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効率良くグラファイトを剥離――大量生産にメド

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効率良くグラファイトを剥離――大量生産にメド

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東京大学大学院 工学系研究科化学生命工学専攻の相田卓三教授
(理化学研究所 創発物性科学研究センター副センター長兼任)と同大学院 工学系研究科の
松本道生大学院生らの研究グループは2015年8月、イオン液体にマイクロ波を30分照射するだけで、
効率良くグラファイトを剥離することに成功したことを発表しています。
グラフェンの大量生産を可能とする技術として注目されています。


グラフェンは、導電性や機械的強度、熱伝導度などに対して極めて高い物性を併せ持つシート化合物です。
しかし、高品質のグラフェンを大量生産する技術がこれまで確立されていませんでした。
相田教授らの研究チームは、新たに合成したオリゴマーイオン液体に、グラフェンの積層物であるグラファイトを入れ、
電子レンジなどで使用されるマイクロ波を30分間照射したところ、高い効率で積層体が剥離され、
高純度の単層グラフェンを得ることに成功したとのこと。

イオン液体を工夫

研究チームは、今回の成果に先駆け、イミダゾリウムを主骨格に有する市販のイオン液体が、
カーボンナノチューブ(CNT)のπ表面に対して極めて高い親和性を示し、束になっているCNTを
ばらばらにさせる効果があることを2003年に発見していました。ただ、面と面とで相互作用している
シート状のグラファイトに対しては、このイオン液体では十分な効果を得ることができなかったとのこと。

今回は、有機合成化学を用いてイオン液体となる分子を工夫し、剥離効率を向上することにしたとのことです。
具体的には、1つの分子内に2つのイミダゾリウム部位を持つイオン液体分子「IL2PF6」を設計し合成しています。
このイオン液体に原料となるグラファイトを25mg/mLの濃度で懸濁させ、CEM製マイクロ波合成装置を使って
マイクロ波を30分間照射しています。その後、懸濁液からイオン液体を洗い流したところ
黒色の粉末固体が得られたとしています。

単層グラフェン選択性は95%

この粉末を各種分析装置で解析したところ、原料のグラファイトから93%のグラフィンを
回収/生成することができたとのことです。しかも、単層グラフェン選択性は95%と高く、
純度は原料のグラファイトとほぼ同等であることが分かり、さらに、これらの処理時間が30分という
短時間で実現できたことも、量産技術に結び付ける大きな要素の1つといえます。

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電子レンジなどで使用されるマイクロ波とオリゴマーイオン液体で
グラファイトの剥離を高効率に実現  出典:東京大学大学院

新たに合成したイオン液体分子のIL2PF6を別途分析したところ、従来の液相分散媒よりも
極めて大量のグラフェン(100mg/mL)を分散させることが可能であることが分かっています。
実験で得られたグラフェンをもう一度IL2PF6に混合すると、容易に再分散させることができ、
ある濃度を超えるとゲル化することが、今回の研究で明らかになっています。

大量生産にメド

混合するグラフェン量をさらに増やしていくと、100mg/mLの高濃度な状態まで、ゲルとしての強度を
増強することに寄与することが分かったとのこと。構造欠陥のないグラフェンによる物理ゲルは、
今回の研究で初めて明らかとなっています。高濃度グラフェンゲルは様々な電子材料への応用が
期待できるとみています。また、今回の研究でグラフェンの大量生産にめどをつけたことから、
折り曲げ可能なディスプレイやウェアラブル機器などのコア材料として、実用化が注目されます。

なお、今回の研究論文は雑誌「Nature Chemistry」オンライン版8月10日号に掲載されたとのこと。

東京大学ニュースリリース
革新材料・グラフェンの大量生産に大きな指針 -電子レンジとイオン液体で高速、高効率な
グラファイト剥離に成功-:化学生命工学専攻 相田卓三教授 等


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