は絶縁性が高く、そのまま電極材料に使用するのは困難である。 On the other hand, in a pseudo-capacitor capacitor, which is a high-capacity device using oxidation / reduction reactions as in the case of a battery, an oxide of a transition metal (Fe, Co, Ni, Mn, Ru, etc.) that can be oxidized / reduced as an electrode material / Hydroxide is used. However, except for RuO 2 (Ru is a rare and expensive metal) exhibiting high conductivity, other transition metal oxides / hydroxides have high insulating properties and are difficult to use as electrode materials as they are. It is.

このような問題を解決するために、カーボンナノチューブ、グラフェンを含む導電性炭素材料を遷移金属酸化物/水酸化物と複合化させ、電気化学特性を改善する手法が提案されている。特に、グラフェンは、高比表面積(約2600m/g)および高導電率(10〜10S/cm)を有しているので、大きなEDL容量を可能にし、効率的に電流を集める素材として機能する。 In order to solve such problems, a method has been proposed in which a conductive carbon material containing carbon nanotubes and graphene is combined with a transition metal oxide / hydroxide to improve electrochemical characteristics. In particular, since graphene has a high specific surface area (about 2600 m 2 / g) and high conductivity (10 3 to 10 4 S / cm), it enables a large EDL capacity and efficiently collects current. Function as.

炭素材料と遷移金属水酸化物とを複合化した技術が報告されている(例えば、特許文献1および非特許文献1を参照。)。   A technique in which a carbon material and a transition metal hydroxide are combined has been reported (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

特許文献1および非特許文献1によれば、例えば、CoおよびAlを含む複水酸化物ナノシート(Co−Al層状複水酸化物ナノシート)を分散させた懸濁液と、酸化グラフェンナノシートを分散させた懸濁液とを混合することにより、静電的相互作用により酸化グラフェンナノシートとCo−Al層状複水酸化物ナノシートとの複合体が得られ、それがスーパーキャパシタの電極材料として有効であることを開示している。   According to Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, for example, a suspension in which a double hydroxide nanosheet containing Co and Al (Co—Al layered double hydroxide nanosheet) is dispersed, and a graphene oxide nanosheet are dispersed. By mixing the suspension, a composite of graphene oxide nanosheets and Co-Al layered double hydroxide nanosheets can be obtained by electrostatic interaction, which is effective as an electrode material for supercapacitors Is disclosed.

しかしながら、特許文献1および非特許文献1に記載の合成物では、ナノシートが凝集している場合があり、絶縁性の複水酸化物ナノシートと導電性のグラフェンナノシートとの直接隣接する積層構造が得られない。また、実際のスーパーキャパシタや擬似容量キャパシタに適用するには特性の改善が必要である。   However, in the composites described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, nanosheets may be aggregated, and a laminated structure in which insulating double hydroxide nanosheets and conductive graphene nanosheets are directly adjacent to each other is obtained. I can't. Further, it is necessary to improve the characteristics in order to apply to an actual super capacitor or pseudo capacitor.

中国特許出願公開第101950593号明細書Chinese Patent Application Publication No. 101955933

Lei Wangら、Chem.Commun.,2011,47,3556−3558Lei Wang et al., Chem. Commun. , 2011, 47, 3556-3558

以上より、本発明の課題は、スーパーキャパシタ、擬似容量キャパシタ等に好適な超格子構造体、その製造方法およびそれを用いた電極材料を提供することである。   As described above, an object of the present invention is to provide a superlattice structure suitable for a supercapacitor, a pseudocapacitor capacitor, a manufacturing method thereof, and an electrode material using the same.

本発明の超格子構造体は、M12+イオンとM23+イオンとを含有する複水酸化物ナノシートと、還元された酸化グラフェンナノシートとが交互に積層されており、前記M12+イオンのM1元素は、Co、Fe、Ni、Mn、CuおよびZnからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素であり、前記M23+イオンのM2元素は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、NiおよびGaからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素であり、層間距離は、0.8nm以上1.3nm未満の範囲であり、これにより上記課題を解決する。
前記M1元素はCoであり、前記M2元素はAlであってもよい。
前記M1元素はCoおよびNiであり、前記M2元素はCoであってもよい。
前記複水酸化物ナノシートの厚さは、0.48nm以上1.0nm以下の範囲であってもよい。
前記還元された酸化グラフェンナノシートの厚さは、0.33nm以上0.83nm以下の範囲であってもよい。
前記層間距離は、0.8nm以上1.1nm未満の範囲であってもよい。
前記複水酸化物ナノシートは、一般式[M12+ 1−xM23+ (OH)x+(xは0<x≦1/3の実数である)で表されてもよい。
前記複水酸化物ナノシートは、一般式[M12+ 1−xM23+ (OH)][Zn− x/n・mHO](Zは陰イオンであり、nは前記陰イオンZの価数であり、xは0<x≦1/3の実数であり、mは0<m<1の実数である)で表される層状複水酸化物から単層剥離されていてもよい。
前記還元された酸化グラフェンナノシートは、酸化グラフェンから単層剥離された後、還元されていてもよい。
前記還元された酸化グラフェンナノシートの質量として前駆体であるグラファイトの質量(G)を用い、前記複水酸化物ナノシートの質量として前駆体である前記M12+イオンと前記M23+イオンとを含有する層状複水酸化物の質量(LDH)を用いた場合、前記グラファイトの質量(G)に対する前記層状複水酸化物の質量(LDH)の比(LDH/G)は、3以上4未満であってもよい。
本発明による上述の超格子構造体の製造方法は、M12+イオンとM23+イオンとを含有する複水酸化物ナノシートが第1の非プロトン性極性溶媒に分散したカチオン性溶液と、還元された酸化グラフェンナノシートが少なくとも第2の非プロトン性極性溶媒に分散したアニオン性溶液とを混合・撹拌するステップを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記混合・撹拌するステップにおいて、前記還元された酸化グラフェンナノシートの前駆体であるグラファイトの質量(G)に対する前記複水酸化物ナノシートの前駆体である前記M12+イオンと前記M23+イオンとを含有する層状複水酸化物の質量(LDH)の比(LDH/G)は、3以上4未満であってもよい。
前記アニオン性溶液において、前記還元された酸化グラフェンナノシートは、前記第2の非プロトン性極性溶媒と水との混合溶媒に分散していてもよい。
前記混合溶媒において、前記第2の非プロトン性極性溶媒(F)に対する前記水(H)の体積比(H/F)は、0以上0.5以下の範囲であってもよい。
前記第1の非プロトン性極性溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミドおよびジメチルホルムアミドからなる群から選択されてもよい。
前記第2の非プロトン性極性溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミドおよびジメチルホルムアミドからなる群から選択されてもよい。
前記混合・撹拌するステップは、前記カチオン性溶液を室温で撹拌しながら、1mL/分以上10mL/分の速度で前記アニオン性溶液を添加してもよい。
前記混合・撹拌するステップは、前記アニオン性溶液を室温で撹拌しながら、1mL/分以上10mL/分の速度で前記カチオン性溶液を添加してもよい。
前記混合・撹拌するステップに先立って、酸化グラフェンナノシートが少なくとも第2の非プロトン性極性溶媒に分散した溶液に、還元剤を添加後加熱し、アニオン性溶液を調製するステップをさらに包含してもよい。
本発明による電極材料は、上述した超格子構造体からなり、これにより上記課題を解決する。
In the superlattice structure of the present invention, double hydroxide nanosheets containing M1 2+ ions and M2 3+ ions and reduced graphene oxide nanosheets are alternately stacked, and the M1 element of the M1 2+ ions is , Co, Fe, Ni, Mn, Cu and Zn, and the M2 element of the M2 3+ ion is selected from Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Ga. It is a metal element selected from at least one group, and the interlayer distance is in the range of 0.8 nm or more and less than 1.3 nm, thereby solving the above problem.
The M1 element may be Co, and the M2 element may be Al.
The M1 element may be Co and Ni, and the M2 element may be Co.
The double hydroxide nanosheet may have a thickness in a range of 0.48 nm to 1.0 nm.
The reduced graphene oxide nanosheet may have a thickness in a range of 0.33 nm to 0.83 nm.
The interlayer distance may be in a range of 0.8 nm or more and less than 1.1 nm.
The double hydroxide nanosheet may be represented by a general formula [M1 2+ 1−x M2 3+ x (OH) 2 ] x + (x is a real number of 0 <x ≦ 1/3).
The double hydroxide nanosheet represented by the general formula [M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH) 2] [Z n- x / n · mH 2 O] (Z is an anion, n represents the anion Z And x is a real number satisfying 0 <x ≦ 1/3, and m is a real number satisfying 0 <m <1). .
The reduced graphene oxide nanosheet may be reduced after being peeled from the graphene oxide as a single layer.
Using the mass (G) of graphite as a precursor as the mass of the reduced graphene oxide nanosheet, the layer containing the M1 2+ ion and the M2 3+ ion as a precursor as the mass of the double hydroxide nanosheet When the double hydroxide mass (LDH) is used, the ratio (LDH / G) of the layered double hydroxide mass (LDH) to the graphite mass (G) is 3 or more and less than 4. Good.
The above-described method for manufacturing a superlattice structure according to the present invention is reduced by a cationic solution in which a double hydroxide nanosheet containing M1 2+ ions and M2 3+ ions is dispersed in a first aprotic polar solvent. The step of mixing and stirring the anionic solution in which the graphene oxide nanosheet is dispersed in at least the second aprotic polar solvent is included, thereby solving the above-mentioned problem.
In the mixing and stirring step, the M1 2+ ion and the M2 3+ ion that are the precursor of the double hydroxide nanosheet with respect to the mass (G) of the graphite that is the precursor of the reduced graphene oxide nanosheet are contained The ratio of the layered double hydroxide mass (LDH) (LDH / G) may be 3 or more and less than 4.
In the anionic solution, the reduced graphene oxide nanosheet may be dispersed in a mixed solvent of the second aprotic polar solvent and water.
In the mixed solvent, the volume ratio (H / F) of the water (H) to the second aprotic polar solvent (F) may be in the range of 0 to 0.5.
The first aprotic polar solvent may be selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide.
The second aprotic polar solvent may be selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide.
In the mixing and stirring step, the anionic solution may be added at a rate of 1 mL / min to 10 mL / min while stirring the cationic solution at room temperature.
In the mixing / stirring step, the cationic solution may be added at a rate of 1 mL / min to 10 mL / min while stirring the anionic solution at room temperature.
Prior to the step of mixing and stirring, the method further includes a step of preparing an anionic solution by adding a reducing agent to a solution in which graphene oxide nanosheets are dispersed in at least a second aprotic polar solvent and then heating the solution. Good.
The electrode material according to the present invention comprises the superlattice structure described above, thereby solving the above-mentioned problems.

本発明の超格子構造体は、複水酸化物ナノシートと還元された酸化グラフェンナノシートとが交互に積層されており、層間距離は、0.8nm以上1.3nm未満の範囲である。このような構造を有する超格子構造体は、ナノシートが凝集することなく交互に積層されており、優れた電気化学特性を有し得る。酸化・還元可能な複水酸化物ナノシートを用いているので、本発明の超格子構造体を電極材料として用いれば、高容量を可能する。また、絶縁性の複水酸化物ナノシートと導電性の還元された酸化グラフェンナノシートとが交互に分子レベルで配列しているので、電荷輸送効率が向上し得る。その結果、本発明の超格子構造体を電極材料として用いれば、還元された酸化グラフェンナノシートに匹敵する高速充電・放電の高出力性能を可能にする。   In the superlattice structure of the present invention, double hydroxide nanosheets and reduced graphene oxide nanosheets are alternately laminated, and the interlayer distance is in the range of 0.8 nm or more and less than 1.3 nm. The superlattice structure having such a structure is formed by alternately laminating nanosheets without aggregation, and may have excellent electrochemical characteristics. Since the double hydroxide nanosheet that can be oxidized / reduced is used, a high capacity is possible if the superlattice structure of the present invention is used as an electrode material. In addition, since the insulating double hydroxide nanosheets and the conductive reduced graphene oxide nanosheets are alternately arranged at the molecular level, the charge transport efficiency can be improved. As a result, when the superlattice structure of the present invention is used as an electrode material, high output performance of high-speed charging / discharging comparable to reduced graphene oxide nanosheets is enabled.

本発明の方法によれば、還元された酸化グラフェンナノシートが少なくとも非プロトン性極性溶媒に分散したアニオン性溶液を用いるので、不純物が低減され、高品質な超格子構造体が得られる。   According to the method of the present invention, since an anionic solution in which reduced graphene oxide nanosheets are dispersed in at least an aprotic polar solvent is used, impurities are reduced and a high-quality superlattice structure is obtained.

本発明の超格子構造体の模式図Schematic diagram of the superlattice structure of the present invention 本発明の超格子構造体を製造するステップを示す図The figure which shows the step which manufactures the superlattice structure of this invention 参考例1の試料のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the sample of the reference example 1 参考例2の試料のAFM像(A)、TEM像(B)および電子回折パターン(C)を示す図The figure which shows the AFM image (A), TEM image (B), and electron diffraction pattern (C) of the sample of the reference example 2. 参考例3および参考例4の試料のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the sample of the reference example 3 and the reference example 4 参考例3および参考例4の試料のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the sample of the reference example 3 and the reference example 4 参考例3および参考例4の試料のTEM像を示す図The figure which shows the TEM image of the sample of the reference example 3 and the reference example 4 参考例4の試料の電子回折パターン(A)およびEELSスペクトル(B)を示す図The figure which shows the electron diffraction pattern (A) and EELS spectrum (B) of the sample of Reference Example 4 実施例5および比較例6の試料のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the sample of Example 5 and Comparative Example 6 実施例7および比較例8の試料のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the sample of Example 7 and Comparative Example 8 実施例5の試料のTEM像(A)、高解像度画像(B)および電子回折パターン(C)を示す図The figure which shows the TEM image (A), high-resolution image (B), and electron diffraction pattern (C) of the sample of Example 5. 実施例7の試料のTEM像(A)、高解像度画像(B)および電子回折パターン(C)を示す図The figure which shows the TEM image (A), high-resolution image (B), and electron diffraction pattern (C) of the sample of Example 7. 実施例5の試料の元素マッピングを示す図The figure which shows the elemental mapping of the sample of Example 5 比較例9の試料のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the sample of the comparative example 9 参考例1の試料のSEM像(A)および電気化学特性(B)〜(D)を示す図The figure which shows the SEM image (A) and electrochemical property (B)-(D) of the sample of the reference example 1. 参考例2の試料のSEM像(A)および電気化学特性(B)〜(D)を示す図The figure which shows the SEM image (A) and electrochemical property (B)-(D) of the sample of the reference example 2. 参考例4の試料の電気化学特性(A)〜(C)を示す図The figure which shows the electrochemical characteristics (A)-(C) of the sample of the reference example 4 比較例10の試料の電気化学特性(A)〜(C)を示す図The figure which shows the electrochemical characteristics (A)-(C) of the sample of the comparative example 10 実施例5の試料の電気化学特性(A)〜(C)を示す図The figure which shows the electrochemical characteristics (A)-(C) of the sample of Example 5 実施例7の試料の電気化学特性(A)〜(C)を示す図The figure which shows the electrochemical characteristics (A)-(C) of the sample of Example 7 参考例4、実施例5および実施例7の試料による定電流充放電(CD)測定の結果を示す図The figure which shows the result of the constant current charging / discharging (CD) measurement by the sample of the reference example 4, Example 5, and Example 7. 参考例4、実施例5、実施例7および比較例10の試料の比容量のスキャン速度依存性を示す図The figure which shows the scanning speed dependence of the specific capacity of the sample of Reference Example 4, Example 5, Example 7, and Comparative Example 10 実施例7の試料の容量の挙動を示す図The figure which shows the behavior of the capacity | capacitance of the sample of Example 7.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same element and the description is abbreviate | omitted.

本発明の超格子構造体の構造について説明する。   The structure of the superlattice structure of the present invention will be described.

図1は、本発明の超格子構造体の模式図を示す。   FIG. 1 shows a schematic diagram of a superlattice structure according to the present invention.

本発明の超格子構造体100は、M12+イオンとM23+イオンとを含有する複水酸化物ナノシート(LDHナノシート)110と、還元された酸化グラフェンナノシート(rGOナノシート)120とが交互に積層された構造体である。ここで、M12+イオンのM1元素は、Co、Fe、Ni、Mn、CuおよびZnからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素であり、M23+イオンのM2元素は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、NiおよびGaからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素である。また、本発明の本超格子構造体100において、層間距離Dは、0.8nm以上1.3nm未満の範囲である。 In the superlattice structure 100 of the present invention, double hydroxide nanosheets (LDH nanosheets) 110 containing M1 2+ ions and M2 3+ ions and reduced graphene oxide nanosheets (rGO nanosheets) 120 are alternately stacked. Structure. Here, the M1 element of the M1 2+ ion is a metal element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Mn, Cu and Zn, and the M2 element of the M2 3+ ion is Al, Cr, Mn , Fe, Co, Ni, and Ga. At least one metal element selected from the group consisting of Ga. In the superlattice structure 100 of the present invention, the interlayer distance D is in the range of not less than 0.8 nm and less than 1.3 nm.

例えば、非特許文献1(あるいは対応する特許文献1)に記載の複合体によれば、層間距離は約2.9nmであると報告されており、本発明の超格子構造体100の値(0.8nm以上1.3nm未満の範囲)とは大きく異なる。すなわち、非特許文献1(あるいは対応する特許文献1)に記載の複合体は、複水酸化物ナノシートとグラフェンナノシートとが交互に積層した超格子構造体とは言えず、本願とは異なる。   For example, according to the composite described in Non-Patent Document 1 (or corresponding Patent Document 1), the interlayer distance is reported to be about 2.9 nm, and the value (0 A range of 8 nm or more and less than 1.3 nm). That is, the composite described in Non-Patent Document 1 (or corresponding Patent Document 1) is not a superlattice structure in which double hydroxide nanosheets and graphene nanosheets are alternately stacked, and is different from the present application.

本発明の超格子構造体100は酸化・還元可能なLDHナノシート110を用いているので、本発明の超格子構造体100を電極材料として用いれば、高容量を可能とする。酸化グラフェンナノシートではなくrGOナノシート120を用いているので、導電性が高い。このような、絶縁性のLDHナノシート110と導電性のrGOナノシート120とが交互に分子レベルで配列しているので、電荷輸送効率が向上し得る。その結果、本発明の超格子構造体100を電極材料として用いれば、還元された酸化グラフェンに匹敵する高速充電・放電の高出力性能を可能にする。   Since the superlattice structure 100 of the present invention uses the oxidizable / reducible LDH nanosheet 110, the use of the superlattice structure 100 of the present invention as an electrode material enables high capacity. Since the rGO nanosheet 120 is used instead of the graphene oxide nanosheet, the conductivity is high. Since such insulating LDH nanosheets 110 and conductive rGO nanosheets 120 are alternately arranged at the molecular level, the charge transport efficiency can be improved. As a result, when the superlattice structure 100 of the present invention is used as an electrode material, high output performance of high-speed charging / discharging comparable to reduced graphene oxide is enabled.

LDHナノシート110は、一般式[M12+ 1−xM23+ (OH)x+(xは0<x≦1/3の実数である)で表される。式中のM1元素およびM2元素は上述したとおりである。中でも、M1元素がCoであり、M2元素がAlである組み合わせ、および、M1元素がCoおよびNiであり、M2元素がCoである組み合わせは、製造が容易であるため好ましい。さらに、M1元素がCoおよびNiであり、M2元素がCoである組み合わせは、いずれも遷移金属であるので、特性が向上するため好ましい。 The LDH nanosheet 110 is represented by a general formula [M1 2+ 1−x M2 3+ x (OH) 2 ] x + (x is a real number where 0 <x ≦ 1/3). The M1 element and M2 element in the formula are as described above. Among these, a combination in which the M1 element is Co and the M2 element is Al, and a combination in which the M1 element is Co and Ni and the M2 element is Co are preferable because they are easy to manufacture. Further, a combination in which the M1 element is Co and Ni and the M2 element is Co is a transition metal, and is preferable because the characteristics are improved.

LDHナノシート110は、一般式[M12+ 1−xM23+ (OH)][Zn− x/n・mHO](Zは陰イオンであり、nは陰イオンZの価数であり、xは0<x≦1/3の実数であり、mは0<m<1の実数である)で表される層状複水酸化物から単層剥離されて、合成される。Zは、陰イオンになるものであれば任意であるが、製造の容易性の観点から、硝酸イオン、過塩素酸イオン、および、ハロゲンイオンが好ましい。 The LDH nanosheet 110 has the general formula [M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH) 2 ] [Z n− x / n · mH 2 O] (Z is an anion, and n is the valence of the anion Z). And x is a real number of 0 <x ≦ 1/3, and m is a real number of 0 <m <1). Z is arbitrary as long as it becomes an anion, but from the viewpoint of ease of production, nitrate ion, perchlorate ion, and halogen ion are preferable.

LDHナノシート110の厚さd1は、層状複水酸化物から算出される結晶学的な厚さを有しているが、具体的には、0.48nm以上1.0nm以下の範囲であれば、結晶学的な厚さを有しているとみなせる。   The thickness d1 of the LDH nanosheet 110 has a crystallographic thickness calculated from the layered double hydroxide. Specifically, if the thickness d1 is in the range of 0.48 nm to 1.0 nm, It can be regarded as having a crystallographic thickness.

rGOナノシート120は、酸化グラフェンから単層剥離された後、還元されている。rGOナノシート120の厚さd2は、酸化グラフェンナノシートの厚さよりも薄く、具体的には、0.33nm以上0.83nm以下の範囲である。rGOナノシート120がこの厚さを満たしていれば、酸化グラフェンから単層剥離されており、さらに確実に還元されているといえる。   The rGO nanosheet 120 is reduced after being separated from the graphene oxide by a single layer. The thickness d2 of the rGO nanosheet 120 is thinner than the thickness of the graphene oxide nanosheet, and specifically ranges from 0.33 nm to 0.83 nm. If the rGO nanosheet 120 satisfies this thickness, it can be said that it has been peeled off from the graphene oxide and is more reliably reduced.

本発明の超格子構造体100の層間距離Dは、上述するLDHナノシート110の厚さd1とrGOナノシート120の厚さd2とから換算され得るが、上述したように、0.8nm以上1.3nm未満の範囲であれば、LDHナノシート110とrGOナノシート120とが交互に積層されていると認められる。より好ましくは、層間距離Dは、0.8nm以上1.1nm未満の範囲である。この範囲であれば、極めて良質な超格子構造体100といえる。   The interlayer distance D of the superlattice structure 100 of the present invention can be converted from the thickness d1 of the LDH nanosheet 110 and the thickness d2 of the rGO nanosheet 120 described above, but as described above, 0.8 nm or more and 1.3 nm. If it is less than the range, it is recognized that the LDH nanosheets 110 and the rGO nanosheets 120 are alternately laminated. More preferably, the interlayer distance D is in the range of 0.8 nm or more and less than 1.1 nm. If it is this range, it can be said that it is the superlattice structure 100 of very good quality.

さらに、rGOナノシートの質量として前駆体であるグラファイトの質量(G)を用い、複水酸化物ナノシートとして前駆体である層状複水酸化物の質量(LDH)を用い、グラファイトの質量に対する層状複水酸化物の質量の比(LDH/G)を算出すると、好ましくは、3以上4未満である。   Further, the mass of graphite as a precursor (G) is used as the mass of the rGO nanosheet, the mass of the layered double hydroxide as a precursor (LDH) as the double hydroxide nanosheet, and the layered double water relative to the mass of graphite. When the ratio of the mass of the oxide (LDH / G) is calculated, it is preferably 3 or more and less than 4.

本願発明者らは、LDH/G値が3以上4未満を満たすように制御すれば、LDHナノシート110とrGOナノシート120とが凝集することなく、均一に交互に積層した良質な超格子構造体をとることができることを創意工夫により見出した。LDH/G値が4を超えるとLDHナノシートが凝集する傾向になり、LDH/G値が3未満になると、rGOナノシートが凝集する傾向にある。   By controlling the LDH / G value to satisfy 3 or more and less than 4, the inventors of the present application can form a high-quality superlattice structure in which the LDH nanosheets 110 and the rGO nanosheets 120 are laminated alternately and uniformly without agglomeration. I found out that I can take it by ingenuity. When the LDH / G value exceeds 4, the LDH nanosheet tends to aggregate, and when the LDH / G value is less than 3, the rGO nanosheet tends to aggregate.

本発明の超格子構造体100は、上述の積層構造により、例えば、スキャン速度が10mV/sにおいて、少なくとも500F/g以上の比容量を有する。超格子構造体におけるLDHナノシートのM1およびM2元素の選択によっては、最大700F/gまで比容量を増大することも可能である。本発明の超格子構造体100の比容量は、グラフェンナノシートのそれの6倍であり、グラフェンよりも優れた電極材料となり得る。   The superlattice structure 100 of the present invention has a specific capacity of at least 500 F / g or more at a scan speed of 10 mV / s, for example, due to the above-described laminated structure. Depending on the choice of the M1 and M2 elements of the LDH nanosheet in the superlattice structure, it is possible to increase the specific capacity up to 700 F / g. The specific capacity of the superlattice structure 100 of the present invention is six times that of graphene nanosheets, and can be an electrode material superior to graphene.

本発明の超格子構造体100は、絶縁性のLDHナノシートに直接導電性のrGOナノシートが隣接するので、高い電荷輸送効率を有する。また、本発明の超格子構造体100は、約100Hzまで理想的なキャパシタ特性を維持できる。このレート特性は、グラフェン電極を用いたEDLスーパーキャパシタに匹敵しているので、擬似容量キャパシタやスーパーキャパシタの電極材料として好適である。   The superlattice structure 100 of the present invention has high charge transport efficiency because the conductive rGO nanosheet is directly adjacent to the insulating LDH nanosheet. Moreover, the superlattice structure 100 of the present invention can maintain ideal capacitor characteristics up to about 100 Hz. Since this rate characteristic is comparable to an EDL supercapacitor using a graphene electrode, it is suitable as an electrode material for a pseudocapacitor capacitor or a supercapacitor.

次に、本発明の超格子構造体100を製造する方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the superlattice structure 100 of the present invention will be described.

図2は、本発明の超格子構造体を製造するステップを示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing steps for manufacturing the superlattice structure of the present invention.

ステップS210:M12+イオンとM23+イオンとを含有する複水酸化物ナノシート(LDHナノシート)が第1の非プロトン性極性溶媒に分散したカチオン性溶液と、還元された酸化グラフェンナノシート(rGOナノシート)が少なくとも第2の非プロトン性極性溶媒に分散したアニオン性溶液とを混合・撹拌する。 Step S210: a cationic solution in which a double hydroxide nanosheet (LDH nanosheet) containing M1 2+ ions and M2 3+ ions is dispersed in a first aprotic polar solvent, and a reduced graphene oxide nanosheet (rGO nanosheet) Is mixed and stirred with at least the anionic solution dispersed in the second aprotic polar solvent.

LDHナノシートは図1を参照して上述したとおりである。LDHナノシートは、例えば、Iyiらによる、“Chem.Lett.2004,33,1122”に記載される水熱合成法、あるいは、Z.Liuらによる“J.Am.Chem.Soc.2006,128,4872”に記載の均一沈殿法によって製造される層状複水酸化物(LDH)(一般式[M12+ 1−xM23+ (OH)][Zn− x/n・mHO](Zは陰イオンであり、nは陰イオンZの価数であり、xは0<x≦1/3の実数であり、mは0<m<1の実数である)を用いて、特開2007−31189に記載の方法、あるいは、J.Liangら,Chem.Mater.2010,22,371に記載の方法によって単層剥離することによって調製されてもよい。 The LDH nanosheet is as described above with reference to FIG. The LDH nanosheet can be obtained by, for example, the hydrothermal synthesis method described in “Chem. Lett. 2004, 33, 1122” by Iyi et al. A layered double hydroxide (LDH) produced by the homogeneous precipitation method described in “J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4872” by Liu et al. (General formula [M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH ) 2] [Z n- x / n · mH 2 O] (Z is an anion, n is the valence of the anion Z, x is a real number of 0 <x ≦ 1/3, m is 1 is a real number such that 0 <m <1), or a method described in JP 2007-31189 or a method described in J. Liang et al., Chem. Mater. 2010, 22, 371 May be prepared.

調製されたLDHナノシートは、分散媒として、第1の非プロトン性極性溶媒に分散され、カチオン性溶液となる。ここで、第1の非プロトン性極性溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミドおよびジメチルホルムアミドからなる群から選択される。これらの非プロトン性極性溶媒は、LDHの剥離を促進させることが分かっており、剥離したLDHナノシートが再凝集することなく分散した状態を良好に維持することができる。   The prepared LDH nanosheet is dispersed in the first aprotic polar solvent as a dispersion medium to become a cationic solution. Here, the first aprotic polar solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide. These aprotic polar solvents are known to promote LDH exfoliation, and the exfoliated LDH nanosheets can be well maintained in a dispersed state without reaggregation.

rGOナノシートは図1を参照して上述したとおりである。rGOナノシートは、グラファイト酸化物から単層剥離した酸化グラフェンナノシート(GOナノシート)を還元することによって得られる。例えば、グラファイト酸化物は、S.Parkらによる、“Nature Nanotechnol.2009,4,217”に記載の改良ハマー法により天然のグラファイト片(フレーク状のグラファイト)から得ることができる。グラファイト酸化物は、水に分散させスラリー状にし、これに超音波処理することにより単層剥離されGOナノシートとなる。GOナノシートは、還元剤とともに加熱により還元されて、rGOナノシートとなる。   The rGO nanosheet is as described above with reference to FIG. The rGO nanosheet is obtained by reducing graphene oxide nanosheets (GO nanosheets) that have been exfoliated from graphite oxide. For example, graphite oxide is S.I. It can be obtained from natural graphite pieces (flaky graphite) by the modified Hamer method described by Park et al., “Nature Nanotechnol. 2009, 4, 217”. The graphite oxide is dispersed in water to form a slurry, and this is subjected to ultrasonic treatment to be separated into a single layer to form a GO nanosheet. The GO nanosheet is reduced by heating together with a reducing agent to become an rGO nanosheet.

調製されたrGOナノシートは、分散媒として、少なくとも第2の非プロトン性極性溶媒に分散され、アニオン性溶液となる。ここで、第2の非プロトン性極性溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミドおよびジメチルホルムアミドからなる群から選択される。第2の非プロトン性極性溶媒は、第1の非プロトン極性溶媒と同じであってもよいし、これらの溶媒は互いに溶媒和するため、異なっていてもよい。第2の非プロトン性極性溶媒は、剥離したrGOナノシートが再凝集することなく分散した状態を良好に維持することができる。   The prepared rGO nanosheet is dispersed in at least a second aprotic polar solvent as a dispersion medium to form an anionic solution. Here, the second aprotic polar solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide. The second aprotic polar solvent may be the same as the first aprotic polar solvent, or these solvents may be different because they solvate with each other. The second aprotic polar solvent can satisfactorily maintain the dispersed state of the peeled rGO nanosheet without reaggregation.

なお、rGOナノシートは、分散媒として、第2の非プロトン性極性溶媒と水との混合溶媒に分散されて、アニオン性溶液となってもよい。これは、グラファイト酸化物を単層剥離する際、通常、水を分散媒に用いるが、アニオン性溶液において、第2の非プロトン性極性溶媒を含んでいれば、GOナノシートあるいはrGOナノシートを調製する際に残留する水を含有していても本発明の超格子構造体の製造に遜色がないためである。詳細には、アニオン性溶液の分散媒として、第2の非プロトン性極性溶媒(F)に対する水(H)の体積比(H/F)が、0以上0.5以下の範囲を満たしていれば、LDHナノシートと混合する際、空気中の二酸化炭素により生成する炭酸イオン不純物の影響が無視できる。   Note that the rGO nanosheet may be dispersed in a mixed solvent of the second aprotic polar solvent and water as a dispersion medium to form an anionic solution. This is because when a graphite oxide is exfoliated, water is usually used as a dispersion medium. If an anionic solution contains a second aprotic polar solvent, a GO nanosheet or an rGO nanosheet is prepared. This is because the superlattice structure of the present invention is not inferior in production even if it contains residual water. Specifically, as a dispersion medium for the anionic solution, the volume ratio (H / F) of water (H) to the second aprotic polar solvent (F) should satisfy the range of 0 to 0.5. For example, when mixed with LDH nanosheets, the influence of carbonate ion impurities generated by carbon dioxide in the air can be ignored.

ステップS210の混合・撹拌するステップに先立って、GOナノシートを少なくとも第2の非プロトン性極性溶媒に分散させた溶液に、還元剤を添加後加熱して、rGOナノシートを含有するアニオン性溶液を調製することが好ましい。第2の非プロトン性極性溶媒を分散媒として用いることにより、不純物を低減し、高品質なrGOナノシートを得ることができる。還元剤は、特に制限されないが、具体的には、ヒドラジン、尿素、ビタミンC、ベンジルアルコール、ヨウ化水素(HI)、および、これらの誘導体が挙げられる。加熱は、典型的には、70℃以上100℃以下の温度範囲で5時間以上24時間保持すればよい。また、加熱をする際に油浴を用いれば、温度を一定に維持できるので、均一に還元が進み、好ましい。   Prior to the mixing / stirring step in step S210, an anionic solution containing rGO nanosheets is prepared by adding a reducing agent to a solution in which GO nanosheets are dispersed in at least a second aprotic polar solvent and then heating. It is preferable to do. By using the second aprotic polar solvent as a dispersion medium, impurities can be reduced and a high-quality rGO nanosheet can be obtained. The reducing agent is not particularly limited, and specific examples include hydrazine, urea, vitamin C, benzyl alcohol, hydrogen iodide (HI), and derivatives thereof. The heating may be typically held for 5 hours to 24 hours in a temperature range of 70 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. Further, it is preferable to use an oil bath when heating, since the temperature can be kept constant, and the reduction proceeds uniformly.

このようにして調製されたカチオン性溶液とアニオン性溶液とは、rGOナノシートの前駆体であるグラファイトの質量(G)に対するLDHナノシートの前駆体である層状複水酸化物の質量(LDH)の比(LDH/G)が、3以上4未満となるように混合・撹拌される。これにより、LDHナノシートおよびrGOナノシートが凝集することなく、交互に積層された超格子構造を構成することができる。   The ratio of the mass (LDH) of the layered double hydroxide that is the precursor of the LDH nanosheet to the mass (G) of the graphite that is the precursor of the rGO nanosheet is the cationic solution and the anionic solution thus prepared. (LDH / G) is mixed and stirred so that it is 3 or more and less than 4. Thereby, the superlattice structure laminated | stacked alternately can be comprised, without a LDH nanosheet and a rGO nanosheet aggregating.

このようにして調製されたカチオン性溶液とアニオン性溶液との混合は、カチオン性溶液を室温(15℃以上30℃以下)で撹拌しながら、1mL/分以上10mL/分の速度でアニオン性溶液を添加するか、または、アニオン性溶液を室温(15℃以上30℃以下)で撹拌しながら、1mL/分以上10mL/分の速度でカチオン性溶液を添加する。このように、反対の電荷の溶液を所定の速度でゆっくりと滴下することにより、LDHナノシートとrGOナノシートとが接触しやすくなり、交互に積層することを促進できる。   The cationic solution and the anionic solution thus prepared are mixed at a rate of 1 mL / min to 10 mL / min while stirring the cationic solution at room temperature (15 ° C. to 30 ° C.). Or the cationic solution is added at a rate of 1 mL / min to 10 mL / min while stirring the anionic solution at room temperature (15 ° C. to 30 ° C.). Thus, by slowly dropping a solution having an opposite charge at a predetermined speed, the LDH nanosheet and the rGO nanosheet are easily brought into contact with each other, and the alternate lamination can be promoted.

このようにして調製されたカチオン性溶液とアニオン性溶液とは混合されて撹拌されるが、撹拌の条件に特に制限はない。例示的には、撹拌は、100rpm〜500rpmの回転速度の範囲で10分〜30分の間行われる。   The cationic solution and the anionic solution thus prepared are mixed and stirred, but the stirring conditions are not particularly limited. Illustratively, the agitation is performed for 10 minutes to 30 minutes in the range of rotation speeds of 100 rpm to 500 rpm.

ステップS210により本発明の超格子構造体が析出物として得られる。得られた析出物は、エタノール洗浄と遠心分離とを繰り返し、回収してもよい。   By step S210, the superlattice structure of the present invention is obtained as a precipitate. The obtained precipitate may be recovered by repeating ethanol washing and centrifugation.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

[参考例1]
実施例に先立って、M1元素としてCo、M2元素としてAlを含むLDH、それを密集させた膜、ならびに、LDHを単層剥離したLDHナノシートを製造した。
[Reference Example 1]
Prior to the examples, LDH containing Co as the M1 element and Al as the M2 element, a film in which the LDH was densely packed, and an LDH nanosheet from which the LDH was peeled off were manufactured.

例えば、Z.Liuらによる“J.Am.Chem.Soc.2006,128,4872”に記載の均一沈殿法により、加水分解試薬として尿素(CO(NH)を含むCoCl・6HOおよびAlCl・9HOの混合溶液から[Co2+ 2/3Al3+ 1/3(OH)][CO 2− 1/6・0.5HO]で表されるCo−Al炭酸型LDHを製造した。Co−Al炭酸型LDHは、均一なマイクロメートルサイズの六角形のプレート状結晶(単にCo−Al LDHプレートと称する場合もある)であった。続いて、Co−Al炭酸型LDHにHClおよびNaClを用いてイオン交換を行い、Co−Alハロゲン型LDHを得た。なお、HClおよびNaClに代えて、HNOおよびNaNOを用いてCo−Al硝酸型LDHを得てもよい。 For example, Z. CoCl 2 .6H 2 O and AlCl 3 containing urea (CO (NH 2 ) 2 ) as a hydrolysis reagent by the homogeneous precipitation method described in “J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4872” by Liu et al. · 9H 2 from O mixed solution of the [Co 2+ 2/3 Al 3+ 1/3 ( OH) 2] Co-Al carbonate type LDH expressed by [CO 3 2- 1/6 · 0.5H 2 O] Manufactured. The Co-Al carbonate type LDH was a uniform micrometer-sized hexagonal plate-like crystal (sometimes simply referred to as a Co-Al LDH plate). Subsequently, ion exchange was performed on the Co—Al carbonate type LDH using HCl and NaCl to obtain a Co—Al halogen type LDH. Note that Co—Al nitrate type LDH may be obtained using HNO 3 and NaNO 3 instead of HCl and NaCl.

Co−Alハロゲン型(または硝酸型)LDHをホルムアミド(HCONO)に分散後、機械振とうさせ、CoおよびAlを含む、[Co2+ 2/3Al3+ 1/3(OH)1/3+で表されるLDHナノシート(以降ではCo−Al LDHナノシートと称する)に単層剥離した。Co−Al LDHナノシートをホルムアミドに分散させた懸濁液のゼータ電位を、ELS−Zゼータ電位および粒径アナライザを用いて測定した。結果を後述する。 Co-Al halogen type (or nitric acid type) LDH is dispersed in formamide (HCONO 2 ) and then mechanically shaken to contain [Co 2+ 2/3 Al 3+ 1/3 (OH) 2 ] 1 / containing Co and Al. Single layer peeling was performed on an LDH nanosheet represented by 3+ (hereinafter referred to as a Co—Al LDH nanosheet). The zeta potential of the suspension in which Co-Al LDH nanosheets were dispersed in formamide was measured using an ELS-Z zeta potential and a particle size analyzer. The results will be described later.

Co−Al LDHナノシートの表面を、原子間力顕微鏡(AFM、Seiko製、SPA400)を用いて観察した。詳細には、Si基板上にCo−Al LDHナノシートを堆積させ、Siカンチレバー(ばね定数:約20Nm−1)を用いてタッピングモードにて観察した。結果を図3に示す。 The surface of the Co—Al LDH nanosheet was observed using an atomic force microscope (AFM, manufactured by Seiko, SPA400). Specifically, a Co—Al LDH nanosheet was deposited on a Si substrate and observed in a tapping mode using a Si cantilever (spring constant: about 20 Nm −1 ). The results are shown in FIG.

続いて、例えば、R.Maらによる“Chem.Mater.2010,22,6341”に記載の油水界面自己組織化プロシージャを用いて、得られたプレート状結晶であるCo−AL炭酸型LDH(Co−Al LDHプレート)が密集したプレート膜を製造した。Co−Al LDHプレート(80mg)を80mLのミリQ水に分散させた。次に、これに、ヘキサン(8mL)を加え、ヘキサン/水界面を形成した。ブタノール(1.5mL)をゆっくりと注入し、界面にCo−Al LDHプレートをトラップさせ、連続膜を形成した。ヘキサンを蒸発させ、垂直引き上げ法により、界面に浮遊する膜をITOガラス(酸化インジウムスズ、シート抵抗:約10Ω/□、サイズ:1×3cm)に移した。ITOガラス上のCo−AL LDHプレート膜を80℃で24時間乾燥させた。 Subsequently, for example, R.K. Using the oil-water interface self-assembly procedure described in “Chem. Mater. 2010, 22, 6341” by Ma et al., The resulting plate-like crystals, Co-AL carbonate type LDH (Co-Al LDH plate) are densely packed. Plate plates were produced. Co-Al LDH plates (80 mg) were dispersed in 80 mL of MilliQ water. Next, hexane (8 mL) was added to this to form a hexane / water interface. Butanol (1.5 mL) was slowly injected, and a Co—Al LDH plate was trapped at the interface to form a continuous film. Hexane was evaporated, and the film floating at the interface was transferred to ITO glass (indium tin oxide, sheet resistance: about 10Ω / □, size: 1 × 3 cm 3 ) by the vertical pulling method. The Co-AL LDH plate film on ITO glass was dried at 80 ° C. for 24 hours.

ITOガラス上のCo−Al LDHプレート膜の表面を、走査型電子顕微鏡(SEM、Keyence製、VE8800)を用いて観察した。結果を図15(A)に示す。   The surface of the Co—Al LDH plate film on the ITO glass was observed using a scanning electron microscope (SEM, manufactured by Keyence, VE8800). The results are shown in FIG.

作用電極としてITOガラス上のCo−Al LDHプレート膜、電解液としてKOH(1M)、参照電極としてAg/AgCl、および、カウンタ電極としてプラチナ線を用い、電気化学ワークステーション(Solartron製)にて、サイクリックボルタンメトリ(CV)測定および電気化学インピーダンス分光測定を行った。電気化学インピーダンス分光測定では、0.1Hz〜10000Hzの周波数にわたって、電位振幅10mVを印加した。結果を図15(B)〜(D)に示す。   Co-Al LDH plate film on ITO glass as working electrode, KOH (1M) as electrolyte, Ag / AgCl as reference electrode, and platinum wire as counter electrode, at an electrochemical workstation (Solartron) Cyclic voltammetry (CV) measurement and electrochemical impedance spectroscopy measurement were performed. In electrochemical impedance spectroscopy, a potential amplitude of 10 mV was applied over a frequency range of 0.1 Hz to 10000 Hz. The results are shown in FIGS. 15 (B) to (D).

[参考例2]
参考例2では、M1元素としてCoおよびNi、M2元素としてCoを含むLDH、それを密集させた膜、ならびに、LDHを単層剥離したLDHナノシート、を製造した。
[Reference Example 2]
In Reference Example 2, LDH containing Co and Ni as the M1 element and Co as the M2 element, a dense film of the LDH, and an LDH nanosheet from which a single layer of LDH was peeled were manufactured.

例えば、J.Liangらによる“Chem.Mater.2010,22,371”に記載のトポケミカル酸化的インターカレーション法により、CoおよびNiを含むLDHプレート状結晶を得た。加水分解試薬としてヘキサメチレンテトラミン(HMT、C12)を含むCoCl・6HOおよびNiCl・6HOの混合溶液からCo2+ 2/3Ni2+ 1/3(OH)で表されるブルーサイトを製造した。ブルーサイトは、均一なマイクロメートルサイズの六角形のプレート状結晶であった。続いて、Co2+ 2/3Ni2+ 1/3(OH)を、臭素アセトニトリル溶液を作用させることによってCo2+を部分酸化させるとともに、臭素自身を還元し、ホスト層間に臭素イオンをインターカレートし、[Co2+ 1/3Ni2+ 1/3Co3+ 1/3(OH)][Br 1/3・0.5HO](Co−Niハロゲン型LDHまたはCo−Ni LDHプレートと称する)を得た。 For example, J. et al. LDH plate-like crystals containing Co and Ni were obtained by the topochemical oxidative intercalation method described in “Chem. Mater. 2010, 22, 371” by Liang et al. Hexamethylenetetramine as a hydrolysis reagent (HMT, C 6 H 12 N 4) CoCl 2 · 6H 2 O and NiCl 2 · 6H 2 from O mixed solution of Co 2+ 2/3 Ni 2+ 1/3 containing (OH) 2 The blue site represented by Brusite was a uniform micrometer-sized hexagonal plate-like crystal. Subsequently, Co 2+ 2/3 Ni 2+ 1/3 (OH) 2 is caused to partially oxidize Co 2+ by acting a bromine acetonitrile solution, while reducing bromine itself to intercalate bromine ions between the host layers. [Co 2+ 1/3 Ni 2+ 1/3 Co 3 + 1/3 (OH) 2 ] [Br 1/3 · 0.5H 2 O] (Co—Ni halogen type LDH or Co—Ni LDH plate) Obtained).

Co−Niハロゲン型LDHをNO (またはClO )でアニオン交換し、ホルムアミド(HCONH)に分散後、機械振とうさせ、CoおよびNiを含む、[Co2+ 1/3Ni2+ 1/3Co3+ 1/3(OH)1/3+で表されるLDHナノシート(以降ではCo−Ni LDHナノシートと称する)に単層剥離した。Co−Ni LDHナノシートをホルムアミドに分散させた懸濁液の電位を、ELS−Zゼータ電位および粒径アナライザを用いて測定した。結果を後述する。 Co-Ni halogen type LDH is anion-exchanged with NO 3 (or ClO 4 ), dispersed in formamide (HCONH 2 ), mechanically shaken, and contains Co and Ni. [Co 2+ 1/3 Ni 2+ 1 / 3 Co 3+ 1/3 (OH) 2 ] A single layer was peeled to an LDH nanosheet represented by 1/3 + (hereinafter referred to as a Co—Ni LDH nanosheet). The potential of the suspension in which Co-Ni LDH nanosheets were dispersed in formamide was measured using an ELS-Z zeta potential and a particle size analyzer. The results will be described later.

参考例1と同様に、Co−Ni LDHナノシートの表面を、AFMを用いて観察した。結果を図4(A)に示す。Co−Ni LDHナノシートの表面を、エネルギー分散型X線分析装置(EDS)および電子エネルギー損失分光装置(EELS)を備えた透過型電子顕微鏡(TEM、JEOL製、JEM−3100Fエネルギーフィルタリング(オメガタイプ)顕微鏡)で観察し、電子回折パターンを得た。結果を図4(B)〜(C)に示す。   Similar to Reference Example 1, the surface of the Co—Ni LDH nanosheet was observed using AFM. The results are shown in FIG. Transmission electron microscope (TEM, JEOL, JEM-3100F energy filtering (omega type) equipped with an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) and an electron energy loss spectrometer (EELS) on the surface of the Co-Ni LDH nanosheet Observation with a microscope) gave an electron diffraction pattern. The results are shown in FIGS.

参考例1と同様に、得られたCo−Ni LDHプレートが密集したプレート膜をITOガラス上に形成した。参考例1と同様に、ITOガラス上のCo−Ni LDHプレート膜の表面をSEMで観察した。結果を図16(A)に示す。   As in Reference Example 1, a plate film in which the obtained Co—Ni LDH plates were densely formed was formed on ITO glass. Similar to Reference Example 1, the surface of the Co—Ni LDH plate film on ITO glass was observed with SEM. The results are shown in FIG.

参考例1と同様に、作用電極としてITOガラス上のCo−Ni LDHプレート膜、電解液としてKOH(1M)、参照電極としてAg/AgCl、および、カウンタ電極としてプラチナ線を用い、電気化学ワークステーション(Solartron製)にて、サイクリックボルタンメトリ(CV)測定および電気化学インピーダンス分光測定を行った。結果を図16(B)〜(D)に示す。   Electrochemical workstation using Co-Ni LDH plate film on ITO glass as working electrode, KOH (1M) as electrolyte, Ag / AgCl as reference electrode, and platinum wire as counter electrode, as in Reference Example 1. Cyclic voltammetry (CV) measurement and electrochemical impedance spectroscopic measurement were carried out (manufactured by Solartron). The results are shown in FIGS.

[参考例3]
参考例3では、グラファイト酸化物、および、それを単層剥離した酸化グラフェンナノシート(GOナノシート)を製造した。
[Reference Example 3]
In Reference Example 3, a graphite oxide and a graphene oxide nanosheet (GO nanosheet) from which a single layer was peeled were manufactured.

例えば、S.Parkらによる、“Nature Nanotechnol.2009,4,217”に記載の改良ハマー法により、天然グラファイト片(純度99.9999%、100メッシュ)からグラファイト酸化物を製造した。天然グラファイト(1g)を、1000mL円錐ビーカ内にてKNO(1.2g)およびHSO(50mL)の混合溶液中で撹拌した。次いで、KMnO(6g)をゆっくりと添加し、室温(15℃以上30℃以下)にて6時間撹拌した。この円錐ビーカを冷却バスに入れ、温度を80℃以下に保持しつつ、ミリQ水(30mL)をゆっくりと添加した。さらにミリQ水(200mL)を添加し、懸濁液を希釈した。この懸濁液にH(6mL)をゆっくり添加し、続いてミリQ水を添加し、1000mLまで希釈した。懸濁液は沈降し、上澄み液を除去した。沈降と上澄み液の除去とを、pHが5以上になるまで数回繰り返した。この結果、天然グラファイトからグラファイト酸化物を得た。なお、天然のグラファイト片について、単色のCuKα線(λ=1.5405Å)を用いて、X線回折装置(Rigaku製、Rint−2200)によりX線回折(XRD)測定を行った。結果を図6中のAに示す。 For example, S.M. Graphite oxide was produced from natural graphite pieces (purity 99.9999%, 100 mesh) by the modified Hammer method described by Park et al., “Nature Nanotechnol. 2009, 4, 217”. Natural graphite (1 g) was stirred in a mixed solution of KNO 3 (1.2 g) and H 2 SO 4 (50 mL) in a 1000 mL conical beaker. Next, KMnO 4 (6 g) was slowly added, and the mixture was stirred at room temperature (15 ° C. or higher and 30 ° C. or lower) for 6 hours. The conical beaker was placed in a cooling bath, and Milli-Q water (30 mL) was slowly added while maintaining the temperature at 80 ° C. or lower. Further MilliQ water (200 mL) was added to dilute the suspension. To this suspension was slowly added H 2 O 2 (6 mL) followed by MilliQ water and diluted to 1000 mL. The suspension settled and the supernatant was removed. Sedimentation and removal of the supernatant were repeated several times until the pH reached 5 or higher. As a result, graphite oxide was obtained from natural graphite. In addition, about the natural graphite piece, the X-ray-diffraction (XRD) measurement was performed with the X-ray-diffraction apparatus (Rigaku, Rint-2200) using the monochromatic CuK (alpha) ray ((lambda) = 1.5405cm). A result is shown to A in FIG.

グラファイト酸化物のスラリーを水に分散させ、超音波処理することにより単層剥離し、酸化グラファイトナノシート(GOナノシート)を得た。超音波処理を約2時間行った後、茶色のコロイド状の懸濁液が得られた。   The graphite oxide slurry was dispersed in water and subjected to ultrasonic treatment to separate a single layer to obtain a graphite oxide nanosheet (GO nanosheet). After sonication for about 2 hours, a brown colloidal suspension was obtained.

参考例2と同様に、GOナノシートの表面を、AFMおよびTEMを用いて観察した。結果を図5(A)および図7(A)に示す。GOナノシートについて、XRD測定を行った。結果を図6中のBに示す。GOナノシートを水に分散させた懸濁液のゼータ電位を測定した。結果を後述する。   Similar to Reference Example 2, the surface of the GO nanosheet was observed using AFM and TEM. The results are shown in FIGS. 5 (A) and 7 (A). XRD measurement was performed on the GO nanosheet. A result is shown to B in FIG. The zeta potential of the suspension in which the GO nanosheet was dispersed in water was measured. The results will be described later.

[参考例4]
参考例4では、参考例3で製造した酸化グラフェンナノシート(GOナノシート)を還元した酸化グラフェンナノシート(rGOナノシート)、および、それを密集させた膜を製造した。
[Reference Example 4]
In Reference Example 4, a graphene oxide nanosheet (rGO nanosheet) obtained by reducing the graphene oxide nanosheet (GO nanosheet) manufactured in Reference Example 3 and a film in which the graphene oxide nanosheet was densely manufactured were manufactured.

参考例3で得たGOナノシートを水に分散させた懸濁液(1mg/mL、10mL)をホルムアミド(90mL)と混合した。この混合溶液にヒドラジン一水和物(N・HO、8μL)を加え、油浴中で80℃に加熱し、12時間保持した。ここで懸濁液中のホルムアミド(F)に対する水(H)の体積比(H/F)は、1/9であった。加熱後、GOナノシートからrGOナノシートに還元されたことを示す黒い懸濁液が得られた。 A suspension (1 mg / mL, 10 mL) of the GO nanosheet obtained in Reference Example 3 dispersed in water was mixed with formamide (90 mL). Hydrazine monohydrate (N 2 H 4 .H 2 O, 8 μL) was added to this mixed solution, heated to 80 ° C. in an oil bath, and held for 12 hours. Here, the volume ratio (H / F) of water (H) to formamide (F) in the suspension was 1/9. After heating, a black suspension was obtained indicating that the GO nanosheet was reduced to the rGO nanosheet.

参考例2と同様に、rGOナノシートの表面を、AFMを用いて観察した。結果を図5(B)に示す。rGOナノシートについて、TEMを用いて観察し、電子回折パターンおよびEELSスペクトルパターンを測定した。結果を図7(B)および図8に示す。rGOナノシートについて、XRD測定を行った。結果を図6中のCに示す。rGOナノシートをホルムアミドと水との混合溶媒(水:ホルムアミド=1:9(体積))に分散させた懸濁液のゼータ電位を測定した。結果を後述する。   Similar to Reference Example 2, the surface of the rGO nanosheet was observed using AFM. The results are shown in FIG. About rGO nanosheet, it observed using TEM and measured the electron diffraction pattern and the EELS spectrum pattern. The results are shown in FIG. 7 (B) and FIG. XRD measurement was performed on the rGO nanosheet. The results are shown in C in FIG. The zeta potential of the suspension in which the rGO nanosheet was dispersed in a mixed solvent of formamide and water (water: formamide = 1: 9 (volume)) was measured. The results will be described later.

ITOガラス上にrGOナノシート懸濁液を滴下し、スピンコートによりrGOナノシートからなる膜(単にrGOナノシート膜と称する)を形成した。参考例1と同様に、作用電極としてITOガラス上のrGOナノシート膜を用い、CV測定および電気化学インピーダンス分光測定を行った。また、rGOナノシート膜を用いて定電流充放電(CD)測定を行った。これらの結果を図17および図21(A)に示す。   An rGO nanosheet suspension was dropped onto ITO glass, and a film composed of rGO nanosheets (simply referred to as an rGO nanosheet film) was formed by spin coating. As in Reference Example 1, CGO measurement and electrochemical impedance spectroscopy measurement were performed using an rGO nanosheet film on ITO glass as a working electrode. Moreover, the constant current charge / discharge (CD) measurement was performed using the rGO nanosheet film. These results are shown in FIG. 17 and FIG.

CD測定の結果から、式C=IΔt/mΔV(Iは充電電流または放電電流、Δtは完全充電または完全放電までの時間、mは活物質の質量、ΔVは完全充電または完全放電後の電位変化である)を用いて、比容量を算出した。結果を図22に示す。   From the result of CD measurement, the formula C = IΔt / mΔV (I is the charging current or discharging current, Δt is the time until full charging or discharging, m is the mass of the active material, and ΔV is the potential change after full charging or discharging. Was used to calculate the specific capacity. The results are shown in FIG.

[実施例5]
実施例5では、参考例1で製造したCo−Al LDHナノシートと、参考例4で製造したrGOナノシートとの超格子構造体を製造した。実施例5では、rGOナノシートとしてグラファイトの質量(G)に対する、Co−Al LDHナノシートとしてCo−Al LDHの質量(LDH)の比(LDH/G)が3.04であった。
[Example 5]
In Example 5, a superlattice structure of the Co—Al LDH nanosheet manufactured in Reference Example 1 and the rGO nanosheet manufactured in Reference Example 4 was manufactured. In Example 5, the ratio (LDH / G) of the mass (LDH) of Co—Al LDH as the Co—Al LDH nanosheet to the mass (G) of graphite as the rGO nanosheet was 3.04.

参考例1で製造したCo−Al LDHナノシートを第1の非プロトン性極性溶媒としてホルムアミドに分散させたカチオン性溶液を調製した。参考例5で製造したrGOナノシートを、第2の非プロトン性極性溶媒としてホルムアミドおよび水の混合溶媒に分散させたアニオン性溶液を調製した。ここで、ホルムアミド(F)に対する水(H)の体積比(H/F)は1/9であった。   A cationic solution was prepared by dispersing the Co—Al LDH nanosheet produced in Reference Example 1 in formamide as the first aprotic polar solvent. An anionic solution was prepared by dispersing the rGO nanosheet produced in Reference Example 5 in a mixed solvent of formamide and water as a second aprotic polar solvent. Here, the volume ratio (H / F) of water (H) to formamide (F) was 1/9.

カチオン性溶液とアニオン性溶液とを混合・撹拌した(図2のステップS210)。詳細には、カチオン性溶液を室温(15℃以上30℃以下)で撹拌しながら1mL/分以上10mL/分以下の範囲の速度でアニオン性溶液を添加した。カチオン性溶液中のカチオン性のCo−Al LDHナノシートと、アニオン性溶液中のアニオン性のrGOナノシートとは、静電的相互作用により構造体を形成し、析出した。析出物を遠心分離(回転速度:6000rpm)し、エタノールで洗浄した。この工程を数回繰り返した。   The cationic solution and the anionic solution were mixed and stirred (step S210 in FIG. 2). Specifically, the anionic solution was added at a rate in the range of 1 mL / min to 10 mL / min while stirring the cationic solution at room temperature (15 ° C. to 30 ° C.). The cationic Co-Al LDH nanosheet in the cationic solution and the anionic rGO nanosheet in the anionic solution formed a structure by electrostatic interaction and were deposited. The precipitate was centrifuged (rotation speed: 6000 rpm) and washed with ethanol. This process was repeated several times.

得られた構造体について、参考例3と同様に、XRD測定およびTEM観察を行った。結果を図9および図11に示す。EDSにより構造体について元素マッピングを行った。結果を図13に示す。   The obtained structure was subjected to XRD measurement and TEM observation as in Reference Example 3. The results are shown in FIG. 9 and FIG. Element mapping was performed on the structure by EDS. The results are shown in FIG.

構造体(1mg)をミリQ水(500μL)に分散させ、Nafion(登録商標)溶液(10μL)と混合した。これをITOガラス上に50μL滴下し、スピンコートし、構造体からなる膜を得た。ITOガラス上の膜を80℃で24時間乾燥させ、電気化学測定用の作用電極として用いた。   The structure (1 mg) was dispersed in MilliQ water (500 μL) and mixed with Nafion® solution (10 μL). 50 μL of this was dropped onto ITO glass and spin-coated to obtain a film made of a structure. The film on ITO glass was dried at 80 ° C. for 24 hours and used as a working electrode for electrochemical measurement.

参考例4と同様に、作用電極としてITOガラス上の構造体からなる膜を用いて、CV測定、CD測定および電気化学インピーダンス分光測定を行った。結果を図19、図21(B)および図22に示す。   As in Reference Example 4, CV measurement, CD measurement, and electrochemical impedance spectroscopy measurement were performed using a film made of a structure on ITO glass as a working electrode. The results are shown in FIG. 19, FIG. 21 (B) and FIG.

[比較例6]
比較例6では、参考例1で製造したCo−Al LDHナノシートと、参考例3で製造したGOナノシートとの超格子構造体を製造した。比較例6では、GOナノシートとしてグラファイトの質量(G)に対する、Co−Al LDHナノシートの前駆体であるCo−Al LDHの質量(LDH)の比(LDH/G)が3.04であった。製造手順は実施例5と同様であった。得られた構造体について、参考例3と同様に、XRD測定を行った。結果を図9に示す。また、参考例4と同様に、作用電極としてITOガラス上の構造体からなる膜を用いて、CV測定、CD測定および電気化学インピーダンス分光測定を行った。
[Comparative Example 6]
In Comparative Example 6, a superlattice structure of the Co—Al LDH nanosheet manufactured in Reference Example 1 and the GO nanosheet manufactured in Reference Example 3 was manufactured. In Comparative Example 6, the ratio (LDH / G) of the mass (LDH) of Co—Al LDH that is a precursor of the Co—Al LDH nanosheet to the mass (G) of graphite as the GO nanosheet was 3.04. The production procedure was the same as in Example 5. The obtained structure was subjected to XRD measurement in the same manner as in Reference Example 3. The results are shown in FIG. Similarly to Reference Example 4, CV measurement, CD measurement, and electrochemical impedance spectroscopy measurement were performed using a film made of a structure on ITO glass as a working electrode.

[実施例7]
実施例7では、参考例2で製造したCo−Ni LDHナノシートと、参考例4で製造したrGOナノシートとの超格子構造体を製造した。実施例7では、rGOナノシートとしてグラファイトの質量(G)に対する、Co−Ni LDHナノシートの前駆体であるCo−Ni LDHの質量(LDH)の比(LDH/G)が3.33であった。製造手順は実施例5と同様であった。
[Example 7]
In Example 7, a superlattice structure of the Co—Ni LDH nanosheet manufactured in Reference Example 2 and the rGO nanosheet manufactured in Reference Example 4 was manufactured. In Example 7, the ratio (LDH / G) of the mass (LDH) of Co—Ni LDH, which is a precursor of the Co—Ni LDH nanosheet, to the mass (G) of graphite as the rGO nanosheet was 3.33. The production procedure was the same as in Example 5.

得られた構造体について、参考例3と同様に、XRD測定およびTEM観察を行った。結果を図10および図12に示す。   The obtained structure was subjected to XRD measurement and TEM observation as in Reference Example 3. The results are shown in FIG. 10 and FIG.

参考例1と同様に、作用電極としてITOガラス上の構造体からなる膜を用いて、CV測定、CD測定および電気化学インピーダンス分光測定を行った。結果を図20、図21(C)、図22および図23に示す。   As in Reference Example 1, CV measurement, CD measurement, and electrochemical impedance spectroscopy measurement were performed using a film made of a structure on ITO glass as a working electrode. The results are shown in FIG. 20, FIG. 21 (C), FIG. 22 and FIG.

[比較例8]
比較例8では、参考例2で製造したCo−Ni LDHナノシートと、参考例3で製造したGOナノシートとの超格子構造体を製造した。比較例8では、GOナノシートとしてグラファイトの質量(G)に対する、Co−Ni LDHナノシートの前駆体であるCo−Ni LDHの質量(LDH)の比(LDH/G)が3.33であった。製造手順は実施例5と同様であった。得られた構造体について、参考例3と同様に、XRD測定を行った。結果を図10に示す。また、参考例4と同様に、作用電極としてITOガラス上の構造体からなる膜を用いて、CV測定、CD測定および電気化学インピーダンス分光測定を行った。
[Comparative Example 8]
In Comparative Example 8, a superlattice structure of the Co—Ni LDH nanosheet manufactured in Reference Example 2 and the GO nanosheet manufactured in Reference Example 3 was manufactured. In Comparative Example 8, the ratio (LDH / G) of the mass (LDH) of Co—Ni LDH, which is a precursor of the Co—Ni LDH nanosheet, to the mass (G) of graphite as the GO nanosheet was 3.33. The production procedure was the same as in Example 5. The obtained structure was subjected to XRD measurement in the same manner as in Reference Example 3. The results are shown in FIG. Similarly to Reference Example 4, CV measurement, CD measurement, and electrochemical impedance spectroscopy measurement were performed using a film made of a structure on ITO glass as a working electrode.

[比較例9]
比較例9では、参考例1で製造したCo−Al LDHナノシートと、参考例3で製造したGOナノシートとの超格子構造体を製造した。比較例9では、GOナノシートとしてグラファイトの質量(G)に対する、Co−Al LDHナノシートの前駆体であるCo−Al LDHの質量(LDH)の比(LDH/G)が4.0および5.0の2種類であった。製造手順は実施例5と同様であった。得られた構造体について、参考例3と同様に、XRD測定を行った。結果を図14に示す。
[Comparative Example 9]
In Comparative Example 9, a superlattice structure of the Co—Al LDH nanosheet manufactured in Reference Example 1 and the GO nanosheet manufactured in Reference Example 3 was manufactured. In Comparative Example 9, the ratio (LDH / G) of the mass (LDH) of Co—Al LDH, which is a precursor of the Co—Al LDH nanosheet, to the mass (G) of graphite as the GO nanosheet is 4.0 and 5.0. There were two types. The production procedure was the same as in Example 5. The obtained structure was subjected to XRD measurement in the same manner as in Reference Example 3. The results are shown in FIG.

[比較例10]
比較例10では、参考例1で製造したCo−Al LDHナノシートの再凝集体と、参考例4で製造したrGOナノシートの再凝集体との混合体を製造した。比較例10では、rGOナノシートの再凝集体中のグラファイトの質量(G)に対する、Co−Al LDHナノシートの再凝集体中の層状複水酸化物の質量(LDH)の比(LDH/G)が3.0であった。
[Comparative Example 10]
In Comparative Example 10, a mixture of the re-agglomerated Co—Al LDH nanosheet produced in Reference Example 1 and the re-agglomerated rGO nanosheet produced in Reference Example 4 was produced. In Comparative Example 10, the ratio (LDH / G) of the mass (LDH) of the layered double hydroxide in the re-agglomerated Co—Al LDH nanosheet to the mass (G) of the graphite in the re-agglomerated rGO nanosheet. 3.0.

Co−Al LDHナノシートをホルムアミドに分散させ、これにKClホルムアミド溶液(1M)を添加することにより、Co−Al LDHナノシートの再凝集体を得た。同様に、rGOナノシートをホルムアミドに分散させ、これにKCl水溶液(1M)を添加することにより、rGOナノシートの再凝集体を得た。Co−Al LDHナノシートの再凝集体と、rGOナノシートの再凝集体とを混合し、混合物を得た。   Co-Al LDH nanosheets were dispersed in formamide, and a KCl formamide solution (1M) was added thereto to obtain a re-aggregate of Co-Al LDH nanosheets. Similarly, rGO nanosheets were dispersed in formamide, and a KCl aqueous solution (1 M) was added thereto to obtain re-aggregates of rGO nanosheets. Co-Al LDH nanosheet reagglomerates and rGO nanosheet reagglomerates were mixed to obtain a mixture.

参考例3と同様に、作用電極としてITOガラス上の混合物からなる膜を用いて、CV測定、CD測定および電気化学インピーダンス分光測定を行った。結果を図18および図22に示す。   As in Reference Example 3, CV measurement, CD measurement, and electrochemical impedance spectroscopy measurement were performed using a film made of a mixture on ITO glass as a working electrode. The results are shown in FIG. 18 and FIG.

以上の参考例、実施例および比較例を簡単のため、表1にまとめて示す。   The above Reference Examples, Examples and Comparative Examples are summarized in Table 1 for simplicity.

図3は、参考例1の試料のAFM像を示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing an AFM image of the sample of Reference Example 1.

測定用の試料は、Si基板上に堆積させたCo−Al LDHナノシートである。図3によれば、Co−Al LDHナノシートの厚さは、約0.8nmであった。この厚さは、単層剥離されたLDHナノシート単一層として報告されている値に一致しており、結晶学的厚さとも近かった。また、Co−Al LDHナノシートの横方向(長手方向)の大きさは、数マイクロメートル(0.5μm〜5μm)であった。   The sample for measurement is a Co—Al LDH nanosheet deposited on a Si substrate. According to FIG. 3, the thickness of the Co—Al LDH nanosheet was about 0.8 nm. This thickness was consistent with the value reported for monolayer exfoliated LDH nanosheet monolayers and was close to the crystallographic thickness. Moreover, the size in the horizontal direction (longitudinal direction) of the Co—Al LDH nanosheet was several micrometers (0.5 μm to 5 μm).

図4は、参考例2の試料のAFM像(A)、TEM像(B)および電子回折パターン(C)を示す図である。   4 is a diagram showing an AFM image (A), a TEM image (B), and an electron diffraction pattern (C) of the sample of Reference Example 2. FIG.

AFM用の試料は、Si基板上に堆積させたCo−Ni LDHナノシートである。TEM用の試料は、マイクログリッドに堆積させたCo−Ni LDHナノシートである。図4(A)によれば、図3と同様に、Co−Ni LDHナノシートの厚さは、約0.8nmであった。Co−Ni LDHナノシートの横方向の大きさは、Co−Al LDHナノシートのそれに比べて小さく、数百ナノメートル(100nm〜2000nm)であった。   A sample for AFM is a Co—Ni LDH nanosheet deposited on a Si substrate. The sample for TEM is a Co—Ni LDH nanosheet deposited on a microgrid. According to FIG. 4A, the thickness of the Co—Ni LDH nanosheet was about 0.8 nm, as in FIG. The lateral size of the Co—Ni LDH nanosheet was smaller than that of the Co—Al LDH nanosheet, and was several hundred nanometers (100 nm to 2000 nm).

図4(B)によれば、コントラストが暗く、均一に示される領域がCo−Ni LDHナノシートを示しており、単層剥離されて極薄の厚さであることを反映している。   According to FIG. 4 (B), the region where the contrast is dark and shown uniformly indicates the Co—Ni LDH nanosheet, which reflects the fact that the single layer is peeled and the thickness is extremely thin.

図4(C)によれば、面内回折スポットは、格子定数a=0.31nmを有する六方対称に配列しており、Co−Ni LDHナノシートのそれぞれが、単結晶的であることを確認した。   According to FIG. 4C, the in-plane diffraction spots are arranged in a hexagonal symmetry having a lattice constant a = 0.31 nm, and it was confirmed that each of the Co—Ni LDH nanosheets is single crystal. .

以上、図3および図4によれば、層状複水酸化物から単層剥離され、0.8nmの分子レベル的な厚さを有しており、単結晶LDHナノシートが得られたことが分かった。   As described above, according to FIG. 3 and FIG. 4, it was found that a single-layer LDH nanosheet was obtained by peeling a single layer from a layered double hydroxide and having a molecular level thickness of 0.8 nm. .

図5は、参考例3および参考例4による試料のAFM像を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing AFM images of samples according to Reference Example 3 and Reference Example 4.

AFM用の試料は、Si基板上に堆積させたGOナノシートおよびrGOナノシートである。図5(A)および(B)は、それぞれ、GOナノシートおよびrGOナノシートの結果である。図5(A)によれば、GOナノシートの厚さは、約1.0nmであった。また、GOナノシートの横方向(長手方向)の大きさは、数マイクロメートル(1μm〜10μm)であった。   Samples for AFM are GO nanosheets and rGO nanosheets deposited on a Si substrate. FIGS. 5A and 5B show the results of the GO nanosheet and the rGO nanosheet, respectively. According to FIG. 5 (A), the thickness of the GO nanosheet was about 1.0 nm. Moreover, the magnitude | size of the horizontal direction (longitudinal direction) of GO nanosheet was several micrometers (1 micrometer-10 micrometers).

一方、図5(B)によれば、rGOナノシートの厚さは、GOナノシートのそれよりも薄く、約0.5nmであった。このことは、GOナノシートから酸素を含有する官能基(例えば、水酸基、カルボキシル基,エポキシ基等)が除去され、還元されたことを示唆する。また、図5(A)と(B)とを比べると、rGOナノシートは、GOナノシートに比べて、湾曲しにくく、より平坦であることが分かった。   On the other hand, according to FIG. 5 (B), the thickness of the rGO nanosheet was thinner than that of the GO nanosheet, and was about 0.5 nm. This suggests that the functional group containing oxygen (for example, a hydroxyl group, a carboxyl group, an epoxy group, etc.) was removed from the GO nanosheet and reduced. Further, comparing FIGS. 5A and 5B, it was found that the rGO nanosheet is less curved and flatter than the GO nanosheet.

図6は、参考例3および参考例4による試料のXRDパターンを示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing XRD patterns of samples according to Reference Example 3 and Reference Example 4.

XRDパターンA〜Cは、それぞれ、天然グラファイト片、GOナノシートおよびrGOナノシートの結果を示す。GOナノシートおよびrGOナノシートのXRDパターンから算出された層間距離は、それぞれ、0.83nmおよび0.4nmであった。   XRD patterns A to C show the results of natural graphite pieces, GO nanosheets and rGO nanosheets, respectively. The interlayer distance calculated from the XRD patterns of the GO nanosheet and the rGO nanosheet was 0.83 nm and 0.4 nm, respectively.

GOナノシートの層間距離(0.83nm)は、図5(A)で得られたGOナノシートの膜厚(1.0nm)よりも小さいこと、ならびに、rGOナノシートの層間距離(0.4nm)は、図5(B)で得られたrGOナノシートの膜厚(0.5nm)より小さいことから、AFM観察中、GOナノシートおよびrGOナノシートの表面に水分等の吸着物の存在が示唆される。   The interlayer distance (0.83 nm) of the GO nanosheet is smaller than the film thickness (1.0 nm) of the GO nanosheet obtained in FIG. 5A, and the interlayer distance (0.4 nm) of the rGO nanosheet is Since the film thickness is smaller than that of the rGO nanosheet obtained in FIG. 5B (0.5 nm), it is suggested that adsorbates such as moisture are present on the surfaces of the GO nanosheet and the rGO nanosheet during AFM observation.

図7は、参考例3および参考例4による試料のTEM像を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing TEM images of samples according to Reference Example 3 and Reference Example 4.

TEM用の試料は、マイクログリッドに堆積させたGOナノシートおよびrGOナノシートである。図7(A)および(B)は、それぞれ、GOナノシートおよびrGOナノシートの結果である。図7によれば、わずかに暗く、均一に示される領域(図中に矢印で示す領域)がGOナノシートおよびrGOナノシートを示しており、いずれも、単層剥離されて極薄の厚さであることを確認した。   Samples for TEM are GO nanosheets and rGO nanosheets deposited on a microgrid. FIGS. 7A and 7B show the results of the GO nanosheet and the rGO nanosheet, respectively. According to FIG. 7, the regions that are slightly dark and shown uniformly (regions indicated by arrows in the figure) indicate GO nanosheets and rGO nanosheets, both of which are exfoliated and have a very thin thickness. It was confirmed.

図8は、参考例4による試料の電子回折パターン(A)およびEELSスペクトル(B)を示す図である。   8 is a diagram showing an electron diffraction pattern (A) and an EELS spectrum (B) of a sample according to Reference Example 4. FIG.

ここでも、試料は、マイクログリッドに堆積させたrGOナノシートである。図8(A)によれば、面内回折スポットは、格子定数a=0.25nmを有する六方対称に配列しており、rGOナノシートのそれぞれが、単結晶的であることを確認した。   Again, the sample is an rGO nanosheet deposited on a microgrid. According to FIG. 8A, the in-plane diffraction spots are arranged in a hexagonal symmetry having a lattice constant a = 0.25 nm, and it was confirmed that each rGO nanosheet is single crystal.

図8(B)によれば、明確な1s→π炭素ピーク(@284eV)が現れているが、酸素ピーク(@532eV)は現れなかった。このことは、芳香族sp炭素結合が、rGOナノシートにおいて部分的に復元したことを示す。 According to FIG. 8B, a clear 1s → π * carbon peak (@ 284 eV) appears, but an oxygen peak (@ 532 eV) does not appear. This indicates that the aromatic sp 2 carbon bond was partially restored in the rGO nanosheet.

次に、測定したゼータ電位について説明する。Co−Al LDHナノシート/Co−Ni LDHナノシート、GOナノシートおよびrGOナノシートのゼータ電位は、それぞれ、+(50±4)mV、−(45±5)mVおよび−(36.5±8)mVであった。rGOナノシートのゼータ電位は、GOナノシートの還元の程度に依存して、GOナノシートのゼータ電位から減少した。   Next, the measured zeta potential will be described. The zeta potentials of Co-Al LDH nanosheet / Co-Ni LDH nanosheet, GO nanosheet and rGO nanosheet are + (50 ± 4) mV, − (45 ± 5) mV and − (36.5 ± 8) mV, respectively. there were. The zeta potential of the rGO nanosheet decreased from the zeta potential of the GO nanosheet depending on the degree of reduction of the GO nanosheet.

これらの結果から、いずれのナノシートも分散媒に良好に分散しており、長期間安定してコロイド状態を維持することが分かった。また、Co−Al LDHナノシート/Co−Ni LDHナノシートと、rGOナノシートとは、比較的近い値の反対電荷を有しており、自発的に静電的相互作用により交互に積層し得ることを示唆する。   From these results, it was found that all of the nanosheets were well dispersed in the dispersion medium and stably maintained in a colloidal state for a long time. In addition, the Co-Al LDH nanosheet / Co-Ni LDH nanosheet and the rGO nanosheet have opposite charges of relatively close values, suggesting that they can be alternately stacked by electrostatic interaction. To do.

図9は、実施例5および比較例6の試料のXRDパターンを示す図である。
図10は、実施例7および比較例8の試料のXRDパターンを示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing XRD patterns of samples of Example 5 and Comparative Example 6.
FIG. 10 is a diagram showing XRD patterns of samples of Example 7 and Comparative Example 8.

実施例5、比較例6、実施例7および比較例8の試料は、それぞれ、Co−Al LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体、Co−Al LDHナノシートとGOナノシートとの構造体、Co−Ni LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体、Co−Ni LDHナノシートとGOナノシートとの構造体であった。   Samples of Example 5, Comparative Example 6, Example 7 and Comparative Example 8 were respectively a structure of Co—Al LDH nanosheet and rGO nanosheet, a structure of Co—Al LDH nanosheet and GO nanosheet, and Co—Ni. It was a structure of LDH nanosheets and rGO nanosheets, and a structure of Co-Ni LDH nanosheets and GO nanosheets.

図9のXRDパターンAおよびBは、それぞれ、比較例6の試料および実施例5の試料の結果を示す。図10のXRDパターンAおよびBは、それぞれ、比較例8の試料および実施例7の試料の結果を示す。図9および図10に示す指数00lは、構造体の基本配向面であり、L100およびL110は、LDHナノシートからの面内回折ピークである。 XRD patterns A and B in FIG. 9 show the results of the sample of Comparative Example 6 and the sample of Example 5, respectively. XRD patterns A and B in FIG. 10 show the results of the sample of Comparative Example 8 and the sample of Example 7, respectively. Index 00l shown in FIGS. 9 and 10 is a basic orientation plane of the structure, L 100 and L 110 are plane diffraction peak from LDH nanosheets.

図9および図10のXRDパターンは、いずれも、LDHナノシートあるいは酸化グラフェンが凝集したピークを示さなかった。このことから、実施例5、7および比較例6、8で得られた構造体は、凝集したLDHナノシートや酸化グラフェンを有しない均一な超格子構造体であることが示唆される。   Neither the XRD pattern of FIG. 9 nor FIG. 10 showed the peak which the LDH nanosheet or the graphene oxide aggregated. This suggests that the structures obtained in Examples 5 and 7 and Comparative Examples 6 and 8 are uniform superlattice structures that do not have aggregated LDH nanosheets or graphene oxide.

図9および図10のXRDパターンAによれば、比較例6および比較例8の構造体の層間距離は、約1.2nm(1.1nm〜1.3nmの間の誤差が見られた)であった。Co−Al LDHナノシート/Co−Ni LDHナノシートおよびGOナノシートの結晶学的な厚さが、それぞれ、0.48nmおよび0.83nmであることを考慮すれば、理論的な層間距離は約1.31nm(0.48nm+0.83nm)となる。   According to the XRD pattern A of FIGS. 9 and 10, the interlayer distance of the structures of Comparative Example 6 and Comparative Example 8 is about 1.2 nm (an error between 1.1 nm and 1.3 nm was observed). there were. Considering that the crystallographic thicknesses of Co-Al LDH nanosheet / Co-Ni LDH nanosheet and GO nanosheet are 0.48 nm and 0.83 nm, respectively, the theoretical interlayer distance is about 1.31 nm. (0.48 nm + 0.83 nm).

比較例6および比較例8の構造体の層間距離(1.1nm〜1.3nm)は、いずれも、理論的な層間距離(1.3nm)に対してわずかながら誤差を含んでいるが、比較的良好に一致した。この誤差は、構造体の層間距離は、静電的相互作用や、層間空間中の水の量に影響されるためと考えられる。   The interlayer distances (1.1 nm to 1.3 nm) of the structures of Comparative Example 6 and Comparative Example 8 both include a slight error with respect to the theoretical interlayer distance (1.3 nm). Agreed well. This error is considered because the interlayer distance of the structure is affected by electrostatic interaction and the amount of water in the interlayer space.

GOナノシートがCo−Al LDHナノシート/Co−Ni LDHナノシートと静電的相互作用により積層する場合、構造体の層間距離は、GOナノシートの酸化の程度に依存して、収縮する傾向がある。すなわち、構造体の層間距離は、表面電荷を制御することで調整できる。なお、特許文献1および非特許文献1の複合体は、その層間距離(約2.9nm)が比較例6および比較例8の結果にまったく一致せず、LDHナノシートとGOナノシートとが交互に積層されているとは言えないことが分かった。   When a GO nanosheet is laminated with a Co—Al LDH nanosheet / Co—Ni LDH nanosheet by electrostatic interaction, the interlayer distance of the structure tends to shrink depending on the degree of oxidation of the GO nanosheet. That is, the interlayer distance of the structure can be adjusted by controlling the surface charge. In the composites of Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the interlayer distance (about 2.9 nm) does not match the results of Comparative Example 6 and Comparative Example 8 at all, and LDH nanosheets and GO nanosheets are alternately laminated. It turns out that it cannot be said.

図9および図10のXRDパターンBによれば、実施例5および実施例7の構造体の層間距離は、いずれも、0.9nmであった。Co−Al LDHナノシート/Co−Ni LDHナノシートおよびrGOナノシートの結晶学的な厚さが、それぞれ、0.48nmおよび0.4nmであることを考慮すれば、理論的な層間距離は0.88nmとなる。   According to the XRD pattern B of FIGS. 9 and 10, the interlayer distance between the structures of Example 5 and Example 7 was 0.9 nm. Considering that the crystallographic thicknesses of Co-Al LDH nanosheet / Co-Ni LDH nanosheet and rGO nanosheet are 0.48 nm and 0.4 nm, respectively, the theoretical interlayer distance is 0.88 nm. Become.

実施例5および実施例7の構造体の層間距離(0.9nm)は、理論的な層間距離(0.88nm)に極めて良好に一致した。LDHナノシートの金属イオンの種類が異なっても構造体の層間距離は常に一定であるので、高いイオン拡散や高い電荷輸送効率を有する構造体を設計しやすい。   The interlayer distance (0.9 nm) of the structures of Example 5 and Example 7 matched very well with the theoretical interlayer distance (0.88 nm). Even if the types of metal ions in the LDH nanosheet are different, the interlayer distance between the structures is always constant, so that it is easy to design a structure having high ion diffusion and high charge transport efficiency.

図11は、実施例5の試料のTEM像(A)、高解像度画像(B)および電子回折パターン(C)を示す図である。
図12は、実施例7の試料のTEM像(A)、高解像度画像(B)および電子回折パターン(C)を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a TEM image (A), a high resolution image (B), and an electron diffraction pattern (C) of the sample of Example 5.
12 is a diagram showing a TEM image (A), a high resolution image (B), and an electron diffraction pattern (C) of the sample of Example 7. FIG.

実施例5および実施例7のTEM用の試料は、それぞれ、マイクログリッドに堆積させたCo−Al LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体、および、Co−Ni LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体である。図11および図12のTEM像(A)によれば、実施例5および実施例7の構造体が、繊維状の外観を有していることが示される。   Samples for TEM of Example 5 and Example 7 are a structure of Co-Al LDH nanosheet and rGO nanosheet deposited on a microgrid, and a structure of Co-Ni LDH nanosheet and rGO nanosheet, respectively. is there. The TEM images (A) in FIGS. 11 and 12 show that the structures of Examples 5 and 7 have a fibrous appearance.

図11および図12の高解像度画像(B)によれば、実施例5および実施例7の構造体が、コントラストが明るい領域および暗い領域が交互に繰り返された超格子構造体であることが分かる。これらの明るい領域および暗い領域は、それぞれ、LDHナノシートおよびrGOナノシートを示唆する。   According to the high-resolution images (B) of FIGS. 11 and 12, it can be seen that the structures of Example 5 and Example 7 are superlattice structures in which bright regions and dark regions are alternately repeated. . These bright and dark regions suggest LDH nanosheets and rGO nanosheets, respectively.

図11および図12の電子回折パターン(C)によれば、LDHナノシートの面内回折リング(L100およびL110)およびrGOナノシートによるグラフェンの面内回折リング(G100およびG110)が示され、実施例5および実施例7の超格子構造体において、LDHナノシートおよびrGOナノシートが、顕微鏡視野のスケールで密接に積層していることを示唆する。 The electron diffraction patterns (C) of FIGS. 11 and 12 show in-plane diffraction rings (L 100 and L 110 ) of LDH nanosheets and graphene in-plane diffraction rings (G 100 and G 110 ) of rGO nanosheets. This suggests that in the superlattice structures of Example 5 and Example 7, the LDH nanosheet and the rGO nanosheet are closely stacked on a microscopic field scale.

図13は、実施例5の試料の元素マッピングを示す図である。   FIG. 13 is a diagram showing element mapping of the sample of Example 5.

EDS用の試料は、マイクログリッドに堆積させたCo−Al LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体である。図13において明るく示される部分が、それぞれ、Al、CoおよびCの分布を示す。各元素マッピングは、互いに空間配置に関係しており、LDHナノシートとrGOナノシートとがナノメートルレベルで均一に積層していることを示し、実施例5の構造体が超格子構造体であることを示す。なお、図示しないが、実施例7の構造体についても同様の結果が得られたことから、実施例7の構造体もまた超格子構造体であることが分かった。以上より、本発明の製造方法において、アニオン性溶液の分散媒として非プロトン性極性溶媒を用いることにより、不純物が影響することなく、良質な超格子構造体が得られることが示唆される。   The sample for EDS is a structure of Co—Al LDH nanosheets and rGO nanosheets deposited on a microgrid. The portions shown bright in FIG. 13 show the distribution of Al, Co, and C, respectively. Each elemental mapping is related to the spatial arrangement, indicating that LDH nanosheets and rGO nanosheets are uniformly stacked at the nanometer level, and that the structure of Example 5 is a superlattice structure. Show. Although not shown, the same result was obtained for the structure of Example 7, and thus it was found that the structure of Example 7 was also a superlattice structure. From the above, it is suggested that in the production method of the present invention, by using an aprotic polar solvent as the dispersion medium of the anionic solution, a good superlattice structure can be obtained without being affected by impurities.

図14は、比較例9の試料のXRDパターンを示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing an XRD pattern of the sample of Comparative Example 9.

比較例9の試料は、Co−Al LDHナノシートとGOナノシートとの構造体であった。図14のXRDパターンAおよびBは、それぞれ、LDH/G比が5.0の構造体、および、LDH/G比が4.0の構造体の結果を示す。図14によれば、いずれのXRDパターンも、構造体に起因する回折ピーク以外に、Co−Al LDHナノシートが凝集したCo−Al塩素型(または炭酸型)LDHの回折ピークが見られた。このことから、比較例9の構造体は、いずれも、凝集したLDHナノシートを含む不均一な超格子構造体であることが分かり、LDHナノシートとGOナノシートとが交互に積層した均一な超格子構造体を得るためには、LDH/G比は、4未満が好ましいことが示唆される。   The sample of Comparative Example 9 was a structure of Co—Al LDH nanosheets and GO nanosheets. XRD patterns A and B in FIG. 14 show the results of a structure having an LDH / G ratio of 5.0 and a structure having an LDH / G ratio of 4.0, respectively. According to FIG. 14, in any XRD pattern, a diffraction peak of Co—Al chlorine type (or carbonate type) LDH in which Co—Al LDH nanosheets aggregated was observed in addition to the diffraction peak caused by the structure. From this, it can be seen that the structure of Comparative Example 9 is a non-uniform superlattice structure including agglomerated LDH nanosheets, and a uniform superlattice structure in which LDH nanosheets and GO nanosheets are alternately stacked. In order to obtain a body, it is suggested that the LDH / G ratio is preferably less than 4.

ここでLDHナノシートとrGOナノシートとの超格子構造体における質量比について検討した。   Here, the mass ratio in the superlattice structure of the LDH nanosheet and the rGO nanosheet was examined.

<LDHの基本情報>
空間群:R−3m(No.166)
結晶系:菱面対称
格子定数:a=0.31nm、c=2.67nm(六方晶で算出した場合)
<グラファイトの基本情報>
空間群:P6mc(No.186)
結晶系:六方晶
格子定数:a=0.25nm、c=0.67nm
<Basic information of LDH>
Space group: R-3m (No. 166)
Crystal system: rhombus symmetry Lattice constant: a = 0.31 nm, c = 2.67 nm (when calculated with hexagonal crystal)
<Basic information on graphite>
Space group: P6 3 mc (No. 186)
Crystal system: Hexagonal crystal Lattice constants: a = 0.25 nm, c = 0.67 nm

<面内単位格子面積>
LDH:0.31×0.31×sin120°=8.32×10−2nm
グラファイト:0.25×0.25×sin120°=5.41×10−2nm
<In-plane unit lattice area>
LDH: 0.31 × 0.31 × sin 120 ° = 8.32 × 10 −2 nm 2
Graphite: 0.25 × 0.25 × sin 120 ° = 5.41 × 10 −2 nm 2

<面内単位格子面積当たりの電荷密度>
LDH:0.33e/(8.32×10−2nm)=3.97enm−2
酸化グラフェン:(0.15+0.075)e/(5.41×10−2nm)=4.16enm−2
なお、ここでは簡単のため、グラファイトが、30%酸素を含有する官能基で酸化されたとみなし、官能基のうち半分がOH(すなわち、0.15e)であり、残りの半分がCOOH(すなわち0.075e)と仮定した。
LDHの電荷密度は、酸化グラフェンの電荷密度に近く、この結果はゼータ電位の結果に良好に一致した。
<Charge density per unit cell area in plane>
LDH: 0.33e / (8.32 × 10 −2 nm 2 ) = 3.97 enm −2
Graphene oxide: (0.15 + 0.075) e / (5.41 × 10 −2 nm 2 ) = 4.16 enm −2
For simplicity, it is assumed that graphite is oxidized with a functional group containing 30% oxygen, half of the functional group is OH (ie, 0.15e), and the other half is COOH (ie, 0 0.075e).
The charge density of LDH was close to that of graphene oxide, and this result was in good agreement with the zeta potential result.

<モル質量>
Co−Al硝酸型LDH:[Co2+ 2/3Al3+ 1/3(OH)][NO 1/3・0.5HO]のモル質量=112.2
Co−Ni硝酸型LDH:[Co2+ 1/3Ni2+ 1/3CO3+ 1/3(OH)][NO 1/3・0.5HO]のモル質量=122.8
グラファイト:炭素原子2個のモル質量=24
<Molar mass>
Co-Al nitrate type LDH: [Co 2+ 2/3 Al 3+ 1/3 (OH) 2] [NO 3 - 1/3 · 0.5H 2 O] molar mass = 112.2
Co-Ni nitrate type LDH: [Co 2+ 1/3 Ni 2+ 1/3 CO 3+ 1/3 (OH) 2] [NO 3 - 1/3 · 0.5H 2 O] molar mass = 122.8
Graphite: molar mass of 2 carbon atoms = 24

<質量比>
前駆体化合物に基づいてLDHナノシートおよびGOナノシートの濃度を算出し、超格子構造体における理想的な質量比を求めた。超格子構造体におけるrGOナノシートとしてグラファイトの質量(G)に対する、各LDHナノシートの質量として対応する層状複水酸化物の質量(LDH)の質量比(LDH/G)は、それぞれ、次のように算出される。
Co−Al LDHナノシートとrGOナノシートとの超格子構造体のLDH/G比=5.41×10−2×112.2/8.32×10−2×24=3.04
Co−Ni LDHナノシートとrGOナノシートとの超格子構造体のLDH/G比=5.41×10−2×122.8/8.32×10−2×24=3.33
<Mass ratio>
Based on the precursor compound, the concentration of the LDH nanosheet and the GO nanosheet was calculated, and an ideal mass ratio in the superlattice structure was obtained. The mass ratio (LDH / G) of the layered double hydroxide mass (LDH) corresponding to the mass of each LDH nanosheet to the mass (G) of graphite as rGO nanosheet in the superlattice structure is as follows: Calculated.
LDH / G ratio of superlattice structure of Co-Al LDH nanosheet and rGO nanosheet = 5.41 × 10 −2 × 112.2 / 8.32 × 10 −2 × 24 = 3.04
LDH / G ratio of superlattice structure of Co-Ni LDH nanosheet and rGO nanosheet = 5.41 × 10 −2 × 122.8 / 8.32 × 10 −2 × 24 = 3.33

以上の結果から、凝集することなく良好にマッチングし、交互に積層した超格子構造体を得るためには、超格子構造体中のrGOナノシートの質量(G)に対するLDHナノシートの質量の比(LDH/G)は3以上が好ましいことが分かった。ここで、この比の値の式LDH/G中のGの値としては対応するグラファイトの質量を、またLDHの値としては対応する層状複水酸化物の質量を使用する。   From the above results, in order to obtain a superlattice structure that is well matched and laminated alternately without aggregation, the ratio of the mass of LDH nanosheets to the mass (G) of rGO nanosheets in the superlattice structure (LDH It was found that / G) is preferably 3 or more. Here, the mass of the corresponding graphite is used as the value of G in the expression LDH / G of the value of this ratio, and the mass of the corresponding layered double hydroxide is used as the value of LDH.

図15は、参考例1の試料のSEM像(A)および電気化学特性(B)〜(D)を示す図である。   FIG. 15 is a diagram showing an SEM image (A) and electrochemical characteristics (B) to (D) of the sample of Reference Example 1.

SEMおよび電気化学特性用の試料は、ともに、ITOガラス上に密集させたCo−Al LDHプレートからなる膜(Co−Al LDHプレート膜と称する)であった。図15(A)によれば、ITOガラス上にCo−Al LDHプレート膜が形成されたことが分かる。図15(B)は、種々のスキャン速度(30、50、100mV/s)で、KOH(1M)中、−0.2V〜0.5V(対Ag/AgCl)の電位領域を掃引させたサイクリックボルタンメトリ(CV)曲線である。図15(B)によれば、CV曲線は、0.1V付近に酸化・還元ピークを示した。Al3+が不活性であるので、酸化・還元は、Co2+のファラデー反応に相当する。より詳細には、0.1V付近のアノードピークは、Co(OH)からCoOOHへの酸化に基づき、カソードピークは、その逆プロセスに基づく。CoOOHとCoOとの間のファラデー反応は、0.4V以上の高電位で起こると予想される。 The samples for SEM and electrochemical properties were both films consisting of Co—Al LDH plates densely deposited on ITO glass (referred to as Co—Al LDH plate films). FIG. 15A shows that a Co—Al LDH plate film was formed on ITO glass. FIG. 15B is a diagram in which a potential region of −0.2 V to 0.5 V (vs. Ag / AgCl) is swept in KOH (1 M) at various scanning speeds (30, 50, 100 mV / s). It is a click voltammetry (CV) curve. According to FIG. 15 (B), the CV curve showed an oxidation / reduction peak near 0.1V. Since Al 3+ is inactive, oxidation / reduction corresponds to the Faraday reaction of Co 2+ . More specifically, the anode peak near 0.1 V is based on the oxidation of Co (OH) 2 to CoOOH, and the cathode peak is based on the reverse process. The Faraday reaction between CoOOH and CoO 2 is expected to occur at a high potential of 0.4V or higher.

図15(C)は、0Vおよび0.1Vの電位の電気化学インピーダンススペクトルをコールコール(ナイキスト)プロット形式で示す。Z’およびZ”は、それぞれ、インピーダンスの実数部および虚数部である。各データ点は、特定の周波数(f)で測定されており、図面左側が高周波側に対応する。図15(C)によれば、0.1Vおよび0Vのいずれで測定したコールコールプロットも、高周波数側で半円をなしており、ファラデー電荷輸送が生じていることを示す。   FIG. 15C shows the electrochemical impedance spectra at potentials of 0 V and 0.1 V in the Cole-Cole (Nyquist) plot format. Z ′ and Z ″ are the real part and imaginary part of the impedance, respectively. Each data point is measured at a specific frequency (f), and the left side of the drawing corresponds to the high frequency side. The Cole-Cole plot measured at both 0.1V and 0V forms a semicircle on the high frequency side, indicating that Faraday charge transport is occurring.

図15(D)は、インピーダンススペクトルをボードプロットの形式で示す。周波数に対するインピーダンスの大きさおよび位相シフト角をログスケールでプロットし、容量性リアクタンスインピーダンスに対する周波数の影響を示す。図15(D)によれば、ボードプロットは、折点周波数(fΦ=−45°)が数Hz(図15(D)中の点線の領域)であることを示す。折点周波数は、酸化・還元ピークがある0.1Vではさらに降下した。すなわち、Co−Al LDHプレート膜のファラデー擬似容量キャパシタ特性は、極めて乏しいことが分かった。このことは、Co−Al LDHプレートが高い絶縁性を有しており、電荷輸送抵抗が大きいことからも理解できる。 FIG. 15D shows the impedance spectrum in the form of a board plot. The magnitude of impedance and phase shift angle versus frequency are plotted on a log scale to show the effect of frequency on capacitive reactance impedance. According to FIG. 15D, the Bode plot shows that the break frequency ( fΦ = −45 ° ) is several Hz (the dotted line area in FIG. 15D ). The break frequency further decreased at 0.1 V where there was an oxidation / reduction peak. That is, it was found that the Faraday pseudocapacitance capacitor characteristics of the Co—Al LDH plate film are extremely poor. This can be understood from the fact that the Co—Al LDH plate has high insulation and has a large charge transport resistance.

図16は、参考例2の試料のSEM像(A)および電気化学特性(B)〜(D)を示す図である。   FIG. 16 is a diagram showing an SEM image (A) and electrochemical characteristics (B) to (D) of the sample of Reference Example 2.

SEMおよび電気化学特性用の試料ともに、ITOガラス上に密集させたCo−Ni LDHプレートからなる膜(Co−Ni LDHプレート膜と称する)であった。図16(A)によれば、ITOガラス上にCo−Ni LDHプレート膜が形成されたことが分かる。図16(B)は、種々のスキャン速度(10、20、30、50、100mV/s)で、KOH(1M)中、−0.2V〜0.5V(対Ag/AgCl)の電位領域を掃引させたサイクリックボルタンメトリ(CV)曲線である。図16(B)によれば、CV曲線は、0.3V付近に酸化・還元ピークを示した。酸化・還元ピークは、Co2+およびNi2+のファラデー反応に相当する。還元ピークの電位は、参考例1のCo−Al LDHナノシートのそれ(0.1V)に比べてわずかに高かった。これは、LDHナノシート中に酸化・還元可能な2種類の金属が存在する影響である。 Both the SEM and the sample for electrochemical characteristics were films (referred to as Co-Ni LDH plate films) made of Co—Ni LDH plates densely packed on ITO glass. FIG. 16A shows that a Co—Ni LDH plate film was formed on ITO glass. FIG. 16B shows a potential region of −0.2 V to 0.5 V (vs. Ag / AgCl) in KOH (1M) at various scanning speeds (10, 20, 30, 50, 100 mV / s). It is the cyclic voltammetry (CV) curve swept. According to FIG. 16 (B), the CV curve showed an oxidation / reduction peak in the vicinity of 0.3V. The oxidation / reduction peak corresponds to the Faraday reaction of Co 2+ and Ni 2+ . The potential of the reduction peak was slightly higher than that of the Co—Al LDH nanosheet of Reference Example 1 (0.1 V). This is due to the presence of two types of metals that can be oxidized and reduced in the LDH nanosheet.

図16(C)は、0.1Vおよび0.3Vの電位の電気化学インピーダンススペクトルをコールコールプロット形式で示す。図16(C)によれば、0.3Vで測定したコールコールプロットは、高周波数側で半円をなしており、ファラデー電荷輸送が生じていることを示す。   FIG. 16C shows the electrochemical impedance spectra at potentials of 0.1 V and 0.3 V in the Cole-Cole plot format. According to FIG. 16C, the Cole-Cole plot measured at 0.3 V forms a semicircle on the high frequency side, indicating that Faraday charge transport occurs.

図16(D)は、インピーダンススペクトルをボードプロットの形式で示す。図16(D)によれば、ボードプロットは、周波数に対して位相シフト角の複雑な応答を示した。これは、Co−Ni LDHプレートの高い絶縁性に起因しており、折点周波数(fΦ=−45°)が数Hzであることを示す。ここでもやはり、Co−Ni LDHプレート膜は、高出力キャパシタには不向きであることが分かった。 FIG. 16D shows the impedance spectrum in the form of a board plot. According to FIG. 16D, the Bode plot showed a complex response of the phase shift angle with respect to frequency. This is due to the high insulating properties of the Co—Ni LDH plate, and shows that the break frequency ( fΦ = −45 ° ) is several Hz. Again, the Co—Ni LDH plate film was found to be unsuitable for high power capacitors.

図17は、参考例4の試料の電気化学特性(A)〜(C)を示す図である。   FIG. 17 is a diagram showing electrochemical characteristics (A) to (C) of the sample of Reference Example 4.

電気化学特性用の試料は、ITOガラス上に密集させたrGOナノシートからなる膜であった。図17(A)は、種々のスキャン速度(10、20、30、50、100mV/s)で、KOH(1M)中、−0.2V〜0.4V(対Ag/AgCl)の電位領域を掃引させたサイクリックボルタンメトリ(CV)曲線である。図17(A)によれば、CV曲線は、明瞭な酸化・還元ピークを有しないほぼ矩形の形状であり、典型的な導電性炭素表面の特性に一致した。   The sample for electrochemical properties was a film consisting of rGO nanosheets densely packed on ITO glass. FIG. 17A shows a potential region of −0.2 V to 0.4 V (vs. Ag / AgCl) in KOH (1M) at various scanning speeds (10, 20, 30, 50, 100 mV / s). It is the cyclic voltammetry (CV) curve swept. According to FIG. 17A, the CV curve has a substantially rectangular shape having no clear oxidation / reduction peak, and matches the characteristics of a typical conductive carbon surface.

図17(B)は、0.1Vの電位の電気化学インピーダンススペクトルをコールコールプロット形式で示す。高周波側において、理想的なキャパシタ的な挙動を表す垂直な線が見られた。半円が見られなかったことから、ファラデー電荷輸送が生じないことが分かった。   FIG. 17B shows an electrochemical impedance spectrum at a potential of 0.1 V in a Cole-Cole plot format. On the high frequency side, a vertical line representing ideal capacitor behavior was observed. Since no semicircle was seen, it was found that Faraday charge transport did not occur.

図17(C)は、インピーダンススペクトルをボードプロットの形式で示す。低周波数側では、インピーダンスの実数部が有限値に達し、インピーダンスの虚数部が無限大となった。これは、位相シフト角が、理想的なキャパシタ充電および放電挙動を表す−90°に近いことからも説明がつく。中間の周波数におけるインピーダンスの変化は、明らかな折点周波数を示し、理想的なキャパシタ挙動から周波数依存の拡散限定プロセスに転換する特徴的な変化である。折点周波数(fΦ=−45°)は約200Hz(図17C中の点線)であり、蓄積したエネルギーの多くがこの周波数までアクセス可能であることを示す。すなわち、1秒以下の時間スケールでエネルギー出力を可能にする。 FIG. 17C shows the impedance spectrum in the form of a board plot. On the low frequency side, the real part of the impedance reached a finite value, and the imaginary part of the impedance became infinite. This can also be explained by the fact that the phase shift angle is close to -90 ° which represents the ideal capacitor charge and discharge behavior. The change in impedance at an intermediate frequency is a characteristic change that exhibits an apparent corner frequency and transforms from ideal capacitor behavior to a frequency dependent diffusion limited process. The corner frequency ( fΦ = −45 ° ) is about 200 Hz (dotted line in FIG. 17C), indicating that much of the stored energy is accessible up to this frequency. That is, it enables energy output on a time scale of 1 second or less.

図18は、比較例10の試料の電気化学特性(A)〜(C)を示す図である。   18 is a diagram showing electrochemical characteristics (A) to (C) of the sample of Comparative Example 10. FIG.

電気化学特性用の試料は、ITOガラス上に密集させたCo−Al LDHナノシートの凝集体とrGOナノシートの凝集体との混合物からなる膜であった。図18(A)は、種々のスキャン速度(5、10、50、100mV/s)で、KOH(1M)中、−0.2V〜0.5V(対Ag/AgCl)の電位領域を掃引させたサイクリックボルタンメトリ(CV)曲線である。図18(A)によれば、CV曲線は、0.1V付近に酸化・還元ピークを示した。参考例1と同様に、酸化・還元はCo2+のファラデー反応に起因する。 The sample for electrochemical properties was a film composed of a mixture of aggregates of Co-Al LDH nanosheets and rGO nanosheets densely packed on ITO glass. FIG. 18 (A) shows that the potential region of −0.2 V to 0.5 V (vs. Ag / AgCl) is swept in KOH (1 M) at various scanning speeds (5, 10, 50, 100 mV / s). 2 is a cyclic voltammetry (CV) curve. According to FIG. 18 (A), the CV curve showed an oxidation / reduction peak near 0.1V. Similar to Reference Example 1, the oxidation / reduction is caused by the Faraday reaction of Co 2+ .

図18(B)は、−0.1Vおよび0.1Vの電位の電気化学インピーダンススペクトルをコールコールプロット形式で示す。図18(B)によれば、いずれの電位で測定したコールコールプロットも、高周波数側で半円をなしており、ファラデー電荷輸送が生じていることを示す。   FIG. 18B shows electrochemical impedance spectra at potentials of −0.1 V and 0.1 V in the Cole-Cole plot format. According to FIG. 18B, the Cole-Cole plot measured at any potential forms a semicircle on the high frequency side, indicating that Faraday charge transport occurs.

図18(C)は、インピーダンススペクトルをボードプロットの形式で示す。図18(C)によれば、折点周波数(fΦ=−45°)が10Hz(図18(C)中の点線の領域)以下であった。ここでもやはり、LDHナノシートとrGOナノシートとの物理的な混合物であっても、高出力キャパシタには不向きであることが分かった。 FIG. 18C shows the impedance spectrum in the form of a board plot. According to FIG. 18C, the break frequency ( fΦ = −45 ° ) was 10 Hz (the dotted line area in FIG. 18C) or less. Again, a physical mixture of LDH nanosheets and rGO nanosheets proved unsuitable for high power capacitors.

図19は、実施例5の試料の電気化学特性(A)〜(C)を示す図である。   FIG. 19 is a diagram showing electrochemical characteristics (A) to (C) of the sample of Example 5.

電気化学特性用の試料は、ITOガラス上に密集させたCo−Al LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体からなる膜であった。図19(A)は、種々のスキャン速度(10、20、30、50、100mV/s)で、KOH(1M)中、−0.2V〜0.5V(対Ag/AgCl)の電位領域を掃引させたサイクリックボルタンメトリ(CV)曲線である。図19(A)によれば、CV曲線は、0.1V付近に酸化・還元ピークを示した。参考例1、比較例10と同様に、酸化・還元はCo2+のファラデー反応に起因する。 The sample for electrochemical properties was a film consisting of a structure of Co-Al LDH nanosheets and rGO nanosheets densely packed on ITO glass. FIG. 19A shows the potential region of −0.2 V to 0.5 V (vs. Ag / AgCl) in KOH (1M) at various scanning speeds (10, 20, 30, 50, 100 mV / s). It is the cyclic voltammetry (CV) curve swept. According to FIG. 19A, the CV curve showed an oxidation / reduction peak near 0.1V. Similar to Reference Example 1 and Comparative Example 10, the oxidation / reduction is caused by the Faraday reaction of Co 2+ .

図19(B)は、0.1Vおよび−0.1Vの電位の電気化学インピーダンススペクトルをコールコールプロット形式で示す。図19(B)によれば、0.1Vで測定したコールコールプロットは、高周波数側で半円をなしており、ファラデー電荷輸送が生じていることを示す。   FIG. 19B shows the electrochemical impedance spectra at potentials of 0.1 V and −0.1 V in the Cole-Cole plot format. According to FIG. 19B, the Cole-Cole plot measured at 0.1 V forms a semicircle on the high frequency side, indicating that Faraday charge transport occurs.

図19(C)は、インピーダンススペクトルをボードプロットの形式で示す。折点周波数(fΦ=−45°)は数十Hz(図19(C)中の点線の領域)であった。この値は、参考例1のCo−Al LDHプレート単独の結果(図15(D))および比較例10のLDHナノシートとrGOナノシートとの物理的な混合物の結果(図18(C))と比較すると、10倍以上大きいことが分かった。また、−0.1Vの電位における周波数応答は、約100Hzと同じ高さに達した。 FIG. 19C shows the impedance spectrum in the form of a board plot. The break frequency ( fΦ = −45 ° ) was several tens of Hz (the dotted line area in FIG. 19C ). This value is compared with the result of the Co—Al LDH plate alone of Reference Example 1 (FIG. 15D) and the result of the physical mixture of the LDH nanosheet and the rGO nanosheet of Comparative Example 10 (FIG. 18C). Then, it turned out that it was 10 times or more larger. The frequency response at a potential of −0.1 V reached the same height as about 100 Hz.

図20は、実施例7の試料の電気化学特性(A)〜(C)を示す図である。   FIG. 20 shows the electrochemical characteristics (A) to (C) of the sample of Example 7.

電気化学特性用の試料は、ITOガラス上に密集させたCo−Ni LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体からなる膜であった。図20(A)は、種々のスキャン速度(10、20、50、100mV/s)で、KOH(1M)中、−0.2V〜0.4V(対Ag/AgCl)の電位領域を掃引させたサイクリックボルタンメトリ(CV)曲線である。図20(A)によれば、CV曲線は、0.3V付近に酸化・還元ピークを示した。参考例2と同様に、酸化・還元はCo2+およびNi2+のファラデー反応に起因する。 The sample for electrochemical properties was a film consisting of a structure of Co-Ni LDH nanosheets and rGO nanosheets densely packed on ITO glass. FIG. 20 (A) shows that the potential region of −0.2 V to 0.4 V (vs. Ag / AgCl) is swept in KOH (1 M) at various scanning speeds (10, 20, 50, 100 mV / s). 2 is a cyclic voltammetry (CV) curve. According to FIG. 20A, the CV curve showed an oxidation / reduction peak near 0.3V. Similar to Reference Example 2, the oxidation / reduction is caused by the Faraday reaction of Co 2+ and Ni 2+ .

図20(B)は、−0.1Vおよび0.3Vの電位の電気化学インピーダンススペクトルをコールコールプロット形式で示す。図20(B)によれば、0.3Vで測定したコールコールプロットは、高周波数側で半円をなしており、ファラデー電荷輸送が生じていることを示す。   FIG. 20B shows the electrochemical impedance spectra at potentials of −0.1 V and 0.3 V in the Cole-Cole plot format. According to FIG. 20B, the Cole-Cole plot measured at 0.3 V forms a semicircle on the high frequency side, indicating that Faraday charge transport occurs.

図20(C)は、インピーダンススペクトルをボードプロットの形式で示す。折点周波数(fΦ=−45°)は数十Hz(図20(C)中の点線の領域)であった。この値は、参考例2のCo−Ni LDHプレート単独の結果(図16(D))と比較すると、はるかに大きいことが分かった。また、−0.1Vの電位における周波数応答は、約100Hzと同じ高さに達した。 FIG. 20C shows the impedance spectrum in the form of a board plot. The break frequency ( fΦ = −45 ° ) was several tens of Hz (the dotted line region in FIG. 20C). This value was found to be much larger when compared with the result of the Co—Ni LDH plate alone of Reference Example 2 (FIG. 16D). The frequency response at a potential of −0.1 V reached the same height as about 100 Hz.

以上の図15〜図20によれば、高い導電性のrGOナノシートと絶縁性のLDHナノシートとが交互に積層された本発明の超格子構造体を構成することにより、全体の導電性が増大し、出力性能を著しく改善することが分かった。また、酸化・還元可能なLDHナノシートのファラデー反応で生成する電子は、隣接するrGOナノシートに効果的に集約し、すばやく外部回路へと輸送されるので、容量の充電および放電能を格段に上昇させることができる。さらに、rGOナノシートに基づくEDLキャパシタにほぼ等しい約100Hzの超高速応答が可能なことから、実施例5の構造体が、Co−Al LDHナノシートとrGOナノシートとの超格子構造体であり、実施例7のCo−Ni LDHナノシートとrGOナノシートとの超格子構造体であることを示唆する。   According to FIGS. 15 to 20 described above, by configuring the superlattice structure of the present invention in which highly conductive rGO nanosheets and insulating LDH nanosheets are alternately laminated, the overall conductivity is increased. It was found that the output performance was remarkably improved. In addition, the electrons generated by the Faraday reaction of the oxidizable / reducible LDH nanosheets are effectively concentrated in the adjacent rGO nanosheets and quickly transported to the external circuit, thus dramatically increasing the capacity charge and discharge capability. be able to. Furthermore, since an ultrahigh-speed response of about 100 Hz, which is almost equal to an EDL capacitor based on an rGO nanosheet, is possible, the structure of Example 5 is a superlattice structure of a Co—Al LDH nanosheet and an rGO nanosheet. This suggests a superlattice structure of 7 Co—Ni LDH nanosheets and rGO nanosheets.

図21は、参考例4、実施例5および実施例7の試料による定電流充放電(CD)測定の結果を示す図である。   FIG. 21 is a diagram showing the results of constant current charge / discharge (CD) measurement using the samples of Reference Example 4, Example 5, and Example 7.

参考例4、実施例5および実施例7のCD測定用の試料は、それぞれ、ITOガラス上に密集させたrGOナノシートからなる膜、Co−Al LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体からなる膜、および、Co−Ni LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体からなる膜であった。図21(A)〜(C)は、それぞれ、参考例4、実施例5および実施例7の試料の測定結果である。   Samples for CD measurement of Reference Example 4, Example 5 and Example 7 were respectively a film made of rGO nanosheets densely packed on ITO glass, a film made of a structure of Co-Al LDH nanosheets and rGO nanosheets, And it was the film | membrane which consists of a structure of a Co-Ni LDH nanosheet and an rGO nanosheet. 21A to 21C show the measurement results of the samples of Reference Example 4, Example 5, and Example 7, respectively.

CD測定は、電流密度5A/g、0Vから0.4Vの電位範囲において行った。図21(A)と、図21(B)および(C)とを比較すると、実施例5および実施例7の超格子構造体の容量は、参考例4のrGOナノシートのそれに比べて5〜6倍大きいことが分かった。これもまた、rGOナノシートを酸化・還元可能なLDHナノシートと複合化したことによる効果である。   CD measurement was performed in a current density of 5 A / g and a potential range of 0 V to 0.4 V. When FIG. 21A is compared with FIGS. 21B and 21C, the capacity of the superlattice structures of Example 5 and Example 7 is 5-6 compared to that of the rGO nanosheet of Reference Example 4. I found it twice as big. This is also an effect obtained by combining the rGO nanosheet with the LDH nanosheet that can be oxidized and reduced.

図21(A)から算出したrGOナノシートの比容量は約100F/gであった。図21(B)および(C)から算出した実施例5の構造体および実施例7の構造体の比容量は、それぞれ、約450F/gおよび約650F/gであった。   The specific capacity of the rGO nanosheet calculated from FIG. 21 (A) was about 100 F / g. The specific capacities of the structure of Example 5 and the structure of Example 7 calculated from FIGS. 21B and 21C were about 450 F / g and about 650 F / g, respectively.

図22は、参考例4、実施例5、実施例7および比較例10の試料の比容量のスキャン速度依存性を示す図である。   FIG. 22 is a diagram illustrating the scan rate dependence of the specific capacity of the samples of Reference Example 4, Example 5, Example 7, and Comparative Example 10.

参考例4、実施例5、実施例7および比較例10の測定用の試料は、それぞれ、ITOガラス上に密集させたrGOナノシートからなる膜、Co−Al LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体からなる膜、Co−Ni LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体からなる膜、および、Co−Al LDHナノシートの凝集体とrGOナノシートの凝集体との混合物からなる膜である。図22の曲線A〜Dは、それぞれ、参考例4、比較例10、実施例5および実施例7の試料の測定結果である。   Samples for measurement of Reference Example 4, Example 5, Example 7 and Comparative Example 10 were respectively a film made of rGO nanosheets densely packed on ITO glass, and a structure of Co-Al LDH nanosheets and rGO nanosheets. A film made of a structure of a Co—Ni LDH nanosheet and an rGO nanosheet, and a film made of a mixture of an aggregate of Co—Al LDH nanosheets and an aggregate of rGO nanosheets. Curves A to D in FIG. 22 are measurement results of samples of Reference Example 4, Comparative Example 10, Example 5, and Example 7, respectively.

比較例10の混合物および実施例5、7の構造体の比容量は、スキャン速度が増大するにつれて減少したが、実施例5、7の構造体の比容量減少は、比較例10の混合物の比容量減少より緩やかであった。   The specific capacity of the mixture of Comparative Example 10 and the structures of Examples 5 and 7 decreased as the scanning speed increased, whereas the specific capacity decrease of the structures of Examples 5 and 7 was the ratio of the mixture of Comparative Example 10 It was more gradual than capacity reduction.

実施例5および実施例7の結果を比較すると、いずれのスキャン速度においても、実施例7の構造体の比容量が、実施例5のそれよりも大きいことが分かった。このことは、M1元素としてCoおよびNi、M2元素として不活性なAlを代替するCoを含有するLDHナノシートを用いることが好ましいことを示す。   Comparing the results of Example 5 and Example 7, it was found that the specific capacity of the structure of Example 7 was larger than that of Example 5 at any scan speed. This indicates that it is preferable to use LDH nanosheets containing Co and Ni as M1 elements and Co as a substitute for inert Al as M2 elements.

図23は、実施例7の試料の容量の挙動を示す図である。   FIG. 23 is a diagram showing the behavior of the volume of the sample of Example 7.

測定用の試料は、ITOガラス上に密集させたCo−Ni LDHナノシートとrGOナノシートとの構造体からなる膜である。図23(A)は、種々の電流密度(2、5、10、20、30A/g)における定電流放電曲線である。図23(B)は、比容量の放電電流密度依存性を示す。図23(C)は、電流密度5A/gにおける容量のサイクル数依存性を示す。   The sample for measurement is a film made of a structure of Co—Ni LDH nanosheets and rGO nanosheets densely packed on ITO glass. FIG. 23A shows constant current discharge curves at various current densities (2, 5, 10, 20, 30 A / g). FIG. 23B shows the dependency of the specific capacity on the discharge current density. FIG. 23C shows the cycle number dependency of capacity at a current density of 5 A / g.

図23(B)によれば、実施例5の構造体は、放電電流密度が最大30A/gまで500F/gを超える高い比容量を維持することが分かった。図23(C)によれば、実施例5の構造体は、2000サイクル後も比容量97%を保持しており優れた保持特性を有した。これらのことからも、本発明の超格子構造体は、擬似容量キャパシタやスーパーキャパシタの電極材料として好適であることが示される。   According to FIG. 23B, it was found that the structure of Example 5 maintained a high specific capacity exceeding 500 F / g up to a maximum discharge current density of 30 A / g. According to FIG. 23C, the structure of Example 5 retained a specific capacity of 97% even after 2000 cycles and had excellent retention characteristics. These facts also indicate that the superlattice structure according to the present invention is suitable as an electrode material for pseudocapacitance capacitors and supercapacitors.

本発明の超格子構造体は、高い比容量および高い電荷輸送効率を有するので、擬似容量キャパシタ、スーパーキャパシタ等の電極材料として利用される。   Since the superlattice structure of the present invention has a high specific capacity and a high charge transport efficiency, it is used as an electrode material for pseudocapacitance capacitors, supercapacitors and the like.

100 超格子構造体
110 複水酸化物ナノシート
120 還元された酸化グラフェンナノシート
100 superlattice structure 110 double hydroxide nanosheet 120 reduced graphene oxide nanosheet

Claims (20)

M12+イオンとM23+イオンとを含有する複水酸化物ナノシートと、還元された酸化グラフェンナノシートとが交互に積層された超格子構造体であって、
前記M12+イオンのM1元素は、Co、Fe、Ni、Mn、CuおよびZnからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素であり、
前記M23+イオンのM2元素は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、NiおよびGaからなる群から少なくとも1つ選択される金属元素であり、
層間距離は、0.8nm以上1.3nm未満の範囲である、超格子構造体。
A superlattice structure in which double hydroxide nanosheets containing M1 2+ ions and M2 3+ ions and reduced graphene oxide nanosheets are alternately laminated,
The M1 element of the M1 2+ ion is a metal element selected from at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Mn, Cu and Zn,
The M2 element of the M2 3+ ion is a metal element selected from at least one selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Ga.
A superlattice structure in which an interlayer distance is in a range of 0.8 nm or more and less than 1.3 nm.
前記M1元素はCoであり、前記M2元素はAlである、請求項1に記載の超格子構造体。   The superlattice structure according to claim 1, wherein the M1 element is Co and the M2 element is Al. 前記M1元素はCoおよびNiであり、前記M2元素はCoである、請求項1に記載の超格子構造体。   The superlattice structure according to claim 1, wherein the M1 element is Co and Ni, and the M2 element is Co. 前記複水酸化物ナノシートの厚さは、0.48nm以上1.0nm以下の範囲である、請求項1に記載の超格子構造体。   The superlattice structure according to claim 1, wherein a thickness of the double hydroxide nanosheet is in a range of 0.48 nm to 1.0 nm. 前記還元された酸化グラフェンナノシートの厚さは、0.33nm以上0.83nm以下の範囲である、請求項1に記載の超格子構造体。   The superlattice structure according to claim 1, wherein a thickness of the reduced graphene oxide nanosheet is in a range of 0.33 nm to 0.83 nm. 前記層間距離は、0.8nm以上1.1nm未満の範囲である、請求項1に記載の超格子構造体。   The superlattice structure according to claim 1, wherein the interlayer distance is in a range of 0.8 nm or more and less than 1.1 nm. 前記複水酸化物ナノシートは、一般式[M12+ 1−xM23+ (OH)x+(xは0<x≦1/3の実数である)で表される、請求項1に記載の超格子構造体。 The double hydroxide nanosheet is represented by a general formula [M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH) 2 ] x + (x is a real number of 0 <x ≦ 1/3). Superlattice structure. 前記複水酸化物ナノシートは、一般式[M12+ 1−xM23+ (OH)][Zn− x/n・mHO](Zは陰イオンであり、nは前記陰イオンZの価数であり、xは0<x≦1/3の実数であり、mは0<m<1の実数である)で表される層状複水酸化物から単層剥離されている、請求項7に記載の超格子構造体。 The double hydroxide nanosheet represented by the general formula [M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH) 2] [Z n- x / n · mH 2 O] (Z is an anion, n represents the anion Z Wherein x is a real number of 0 <x ≦ 1/3, and m is a real number of 0 <m <1). Item 8. The superlattice structure according to Item 7. 前記還元された酸化グラフェンナノシートは、酸化グラフェンから単層剥離された後、還元されている、請求項1に記載の超格子構造体。   The superlattice structure according to claim 1, wherein the reduced graphene oxide nanosheet is reduced after being peeled off from the graphene oxide. 前記還元された酸化グラフェンナノシートの質量として前駆体であるグラファイトの質量(G)を用い、前記複水酸化物ナノシートの質量として前駆体である前記M12+イオンと前記M23+イオンとを含有する層状複水酸化物の質量(LDH)を用いた場合、前記グラファイトの質量(G)に対する前記層状複水酸化物の質量(LDH)の比(LDH/G)は、3以上4未満である、請求項1に記載の超格子構造体。 Using the mass (G) of graphite as a precursor as the mass of the reduced graphene oxide nanosheet, the layer containing the M1 2+ ion and the M2 3+ ion as a precursor as the mass of the double hydroxide nanosheet When the double hydroxide mass (LDH) is used, the ratio (LDH / G) of the layered double hydroxide mass (LDH) to the graphite mass (G) is 3 or more and less than 4. Item 2. The superlattice structure according to Item 1. 請求項1〜10のいずれかに記載の超格子構造体の製造方法であって、
M12+イオンとM23+イオンとを含有する複水酸化物ナノシートが第1の非プロトン性極性溶媒に分散したカチオン性溶液と、還元された酸化グラフェンナノシートが少なくとも第2の非プロトン性極性溶媒に分散したアニオン性溶液とを混合・撹拌するステップ
を包含する、方法。
It is a manufacturing method of the superlattice structure according to any one of claims 1 to 10,
A cationic solution in which double hydroxide nanosheets containing M1 2+ ions and M2 3+ ions are dispersed in a first aprotic polar solvent, and reduced graphene oxide nanosheets in at least a second aprotic polar solvent Mixing and stirring the dispersed anionic solution.
前記混合・撹拌するステップにおいて、前記還元された酸化グラフェンナノシートの前駆体であるグラファイトの質量(G)に対する前記複水酸化物ナノシートの前駆体である前記M12+イオンと前記M23+イオンとを含有する層状複水酸化物の質量(LDH)の比(LDH/G)は、3以上4未満である、請求項11に記載の方法。 In the mixing and stirring step, the M1 2+ ion and the M2 3+ ion that are the precursor of the double hydroxide nanosheet with respect to the mass (G) of the graphite that is the precursor of the reduced graphene oxide nanosheet are contained The method of claim 11, wherein the ratio (LDH / G) of the layered double hydroxide mass (LDH) is 3 or more and less than 4. 13. 前記アニオン性溶液において、前記還元された酸化グラフェンナノシートは、前記第2の非プロトン性極性溶媒と水との混合溶媒に分散している、請求項11に記載の方法。   The method according to claim 11, wherein in the anionic solution, the reduced graphene oxide nanosheet is dispersed in a mixed solvent of the second aprotic polar solvent and water. 前記混合溶媒において、前記第2の非プロトン性極性溶媒(F)に対する前記水(H)の体積比(H/F)は、0以上0.5以下の範囲である、請求項13に記載の方法。   The volume ratio (H / F) of the water (H) to the second aprotic polar solvent (F) in the mixed solvent is in a range of 0 or more and 0.5 or less. Method. 前記第1の非プロトン性極性溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミドおよびジメチルホルムアミドからなる群から選択される、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the first aprotic polar solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide. 前記第2の非プロトン性極性溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミドおよびジメチルホルムアミドからなる群から選択される、請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, wherein the second aprotic polar solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethylsulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide. 前記混合・撹拌するステップは、前記カチオン性溶液を室温で撹拌しながら、1mL/分以上10mL/分の速度で前記アニオン性溶液を添加する、請求項11に記載の方法。   The method according to claim 11, wherein in the mixing and stirring, the anionic solution is added at a rate of 1 mL / min to 10 mL / min while stirring the cationic solution at room temperature. 前記混合・撹拌するステップは、前記アニオン性溶液を室温で撹拌しながら、1mL/分以上10mL/分の速度で前記カチオン性溶液を添加する、請求項11に記載の方法。   The method according to claim 11, wherein in the mixing and stirring, the cationic solution is added at a rate of 1 mL / min to 10 mL / min while stirring the anionic solution at room temperature. 前記混合・撹拌するステップに先立って、酸化グラフェンナノシートが少なくとも第2の非プロトン性極性溶媒に分散した溶液に、還元剤を添加後加熱し、アニオン性溶液を調製するステップをさらに包含する、請求項11に記載の方法。   Prior to the mixing and stirring step, the method further includes a step of preparing an anionic solution by adding a reducing agent to a solution in which graphene oxide nanosheets are dispersed in at least a second aprotic polar solvent and then heating the solution. Item 12. The method according to Item 11. 超格子構造体からなる電極材料であって、前記超格子構造体は、請求項1〜10のいずれかに記載の超格子構造体である、電極材料。   It is an electrode material which consists of a superlattice structure, Comprising: The said superlattice structure is an electrode material which is a superlattice structure in any one of Claims 1-10.
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