KR102584293B1 - Graphene-carbon hybrid foam - Google Patents

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Abstract

다중 세공 및 세공 벽으로 구성된 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체로서, 세공 벽은 탄소 물질-대-그래핀 중량비가 1/100 내지 1/2인 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된 단일층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 소수층 그래핀 시트는 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 중첩된 그래핀 면 2 내지 10개 층을 가지며, 그래핀 시트는 비탄소 원소가 본질적으로 0%인 순수(pristine) 그래핀 물질, 또는 0.01 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소를 갖는 비순수(non-pristine) 그래핀 물질을 포함하며, 상기 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제공한다. 또한, 하이브리드 발포체를 제조하는 방법, 이 하이브리드 발포체를 포함하는 제품, 및 그 용도를 제공한다.An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam composed of multiple pores and pore walls, wherein the pore walls are composed of single-layer or few-layer graphene chemically bonded by carbon material with a carbon material-to-graphene weight ratio of 1/100 to 1/2. Comprising a fin sheet, the few-layer graphene sheet has 2 to 10 layers of overlapping graphene planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm, and the graphene sheet is pure (essentially 0% non-carbon elements). pristine) graphene material, or non-pristine graphene material having 0.01% to 25% by weight of non-carbon elements, wherein the non-pure graphene includes graphene oxide, reduced graphene oxide, 3D graphene selected from graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, graphene nitride, doped graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof. Provides a carbon hybrid foam. Additionally, methods for producing hybrid foams, products containing the hybrid foams, and uses thereof are provided.

Description

그래핀-탄소 하이브리드 발포체Graphene-carbon hybrid foam

관련 출원에 대한 상호 참조Cross-reference to related applications

본 출원은 2015년 12월 28일에 각각 출원된 미국 특허 출원 14/998,356호 및 14/998,357호의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로서 포함된다.This application claims priority from U.S. Patent Application Nos. 14/998,356 and 14/998,357, respectively, filed December 28, 2015, which are incorporated herein by reference.

기술분야Technology field

본 발명은 일반적으로 탄소/흑연 발포체에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 본원에 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체로 언급한 새로운 형태의 다공성 흑연 물질, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 제품, 및 그 제품을 작동시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates generally to carbon/graphite foams, and more specifically to a new type of porous graphite material, referred to herein as integral 3D graphene-carbon hybrid foam, methods of making the same, products comprising the same, and products thereof. It's about how to make it work.

탄소는 다이아몬드, 풀러렌(0-D 나노 흑연 물질), 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유(1-D 나노 흑연 물질), 그래핀(2-D 나노 흑연 물질), 및 흑연(3-D 흑연 물질)을 비롯하여, 5가지 고유한 결정 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 탄소 나노튜브(CNT)는 단일벽 또는 다중벽을 가지고 성장한 튜브 구조를 말한다. 탄소 나노튜브(CNT) 및 탄소 나노섬유(CNF)는 대략 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 직경을 갖는다. 이의 세로 방향으로 속이 빈 구조는 특유의 기계적, 전기적, 화학적 특성을 물질에 부여한다. CNT 또는 CNF는 일차원 나노 카본 또는 1-D 나노 흑연 물질이다. Carbon is used in diamonds, fullerenes (0-D nano-graphitic materials), carbon nanotubes or carbon nanofibers (1-D nano-graphitic materials), graphene (2-D nano-graphitic materials), and graphite (3-D nano-graphitic materials). It is known to have five unique crystal structures, including . Carbon nanotubes (CNTs) are tube structures grown with single or multiple walls. Carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers (CNFs) have a diameter of approximately several nanometers to hundreds of nanometers. Its longitudinally hollow structure gives the material unique mechanical, electrical, and chemical properties. CNTs or CNFs are one-dimensional nanocarbon or 1-D nanographite materials.

본 연구 그룹은 이미 2002년에 그래핀 물질 및 관련된 제조 공정의 개발을 개척하였다: (1) B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 7,071,258호(2006년 7월 4일), 2002년 10월 21일 출원; (2) B. Z. Jang, et al. "Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 출원 10/858,814호(2004년 6월 3일); 및 (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, "Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites," 미국 특허 출원 11/509,424호(2006년 8월 25일).Our research group pioneered the development of graphene materials and related manufacturing processes as early as 2002: (1) B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," U.S. Patent No. 7,071,258 (July 4, 2006) , filed October 21, 2002; (2) B. Z. Jang, et al. “Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates,” U.S. Patent Application No. 10/858,814 (June 3, 2004); and (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, “Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites,” U.S. Patent Application No. 11/509,424 (August 25, 2006).

단일층 그래핀 시트는 2차원 육각형 격자를 점유하는 탄소 원자로 구성된다. 다층(Multi-layer) 그래핀은 하나를 초과하는 그래핀 면으로 구성되는 판상체이다. 개별 단일층 그래핀 시트 및 다층 그래핀 판상체는 본원에서 나노그래핀 판상체(NGP) 또는 그래핀 물질로 총칭된다. NGP는 순수(pristine) 그래핀(본질적으로 탄소 원자 99%), 약간 산화된 그래핀(산소 5 중량% 미만), 그래핀 산화물(산소 5 중량% 이상), 약간 불화된 그래핀(불소 5 중량% 미만), 그래핀 불화물(불소 5 중량% 이상), 기타 할로겐화된 그래핀, 및 화학적으로 작용화된 그래핀을 포함한다.Single-layer graphene sheets are composed of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. Multi-layer graphene is a platelet composed of more than one graphene plane. Individual single-layer graphene sheets and multilayer graphene platelets are collectively referred to herein as nanographene platelets (NGP) or graphene materials. NGP consists of pristine graphene (essentially 99% carbon atoms), slightly oxidized graphene (less than 5% oxygen by weight), graphene oxide (more than 5% oxygen by weight), and slightly fluorinated graphene (5% fluorine by weight). %), graphene fluoride (more than 5% by weight fluorine), other halogenated graphene, and chemically functionalized graphene.

NGP는 특이한 물리적, 화학적, 및 기계적 특성을 다양하게 갖는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 그래핀은 존재하는 모든 물질 중에 가장 높은 고유 강도(intrinsic strength), 가장 높은 열 전도도를 보이는 것으로 밝혀졌다. 그래핀을 실제 전자장치에 적용하는 것(예를 들어, 트랜지스터의 백본으로서 Si를 대체하는 것)이 향후 5~10년 이내에 실현될 것으로 예상되지는 않지만, 복합재료에서 나노 충전제로서 그리고 에너지 저장 장치에서 전극 물질로서 그래핀을 적용하는 것은 임박해 있다. 복합체, 에너지 및 기타 분야에 그래핀을 성공적으로 활용하기 위해서는 가공 가능한 그래핀 시트를 대량으로 이용할 수 있어야 하는 것이 필수적이다.NGPs have been found to have a variety of unusual physical, chemical, and mechanical properties. For example, graphene has been found to have the highest intrinsic strength and highest thermal conductivity of all existing materials. Applications of graphene in real-world electronics (e.g., replacing Si as the backbone of transistors) are not expected to be realized within the next five to 10 years, but it has also been used as a nanofiller in composites and in energy storage devices. The application of graphene as an electrode material is imminent. To successfully utilize graphene in composites, energy and other fields, it is essential that processable graphene sheets be available in large quantities.

본 연구 그룹은 최초로 그래핀을 발견한 그룹 중 하나였다[B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 출원 10/274,473호(2002년 10월 21일 출원); 현재는 미국 특허 7,071,258호(2006년 7월 4일)]. 본 연구 그룹은 NGP 및 NGP 나노복합체의 제조 공정에 대하여 최근에 검토하였다[Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]. 선행 기술에서는 4가지 주요 접근법을 따라 NGP를 제조하였다. 그 장점 및 단점을 간략하게 요약하면 다음과 같다:This research group was one of the first to discover graphene [B. Z. Jang and W. C. Huang, “Nano-scaled Graphene Plates,” U.S. Patent Application No. 10/274,473 (filed October 21, 2002); Now US Patent No. 7,071,258 (July 4, 2006)]. This research group recently reviewed the manufacturing process of NGP and NGP nanocomposites [Bor Z. Jang and A Zhamu, "Processing of Nano Graphene Platelets (NGPs) and NGP Nanocomposites: A Review," J. Materials Sci. 43 (2008) 5092-5101]. In the prior art, NGPs were prepared following four main approaches. A brief summary of its advantages and disadvantages is as follows:

독립된 나노 그래핀 판 또는 시트(NGP)의 제조에 대한 검토A review of the fabrication of free-standing nanographene plates or sheets (NGP)

접근법 1: 그래핀 산화물(GO)의 화학적 형성 및 환원Approach 1: Chemical formation and reduction of graphene oxide (GO)

첫 번째 접근법(도 1)은, 천연 흑연 분말을 삽입제와 산화제(각각의 예를 들면 진한 황산 및 질산)로 처리하여, 흑연 삽입 화합물(Graphite Intercalation Compound; GIC)을 수득하거나, 또는 실제로는 흑연 산화물(GO)을 수득하는 단계를 수반한다[William S. Hummers, Jr., et al., Preparation of Graphitic Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339]. 삽입 또는 산화 전에 흑연의 그래핀 면간 간격은 약 0.335 ㎚(L d = ½ d 002 = 0.335 ㎚)이다. 삽입 및 산화 처리에 의해, 그래핀간 간격은 통상 0.6 ㎚ 초과의 값으로 증가하게 된다. 이는, 화학적 경로 중 흑연 물질이 겪게 되는 제1 팽창 단계이다. 그 다음, 수득된 GIC 또는 GO는, 열 충격 노출 접근법, 또는 용액 기반 초음파 보조 그래핀 층 박리 접근법 중 어느 하나를 이용하여 추가 팽창(흔히 "박리"라고 함)을 겪게 된다. The first approach (Figure 1) treats natural graphite powder with an intercalating agent and an oxidizing agent (e.g. concentrated sulfuric acid and nitric acid, respectively) to obtain a graphite intercalation compound (GIC), or actually graphite. It involves obtaining oxide (GO) [William S. Hummers, Jr., et al., Preparation of Graphitic Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339]. The interplanar spacing of graphene before insertion or oxidation is about 0.335 nm ( L d = ½ d 002 = 0.335 nm). By intercalation and oxidation treatment, the intergraphene spacing is typically increased to values exceeding 0.6 nm. This is the first expansion stage that the graphitic material undergoes during the chemical pathway. The resulting GIC or GO is then subjected to further expansion (commonly referred to as “exfoliation”) using either a thermal shock exposure approach or a solution-based ultrasound-assisted graphene layer exfoliation approach.

열 충격 노출 접근법에 있어서, GIC 또는 GO는 고온(통상 800~1,050℃)에 짧은 시간(통상 15초 내지 60초) 동안 노출되어 GIC 또는 GO를 박리시키거나 팽창시켜 박리 또는 추가 팽창된 흑연(통상 여전히 서로 상호 연결되어 있는 흑연 플레이크들로 구성된 "흑연 웜(graphite worm)"의 형태를 가짐)을 형성한다. 이러한 열 충격 방법은 몇몇 분리된 흑연 플레이크들 또는 그래핀 시트들을 제조할 수 있지만, 보통 대부분의 흑연 플레이크들은 상호 연결되어 있는 상태로 남게 된다. 통상적으로, 박리된 흑연 또는 흑연 웜은 이후 에어 밀링, 기계적 전단 또는 수중 초음파 처리를 이용한 플레이크 분리 처리를 거치게 된다. 그러므로 접근법 1은 근본적으로 3개의 별개의 과정들, 즉 1차 팽창(산화 또는 삽입), 추가 팽창(또는 "박리") 및 분리 과정을 수반한다.In the thermal shock exposure approach, GIC or GO is exposed to high temperatures (typically 800 to 1,050°C) for a short period of time (typically 15 to 60 seconds) to exfoliate or expand the GIC or GO, resulting in exfoliation or additional expanded graphite (typically It forms a "graphite worm" consisting of graphite flakes that are still interconnected with each other. This thermal shock method can produce a few isolated graphite flakes or graphene sheets, but usually most of the graphite flakes remain interconnected. Typically, the exfoliated graphite or graphite worms are then subjected to flake separation using air milling, mechanical shearing or submersible sonication. Approach 1 therefore essentially involves three distinct processes: primary expansion (oxidation or intercalation), further expansion (or "exfoliation"), and separation.

용액 기반 분리 접근법에 있어서, 팽창 또는 박리된 GO 분말은 물이나 알코올 수용액 중에 분산되어 초음파 처리된다. 이 공정들에서 초음파 처리는 흑연의 삽입 및 산화 이후(즉 1차 팽창 이후), 그리고 통상적으로는 생성된 GIC 또는 GO의 열 충격 노출 이후(2차 팽창 이후)에 이용된다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 대안적으로, 물에 분산된 GO 분말은 면들 사이의 공간들에 있던 이온들간 반발력이 그래핀간 반데르 발스 힘을 이기는 방식으로 이온 교환 또는 긴 정제 과정을 겪게 되고, 그 결과 그래핀 층이 분리된다.In the solution-based separation approach, the swollen or exfoliated GO powder is dispersed in water or an aqueous alcohol solution and sonicated. It is important to note that in these processes sonication is used after insertion and oxidation of the graphite (i.e. after primary expansion), and typically after thermal shock exposure of the resulting GIC or GO (i.e. after secondary expansion). . Alternatively, GO powder dispersed in water undergoes ion exchange or a lengthy purification process in such a way that the repulsion between ions in the spaces between the planes overcomes the inter-graphene van der Waals forces, resulting in the separation of the graphene layers. .

이러한 종래의 화학적 제조 공정과 연관된 주요 문제점들이 몇 가지 존재한다:There are several major problems associated with these conventional chemical manufacturing processes:

(1) 이 공정은 몇 가지 바람직하지 않은 화학물질, 예컨대 황산, 질산 및 과망간산칼륨 또는 염소산나트륨이 다량으로 사용되어야 한다.(1) This process requires the use of large amounts of several undesirable chemicals, such as sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate or sodium chlorate.

(2) 화학적 처리 공정은 삽입 및 산화에 오랜 시간(통상 5시간 내지 5일)이 필요하다.(2) The chemical treatment process requires a long time (usually 5 hours to 5 days) for insertion and oxidation.

(3) 이처럼 오랜 시간이 소요되는 삽입 또는 산화 공정 중 강산은 "흑연 안으로 파고들어감"으로써 상당한 양의 흑연을 소모한다(즉 흑연을 이산화탄소로 변환시키고, 이 과정에서 흑연이 소실됨). 강산 및 산화제에 침지된 흑연 물질의 20~50 중량%가 소실되는 것은 일반적이다.(3) During this lengthy intercalation or oxidation process, strong acids consume significant amounts of graphite by “burrowing into the graphite” (i.e., converting graphite to carbon dioxide, which is lost in the process). It is common for 20 to 50% by weight of graphite material to be lost when immersed in strong acids and oxidizing agents.

(4) 열 박리는 고온(통상적으로 800~1,200℃)을 필요로 하므로, 고도의 에너지 집약적 공정이다.(4) Thermal peeling requires high temperatures (typically 800-1,200°C), so it is a highly energy-intensive process.

(5) 열 유도성 박리 접근법과 용액 유도성 박리 접근법은 둘 다 매우 까다로운 세정 및 정제 단계를 필요로 한다. 예를 들어 1 g의 GIC를 세정 및 회수하기 위해서는 통상 2.5 ㎏의 물이 사용되고, 그 결과 적절하게 처리되어야 할 폐수가 다량 생성된다.(5) Both heat-induced exfoliation and solution-induced exfoliation approaches require very demanding cleaning and purification steps. For example, 2.5 kg of water is typically used to clean and recover 1 g of GIC, resulting in a large amount of wastewater that must be properly treated.

(6) 열 유도성 박리 접근법과 용액 유도성 박리 접근법 둘 다에 있어서, 이로부터 생성되는 생성물은 산소 함량을 감소시키기 위해 추가의 화학적 환원 처리를 거쳐야 하는 GO 판상체이다. 통상적으로 환원 이후에도 GO 판상체의 전기 전도도는 순수 그래핀의 전기 전도도보다 훨씬 낮게 유지된다. 또한, 환원 절차는 종종 히드라진과 같은 독성 화학물질의 사용을 수반한다.(6) In both heat-induced exfoliation and solution-induced exfoliation approaches, the resulting products are GO platelets that must undergo further chemical reduction treatment to reduce the oxygen content. Typically, even after reduction, the electrical conductivity of GO platelets remains much lower than that of pure graphene. Additionally, reduction procedures often involve the use of toxic chemicals such as hydrazine.

(7) 또한, 배수 후 플레이크들에 남아있는 삽입 용액의 양은 흑연 플레이크 100 중량부를 기준으로, 20 내지 150 중량부(pph), 더욱 통상적으로 약 50 내지 120 pph일 수 있다. 고온 박리 동안, 플레이크에 의해 잔류하게 된 잔여 삽입 종들은 분해되어 바람직하지 않은 다양한 종의 황 화합물 및 질소 화합물(예컨대, NOx 및 SOx)을 생성한다. 환경에 악영향을 미치지 않게 하기 위해서 배출액은 비용이 많이 드는 복원 과정을 필요로 한다.(7) Additionally, the amount of embedding solution remaining in the flakes after drainage may be 20 to 150 parts by weight (pph), more typically about 50 to 120 pph, based on 100 parts by weight of graphite flakes. During high-temperature exfoliation, residual intercalated species retained by the flakes decompose to produce various undesirable species of sulfur and nitrogen compounds (eg, NO x and SO x ). To avoid adverse effects on the environment, emissions require costly remediation processes.

본 발명은 앞서 개략적으로 설명한 한계 또는 문제를 극복하기 위한 것이다.The present invention is intended to overcome the limitations or problems outlined above.

접근법 2: 순수 나노 그래핀 판상체의 직접 형성Approach 2: Direct formation of pure nanographene platelets

2002년에 본 연구팀은 중합체 또는 피치 전구체로부터 수득된 부분 탄화 또는 흑연화 중합체 탄소로부터 단일층 및 다층 그래핀 시트를 분리하는 데 성공하였다[B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국 특허 출원 10/274,473호(2002년 10월 21일 출원); 현재 미국 특허 7,071,258호(2006년 7월 4일)]. Mack 등["Chemical manufacture of nanostructured materials" 미국 특허 6,872,330호(2005년 3월 29일)]은, 흑연에 칼륨 용융물을 삽입하고, 이로부터 생성된 K-삽입 흑연을 알코올과 접촉시켜, 거칠게 박리된 흑연 함유 NGP를 제조하는 단계를 수반하는 공정을 개발하였다. 칼륨 및 나트륨과 같은 순수 알칼리 금속은 수분에 극도로 민감하고 폭발의 위험이 있기 때문에, 이 공정은 진공 또는 극도로 건조한 글러브 박스 환경에서 조심스럽게 수행되어야 한다. 이 공정은 NGP의 대량 생산에 적합하지 않다. 본 발명은 앞서 개략적으로 설명한 한계들을 극복하기 위한 것이다.In 2002, our research team succeeded in isolating single-layer and multi-layer graphene sheets from partially carbonized or graphitized polymer carbon obtained from polymer or pitch precursors [B. Z. Jang and W. C. Huang, “Nano-scaled Graphene Plates,” U.S. Patent Application No. 10/274,473 (filed October 21, 2002); Current U.S. Patent No. 7,071,258 (July 4, 2006)]. Mack et al. ["Chemical manufacture of nanostructured materials" U.S. Patent No. 6,872,330 (March 29, 2005)] inserted potassium melt into graphite and brought the resulting K-inserted graphite into contact with alcohol to form a roughly exfoliated graphite. A process involving preparing graphite-containing NGPs was developed. Because pure alkali metals such as potassium and sodium are extremely sensitive to moisture and pose a risk of explosion, this process must be performed carefully in a vacuum or extremely dry glove box environment. This process is not suitable for mass production of NGP. The present invention is intended to overcome the limitations outlined above.

접근법 3: 무기 결정 표면에서의 나노 그래핀 시트의 에피택셜 성장 및 화학 증착Approach 3: Epitaxial growth and chemical vapor deposition of nanographene sheets on inorganic crystal surfaces

기판 상에 초박형 그래핀 시트를 소규모로 제조하는 것은 열 분해 기반 에피택셜 성장 및 레이저 탈착-이온화 기술에 의해 달성될 수 있다[Walt A. DeHeer, Claire Berger, Phillip N. First, "Patterned thin film graphite devices and method for making same" 미국 특허 7,327,000 B2호(2003년 6월 12일)]. 하나 또는 소수의 원자 층만을 갖는 흑연의 에피택셜 필름은, 자체의 독특한 특징과 장치 기판으로서의 큰 잠재성으로 인해 기술적, 과학적으로 중요하다. 그러나 이 공정은 복합체 재료 및 에너지 저장 용도를 위한 독립된 그래핀 시트의 대량 생산에 적합하지 않다. 본 발명은 앞서 개략적으로 설명한 한계들을 극복하기 위한 것이다.Small-scale fabrication of ultrathin graphene sheets on substrates can be achieved by thermal decomposition-based epitaxial growth and laser desorption-ionization techniques [Walt A. DeHeer, Claire Berger, Phillip N. First, "Patterned thin film graphite “devices and method for making same” U.S. Patent No. 7,327,000 B2 (June 12, 2003)]. Epitaxial films of graphite, which have only one or a few atomic layers, are technologically and scientifically important due to their unique properties and great potential as device substrates. However, this process is not suitable for mass production of free-standing graphene sheets for composite materials and energy storage applications. The present invention is intended to overcome the limitations outlined above.

박막 형태(통상 2 nm 미만의 두께)로 그래핀을 제조하는 또 다른 공정은 촉매 화학 증착 공정이다. 이 촉매 CVD는 Ni 또는 Cu 표면 상에 탄화수소 기체(예를 들어, C2H4)를 촉매 분해하여 단일층 또는 소수층(few-layer) 그래핀을 형성하는 것을 포함한다. Ni 또는 Cu가 촉매인 경우, 800~1,000℃의 온도에서 탄화수소 기체 분자의 분해를 통해 수득된 탄소 원자는 Cu 호일 표면 상에 직접 증착되거나 Ni-C 고용체 상태로부터 Ni 호일의 표면으로 침전되어 나와 단일층 또는 소수층 그래핀(5층 미만) 시트를 형성한다. Ni-촉매 또는 Cu-촉매 CVD 공정은 밑에 있는 Ni 또는 Cu 층이 더 이상 어떠한 촉매 효과도 제공할 수 없어서 5개 초과의 그래핀 면(통상 2 nm 미만)을 증착하는 데 적합하지 않다. CVD 그래핀 필름은 매우 비싸다.Another process for producing graphene in thin film form (typically less than 2 nm thick) is the catalytic chemical vapor deposition process. This catalytic CVD involves catalytic decomposition of a hydrocarbon gas (eg, C 2 H 4 ) on a Ni or Cu surface to form single-layer or few-layer graphene. When Ni or Cu is the catalyst, carbon atoms obtained through decomposition of hydrocarbon gas molecules at a temperature of 800 to 1,000°C are deposited directly on the surface of the Cu foil or precipitated from the Ni-C solid solution state to the surface of the Ni foil and form a single Form a single-layer or few-layer graphene (less than 5-layer) sheet. Ni-catalyzed or Cu-catalyzed CVD processes are not suitable for depositing more than 5 graphene planes (typically less than 2 nm) as the underlying Ni or Cu layer can no longer provide any catalytic effect. CVD graphene film is very expensive.

접근법 4: 상향식 접근법(소분자로부터의 그래핀 합성)Approach 4: Bottom-up approach (graphene synthesis from small molecules)

Yang 등["Two-dimensional Graphene Nano-ribbons," J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 4216-17]은, 1,4-디요오도-2,3,5,6-테트라페닐-벤젠과 4-브로모페닐보론산의 Suzuki-Miyaura 커플링으로 시작되는 방법을 사용하여, 최대 12 ㎚ 길이의 나노 그래핀 시트를 합성하였다. 생성된 헥사페닐벤젠 유도체는 추가로 유도체화되고 작은 그래핀 시트로 고리 융합되었다. 이는, 지금까지 매우 작은 그래핀 시트를 제조해 왔던 느린 공정이다. 본 발명은 앞서 개략적으로 설명한 한계들을 극복하기 위한 것이다.Yang et al. [“Two-dimensional Graphene Nano-ribbons,” J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 4216-17] uses a method starting with Suzuki-Miyaura coupling of 1,4-diiodo-2,3,5,6-tetraphenyl-benzene and 4-bromophenylboronic acid. Thus, nanographene sheets with a length of up to 12 nm were synthesized. The resulting hexaphenylbenzene derivative was further derivatized and ring fused into small graphene sheets. This is a slow process that has so far produced very small graphene sheets. The present invention is intended to overcome the limitations outlined above.

그러므로, 바람직하지 않은 화학물질의 양의 감소(또는 이러한 화학물질 모두의 제거), 공정 시간 단축, 더 적은 에너지 소비, 더 낮은 정도의 그래핀 산화, 바람직하지 않은 화학 종의 배수액으로의 배출(예컨대 황산) 또는 공기 중으로의 배출(예컨대 SO2 및 NO2)의 감소 또는 제거를 필요로 하는 그래핀 제조 공정에 대한 요구가 절실한 실정이다. 공정은 더 순수하고(산화가 덜 되고 손상이 더 적고), 전기 전도성이 더 크며, 더 큰/더 넓은 그래핀 시트를 제조할 수 있어야 한다. 또한, 이러한 그래핀 시트를 발포체 구조로 손쉽게 만들 수 있어야 한다.Therefore, a reduction in the amount of undesirable chemicals (or elimination of all such chemicals), shorter process times, less energy consumption, lower degree of graphene oxidation, and release of undesirable chemical species into the drainage fluid ( There is a pressing need for graphene manufacturing processes that require the reduction or elimination of emissions (eg, sulfuric acid) or emissions into the air (eg, SO 2 and NO 2 ). The process should be able to produce graphene sheets that are purer (less oxidized and less damaging), more electrically conductive, and larger/wider. Additionally, these graphene sheets should be easily made into a foam structure.

본 연구 그룹의 최근 연구 결과 앞서 개략적으로 설명한 나노 그래핀 판의 제조를 위한 종래의 방법들을 따르지 않는다는 점에서 신규한, 독립된 나노 그래핀 판상체를 화학물질 없이 제조하는 방법이 개발되었다. 또한, 본 방법은 비용 효과적이고, 환경에 미치는 영향을 상당히 저감하면서 신규한 그래핀 물질을 제공한다는 점에서 효용성이 강화되었다. 또한, 본원에 개시한 바와 같이, 화학물질 없는 그래핀 제조와 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 형성을 하나의 단일 공정으로 통합하였다.Recent research by this research group has led to the development of a method for producing free-standing nano graphene platelets without chemicals, which is novel in that it does not follow the conventional methods for manufacturing nano graphene plates outlined above. Additionally, the utility of this method is enhanced in that it is cost-effective and provides novel graphene materials with significantly reduced environmental impact. Additionally, as disclosed herein, chemical-free graphene preparation and formation of graphene-carbon hybrid foam were integrated into one single process.

본 출원의 청구범위를 정의하기 위해, NGP 또는 그래핀 물질은 단일층 및 다층 (통상적으로 10개 미만의 층) 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물(RGO), 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, (예를 들어 B 또는 N으로 도핑된) 도핑된 그래핀의 이산된 시트/판상체를 포함한다. 순수 그래핀은 본질적으로 0%의 산소를 갖는다. RGO는 통상적으로 0.001 중량% 내지 5 중량%의 산소 함량을 갖는다. 그래핀 산화물(RGO를 포함함)은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 산소를 가질 수 있다. 순수 그래핀 외에, 모든 그래핀 물질은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 비탄소 원소(예를 들어 O, H, N, B, F, Cl, Br, I 등)를 갖는다. 이들 물질은 본원에서 비순수(non-pristine) 그래핀 물질로 지칭된다. 본 발명의 그래핀-탄소 발포체는 순수 또는 비순수 그래핀을 포함할 수 있고 본 발명의 방법은 이러한 유연성을 허용한다.For the purposes of defining the claims of this application, NGP or graphene materials include single-layer and multi-layer (typically less than 10 layers) pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), graphene fluoride, Graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, graphene nitride, chemically functionalized graphene, discrete sheets of doped graphene (e.g. doped with B or N)/ Includes plate-shaped bodies. Pure graphene has essentially 0% oxygen. RGO typically has an oxygen content of 0.001% to 5% by weight. Graphene oxide (including RGO) can have between 0.001% and 50% oxygen by weight. Besides pure graphene, all graphene materials have from 0.001% to 50% by weight of non-carbon elements (e.g. O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). These materials are referred to herein as non-pristine graphene materials. The graphene-carbon foam of the present invention may comprise pure or impure graphene and the method of the present invention allows for this flexibility.

그래핀 발포체 제조에 대한 검토A review of graphene foam manufacturing

일반적으로 말해서, 발포체 또는 발포 물질은 세공(또는 셀(cell)) 및 세공 벽(pore wall, 고체 물질)로 구성된다. 세공은 상호 연결되어 개방형-셀 발포체를 형성할 수 있다. 그래핀 발포체는 그래핀 물질을 포함하는 세공 벽 및 세공으로 구성된다. 그래핀 발포체를 제조하는 세 가지 주요 방법이 있다:Generally speaking, foams or foamed materials are composed of pores (or cells) and pore walls (solid material). The pores can be interconnected to form an open-cell foam. Graphene foam is composed of pore walls and pores containing graphene material. There are three main ways to prepare graphene foam:

첫 번째 방법은 통상적으로 그래핀 산화물(GO) 수성 현탁액을 고압 오토클레이브에서 밀봉하고 GO 현탁액을 고압(수십 또는 수백 기압) 및 통상적으로 180~300℃의 범위에서 장시간(통상 12~36시간)동안 가열하는 것을 포함하는 그래핀 산화물 하이드로겔의 열수 환원(hydrothermal reduction)이다. 이 방법에 대한 유용한 참고 문헌은 다음과 같다: Y. Xu, et al. "Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process," ACS Nano 2010, 4, 4324-4330. 이 방법과 관련된 몇 가지 주요한 문제가 있다. (a) 고압을 요구하므로 산업 규모 제조에서는 비현실적인 방법이다. 우선, 이 방법은 연속으로 수행될 수 없다. (b) 이 방법으로 제조된 세공 구조의 세공 크기 및 다공성 수준을 제어하는 것이 불가능한 것은 아니지만 어렵다. (c) 이 방법으로 제조된 환원된 그래핀 산화물(RGO) 물질의 형태 및 크기의 다양성 측면에서 유연성이 없다(예를 들어, 필름 형태로 만들 수 없다). (d) 이 방법은 물에 현탁된 매우 낮은 농도(예를 들어, 2 mg/mL = 2 g/L = 2 kg/kL)의 GO의 사용을 포함한다. 비탄소 원소를 제거(최대 50%까지)하여 현탁액 1000 리터당 2 kg 미만의 그래핀 물질(RGO)을 제조할 수 있을 뿐이다. 또한, 고온 및 고압의 조건을 견뎌야 하는 1000 리터 반응기를 가동하는 것은 현실적으로 불가능하다. 분명히, 이 방법은 다공성 그래핀 구조의 대량 생산용으로 확장할 수 있는 방법이 아니다.The first method typically involves sealing an aqueous suspension of graphene oxide (GO) in a high-pressure autoclave and storing the GO suspension at high pressure (tens or hundreds of atmospheres) and typically in the range of 180-300°C for a long time (typically 12-36 hours). Hydrothermal reduction of graphene oxide hydrogel involving heating. Useful references for this method include: Y. Xu, et al. “Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process,” ACS Nano 2010, 4, 4324-4330. There are several major problems associated with this method. (a) This method is impractical for industrial scale manufacturing as it requires high pressure. First of all, this method cannot be performed continuously. (b) It is difficult, if not impossible, to control the pore size and porosity level of the pore structures produced by this method. (c) The reduced graphene oxide (RGO) material prepared by this method is inflexible in terms of variety of shapes and sizes (e.g., cannot be formed into films). (d) This method involves the use of very low concentrations of GO (e.g., 2 mg/mL = 2 g/L = 2 kg/kL) suspended in water. With the removal of non-carbon elements (up to 50%), it is only possible to produce less than 2 kg of graphene material (RGO) per 1000 liters of suspension. Additionally, it is practically impossible to operate a 1000 liter reactor that must withstand high temperature and high pressure conditions. Clearly, this method is not scalable for mass production of porous graphene structures.

두 번째 방법은 템플레이트-보조(template-assisted) 촉매 CVD 공정에 기반한 것으로 희생 템플레이트(예를 들어, Ni 발포체) 상에 그래핀을 CVD 증착하는 것을 포함한다. 이 그래핀 물질은 Ni 발포체 구조의 형태 및 치수를 따른다. 이어서, Ni 발포체는 에칭제를 사용하여 에칭 제거되고, 본질적으로 개방형 셀 발포체인 그래핀 골격의 단일체를 남긴다. 이 방법에 대한 유용한 참고 문헌은 다음과 같다: Zongping Chen, et al., "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition," Nature Materials, 10 (June 2011) 424-428. 이러한 방법과 관련된 몇 가지 문제가 있다: (a) 촉매 CVD는 본질적으로 매우 느리고, 고도로 에너지 집약적이며 고비용인 방법이다; (b) 에칭제는 통상적으로 매우 바람직하지 않은 화학물질이고 생성된 Ni-함유 에칭 용액은 오염원이다. 에칭 용액으로부터 용해된 Ni 금속을 회수하거나 재활용하는 것은 매우 어렵고 비싸다. (c) Ni 발포체가 에칭 제거될 때 그래핀 발포체의 형태 및 치수를 셀 벽의 손상 없이 유지하는 것이 어렵다. 생성된 그래핀 발포체는 통상적으로 매우 취성이고 취약하다. (d) 희생 금속 발포체 내부의 특정 지점은 CVD 전구체 기체에 접근하지 못할 수 있기 때문에 CVD 전구체 기체(예를 들어, 탄화수소)를 금속 발포체 내부로 수송하는 것이 어려워 불균일한 구조를 초래할 수 있다.The second method is based on a template-assisted catalytic CVD process and involves CVD deposition of graphene on a sacrificial template (e.g. Ni foam). This graphene material follows the shape and dimensions of the Ni foam structure. The Ni foam is then etched away using an etchant, leaving behind a monolith of graphene framework, which is essentially an open cell foam. Useful references for this method include: Zongping Chen, et al., "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nature Materials, 10 (June 2011) 424-428. There are several problems associated with these methods: (a) catalytic CVD is inherently a very slow, highly energy-intensive and expensive method; (b) The etchant is typically a highly undesirable chemical and the resulting Ni-containing etching solution is a source of contamination. Recovering or recycling dissolved Ni metal from the etching solution is very difficult and expensive. (c) It is difficult to maintain the shape and dimensions of the graphene foam without damaging the cell walls when the Ni foam is etched away. The resulting graphene foam is typically very brittle and fragile. (d) Certain points within the sacrificial metal foam may be inaccessible to the CVD precursor gas, making it difficult to transport the CVD precursor gas (e.g., hydrocarbons) into the metal foam, resulting in a non-uniform structure.

그래핀 발포체를 제조하는 세 번째 방법도 자기조립 접근법을 사용하여 그래핀 산화물 시트로 코팅된 희생 금속(예를 들어, 콜로이드 폴리스티렌 입자, PS)을 이용한다. 예를 들어, Choi 등은 화학적으로 개질된 그래핀(CMG) 종이를 두 단계로 제조했다: CMG 및 PS(2.0 ㎛ PS 구)의 혼합 수성 콜로이드 현탁액을 진공 여과하여 독립형(free-standing) PS/CMG 필름을 제조하고, 이어서 PS 비드를 제거하여 3D 거시적 세공(macro-pores)을 생성한다[B. G. Choi, et al., "3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities," ACS Nano, 6 (2012) 4020-4028.] Choi 등은 잘 정렬된 독립형 PS/CMG 종이를 여과에 의해 제조했는데, 이는 음으로 하전된 CMG 콜로이드와 양으로 하전된 PS 현탁액을 별도로 제조하는 것으로 시작되었다. CMG 콜로이드와 PS 현탁액의 혼합물은 제어된 pH(=2) 하에서 용액에 분산되었고, 두 화합물은 동일한 표면 전하(CMG에 대해 +13 ± 2.4 mV 및 PS에 대해 +68 ± 5.6 mV의 제타 전위값)를 가졌다. pH가 6으로 상승하면, CMG(제타 전위 = -29 ± 3.7 mV) 및 PS 구(제타 전위 = +51 ± 2.5 mV)는 서로 간에 작용하는 정전기적 상호작용 및 소수성으로 인해 모이게 되고, 그 후에 여과 공정을 통하여 PS/CMG 복합체 종이로 통합되었다. 이 방법 또한 몇 가지 단점이 있다: (a) 이 방법은 그래핀 산화물과 PS 입자 모두 매우 까다로운 화학적 처리를 요구한다. (b) 또한, PS를 톨루엔으로 제거하는 것은 거시적 다공성 구조의 약화를 초래한다. (c) 톨루엔은 규제가 엄격한 화학물질이고 매우 조심해서 취급되어야 한다. (d) 세공 크기가 통상적으로 과도하게 크고(예를 들어 수 ㎛), 많은 유용한 용도에 있어 너무 크다. A third method of making graphene foam also uses a self-assembly approach, using sacrificial metals (e.g., colloidal polystyrene particles, PS) coated with graphene oxide sheets. For example, Choi et al. prepared chemically modified graphene (CMG) paper in two steps: vacuum filtration of a mixed aqueous colloidal suspension of CMG and PS (2.0 μm PS spheres) to form free-standing PS/PS. A CMG film is prepared, and the PS beads are then removed to create 3D macro-pores [B. G. Choi, et al., "3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities," ACS Nano, 6 (2012) 4020-4028.] Choi et al. The preparation started by separately preparing the negatively charged CMG colloid and the positively charged PS suspension. The mixture of CMG colloid and PS suspension was dispersed in solution under controlled pH (=2), and both compounds had the same surface charge (zeta potential values of +13 ± 2.4 mV for CMG and +68 ± 5.6 mV for PS). had When the pH rises to 6, CMG (zeta potential = -29 ± 3.7 mV) and PS spheres (zeta potential = +51 ± 2.5 mV) come together due to their electrostatic interactions and hydrophobicity, which are then filtered. Through the process, it was integrated into PS/CMG composite paper. This method also has some drawbacks: (a) This method requires very demanding chemical treatment of both graphene oxide and PS particles. (b) Additionally, removal of PS with toluene results in weakening of the macroscopic porous structure. (c) Toluene is a highly regulated chemical and must be handled with great care. (d) The pore size is typically excessively large (e.g. several micrometers) and too large for many useful applications.

상술한 바와 같이, 그래핀 발포체를 제조하는 모든 선행 기술의 방법 또는 공정이 주요 결함을 갖는다는 것은 분명하다. 그러므로, 본 발명의 목적은 고 전도성이고 기계적으로 강한 물성의 그래핀-기반 발포체(구체적으로, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체)를 대량으로 제조하는 비용 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 본 방법은 환경 친화적이지 않은 화학물질의 사용을 포함하지 않는다. 본 방법은 다공성 수준 및 세공 크기를 유연하게 설계하고 제어할 수 있다. As discussed above, it is clear that all prior art methods or processes for producing graphene foam have major drawbacks. Therefore, the purpose of the present invention is to provide a cost-effective method for producing high-conductivity and mechanically strong graphene-based foams (specifically, integral 3D graphene-carbon hybrid foams) in large quantities. This method does not involve the use of environmentally unfriendly chemicals. This method allows flexible design and control of porosity level and pore size.

본 발명의 다른 목적은 종래의 흑연 또는 탄소 발포체와 동등하거나 더 큰 열 전도도, 전기 전도도, 탄성률, 및/또는 강도를 나타내는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing graphene-carbon hybrid foams that exhibit thermal conductivity, electrical conductivity, elastic modulus, and/or strength equivalent to or greater than conventional graphite or carbon foams.

본 발명의 또 다른 목적은 (a) 본질적으로 모두 탄소만을 포함하고, 바람직하게는 중간 크기의(meso-scaled) 세공 크기 범위(2~50 nm)를 갖는 순수 그래핀-기반 하이브리드 발포체; 및 (b) 광범위한 용도에 사용될 수 있는 적어도 0.001 중량%(통상적으로 0.01 중량% 내지 25 중량% 및 가장 통상적으로 0.1% 내지 20%)의 비탄소 원소를 포함하는 비순수 그래핀 발포체(그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 질화 그래핀 등)를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to produce (a) a pure graphene-based hybrid foam comprising essentially all carbon, preferably with a meso-scaled pore size range (2-50 nm); and (b) non-pure graphene foam (graphene fluoride) comprising at least 0.001% by weight (typically 0.01% to 25% and most typically 0.1% to 20%) non-carbon elements, which can be used in a wide range of applications. , graphene chloride, graphene nitride, etc.).

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 그래핀-탄소 발포체를 포함하는 제품(예를 들어, 장치) 및 이런 제품을 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide products (e.g., devices) comprising the graphene-carbon foam of the present invention and methods of operating such products.

본 발명은, 흑연 물질 입자 및 중합체 입자로부터 직접 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 놀랍도록 간단하다. 이 방법은,The present invention provides a method for making integral 3D graphene-carbon hybrid foams directly from graphitic material particles and polymer particles. This method is surprisingly simple. This method:

(a) 흑연 물질의 다중 입자 및 고체 중합체 캐리어 물질의 다중 입자를 혼합하여 에너지 충격 장치(energy impacting apparatus)의 충격 챔버(impacting chamber)에서 혼합물을 형성하는 단계;(a) mixing multiple particles of a graphitic material and multiple particles of a solid polymeric carrier material to form a mixture in an impacting chamber of an energy impacting apparatus;

(b) 이 에너지 충격 장치를 흑연 물질로부터 그래핀 시트를 박리시키기에 충분한 주파수와 강도로 긴 시간 동안 가동하고, 그래핀 시트를 고체 중합체 캐리어 물질 입자의 표면으로 이동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 충격 챔버 내에서 제조하는 단계; (예를 들어, 충격 장치는 가동할 때, 중합체 입자에 운동에너지를 공급하고, 결국 흑연 입자 표면/가장자리에 충돌하고 충격을 받은 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 박리시킨다. 이 박리된 그래핀 시트는 이 중합체 입자에 달라붙는다. 이것을 본원에서 "직접 이동"과정이라 지칭하는데, 이는 그래핀 시트가 흑연 입자로부터 중합체 입자의 표면으로 어떤 제3자의 중개 없이 직접 이동하는 것을 의미한다.)(b) operating this energy bombardment device for a long period of time at a frequency and intensity sufficient to exfoliate the graphene sheet from the graphitic material and move the graphene sheet to the surface of the solid polymer carrier material particle, thereby forming a graphene-coated or graphene -preparing the inserted polymer particles in an impact chamber; (For example, when the impact device is activated, it supplies kinetic energy to the polymer particles, which eventually impact the graphite particle surface/edge and exfoliate the graphene sheet from the impacted graphite particle. This exfoliated graphene sheet (This is referred to herein as a “direct transfer” process, meaning that the graphene sheets are moved directly from the graphite particles to the surface of the polymer particles without any third party intermediation.)

(c) 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 충격 챔버로부터 회수하고, 이 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 원하는 형태의 그래핀-중합체 하이브리드 구조로 통합하는 단계(이 통합 단계는 단지 그래핀-코팅 또는 삽입 입자를 원하는 형태로 압축하는 압축 단계만큼 간단할 수 있다); 및(c) recovering the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles from the impact chamber and incorporating the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles into a graphene-polymer hybrid structure of the desired shape (this integration The step can be as simple as a compression step that simply compresses the graphene-coated or embedded particles into the desired shape); and

(d) 이러한 형태의 그래핀-중합체 복합체 구조를 열분해하여 이 중합체를 세공 및 그래핀 시트를 결합시키는 탄소 또는 흑연으로 열변환하여 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 형성하는 단계를 포함한다.(d) thermally decomposing this type of graphene-polymer composite structure to thermally convert the polymer into carbon or graphite that bonds the pores and graphene sheets to form an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam.

특정 대체 구현예에서, 복수의 충격 볼 또는 매개체가 에너지 충격 장치의 충격 챔버에 추가된다. 충격 장치에 의해 가속되는 이 충격 볼은 흑연 입자의 표면/가장자리에 충격을 가하고 그로부터 그래핀 시트를 박리시킨다. 이 그래핀 시트는 일시적으로 이 충격 볼의 표면으로 이동된다. 이 그래핀-지지 충격 볼은 이어서 중합체 입자에 충돌하고 지지된 그래핀 시트를 이 중합체 입자의 표면으로 이동시킨다. 이러한 일련의 사건을 본원에서 "간접 이동"과정이라 지칭한다. 간접 이동 과정의 일부 구현예에서, 단계 (c)는 자석을 작동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자로부터 충격 볼 또는 매개체를 분리하는 것을 포함한다.In certain alternative embodiments, a plurality of impact balls or mediators are added to the impact chamber of the energy impact device. This impact ball, accelerated by an impact device, impacts the surface/edge of the graphite particle and exfoliates the graphene sheet therefrom. This graphene sheet is temporarily moved to the surface of this impact ball. This graphene-supported impact ball then impacts the polymer particle and moves the supported graphene sheet to the surface of this polymer particle. This series of events is referred to herein as the “indirect transfer” process. In some embodiments of the indirect transfer process, step (c) includes actuating a magnet to separate the impact ball or mediator from the graphene-coated or graphene-embedded polymer particles.

고체 중합체 물질 입자는 직경 또는 두께가 10 nm 내지 10 mm인, 플라스틱 또는 고무 비드, 펠릿, 구, 와이어, 섬유, 필라멘트, 디스크, 리본, 또는 막대를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 직경 또는 두께가 100 nm 내지 1 mm이고, 보다 바람직하게는 200 nm 또는 200 ㎛이다. 고체 중합체는 열가소성, 열경화성 수지, 고무, 반침투(semi-penetrating) 망상 중합체, 침투 망상 중합체, 천연 고분자, 또는 이들의 조합의 고체 입자로부터 선택될 수 있다. 일 구현예에서, 고체 중합체는 단계 (d) 이전에 용융, 에칭, 또는 용매에 용해함으로써 부분적으로 제거된다.Particles of solid polymer material may include plastic or rubber beads, pellets, spheres, wires, fibers, filaments, disks, ribbons, or rods, having a diameter or thickness of 10 nm to 10 mm. Preferably, the diameter or thickness is 100 nm to 1 mm, more preferably 200 nm or 200 μm. The solid polymer may be selected from solid particles of thermoplastics, thermosets, rubbers, semi-penetrating network polymers, penetrating network polymers, natural polymers, or combinations thereof. In one embodiment, the solid polymer is partially removed prior to step (d) by melting, etching, or dissolving in a solvent.

특정 구현예에서, 흑연 물질은 천연 흑연, 합성 흑연, 고배향 열분해 흑연(highly oriented pyrolytic graphite), 흑연 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 불화물, 산화 흑연, 화학적으로 개질된 흑연, 박리 흑연, 재압축 박리 흑연, 팽창 흑연, 메소 탄소 마이크로비드, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 바람직하게, 흑연 물질은 혼합 단계 (a) 이전에, 화학 또는 산화 처리에 노출된 적이 없는 비-삽입 및 비-산화 흑연 물질을 포함한다.In certain embodiments, the graphitic material is natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fibers, graphite nanofibers, graphite fluoride, graphite oxide, chemically modified graphite, exfoliated graphite, recompressed exfoliation. selected from graphite, expanded graphite, mesocarbon microbeads, or combinations thereof. Preferably, the graphitic material comprises non-intercalated and non-oxidized graphitic material that has not been exposed to chemical or oxidizing treatments prior to mixing step (a).

본 연구 그룹은 놀랍게도 본 발명의 실시를 위하여 광범위한 충격 장치가 사용될 수 있음을 관찰했다. 예를 들면, 에너지 충격 장치는 진동 볼 밀, 유성형 볼 밀, 고에너지 밀, 바스켓 밀, 교반기(agitator) 볼 밀, 극저온 볼 밀(cryo ball mill), 마이크로 볼 밀, 텀블러 볼 밀, 연속 볼 밀, 교반식(stirred) 볼 밀, 가압 볼 밀, 동결 밀(freezer mill), 진동 체, 비드 밀, 나노 비드 밀, 초음파 균질기 밀, 원심 유성형 혼합기, 진공 볼 밀, 또는 공진 음향 믹서(resonant acoustic mixer)일 수 있다.The research group surprisingly observed that a wide variety of impact devices can be used to practice the present invention. For example, energy impact devices include vibrating ball mills, planetary ball mills, high energy mills, basket mills, agitator ball mills, cryo ball mills, micro ball mills, tumbler ball mills, and continuous ball mills. , stirred ball mill, pressurized ball mill, freezer mill, vibrating sieve, bead mill, nano bead mill, ultrasonic homogenizer mill, centrifugal planetary mixer, vacuum ball mill, or resonant acoustic mixer. It can be a mixer).

생성된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 탄소 성분의 형성을 위하여, 높은 탄소 수율 또는 촤(char) 수율(예를 들어 30 중량% 초과)을 갖는 중합체 입자를 선택할 수 있다. 탄소 수율은 휘발성 기체의 일부가 되기 보다는 열에 의해 고체 탄소상(carbon phase)으로 변환되는 중합체 구조의 중량%이다. 탄소 수율이 높은 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.For the formation of the carbon component of the resulting graphene-carbon hybrid foam, polymer particles with a high carbon yield or char yield (e.g. greater than 30% by weight) can be selected. Carbon yield is the weight percent of the polymer structure that is thermally converted to a solid carbon phase rather than becoming part of the volatile gas. Polymers with high carbon yield include phenolic resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, It may be selected from polybenzobithiazole, poly(p-phenylene vinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof.

보다 낮은 탄소 함량(보다 높은 그래핀 함량)이 그래핀-탄소 하이브리드 발포체에서 요구되는 경우, 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔(ABS), 폴리에스터, 폴리비닐 알코올, 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 낮은 중합체를 포함할 수 있다. When lower carbon content (higher graphene content) is desired in graphene-carbon hybrid foams, polymers include polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene (ABS), Polyester, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene oxide (PPO), polymethyl methacrylate (PMMA), copolymers thereof, polymers thereof It may include low carbon yield polymers selected from blends, or combinations thereof.

이러한 중합체(높은 탄소 수율 및 낮은 탄소 수율 모두)가 300~2,500℃ 온도에서 가열될 때, 그래핀 시트 가장자리 근처에서 우선적으로 핵 생성되는 탄소 물질로 변환된다는 것을 주목할 수 있다. 이러한 탄소 물질은 그래핀 시트 사이의 틈(gap)을 가교하는 역할을 하여 상호 연결된 전자 전도성 통로를 형성한다. 즉, 생성된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 탄소 결합 그래핀 시트의 일체형 3D 망상구조로 이루어져, 중단 없이 그래핀 시트 또는 도메인 사이에 전자 및 포논(양자화된 격자 진동)의 연속적인 이동을 가능하게 한다. 2,500℃ 보다 높은 온도에서 추가로 가열되면, 그래핀을 결합시키는 탄소상은 탄소상이 "연질 탄소" 이거나 흑연화 가능한 경우에 흑연화될 수 있다. 이러한 상황에서, 전자 전도성 및 열 전도성은 모두 더 증가된다.It can be noted that when these polymers (both high and low carbon yield) are heated at temperatures between 300 and 2,500 degrees Celsius, they transform into carbon materials that nucleate preferentially near the edges of the graphene sheets. These carbon materials serve to bridge the gaps between graphene sheets, forming interconnected electronic conductive paths. In other words, the resulting graphene-carbon hybrid foam consists of an integrated 3D network structure of carbon-bonded graphene sheets, enabling continuous movement of electrons and phonons (quantized lattice vibrations) between graphene sheets or domains without interruption. . When further heated to temperatures above 2,500° C., the carbon phase that binds the graphene can become graphitized if the carbon phase is “soft carbon” or graphitizable. In this situation, both electronic and thermal conductivity are further increased.

따라서, 특정 구현예에서, 열분해 단계는 200℃ 내지 2,500℃ 온도에서 중합체를 탄화하여 탄소 결합 그래핀 시트를 수득하는 것을 포함한다. 선택적으로, 이어서 탄소 결합 그래핀 시트는 2,500℃ 내지 3,200℃의 온도에서 흑연화되어 흑연 결합 그래핀 시트를 수득할 수 있다.Accordingly, in certain embodiments, the pyrolysis step includes carbonizing the polymer at a temperature of 200° C. to 2,500° C. to obtain carbon-bonded graphene sheets. Optionally, the carbon-bonded graphene sheet may then be graphitized at a temperature of 2,500° C. to 3,200° C. to obtain a graphite-bonded graphene sheet.

CO2 및 H2O와 같은 휘발성 기체 분자의 발생으로 인해 중합체의 열분해가 생성된 중합체 탄소상 내에 세공을 형성하는 경향이 있다는 것을 주목할 수 있다. 하지만, 이러한 세공은 중합체가 탄화될 때 구속(constrained)되지 않으면 붕괴될 경향성이 크다. 본 연구 그룹은 놀랍게도 중합체 입자 주위를 감싸는 그래핀 시트가 세공 벽이 수축되고 붕괴되는 것을 막을 수 있는 한편, 일부 탄소종은 또한 그래핀 시트 사이의 틈에 침투하여 그래핀 시트를 서로 결합시키는 것을 발견했다. 생성된 3D 일체형 그래핀 발포체의 세공 크기 및 세공 체적(다공성 수준)은 개시 중합체 크기 및 중합체의 탄소 수율에 달려있고, 그보다 정도는 덜하지만 열분해 온도에 달려있다. It can be noted that thermal decomposition of polymers due to the generation of volatile gas molecules such as CO 2 and H 2 O tends to form pores within the resulting polymer carbon phase. However, these pores have a high tendency to collapse if not constrained when the polymer is carbonized. The research group surprisingly found that while graphene sheets wrapping around polymer particles can prevent the pore walls from shrinking and collapsing, some carbon species also penetrate the gaps between the graphene sheets and bind them together. did. The pore size and pore volume (porosity level) of the resulting 3D integral graphene foam depend on the starting polymer size and carbon yield of the polymer and, to a lesser extent, the pyrolysis temperature.

특정 바람직한 구현예에서, 통합 단계는 이 다량의 그래핀-코팅 중합체 입자를 원하는 형태로 압축하는 것을 포함한다. 예를 들면, 다량의 그래핀-코팅 입자를 금형 캐비티에 넣고 압착 및 압축함으로써 손쉽게 단단한 성형체를 형성할 수 있다. 중합체를 빠르게 가열하고 용융시키고, 성형체를 약간 압축하여 열에 의해 중합체 입자를 서로 약간 융합시키고, 빠르게 냉각시켜 성형체를 응고시킬 수 있다. 그런 다음 이 통합된 성형체는 열분해 처리(중합체 탄화 및 선택적으로, 흑연화)를 받게 된다.In certain preferred embodiments, the consolidation step includes compressing this large quantity of graphene-coated polymer particles into the desired shape. For example, a solid molded body can be easily formed by placing a large amount of graphene-coated particles in a mold cavity and pressing and compressing them. The polymer can be quickly heated and melted, the molded body slightly compressed to slightly fuse the polymer particles with each other by heat, and rapidly cooled to solidify the molded body. This consolidated body is then subjected to pyrolytic treatment (polymer carbonization and, optionally, graphitization).

일부 대체 구현예에서, 통합 단계는 중합체 입자를 용융시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용융 혼합물을 형성하고, 중합체 용융 혼합물을 원하는 형태로 성형하여 그 형태를 그래핀-중합체 복합체 구조로 응고시키는 것을 포함한다. 이러한 형태는 막대, 필름(얇거나 두꺼운 필름, 넓거나 좁은, 단일 시트 또는 롤 형태임), 섬유(짧은 필라멘트 또는 연속적인 긴 필라멘트), 판, 잉곳, 임의의 보통 형태나 이상한 형태일 수 있다. 이후에, 이 그래핀-중합체 복합체 형태는 열분해된다.In some alternative embodiments, the consolidation step includes melting the polymer particles to form a polymer melt mixture with graphene sheets dispersed therein, shaping the polymer melt mixture into a desired shape, and solidifying that shape into a graphene-polymer composite structure. It includes These forms may be rods, films (thin or thick, wide or narrow, single sheets or rolls), fibers (short filaments or continuous long filaments), plates, ingots, or any ordinary or unusual shape. Afterwards, this graphene-polymer composite form is thermally decomposed.

대안적으로, 통합 단계는 중합체 입자를 용매에 용해시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용액 혼합물을 형성하고, 중합체 용액 혼합물을 원하는 형태로 성형하고, 용매를 제거하여 그 형태를 그래핀-중합체 복합체 구조로 응고시키는 것을 포함할 수 있다. 그런 다음 이 복합체 구조는 열분해되어 다공질 구조를 형성한다.Alternatively, the consolidation step involves dissolving the polymer particles in a solvent to form a polymer solution mixture with graphene sheets dispersed therein, molding the polymer solution mixture into the desired shape, and removing the solvent to transform the shape into a graphene-polymer. It may include solidifying into a complex structure. This composite structure is then thermally decomposed to form a porous structure.

통합 단계는 중합체 입자를 용융시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용융 혼합물을 형성하고, 이 혼합물을 막대 형태나 시트 형태로 압출하거나, 이 혼합물을 섬유 형태로 스피닝하거나, 이 혼합물을 분말 형태로 분무하거나, 이 혼합물을 잉곳 형태로 주조하는 것을 포함할 수 있다.The consolidation step involves melting the polymer particles to form a polymer melt mixture with graphene sheets dispersed therein, extruding this mixture into rod or sheet form, spinning this mixture into fiber form, or grinding this mixture into powder form. This may include spraying or casting the mixture into an ingot form.

일부 구현예에서, 통합 단계는 중합체 입자를 용매에 용해시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용액 혼합물을 형성하고, 이 용액 혼합물을 막대 형태나 시트 형태로 압출하거나, 이 용액 혼합물을 섬유 형태로 스피닝하거나, 이 용액 혼합물을 분말 형태로 분무하거나, 이 용액 혼합물을 잉곳 형태로 주조하고 용매를 제거하는 것을 포함할 수 있다.In some embodiments, the consolidation step includes dissolving the polymer particles in a solvent to form a polymer solution mixture with graphene sheets dispersed therein, extruding the solution mixture into a rod or sheet form, or extruding the solution mixture into a fiber form. This may include spinning, spraying the solution mixture into powder form, or casting the solution mixture into an ingot form and removing the solvent.

특정 구현예에서, 중합체 용액 혼합물은 분무되어 그래핀-중합체 복합체 코팅 또는 필름을 생성한 후 열분해(탄화 또는 탄화 및 흑연화)된다.In certain embodiments, the polymer solution mixture is sprayed and then pyrolyzed (carbonized or carbonized and graphitized) to produce a graphene-polymer composite coating or film.

바람직하게, 통합 단계는 거시적 세공을 갖는 다공질 성형체에 그래핀-코팅 중합체 입자를 압축한 후, 석유 피치, 콜타르 피치, 방향족 유기 물질(예를 들어, 나프탈렌 또는 기타 피치 유도체), 단량체, 유기 중합체, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 추가적인 탄소 원료 물질을 세공에 침투 또는 함침시키는 것을 포함할 수 있다. 유기 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 높은 중합체를 포함할 수 있다. 침투된 그래핀-코팅 중합체 입자의 성형체가 열분해될 때, 하이브리드 발포체 내에 보다 많은 탄소량이 요구되는 경우, 이 종은 추가적인 탄소원이 된다. Preferably, the consolidation step involves compressing the graphene-coated polymer particles into a porous molded body with macroscopic pores, followed by adding petroleum pitch, coal tar pitch, aromatic organic materials (e.g. naphthalene or other pitch derivatives), monomers, organic polymers, Alternatively, it may include infiltrating or impregnating the pores with an additional carbon raw material selected from a combination thereof. Organic polymers include phenol resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, and polybenzovisti. It may include a high carbon yield polymer selected from azoles, poly(p-phenylene vinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. . When the molded body of impregnated graphene-coated polymer particles is thermally decomposed, this species becomes an additional carbon source when a higher amount of carbon is required in the hybrid foam.

또한, 본 발명은 다중 세공 및 세공 벽으로 구성된 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제공하고, 세공 벽은 탄소 물질-대-그래핀 중량비가 1/200 내지 1/2인 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된 단일층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 소수층 그래핀 시트는 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.36 nm인 중첩된 그래핀 면 2 내지 10개 층을 가지며, 단일층 또는 소수층 그래핀 시트는 비탄소 원소가 본질적으로 0%인 순수 그래핀 물질 또는 0.001 중량% 내지 35 중량%(바람직하게는 0.01% 내지 25%)의 비탄소 원소를 갖는 비순수 그래핀 물질을 포함하며, 이 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 하층에 있는 중합체 입자를 수용하는 복수의 단일층 또는 소수층 그래핀은 서로 겹쳐져서 그래핀 시트 스택을 형성할 수 있다. 이러한 스택은 두께가 5 nm 초과일 수 있고, 몇몇 경우에 10 nm 초과, 또는 심지어 100 nm 초과일 수 있다.Additionally, the present invention provides an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam composed of multiple pores and pore walls, wherein the pore walls are chemically activated by a carbon material with a carbon material-to-graphene weight ratio of 1/200 to 1/2. Comprising bonded single-layer or few-layer graphene sheets, wherein the few-layer graphene sheets have 2 to 10 layers of overlapping graphene planes with an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.36 nm as measured by X-ray diffraction, and a single The layered or few-layer graphene sheets may be made of pure graphene material with essentially 0% non-carbon elements or impure graphene material with 0.001% to 35% (preferably 0.01% to 25%) non-carbon elements by weight. This impure graphene includes graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, graphene nitride, and chemically functionalized graphene. is selected from graphene, or a combination thereof. A plurality of single-layer or few-layer graphene that accommodates the polymer particles in the lower layer can be overlapped with each other to form a stack of graphene sheets. These stacks may be greater than 5 nm in thickness, and in some cases greater than 10 nm, or even greater than 100 nm.

일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 통상적으로 밀도가 0.001 내지 1.7 g/㎤이고, 비표면적이 50 내지 3,000 ㎡/g이다. 바람직한 구현예에서, 세공 벽은 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 중첩된 그래핀 면을 포함한다.Integral 3D graphene-carbon hybrid foam typically has a density of 0.001 to 1.7 g/cm3 and a specific surface area of 50 to 3,000 m2/g. In a preferred embodiment, the pore walls comprise overlapping graphene planes with an interplanar spacing d 002 between 0.3354 nm and 0.40 nm, as measured by X-ray diffraction.

(예를 들어, 물로부터 기름을 분리하는) 기름 회수 장치에 있어서, 그래핀-탄소는 바람직하게는 1 중량% 내지 25 중량%(보다 바람직하게는 1~15% 및 가장 바람직하게는 1~10%)의 산소 함량을 갖는다. 이것은 개시 물질이 산화 흑연인 경우, 또는 300~1,500℃(바람직하게는 1,000℃ 이하) 온도의 약한 산화 환경에서 탄화 처리가 수행되고 이후에 흑연화를 수행하지 않는 경우에 달성될 수 있다. 본 연구 그룹은 놀랍게도 이러한 특성의 고도의 다공성 그래핀-탄소 발포체가 기름-물 혼합물로부터 자기 중량의 500%까지 기름을 흡수할 수 있음을 발견했다.For oil recovery devices (e.g. separating oil from water), the graphene-carbon is preferably 1 to 25% by weight (more preferably 1 to 15% and most preferably 1 to 10% by weight). %) of oxygen content. This can be achieved when the starting material is oxidized graphite, or when the carbonization treatment is performed in a mild oxidizing environment at a temperature of 300 to 1,500° C. (preferably 1,000° C. or lower) and no graphitization is performed thereafter. The research group surprisingly found that highly porous graphene-carbon foams with these properties can absorb up to 500% of their weight in oil from oil-water mixtures.

열 관리 용도에 있어서, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 바람직하게는 (탄화 후) 탄소 결합 그래핀 시트를 압축 응력 하에서 흑연화 처리함으로써 제조된다. 이것은 그래핀 시트 또는 그래핀 도메인의 배향 및 재조직(병합, 성장 등)을 용이하게 한다. 그 결과, 그래핀-탄소 발포체 시트 또는 필름은 단위 비중당 적어도 200 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,000 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 나타낸다.For thermal management applications, graphene-carbon hybrid foams are preferably prepared by subjecting carbon-bonded graphene sheets (after carbonization) to graphitization under compressive stress. This facilitates orientation and reorganization (merging, growth, etc.) of graphene sheets or graphene domains. As a result, the graphene-carbon foam sheet or film exhibits a thermal conductivity of at least 200 W/mK per unit specific gravity, and/or an electrical conductivity of at least 2,000 S/cm per unit specific gravity.

일 구현예에서, 세공 벽은 순수 그래핀을 포함하고, 3D 고체 그래핀-탄소 발포체는 0.001 내지 1.7 g/㎤의 밀도 또는 2 nm 내지 50 nm의 평균 세공 크기를 갖는다. 일 구현예에서, 세공 벽은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 및 이들의 조합으로부터 구성된 군으로부터 선택되는 비순수 그래핀 물질을 포함하고, 고체 그래핀 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량% 범위의 비탄소 원소 함량을 포함한다. 즉, 비탄소 원소는 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 또는 붕소로부터 선택되는 원소를 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 세공 벽은 그래핀 불화물을 포함하고, 고체 그래핀 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량%의 불소 함량을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 세공 벽은 그래핀 산화물을 포함하고, 상기 고체 그래핀 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량%의 산소 함량을 포함한다. 일 구현예에서, 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 200 내지 2,000 ㎡/g의 비표면적 또는 0.01 내지 1.5 g/㎤의 밀도를 갖는다.In one embodiment, the pore walls comprise pure graphene and the 3D solid graphene-carbon foam has a density of 0.001 to 1.7 g/cm3 or an average pore size of 2 nm to 50 nm. In one embodiment, the pore walls are made of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, graphene nitride, chemically functionalized graphene. The solid graphene foam includes a non-pure graphene material selected from the group consisting of pins, and combinations thereof, and the solid graphene foam includes a non-carbon element content ranging from 0.01% to 20% by weight. That is, the non-carbon element may include an element selected from oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. In certain embodiments, the pore walls include graphene fluoride and the solid graphene foam includes a fluorine content of 0.01% to 20% by weight. In another embodiment, the pore walls include graphene oxide, and the solid graphene foam includes an oxygen content of 0.01% to 20% by weight. In one embodiment, the solid graphene-carbon hybrid foam has a specific surface area of 200 to 2,000 m2/g or a density of 0.01 to 1.5 g/cm3.

본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 형태나 치수에는 제한사항이 없음을 주목할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 두께가 100 nm 이상 10 ㎝ 이하이고, 길이가 적어도 1 미터, 바람직하게는 적어도 2 미터, 보다 바람직하게는 적어도 10 미터, 가장 바람직하게는 100 미터인 연속적인 길이의 롤 시트 형태(연속 발포체 시트의 롤)로 만들어진다. 이 시트 롤은 롤-투-롤 공정으로 제조된다. 시트 롤 형태로 만들어진 그래핀-기반 발포체에 관한 선행기술은 없었다. 롤-투-롤 공정으로 순수 또는 비순수 기반의 연속적인 길이의 그래핀 발포체를 제조할 수 있다는 것에 대해서는 이전에 발견되거나 제안된 적이 없다.It can be noted that there are no restrictions on the shape or dimensions of the graphene-carbon hybrid foam of the present invention. In a preferred embodiment, the solid graphene-carbon hybrid foam has a thickness of at least 100 nm and not more than 10 cm and a length of at least 1 meter, preferably at least 2 meters, more preferably at least 10 meters, most preferably 100 meters. It is made in the form of roll sheets (rolls of continuous foam sheets) of continuous length. These sheet rolls are manufactured in a roll-to-roll process. There was no prior art regarding graphene-based foam made in sheet roll form. It has never been previously discovered or proposed that pure or impure-based continuous length graphene foams can be prepared by a roll-to-roll process.

열 관리 또는 전기 전도도-기반 용도에 있어서, 그래핀-탄소 발포체는 바람직하게는 산소 함량 또는 비탄소 함량이 1 중량% 미만이고, 세공 벽은 0.35 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 250 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,500 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 갖는다. For thermal management or electrical conductivity-based applications, the graphene-carbon foam preferably has an oxygen or non-carbon content of less than 1% by weight, the pore walls have an inter-graphene spacing of less than 0.35 nm, and a density of at least 250 W per unit of gravity. It has overlapping graphene planes having a thermal conductivity of /mK and/or an electrical conductivity of at least 2,500 S/cm per unit specific gravity.

추가로 바람직한 구현예에서, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 산소 함량 또는 비탄소 함량이 0.01 중량% 미만이고, 세공 벽은 0.34 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 300 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 3,000 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함한다. In a further preferred embodiment, the graphene-carbon hybrid foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than 0.01% by weight, the pore walls have an inter-graphene spacing of less than 0.34 nm, a thermal conductivity of at least 300 W/mK per unit specific gravity, and/or overlapping graphene planes having an electrical conductivity of 3,000 S/cm or more per unit specific gravity.

또 다른 바람직한 구현예에서, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 산소 함량 또는 비탄소 함량이 0.01 중량% 이하이고, 상기 세공 벽은 0.336 nm 미만의 그래핀간 간격, 0.7 이하의 모자이크 분산값(mosaic spread value), 단위 비중당 적어도 350 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 3,500 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함한다.In another preferred embodiment, the graphene-carbon hybrid foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than 0.01% by weight, and the pore walls have an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm and a mosaic spread value of less than 0.7. , a thermal conductivity of at least 350 W/mK per unit specific gravity, and/or an electrical conductivity of at least 3,500 S/cm per unit specific gravity.

또 다른 바람직한 구현예에서, 그래핀 발포체는 0.336 nm 미만의 그래핀간 간격, 0.4 이하의 모자이크 분산값, 단위 비중당 400 W/mK 초과의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 4,000 S/㎝ 초과의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는 세공 벽을 갖는다.In another preferred embodiment, the graphene foam has an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm, a mosaic dispersion value of less than or equal to 0.4, a thermal conductivity of greater than 400 W/mK per unit of gravity, and/or greater than 4,000 S/cm per unit of gravity. It has pore walls containing overlapping graphene planes with electrical conductivity.

바람직한 구현예에서, 세공 벽은 0.337 nm 미만의 그래핀간 간격, 1.0 미만의 모자이크 분산값을 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함한다. 바람직한 구현예에서, 그래핀 발포체는 80% 이상(바람직하게는 90% 이상)의 흑연화도 및/또는 0.4 미만의 모자이크 분산값을 나타낸다. 바람직한 구현예에서, 세공 벽은 상호 연결된 그래핀 면의 3D 망상구조를 포함한다. In a preferred embodiment, the pore walls comprise overlapping graphene planes with an inter-graphene spacing of less than 0.337 nm and a mosaic dispersion value of less than 1.0. In a preferred embodiment, the graphene foam exhibits a degree of graphitization of at least 80% (preferably at least 90%) and/or a mosaic dispersion value of less than 0.4. In a preferred embodiment, the pore walls comprise a 3D network of interconnected graphene planes.

바람직한 구현예에서, 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 세공 크기가 2 nm 내지 50 nm인 중간 크기의 세공을 포함한다. 고체 그래핀 발포체는 마이크론 크기의 세공(1~500 ㎛)을 포함하도록 제조될 수도 있다.In a preferred embodiment, the solid graphene-carbon hybrid foam comprises medium-sized pores with a pore size of 2 nm to 50 nm. Solid graphene foam can also be manufactured to contain micron-sized pores (1-500 ㎛).

또한, 본 발명은 기름-제거 또는 기름-분리 장치를 제공하는데, 이는 본 발명의 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 기름-흡수 요소로서 포함한다. 또한, 용매-흡수 요소로서 이 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 용매-제거 또는 용매-분리 장치가 제공된다.The present invention also provides an oil-removing or oil-separating device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam of the present invention as an oil-absorbing element. Additionally, a solvent-removal or solvent-separation device comprising this 3D graphene-carbon hybrid foam as a solvent-absorbing element is provided.

또한, 본 발명은 기름-물 혼합물(예를 들어, 기름이 유출된 물 또는 오일 샌드(oil sand)로부터 나온 폐수)로부터 기름을 분리하는 방법을 제공한다. 이 방법은, (a) 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 기름-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 기름-물 혼합물을 상기 요소와 접촉시켜 혼합물로부터 기름을 흡수하는 단계; (c) 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 기름을 추출하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 본 방법은 상기 요소를 재사용하는 (d) 단계를 추가로 포함한다.The invention also provides a method for separating oil from oil-water mixtures (e.g., oil spills or wastewater from oil sands). The method includes the steps of (a) providing an oil-absorbing element comprising an integral graphene-carbon hybrid foam; (b) contacting the oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture; (c) withdrawing the urea from the mixture and extracting oil from the urea. Preferably, the method further comprises the step (d) of reusing said elements.

추가적으로, 본 발명은 용매-물 혼합물 또는 다중-용매(multiple-solvent) 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 방법을 제공한다. 이 방법은 (a) 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 유기 용매-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 상기 요소를 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 포함하는 유기 용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계; (c) 상기 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수하거나 적어도 제2 용매로부터 제1 용매를 흡수하도록 허용하는 단계; 및 (d) 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 유기 용매 또는 제1 용매를 추출하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 이 방법은 상기 요소를 재사용하는 (e) 단계를 추가로 포함한다.Additionally, the present invention provides a method for separating organic solvents from solvent-water mixtures or multiple-solvent mixtures. The method includes (a) providing an organic solvent-absorbent element comprising an integral graphene-carbon hybrid foam; (b) contacting the element with an organic solvent-water mixture or multi-solvent mixture comprising a first solvent and at least a second solvent; (c) allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture or at least to absorb the first solvent from the second solvent; and (d) withdrawing the urea from the mixture and extracting the organic solvent or first solvent from the urea. Preferably, the method further comprises the step (e) of reusing said elements.

도 1은 까다로운 화학적 산화/삽입, 세척, 및 고온 박리 과정을 수반하는 고도로 산화된 NGP를 제조하는 방법 중 가장 통상적으로 사용되는 선행 기술을 도시한 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2b는 중합체를 그래핀 시트를 서로 결합시켜 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 형성하는 탄소로 열-유도 변환하는 것을 도시한 개략도이다. 그래핀-코팅 중합체 입자의 압축된 구조가 고도의 다공성 구조로 변환된다.
도 3a는 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 내부 구조의 SEM 이미지이다.
도 3b는 다른 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 내부 구조의 SEM 이미지이다.
도 4a는 본 발명의 방법에 의해 제조된 3D 일체형 그래핀-탄소 발포체, 메소상 피치 유도 흑연 발포체, 및 Ni 발포체 템플레이트 보조 CVD 그래핀 발포체의 열 전도도 값 대 비중을 나타낸 도표이다.
도 4b는 3D 그래핀-탄소 발포체 및 열수 환원된 GO 그래핀 발포체의 열 전도도 값을 나타낸 도표이다.
도 5는 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 및 순수 그래핀 발포체(발포제와 함께 주조 후 가열 처리하여 제조)의 열 전도도 값을 최종(최고) 열처리 온도와의 함수로서 나타낸 도표이다.
도 6은 3D 그래핀-탄소 발포체 및 열수 환원된 GO 그래핀 발포체의 전기 전도도 값을 나타낸 도표이다.
도 7은 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 그램당 흡수된 기름의 양을 대략 98%의 다공성 수준을 갖는 발포체 내 산소 함량의 함수로서 도시한 것이다(기름-물 혼합물로부터 기름의 분리).
도 8은 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 그램당 흡수된 기름의 양을 다공성 수준(산소 함량은 동일함)의 함수로서 도시한 것이다.
도 9는 클로로포름-물 혼합물에서 흡수된 클로로포름의 양을 불화도의 함수로서 도시한 것이다.
도 10은 히트 싱크 구조의 개략도이다(두 가지 예).
Figure 1 is a flow diagram illustrating the most commonly used prior art method for producing highly oxidized NGPs, which involves difficult chemical oxidation/embedding, cleaning, and high temperature exfoliation processes.
Figure 2a is a flow chart showing a method for manufacturing an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam of the present invention.
Figure 2b is a schematic diagram showing the heat-induced conversion of polymer to carbon to bond graphene sheets together to form a 3D graphene-carbon hybrid foam. The compressed structure of graphene-coated polymer particles is converted into a highly porous structure.
Figure 3a is an SEM image of the internal structure of 3D graphene-carbon hybrid foam.
Figure 3b is an SEM image of the internal structure of another 3D graphene-carbon hybrid foam.
Figure 4A is a plot showing the thermal conductivity values versus specific gravity of 3D integral graphene-carbon foam, mesophasic pitch induced graphite foam, and Ni foam template assisted CVD graphene foam prepared by the method of the present invention.
Figure 4b is a chart showing the thermal conductivity values of 3D graphene-carbon foam and hydrothermally reduced GO graphene foam.
Figure 5 is a chart showing the thermal conductivity values of 3D graphene-carbon hybrid foam and pure graphene foam (made by casting with a blowing agent and then heat treatment) as a function of the final (maximum) heat treatment temperature.
Figure 6 is a chart showing the electrical conductivity values of 3D graphene-carbon foam and hydrothermally reduced GO graphene foam.
Figure 7 shows the amount of oil absorbed per gram of integral 3D graphene-carbon hybrid foam as a function of oxygen content in the foam with a porosity level of approximately 98% (separation of oil from oil-water mixture).
Figure 8 shows the amount of oil absorbed per gram of integral 3D graphene-carbon hybrid foam as a function of porosity level (with the same oxygen content).
Figure 9 shows the amount of chloroform absorbed in a chloroform-water mixture as a function of the degree of fluorination.
Figure 10 is a schematic diagram of a heat sink structure (two examples).

본 발명은 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 흑연 물질 입자 및 중합체 입자로부터 직접 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing integral 3D graphene-carbon hybrid foam directly from graphitic material particles and polymer particles.

도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 방법은 흑연 물질의 다중 입자 및 고체 중합체 캐리어 물질의 다중 입자를 혼합하여 혼합물을 형성함으로써 시작되고, 혼합물은 에너지 충격 장치(예를 들어, 진동 볼 밀, 유성형 볼 밀, 고에너지 밀, 바스켓 밀, 교반기 볼 밀, 극저온 볼 밀, 마이크로 볼 밀, 텀블러 볼 밀, 연속 볼 밀, 교반식 볼 밀, 가압 볼 밀, 동결 밀, 진동 체, 비드 밀, 나노 비드 밀, 초음파 균질기 밀, 원심 유성형 교반기, 진공 볼 밀, 또는 공진 음향 믹서)의 충격 챔버 내에 넣어진다. 가동 중일 때, 이 에너지 충격 장치는 그 안에 들어있는 고체 입자에 운동에너지를 부여하여 중합체 입자가 흑연 입자에 고강도 및 고빈도로 충돌하게 한다. As schematically shown in Figure 2A, the method begins by mixing multiple particles of graphitic material and multiple particles of a solid polymer carrier material to form a mixture, which is then passed through an energy impact device (e.g., a vibrating ball mill, Planetary ball mill, high energy mill, basket mill, agitator ball mill, cryogenic ball mill, micro ball mill, tumbler ball mill, continuous ball mill, stirred ball mill, pressurized ball mill, freeze mill, vibrating sieve, bead mill, nano It is placed within the impact chamber of a bead mill, ultrasonic homogenizer mill, centrifugal planetary agitator, vacuum ball mill, or resonant acoustic mixer). When in operation, this energy impact device imparts kinetic energy to the solid particles contained within it, causing the polymer particles to collide with the graphite particles at high intensity and frequency.

통상적인 가동 조건에서, 이러한 충격은 흑연 물질에서부터 그래핀 시트를 박리시켜 그래핀 시트를 고체 중합체 캐리어 물질의 표면으로 이동시키게 된다. 이러한 그래핀 시트는 중합체 입자 주위를 감싸서 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 충격 챔버 내에서 형성한다. 이것을 본원에서"직접 이동"과정이라 지칭하는데, 이는 그래핀 시트가 흑연 입자로부터 중합체 입자의 표면으로 어떤 제3자의 중개 없이 직접 이동하는 것을 의미한다.Under normal operating conditions, this impact causes the graphene sheets to delaminate from the graphitic material and move them to the surface of the solid polymer carrier material. These graphene sheets are wrapped around the polymer particles to form graphene-coated or graphene-embedded polymer particles within the impact chamber. This is referred to herein as a “direct transfer” process, meaning that the graphene sheets are transferred directly from the graphite particles to the surface of the polymer particles without any third party intermediation.

대안적으로, 복수의 충격 볼 또는 매개체가 에너지 충격 장치의 충격 챔버에 추가될 수 있다. 충격 장치에 의해 가속되는, 이 충격 볼은 높은 운동에너지를 가지고 양호한 각도로 흑연 입자의 표면/가장자리에 충돌하여 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 박리시킨다. 이 그래핀 시트는 일시적으로 이 충격 볼의 표면으로 이동된다. 이 그래핀-지지 충격 볼은 이어서 중합체 입자와 충돌하고 이 지지된 그래핀 시트를 이 중합체 입자의 표면으로 이동시킨다. 이러한 일련의 사건을 본원에서 "간접 이동"과정이라 지칭한다. 이 사건은 매우 높은 빈도로 일어나므로 대부분의 중합체 입자는 통상적으로 1시간 미만 내에 그래핀 시트에 의해 덮인다. 간접 이동 과정의 일부 구현예에서, 단계 (c)는 자석을 작동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자로부터 충격 볼 또는 매개체를 분리하는 것을 포함한다.Alternatively, a plurality of impact balls or media may be added to the impact chamber of the energy impact device. Accelerated by an impact device, this impact ball has high kinetic energy and hits the surface/edge of the graphite particle at a good angle, thereby exfoliating the graphene sheet from the graphite particle. This graphene sheet is temporarily moved to the surface of this impact ball. This graphene-supported impact ball then collides with the polymer particle and moves this supported graphene sheet to the surface of this polymer particle. This series of events is referred to herein as the “indirect transfer” process. This event occurs with such a high frequency that most polymer particles are typically covered by graphene sheets in less than an hour. In some embodiments of the indirect transfer process, step (c) includes actuating a magnet to separate the impact ball or mediator from the graphene-coated or graphene-embedded polymer particles.

본 방법은 이어서 충격 챔버로부터 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 회수하고, 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 원하는 형태의 그래핀-중합체 복합체 구조로 통합하는 것을 포함한다. 이 통합 단계는 그래핀-코팅 또는 삽입 입자를 원하는 형태로 단지 기계적으로 압축하는 압축 단계만큼 간단할 수 있다. 대안적으로, 이 통합 단계는 중합체 입자를 용융시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 매트릭스를 형성하는 것을 수반할 수 있다. 이러한 그래핀-중합체 구조는 임의의 실제 형태나 치수(섬유, 막대, 판, 원통, 또는 임의의 보통 형태 또는 이상한 형태)일 수 있다.The method then involves recovering the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles from the impact chamber and incorporating the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles into a graphene-polymer composite structure of the desired shape. This integration step can be as simple as a compression step that simply mechanically compresses the graphene-coated or embedded particles into the desired shape. Alternatively, this consolidation step may involve melting the polymer particles to form a polymer matrix with graphene sheets dispersed therein. These graphene-polymer structures can be of any physical shape or dimension (fibers, rods, plates, cylinders, or any ordinary or unusual shape).

이후에 그래핀-중합체 콤팩트 또는 복합체 구조는 열분해되어 중합체를 그래핀 시트를 결합시키는 탄소 또는 흑연으로 열 변환시켜 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 형성한다.The graphene-polymer compact or composite structure is then thermally decomposed to thermally convert the polymer into carbon or graphite that bonds the graphene sheets, forming an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam, as shown in Figures 3a and 3b. .

생성된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 탄소 성분의 형성을 위하여 높은 탄소 수율 또는 촤(char) 수율(예를 들어, 휘발성 기체의 일부가 되는 대신, 고체 탄소상으로 변환되는 중합체의 30 중량% 초과)을 갖는 중합체 입자를 선택할 수 있다. 탄소 수율이 높은 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 열분해될 때, 도 2b의 하단에 도시된 바와 같이, 이들 중합체의 입자가 다공질이 된다.High carbon yield or char yield (e.g., greater than 30% by weight of the polymer converted to the solid carbon phase, instead of becoming part of the volatile gas) for the formation of the carbon component of the resulting graphene-carbon hybrid foam. You can select polymer particles having . Polymers with high carbon yield include phenolic resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, It may be selected from polybenzobithiazole, poly(p-phenylene vinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. When thermally decomposed, the particles of these polymers become porous, as shown at the bottom of Figure 2b.

보다 낮은 탄소 함량(탄소 비율에 비하여 보다 높은 그래핀 비율) 및 보다 낮은 발포체 밀도가 그래핀-탄소 하이브리드 발포체에서 요구되는 경우, 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔(ABS), 폴리에스터, 폴리비닐 알코올, 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 낮은 중합체를 포함할 수 있다. 열분해될 때, 도 2b의 중간에 도시된 바와 같이, 이들 중합체의 입자가 다공질이 된다.When lower carbon content (higher graphene relative to carbon ratio) and lower foam density are desired in graphene-carbon hybrid foams, polymers include polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, Acrylonitrile-butadiene (ABS), polyester, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene oxide (PPO), polymethyl methacrylate (PMMA) , copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. When thermally decomposed, the particles of these polymers become porous, as shown in the middle of Figure 2b.

이러한 중합체(높은 탄소 수율 및 낮은 탄소 수율 모두)가 300~2,500℃의 온도에서 가열될 때, 그래핀 시트 가장자리 근처에서 우선적으로 핵 생성되는 탄소 물질로 변환된다. 이러한 탄소 물질은 자연스럽게 그래핀 시트들 사이의 틈을 가교하여, 상호 연결된 전자 전도성 통로를 형성한다. 실제로, 생성된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 탄소 결합 그래핀 시트의 일체형 3D 망상구조로 이루어져, 중단 없이 그래핀 시트 또는 도메인 사이에 전자 및 포논(양자화된 격자 진동)의 연속적인 이동을 가능하게 한다. 2,500℃ 보다 높은 온도에서 추가로 가열되면, 탄소상은 흑연화되어 전기 전도도 및 열 전도도 모두 더 향상될 수 있다. 흑연화 시간이 1시간을 초과하는 경우, 비탄소 원소의 양도 통상적으로 1 중량% 미만으로 감소된다.When these polymers (both high and low carbon yield) are heated at temperatures between 300 and 2,500 degrees Celsius, they transform into carbon materials that nucleate preferentially near the edges of the graphene sheets. These carbon materials naturally bridge the gaps between graphene sheets, forming interconnected electronically conductive pathways. In fact, the resulting graphene-carbon hybrid foam consists of an integrated 3D network of carbon-bonded graphene sheets, enabling continuous movement of electrons and phonons (quantized lattice vibrations) between graphene sheets or domains without interruption. . When further heated to temperatures higher than 2,500°C, the carbon phase can graphitize and further improve both electrical and thermal conductivity. When the graphitization time exceeds 1 hour, the amount of non-carbon elements is also typically reduced to less than 1% by weight.

유기 중합체는 통상적으로 열처리를 통해 감소되거나 제거될 수 있는 상당량의 비탄소 원소를 포함한다는 것을 주목할 수 있다. 이와 같이, 중합체의 열분해는 CO2 및 H2O와 같은 휘발성 기체 분자를 형성하고 방출하고 그 결과 생성된 중합체 탄소상에 세공을 형성하게 된다. 하지만, 이러한 세공은 중합체가 탄화될 때 구속되지 않으면 붕괴될 경향성이 크다(탄소 구조는 비탄소 원소가 방출되면서 수축할 수 있다). 본 연구 그룹은 놀랍게도 중합체 입자 주위를 감싸는 그래핀 시트가 세공 벽이 붕괴되는 것을 막을 수 있다는 것을 발견했다. 한편, 일부 탄소종은 또한 그래핀 시트 사이의 틈에 침투하여 그래핀 시트를 서로 결합시킨다. 생성된 3D 일체형 그래핀 발포체의 세공 크기 및 세공 체적(다공성 수준)은 주로 개시 중합체 크기 및 중합체의 탄소 수율에 달려있다. It can be noted that organic polymers typically contain significant amounts of non-carbon elements, which can be reduced or removed through heat treatment. As such, thermal decomposition of polymers forms and releases volatile gas molecules such as CO 2 and H 2 O, resulting in the formation of pores on the resulting polymer carbon. However, these pores have a high tendency to collapse if not confined when the polymer is carbonized (the carbon structure can shrink as non-carbon elements are released). The research group surprisingly found that graphene sheets wrapped around polymer particles could prevent the pore walls from collapsing. Meanwhile, some carbon species also penetrate into the gaps between graphene sheets and bond them together. The pore size and pore volume (porosity level) of the resulting 3D monolithic graphene foam largely depend on the starting polymer size and the carbon yield of the polymer.

그래핀 시트의 원료 물질로서, 흑연 물질은 천연 흑연, 합성 흑연, 고배향 열분해 흑연, 흑연 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 불화물, 산화 흑연, 화학적으로 개질된 흑연, 박리 흑연, 재압축 박리 흑연, 팽창 흑연, 메소 탄소 마이크로비드, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 방법과 관련해서 몇 가지 추가적인 놀라운 요소가 있다:As raw materials for graphene sheets, graphite materials include natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fiber, graphite nanofiber, graphite fluoride, oxidized graphite, chemically modified graphite, exfoliated graphite, recompressed exfoliated graphite, and expanded It may be selected from graphite, mesocarbon microbeads, or combinations thereof. In this regard, there are several additional surprising elements associated with the method of the invention:

(1) 그래핀 시트는 더 무겁고 더 단단한 충격 볼(예를 들어, 볼 밀에서 일반적으로 사용되는 지르코늄디옥사이드 또는 스틸 볼)을 사용하지 않고 단지 중합체 입자만 사용해서 천연 흑연으로부터 박리될 수 있다. 박리된 그래핀 시트는 중합체 입자 표면으로 직접 이동되어 중합체 입자 주위를 단단하게 감싸게 된다. (1) Graphene sheets can be exfoliated from natural graphite using only polymer particles without using heavier and harder impact balls (e.g., zirconium dioxide or steel balls commonly used in ball mills). The exfoliated graphene sheet is moved directly to the surface of the polymer particle and tightly wraps around the polymer particle.

(2) 충격 중합체 입자가, 비정질 탄소의 외피층을 갖는 것으로 알려진 메소 탄소 마이크로비드(MCMB)와 같은 인공 흑연으로부터 그래핀 시트를 박리시킬 수 있다는 것 또한 놀랍다.(2) It is also surprising that impact polymer particles can exfoliate graphene sheets from artificial graphites such as mesocarbon microbeads (MCMB), which are known to have an outer layer of amorphous carbon.

(3) 더 단단한 충격 볼의 도움으로, 탄소 또는 흑연 섬유의 내부 구조를 구성하는 탄소 입자의 그래핀-유사 면 또한 박리되어 중합체 입자 표면으로 이동될 수 있다. 이는 선행 기술에서 교시되거나 제안된 적이 없는 것이다.(3) With the help of harder impact balls, the graphene-like side of the carbon particles that constitute the internal structure of carbon or graphite fibers can also be exfoliated and transferred to the polymer particle surface. This has never been taught or suggested in the prior art.

(4) 본 발명은 그래핀 시트를 제조하는 종래 공정과 관련된 모든 결함을 근본적으로 피하면서, 놀랍도록 간단하고 빠르고 확장 가능하고, 환경 친화적이며 비용 효율적인 방법을 제공한다. 그래핀 시트는 중합체 입자로 즉시 이동하여 중합체 입자 주위를 감싼 후에 용이하게 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체로 변환된다.(4) The present invention provides a surprisingly simple, fast, scalable, environmentally friendly, and cost-effective method, while fundamentally avoiding all the drawbacks associated with conventional processes for manufacturing graphene sheets. The graphene sheets are immediately transferred to the polymer particles, wrapped around them, and then easily converted into an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam.

개시 흑연이 의도적으로 어느 정도(예를 들어, 2~15 중량%의 산소를 포함하도록) 산화되는 경우, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 세공 벽에 소정의 바람직한 친수성 정도가 부여될 수 있음을 주목할 수 있다. 대안적으로, 탄화 처리가 약한 산화 환경에서 일어나도록 허용되는 경우, 산소 함유 작용기를 탄소상에 부착시킬 수 있다. 이러한 특징은 기름-물 혼합물로부터 기름을 선택적으로 흡수함으로써 물로부터 기름을 분리시킬 수 있다. 즉, 이러한 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 물질은 물로부터 기름을 회수할 수 있어, 기름이 유출된 강, 호수, 또는 바다를 정화시키는 데 도움을 줄 수 있다. 기름 흡수능은 통상적으로 발포체 자기 중량의 50% 내지 500%이다. 이것은 환경 보호 목적을 위해 굉장히 유용한 물질이다.It can be noted that if the starting graphite is intentionally oxidized to some extent (e.g., to contain 2-15% oxygen by weight), the pore walls of the graphene-carbon hybrid foam can be imparted with a certain desired degree of hydrophilicity. there is. Alternatively, if the carbonization process is allowed to occur in a mildly oxidizing environment, oxygen-containing functional groups can be attached to the carbon. This feature can separate oil from water by selectively absorbing oil from the oil-water mixture. In other words, these graphene-carbon hybrid foam materials can recover oil from water, helping to clean up oil spilled rivers, lakes, or oceans. The oil absorption capacity is typically 50% to 500% of the foam's own weight. This is an extremely useful material for environmental protection purposes.

높은 전기 전도도 또는 열 전도도가 요구되는 경우, 흑연 물질은 충격 챔버에 놓여지기 전에 화학 또는 산화 처리에 노출된 적이 없는 비-삽입 및 비-산화 흑연 물질로부터 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 그래핀-탄소 발포체는 2,500℃ 보다 높은 온도에서 흑연화 처리를 받을 수 있다. 생성된 물질은 열 관리 용도(예를 들어, 핀형 히트 싱크(finned heat sink), 열 교환기, 또는 히트 스프레더의 제조용)에 특히 유용하다. If high electrical or thermal conductivity is required, the graphitic material may be selected from non-intercalated and non-oxidized graphitic materials that have not been exposed to chemical or oxidizing treatments before being placed in the impact chamber. Alternatively or additionally, the graphene-carbon foam can be subjected to a graphitization treatment at temperatures higher than 2,500°C. The resulting material is particularly useful for thermal management applications (e.g., for the manufacture of finned heat sinks, heat exchangers, or heat spreaders).

그래핀-탄소 발포체는 흑연화 처리 동안 및/또는 후에 압축될 수 있다는 것을 주목할 수 있다. 이 공정은 그래핀 시트의 배향 및 다공도를 조정할 수 있게 한다.It may be noted that the graphene-carbon foam may be compressed during and/or after the graphitization treatment. This process allows tuning the orientation and porosity of the graphene sheets.

X선 회절 패턴은 CuKcv 방사선이 장착된 X선 회절계로 얻었다. 회절 피크의 시프트 및 브로드닝은 실리콘 분말 표준을 사용하여 보정되었다. 흑연화도 g는 X선 패턴으로부터 메링 방정식(Mering's Eq), d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1 - g)을 사용하여 계산하였고, 여기서 d 002는 흑연 또는 그래핀 결정의 층간 간격(nm 단위)이다. 이 방정식은 d 002가 대략 0.3440 nm와 이하일 때만 유효하다. d 002가 0.3440 nm 초과인 그래핀 발포체 벽은 그래핀간 간격을 증가시키는 스페이서(spacer)로 작용하는 산소-함유 또는 불소-함유 작용기(예를 들어, 그래핀 분자면 표면 또는 가장자리 상의 -F, -OH, >O, 및 -COOH)의 존재를 반영한다.X-ray diffraction patterns were obtained with an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. The shift and broadening of the diffraction peaks were corrected using silicon powder standards. The degree of graphitization g was calculated from the . This equation is valid only when d 002 is approximately 0.3440 nm or less. Graphene foam walls with d 002 greater than 0.3440 nm contain oxygen-containing or fluorine-containing functional groups (e.g., -F, OH, >O, and -COOH).

그래핀 및 종래 흑연 결정의 발포체 벽에서 중첩되고 결합된 그래핀 면의 정렬도를 특징짓는 데 사용될 수 있는 다른 구조 지표(structural index)는 "모자이크 분산(mosaic spread)"으로, 이는 (002) 또는 (004) 반사의 로킹 곡선(rocking curve)(X선 회절 강도)의 반값 전폭(the full width at half maximum)에 의해 표현된다. 이 정렬도는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 결정 입도), 결정립계 및 기타 결함의 양, 및 우선 결정 배향도를 특성화 한다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 0.2~0.4의 모자이크 분산값을 갖는 것이 특징이다. 본 발명의 그래핀 벽 대부분은 이러한 0.2~0.4 범위의 모자이크 분산값을 가진다(열처리 온도(HTT)를 2,500℃ 이상으로 하여 제조된 경우). 하지만, 일부 값들은 HTT가 1,500 내지 2,500℃인 경우 0.4~0.7의 범위이고, HTT가 300 내지 1,500℃인 경우 0.7~1.0의 범위이다. Another structural index that can be used to characterize the degree of alignment of overlapping and bonded graphene planes in the foam walls of graphene and conventional graphite crystals is the “mosaic spread”, which is (002) or (004) is expressed by the full width at half maximum of the rocking curve of the reflection (X-ray diffraction intensity). This degree of alignment characterizes the graphite or graphene crystal size (or grain size), amount of grain boundaries and other defects, and preferred crystal orientation. A nearly perfect single crystal of graphite is characterized by a mosaic dispersion value of 0.2 to 0.4. Most of the graphene walls of the present invention have a mosaic dispersion value in the range of 0.2 to 0.4 (when manufactured at a heat treatment temperature (HTT) of 2,500°C or higher). However, some values range from 0.4 to 0.7 for HTT between 1,500 and 2,500°C and from 0.7 to 1.0 for HTT between 300 and 1,500°C.

SEM, TEM, 제한 시야 회절, X선 회절, AFM, 라만 분광법 및 FTIR의 조합을 이용한 면밀한 연구는 그래핀 발포체 벽이 몇몇 거대한 그래핀 면(길이/폭이 통상적으로는 >> 20 nm, 보다 통상적으로는 >> 100 nm, 종종 >> 1 ㎛, 및 많은 경우 >> 10 ㎛, 또는 심지어 >> 100 ㎛)으로 구성됨을 나타낸다. 이런 거대 그래핀 면은 최종 열처리 온도가 2,500℃ 미만인 경우, 두께 방향(c-결정축 방향)을 따라 중첩되고 결합되며, 이는 종종 단지 반 데르 발스 힘(종래 흑연 미세결정에서처럼)뿐 아니라, 공유 결합에 의해서도 이루어진다. 이러한 경우에, 이론적으로 제한되지 않기를 바라지만, 라만 및 FTIR 분광법 연구는 단지 종래의 흑연에서의 sp2 만이 아니라, sp2(우세) 및 sp3(약하지만 존재) 전자 배치가 공존함을 나타낸다. Close studies using a combination of SEM, TEM, limited field diffraction, indicates that it consists of >> 100 nm, often >> 1 μm, and in many cases >> 10 μm, or even >> 100 μm. These giant graphene planes overlap and bond along the thickness direction (c-crystal axis direction) when the final heat treatment temperature is below 2,500°C, often due to covalent bonding and not just van der Waals forces (as in conventional graphite microcrystals). It is also done by In this case, and without wishing to be limited by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies indicate the coexistence of sp 2 ( dominant) and sp 3 (weak but present) electron configurations, not just sp 2 as in conventional graphite.

일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 다중 세공 및 세공 벽으로 구성되고, 세공 벽은 탄소 물질-대-그래핀 중량비가 1/100 내지 1/2인 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된 단일층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 소수층 그래핀 시트는 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.36 nm인 중첩된 그래핀 면 2 내지 10개 층을 가지며, 단일층 또는 소수층 그래핀 시트는 비탄소 원소가 본질적으로 0%인 순수 그래핀 물질 또는 0.01 중량% 내지 25 중량%(보다 통상적으로는 15% 미만)의 비탄소 원소를 갖는 비순수 그래핀 물질을 포함하며, 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 하층에 있는 중합체 입자를 수용하는 복수의 단일층 또는 소수층 그래핀은 서로 겹쳐져서 그래핀 시트 스택을 형성할 수 있다. 이러한 스택은 두께가 5 nm 초과일 수 있고, 몇몇 경우에 10 nm 초과, 또는 심지어 100 nm 초과일 수 있다.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam is composed of multiple pores and pore walls, the pore walls being a single layer or few layers chemically bonded by carbon material with a carbon material-to-graphene weight ratio of 1/100 to 1/2. Comprising a graphene sheet, the few-layer graphene sheet has 2 to 10 layers of overlapping graphene planes having an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.36 nm as measured by X-ray diffraction, and is a single-layer or few-layer graphene sheet. includes pure graphene material with essentially 0% non-carbon elements or impure graphene material with 0.01% to 25% (more typically less than 15%) non-carbon elements by weight, impure graphene From silver graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, graphene nitride, chemically functionalized graphene, or combinations thereof. is selected. A plurality of single-layer or few-layer graphene that accommodates the polymer particles in the lower layer can be overlapped with each other to form a stack of graphene sheets. These stacks may be greater than 5 nm thick, and in some cases greater than 10 nm, or even greater than 100 nm.

일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 통상적으로 0.001 내지 1.7 g/㎤의 밀도, 50 내지 3,000 ㎡/g의 비표면적, 단위 비중당 적어도 200 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,000 S/㎝이상의 전기 전도도를 갖는다. 바람직한 구현예에서, 세공 벽은 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 중첩된 그래핀 면을 포함한다.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam typically has a density of 0.001 to 1.7 g/cm3, a specific surface area of 50 to 3,000 m2/g, a thermal conductivity of at least 200 W/mK per unit specific gravity, and/or 2,000 S per unit specific gravity. It has an electrical conductivity of more than /cm. In a preferred embodiment, the pore walls comprise overlapping graphene planes with an interplanar spacing d 002 between 0.3354 nm and 0.40 nm, as measured by X-ray diffraction.

다수의 그래핀 시트가 가장자리끼리 서로 공유결합을 통해 하나의 통합된 그래핀 개체로 병합될 수 있다. 비병합 시트 또는 더 짧은 병합 시트의 자유 말단 사이의 틈이 중합체로부터 변환된 탄소상에 의해 결합된다. 이러한 독특한 화학 조성(산소 또는 불소 함량 등을 포함), 형태, 결정 구조(그래핀간 간격 포함), 및 구조적 특징(예를 들어, 정렬도, 결함이 거의 없는 것, 화학적 결합 및 그래핀 시트 사이의 틈이 없는 것, 및 그래핀 면 방향을 따라 실질적으로 단절이 없는 것) 때문에, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 뛰어난 열 전도도, 전기 전도도, 기계적 강도 및 강성도(탄성률)의 독특한 조합을 갖는다.Multiple graphene sheets can be merged into one integrated graphene object through covalent bonds between their edges. The gaps between the free ends of the unmerged sheets or shorter merged sheets are joined by carbon phases converted from the polymer. These unique chemical compositions (including oxygen or fluorine content, etc.), morphology, crystal structure (including inter-graphene spacing), and structural characteristics (e.g., degree of alignment, near absence of defects, chemical bonds, and Due to the absence of gaps and substantially no breaks along the direction of the graphene face, graphene-carbon hybrid foams have a unique combination of excellent thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical strength and stiffness (elastic modulus).

열 관리 용도Thermal management applications

앞서 언급한 특징 및 특성들은 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 광범위한 공학 및 생의학적 적용을 위한 이상적인 요소로 만든다. 예를 들면, 열 관리 목적만을 위한다면, 그래핀-탄소 발포체는 아래와 같은 용도로 사용될 수 있다. The aforementioned features and properties make monolithic 3D graphene-carbon hybrid foams ideal for a wide range of engineering and biomedical applications. For example, for thermal management purposes only, graphene-carbon foam can be used for:

a) 압축성과 높은 열 전도도가 있는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 열원과 히트 스프레더 사이 또는 열원과 히트 싱크 사이에 구현될 수 있는 열 전달 물질(thermal interface material; TIM)로서 사용하기에 더할 나위 없이 적합하다.a) Graphene-carbon hybrid foam, with its compressibility and high thermal conductivity, is ideally suited for use as a thermal interface material (TIM) that can be implemented between a heat source and a heat spreader or between a heat source and a heat sink. do.

b) 하이브리드 발포체는 높은 열 전도도 때문에 그 자체로 히트 스프레더로 사용될 수 있다.b) Hybrid foam can be used as a heat spreader by itself due to its high thermal conductivity.

c) 하이브리드 발포체는 높은 열 확산 능력(높은 열 전도도) 및 높은 방열 능력(거대한 공기 대류 마이크로 또는 나노 채널을 유도하는 다수의 표면 세공)으로 인해 히트 싱크 또는 방열 물질로서 사용될 수 있다.c) Hybrid foams can be used as heat sinks or heat dissipation materials due to their high heat diffusion ability (high thermal conductivity) and high heat dissipation ability (multiple surface pores leading to massive air convection micro or nano channels).

d) 경량(0.001 내지 1.8 g/㎤ 에서 조절 가능한 낮은 밀도), 단위비중당 또는 단위 물리적 밀도당 높은 열 전도도, 및 높은 구조적 완전성(탄소에 의해 결합된 그래핀 시트)은 이 하이브리드 발포체를 내구성이 있는 열 교환기를 위한 이상적인 물질로 만들어준다.d) Light weight (low density adjustable from 0.001 to 1.8 g/cm3), high thermal conductivity per unit specific gravity or per unit physical density, and high structural integrity (graphene sheets bonded by carbon) make this hybrid foam durable. This makes it an ideal material for heat exchangers.

그래핀-탄소 하이브리드 발포체 기반 열 관리 장치 또는 방열 장치는 열 교환기, 히트 싱크(예를 들어, 핀형 히트 싱크), 히트 파이프, 고 전도성 인서트(insert), (히트 싱크와 열원 사이의) 얇거나 두꺼운 전도성 판, 열 전달 매체(또는 열 전달 물질, TIM), 또는 열전 냉각판 또는 펠티에(Peltier) 냉각판 등을 포함한다.Graphene-carbon hybrid foam-based thermal management devices or heat dissipation devices include heat exchangers, heat sinks (e.g., finned heat sinks), heat pipes, high-conductivity inserts, and thin or thick heat sinks (between the heat sink and the heat source). It includes conductive plates, heat transfer media (or heat transfer materials, TIM), or thermoelectric or Peltier cooling plates.

열 교환기는 하나 이상의 유체(예를 들어, 상이한 채널에 개별적으로로 흐르는 기체와 액체) 사이에 열을 전달하는데 사용되는 장치이다. 유체는 통상적으로 혼합을 막아주는 고체 벽에 의해 분리된다. 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 물질은 발포체가 유체를 혼합시킬 수 있는 완전 개방형 셀 발포체가 아니라면 이러한 벽에 이상적인 물질이다. 본 발명의 방법은 개방형 셀 및 폐쇄형 셀 발포체 구조를 모두 제조할 수 있다. 넓은 표면 세공 면적으로 인해 두 개 유체 사이 혹은 다수의 유체 사이에서 열 교환을 극적으로 더 빠르게 할 수 있다.A heat exchanger is a device used to transfer heat between one or more fluids (e.g., a gas and a liquid flowing separately in different channels). Fluids are typically separated by solid walls that prevent mixing. The graphene-carbon hybrid foam material of the present invention is an ideal material for such walls unless the foam is a completely open cell foam capable of mixing fluids. The method of the present invention can produce both open-cell and closed-cell foam structures. The large surface pore area allows for dramatically faster heat exchange between two fluids or multiple fluids.

열 교환기는 냉동 시스템, 공기 조절 유닛, 히터, 발전소, 화학 플랜트, 석유화학 플랜트, 정유소, 천연 가스 처리, 및 하수 처리에서 널리 사용된다. 열 교환기의 잘 알려진 예는 내연 기관에서 발견되며, 여기서 순환하는 엔진 냉각수는 라디에이터 코일을 통하여 흐르는 한편 공기는 이 코일을 지나 흐르며, 냉각수를 냉각시키고 입기(incoming air)를 가열한다. (예를 들어, 라디에이터 코일을 구성하는) 고체 벽은 보통 Cu 및 Al과 같은 높은 열 전도도 물질로 제조된다. 보다 높은 열 전도도 또는 보다 높은 비표면적을 갖는 본 발명의 그래핀 발포체는 예를 들어 Cu 및 Al의 우수한 대체재이다.Heat exchangers are widely used in refrigeration systems, air conditioning units, heaters, power plants, chemical plants, petrochemical plants, oil refineries, natural gas processing, and sewage treatment. A well-known example of a heat exchanger is found in internal combustion engines, where circulating engine coolant flows through radiator coils while air flows past these coils, cooling the coolant and heating the incoming air. Solid walls (which make up radiator coils, for example) are usually made of high thermal conductivity materials such as Cu and Al. The graphene foam of the present invention with higher thermal conductivity or higher specific surface area is an excellent substitute for Cu and Al, for example.

상업적으로 이용가능한 많은 유형의 열 교환기가 있다: 쉘 앤 튜브 열교환기(shell and tube heat exchanger), 판형 열교환기, 판각형 열교환기(plate and shell heat exchanger), 단열 휠 열교환기(adiabatic wheel heat exchanger), 플레이트핀 열교환기, 베개형 판 열교환기(pillow plate heat exchanger), 유체 열교환기(fluid heat exchanger), 폐열 회수 유닛, 역학적 표면 긁기 열교환기(dynamic scraped surface heat exchanger), 상 변화 열교환기, 직접 접촉식 열교환기, 및 마이크로 채널 열교환기. 이러한 유형의 열교환기는 모두 본 발명의 발포체 물질의 매우 큰 열 전도도 및 비표면적을 이용할 수 있다.There are many types of heat exchangers commercially available: shell and tube heat exchanger, plate and shell heat exchanger, and adiabatic wheel heat exchanger. ), plate fin heat exchanger, pillow plate heat exchanger, fluid heat exchanger, waste heat recovery unit, dynamic scraped surface heat exchanger, phase change heat exchanger, Direct contact heat exchanger, and micro-channel heat exchanger. Both of these types of heat exchangers can utilize the very high thermal conductivity and specific surface area of the foam material of the invention.

본 발명의 고체 그래핀 발포체는 히트 싱크에서도 사용될 수 있다. 히트 싱크는 방열 목적으로 전자 장치에서 널리 사용된다. 휴대용 소형 전자 장치(예를 들어 노트북 컴퓨터, 태블릿 및 스마트폰)에서 중앙처리장치(CPU)와 배터리는 잘 알려진 열원이다. 통상적으로, 금속 또는 흑연 물체(예를 들어 Cu 호일 또는 흑연 호일)는 뜨거운 표면에 접촉되며 이 물체는 외부 표면 또는 외부 공기(주로 전도와 대류에 의해서 그리고 보다 적은 정도로 복사에 의해)로 열을 확산하는 것을 돕는다. 대부분의 경우, 얇은 열 전달 물질(TIM)은 열원의 뜨거운 표면과 히트 스프레더 또는 히트 싱크의 열 확산 표면 사이에서 열을 전달한다.The solid graphene foam of the present invention can also be used in heat sinks. Heat sinks are widely used in electronic devices for heat dissipation purposes. In portable small electronic devices (e.g. laptop computers, tablets and smartphones), central processing units (CPUs) and batteries are well-known heat sources. Typically, a metallic or graphite object (e.g. Cu foil or graphite foil) is brought into contact with a hot surface and this object spreads heat to the outer surface or to the outside air (mainly by conduction and convection and to a lesser extent by radiation). helps to do In most cases, a thin thermal transfer material (TIM) transfers heat between the hot surface of the heat source and the heat spreading surface of the heat spreader or heat sink.

히트 싱크는 보통 냉각될 부품과의 양호한 열 접촉을 보장하기 위한 하나 이상의 평평한 표면, 및 공기와의 표면 접촉을 증가시켜 방열 속도를 높이기 위한 빗 또는 핀 형상의 돌출부를 갖는 고 전도성 물질 구조로 구성된다. 히트 싱크는 히트 싱크 위의 공기 유량을 증가시키기 위해 팬(fan)과 함께 사용될 수 있다. 히트 싱크는 열 전달을 향상시키기 위해 다수의 핀(연장되거나 돌출된 표면)을 가질 수 있다. 제한된 공간을 가진 전자 장치에서, 핀의 형태/배열은 열 전달 밀도가 최대가 되도록 최적화되어야 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 인접한 핀들 사이에 형성된 영역에 캐비티(반전 핀)가 삽입될 수 있다. 이러한 캐비티는 다양한 발열체로부터 히트 싱크로 열을 추출하기에 효과적이다. Heat sinks usually consist of a structure of highly conductive material with one or more flat surfaces to ensure good thermal contact with the components to be cooled, and comb- or fin-shaped protrusions to increase surface contact with air and thereby speed up heat dissipation. . Heat sinks can be used with fans to increase air flow above the heat sink. Heat sinks may have multiple fins (extended or raised surfaces) to enhance heat transfer. In electronic devices with limited space, the shape/arrangement of the fins must be optimized to maximize heat transfer density. Alternatively or additionally, a cavity (inverted fin) may be inserted in the area formed between adjacent fins. These cavities are effective in extracting heat from various heating elements to the heat sink.

통상적으로, 일체형 히트 싱크는 열 수집 부재(코어 또는 베이스) 및 열 수집 부재(베이스)에 내장된 적어도 하나의 방열 부재(예를 들어, 하나의 핀 또는 다수의 핀)를 포함하여 핀형 히트 싱크를 형성한다. 핀을 코어에 연결하기 위해 외부에서 접착제를 바르거나 기계적 고정 수단을 사용하지 않고, 핀과 코어는 자연스럽게 연결되거나 서로 일체화되어 통합된 몸체를 이룬다. 열 수집 베이스는 열원(예를 들어, LED)과 열 접촉하는 표면을 갖고, 이 열원으로부터 열을 모아서 핀을 통해 공기 중으로 방열한다.Typically, an integrated heat sink includes a heat collection member (core or base) and at least one heat dissipation member (e.g., one fin or multiple fins) built into the heat collection member (base), creating a fin-type heat sink. form Rather than applying external adhesive or using mechanical fastening means to connect the pin to the core, the pin and core are naturally connected or integrated with each other to form an integrated body. The heat collection base has a surface in thermal contact with a heat source (eg, an LED), collects heat from the heat source, and dissipates it into the air through the fins.

예시적인 예로서, 도 10은 2개의 히트 싱크(300302)의 개략도를 제공한다. 첫 번째 히트 싱크는 열 수집 부재(또는 베이스 부재)(304) 및 베이스 부재(304)에 연결된 다수의 핀 또는 방열 부재(예를 들어, 핀(306))를 포함한다. 베이스 부재(304)는 열원과 열 접촉하기 위한 열 수집 표면(314)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 방열 부재 또는 핀(306)은 적어도 방열 표면(320)을 갖는 것으로 도시되어 있다. As an illustrative example, Figure 10 provides a schematic diagram of two heat sinks 300 and 302 . The first heat sink includes a heat collection member (or base member) 304 and a plurality of fins or heat dissipation members (e.g., fins 306 ) connected to the base member 304 . Base member 304 is shown having a heat collection surface 314 for thermal contact with a heat source. The heat dissipating member or fin 306 is shown as having at least a heat dissipating surface 320 .

특히 유용한 구현예는, (a) 열 수집 표면(318)을 포함하는 베이스(308); 및 (b) 베이스(308)와 일체형이거나 베이스(308)에 의해 지지된 복수의 이격된 평행한 평면 핀 부재(예를 들어, 2개의 예로서 310, 312)를 포함하는 방사상 핀형 히트 싱크 조립체를 포함하는 일체형 방사상 히트 싱크(302)이며, 이 평면형 핀 부재(예를 들어 310)는 적어도 하나의 방열 표면(322)을 포함한다. 바람직하게는 다수의 평행 평면 핀 부재가 같은 간격으로 이격된다.A particularly useful embodiment includes (a) a base ( 308 ) comprising a heat collection surface ( 318 ); and (b) a radially finned heat sink assembly comprising a plurality of spaced apart parallel planar fin members (e.g., 310, 312 as two examples) integral with or supported by the base 308 . An integrated radial heat sink 302 comprising a planar fin member (e.g. 310 ) comprising at least one heat dissipating surface 322 . Preferably a plurality of parallel planar fin members are equally spaced.

탄성 및 복원성이 높은 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 그 자체로 좋은 열 전달 물질이며 또한 고효율의 열 확산 요소이다. 또한, 이 고 전도성 발포체는 전자 냉각용 인서트 및 작은 칩으로부터 히트 싱크로의 열 제거를 향상시키기 위한 인서트로서 사용될 수 있다. 고 전도성 물질로 점유된 공간은 중요한 부분이므로, 발열체 내로 삽입될 수 있는 고 전도성 통로를 이용하는 것이 보다 효율적인 설계이다. 본원에 개시된 탄성이 있는 고 전도성의 고체 그래핀 발포체는 이러한 요구를 완벽하게 만족시킨다. The graphene-carbon hybrid foam of the present invention, which has high elasticity and resilience, is itself a good heat transfer material and is also a highly efficient heat diffusion element. Additionally, this highly conductive foam can be used as inserts for electronic cooling and to enhance heat removal from small chips to heat sinks. Since the space occupied by high-conductivity materials is important, a more efficient design is to use high-conductivity passages that can be inserted into the heating element. The elastic, highly conductive solid graphene foam disclosed herein perfectly satisfies these needs.

높은 탄성과 높은 열 전도성으로 인해 본 발명의 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 열원과 냉각 흐름 유체(또는 다른 히트 싱크) 사이에 열 전달 계면으로서 놓여지는 전도성이 우수한 두꺼운 판이 되어, 냉각 성능을 향상시킨다. 이러한 배치에서, 열원은 냉각 유체와 직접 접촉하여 냉각되는 대신 두꺼운 그래핀 발포체 판 하에서 냉각된다. 그래핀 발포체의 두꺼운 판은 최적의 방식으로 열류를 전달함으로써 열원과 냉각 유체 사이의 열 전달을 상당히 향상시킬 수 있다. 추가 펌핑 동력과 추가 열 전달 표면적이 필요하지 않다.Due to its high elasticity and high thermal conductivity, the solid graphene-carbon hybrid foam of the present invention becomes a highly conductive thick plate that lies as a heat transfer interface between the heat source and the cooling flow fluid (or other heat sink), improving cooling performance. . In this arrangement, the heat source is cooled under a thick graphene foam plate instead of being cooled in direct contact with the cooling fluid. Thick sheets of graphene foam can significantly improve heat transfer between a heat source and a cooling fluid by transferring heat flow in an optimal manner. No additional pumping power or additional heat transfer surface area is required.

또한, 고체 그래핀 발포체는 히트 파이프를 구성하는 데 훌륭한 물질이다. 히트 파이프는 2개 상으로 작동하는 유체 또는 냉각수의 증발과 응결을 이용하여 뜨거운 계면과 차가운 계면 사이의 아주 작은 온도차로 많은 양의 열을 전달하는 열 전달 장치이다. 종래의 히트 파이프는 Cu 또는 Al과 같은 열 전도성 물질로 만들어진 밀봉된 중공형 튜브, 및 작동 유체를 증발기로부터 응축기로 돌려 보내는 심지(wick)로 구성된다. 파이프는 (물, 메탄올, 또는 암모니아와 같은) 작동 유체의 증기 및 포화된 액체 모두를 포함하고 모든 다른 기체는 차단한다. 하지만, Cu와 Al 모두 산화되거나 부식되기 쉬우므로 시간이 지남에 따라 비교적 빠르게 성능이 저하된다. 반면에, 고체 그래핀 발포체는 화학적으로 비활성이고 이러한 산화나 부식의 문제가 없다. 전자 열 관리를 위한 히트 파이프는 작동 유체로서의 물과 함께, 고체 그래핀 발포체로 된 외피와 심지를 가질 수 있다. 히트 파이프가 물의 어는점 아래에서 작동할 필요가 있는 경우 그래핀/메탄올을 사용할 수 있고, 그래핀/암모니아 히트 파이프는 우주에서 전자장치 냉각을 위해 사용될 수 있다. Additionally, solid graphene foam is an excellent material for constructing heat pipes. A heat pipe is a heat transfer device that transfers a large amount of heat with a very small temperature difference between a hot and cold interface by using the evaporation and condensation of a fluid or coolant that operates in two phases. A conventional heat pipe consists of a sealed hollow tube made of a thermally conductive material such as Cu or Al, and a wick that returns the working fluid from the evaporator to the condenser. The pipe contains both the vapor and saturated liquid of the working fluid (such as water, methanol, or ammonia) and blocks all other gases. However, both Cu and Al are prone to oxidation or corrosion, so their performance deteriorates relatively quickly over time. On the other hand, solid graphene foam is chemically inert and has no problems with oxidation or corrosion. Heat pipes for electronic thermal management can have a shell and wick made of solid graphene foam, with water as the working fluid. Graphene/methanol can be used if heat pipes need to operate below the freezing point of water, and graphene/ammonia heat pipes can be used for cooling electronics in space.

펠티에 냉각판은 펠티에 효과로 작동하는데, 전류를 인가함으로써 2개의 다른 전기 전도체의 접합부 사이에 열 유속을 만들어낸다. 이 효과는 보통 전자 부품과 작은 기기를 냉각시키는 데 사용된다. 실제로, 이러한 많은 접합부가 연속으로 배열되어 요구되는 발열 또는 냉각 양까지 이 효과를 향상시킬 수 있다. 이 고체 그래핀 발포체는 열 전달 효율을 향상시키는 데 사용될 수 있다.Peltier cold plates work on the Peltier effect, which creates a heat flux between the junction of two different electrical conductors by applying an electric current. This effect is commonly used to cool electronic components and small devices. In fact, many of these joints can be arranged in series to enhance this effect up to the required amount of heating or cooling. This solid graphene foam can be used to improve heat transfer efficiency.

여과 및 유체 흡수 용도Filtration and fluid absorption applications

고체 그래핀 발포체는 미세세공(2 nm 미만) 또는 세공 크기가 2 nm 내지 5 nm인 중간 크기의 세공을 포함하도록 제조될 수 있다. 고체 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 또한 마이크론 크기의 세공(1~500 ㎛)을 포함하도록 제조될 수 있다. 잘 제어된 세공 크기만으로도, 본 발명의 그래핀-탄소 발포체는 공기 또는 물 여과용으로 매우 우수한 필터 물질일 수 있다. Solid graphene foams can be prepared to contain micropores (less than 2 nm) or medium-sized pores with a pore size of 2 nm to 5 nm. Solid graphene-carbon hybrid foams can also be prepared to contain micron-sized pores (1-500 μm). With well-controlled pore size alone, the graphene-carbon foam of the present invention can be an excellent filter material for air or water filtration.

또한, 그래핀 세공 벽의 화학적 성질과 탄소상의 화학적 성질은 (예를 들어, 발포체 내 O, F, N, H 등의 %로 반영되는 바와 같이) 그래핀 시트와 탄소 결합제 상 모두나 둘 중 하나에 상이한 양의 작용기 및/또는 상이한 종류의 작용기를 부여하도록 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 세공 크기와 화학적 작용기 모두를 내부 구조의 상이한 위치에서 동시에 혹은 각각 제어하여 많은 예상치 못한 특성, 시너지 효과, 및 보통 상호 배타적이라고 여겨지는 특성의 몇몇 독특한 조합(예를 들어, 구조의 일부는 소수성이고 다른 부분은 친수성이거나, 발포체 구조가 소수성 및 친유성을 둘 다 갖는 경우)을 나타내는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 설계하고 제조하는 데 가장 높은 자유도 또는 전례 없는 유연성을 제공한다. 물이 어떤 물질이나 표면에 배지 않는다면, 이러한 표면 또는 물질을 소수성이라고 하며 소수성 표면이나 물질 위에 놓여진 물방울은 큰 접촉각을 형성하게 된다. 어떤 표면이나 물질이 친유성이라 함은 물이 아니라 기름에 강한 친화력을 갖고 있다는 것이다. 본 발명의 방법은 소수성, 친수성, 및 친유성에 대한 정확한 제어를 가능하게 한다.Additionally, the chemistry of the graphene pore walls and the carbon phase (e.g., as reflected by the % of O, F, N, H, etc. in the foam) can be influenced by either or both the graphene sheets and the carbon binder phase. can be independently controlled to impart different amounts of functional groups and/or different types of functional groups. This means that both pore size and chemical functional groups can be controlled simultaneously or separately at different positions in the internal structure, resulting in many unexpected properties, synergistic effects, and some unique combinations of properties that are usually considered mutually exclusive (e.g., some parts of the structure are hydrophobic). It provides the highest degree of freedom or unprecedented flexibility to design and fabricate graphene-carbon hybrid foams (where the other parts are hydrophilic or when the foam structure has both hydrophobic and lipophilic properties). If water does not penetrate a material or surface, such surface or material is said to be hydrophobic and water droplets placed on the hydrophobic surface or material will form a large contact angle. When a surface or substance is lipophilic, it means that it has a strong affinity for oil, not water. The method of the present invention allows precise control of hydrophobicity, hydrophilicity, and lipophilicity.

또한, 본 발명은 기름-제거, 기름-분리, 또는 기름-회수 장치를 제공하고 이는 본 발명의 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 기름-흡수 요소 또는 기름-분리 요소로서 포함한다. 또한, 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 용매-흡수 요소로서 포함하는 용매-제거 또는 용매-분리 장치가 제공된다.The present invention also provides an oil-removal, oil-separation, or oil-recovery device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam of the present invention as an oil-absorbing element or oil-separating element. Additionally, a solvent-removal or solvent-separation device comprising a 3D graphene-carbon hybrid foam as a solvent-absorbing element is provided.

본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 기름-흡수 요소로 사용하는 것의 주요 이점은 구조적 완전성에 있다. 그래핀 시트가 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된다는 개념 때문에, 생성된 발포체는 반복되는 기름 흡수 작업시 분해되지 않게 된다. 반면에, 본 연구 그룹은 열수 환원, 진공-보조 여과, 또는 동결 건조에 의해 제조된 그래핀-기반 기름-흡수 요소가 2회 또는 3회 기름 흡수를 한 후 분해됨을 발견했다. 이러한 달리 분리된 그래핀 시트를 서로 결합시키는 것은 (기름과 최초에 접촉하기 전에 존재하는 약한 반 데르 발스 힘을 제외하고는) 아무것도 없다. 일단 이 그래핀 시트가 기름에 젖게 되면, 더 이상 기름-흡수 요소의 원래 형태로 돌아갈 수 없다.The main advantage of using the graphene-carbon hybrid foam of the present invention as an oil-absorbing element lies in its structural integrity. Due to the concept that the graphene sheets are chemically bonded by carbon materials, the resulting foam does not decompose during repeated oil absorption operations. On the other hand, our research group found that graphene-based oil-absorbing elements prepared by hydrothermal reduction, vacuum-assisted filtration, or freeze-drying decomposed after two or three oil absorptions. There is nothing (except the weak van der Waals forces that exist before initial contact with oil) to hold these otherwise separate graphene sheets together. Once these graphene sheets become wet with oil, they can no longer return to their original form as oil-absorbing elements.

본 기술의 또 다른 주요 이점은 기름-흡수 요소의 구조적 형태를 여전히 유지하면서(크게 팽창되지 않고) 자기 중량의 400배나 많은 양까지 기름을 흡수할 수 있는 기름-흡수 요소를 설계하고 제조함에 있어서의 유연성이다. 기름 흡수 양은 발포체의 구체적인 세공 체적에 달려 있는데, 이는 열 처리 전에 그래핀 시트의 양과 원래 캐리어 중합체 입자의 양 간의 비율에 의해 주로 제어될 수 있다. Another key advantage of this technology is the ability to design and manufacture oil-absorbing elements that can absorb up to 400 times their weight in oil while still maintaining the structural shape of the oil-absorbing element (without significantly expanding). It's flexibility. The amount of oil absorption depends on the specific pore volume of the foam, which can be mainly controlled by the ratio between the amount of graphene sheets and the amount of original carrier polymer particles before heat treatment.

또한, 본 발명은 기름-물 혼합물(예를 들어, 기름이 유출된 물 또는 오일 샌드로부터 나온 폐수)로부터 기름을 분리/회수하는 방법을 제공한다. 이 방법은, (a) 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 기름-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 기름-물 혼합물을 상기 요소와 접촉시켜 혼합물로부터 기름을 흡수하는 단계; (c) 혼합물로부터 기름-흡수 요소를 빼내고 상기 요소로부터 기름을 추출하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 본 방법은 상기 요소를 재사용하는 (d) 단계를 추가로 포함한다.Additionally, the present invention provides a method for separating/recovering oil from oil-water mixtures (e.g., oil spills or wastewater from oil sands). The method includes the steps of (a) providing an oil-absorbing element comprising an integral graphene-carbon hybrid foam; (b) contacting the oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture; (c) removing the oil-absorbing element from the mixture and extracting oil from the element. Preferably, the method further comprises the step (d) of reusing said elements.

추가적으로, 용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 방법을 제공한다. 이 방법은 (a) 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 유기 용매-흡수 요소를 제공하는 단계; (b) 상기 요소를 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 포함하는 유기 용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계; (c) 상기 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수하거나 적어도 제2용 매로부터 제1 용매를 흡수하도록 허용하는 단계; 및 (d) 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 유기 용매 또는 제1 용매를 추출하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 이 방법은 용매-흡수 요소를 재사용하는 (e) 단계를 추가로 포함한다.Additionally, a method for separating organic solvents from solvent-water mixtures or multi-solvent mixtures is provided. The method includes (a) providing an organic solvent-absorbing element comprising an integral graphene-carbon hybrid foam; (b) contacting the element with an organic solvent-water mixture or multi-solvent mixture comprising a first solvent and at least a second solvent; (c) allowing the element to absorb the organic solvent from the mixture or at least to absorb the first solvent from the second solvent; and (d) withdrawing the urea from the mixture and extracting the organic solvent or first solvent from the urea. Preferably, the method further comprises the step (e) of reusing the solvent-absorbing element.

다음의 실시예들은 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 상세히 설명하기 위해 예시로 사용되고 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.The following examples are used as examples to detail the best mode for carrying out the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention.

실시예 1: 폴리프로필렌 분말-기반 고체 중합체 캐리어를 통해 플레이크 흑연으로부터 그래핀-탄소 발포체의 제조 Example 1 : Preparation of graphene-carbon foam from flake graphite via polypropylene powder-based solid polymer carrier

실험에서, 폴리프로필렌(PP) 펠릿 1kg, 플레이크 흑연 50 그램, 50 메쉬(평균 입자 크기 0.18 mm; Asbury Carbons, Asbury NJ), 및 자성 스틸 볼 250 그램을 고에너지 볼 밀 용기에 넣었다. 볼 밀을 300 rpm으로 2시간 동안 가동시켰다. 용기 뚜껑을 제거하고 자석을 통해 스테인리스 스틸 볼을 제거하였다. 중합체 캐리어 물질이 다크 그래핀 층으로 코팅되었음을 확인하였다. 캐리어 물질을 50 메쉬 체에 올려 놓고 소량의 미처리된 플레이크 흑연을 제거하였다.In the experiment, 1 kg of polypropylene (PP) pellets, 50 grams of flake graphite, 50 mesh (average particle size 0.18 mm; Asbury Carbons, Asbury NJ), and 250 grams of magnetic steel balls were placed in a high-energy ball mill vessel. The ball mill was operated at 300 rpm for 2 hours. The container lid was removed and the stainless steel ball was removed via a magnet. It was confirmed that the polymer carrier material was coated with a dark graphene layer. The carrier material was placed on a 50 mesh sieve to remove a small amount of untreated flake graphite.

그런 다음, 코팅된 캐리어 물질의 샘플을 테트라클로로에틸렌에 80℃에서 24시간 동안 침지시켜 PP를 용해시키고 그래핀 시트가 유기 용매에 분산되도록 하였다. 용매 제거 후에, 독립된 그래핀 시트 분말을 회수하였다(대부분 소수층 그래핀). 이후에, 남은 코팅된 캐리어 물질을 금형 캐비티에서 압축하여 성형체를 형성한 후, 이를 밀봉된 도가니(crucible)에서 350℃로 열처리한 후 600℃에서 2시간 동안 열처리하여 그래핀-탄소 발포체를 제조하였다.Then, a sample of the coated carrier material was immersed in tetrachloroethylene at 80°C for 24 hours to dissolve the PP and allow the graphene sheets to disperse in the organic solvent. After solvent removal, independent graphene sheet powder was recovered (mostly few-layer graphene). Afterwards, the remaining coated carrier material was compressed in the mold cavity to form a molded body, and then heat-treated at 350°C in a sealed crucible and then at 600°C for 2 hours to produce a graphene-carbon foam. .

별도의 실험에서, PP 펠릿과 플레이크 흑연 입자의 동일한 배치(batch)(충격 스틸 볼 없이)를 동일한 고에너지 볼 밀 용기에 넣고 볼 밀을 동일한 조건에서 동일한 시간 동안 가동시켰다. 결과를 충격 볼-보조 가동으로부터 얻은 결과와 비교하였다. PP 용해시 PP 입자로부터 독립된 그래핀 시트는 대부분 단일층 그래핀이다. 이 방법으로 제조한 그래핀-탄소 발포체가 더 높은 수준의 다공성(보다 낮은 물리 밀도)을 갖는다.In a separate experiment, identical batches of PP pellets and flake graphite particles (without impact steel balls) were placed in the same high energy ball mill vessel and the ball mill was run under the same conditions for the same amount of time. The results were compared to those obtained from impact ball-assisted operation. When PP is dissolved, the graphene sheets that are independent from the PP particles are mostly single-layer graphene. Graphene-carbon foams prepared by this method have a higher level of porosity (lower physical density).

본원에서 폴리프로필렌(PP)을 예시로 사용하였지만, 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 제조를 위한 캐리어 물질이 PP에 제한되는 것은 아니다. 미립자 형태로 제조될 수 있는 중합체라면 어떠한 중합체(열가소성 수지, 열경화성 수지, 고무, 왁스, 유향수지, 검, 유기 수지 등)도 가능하다. 경화되지 않거나 부분적으로 경화된 열경화성 수지(예를 들어 에폭시드 및 이미드계 올리고머 또는 고무)가 실온 이하(예를 들어 극저온)에서 입자 형태로 제조될 수 있다는 것을 주목할 수 있다. 그러므로, 부분적으로 경화된 열경화성 수지 입자도 중합체 캐리어로 사용할 수 있다.Although polypropylene (PP) is used as an example herein, the carrier material for producing graphene-carbon hybrid foam is not limited to PP. Any polymer that can be manufactured in the form of fine particles (thermoplastic resin, thermosetting resin, rubber, wax, mastic resin, gum, organic resin, etc.) can be used. It may be noted that uncured or partially cured thermosets (e.g. epoxide and imide-based oligomers or rubbers) can be prepared in particle form below room temperature (e.g. cryogenic temperatures). Therefore, partially cured thermosetting resin particles can also be used as polymer carriers.

실시예 2: 팽창 흑연(100 nm 초과의 두께)을 그래핀 원료로서 사용하고 ABS를 중합체 고체 캐리어 입자로서 사용하는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 Example 2 : Graphene-carbon hybrid foam using expanded graphite (thickness greater than 100 nm) as graphene raw material and ABS as polymer solid carrier particles.

실험에서, 고체 캐리어 물질 입자로서 ABS 펠릿 100 그램을 팽창 흑연 5 그램과 함께 16 온스 플라스틱 용기에 넣었다. 이 용기를 음향 혼합기(Resodyn Acoustic mixer)에 넣고 30분간 처리하였다. 처리 후에, 캐리어 물질이 얇은 탄소층으로 코팅된 것을 확인하였다. 소량의 캐리어 물질 샘플을 아세톤에 넣고 초음파 에너지를 가하여 ABS의 용해를 가속하였다. 용액을 적절한 필터로 여과하고 추가 아세톤으로 4번 세척하였다. 세척한 후에, 여과액은 진공 오븐 세트 안에서 60℃에서 2시간 동안 건조시켰다. 이 샘플을 광학 현미경으로 조사하여 그래핀임을 확인하였다. 남은 펠릿을 압출하여 그래핀-중합체 시트(1mm 두께)를 만든 후 탄화시켜, 다른 온도 및 압축 조건하에서 그래핀-탄소 발포체 샘플을 제조하였다.In the experiment, 100 grams of ABS pellets as solid carrier material particles were placed in a 16 ounce plastic container along with 5 grams of expanded graphite. This container was placed in an acoustic mixer (Resodyn Acoustic mixer) and treated for 30 minutes. After treatment, it was confirmed that the carrier material was coated with a thin carbon layer. A small sample of the carrier material was placed in acetone and ultrasonic energy was applied to accelerate the dissolution of ABS. The solution was filtered through an appropriate filter and washed four times with additional acetone. After washing, the filtrate was dried in a vacuum oven set at 60°C for 2 hours. This sample was examined with an optical microscope and confirmed to be graphene. The remaining pellets were extruded to create graphene-polymer sheets (1 mm thick) and then carbonized to prepare graphene-carbon foam samples under different temperatures and compression conditions.

실시예 3: 메소 탄소 마이크로비드(MCMB, 그래핀 원료 물질) 및 폴리아클릴로니트릴(PAN) 섬유(고체 캐리어 입자)로부터 그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 제조 Example 3 : Preparation of graphene-carbon hybrid foam from mesocarbon microbeads (MCMB, graphene raw material) and polyacrylonitrile (PAN) fibers (solid carrier particles)

일 실시예에서, (캐리어 입자로서 2 mm 길이의) PAN 섬유 세그먼트(segments) 100 그램, MCMB(China Steel Chemical Co., 대만) 5 그램 및 지르코니아 비드 50 그램을 진동 볼 밀에 넣고 2시간 동안 처리하였다. 처리가 완료된 후에, 진동 밀을 열어 캐리어 물질이 그래핀 시트의 다크 코팅으로 코팅되었음을 확인하였다. 뚜렸하게 다른 크기와 색을 갖는 지르코니아 입자는 수동으로 제거하였다. 이어서, 그래핀-코팅 PAN 섬유를 압축하여 함께 용융시켜 여러 복합체 필름을 형성하였다. 이 필름을 250℃에서 1시간 동안(실내 공기에서), 350℃에서 2시간 동안, 및 1,000℃에서 2시간 동안(아르곤 기체 분위기하에서) 열처리하여 그래핀-탄소 발포체 층을 수득하였다. 이어서, 탄화 발포체 층의 절반을 2,850℃까지 가열하고 이 온도에서 0.5시간 동안 유지하였다.In one embodiment, 100 grams of PAN fiber segments (2 mm long as carrier particles), 5 grams of MCMB (China Steel Chemical Co., Taiwan) and 50 grams of zirconia beads were placed in a vibrating ball mill and processed for 2 hours. did. After the treatment was completed, the vibrating mill was opened to confirm that the carrier material was coated with a dark coating of graphene sheets. Zirconia particles with distinctly different sizes and colors were removed manually. The graphene-coated PAN fibers were then compressed and melted together to form several composite films. The film was heat treated at 250°C for 1 hour (in room air), 350°C for 2 hours, and 1,000°C for 2 hours (under argon gas atmosphere) to obtain a graphene-carbon foam layer. Half of the carbonized foam layer was then heated to 2,850° C. and held at this temperature for 0.5 hours.

실시예 4: 동결 밀에서 중합체 캐리어 물질로서 경화된 페놀 수지 입자 Example 4 : Phenolic resin particles cured as polymer carrier material in a freeze mill

한 실험에서, 페놀 수지 입자 10 그램을 흑연화 폴리이미드로부터 유도된 HOPG 분말 0.25그램 및 자성 스테인리스 스틸 임팩터와 함께 SPEX 밀 샘플 홀더(SPEX Sample Prep, 메터친, 뉴저지)에 넣었다. 동일 실험을 실시하였지만, 샘플 홀더에는 어떠한 임팩터 볼도 들어 있지 않았다. 완성된 생성물 상에 물이 응축되는 것을 줄이기 위해 이러한 공정을 1% 습도의 "건조실"에서 수행하였다. SPEX 밀을 10~120분 동안 가동하였다. 가동 후에, 샘플 홀더의 내용물을 분류하고 HOPG 분말 잔여물과 임팩터 볼(사용했을 때)을 제거하여 그래핀-코팅 수지 입자를 회수하였다.In one experiment, 10 grams of phenolic resin particles were placed in a SPEX mill sample holder (SPEX Sample Prep, Metzkin, NJ) along with 0.25 grams of HOPG powder derived from graphitized polyimide and a magnetic stainless steel impactor. The same experiment was performed, but the sample holder did not contain any impactor balls. This process was performed in a “dry room” at 1% humidity to reduce water condensation on the finished product. The SPEX mill was run for 10-120 minutes. After operation, the contents of the sample holder were sorted and the HOPG powder residue and impactor ball (when used) were removed to recover the graphene-coated resin particles.

(임팩터 볼이 있거나 없는) 두 가지 경우 모두, 생성된 그래핀-코팅 수지 입자를 디지털 광학 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM) 모두를 사용하여 조사하였다. 수지 입자 주위를 감싸는 그래핀 시트의 두께가 밀링 가동 시간에 따라 증가하고, 주어진 동일한 가동 시간 동안, 임팩터 보조 가동이 더 두꺼운 그래핀 코팅을 하는 것으로 관찰되었다. In both cases (with and without impactor balls), the resulting graphene-coated resin particles were examined using both digital optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). It was observed that the thickness of the graphene sheet wrapping around the resin particle increased with milling run time, and for a given same run time, impactor-assisted run resulted in a thicker graphene coating.

다량의 그래핀-코팅 수지 입자를 압축하여 성형체를 형성한 후 소량의 석유 피치로 침투시켰다. 이와 별개로, 그래핀-코팅 수지 입자의 다른 성형체를 유사한 조건하에서 제조하였지만, 피치 침투는 시도하지 않았다. 이후 두 성형체를 동일한 열분해 처리하였다.A large amount of graphene-coated resin particles were compressed to form a molded body and then infiltrated with a small amount of petroleum pitch. Separately, other molded bodies of graphene-coated resin particles were prepared under similar conditions, but pitch penetration was not attempted. Afterwards, the two molded bodies were subjected to the same pyrolysis treatment.

실시예 5: 그래핀 원료로서 천연 흑연 입자, 고체 캐리어 입자로서 폴리에틸렌(PE) 또는 나일론6/6 비드, 및 추가된 충격 볼로서 세라믹 또는 글래스 비드 Example 5 : Natural graphite particles as graphene raw material, polyethylene (PE) or nylon 6/6 beads as solid carrier particles, and ceramic or glass beads as added impact balls.

실험에서, (고체 캐리어 물질로서) PE 또는 나일론 비드 0.5 kg, 천연 흑연(그래핀 시트 원료) 50 그램, 및 지르코니아 분말(충격 볼) 250 그램을 유성형 볼 밀의 용기에 넣었다. 볼 밀을 300 rpm으로 4시간 동안 가동하였다. 용기 뚜껑을 제거하고, 지르코니아 비드(그래핀-코팅 PE 비드와 다른 크기 및 중량)를 진동 스크린을 통해 제거하였다. 중합체 캐리어 물질 입자가 다크 그래핀 층으로 코팅되었음을 확인하였다. 캐리어 물질을 50 메쉬 체 위에 놓고 소량의 미처리 플레이크 흑연을 제거하였다. 별도의 실험에서, 글래스 비드를 충격 볼로 사용하였고; 다른 볼-밀링 가동 조건은 동일하게 유지하였다.In the experiment, 0.5 kg of PE or nylon beads (as solid carrier material), 50 grams of natural graphite (graphene sheet raw material), and 250 grams of zirconia powder (impact balls) were placed in the container of a planetary ball mill. The ball mill was operated at 300 rpm for 4 hours. The container lid was removed and the zirconia beads (different size and weight than the graphene-coated PE beads) were removed through a vibrating screen. It was confirmed that the polymer carrier material particles were coated with a dark graphene layer. The carrier material was placed on a 50 mesh sieve to remove a small amount of raw flake graphite. In a separate experiment, glass beads were used as impact balls; Other ball-milling operating conditions were kept the same.

다량의 그래핀-코팅 PE 펠릿 및 다량의 그래핀-코팅 나일론 비드를 각각 몰드 캐비티에서 압축하고, PE 또는 나일론의 용융점보다 높게 잠시 가열한 후에 급냉하여 두 개의 성형체를 형성하였다. 비교를 위하여, 다량의 비코팅 PE 펠릿과 다량의 비코팅 나일론 비드로부터 두 개의 상응하는 성형체를 제조하였다. 이후에, 이 4개의 성형체를 열분해하였다(성형체를 100℃ 에서 650℃까지 챔버에서 가열함으로써). 결과는 매우 놀라웠다. 그래핀-코팅 중합체 입자의 성형체가 원래 성형체의 치수(3 ㎝ x 3 ㎝ x 0.5㎝)과 유사한 치수를 갖는 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 구조로 변환된 것을 확인하였다. 이 구조를 SEM으로 조사한 결과, 탄소상이 그래핀 시트의 가장자리 근처에 존재하고 이러한 탄소상이 그래핀 시트를 서로 결합시키는 역할을 하는 것으로 나타났다. 도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 탄소 결합 그래핀 시트는 원래의 중합체 입자에 의해 점유된 공간이었던 곳에 존재하는 세공을 갖는 그래핀-탄소 하이브리드 세공 벽의 골격을 형성한다.A large amount of graphene-coated PE pellets and a large amount of graphene-coated nylon beads were each compressed in a mold cavity, briefly heated above the melting point of PE or nylon, and then rapidly cooled to form two molded bodies. For comparison, two corresponding molded bodies were prepared from a quantity of uncoated PE pellets and a quantity of uncoated nylon beads. Afterwards, these four molded bodies were pyrolyzed (by heating the molded bodies in a chamber from 100°C to 650°C). The results were very surprising. It was confirmed that the molded body of graphene-coated polymer particles was converted into a graphene-carbon hybrid foam structure with dimensions similar to the dimensions of the original molded body (3 cm x 3 cm x 0.5 cm). As a result of examining this structure using SEM, it was found that a carbon phase exists near the edge of the graphene sheet and that this carbon phase plays a role in bonding the graphene sheets to each other. As schematically shown in Figure 2A, carbon-bonded graphene sheets form the framework of graphene-carbon hybrid pore walls with pores existing where the spaces originally occupied by the polymer particles.

반면에, 비코팅 펠릿 또는 비드로부터 얻은 2개의 성형체는 수축하여 원래 성형체 체적의 대략 15%~20%의 체적을 갖는 본질적으로 2개의 고체 덩어리 탄소가 되었다. 이렇게 고도로 수축된 고체 덩어리는 실질적으로 세공이 없는 탄소 물질이다; 이는 발포체 물질이 아니다.On the other hand, the two green bodies obtained from the uncoated pellets or beads shrunk into essentially two solid lumps of carbon with a volume of approximately 15% to 20% of the original green body volume. This highly contracted solid mass is a substantially pore-free carbon material; This is not a foam material.

실시예 6: 고체 중합체 캐리어 입자로서의 마이크론 크기 고무 입자 Example 6 : Micron-sized rubber particles as solid polymer carrier particles

마이크론 크기 고무 입자의 제조로 실험을 시작했다. 대기 조건하에서 1분간 균질기를 사용하여 메틸하이드로 디메틸-실록산 중합체(20 g)와 폴리디메틸실록산, 비닐디메틸 말단화 중합체(30 g)의 혼합물을 수득하였다. 트윈(Tween) 80 (4.6 g)을 첨가하고 혼합물을 20초간 균질화하였다. 백금-디비닐테트라메틸디실록산 복합물(15 g 메탄올 중의 0.5 g)을 첨가하고 10초 동안 혼합하였다. 이 혼합물을 증류수 350 g에 첨가하고 15분간 균질화하여 안정한 라텍스를 수득하였다. 이 라텍스를 60℃로 15시간 동안 가열하였다. 이어서, 이 라텍스를 무수 황산 나트륨(20 g)으로 탈유화하고, 진공하에 여과하고 증류수로 세척하고 25℃ 진공하에 건조함으로써 실리콘 고무 입자를 수득하였다. 생성된 고무 입자의 입자 크기 분포는 3~11 ㎛였다.The experiment began with the preparation of micron-sized rubber particles. A mixture of methylhydro dimethyl-siloxane polymer (20 g) and polydimethylsiloxane, vinyldimethyl terminated polymer (30 g) was obtained using a homogenizer for 1 minute under atmospheric conditions. Tween 80 (4.6 g) was added and the mixture was homogenized for 20 seconds. Platinum-divinyltetramethyldisiloxane complex (0.5 g in 15 g methanol) was added and mixed for 10 seconds. This mixture was added to 350 g of distilled water and homogenized for 15 minutes to obtain stable latex. This latex was heated to 60°C for 15 hours. This latex was then demulsified with anhydrous sodium sulfate (20 g), filtered under vacuum, washed with distilled water and dried under vacuum at 25°C to obtain silicone rubber particles. The particle size distribution of the produced rubber particles was 3 to 11 ㎛.

일 실시예에서, 고무 입자 10 그램, 천연 흑연 2 그램, 및 지르코니아 비드 5 그램을 진동 볼 밀에 넣고 2시간 동안 처리하였다. 처리를 완료한 후에, 진동 밀을 열고 고무 입자가 그래핀 시트의 다크 코팅으로 코팅된 것을 확인하였다. 지르코니아 입자는 수동으로 제거하였다. 이어서, 그래핀-코팅 고무 입자를 (결합제로서의) 석유 피치 5 중량%와 혼합하고 함께 기계적으로 압축하여 여러 복합체 시트를 형성하였다. 그런 다음, 복합체 시트를 관상로에서 350℃에서 1시간 동안, 650℃에서 2시간 동안, 및 1,000℃에서 1시간 동안 열처리하여 그래핀-탄소 발포체 층을 수득하였다.In one example, 10 grams of rubber particles, 2 grams of natural graphite, and 5 grams of zirconia beads were placed in a vibrating ball mill and processed for 2 hours. After completing the treatment, the vibrating mill was opened and it was confirmed that the rubber particles were coated with a dark coating of graphene sheets. Zirconia particles were removed manually. The graphene-coated rubber particles were then mixed with 5% by weight petroleum pitch (as a binder) and mechanically compressed together to form several composite sheets. Then, the composite sheet was heat treated in a tubular furnace at 350°C for 1 hour, 650°C for 2 hours, and 1,000°C for 1 hour to obtain a graphene-carbon foam layer.

실시예 7: 그래핀 불화물 발포체의 제조 Example 7 : Preparation of graphene fluoride foam

통상적인 방법에서, 그래핀-탄소 하이브리드 시트를 밀봉된 오토클레이브 반응기에서 삼플루오르화염소의 증기로 불화시켜 불화 그래핀-탄소 하이브리드 필름을 얻었다. 다양한 불화도를 달성하기 위해 불화 지속 시간을 달리 하였다. 이어서, 불화 그래핀-탄소 발포체 시트를 개별적으로 클로로포름-물 혼합물을 담고 있는 각각의 용기에 침지하였다. 이러한 발포체 시트는 물로부터 클로로포름을 선택적으로 흡수하고 흡수된 클로로포름의 양은 불소 함량이 7.3 중량%에 이를 때까지 불화도에 따라 증가하는 것을 관찰하였다(도 9).In a conventional method, the graphene-carbon hybrid sheet was fluorinated with vapor of chlorine trifluoride in a sealed autoclave reactor to obtain a fluorinated graphene-carbon hybrid film. To achieve various degrees of discord, the duration of discord was varied. The fluorinated graphene-carbon foam sheets were then individually immersed in each container containing the chloroform-water mixture. This foam sheet selectively absorbed chloroform from water, and the amount of absorbed chloroform was observed to increase with the degree of fluorination until the fluorine content reached 7.3% by weight (FIG. 9).

실시예 8: 그래핀 산화물 발포체 및 질화 그래핀 발포체의 제조 Example 8 : Preparation of graphene oxide foam and graphene nitride foam

실시예 3에서 제조한 여러 개의 그래핀-탄소 발포체를 30% H2O2-물 용액에 2~48시간 동안 침지시켜 2~25 중량%의 산소 함량를 갖는 그래핀 산화물(GO) 발포체를 수득하였다.Several graphene-carbon foams prepared in Example 3 were immersed in a 30% H 2 O 2 -water solution for 2 to 48 hours to obtain graphene oxide (GO) foams with an oxygen content of 2 to 25% by weight. .

일부 GO 발포체 샘플을 상이한 비율의 우레아와 혼합하고 혼합물을 마이크로파 반응기(900 W)에서 0.5 내지 5분 동안 가열하였다. 생성물을 탈이온수로 여러 번 세척하고 진공 건조시켰다. 수득한 생성물은 질화 그래핀 발포체였다. 원소 분석으로 측정한 질소 함량은 3% 내지 17.5 중량%였다.Some GO foam samples were mixed with different proportions of urea and the mixture was heated in a microwave reactor (900 W) for 0.5 to 5 min. The product was washed several times with deionized water and dried under vacuum. The obtained product was graphene nitride foam. The nitrogen content, as determined by elemental analysis, was 3% to 17.5% by weight.

그래핀-탄소 하이브리드 발포체의 상이한 작용화 처리는 상이한 목적을 위한 것임을 주목할 수 있다. 예를 들면, 산화된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 구조는 기름-물 혼합물(즉, 기름을 물 위에 쏟고 함께 혼합된 것)로부터의 기름 흡수제로서 특히 효과적이다. 이러한 경우에, 일체형 3D 그래핀(산소 0~15 중량%)-탄소 발포체 구조는 소수성 및 친유성을 둘 다 갖는다(도 7 및 도 8). 물이 어떤 물질이나 표면에 배지 않는다면, 이러한 표면 또는 물질을 소수성이라고 하며 소수성 표면이나 물질 위에 놓여진 물방울은 큰 접촉각을 형성하게 된다. 어떤 표면이나 물질이 친유성이라 함은 물이 아니라 기름에 강한 친화력을 갖고 있다는 것이다.It can be noted that the different functionalization treatments of the graphene-carbon hybrid foam are for different purposes. For example, oxidized graphene-carbon hybrid foam structures are particularly effective as oil absorbents from oil-water mixtures (i.e., oil poured on water and mixed together). In this case, the integral 3D graphene (oxygen 0-15 wt%)-carbon foam structure is both hydrophobic and lipophilic (Figures 7 and 8). If water does not penetrate a material or surface, such surface or material is said to be hydrophobic and water droplets placed on the hydrophobic surface or material will form a large contact angle. When a surface or substance is lipophilic, it means that it has a strong affinity for oil, not water.

또한, O, F, 및/또는 N의 상이한 함량은 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체가 물에서 여러 가지 유기 용매를 흡수하거나, 다수의 용매들의 혼합물로부터 하나의 유기 용매를 분리할 수 있도록 한다.Additionally, different contents of O, F, and/or N enable the graphene-carbon hybrid foam of the present invention to absorb several organic solvents from water or to separate one organic solvent from a mixture of multiple solvents. .

비교예 1: 허머스 공정(Hummer's Process)을 통한 그래핀과 그래핀-중합체 복합체의 탄화 Comparative Example 1 : Carbonization of graphene and graphene-polymer composite through Hummer's Process

허머스(Hummers)의 방법을 따라 황산, 질산염, 과망간산염으로 흑연 플레이크를 산화시켜 흑연 산화물을 제조하였다[미국 특허 번호 2,798,878호, 1957년 7월 9일]. 반응이 완료된 즉시, 혼합물을 탈이온수에 붓고 여과했다. 흑연 산화물을 5% HCl 용액에서 반복적으로 세척하여 대부분의 황산이온을 제거하였다. 이어서, 여과액의 pH가 중성이 될 때까지 샘플을 탈이온수로 반복하여 세척하였다. 슬러리를 분무 건조시키고 60℃의 진공 오븐에 24시간 동안 보관하였다. 생성된 층상 흑연 산화물의 층간 간격은 디바이 셰러(Debey-Scherrer) X선 기술에 의해 약 0.73 nm(7.3 A)로 측정되었다. 이 물질의 샘플을 이어서 미리 설정된 노(furnace)로 옮겨서 650℃에서 4분 동안 박리시키고 불활성 분위기의 노에서 1200℃로 4시간 동안 가열하여 소수층의 환원된 그래핀 산화물(RGO)로 구성된 저밀도 분말을 생성하였다. 표면적은 질소 흡수 BET를 통해 측정하였다. 이어서, 이 분말을 ABS, PE, PP 및 나일론 펠릿과 각각 1%~25% 부하량 수준으로 건조 혼합하고, 25 mm 이축 압출기를 이용해 배합하여 복합 시트를 형성하였다. 이어서, 이 복합 시트를 열분해하였다.Graphite oxide was prepared by oxidizing graphite flakes with sulfuric acid, nitrate, and permanganate following the method of Hummers [US Patent No. 2,798,878, July 9, 1957]. As soon as the reaction was complete, the mixture was poured into deionized water and filtered. Graphite oxide was washed repeatedly in 5% HCl solution to remove most of the sulfate ions. The sample was then washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate became neutral. The slurry was spray dried and stored in a vacuum oven at 60°C for 24 hours. The interlayer spacing of the resulting layered graphite oxide was measured to be about 0.73 nm (7.3 A) by Debey-Scherrer X-ray technique. A sample of this material was then transferred to a preset furnace, exfoliated at 650°C for 4 minutes, and heated at 1200°C for 4 hours in an inert atmosphere furnace to produce a low-density powder composed of few-layer reduced graphene oxide (RGO). created. Surface area was measured via nitrogen absorption BET. This powder was then dry mixed with ABS, PE, PP, and nylon pellets at a loading level of 1% to 25%, respectively, and blended using a 25 mm twin-screw extruder to form a composite sheet. This composite sheet was then thermally decomposed.

비교예 2: 메소 탄소 마이크로비드(MCMB)로부터 단일층 그래핀 산화물(GO) 시트의 제조 후 이어서 GO 시트로부터 그래핀 발포체 층의 제조 Comparative Example 2 : Preparation of single-layer graphene oxide (GO) sheets from mesocarbon microbeads (MCMB) followed by preparation of graphene foam layers from GO sheets.

메소 탄소 마이크로비드(MCMB)는 대만의 가오슝에 소재한 China Steel Chemical Co.로부터 공급되었다. 이 물질은 약 2.24 g/㎤의 밀도 및 약 16 ㎛의 중간 입자 크기를 갖는다. MCMB(10 그램)를 48 내지 96시간 동안 산 용액(4:1:0.05 비의 황산, 질산, 및 과망간산칼륨)으로 삽입하였다. 반응이 완료되면, 혼합물을 탈이온수에 붓고 여과하였다. 삽입된 MCMB를 5% HCl 용액에서 반복적으로 세척하여 대부분의 황산 이온을 제거하였다. 이어서, 여과액의 pH가 4.5 이상이 될 때까지 샘플을 탈이온수로 반복적으로 세척하였다. 이어서 슬러리를 10 내지 100분 동안 초음파 처리하여 GO 현탁액을 제조하였다. TEM과 원자력 현미경 연구는, 산화 처리가 72시간을 초과하면 GO 시트의 대부분이 단일층 그래핀이었고 산화 시간이 48 내지 72시간이면 GO 시트의 대부분이 2 또는 3층 그래핀이었음을 시사한다.Mesocarbon microbeads (MCMB) were supplied from China Steel Chemical Co., Kaohsiung, Taiwan. This material has a density of about 2.24 g/cm3 and a median particle size of about 16 μm. MCMB (10 grams) was introduced into an acid solution (4:1:0.05 ratio of sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate) for 48 to 96 hours. Once the reaction was complete, the mixture was poured into deionized water and filtered. The inserted MCMB was washed repeatedly in 5% HCl solution to remove most of the sulfate ions. The sample was then washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate was above 4.5. The slurry was then sonicated for 10 to 100 min to prepare a GO suspension. TEM and atomic force microscopy studies suggest that when the oxidation treatment exceeded 72 hours, most of the GO sheets were single-layer graphene, and when the oxidation time was 48 to 72 hours, most of the GO sheets were two- or three-layer graphene.

GO 시트는 48 내지 96시간의 산화 처리 시간 동안 대략 35 중량% 내지 47 중량%의 산소 비율을 함유한다. GO 시트를 물에 현탁시켰다. 화학적 발포제로서 베이킹 소다(5~20 중량%)를 주조 직전에 현탁액에 첨가하였다. 이어서, 이 현탁액을 유리 표면 상에 주조하였다. 몇 가지 샘플을 주조하였고, 일부는 발포제를 포함했고 일부는 포함하지 않았다. 생성된 GO 필름은 액체를 제거한 후, 두께가 대략 10 내지 500 ㎛로 다양할 수 있다. 이어서, 발포제를 포함하거나 포함하지 않는 GO 필름 몇 장을 가열 온도 80~500℃로 1~5시간 동안 열처리하여 그래핀 발포체 구조를 생성하였다.The GO sheets contain an oxygen proportion of approximately 35% to 47% by weight during the oxidation treatment time of 48 to 96 hours. GO sheets were suspended in water. Baking soda (5-20% by weight) as a chemical foaming agent was added to the suspension immediately before casting. This suspension was then cast onto a glass surface. Several samples were cast, some with blowing agent and some without. The resulting GO film, after removing the liquid, can vary in thickness from approximately 10 to 500 μm. Next, several sheets of GO films with or without a foaming agent were heat treated at a heating temperature of 80 to 500°C for 1 to 5 hours to create a graphene foam structure.

비교예 3: 순수 그래핀 발포체(산소 0%)의 제조 Comparative Example 3 : Preparation of pure graphene foam (0% oxygen)

개별적인 그래핀 면의 전도도를 감소시키는 작용을 하는 GO 시트에서의 많은 결함 개수의 가능성을 인식하여, 순수 그래핀 시트(비-산화 및 산소-비함유, 비할로겐화 및 할로겐-비함유 등)의 사용이 열 전도도가 더 높은 그래핀 발포체를 초래할 수 있는지를 연구하기로 결정하였다. 직접 초음파 처리(당업계에 액체-상 박리로 알려진) 공정을 사용하여 순수 그래핀 시트를 제조하였다.Recognizing the possibility of a high number of defects in GO sheets acting to reduce the conductivity of individual graphene planes, the use of pure graphene sheets (non-oxidized and oxygen-free, non-halogenated and halogen-free, etc.) It was decided to study whether this could lead to graphene foams with higher thermal conductivity. Pure graphene sheets were prepared using a direct sonication process (known in the art as liquid-phase exfoliation).

통상의 방법에서, 대략 20 ㎛ 이하의 크기로 분쇄된 5 g의 흑연 플레이크를 1,000 mL의 탈이온수(DuPont으로부터의 Zonyl® FSO인 분산 제제 0.1 중량%를 함유함)에 분산시켜 현탁액을 수득하였다. 85 W의 초음파 에너지 수준(Branson S450 초음파기)을 사용하여 그래핀 시트를 15분 내지 2시간의 기간 동안 박리, 분리, 및 분쇄(size reduction)시켰다. 생성된 그래핀 시트는 산화되지 않았고 산소가 없고 상대적으로 결함이 없는 순수 그래핀이다. 순수 그래핀은 어떠한 비탄소 원소도 함유하지 않는다. In a conventional method, 5 g of graphite flakes ground to a size of approximately 20 μm or less were dispersed in 1,000 mL of deionized water (containing 0.1% by weight of the dispersing agent, Zonyl® FSO from DuPont) to obtain a suspension. The graphene sheets were exfoliated, separated, and reduced in size using an ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 sonicator) over a period of 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheets are pure graphene that has not been oxidized, is oxygen-free, and is relatively defect-free. Pure graphene does not contain any non-carbon elements.

다양한 양(그래핀 물질에 대해 1 중량% 내지 30 중량%)의 화학적 발포제(N,N-디니트로소 펜타메틸렌 테트라민 또는 4,4'-옥시비스(벤젠술포닐 하이드라지드))를 순수 그래핀 시트 및 계면활성제를 포함하는 현탁액에 첨가하였다. 이어서, 이 현탁액을 유리 표면 상에 주조하였다. 몇 가지 샘플을 주조하였고, 하나는 주조 직전에 CO2를 물리적 발포제로서 현탁액에 주입하여 제조하였다. 생성된 그래핀 필름은 액체를 제거한 후, 두께가 대략 10 내지 100 ㎛로 다양할 수 있다. 이어서, 그래핀 필름을 온도 80~1,500℃로 1~5시간 동안 열처리하여 그래핀 발포체를 생성하였다.Various amounts (1% to 30% by weight relative to the graphene material) of chemical blowing agents (N,N-dinitroso pentamethylene tetramine or 4,4'-oxybis(benzenesulfonyl hydrazide)) were added in pure water. It was added to the suspension containing the graphene sheet and surfactant. This suspension was then cast onto a glass surface. Several samples were cast, one prepared by injecting CO 2 as a physical blowing agent into the suspension immediately before casting. The resulting graphene film, after removing the liquid, may vary in thickness from approximately 10 to 100 ㎛. Next, the graphene film was heat treated at a temperature of 80 to 1,500°C for 1 to 5 hours to produce a graphene foam.

비교예 4: Ni 발포체 템플레이트 상의 CVD 그래핀 발포체 Comparative Example 4 : CVD graphene foam on Ni foam template

본 방법은 공개 문헌[Chen, Z. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition," Nat. Mater. 10, 424-428 (2011)]에 기재된 방법으로부터 조정되었다. 니켈의 상호 연결된 3D 스캐폴드를 갖춘 다공질 구조체인 니켈 발포체는 그래핀 발포체의 성장을 위한 템플레이트로서 선택되었다. 간단하게, CH4를 상압하에 1,000℃에서 분해함으로써 탄소를 니켈 발포체로 도입하고, 이어서 그래핀 필름을 니켈 발포체의 표면 상에 침착시켰다. 니켈과 그래핀 사이의 열 팽창 계수의 차이로 인해, 그래핀 필름 상에 잔물결(ripples)과 주름(wrinkles)이 형성되었다. 그래핀 발포체를 회수(분리)하기 위하여, Ni 프레임을 에칭 제거해야 한다. 뜨거운 HCl(또는 FeCl3)용액으로 니켈 골격을 에칭 제거하기 전에, 니켈 에칭을 하는 동안 그래핀 망상구조의 붕괴를 막기 위한 지지체로서 그래핀 필름의 표면 상에 폴리(메타크릴산메틸)(PMMA)의 얇은 층을 침착시켰다. PMMA 층을 뜨거운 아세톤으로 조심스럽게 제거하고 약한 그래핀 발포체 샘플을 수득하였다. PMMA 지지체 층의 사용은 그래핀 발포체의 독립형 필름을 제조하는 데 중요하다; PMMA 지지제 층이 없이는 오로지 심하게 왜곡되고 변형된 그래핀 발포체 샘플만 수득하였다. 이것은 환경 친화적이지 않고 확장 가능성이 없는 까다로운 공정이다.This method is described in published literature [Chen, Z. et al. “Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition,” Nat. Mater. 10, 424-428 (2011). Nickel foam, a porous structure with an interconnected 3D scaffold of nickel, was chosen as a template for the growth of graphene foam. Briefly, carbon was introduced into the nickel foam by decomposing CH 4 at 1,000° C. under normal pressure, and then a graphene film was deposited on the surface of the nickel foam. Due to the difference in thermal expansion coefficient between nickel and graphene, ripples and wrinkles formed on the graphene film. To recover (separate) the graphene foam, the Ni frame must be etched away. Before etching away the nickel framework with hot HCl (or FeCl 3 ) solution, poly(methyl methacrylate) (PMMA) was applied on the surface of the graphene film as a support to prevent collapse of the graphene network during nickel etching. A thin layer of was deposited. The PMMA layer was carefully removed with hot acetone and a weak graphene foam sample was obtained. The use of a PMMA support layer is important to fabricate free-standing films of graphene foam; Without the PMMA support layer, only highly distorted and deformed graphene foam samples were obtained. This is a difficult process that is not environmentally friendly and has no scalability.

비교예 5: 피치 기반 탄소 발포체로부터의 종래의 흑연 발포체 Comparative Example 5 : Conventional graphite foam from pitch-based carbon foam

피치 분말, 과립, 또는 펠릿을 발포체의 원하는 최종 형상을 가진 알루미늄 금형에 넣는다. Mitsubishi ARA-24 메소상 피치를 활용하였다. 샘플을 1 torr 미만으로 배기한 다음 대략 300℃의 온도로 가열하였다. 이 시점에서, 진공을 질소 블랭킷(blanket)으로 방출하고 이어서 1,000 psi 이하의 압력을 가하였다. 이어서 시스템의 온도를 800℃로 상승시켰다. 이를 2℃/분의 속도로 수행하였다. 이 온도를 적어도 15분 동안 유지하여 침액(soak)을 달성한 다음 노 전원(furnace power)을 차단하고, 대략 2 psi/분의 속도로 압력을 해제하면서 대략 1.5℃/분의 속도로 실온까지 냉각시켰다. 최종 발포체 온도는 630℃ 및 800℃였다. 냉각 사이클 동안, 압력은 점차적으로 대기 상태로 해제하였다. 이어서 발포체를 질소 블랭킷하에 1050℃로 열처리하고(탄화) 이어서 별도의 실시로 아르곤하에 흑연 도가니에서 2500℃ 및 2800℃로 열처리하였다(흑연화). The pitch powder, granules, or pellets are placed into an aluminum mold with the desired final shape of the foam. Mitsubishi ARA-24 mesophase pitch was used. The sample was evacuated to less than 1 torr and then heated to a temperature of approximately 300°C. At this point, the vacuum was released with a nitrogen blanket and then pressure up to 1,000 psi was applied. The temperature of the system was then raised to 800°C. This was performed at a rate of 2°C/min. Maintain this temperature for at least 15 minutes to achieve a soak, then turn off furnace power and cool to room temperature at approximately 1.5°C/min while releasing pressure at approximately 2 psi/min. I ordered it. Final foam temperatures were 630°C and 800°C. During the cooling cycle, the pressure was gradually released to atmospheric conditions. The foam was then heat treated to 1050°C under a nitrogen blanket (carbonization) and then in separate runs to 2500°C and 2800°C in a graphite crucible under argon (graphitization).

비교예 6: 열수 환원 그래핀 산화물로부터의 그래핀 발포체 Comparative Example 6 : Graphene foam from hydrothermally reduced graphene oxide

비교를 위해, 자기조립 그래핀 하이드로겔(SGH) 샘플을 1단계 열수 방법으로 제조하였다. 통상의 방법에서, SGH는 테프론-라이닝 오토클레이브(Teflon-lined autoclave)에서 밀봉된 균질 그래핀 산화물(GO) 수성 분산액 2 mg/mL를 180℃로 12시간 동안 가열함으로써 용이하게 제조할 수 있다. 대략 2.6 중량%의 그래핀 시트와 97.4%의 물을 포함하는 SGH는 대략 5 x 10-3 S/㎝의 전기 전도도를 갖는다. 건조 및 1,500℃에서의 열처리시, 생성된 그래핀 발포체는 대략 1.5 x 10-1 S/㎝의 전기 전도도를 나타내고, 이것은 같은 온도에서 열 처리하여 제조한 본 발명의 그래핀 발포체보다 2배 낮은 것이다. For comparison, self-assembled graphene hydrogel (SGH) samples were prepared by a one-step hydrothermal method. In a conventional method, SGH can be easily prepared by heating 2 mg/mL of a sealed homogeneous graphene oxide (GO) aqueous dispersion to 180°C for 12 hours in a Teflon-lined autoclave. SGH, which contains approximately 2.6% by weight graphene sheets and 97.4% water, has an electrical conductivity of approximately 5 x 10 -3 S/cm. Upon drying and heat treatment at 1,500°C, the resulting graphene foam exhibits an electrical conductivity of approximately 1.5 x 10 -1 S/cm, which is two times lower than that of the graphene foam of the present invention prepared by heat treatment at the same temperature. .

실시예 9: 다양한 그래핀 발포체와 종래 흑연 발포체의 열 및 기계 시험 Example 9 : Thermal and mechanical testing of various graphene foams and conventional graphite foams

다양한 종래 탄소 또는 그래핀 발포체 물질의 샘플을 열 전도도 측정을 위한 시편으로 가공하였다. 메소상 피치 유도 발포체의 벌크 열 전도도는 67 W/mK 내지 151 W/mK의 범위였다. 샘플의 밀도는 0.31~0.61 g/㎤이었다. 무게를 고려할 때, 피치 유도 발포체의 비 열 전도도(specific thermal conductivity)는 비중(또는 물리적 밀도) 당 대략 67/0.31 = 216 및 151/0.61 = 247.5 W/mK이다.Samples of various conventional carbon or graphene foam materials were processed into specimens for thermal conductivity measurements. The bulk thermal conductivity of the mesophasic pitch induced foam ranged from 67 W/mK to 151 W/mK. The density of the samples was 0.31 to 0.61 g/cm3. Considering the weight, the specific thermal conductivity of the pitch derived foam is approximately 67/0.31 = 216 and 151/0.61 = 247.5 W/mK per specific gravity (or physical density).

평균 밀도가 0.51 g/㎤인 샘플의 압축 강도는 3.6 MPa로 측정되었고, 압축 탄성률은 74 MPa로 측정되었다. 대조적으로, 유사한 물리적 밀도를 갖는 본 발명의 그래핀-탄소 발포체 샘플의 압축 강도 및 압축 탄성률은 각각 6.2 MPa 및 113 MPa이다.The compressive strength of the sample with an average density of 0.51 g/cm3 was measured at 3.6 MPa, and the compressive modulus was measured at 74 MPa. In contrast, the compressive strength and compressive modulus of the inventive graphene-carbon foam sample with similar physical density are 6.2 MPa and 113 MPa, respectively.

도 4a는 3D 일체형 그래핀-탄소 발포체, 메소상 피치 유도 흑연 발포체, 및 Ni 발포체 템플레이트 보조 CVD 그래핀 발포체의 열 전도도 값 대 비중을 도시한 것이다. 이 데이터는 하기의 예상치 못한 결과를 명확하게 설명한다:Figure 4a shows the thermal conductivity values versus specific gravity of 3D integral graphene-carbon foam, mesophasic pitch induced graphite foam, and Ni foam template assisted CVD graphene foam. This data clearly explains the following unexpected results:

1) 본 발명의 방법에 의해 제조된 3D 일체형 그래핀-탄소 발포체는 동일한 물리적 밀도가 주어지면, 메소상 피치 유도 흑연 발포체 및 Ni 발포체 템플레이트 보조 CVD 그래핀과 비교하여 현저히 높은 열 전도도를 나타낸다.1) The 3D integral graphene-carbon foam prepared by the method of the present invention exhibits significantly higher thermal conductivity compared to mesophase pitch-induced graphite foam and Ni foam template-assisted CVD graphene, given the same physical density.

2) CVD 그래핀은 산화에 노출된 적 없는 본질적으로 순수한 그래핀이고, 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체에 비해 높은 열 전도도를 나타냈어야 한다는 개념에서 볼 때, 이것은 매우 놀랍다. 하이브리드 발포체의 탄소상은 일반적으로 결정도가 낮으므로(일부는 비정질 탄소), 그래핀 단독에 비해 열 전도도 또는 전기 전도도가 훨씬 낮다. 하지만, 탄소상을 그래핀 시트와 결합시켜 본 발명의 방법에 의해 제조된 일체형 구조를 형성하는 경우, 생성된 하이브리드 발포체는 완전 순수한 그래핀 발포체와 유사한 열 전도도를 나타낸다. 본원에서 제조된 그래핀-탄소 하이브리드 발포체에서 관찰된 이러한 매우 높은 열 전도도 값은 놀라운 것이다. 이것은 달리 독립된 그래핀 시트가 이제 탄소상에 의해 결합되어 전자와 포논의 중단 없는 이동을 위한 가교 역할을 한다는 관찰에 기인한 것 같다.2) This is very surprising, considering that CVD graphene is essentially pure graphene that has never been exposed to oxidation, and should have exhibited higher thermal conductivity compared to the graphene-carbon hybrid foam of the present invention. The carbon phase of hybrid foams is generally less crystalline (some is amorphous carbon) and therefore has much lower thermal or electrical conductivity than graphene alone. However, when the carbon phase is combined with graphene sheets to form an integrated structure prepared by the method of the present invention, the resulting hybrid foam exhibits a thermal conductivity similar to that of completely pure graphene foam. These very high thermal conductivity values observed in the graphene-carbon hybrid foam prepared here are surprising. This is likely due to the observation that the otherwise free-standing graphene sheets are now held together by the carbon phase, acting as a bridge for uninterrupted movement of electrons and phonons.

3) 본 발명의 하이브리드 발포체 물질의 비전도율 값은 단위 비중당 250 내지 500 W/mK의 값을 나타내지만; 다른 유형의 발포체 물질의 비전도율 값은 통상적으로 단위 비중당 250 W/mK 미만이다.3) the specific conductivity value of the hybrid foam material of the present invention represents a value of 250 to 500 W/mK per unit specific gravity; Specific conductivity values of other types of foam materials are typically less than 250 W/mK per unit specific gravity.

4) 일련의 3D 그래핀-탄소 발포체 및 일련의 순수 그래핀 유도 발포체에 대한 열 전도도 데이터를 모두 최종(최대) 열처리 온도에 대해 도시하여 도 5에 요약하였다. 두 유형의 물질 모두에서 열 전도도는 최종 HTT에 따라 단조 증가한다. 하지만, 본 발명의 방법은 순수 그래핀 발포체를 능가하는 그래핀-탄소 발포체를 비용 효과적이고 환경 친화적으로 제조 가능하게 한다. 이것은 또 다른 예상치 않은 결과이다.4) Thermal conductivity data for a series of 3D graphene-carbon foams and a series of pure graphene derived foams are summarized in Figure 5, both plotted against final (maximum) heat treatment temperature. For both types of materials, the thermal conductivity increases monotonically with final HTT. However, the method of the present invention enables the production of graphene-carbon foam that surpasses pure graphene foam in a cost-effective and environmentally friendly manner. This is another unexpected result.

5) 도 4b는 본 발명의 하이브리드 발포체 및 열수 환원된 GO 그래핀 발포체의 열 전도도 값을 도시한다. 3D 그래핀-탄소 발포체 및 열수 환원된 GO 그래핀 발포체의 전기 전도도 값은 도 6에 도시한다. 이 데이터는 동일한 양의 고체 물질이 주어지면, 본 발명의 그래핀-탄소 발포체가 본질적으로 가장 전도성이 있어, 전자 및 포논 이동 경로에서의 연속성의 중요성을 반영한다는 개념을 추가로 지지한다. 탄소상은 그래핀 시트 사이의 틈이나 중단된 곳을 가교한다.5) Figure 4b shows the thermal conductivity values of the hybrid foam and hydrothermally reduced GO graphene foam of the present invention. The electrical conductivity values of 3D graphene-carbon foam and hydrothermally reduced GO graphene foam are shown in Figure 6. This data further supports the notion that, given equal amounts of solid material, the graphene-carbon foams of the present invention are inherently the most conductive, reflecting the importance of continuity in electron and phonon transport paths. The carbon phase bridges gaps or interruptions between graphene sheets.

실시예 10: 다양한 그래핀 발포체 및 종래 흑연 발포체의 특성 Example 10 : Properties of various graphene foams and conventional graphite foams

몇몇 일련의 그래핀-탄소 발포체 물질의 내부 구조(결정 구조 및 배향)를 X선 회절을 이용하여 조사하였다. 천연 흑연의 X선 회절 곡선은 통상적으로 약 2θ = 26°에서 피크를 나타내며, 이는 약 0.3345 nm의 그래핀간 간격(d002)에 상응한다. 하이브리드 발포체 물질의 그래핀 벽은 통상적으로 0.3345 nm 내지 0.40 nm, 그러나 보다 통상적으로는 최대 0.34 nm의 그래핀간 간격(d002)을 나타낸다.The internal structure (crystal structure and orientation) of several series of graphene-carbon foam materials was investigated using X-ray diffraction. The X-ray diffraction curve of natural graphite typically peaks at about 2θ = 26°, which corresponds to an intergraphene spacing (d 002 ) of about 0.3345 nm. The graphene walls of the hybrid foam material typically exhibit an inter-graphene spacing (d 002 ) of 0.3345 nm to 0.40 nm, but more typically up to 0.34 nm.

발포체 구조를 2,750℃의 열처리 온도로 1시간 동안 압축하면, d002 간격은 흑연 단결정의 d002 간격과 동일한 0.3354 nm 정도로 감소한다. 또한, (004)면으로부터의 X선 회절에 해당하는 2θ = 55°에서 높은 강도로 제2 회절 피크가 나타난다. 동일한 회절 곡선에서의 (002) 강도에 대한 (004) 피크 강도, 또는 I(004)/I(002) 비는 결정의 완전성 정도와 그래핀 면의 우선 배향을 나타내는 좋은 지표이다. 2,800℃ 보다 낮은 온도에서 열처리된 모든 흑연 물질에 대해 I(004)/I(002) 비는 0.1 미만으로, (004) 피크는 존재하지 않거나 상대적으로 약하다. 3,000~3,250℃에서 열처리된 흑연 물질(예를 들어, 고도로 배향된 열분해 흑연, HOPG)에 대한 I(004)/I(002) 비는 0.2~0.5의 범위이다. 대조적으로, 2,750℃의 최종 HTT로 1시간 동안 제조한 그래핀 발포체는 0.78의 I(004)/I(002) 비 및 0.21의 모자이크 분산값을 나타내며, 이는 세공 벽이 양호한 정도의 우선 배향을 갖는 실질적으로 완전한 그래핀 단결정임을 나타낸다(압축력 하에서 제조되는 경우).When the foam structure is compressed at a heat treatment temperature of 2,750°C for 1 hour, the d 002 spacing decreases to about 0.3354 nm, which is the same as the d 002 spacing of a graphite single crystal. Additionally, a second diffraction peak appears with high intensity at 2θ = 55°, corresponding to X-ray diffraction from the (004) plane. The (004) peak intensity relative to the (002) intensity in the same diffraction curve, or the I (004)/ I (002) ratio, is a good indicator of the degree of crystal integrity and preferential orientation of the graphene planes. For all graphite materials heat-treated at temperatures lower than 2,800°C, the I (004)/ I (002) ratio is less than 0.1, and the (004) peak is absent or relatively weak. The I (004)/ I (002) ratio for graphitic materials heat treated at 3,000-3,250° C. (e.g., highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) ranges from 0.2 to 0.5. In contrast, graphene foams prepared with a final HTT of 2,750 °C for 1 h exhibit an I (004)/ I (002) ratio of 0.78 and a mosaic dispersion value of 0.21, indicating that the pore walls have a good degree of preferential orientation. It indicates a substantially complete graphene single crystal (when manufactured under compressive force).

"모자이크 분산"값은 X선 회절 강도 곡선에서의 (002) 반사의 반값 전폭으로부터 얻는다. 정렬도에 대한 이 지표는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 결정 입도), 결정립계 및 기타 결함의 양, 및 우선 결정 배향도를 특성화 한다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 0.2~0.4의 모자이크 분산값을 갖는 것이 특징이다. 본 발명의 그래핀 발포체 일부는 2,500℃ 이상의 최종 열처리 온도를 사용하여 제조한 경우 0.3~0.6의 범위의 모자이크 분산값을 갖는다.The “mosaic dispersion” value is obtained from the full width at half maximum of the (002) reflection in the X-ray diffraction intensity curve. This indicator of ordering characterizes the graphite or graphene crystal size (or grain size), amount of grain boundaries and other defects, and preferred crystal orientation. A nearly perfect single crystal of graphite is characterized by a mosaic dispersion value of 0.2 to 0.4. Some of the graphene foams of the present invention have a mosaic dispersion value in the range of 0.3 to 0.6 when manufactured using a final heat treatment temperature of 2,500°C or higher.

다음은 몇 가지 더 중요한 결과에 대한 요약이다:Here is a summary of some of the more important results:

1) 일반적으로, 충격 볼을 첨가하면 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 박리시키는 과정을 가속하는 것을 돕는다. 하지만, 이 옵션은 그래핀-코팅 중합체 입자를 제조한 후에 충격 볼의 분리를 요한다.1) In general, adding impact balls helps accelerate the process of exfoliation of graphene sheets from graphite particles. However, this option requires separation of the impact balls after manufacturing the graphene-coated polymer particles.

2) 충격 볼(예를 들어 세라믹, 유리, 금속 볼 등)을 사용하지 않는 경우, 보다 경질의 중합체 입자(예를 들어, PE, PP, 나일론, ABS, 폴리스티렌, 고 충격 폴리스티렌 등 및 이들의 충전제 보강 형태)는 보다 연질의 중합체 입자(예를 들어, 고무, PVC, 폴리비닐 알코올, 라텍스 입자)와 비교할 때, 흑연 입자로부터 그래핀 시트를 더 잘 박리시킬 수 있다.2) If impact balls (e.g. ceramic, glass, metal balls, etc.) are not used, harder polymer particles (e.g. PE, PP, nylon, ABS, polystyrene, high impact polystyrene, etc. and their fillers) reinforcement forms) can better exfoliate graphene sheets from graphite particles compared to softer polymer particles (e.g., rubber, PVC, polyvinyl alcohol, latex particles).

3) 충격 볼을 외부에서 추가하지 않으면, 동일한 1시간의 가동 시간이 주어진 경우, 보다 연질의 중합체 입자는 0.001 중량% 내지 5 중량%의 그래핀(주로 단일층 그래핀 시트)을 갖는 그래핀-코팅 또는 삽입 입자를 생성하는 경향이 있고, 보다 경질의 중합체 볼은 0.01 중량% 내지 30 중량%의 그래핀(주로 단일층 및 소수층 그래핀 시트)을 갖는 그래핀-코팅 입자를 생성하는 경향이 있다.3) Without adding impact balls externally, given the same 1 hour run time, the softer polymer particles are graphene-rich with 0.001 wt% to 5 wt% graphene (mainly single-layer graphene sheets). Tend to produce coating or embedded particles, harder polymer balls tend to produce graphene-coated particles with 0.01% to 30% by weight graphene (mainly single-layer and few-layer graphene sheets). .

4) 외부에서 충격 볼을 추가하면, 모든 중합체 볼은 0.001 중량% 내지 약 80 중량%의 그래핀 시트(30 중량% 초과의 그래핀 시트의 경우, 주로 10층 미만의 소수층 그래핀)를 지지할 수 있다.4) When impact balls are added externally, all polymer balls will support from 0.001% to about 80% by weight graphene sheets (for graphene sheets greater than 30% by weight, mainly few-layer graphene, less than 10 layers). You can.

5) 본 발명의 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 물질은 통상적으로 종래의 선행 기술 방법에 의해 제조된 대응물과 비교하여 현저히 높은 구조적 완전성(예를 들어, 압축 강도, 탄성, 및 복원성) 및 보다 높은 열 전도도 및 전기 전도도를 나타낸다.5) The graphene-carbon hybrid foam materials of the present invention typically have significantly higher structural integrity (e.g., compressive strength, elasticity, and resilience) and higher thermal stability compared to counterparts prepared by conventional prior art methods. Indicates conductivity and electrical conductivity.

6) 흑연 발포체 또는 그래핀 발포체를 제조하기 위한 모든 선행 기술 공정은 약 0.2 내지 0.6 g/㎤ 범위의 물리적 밀도를 갖는 단지 거시적 다공성 발포체를 제공하는 것으로 보이며, 세공 크기는 대부분의 의도된 용도로는 통상적으로 너무 크다(예를 들어, 20 내지 300 ㎛). 대조적으로, 본 발명은 0.001 g/㎤만큼 낮은 밀도 및 1.7 g/㎤만큼 높은 밀도를 가질 수 있는 그래핀 발포체를 생성하는 방법을 제공한다. 세공 크기는 미세(2 nm 미만)에서 중간 크기(2~50 nm), 거시적 크기(예를 들어 1 내지 500 ㎛)까지 다양할 수 있다. 다양한 유형의 그래핀-탄소 발포체를 설계할 때 이러한 수준의 유연성과 다기능성은 전례가 없고 어떤 선행 기술의 방법과도 비교가 되지 않는다.6) All prior art processes for making graphite foam or graphene foam appear to provide only macroporous foams with physical densities in the range of about 0.2 to 0.6 g/cm3 and pore sizes that are sufficient for most intended uses. It is usually too large (eg 20 to 300 μm). In contrast, the present invention provides a method of producing graphene foam that can have densities as low as 0.001 g/cm3 and as high as 1.7 g/cm3. Pore sizes can vary from microscopic (less than 2 nm) to mesoscopic (2-50 nm) to macroscopic (e.g., 1-500 μm). This level of flexibility and versatility in designing different types of graphene-carbon foams is unprecedented and unmatched by any prior art method.

7) 본 발명의 방법은 또한 다양한 적용 요구(예를 들어, 기름으로 오염된 물로부터 기름의 회수, 물 또는 기타 용매로부터 유기 용매의 분리, 방열 등)에 대응하여 화학 조성(예를 들어, F, O 및 N 함량 등)에 대한 편리하고 유연한 제어를 가능하게 한다.7) The method of the present invention also responds to various application needs (e.g., recovery of oil from oil-contaminated water, separation of organic solvents from water or other solvents, heat dissipation, etc.) by adjusting the chemical composition (e.g., F , O and N contents, etc.) enables convenient and flexible control.

결론적으로, 완전히 새롭고, 신규하고, 예상을 넘어서는, 명백하게 다른 종류의 고도의 전도성을 가진 그래핀-탄소 하이브리드 발포체 물질, 장치, 및 이와 관련된 제조 공정을 성공적으로 개발하였다. 이 새로운 종류의 발포체 물질의 화학 조성(산소, 불소, 및 기타 비탄소 원소의 %), 구조(결정 완전성, 결정 입도, 결함 개수 등), 결정 배향, 형태, 제조 방법, 및 특성은 메소상 피치 유도 흑연 발포체, CVD 그래핀 유도 발포체, 및 GO의 열수 환원으로부터의 그래핀 발포체와는 근본적으로 다르고 명백하게 구별되는 것이다.In conclusion, we have successfully developed a completely new, novel, unexpected, and distinctly different type of highly conductive graphene-carbon hybrid foam material, device, and associated manufacturing process. The chemical composition (% of oxygen, fluorine, and other non-carbon elements), structure (crystal integrity, grain size, number of defects, etc.), crystal orientation, morphology, manufacturing method, and properties of this new class of foam materials are known as mesophase pitch. It is fundamentally different and clearly distinct from induced graphite foam, CVD graphene derived foam, and graphene foam from hydrothermal reduction of GO.

Claims (41)

다중 세공(multiple pores) 및 세공 벽(pore walls)으로 구성되는 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체로서, 상기 세공 벽은 탄소 물질-대-그래핀 중량비가 1/200 내지 1/2인 탄소 물질에 의해 화학적으로 결합된 단일층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 상기 소수층 그래핀 시트는 X선 회절에 의해 측정된 면간 간격 d002가 0.3354 nm 내지 0.40 nm인 중첩된 그래핀 면(graphene planes) 2 내지 10개 층을 가지며, 상기 단일층 또는 소수층 그래핀 시트는 비탄소(non-carbon) 원소가 본질적으로 0%인 순수(pristine) 그래핀 물질, 또는 0.001 중량% 내지 25 중량%의 비탄소 원소를 갖는 비순수(non-pristine) 그래핀 물질을 포함하며, 상기 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam consisting of multiple pores and pore walls, wherein the pore walls are made of carbon material with a carbon material-to-graphene weight ratio of 1/200 to 1/2. It includes a single-layer or few-layer graphene sheet chemically bonded by, wherein the few-layer graphene sheet has an interplanar spacing d 002 of 0.3354 nm to 0.40 nm as measured by X-ray diffraction. Overlapping graphene planes 2 to 10 layers, wherein the single-layer or few-layer graphene sheet is a pristine graphene material containing essentially 0% non-carbon elements, or 0.001% to 25% by weight of non-carbon elements. It includes a non-pristine graphene material having, wherein the non-pure graphene includes graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, An integral 3D graphene-carbon hybrid foam selected from hydrogenated graphene, graphene nitride, doped graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 0.005 내지 1.7 g/㎤의 밀도, 50 내지 3,200 ㎡/g의 비표면적, 단위 비중당 적어도 200 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,000 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The method of claim 1, wherein the 3D graphene-carbon hybrid foam has a density of 0.005 to 1.7 g/cm3, a specific surface area of 50 to 3,200 m2/g, a thermal conductivity of at least 200 W/mK per unit specific gravity, and/or An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam with an electrical conductivity of more than 2,000 S/cm per specific gravity. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 순수 그래핀을 포함하고, 상기 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 0.01 내지 1.7 g/㎤의 밀도, 또는 2 nm 내지 50 nm의 평균 세공 크기를 갖는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The integral 3D foam of claim 1, wherein the pore walls comprise pure graphene and the 3D graphene-carbon hybrid foam has a density of 0.01 to 1.7 g/cm3, or an average pore size of 2 nm to 50 nm. Graphene-carbon hybrid foam. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 비순수 그래핀 물질을 포함하고, 상기 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량%의 범위의 비탄소 원소 함량을 포함하고, 상기 비탄소 원소는 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 또는 붕소로부터 선택되는 원소를 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The method of claim 1, wherein the pore walls comprise impure graphene material, and the foam comprises a non-carbon element content ranging from 0.01% to 20% by weight, wherein the non-carbon elements include oxygen, fluorine, and chlorine. , an integral 3D graphene-carbon hybrid foam comprising an element selected from bromine, iodine, nitrogen, hydrogen, or boron. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 그래핀 불화물을 포함하고, 상기 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 0.01 중량% 내지 15 중량%의 불소 함량을 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore walls include graphene fluoride, and the graphene-carbon hybrid foam includes a fluorine content of 0.01% to 15% by weight. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 그래핀 산화물을 포함하고, 상기 그래핀-탄소 하이브리드 발포체는 0.01 중량% 내지 20 중량%의 산소 함량을 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore walls comprise graphene oxide, and the graphene-carbon hybrid foam comprises an oxygen content of 0.01% to 20% by weight. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 200 내지 3,000 ㎡/g의 비표면적, 또는 0.1 내지 1.2 g/㎤의 밀도를 갖는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The integrated 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the foam has a specific surface area of 200 to 3,000 m2/g, or a density of 0.1 to 1.2 g/cm3. 제1항에 있어서, 100 nm 내지 10 ㎝의 두께 및 적어도 2 미터의 길이를 갖는 연속적인 길이의 롤 시트 형태이고, 롤-투-롤 공정으로 제조되는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The monolithic 3D graphene-carbon hybrid foam according to claim 1, in the form of a continuous length roll sheet having a thickness of 100 nm to 10 cm and a length of at least 2 meters and manufactured by a roll-to-roll process. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 1 중량% 미만의 산소 함량 또는 비탄소 함량을 갖고, 상기 세공 벽은 0.35 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 250 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 2,500 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The method of claim 1, wherein the foam has an oxygen content or non-carbon content of less than 1% by weight, and the pore walls have an intergraphene spacing of less than 0.35 nm, a thermal conductivity of at least 250 W/mK per unit of gravity, and/or An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam with an electrical conductivity of more than 2,500 S/cm per unit specific gravity. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 0.01 중량% 미만의 산소 함량 또는 비탄소 함량을 갖고, 상기 세공 벽은 0.34 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 300 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 3,000 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The method of claim 1, wherein the foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than 0.01% by weight, and the pore walls have an inter-graphene spacing of less than 0.34 nm, a thermal conductivity of at least 300 W/mK per unit of gravity, and/or An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam comprising overlapping graphene planes with an electrical conductivity of more than 3,000 S/cm per unit specific gravity. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 0.01 중량% 이하의 산소 함량 또는 비탄소 함량을 갖고, 상기 세공 벽은 0.336 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 적어도 350 W/mK의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 3,500 S/㎝ 이상의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The method of claim 1, wherein the foam has an oxygen content or a non-carbon content of less than 0.01% by weight, and the pore walls have an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm, a thermal conductivity of at least 350 W/mK per unit of gravity, and/or An integrated 3D graphene-carbon hybrid foam comprising overlapping graphene planes with an electrical conductivity of more than 3,500 S/cm per unit specific gravity. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 0.336 nm 미만의 그래핀간 간격, 단위 비중당 400 W/mK 초과의 열 전도도, 및/또는 단위 비중당 4,000 S/㎝ 초과의 전기 전도도를 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는 세공 벽을 갖는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The method of claim 1, wherein the foam comprises overlapped graphene planes having an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm, a thermal conductivity of greater than 400 W/mK per unit of gravity, and/or an electrical conductivity of greater than 4,000 S/cm per unit of gravity. A monolithic 3D graphene-carbon hybrid foam having a pore wall comprising. 제1항에 있어서, 세공 벽은 0.337 nm 미만의 그래핀간 간격 및 1.0 미만의 모자이크 분산값을 갖는 중첩된 그래핀 면을 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore walls comprise overlapping graphene planes with an inter-graphene spacing of less than 0.337 nm and a mosaic dispersion value of less than 1.0. 제1항에 있어서, 상기 세공 벽은 상호 연결된 그래핀 면의 3D 망상구조를 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.2. The monolithic 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the pore walls comprise a 3D network of interconnected graphene planes. 제1항에 있어서, 상기 발포체는 2 nm 내지 50 nm의 세공 크기를 갖는 중간 크기의(meso-scaled) 세공을 포함하는, 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체.The integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1, wherein the foam includes meso-scaled pores with a pore size of 2 nm to 50 nm. 기름-흡수 요소로서 제1항의 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 기름-제거 또는 기름-분리 장치.An oil-removal or oil-separation device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1 as an oil-absorbing element. 용매-흡수 또는 용매-분리 요소로서 제1항의 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 용매-제거 또는 용매-분리 장치.A solvent-removal or solvent-separation device comprising the 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1 as a solvent-absorbing or solvent-separating element. 물로부터 기름을 분리하는 방법으로서,
a. 제1항의 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 기름-흡수 요소를 제공하는 단계;
b. 기름-물 혼합물을 상기 요소와 접촉시켜 혼합물로부터 기름을 흡수하는 단계;
c. 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 기름을 추출하는 단계; 및
d. 상기 요소를 재사용하는 단계
를 포함하는 방법.
As a method for separating oil from water,
a. Providing an oil-absorbing element comprising the integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1;
b. contacting the oil-water mixture with the element to absorb oil from the mixture;
c. withdrawing the urea from the mixture and extracting oil from the urea; and
d. Steps to reuse the above elements
How to include .
용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 방법으로서,
a. 제1항의 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 포함하는 유기 용매-흡수 또는 용매-분리 요소를 제공하는 단계;
b. 상기 요소를 제1 용매 및 적어도 제2 용매를 포함하는 유기 용매-물 혼합물 또는 다중-용매 혼합물과 접촉시키는 단계;
c. 상기 요소가 혼합물로부터 유기 용매를 흡수하거나 상기 적어도 제 2용매로부터 상기 제1 용매를 분리하도록 허용하는 단계; 및
d. 혼합물로부터 상기 요소를 빼내고 상기 요소로부터 유기 용매 또는 제 1용매를 추출하는 단계; 및
e. 상기 요소를 재사용하는 단계
를 포함하는 방법.
A method for separating an organic solvent from a solvent-water mixture or a multi-solvent mixture, comprising:
a. Providing an organic solvent-absorbing or solvent-separating element comprising the integral 3D graphene-carbon hybrid foam of claim 1;
b. contacting the element with an organic solvent-water mixture or multi-solvent mixture comprising a first solvent and at least a second solvent;
c. allowing said element to absorb organic solvent from the mixture or to separate said first solvent from said at least second solvent; and
d. withdrawing the urea from the mixture and extracting an organic solvent or a first solvent from the urea; and
e. Steps to reuse the above elements
How to include .
제1항의 3D 일체형 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 열 확산 또는 방열 요소로서 포함하는 열 관리 장치.A thermal management device comprising the 3D integrated graphene-carbon hybrid foam of claim 1 as a heat diffusion or heat dissipation element. 제20항에 있어서, 열 교환기, 히트 싱크, 히트 파이프, 고 전도성 인서트(insert), 히트 싱크와 열원 사이의 전도성 판, 열-확산 부품, 방열 부품, 열 전달 매체(thermal interface medium), 또는 열전 냉각 장치나 펠티에(Peltier) 냉각 장치로부터 선택되는 장치를 포함하는, 열 관리 장치.21. The method of claim 20, wherein a heat exchanger, a heat sink, a heat pipe, a highly conductive insert, a conductive plate between the heat sink and the heat source, a heat-diffusing component, a heat dissipation component, a thermal interface medium, or a thermoelectric A thermal management device comprising a device selected from a cooling device or a Peltier cooling device. 흑연 물질로부터 직접 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 제조하는 방법으로서,
(a) 흑연 물질의 다중 입자와 고체 중합체 캐리어 물질의 다중 입자를 혼합하여 에너지 충격 장치(energy impacting apparatus)의 충격 챔버(impacting chamber)에서 혼합물을 형성하는 단계;
(b) 상기 에너지 충격 장치를 상기 흑연 물질로부터 그래핀 시트를 박리시키기에 충분한 주파수와 강도로 긴 시간 동안 가동하고 상기 그래핀 시트를 상기 고체 중합체 캐리어 물질 입자의 표면으로 이동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 상기 충격 챔버 내에서 제조하는 단계;
(c) 상기 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 상기 충격 챔버로부터 회수하고, 상기 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 원하는 형태의 그래핀-중합체 복합체 구조로 통합하는 단계; 및
(d) 상기 형태의 그래핀-중합체 복합체 구조를 열분해하여 상기 중합체를 세공 및 상기 그래핀 시트를 결합시키는 탄소 또는 흑연으로 열변환하여 상기 일체형 3D 그래핀-탄소 하이브리드 발포체를 형성하는 단계
를 포함하는, 방법
A method for producing an integrated 3D graphene-carbon hybrid foam directly from graphitic material, comprising:
(a) mixing multiple particles of a graphitic material and multiple particles of a solid polymeric carrier material to form a mixture in an impacting chamber of an energy impacting apparatus;
(b) operating the energy impact device for a long period of time at a frequency and intensity sufficient to exfoliate the graphene sheet from the graphitic material and move the graphene sheet to the surface of the solid polymer carrier material particle to form a graphene-coating or producing graphene-embedded polymer particles in the impact chamber;
(c) recovering the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles from the impact chamber and incorporating the graphene-coated or graphene-inserted polymer particles into a graphene-polymer composite structure of a desired shape; and
(d) thermally decomposing the graphene-polymer composite structure of the above type and thermally converting the polymer into carbon or graphite that binds the pores and the graphene sheet to form the integrated 3D graphene-carbon hybrid foam.
method, including
제22항에 있어서, 상기 에너지 충격 장치의 충격 챔버에 복수의 충격 볼 또는 매개체를 추가하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein a plurality of impact balls or mediators are added to the impact chamber of the energy impact device. 제23항에 있어서, 단계 (c)는 자석을 작동시켜 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자로부터 충격 볼 또는 매개체를 분리하는 것을 포함하는, 방법.24. The method of claim 23, wherein step (c) comprises actuating a magnet to separate the impact ball or mediator from the graphene-coated or graphene-embedded polymer particles. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체 물질 입자는 10 nm 내지 10 mm의 직경 또는 두께를 갖는 플라스틱 또는 고무 비드, 펠릿, 구, 와이어, 섬유, 필라멘트, 디스크, 리본, 또는 막대인, 방법.23. The method of claim 22, wherein the particles of solid polymer material are plastic or rubber beads, pellets, spheres, wires, fibers, filaments, disks, ribbons, or rods having a diameter or thickness of 10 nm to 10 mm. 제25항에 있어서, 상기 직경 또는 두께가 100 nm 내지 1 mm인, 방법.26. The method of claim 25, wherein the diameter or thickness is between 100 nm and 1 mm. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체는 열가소성, 열경화성 수지, 고무, 반침투(semi-penetrating) 망상 중합체, 침투 망상 중합체, 천연 고분자, 또는 이들의 조합의 고체 입자로부터 선택되는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the solid polymer is selected from solid particles of thermoplastics, thermosets, rubbers, semi-penetrating network polymers, penetrating network polymers, natural polymers, or combinations thereof. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체는 단계 (d) 이전에 용융, 에칭, 또는 용매에 용해함으로써 부분적으로 제거되는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the solid polymer is partially removed prior to step (d) by melting, etching, or dissolving in a solvent. 제22항에 있어서, 상기 흑연 물질은 천연 흑연, 합성 흑연, 고배향 열분해 흑연(highly oriented pyrolytic graphite), 흑연 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 불화물, 산화 흑연, 화학적으로 개질된 흑연, 박리 흑연, 재압축 박리 흑연, 팽창 흑연, 메소 탄소 마이크로비드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 방법.The method of claim 22, wherein the graphite material is natural graphite, synthetic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, graphite fiber, graphite nanofiber, graphite fluoride, graphite oxide, chemically modified graphite, exfoliated graphite, ash. A method selected from compressed exfoliated graphite, expanded graphite, meso carbon microbeads, or combinations thereof. 제22항에 있어서, 에너지 충격 장치는 진동 볼 밀, 유성형 볼 밀, 고에너지 밀, 바스켓 밀, 교반기(agitator) 볼 밀, 극저온 볼 밀(cryo ball mill), 마이크로 볼 밀, 텀블러 볼 밀, 연속 볼 밀, 교반식(stirred) 볼 밀, 가압 볼 밀, 동결 밀(freezer mill), 진동 체, 비드 밀, 나노 비드 밀, 초음파 균질기 밀, 원심 유성형 혼합기, 진공 볼 밀, 또는 공진 음향 믹서(resonant acoustic mixer)인, 방법.23. The method of claim 22, wherein the energy impact device is a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a high energy mill, a basket mill, an agitator ball mill, a cryo ball mill, a micro ball mill, a tumbler ball mill, a continuous ball mill, etc. Ball mill, stirred ball mill, pressurized ball mill, freezer mill, vibrating sieve, bead mill, nano bead mill, ultrasonic homogenizer mill, centrifugal planetary mixer, vacuum ball mill, or resonant acoustic mixer ( resonant acoustic mixer) method. 제22항에 있어서, 상기 흑연 물질은 상기 혼합 단계 이전에 화학 또는 산화 처리에 노출된 적이 없는 비-삽입 및 비-산화 흑연 물질을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the graphitic material comprises non-intercalated and non-oxidized graphitic material that has not been exposed to a chemical or oxidizing treatment prior to the mixing step. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 높은 중합체를 포함하는, 방법.The method of claim 22, wherein the solid polymer is phenolic resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, poly A carbon yield selected from benzothiazole, polybenzobithiazole, poly(p-phenylene vinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. A method comprising high polymer content. 제22항에 있어서, 상기 고체 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔(ABS), 폴리에스터, 폴리비닐 알코올, 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 낮은 중합체를 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the solid polymer is polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyvinyl chloride, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene (ABS), polyester, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride (PVDF). , polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene oxide (PPO), polymethyl methacrylate (PMMA), copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. Including, method. 제22항에 있어서, 상기 열분해 단계는 상기 중합체를 200℃ 내지 2,500℃의 온도에서 탄화하여 그래핀-탄소 발포체를 수득하거나, 상기 중합체를 200℃ 내지 2,500℃의 온도에서 탄화하여 그래핀-탄소 발포체를 수득한 후, 상기 그래핀-탄소 발포체를 2,500℃ 내지 3,200℃에서 흑연화하여 흑연화된 그래핀-탄소 발포체를 수득하는 것을 포함하는, 방법.The method of claim 22, wherein the thermal decomposition step is performed by carbonizing the polymer at a temperature of 200°C to 2,500°C to obtain a graphene-carbon foam, or carbonizing the polymer at a temperature of 200°C to 2,500°C to obtain a graphene-carbon foam. After obtaining, the graphene-carbon foam is graphitized at 2,500°C to 3,200°C to obtain a graphitized graphene-carbon foam. 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 상기 중합체 입자를 용융시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용융 혼합물을 형성하고, 상기 중합체 용융 혼합물을 원하는 형태로 성형하여 상기 형태를 그래핀-중합체 복합체 구조로 응고시키는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the integrating step melts the polymer particles to form a polymer melt mixture with graphene sheets dispersed therein, and molds the polymer melt mixture into a desired shape to form a graphene-polymer composite structure. A method comprising coagulating with. 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 상기 중합체 입자를 용매에 용해시켜 그 안에 분산된 그래핀 시트와 중합체 용액 혼합물을 형성하고, 상기 중합체 용액 혼합물을 원하는 형태로 성형하고, 상기 용매를 제거하여 상기 형태를 상기 그래핀-중합체 복합체 구조로 응고시키는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the integrating step is performed by dissolving the polymer particles in a solvent to form a polymer solution mixture with graphene sheets dispersed therein, molding the polymer solution mixture into a desired shape, and removing the solvent. A method comprising solidifying the form into the graphene-polymer composite structure. 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 상기 그래핀-코팅 중합체 입자를 막대, 시트, 필름, 섬유, 분말, 잉곳, 또는 블록 형태로부터 선택되는 복합체 형태로 성형하는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the incorporating step includes forming the graphene-coated polymer particles into a composite shape selected from rods, sheets, films, fibers, powders, ingots, or block shapes. 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 거시적 세공을 갖는 다공질 성형체에 상기 그래핀-코팅 중합체 입자를 압축한 후, 석유 피치, 콜타르 피치, 방향족 유기 물질, 단량체, 유기 중합체, 또는 이들의 조합에서 선택되는 추가적인 탄소 원료 물질을 상기 세공에 침투 또는 함침시키는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein the consolidating step is performed after compressing the graphene-coated polymer particles into a porous molded body having macroscopic pores, and then selecting from petroleum pitch, coal tar pitch, aromatic organic materials, monomers, organic polymers, or combinations thereof. A method comprising infiltrating or impregnating the pores with an additional carbon source material. 제38항에 있어서, 상기 유기 중합체는 페놀 수지, 폴리 푸르푸릴 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리옥사디아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리티아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 이들의 공중합체, 이들의 중합체 블렌드, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 탄소 수율이 높은 중합체를 포함하는, 방법The method of claim 38, wherein the organic polymer is phenolic resin, polyfurfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyoxadiazole, polybenzoxazole, polybenzobisoxazole, polythiazole, poly A carbon yield selected from benzothiazole, polybenzobithiazole, poly(p-phenylene vinylene), polybenzimidazole, polybenzobisimidazole, copolymers thereof, polymer blends thereof, or combinations thereof. Methods containing high polymer 제22항에 있어서, 상기 통합 단계는 다량의 상기 그래핀-코팅 또는 그래핀-삽입 중합체 입자를 압축물로 성형하는 것을 포함하는, 방법.23. The method of claim 22, wherein said consolidating step includes forming a quantity of said graphene-coated or graphene-embedded polymer particles into a compact. 제40항에 있어서, 상기 압축물은 막대, 시트, 필름, 섬유, 분말, 잉곳, 또는 블록으로부터 선택되는 형태인, 방법.41. The method of claim 40, wherein the compact is in a form selected from rods, sheets, films, fibers, powders, ingots, or blocks.
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