[論文レビュー] Synthesis of High-Quality Graphene through Electrochemical Exfoliation of Graphite in Alkaline Electrolyte

Prashant Tripathi, C. H. Ravi Prakash Patel+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2013

Graphene research and applications被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、水酸化カリウム水溶液（KOH）を電解質とするアルカリ性環境下で、グラファイトの電気化学的剥がれを用いて低コストかつ酸化を伴わない高品質な少数層グラフェンを合成する手法を提示する。このプロセスにより、1〜4層のグラフェンが得られ、横方向のサイズは最大で約18 μmに達し、ラマン分光法によるDピークの欠如により、構造的不純物がほとんどないことが確認され、高結晶性および最小限の欠陥を示している。

ABSTRACT

Owing to wide variety of applications of graphene, high-quality and economical way of synthesizing graphene is highly desirable. In this study, we report a cost effective and simple approach to production of high-quality graphene. Here the synthesis route is based on electrochemical exfoliation of graphite. Instead of using strong acids (which oxidise and damage the geometrical topology of graphene), we have used alkaline solution (KOH dissolved in water) as electrolyte. TEM analysis shows that as prepared graphene has 1-4 layers and large lateral size (up to ~18 micrometer). Raman analysis shows a unique feature. The D peak which is invariably present in graphene is absent here. This suggests that disorder in the graphene sheets synthesized by the present method, is nearly absent. A tentative mechanism of electrochemical exfoliation in alkaline electrolyte is discussed and described.

研究の動機と目的

• スケーラブルで経済的かつ環境に優しい高品質グラフェンの合成法を開発すること。
• 従来の酸化を伴う酸ベースの剥離法がグラフェン格子構造を損なう問題を克服すること。
• 酸化を避けるために強酸の代わりにアルカリ性電解質を用いる可能性を検討し、グラフェンの構造的完全性を保つこと。
• 欠陥が少なく、横方向のサイズが大きなグラフェンを合成し、高度な電子材料および材料応用に供すること。
• アルカリ環境下における電気化学的剥離のメカニズム的理解を提示すること。

提案手法

• グラファイトをアノードとし、対電極を用いて水酸化カリウム（KOH）水溶液中で電気化学的剥離を実施した。
• 電極間に一定電流または一定電位を印けて、グラファイト層の間へのイオン挿入と剥離を誘導した。
• 残留イオンおよび電解質を除去するために、得られた剥離グラフェンを遠心分離および洗浄処理した。
• 合成されたグラフェンの少数層性および横方向寸法を確認するために、透過電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 特にDピークの有無を評価することで、構造的品質をラマン分光法を用いて評価した。
• アノードでの水酸化物イオンの挿入とガス発生を含む仮説的メカニズムを提示し、アルカリ媒体における剥離プロセスを説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルカリ性電解質中でのグラファイトの電気化学的剥離は、構造的損傷を伴わずに高品質なグラフェンを生成できるか？
• RQ2 酸性条件と比較して、水酸化物イオンは挿入および剥離プロセスにおいて果たす役割は何か？
• RQ3 本手法で得られたグラフェンの欠陥密度は、従来の酸ベースの手法で得られたものと比べてどのように異なるか？
• RQ4 剥離されたグラフェンシートの横方向寸法および層数は何か？
• RQ5 アルカリ環境下での剥離プロセスの背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• 透過電子顕微鏡（TEM）による確認により、合成されたグラフェンは1〜4層であることが判明した。
• グラフェンシートの横方向寸法は最大で約18ミクロンに達し、大面積生産が可能であることが示された。
• ラマン分光法によりDピークが完全に検出されず、構造的不純物がほとんどなく、高結晶性であることが示された。
• 酸ベースの剥離法とは異なり、酸化やグラフェン格子構造への損傷を回避できた。
• 提案されたメカニズムによると、水酸化物イオンの挿入と電気化学的ガス発生が、アルカリ媒体における剥離を駆動しているとされる。
• 非酸化性で非毒性なKOH電解質を用いるため、プロセスはスケーラブルでコスト効率が良く、環境に優しい。