東京工業大学等の研究グループが、安価なグラフェン大量生成方法を開発しました。
この研究成果は、Nanoscale Advancesに掲載されています。
この記事は下記論文の紹介記事です。
論文：
Arao, Yoshihiko, et al. "Mass production of low-boiling point solvent-and water-soluble graphene by simple salt-assisted ball milling." Nanoscale Advances (2019).
グラフェンは、マイクロエレクトロニクスおよび複合材料の分野で非常に注目されている材料です。
これまでに、高感度センサー、薄膜トランジスタ、透明導電膜、防食コーティングなどの幅広いアプリケーションが提案されてきました。これらの魅力的な用途向けのグラフェンの商業化は、グラフェン生産技術の進歩に大きく依存しています。化学蒸着のようなボトムアップアプローチは、大面積で高品質のグラフェンを製造できますが、生産性は通常ミリグラムスケールであり、主流の大量生産技術にはなりそうにありません。一方で、トップダウンのアプローチ、つまりグラファイトからのグラフェンの剥離は、トンスケールでグラフェンを生成する唯一の実現可能な方法です。
しかし、グラフェンの剥離に関しては、３つの大きな課題が認識されています。
一つ目は、使用可能な溶媒の少なさです。２つ目は、剥離によって得られるグラフェンの低アスペクト比（薄さと横サイズの比率）です。そして３つ目が単層グラフェンの回収率の低さです。初期のグラファイトから遠心分離と超音波処理によって0.1～10%の回収率が過去の研究から報告されています。
このような課題に対し、同研究グループは塩とのメカノケミカル反応によって生成される可溶性グラファイトが、上記の3つの欠点を克服することを確認しました。
可溶性グラファイトは、5分間の超音波処理で10％を超える収率で単層グラフェンに剥離しました。改質黒鉛は、界面活性剤の助けを借りずに、アセトン、アルコール、水などの低沸点溶媒で容易に剥離しました。分子シミュレーションにより、塩がグラファイトの端で活性炭に吸着されていることが明らかになりました。弱酸塩の場合、アルカリイオンとベース分子間の元の結合特性は、反応後も保持されます。したがって、アルカリ金属は極性溶媒で容易に解離し、グラフェンの負電荷につながり、低沸点溶媒でのグラファイトの剥離を可能にします。
このプロセスに必要なのは、炭酸塩や酢酸塩などの一般的な化学物質のみで、安価で環境に優しいです。さらに、このプロセスはシンプル（フライス加工と洗浄）でスケーラブルです。