酸化グラフェン
- 酸化グラフェンとは？
- 酸化グラフェンとナノ炭素材料の仲間たち
- 酸化グラフェン（GO：Graphene Oxide）
- 溶剤分散型酸化グラフェン（CGO：Compoundable Graphene Oxide）
- 高分散性還元型酸化グラフェン（RGO：Reduced Graphene Oxide）
- 用途例
酸化グラフェンとは？
酸化グラフェンは、厚み約1nｍ、シート長は数〜数十ミクロンで高いアスペクト比・高表面積を持つナノ炭素材料です。
豊富な酸素官能基を有した薄片構造をしており、これまでの他のナノ炭素材料（カーボンナノチューブやグラフェン）では難しかった「高い分散性」を発現します。
これによりさまざまな材料との複合化が容易になり、また、塗膜・機能性膜として使用することが可能となります。
近年、次世代電池材料や、抗菌・抗ウイルス、コーティング、潤滑剤、水浄化用、触媒等の各種機能材料用途への展開が研究され、さまざまな用途での活用が期待されています。
高いアスペクト比と、高い分散性を持つことから、各種ホスト材料に少量添加するだけで、ホスト材料中で酸化グラフェンがネットワークを形成し、各種機能が発現します。また、非常に薄い膜中でも酸化グラフェンのネットワークが形成できることから、膜、フィルム形状での使用にも適しています。
一方で、酸化グラフェンの合成にはグラファイト（黒鉛）の酸化反応を経由しますが、強酸溶媒中において強力な酸化剤を使用することから、従来は大量生産が困難で、研究目的用に極少量が非常に高価な価格で市販されているのみであり、また工業的な用途開発の遅れから、その優れた特性が実用化するには至っていませんでした。
このような中、当社は酸化反応における種々の課題を解決し、量産試作に成功しました。
水分散タイプ、有機溶剤分散タイプ、高い導電性を持ちつつ分散性を向上させたタイプなど機能性の異なる3品種のサンプルを品揃えしています。
他のナノ炭素材料では分散性が乏しく複合化できなかった材料や各種用途に対しても、酸化グラフェンの高い分散性を利用することで、複合化・機能発現が可能となりますので、ユーザー様のご要望に合わせて提案させていただきます。
酸化グラフェン（GO：Graphene Oxide）
特長
- 多くの酸素官能基を持つナノ炭素系の新材料
- 厚み：1nm、粒子径：数μmの超薄片構造をもち、大きな表面積を持つ
- 水分散性の高い標準タイプ
- 薄膜であれば無色透明
- 基材（金属、樹脂、ガラス等）や各種有効成分（イオン、低分子化合物、ポリマー等）と強く相互作用し、基材に有効成分をとどまらせることが可能（使用例1）。
構造イメージ図
原子間力顕微鏡（AFM）画像
物性値
| 項目 | 代表値 | 測定機器 | 測定条件等 |
|---|---|---|---|
| 薄片サイズ | 厚み：1nm、シート方向：数μm | AFM | 右上写真参照 |
| 酸素含有量 | 30-40 atom% | XPS | |
| 粘度 | 20,000-30,000 mPa・s | B型粘度計 | 2.1％水分散体、25℃、6rpm |
| pH | 2.5-3.0 | pH計 | |
| 比表面積 | 300-500 m²/g | BET | 還元後の分析 |
用途例
サンプル外観
サンプルとして、水分散体を提供可能です。
溶剤分散型酸化グラフェン（CGO：Compoundable Graphene Oxide）
特長
- 当社独自技術により、酸化グラフェン（GO）の特性を損ねることなく、広範な有機溶剤への分散性を向上したタイプ
- ケトン類、アルコール類、THF、DMF、NMP等の有機溶剤や、液状エポキシ樹脂等に分散可能
構造イメージ図
原子間力顕微鏡（AFM）画像
1.5%MEK分散体を各種溶媒で20倍希釈した分散評価例
物性値
| 項目 | 代表値 | 測定機器 | 測定条件等 |
|---|---|---|---|
| 薄片サイズ | 厚み：1nm、シート方向：数μm | AFM | 右上写真参照 |
| 酸素含有量 | 25-30 atom% | XPS | |
| 粘度 | 5,000-15,000 mPa・s | B型粘度計 | 1.5%MEK分散体、25℃、6rpm |
| pH | - | ||
| 比表面積 | 300-500 m²/g | BET | 還元後の分析 |
※基本的にGOと同等の物性で親媒性が異なる
用途例
サンプル外観
サンプルとして、MEK分散体を提供可能です。
高分散性還元型酸化グラフェン（RGO：Reduced Graphene Oxide）
特長
- 酸化グラフェン（GO）を還元したタイプ
- 構造はグラフェンに類似するが、高い分散性と共に、大きな表面積、電気伝導性、熱安定性などを示す
- 当社独自技術により、他社品と比較して高い分散性を示す
構造イメージ図
水分散体を各種溶媒で希釈した分散評価例
水分散体の分散安定性評価。赤字：当社RGO、黄色字：試薬メーカーA社RGO
左図：分散直後、右図：24時間放置後
物性値
| 項目 | 代表値 | 測定機器 | 測定条件等 |
|---|---|---|---|
| 薄片サイズ | 厚み：1nm、シート方向：数μm | AFM | ＊同サイズのGOより合成 |
| 酸素含有量 | 10-20 atom% | XPS | |
| 粘度 | - | ||
| pH | - | ||
| 比表面積 | 300-500 m²/g | BET |
用途例
サンプル外観
サンプルとして、粉体・水分散体を提供可能です。
RGO粉体
RGO水分散体
用途例
・足場材（プライマー） ・熱伝導性材料 ・抗菌/抗ウイルス性材料 ・電子情報材料 ・透明導電膜 ・水処理膜
・スポーツ用品 ・電池材料 ・導電性インク ・潤滑剤 ・航空宇宙材料 ・バイオセンサ材料 ・ミリ波吸収材料 等
酸化グラフェン薄膜の電子顕微鏡画像
使用例1：基材と各種有効成分とを結ぶ足場材
有効成分を保持させたい基材（金属、樹脂、ガラス等）に酸化グラフェンの薄膜を形成し、その上に有効成分を複合化することで、基材上の保持が難しかった薬剤でもコーティングなどが可能となります（下図）。
酸化グラフェン薄膜は単層膜であり（右図）、無色透明です。そのため、基材の色味を損なうことなく有効成分を保持させることが可能となります。
酸化グラフェンは異なる反応性、相互作用を有する酸素官能基を豊富に持つため、幅広い有効成分と相互作用が可能です。
※ニュースリリース「水で洗っても落ちない 抗菌・抗ウイルス酸化グラフェン複合膜を開発 ―種々の菌、新型コロナウイルスを不活性化、水周り衛生に効果―」をご参照ください。
酸化グラフェンの足場材としての効果（模式図）
使用例2：導電性塗膜
水系塗料に酸化グラフェン（GO）を少量添加して成膜し、熱処理をすると、酸化グラフェン（GO）が高分散性還元型酸化グラフェン（RGO）化し導電性塗膜を得ることができます。
下図では0.2%程度の低濃度からでも導電性を発揮していることが分かります。酸化グラフェンの高アスペクト比の効果により、少量添加で樹脂中に導電パスが形成可能です。
RGO単独膜の成膜例
（アプリケータ使用）
使用例3：還元型酸化グラフェン膜
高分散性還元型酸化グラフェン（RGO）単独膜、樹脂との複合膜として、良好な膜が得られ、高い導電性や熱伝導性を示します。
右図はRGO水分散液をそのまま塗工し乾燥した、RGO単独膜です。高分散性および高アスペクト比を持つことから、単独でも良好な薄膜が形成可能です。
CGO/エポキシ硬化物（数値はCGO配合率）
使用例4：エポキシ樹脂複合材料
エポキシ等の熱硬化樹脂と溶剤分散型酸化グラフェン（CGO）を混合、脱溶剤することで容易に均一に分散し硬化物が得られます。
樹脂の機械強度、導電性等の向上が期待できます。
酸化グラフェンとナノ炭素材料の仲間たち
-
酸化グラフェン
形状：シート状（2次元材料）
酸素官能基を持つグラフェン。
合成自体は古くからおこなわれていたが、大量生産が困難だった。
当社が量産試作に成功した。 -
グラフェン
形状：シート状（2次元材料）
2004年にGeim, Novoselovが単離に成功し、2010年ノーベル物理学賞を受賞。
-
カーボンナノチューブ（CNT）
形状：ファイバー状（1次元材料）
1991年に名城大教授の飯島氏が発見
層数により以下に分けられる
・多層（MWCNT）
・単層（SWCNT） -
フラーレン（C60）
形状：球状（0次元材料）
1985年にKrotoらが発見し、1996年ノーベル化学賞を受賞。
グラフェン と 酸化グラフェンは、形状が似ていますが、実は、生い立ちがまったく異なります。
グラフェンは、CVD法（化学気相成長法）により、メタン, アルコールなど炭化水素系ガスを原料に金属触媒と反応させることにより単層レベルの単独の薄膜が得られます。ただし、均一で大面積の薄膜の量産化が難しく、高コストであると言われています。
また、黒鉛の機械的剥離により得られる多層のグラフェンのことを、剥離グラフェン または、GNP（Graphene Nano Platelet）と呼びます。こちらもグラフェンと呼ばれることがありますが、単層ではないため厳密にはグラフェンではありません。さらに分散性も乏しく扱いにくい材料です。
一方、酸化グラフェンは、グラフェンの集合体である天然黒鉛を液相酸化することにより、単層レベルまで酸化させた後に剥離することで得られます。機械的剥離と異なり、酸化剥離手法では単層化することが知られています。
酸化グラフェンは、酸素官能基を有した薄片構造をしており、これまで他のナノ炭素材料では難しかった高い分散性を発現します。
当社は、単層レベルの酸化グラフェンの量産化を実現するため、液相酸化プロセスの実証試験の実績※ をもとに、製品化を目指しています。
※ニュースリリース「酸化グラフェン系材料の量産試作に成功 ―日本触媒がサンプルワークを開始、新規需要開拓を推進―」をご参照ください。
注意事項
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