KR102265375B1 - Graphene powder doped with nitrogen with high concentration obtained using arc discharge, method for manufacturing the same and method for manufacturing graphene film - Google Patents

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Abstract

개시된 그래핀 분말은, 흑연 분말 및 산화 그래핀이 내부에 충진된 탄소봉을 아크 방전으로 증발시켜 얻어지며, 질소 함량은 3 중량% 이상이고, quaternary 질소-탄소 결합의 함량은 30% 이상이다.The disclosed graphene powder is obtained by evaporating carbon rods filled therein with graphite powder and graphene oxide, the nitrogen content is 3 wt% or more, and the content of quaternary nitrogen-carbon bonds is 30% or more.

Description

아크 방전을 이용하여 얻어진 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말, 그 제조 방법 및 그래핀 필름의 제조 방법{GRAPHENE POWDER DOPED WITH NITROGEN WITH HIGH CONCENTRATION OBTAINED USING ARC DISCHARGE, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING GRAPHENE FILM}Graphene powder doped with high concentration of nitrogen obtained by arc discharge, manufacturing method thereof, and manufacturing method of graphene film TECHNICAL FIELD FILM}

본 발명은 그래핀에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 아크 방전을 이용하여 얻어진 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말, 그 제조 방법 및 그래핀 필름의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to graphene, and more particularly, to a graphene powder doped with high concentration of nitrogen obtained by arc discharge, a manufacturing method thereof, and a manufacturing method of a graphene film.

원자기호 6인 탄소는 다양한 동소체(allotrope)가 존재한다. 탄소 원자들이 육각형 구조로 배열되면서, 버키볼(bucky ball) 모양으로 0차원 구조를 갖는 풀러렌(Fullerene), 1차원 구조인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 2차원 구조의 그래핀(Graphene), 3차원 구조를 가지는 흑연(Graphite)과 같은 다양한 구조를 갖는 이루어진 탄소동소체(allotrope)들이 있다. 이 중에서, 그래핀은 밴드갭(band gap)이 닫혀있어서, 200,000cm/Vs정도의 빠른 전자이동도를 나타내며, 실리콘, 구리보다 100배 이상의 전도도를 갖는다. 또한 강철보다 200배 이상인 1100 Gpa 정도의 강도를 가지며, 실온에서 500W/mK정도의 열 전도성은 다이아몬드보다 10배 이상이다. 이러한 그래핀의 우수한 기계적, 전기적 특성을 이용한 다양한 분야에 응용 가능성이 크다.Carbon with atomic symbol 6 has various allotropes. As carbon atoms are arranged in a hexagonal structure, fullerene having a 0-dimensional structure in the shape of a bucky ball, carbon nanotube having a one-dimensional structure, graphene having a two-dimensional structure, three-dimensional structure There are carbon allotropes (allotropes) having various structures, such as graphite having a structure. Among them, graphene has a closed band gap, so it exhibits a fast electron mobility of about 200,000 cm/Vs, and has a conductivity 100 times higher than that of silicon and copper. In addition, it has a strength of about 1100 Gpa, 200 times higher than that of steel, and thermal conductivity of about 500 W/mK at room temperature is 10 times higher than that of diamond. It has great application potential in various fields using the excellent mechanical and electrical properties of graphene.

그래핀을 제조하는 여러 가지 방법이 있는데, 대표적으로 기계적인 방법, CVD(Chemical vapor deposition)방법, 그라파이트(graphite)를 산화하여 그래핀을 제조하는 화학적 방법이 있으며, 또한 아크 방전법을 이용한 그래핀 제조방법이 있다.There are various methods for producing graphene, representatively there are mechanical methods, chemical vapor deposition (CVD) methods, chemical methods for producing graphene by oxidizing graphite, and also graphene using arc discharge method. There is a manufacturing method.

기계적인 방법은 흑연을 Scotch tape로 박리시킨 것으로, 박리된 그래핀의 사이즈(Size)는 수백μm에 이르는 사이즈를 가지며, 손상되지 않고 순수한 그래핀을 얻을 수 있지만, 대량 생산이 어려우며, 흑연에서만 적용시킬 수 있는 방법이다.The mechanical method is to exfoliate graphite with Scotch tape, and the exfoliated graphene has a size of several hundred μm, and pure graphene can be obtained without damage, but mass production is difficult, and it is applied only to graphite way you can do it.

CVD방법은 고온상태에서 탄화수소 가스를 흘려주면, 탄소, 수소 성분으로 분해가 된다. 분해된 성분 중에서 탄소는 특정 금속기판 표면과 반응을 하여 그래핀을 형성시키는 방법이다. 이 방법으로 제조된 그래핀은 결함이 적지만, 금속기판에 따라 그래핀의 성장 속도나 레이어(layer) 숫자가 다르며, 그래핀을 원하는 기판에 옮기기 위해선 금속기판을 제거해야 하는 공정이 필요하다.The CVD method decomposes into carbon and hydrogen components by flowing hydrocarbon gas at a high temperature. Among the decomposed components, carbon is a method of forming graphene by reacting with the surface of a specific metal substrate. Although graphene produced by this method has few defects, the growth rate or number of layers differs depending on the metal substrate, and in order to transfer graphene to the desired substrate, a process of removing the metal substrate is required.

화학적 방법은 과산화수소(H2O2), 황산(H2SO4)과 같은 강산화제를 이용하여 흑연을 산화된 그래핀(graphene oxide)으로 만든 후, 산화 그래핀에 결합되어 있는 기능기(functional group)들을 제거하기 위해서, 열적 환원 방법 또는 환원제를 이용한 화학적 환원 방법으로 기능기를 제거하여 그래핀을 얻는 방법이다. 열적 환원 방법은 수소(H2), 혹은 아르곤(Ar)등의 분위기에서 고온 열처리를 함으로써 산화 그래핀의 기능기들을 제거하여 환원시키는 방법이며, 환원제를 이용한 화학적 방법은 히드라진(N2H4)과 같은 환원제를 첨가하여 환원 반응을 통해 그래핀을 얻는 방법이다. The chemical method uses a strong oxidizing agent such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) to make graphite into oxidized graphene oxide, and then uses functional groups bonded to graphene oxide. groups), it is a method of obtaining graphene by removing functional groups by a thermal reduction method or a chemical reduction method using a reducing agent. The thermal reduction method is a method for reducing by removing functional groups of graphene oxide by performing high-temperature heat treatment in an atmosphere such as hydrogen (H2) or argon (Ar), and the chemical method using a reducing agent is hydrazine (N 2 H 4 ) and This is a method of obtaining graphene through a reduction reaction by adding the same reducing agent.

아크 방전을 이용한 그래핀 합성법은 양극(cathode)과 음극(anode) 사이에 고전류를 인가하여 반전을 일으켜서 양극의 흑연봉을 증발 시켜서 그래핀을 제조하는 방법으로서, 반응 챔버(reaction chamber) 내의 버퍼 가스(buffer gas)가 수소(H2)와 수소/헬륨(H2/He), 등의 다양한 가스(gas)를 이용하여 순수 그래핀 분말을 제조 할 수 있으며, CVD 방법과 화학적 방법으로 그래핀을 제조하는 시간보다 상당히 짧은 시간 내에 다량의 그래핀을 제조를 할 수 있다. 순수 그래핀 뿐만 아니라 다양한 도펀트(dopant)를 사용하여 질소가 도핑된 N-doped 그래핀을 제조할 수 있는데, 이들은 활성점을 제공하거나 전도도를 증가시켜서 촉매, 슈퍼커패시터, 가스센서, 바이오센서, 연료전지 등으로 응용 가능하다. 하지만 외부에서 가스형태로 질소를 공급하는 기존 도펀트 기술로는 ~ 1% 이상 도핑하는 것이 어려웠다. The graphene synthesis method using arc discharge is a method of producing graphene by applying a high current between an anode and a cathode to cause inversion to evaporate a graphite rod of the anode, and a buffer gas in a reaction chamber Pure graphene powder can be prepared by using various gases such as hydrogen (H2) and hydrogen/helium (H2/He), where the buffer gas is produced by CVD and chemical methods. A large amount of graphene can be produced within a considerably shorter time than the time. N-doped graphene doped with nitrogen can be prepared using not only pure graphene but also various dopants, which provide active sites or increase conductivity to provide catalysts, supercapacitors, gas sensors, biosensors, fuels, etc. It can be applied to batteries, etc. However, it was difficult to doping more than ~1% with the existing dopant technology that supplies nitrogen in gaseous form from the outside.

1. 중국공개특허공보 제101993060호(2011. 3. 30)1. Chinese Laid-Open Patent Publication No. 101993060 (2011. 3. 30) 2. 중국공개특허공보 제101717083호(2011. 6. 2)2. Chinese Laid-Open Patent Publication No. 101717083 (June 2, 2011) 3. 중국공개특허공보 제102153076호(2011. 8. 17)3. Chinese Laid-Open Patent Publication No. 102153076 (2011. 8. 17) 4. 대한민국특허등록 제10-1438027호(2014. 08. 29)4. Republic of Korea Patent Registration No. 10-1438027 (2014. 08. 29)

1. Nano Research, Youngsheng Chen, 2010, 3(9):661-6691. Nano Research, Youngsheng Chen, 2010, 3(9):661-669 2. Appl Phys A(Materials Science & Processing), L. Guan, 2011, 102: 289-2942. Appl Phys A (Materials Science & Processing), L. Guan, 2011, 102: 289-294 3. J. Phys. Chem. C, C. N. R. Rao, 2009, No. 11: Vol. 1133. J. Phys. Chem. C, C. N. R. Rao, 2009, No. 11: Vol. 113 4. Nanotechnology, 2014, 25, 445601 4. Nanotechnology, 2014, 25, 445601

본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 질소를 고농도로 도핑할 수 있으며, 높은 결정성을 가짐으로써 고전도도를 부여할 수 있는, 고농도 질소 도핑 그래핀 분말을 제공하는 것이다.The technical problem of the present invention is to provide a highly concentrated nitrogen-doped graphene powder that can be doped with nitrogen at a high concentration and can impart high conductivity by having high crystallinity.

본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 그래핀 분말의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another technical object of the present invention is to provide a method for producing the graphene powder.

본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 그래핀 분말을 이용한 그래핀 필름의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another technical object of the present invention is to provide a method for manufacturing a graphene film using the graphene powder.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예에 따른 그래핀 분말은, 흑연 분말 및 산화 그래핀을 포함하는 원료 물질이 내부에 충진된 탄소봉을 아크 방전으로 증발시켜 얻어지며, 질소 함량은 3 중량% 이상이고, quaternary 질소-탄소 결합의 함량은 30% 이상이다.Graphene powder according to an embodiment for realizing the object of the present invention is obtained by evaporating a carbon rod filled therein with a raw material including graphite powder and graphene oxide by arc discharge, and the nitrogen content is 3 weight % or more, and the content of quaternary nitrogen-carbon bonds is 30% or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 분말의 제조 방법은, 원료 물질이 내부에 충진되며 양극에 연결된 탄소봉에 아크 방전을 일으켜 상기 탄소봉을 증발시키는 단계를 포함하며, 상기 원료 물질은 흑연 분말 및 산화 그래핀을 포함한다.The method of manufacturing graphene powder according to an embodiment of the present invention includes the step of evaporating the carbon rod by causing an arc discharge in a carbon rod connected to the anode in which a raw material is filled therein, and the raw material is graphite powder and oxidation containing graphene.

일 실시예에 따르면, 상기 원료 물질 내에서 상기 흑연 분말과 상기 산화 그래핀의 중량비는 3:1 내지 1:2이다.According to one embodiment, the weight ratio of the graphite powder and the graphene oxide in the raw material is 3:1 to 1:2.

일 실시예에 따르면, 상기 원료 물질은 질소 도핑 물질을 더 포함한다.According to an embodiment, the raw material further includes a nitrogen doping material.

일 실시예에 따르면, 상기 질소 도핑 물질은 폴리아닐린 (PANi), 4-아미노벤조산(4-aminobenzoic acid(C7H7NO2)), 비스무스 하이드록사이드 니트레이트 옥사이드(bismuth hydroxide nitrate oxide(Bi5O(OH)9(NO3)4)), 페닐하이드라진 하이드로클로라이드(phenylhydrazine hydrochloride(C6H8N2HCl)), 4-디메틸아미노피리딘(4-(dimethylamino)pyridine(C7H10N2)), 요오드화 암모늄(ammonium iodide(H4IN)), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 질산철 에네하이드레이트(Iron(Ⅲ) nitrate enneahydrate(Fe(NO3)3●9H2O)), 질산니켈 헥사하이드레이트(nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate(N2NiO6●6H2O)), 1,4-디아민 벤젠(1,4-diamine benzene(C6H4(NH2)2) 및 암모늄 몰리브데이트 테트라하이드레이트(ammonium molybdate tetrahydrate((NH4)6Mo7O24●4H2O))로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to one embodiment, the nitrogen doping material is polyaniline (PANi), 4-aminobenzoic acid (4-aminobenzoic acid (C 7 H 7 NO 2 )), bismuth hydroxide nitrate oxide (bismuth hydroxide nitrate oxide (Bi 5) O(OH) 9 (NO 3 ) 4 )), phenylhydrazine hydrochloride (C 6 H 8 N 2 HCl)), 4-dimethylaminopyridine (4- (dimethylamino)pyridine (C 7 H 10 N 2 ) )), ammonium iodide (H 4 IN)), polyacrylonitrile, iron(III) nitrate enneahydrate(Fe(NO 3 ) 3● 9H 2 O)), nickel nitrate Hexahydrate (nickel(II) nitrate hexahydrate(N 2 NiO 6● 6H 2 O)), 1,4-diamine benzene (C 6 H 4 (NH 2 ) 2 ) and ammonium molybdate It includes at least one selected from the group consisting of tetrahydrate (ammonium molybdate tetrahydrate((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24● 4H 2 O)).

일 실시예에 따르면, 상기 질소 도핑 물질은 폴리아닐린을 포함한다.According to an embodiment, the nitrogen doping material includes polyaniline.

일 실시예에 따르면, 상기 원료 물질은, 상기 흑연 분말 40 내지 60 중량%, 상기 산화 그래핀 20 내지 40 중량% 및 상기 질소 도핑 물질 20 내지 40 중량%를 포함한다.According to an embodiment, the raw material includes 40 to 60% by weight of the graphite powder, 20 to 40% by weight of the graphene oxide, and 20 to 40% by weight of the nitrogen doping material.

일 실시예에 따르면, 상기 아크 방전은 반응 챔버 내에서 수행된다.According to one embodiment, the arc discharge is carried out in a reaction chamber.

일 실시예에 따르면, 상기 반응 챔버 내의 압력은 200 내지 600torr이고, 상기 반응 챔버에는, 수소(H2), 질소(N2), 수소/헬륨(H2/He), 수소/질소(H2/N2), 수소/아르곤(H2/Ar), 수소/헬륨/암모니아(H2/He/NH3)로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 버퍼 가스가 제공된다.According to an embodiment, the pressure in the reaction chamber is 200 to 600 torr, and in the reaction chamber, hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), hydrogen/helium (H 2 /He), hydrogen/nitrogen (H 2 ) At least one buffer gas selected from the group consisting of /N 2 ), hydrogen/argon (H 2 /Ar), and hydrogen/helium/ammonia (H 2 /He/NH 3 ) is provided.

일 실시예에 따르면, 상기 양극과 음극 사이에 인가되는 전압은 10 내지 50V이고, 전류는 90 내지 160A이다.According to an embodiment, the voltage applied between the anode and the cathode is 10 to 50V, and the current is 90 to 160A.

일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 분말의 질소 함량은 3 중량% 이상이고, quaternary 질소-탄소 결합의 함량은 30% 이상이다.According to one embodiment, the nitrogen content of the graphene powder is 3% by weight or more, and the content of quaternary nitrogen-carbon bonds is 30% or more.

일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 분말의 제조 방법은, 상기 그래핀 분말을 열처리하여 비정질 탄소를 제거하는 단계 및 상기 그래핀 분말의 유기 용매에서 초음파 처리하는 단계를 더 포함하는 단계를 더 포함한다.According to one embodiment, the method for producing the graphene powder further comprises the steps of removing amorphous carbon by heat-treating the graphene powder, and further comprising sonicating the graphene powder in an organic solvent. .

일 실시예에 따르면, 상기 유기 용매는 아세톤, 톨루엔, 디메틸포름아미드 및 에탄올로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to an embodiment, the organic solvent includes at least one selected from the group consisting of acetone, toluene, dimethylformamide and ethanol.

본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름의 제조 방법은, 상기 초음파 처리된 용액을 원심 분리하는 단계, 상기 원심 분리된 용액의 상층액을 수거하는 단계, 및 상기 상층액을 여과지에 여과하는 단계를 포함한다.The method for producing a graphene film according to an embodiment of the present invention includes the steps of centrifuging the sonicated solution, collecting a supernatant of the centrifuged solution, and filtering the supernatant on a filter paper. includes

본 발명에 따르면, 질소가 고농도로 도핑되며, quaternary 질소-탄소 결합의 함량이 최대화된 그래핀 분말을 얻을 수 있다. 상기의 그래핀 분말은 결함이 적고, 고결정성 및 고전도도를 갖는다. 따라서, 그래핀의 성능 및 활용 가능성을 크게 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 아크 방전의 압력 조건을 조절함으로써 단시간에 그래핀을 제조할 수 있기 때문에, 대량 생산에 유리하다.According to the present invention, it is possible to obtain a graphene powder doped with nitrogen at a high concentration and the content of quaternary nitrogen-carbon bonds is maximized. The graphene powder has few defects, high crystallinity and high conductivity. Therefore, it is possible to greatly improve the performance and usability of graphene. In addition, according to the present invention, since graphene can be produced in a short time by controlling the pressure condition of the arc discharge, it is advantageous for mass production.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 분말의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 분말을 제조하기 위한 아크 방전 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 그래핀에 포함되는 탄소-질소 결합을 도시한 모식도이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 그래핀 분말의 SEM 이미지 및 TEM 이미지이다.
도 5는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 그래핀 분말의 XPS 결과를 도시한 그래프이다.
도 6a 및 6b는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 그래핀 분말의 라만 분광 분석 결과를 도시한 그래프들이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing graphene powder according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of an arc discharge device for producing graphene powder according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a carbon-nitrogen bond included in graphene.
4 is an SEM image and a TEM image of the graphene powder prepared according to Examples and Comparative Examples.
5 is a graph showing XPS results of graphene powders prepared according to Examples and Comparative Examples.
6A and 6B are graphs showing Raman spectroscopic analysis results of graphene powders prepared according to Examples and Comparative Examples.

본 출원에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In the present application, terms such as first and second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 분말의 제조 방법을 설명하는 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 분말을 제조하기 위한 아크 방전 장치의 개략적인 단면도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing graphene powder according to an embodiment of the present invention. 2 is a schematic cross-sectional view of an arc discharge device for producing graphene powder according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 먼저 탄소봉 내에 원료 물질을 충진한다(S10). 예를 들어, 상기 탄소봉은 흑연으로 이루어진 흑연봉일 수 있다. Referring to FIG. 1, first, a raw material is filled in a carbon rod (S10). For example, the carbon rod may be a graphite rod made of graphite.

상기 탄소봉은, 원료 물질을 충진할 수 있도록 내부 공간을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 내부 공간은 상기 탄소봉의 길이 방향을 따라 연장되는 홀 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소봉의 길이는 10 내지 50㎝이고, 외부 직경은 1 내지 20㎜일 수 있으며, 내부 홀의 직경은 1 내지 10㎜일 수 있다.The carbon rod is not particularly limited as long as it has an internal space to be filled with a raw material. The inner space may have a hole shape extending along a longitudinal direction of the carbon rod. For example, the length of the carbon rod may be 10 to 50 cm, the outer diameter may be 1 to 20 mm, and the diameter of the inner hole may be 1 to 10 mm.

상기 원료 물질은 적어도 흑연 분말과 산화 그래핀을 포함한다.The raw material includes at least graphite powder and graphene oxide.

상기 흑연 분말은 흑연 재질의 분말 형태라면 특별히 제한되지 않는다.The graphite powder is not particularly limited as long as it is in the form of a graphite material.

상기 산화 그래핀은 다양한 방법에 의해 얻어질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화 그래핀은, 흑연을 강산으로 산화시키고 박리하여 얻어지는 산화 그래핀(GO), 산화 그래핀을 환원제로 환원시켜 얻은 환원 산화 그래핀(rGO), 흑연을 기계적으로 박리하여 얻은 그래핀을 산화제로 산화시켜 얻은 산화 그래핀 등을 포함할 수 있다.The graphene oxide may be obtained by various methods. For example, the graphene oxide is obtained by oxidizing and exfoliating graphite with a strong acid (GO), reduced graphene oxide (rGO) obtained by reducing graphene oxide with a reducing agent, and mechanically exfoliating graphite Graphene oxide obtained by oxidizing graphene with an oxidizing agent may be included.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 아크 방전의 원료 물질로서 흑연 분말과 산화 그래핀을 이용함으로써, 그래핀 분말의 질소 함량을 크게 증가시킬 수 있으며, quaternary 질소의 함량을 최대화할 수 있다. 이에 따라, 고결정성을 가지며 고전도도를 갖는 그래핀 분말을 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by using graphite powder and graphene oxide as raw materials for arc discharge, the nitrogen content of the graphene powder can be greatly increased, and the content of quaternary nitrogen can be maximized. Accordingly, graphene powder having high crystallinity and high conductivity can be obtained.

일 실시예에 따르면, 상기 원료 물질 내에서 흑연 분말과 산화 그래핀의 중량비는 3:1 내지 1:2일 수 있다. 상기 산화 그래핀의 함량이 과소할 경우, 질소 도핑 함량이 저하되며, 과다할 경우 비정질 탄소가 증가하여 결정성이 저하될 수 있다.According to an embodiment, a weight ratio of graphite powder and graphene oxide in the raw material may be 3:1 to 1:2. When the content of the graphene oxide is too small, the nitrogen doping content is lowered, and when it is excessive, the amorphous carbon increases and crystallinity may be reduced.

상기 원료 물질은, 질소 도핑 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 질소 도핑 물질은, 그래핀에 질소를 도핑할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 그래핀의 육각형 구조를 이루는 탄소와 결합하는 기능을 할 수 있는 것이어야 한다. 예를 들어, 상기 질소 도핑 물질은, 폴리아닐린 (PANi), 4-아미노벤조산(4-aminobenzoic acid(C7H7NO2)), 비스무스 하이드록사이드 니트레이트 옥사이드(bismuth hydroxide nitrate oxide(Bi5O(OH)9(NO3)4)), 페닐하이드라진 하이드로클로라이드(phenylhydrazine hydrochloride(C6H8N2HCl)), 4-디메틸아미노피리딘(4-(dimethylamino)pyridine(C7H10N2)), 요오드화 암모늄(ammonium iodide(H4IN)), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 질산철 에네하이드레이트(Iron(Ⅲ) nitrate enneahydrate(Fe(NO3)3●9H2O)), 질산니켈 헥사하이드레이트(nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate(N2NiO6●6H2O)), 1,4-디아민 벤젠(1,4-diamine benzene(C6H4(NH2)2) 및 암모늄 몰리브데이트 테트라하이드레이트(ammonium molybdate tetrahydrate((NH4)6Mo7O24●4H2O))으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. The raw material may further include a nitrogen doping material. The nitrogen doping material is not particularly limited as long as it can dope nitrogen into graphene, but preferably, it should be capable of binding to carbon constituting the hexagonal structure of graphene. For example, the nitrogen doping material is polyaniline (PANi), 4-aminobenzoic acid (4-aminobenzoic acid (C 7 H 7 NO 2 )), bismuth hydroxide nitrate oxide (Bi 5 O) (OH) 9 (NO 3 ) 4 )), phenylhydrazine hydrochloride (C 6 H 8 N 2 HCl)), 4-dimethylaminopyridine (4- (dimethylamino)pyridine (C 7 H 10 N 2 ) ), ammonium iodide(H 4 IN)), polyacrylonitrile, iron(III) nitrate enneahydrate(Fe(NO 3 ) 3● 9H 2 O)), nickel nitrate hexa hydrates (nickel(II) nitrate hexahydrate(N 2 NiO 6● 6H 2 O)), 1,4-diamine benzene(C 6 H 4 (NH 2 ) 2 ) and ammonium molybdate tetra It may include one or more selected from the group consisting of hydrates (ammonium molybdate tetrahydrate((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24● 4H 2 O)).

일 실시예에 따르면, 상기 질소 도핑 물질은 폴리아닐린을 포함할 수 있다. 폴리아닐린은 고온 안정성을 가져 그래핀의 합성 온도에서 분해될 수 있다. 상기 질소 도핑 물질이 너무 낮은 온도에서 분해될 경우, 목적하는 질소 도핑 효과를 얻기 어렵다.According to an embodiment, the nitrogen doping material may include polyaniline. Polyaniline has high temperature stability and can be decomposed at the synthesis temperature of graphene. When the nitrogen doping material is decomposed at too low a temperature, it is difficult to obtain a desired nitrogen doping effect.

예를 들어, 상기 질소 도핑 물질의 함량은, 상기 원료 물질 전체 중량의 50 중량% 이하일 수 있다. 상기 질소 도핑 물질의 함량이 과다할 경우, quaternary 질소의 함량이 감소하고, pyridinic N 또는 pyrrolic N의 함량이 증가할 수 있다.For example, the content of the nitrogen doping material may be 50 wt% or less of the total weight of the raw material. When the content of the nitrogen doping material is excessive, the content of quaternary nitrogen may decrease and the content of pyridinic N or pyrrolic N may increase.

일 실시예에 따르면, 상기 원료 물질은, 흑연 분말 40 내지 60 중량%, 산화 그래핀 20 내지 40 중량% 및 질소 도핑 물질 20 내지 40 중량%를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the raw material may include 40 to 60% by weight of graphite powder, 20 to 40% by weight of graphene oxide, and 20 to 40% by weight of a nitrogen doping material.

상기 원료 물질이 충전된 탄소봉을 전극에 결합하고, 아크 방전을 일으킨다(S20). The carbon rod filled with the raw material is coupled to the electrode, and arc discharge is generated (S20).

상기 탄소봉의 아크 방전을 위하여 아크 방전 장치가 이용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 아크 방전 장치는, 반응 챔버(60), 상기 반응 챔버(60) 내에 배치된 양극(40) 및 음극(70)을 포함한다. 예를 들어, 탄소봉(30)은, 상기 양극(40)에 결합될 수 있다. 상기 아크 방전 장치는, 상기 반응 챔버(60) 내에 버퍼 가스를 주입하고 배출하기 위한 제1 연결부(10) 및 냉각수를 주입하고 배출하기 위한 제2 연결부(20)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극(40)에는 상기 탄소봉(30)을 회전시키기 위한 모터(50)가 결합될 수 있다.An arc discharge device may be used for arc discharge of the carbon rod. Referring to FIG. 2 , the arc discharge device includes a reaction chamber 60 , an anode 40 and a cathode 70 disposed in the reaction chamber 60 . For example, the carbon rod 30 may be coupled to the anode 40 . The arc discharge device may further include a first connection part 10 for injecting and discharging a buffer gas into the reaction chamber 60 and a second connection part 20 for injecting and discharging cooling water. In addition, a motor 50 for rotating the carbon rod 30 may be coupled to the anode 40 .

예를 들어, 상기 반응 챔버(60) 내에 주입되는 버퍼 가스는 특별히 제한되지는 않으나, 수소(H2), 질소(N2), 수소/헬륨(H2/He), 수소/질소(H2/N2), 수소/아르곤(H2/Ar), 수소/헬륨/암모니아(H2/He/NH3)로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.For example, the buffer gas injected into the reaction chamber 60 is not particularly limited, but hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), hydrogen/helium (H 2 /He), hydrogen/nitrogen (H 2 ) /N 2 ), hydrogen/argon (H 2 /Ar), and hydrogen/helium/ammonia (H 2 /He/NH 3 ) may be one or more selected from the group consisting of.

예를 들어, 상기 양극(40)과 음극(70) 사이에 인가되는 전압은 10 내지 50V일 수 있으며, 전류는 90 내지 160A 일 수 있다. 또한, 상기 반응 챔버(60) 내의 압력은 200 내지 600torr일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 양극(40)과 음극(70) 사이에 인가되는 전압은 30V일 수 있고, 전류는 150A일 수 있고, 상기 반응 챔버(60) 내의 압력은 550torr일 수 있다.For example, the voltage applied between the anode 40 and the cathode 70 may be 10 to 50V, and the current may be 90 to 160A. In addition, the pressure in the reaction chamber 60 may be 200 to 600 torr. According to an embodiment, the voltage applied between the anode 40 and the cathode 70 may be 30V, the current may be 150A, and the pressure in the reaction chamber 60 may be 550torr.

상기 반응 챔버(60) 내의 압력이 증가하면 아크 방전의 온도가 증가함으로써 고품질의 아크 그래핀이 제조될 수 있다. 다만, 압력이 과도하게 높은 경우에는 비정질 탄소 및 불순물이 생성되기 때문에 그래핀의 품질이 저하될 수 있다.When the pressure in the reaction chamber 60 increases, the arc discharge temperature increases, so that high-quality arc graphene can be manufactured. However, when the pressure is excessively high, the quality of graphene may be deteriorated because amorphous carbon and impurities are generated.

상기 탄소봉(30)을 상기 양극(40)에 결합하고, 상기 양극(40)과 음극(70) 사이에 고전류를 인가하고 방전을 일으키면, 상기 음극(70)으로부터 튀어나온 전자가 상기 양극(40)에 결합된 탄소봉(30)과 충돌하여 상기 탄소봉(40)을 증발된다. 상기 증발된 물질들이 온도가 낮은 곳으로 이동하며 재결합하며, 이 과정에서 표면에 탄소가 증착(deposition)되어 그래핀이 형성된다. 이 때, 질소-탄소의 결합에 의해 질소 도핑이 이루어질 수 있다. When the carbon rod 30 is coupled to the anode 40 and a high current is applied between the anode 40 and the cathode 70 to generate a discharge, electrons protruding from the cathode 70 are transferred to the anode 40 It collides with the carbon rod 30 coupled to the carbon rod 40 and evaporates. The evaporated materials move to a lower temperature and recombine, and in this process, carbon is deposited on the surface to form graphene. In this case, nitrogen doping may be performed by nitrogen-carbon bonding.

상기 질소(N)가 탄소와 결합할 때, 3가지의 결합 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 탄소와 질소의 결합 구조에는 quaternary, pyridinic 및 pyrrolic 형태가 있는데, 이 중에서 탄소가 육각형 구조로 이루어진 3개의 benzene ring 구조 가운데에 질소가 도핑된 quaternary 구조가 많이 형성 될수록 결함(defect)이 적거나, 전기 전도도가 향상된 그래핀을 얻을 수 있다. When the nitrogen (N) is bonded to carbon, it may have three types of bonding structures. For example, as shown in FIG. 3 , there are quaternary, pyridinic and pyrrolic forms in the bonding structure of carbon and nitrogen. Among them, a nitrogen-doped quaternary structure among three benzene ring structures in which carbon is a hexagonal structure is As more is formed, graphene with fewer defects or improved electrical conductivity can be obtained.

본 발명의 실시예들에 따르면, 질소가 고농도로 도핑되며, quaternary 질소-탄소 결합의 함량이 최대화된 그래핀 분말을 얻을 수 있다. 상기의 그래핀 분말은 결함이 적고, 고결정성 및 고전도도를 갖는다. 따라서, 그래핀의 성능 및 활용 가능성을 크게 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 아크 방전의 압력 조건을 조절함으로써 단시간에 그래핀을 제조할 수 있기 때문에, 대량 생산에 유리하다.According to embodiments of the present invention, it is possible to obtain a graphene powder doped with nitrogen at a high concentration, and the content of quaternary nitrogen-carbon bonds is maximized. The graphene powder has few defects, high crystallinity and high conductivity. Therefore, it is possible to greatly improve the performance and usability of graphene. In addition, according to the present invention, since graphene can be produced in a short time by controlling the pressure condition of the arc discharge, it is advantageous for mass production.

예를 들어, 상기 그래핀 분말의 질소 함량은 3 중량% 이상일 수 있으며, quaternary 질소-탄소 결합의 함량은 30% 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 분말의 질소 함량은 3 중량 내지 10 중량%일 수 있으며, quaternary 질소-탄소 결합의 함량은 30% 내지 50%일 수 있다.For example, the nitrogen content of the graphene powder may be 3% by weight or more, and the content of quaternary nitrogen-carbon bonds may be 30% or more. For example, the nitrogen content of the graphene powder may be 3% to 10% by weight, and the content of quaternary nitrogen-carbon bonds may be 30% to 50%.

상기 그래핀 분말은 슈퍼 커패시터 전극으로 활용할 때, 현재 활용 가능한 소재보다 훨씬 높은, 63 μFcm-2 의 단위면적 당 충전량을 가질 수 있다. 상기 그래핀 분말은, 커패시터, 촉매, 가스센서, 바이오센서, 연료전지 등의 제조에 응용될 수 있다.When the graphene powder is used as a supercapacitor electrode, it can have a much higher charge per unit area of 63 μFcm -2 than currently available materials. The graphene powder may be applied to the manufacture of capacitors, catalysts, gas sensors, biosensors, fuel cells, and the like.

상기 그래핀의 제조 방법은, 그래핀 분말의 성능을 개선하기 위한 추가 처리 단계를 더 포함하거나, 그래핀 분말을 이용한 그래핀 필름의 제조 방법에 이용될 수 있다.The method for producing graphene may further include an additional processing step for improving the performance of the graphene powder, or may be used in a method for producing a graphene film using the graphene powder.

일 실시예에 따른 그래핀의 제조 방법은, 그래핀을 열 정제하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열 정제 단계는 상기 그래핀의 제조에 부산물로 포함되는 불순물을 제거하는 효과를 가진다.The method of manufacturing graphene according to an embodiment may further include thermally refining the graphene. The thermal refining step has an effect of removing impurities included as by-products in the production of graphene.

상기 열 정제 단계는 상기 제조된 그래핀을 380 내지 450℃ 온도 범위 내에서 20 내지 90분 동안 정제하는 것이 바람직하다. 상기 열 정제 단계에서 온도 범위를 380℃미만으로 유지할 경우 비정질탄소를 완전히 제거하지 못하는 문제점이 존재하고, 450℃ 초과로 유지할 경우 비정질탄소 뿐만 아니라 그래핀까지 제거될 수 있다.In the thermal purification step, it is preferable to purify the prepared graphene within a temperature range of 380 to 450° C. for 20 to 90 minutes. When the temperature range is maintained below 380°C in the thermal refining step, there is a problem in that amorphous carbon cannot be completely removed, and when maintained above 450°C, not only amorphous carbon but also graphene can be removed.

일 실시예에 따른 그래핀의 제조 방법은, 그래핀을 어닐링 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 어닐링 단계는 상기 그래핀의 제조에 부산물로 포함되는 불순물을 제거하며, 또한 제조되는 그래핀을 육각형 구조로 보완하는 효과를 가질 수 있다.The method of manufacturing graphene according to an embodiment may further include annealing the graphene. The annealing step may have the effect of removing impurities included as by-products in the production of graphene, and supplementing the graphene produced with a hexagonal structure.

상기 어닐링 단계는 상기 제조된 그래핀을 불활성 기체 및 혼합 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The annealing step is preferably performed on the prepared graphene in an inert gas and a mixed gas atmosphere.

상기 어닐링 단계에서 어닐링이 이루어지는 온도는 800 내지 1,000℃ 범위를 가지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 2 내지 12 시간 동안 어닐링 될 수 있다. 상기 어닐링 온도가 과도하게 낮은 경우 그래핀이 가지고 있는 결점을 육각형 구조로 변환하기 어려우며, 어닐링 온도가 과도하게 높은 경우 에너지를 과다 소비하거나 그래핀 구조가 흑연 구조로 변할 수 있다.The temperature at which the annealing is performed in the annealing step is preferably in the range of 800 to 1,000° C., for example, may be annealed for 2 to 12 hours. When the annealing temperature is excessively low, it is difficult to convert the defects of graphene into a hexagonal structure, and when the annealing temperature is excessively high, energy may be excessively consumed or the graphene structure may be changed to a graphite structure.

또한, 상기 어닐링 시 불활성 기체 및 혼합 가스 분위기에서 어닐링 하게 되는 데 상기 불활성 기체 및 혼합 가스는 아르곤, 아르곤/수소, 아르곤/질소, 암모니아, 아르곤/암모니아, 헬륨 및 헬륨/수소로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In addition, the annealing is performed in an inert gas and mixed gas atmosphere, and the inert gas and mixed gas are selected from the group consisting of argon, argon/hydrogen, argon/nitrogen, ammonia, argon/ammonia, helium and helium/hydrogen. There may be more than one.

일 실시예에 따른 그래핀의 제조 방법은, 그래핀을 초음파 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method of manufacturing graphene according to an embodiment may further include ultrasonically treating the graphene.

상기 초음파 단계는 상기 제조된 그래핀을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하고, 상기 분산 용액에 초음파를 처리하는 과정이다. 상기 유기 용매는 상기 제조된 그래핀을 투입하였을 때, 분산 용액을 제조할 수 있는 것이라면 제한되지 않으나, 상기 유기 용매 100중량부에 대하여 상기 제조된 그래핀이 0.01 내지 0.1 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 유기 용매에 포함된 그래핀의 함량이 과다할 경우, 뭉침이 발생할 수 있으며, 과소할 경우 전도도가 저하될 수 있다.The ultrasonication step is a process of preparing a dispersion solution by dispersing the prepared graphene in an organic solvent, and treating the dispersion solution with ultrasonic waves. The organic solvent is not limited as long as it can prepare a dispersion solution when the prepared graphene is added, but it is preferable that the prepared graphene is contained in an amount of 0.01 to 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent. . When the content of graphene included in the organic solvent is excessive, agglomeration may occur, and when too small, conductivity may be reduced.

예를 들어, 상기 유기 용매는 아세톤, 톨루엔, 디메틸포름아미드 및 에탄올로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.For example, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of acetone, toluene, dimethylformamide and ethanol.

예를 들어, 상기 초음파 처리 시간은 20초 내지 5시간 사이일 수 있다. 상기 초음파 처리를 통해 그래핀들이 골고루 분산되어 분산된 그래핀들 간에 우수한 네트워크 형성함으로써 최종적으로 제조되는 그래핀이 높은 전도도를 가질 수 있다. 그러나, 초음파 처리 시간이 과도하게 길 경우, 그래핀에 결점을 형성할 수 있다.For example, the ultrasonic treatment time may be between 20 seconds and 5 hours. The graphene is uniformly dispersed through the ultrasonic treatment to form an excellent network between the dispersed graphenes, so that the finally manufactured graphene may have high conductivity. However, if the ultrasonic treatment time is excessively long, defects may be formed in the graphene.

일 실시예에 따른 그래핀 필름의 제조 방법은, 초음파 처리된 그래핀 분산 용액을 원심분리하는 단계 및 원심분리된 분산 용액의 상층액을 여과지에 여과하여 그래핀 필름을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The method for producing a graphene film according to an embodiment may include centrifuging the sonicated graphene dispersion solution and filtering the supernatant of the centrifuged dispersion solution on a filter paper to form a graphene film. have.

그래핀 분산 용액으로부터 그래핀 필름을 제작하기 위해서 필터링 작업이 필요하며, 상기 필터링 작업을 원활하게 하기 위하여 여과지는 적정 범위의 기공 사이즈를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 여과지의 재질은 그래핀 필름의 지지 기판으로 사용 가능한 것이 바람직하다.A filtering operation is required to produce a graphene film from a graphene dispersion solution, and in order to facilitate the filtering operation, the filter paper preferably has a pore size in an appropriate range. In addition, it is preferable that the material of the filter paper can be used as a support substrate of the graphene film.

예를 들어, 상기 여과지의 기공 사이즈는 0.1 내지 0.3㎛일 수 있으며, 상기 여과지의 재질은 PVDF(polyvinylidenedifluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene) 및 AAO(anodic aluminum oxide)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. For example, the pore size of the filter paper may be 0.1 to 0.3 μm, and the material of the filter paper may be one or more selected from the group consisting of PVDF (polyvinylidenedifluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene) and AAO (anodic aluminum oxide).

이하에서는, 구체적인 실시예를 통하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, specific examples of the present invention will be described in more detail through specific examples.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

내부가 비어있는 직경 6mm인 탄소봉(10DC305, DAEHAN CARBON)에 흑연(99.9%, KOJUNDO, powder size 50μm), 그래핀 산화물(GO), 폴리아닐린 (PANi)을 다음의 중량 비율로 혼합하여 원료 물질을 충진하고, 아크 방전을 수행하여 그래핀을 제조하였다.Fill the raw material by mixing graphite (99.9%, KOJUNDO, powder size 50μm), graphene oxide (GO), and polyaniline (PANi) in the following weight ratio on an empty 6mm diameter carbon rod (10DC305, DAEHAN CARBON) and arc discharge was performed to prepare graphene.

비교예1 : NAG1 : (Graphite/GO/PANi = 1/0/0), Comparative Example 1: NAG1: (Graphite/GO/PANi = 1/0/0),

실시예1 : NAG2 : (Graphite/GO/PANi = 1/1/0), Example 1: NAG2: (Graphite/GO/PANi = 1/1/0),

실시예2 : NAG3 : (Graphite/GO/PANi = 2/1/1) Example 2: NAG3: (Graphite/GO/PANi = 2/1/1)

아크 방전은, 전압 30V 및 전류 150A으로 수행하였으며, 버퍼 가스로서 반응 챔버 내에 수소/헬륨 혼합가스를 100:400 sccm, NH3가스를 400sccm 로 흘려주면서 챔버 내부 압력은 550torr를 유지하면서 아크 방전을 통해 그래핀 분말을 제조하였다.The arc discharge was performed at a voltage of 30V and a current of 150A, and as a buffer gas, a hydrogen / helium mixed gas was flowed at 100:400 sccm and NH 3 gas at 400 sccm into the reaction chamber while maintaining the chamber pressure while maintaining 550 torr through arc discharge. Graphene powder was prepared.

도 4는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 그래핀 분말의 SEM 이미지 및 TEM 이미지이다. (a), (b), (c) 은 각각 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2의 SEM 이미지이고, (d), (e), (f)는 각각 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2의 TEM 이미지이다.4 is an SEM image and a TEM image of the graphene powder prepared according to Examples and Comparative Examples. (a), (b), (c) are SEM images of Comparative Example 1, Example 1 and Example 2, respectively, (d), (e), (f) are Comparative Example 1, Example 1 and Example 2, respectively TEM image of Example 2.

도 4를 참조하면, 실시예 및 비교예의 아크 방전을 통해 그래핀 분말이 형성되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4 , it can be seen that graphene powder was formed through arc discharge in Examples and Comparative Examples.

실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 따라 얻어진 그래핀 분말을 450℃, 공기 중에서 열처리하여 비정질 탄소를 제거하고 유기 용매(에탄올)에 초음파 처리하여 분산시키고 밀도 차이로 흑연을 가라앉게 했다. 상층액을 수거하고 여과지에서 그래핀을 모아 필름을 형성하였다. The graphene powder obtained according to Examples 1, 2 and Comparative Example 1 was heat-treated at 450° C. in air to remove amorphous carbon, dispersed by ultrasonication in an organic solvent (ethanol), and the graphite was submerged due to the density difference. The supernatant was collected and graphene was collected on filter paper to form a film.

도 5는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 그래핀 분말의 XPS 결과를 도시한 그래프이다. 아래의 표 1은 XPS 결과를 분석하여 얻어진 질소 도핑 농도와 질소-탄소 결합 구조의 함량을 나타낸다.5 is a graph showing XPS results of graphene powders prepared according to Examples and Comparative Examples. Table 1 below shows the nitrogen doping concentration and the nitrogen-carbon bonding structure content obtained by analyzing the XPS results.

표 1Table 1

Figure 112019121139449-pat00001
Figure 112019121139449-pat00001

도 5 및 표 1을 참조하면, 비교예 1의 경우, 질소 농도가 3% 아래이고, Pyrrolic N이 100% 얻어졌으나, 산화 그래핀을 원료 물질로 추가한 실시예 1과 실시예 2의 경우, 질소 농도가 3% 보다 컸으며, Quaternary N의 함량이 30%를 초과하였음을 확인할 수 있다. 5 and Table 1, in the case of Comparative Example 1, the nitrogen concentration was 3% below, and 100% of pyrrolic N was obtained, but in Examples 1 and 2 in which graphene oxide was added as a raw material, It can be seen that the nitrogen concentration was greater than 3%, and the content of quaternary N exceeded 30%.

또한, 질소 도핑 물질(폴리아닐린)을 추가한 실시예 2의 경우, 질소 농도가 더욱 증가하였음을 확인할 수 있다.In addition, in the case of Example 2 in which a nitrogen doping material (polyaniline) was added, it can be confirmed that the nitrogen concentration was further increased.

도 6a 및 6b는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 그래핀 분말의 라만 분광 분석 결과를 도시한 그래프들이다. 아래의 표 2는 라만 분광 분석 결과를 나타낸다.6A and 6B are graphs showing Raman spectroscopic analysis results of graphene powders prepared according to Examples and Comparative Examples. Table 2 below shows the results of Raman spectroscopy.

표 2Table 2

Figure 112019121139449-pat00002
Figure 112019121139449-pat00002

도 6a, 도 6b 및 표 1을 참조하면, 흑연(Pristine Arc G) 대비, 실시예 2 > 실시예 1 > 비교예 1의 순서로, G와 2D 피크의 시프트가 크게 나타났으며, 이는 질소 도핑에 의한 내부 스트레인이 증가하였음을 의미하며, 이를 통하여 고농도의 질소 도핑이 균일하게 이루어졌음을 확인할 수 있다.Referring to Figures 6a, 6b and Table 1, compared to graphite (Pristine Arc G), in the order of Example 2 > Example 1 > Comparative Example 1, the shift of G and 2D peaks was large, which is nitrogen doping It means that the internal strain increased by , and through this, it can be confirmed that high-concentration nitrogen doping was made uniformly.

아래의 표 3은 비교예 1과 실시예 2의 정제 공정 후 표면적 변화와 질소 함량 변화를 나타낸다. 표 3을 참조하면, 본 발명에 따를 경우, 정제 공정 후 표면적 증가가 더욱 크고, 질소 함량의 감소는 작은 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 비정질 탄소의 함량이 작은 그래핀이 얻어졌음을 알 수 있다.Table 3 below shows the surface area change and nitrogen content change after the purification process of Comparative Examples 1 and 2. Referring to Table 3, according to the present invention, it can be confirmed that the increase in the surface area is larger and the decrease in the nitrogen content is small after the purification process, and through this, it can be seen that graphene having a small content of amorphous carbon is obtained.

표 3Table 3

Figure 112019121139449-pat00003
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이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to the embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below You will understand.

본 발명은, 에너지 재료, 전자 재료, 커패시터, 촉매, 가스센서, 바이오센서, 연료전지 등의 제조에 응용될 수 있다.The present invention can be applied to the manufacture of energy materials, electronic materials, capacitors, catalysts, gas sensors, biosensors, fuel cells, and the like.

Claims (14)

삭제delete 원료 물질이 내부에 충진되며 양극에 연결된 탄소봉에 아크 방전을 일으켜 상기 탄소봉을 증발시키는 단계를 포함하며,
상기 원료 물질은 흑연 분말 및 산화 그래핀을 포함하고,
상기 원료 물질 내에서 상기 흑연 분말과 상기 산화 그래핀의 중량비는 3:1 내지 1:2이며,
그래핀 분말의 질소 함량은 3 중량% 이상이고, quaternary 질소-탄소 결합의 함량은 30% 이상인 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.
Including the step of evaporating the carbon rod by causing an arc discharge to the carbon rod filled with the raw material inside and connected to the anode,
The raw material includes graphite powder and graphene oxide,
The weight ratio of the graphite powder and the graphene oxide in the raw material is 3:1 to 1:2,
The method for producing a graphene powder, characterized in that the nitrogen content of the graphene powder is 3% by weight or more, and the content of quaternary nitrogen-carbon bonds is 30% or more.
삭제delete 제2항에 있어서, 상기 원료 물질은 질소 도핑 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.The method of claim 2, wherein the raw material further comprises a nitrogen doping material. 제4항에 있어서, 상기 질소 도핑 물질은 폴리아닐린 (PANi), 4-아미노벤조산(4-aminobenzoic acid(C7H7NO2)), 비스무스 하이드록사이드 니트레이트 옥사이드(bismuth hydroxide nitrate oxide(Bi5O(OH)9(NO3)4)), 페닐하이드라진 하이드로클로라이드(phenylhydrazine hydrochloride(C6H8N2HCl)), 4-디메틸아미노피리딘(4-(dimethylamino)pyridine(C7H10N2)), 요오드화 암모늄(ammonium iodide(H4IN)), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 질산철 에네하이드레이트(Iron(Ⅲ) nitrate enneahydrate(Fe(NO3)3●9H2O)), 질산니켈 헥사하이드레이트(nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate(N2NiO6●6H2O)), 1,4-디아민 벤젠(1,4-diamine benzene(C6H4(NH2)2) 및 암모늄 몰리브데이트 테트라하이드레이트(ammonium molybdate tetrahydrate((NH4)6Mo7O24●4H2O))로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.According to claim 4, wherein the nitrogen doping material is polyaniline (PANi), 4-aminobenzoic acid (4-aminobenzoic acid (C 7 H 7 NO 2 )), bismuth hydroxide nitrate oxide (bismuth hydroxide nitrate oxide (Bi 5) O(OH) 9 (NO 3 ) 4 )), phenylhydrazine hydrochloride (C 6 H 8 N 2 HCl)), 4-dimethylaminopyridine (4- (dimethylamino)pyridine (C 7 H 10 N 2 ) )), ammonium iodide (H 4 IN)), polyacrylonitrile, iron(III) nitrate enneahydrate(Fe(NO 3 ) 3● 9H 2 O)), nickel nitrate Hexahydrate (nickel(II) nitrate hexahydrate(N 2 NiO 6● 6H 2 O)), 1,4-diamine benzene (C 6 H 4 (NH 2 ) 2 ) and ammonium molybdate A method for producing graphene powder, comprising at least one selected from the group consisting of tetrahydrate (ammonium molybdate tetrahydrate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24● 4H 2 O)). 제5항에 있어서, 상기 질소 도핑 물질은 폴리아닐린을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.The method of claim 5, wherein the nitrogen doping material comprises polyaniline. 제5항에 있어서, 상기 원료 물질은, 상기 흑연 분말 40 내지 60 중량%, 상기 산화 그래핀 20 내지 40 중량% 및 상기 질소 도핑 물질 20 내지 40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.The graphene powder of claim 5, wherein the raw material comprises 40 to 60 wt% of the graphite powder, 20 to 40 wt% of the graphene oxide, and 20 to 40 wt% of the nitrogen doping material manufacturing method. 제2항에 있어서, 상기 아크 방전은 반응 챔버 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.The method of claim 2, wherein the arc discharge is performed in a reaction chamber. 제8항에 있어서, 상기 반응 챔버 내의 압력은 200 내지 600torr이고, 상기 반응 챔버에는, 수소(H2), 질소(N2), 수소/헬륨(H2/He), 수소/질소(H2/N2), 수소/아르곤(H2/Ar), 수소/헬륨/암모니아(H2/He/NH3)로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 버퍼 가스가 제공되는 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.The method of claim 8, wherein the pressure in the reaction chamber is 200 to 600 torr, and in the reaction chamber, hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), hydrogen/helium (H 2 /He), hydrogen/nitrogen (H 2 ) /N 2 ), hydrogen / argon (H 2 /Ar), hydrogen / helium / ammonia (H 2 /He / NH 3 ) Graphene powder, characterized in that provided with at least one buffer gas selected from the group consisting of manufacturing method. 제2항에 있어서, 상기 양극과 음극 사이에 인가되는 전압은 10 내지 50V이고, 전류는 90 내지 160A인 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.The method of claim 2, wherein the voltage applied between the anode and the cathode is 10 to 50V, and the current is 90 to 160A. 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 그래핀 분말을 열처리하여 비정질 탄소를 제거하는 단계; 및
상기 그래핀 분말의 유기 용매에서 초음파 처리하는 단계를 더 포함하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
removing the amorphous carbon by heat-treating the graphene powder; and
Method for producing graphene powder, characterized in that it further comprises the step of ultrasonically treating the graphene powder in an organic solvent.
제12항에 있어서, 상기 유기 용매는 아세톤, 톨루엔, 디메틸포름아미드 및 에탄올로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 분말의 제조 방법.The method of claim 12, wherein the organic solvent comprises at least one selected from the group consisting of acetone, toluene, dimethylformamide and ethanol. 제12항의 초음파 처리된 용액을 원심 분리하는 단계;
상기 원심 분리된 용액의 상층액을 수거하는 단계; 및
상기 상층액을 여과지에 여과하는 단계를 포함하는 그래핀 필름의 제조 방법.
centrifuging the sonicated solution of claim 12;
collecting a supernatant of the centrifuged solution; and
Method for producing a graphene film comprising the step of filtering the supernatant on a filter paper.
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