グラフェン/GO/GrO ナノ複合材料ベースの擬似材料の製造のためのグラファイトの時間依存剥離の最適化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14218 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

グラフェンやその複合材料などの二次元材料を使用して製造された高容量デバイス（スーパーキャパシタ）は、最近研究コミュニティの大きな注目を集めています。 2D 材料およびその複合材料を高品質で合成することは、2D 材料ベースのスーパーキャパシタの製造にとって望ましいです。 超音波支援液相剥離 (UALPE) は、グラフェンの合成に広く使用されている技術の 1 つです。 この記事では、スーパーキャパシタ用途に適した最適な特性を備えたサンプルを抽出するための、黒鉛粉末の剥離に対する超音波処理時間の変化の影響について報告します。 3 つの異なるグラファイト粉末 (以下、サンプル A、サンプル B、およびサンプル C と呼びます) を 60 °C で 24 時間、48 時間、および 72 時間超音波処理しました。 黒鉛粉末のグラフェン、GO、GrO への剥離を、XRD と RAMAN を使用して研究しました。 さらに、AFM と SEM を使用して、合成されたナノ複合材料の層構造を検査しました。 紫外可視分光法とサイクリックボルタンメトリーを使用して、サンプルのバンドギャップと容量性挙動を測定しました。 サンプルＢは、１Ａ／ｇでの充電比容量５３０．１Ｃ／ｇおよびエネルギー密度６６ｋＷ／ｋｇで、５３４．５３Ｆ／ｇの顕著な比容量を示した。 電流密度の変化が 1 ～ 10 A/g の場合、出力密度は 0.75 kWh/kg ～ 7.5 kWh/kg で変化しました。 サンプル B は、他の 2 つのサンプルと比較して、94% の容量保持率、最も低いインピーダンス、最も高い程度の剥離と導電性を示しました。

エネルギー需要の継続的な増加により、エネルギー貯蔵デバイスは常に注目を集めている研究分野です。 化学的、電気化学的、機械的、運動学的、磁気的、熱的などにエネルギーを貯蔵するさまざまなタイプのエネルギー貯蔵装置が実現されています。たとえば、燃料電池、バッテリー、フライホイール、ハイドロポンプ、スーパーマグネットなどです。化石燃料の絶え間ない増加により、価格の高騰（枯渇の恐れ）、環境に優しいエネルギーの台頭により、エネルギー貯蔵装置の需要が増加しています。 電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、活性物質内の化学エネルギーを使用して、効率的かつコスト効率よく酸化還元反応を通じて電気エネルギーを生成します1。 これらのデバイスは、現在および将来のポータブル電子機器に適した高いエネルギー密度または高い電力密度を示します。 しかし、現在では、同じ材料で高いエネルギー密度と出力密度を達成することが望まれています2。 スーパーキャパシタは高い比静電容量と高いエネルギー密度を示し、エネルギー貯蔵用途に適した候補となります。

二次元材料 (2D 材料) はナノスケールの厚さを持ち、電子移動度、導電性、機械的強度などの優れた電子的および機械的特性を示します。 グラフェン、遷移金属ジカルコゲニド (TMDC)、遷移金属炭化物または窒化物 (MXene)、六方晶系窒化ホウ素 (h-BN) など、多くの 2D 材料がエネルギー貯蔵用途の候補となります。ほとんどの 2D 材料は、3D 前駆体から剥離されます。たとえば、グラフェンはグラファイトから機械的に剥離されます。 グラファイトでは、各炭素原子は他の 3 つの炭素原子と共有結合しており、各炭素原子は sp3 混成されています。 これらの炭素原子は六角形のハニカム層に配置されており、層間には弱いファンデルワールス力が存在します。 この弱い層間結合により、グラフェンはグラファイトから剥離する可能性があります。 グラフェンは、柔軟性、比類のない熱伝導率、電子的挙動などの並外れた特性を示します。 グラフェン単層は、sp2 混成炭素原子のシートを備えたゼロバンドギャップ材料です。 バンドギャップがゼロであるため、半導体デバイスでの使用は制限されています。

単層グラフェンは、1947 年にウォレスによって初めて理論的に研究されました3。アンドレ・ガイムとコスチャ・ノボセロフは、マイクロメカニカル劈開技術を使用してグラファイトからグラフェンを抽出しました4。 マイクロメカニカル劈開法またはセロハンテープ法は、バルク材料を使用してナノスケールまで剥離するトップダウンアプローチです。 グラフェンの単層が得られますが、スケーラブルなプロセスではなく、グラフェン シートに不純物が付着するため非常に面倒です。 グラフェンの製造には、化学蒸着 (CVD)、プラズマ化学蒸着 (PECVD)、液相剥離 (LPE)、超音波支援液相剥離 (UALPE) などのさまざまなボトムアップ技術が使用されます。 金属基板上へのグラフェンの堆積と、SiC などの異なる基板へのグラフェンの転写に使用される化学蒸着 (CVD) が導入され、最適化されています 5,6。 誘電体基板上にCVD法で成長させる単結晶の最大サイズはミクロンの範囲です7。 プラズマ化学気相成長法 (PECVD) は、ドメイン サイズの品質を犠牲にしながら、低温かつ短時間でグラフェンを成長させることにより、CVD の欠点を克服します 8,9。 3D グラフェン フィルムは、PECVD10 を使用してナノ多孔質陽極アルミナ上に成長します。 液相剥離 (LPE) は、グラフェンを剥離するためのシンプル、安価、拡張性の高い方法です。 この方法では温度の制約がなく、グラフェンは懸濁液の形で得られ、電子デバイスの製造に使用できます。 ただし、溶媒によっては剥離に長時間の超音波処理が必要な場合があり、分散液中のグラフェンの量は非常に少ないです。 最近、グラフェンナノプレートレットは、分散剤として酸化グラファイトを使用し、3 時間という比較的短い超音波処理時間でグラファイトから剥離されます 11。 グラフェン状の材料は、Ultra Plus Konzentrat 界面活性剤 12 を使用して、市販のグラファイト粉末を脱イオン水中で断続的にせん断することによって得られます。 グラフェン合成を商業化するには、単純な分散剤の使用が非常に重要です。 超音波支援液相剥離 (UALPE) では、粉末を溶媒に分散させ、分散液に超音波を通過させてグラフェン分散液を生成します。