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2015 年度 実績報告書

グラフェン量産プロセスの開発と超高強度ナノ複合材料の創製

研究課題

研究課題/領域番号 15H05504
研究機関東京工業大学

研究代表者

荒尾 与史彦  東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (40449335)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワードグラフェン / ナノ粒子 / 解砕
研究実績の概要

黒鉛を液相プロセスにおいて剥離し、グラフェンに変換するための基礎研究を行った。具体的には、高出力の超音波分散機を用いて、投入する黒鉛の量、界面活性剤、溶媒、溶媒の容量など、多岐のプロセス変数を最適化した。その結果、グラフェンの生産能力は1時間あたり0.3g程度であることを明らかにした。これは、超音波で消費する電力に比べて、グラフェンの生産量が著しく低く、生産されるグラフェンはコスト高になることを意味しており、超音波を利用した剥離処理は研究ベースでは数多くなされているものの、グラフェン生産の工業化をはかるためには適さないことが明らかとなった。
以上を踏まえて、バリア放電分散や、超高せん断付与による剥離など、様々な装置を用いて黒鉛の剥離処理を試みた。その結果、圧力ホモジナイザーを用いで高せん断力を付与することで、グラフェンの生産能力は、高出力超音波と比較して1桁以上改善することが分かった。圧力ホモジナイザの内部流れをシミュレーションした結果、流れは乱流ではなく層流となっており、100m/sを超える高速流れで高せん断を付与できることが分かった。流れを層流とすることで、黒鉛をずらすように剥離することができ、よりサイズの大きなグラフェンを量産化できるものと期待できる。また圧力ホモジナイザはスケールアップが容易であるため、大型装置を用いることで、グラフェンの生産能力は1kg/hを超えることが可能となる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度は様々な装置を用いて、グラフェンの生産能力をそれぞれ定量化することが目的であった。高出力超音波や圧力式ホモジナイザ、高速撹拌機などを試した結果、圧力式ホモジナイザが最も有効であることを実証した。この理由を検討するために、圧力式ホモジナイザの内部流れをシミュレートした結果、高速層流状態となっており、おそらくこの流動条件が黒鉛の剥離に有効であろうと目星をつけることができた。

今後の研究の推進方策

黒鉛をグラフェンに剥離するための最適な装置について目星をつけることができた。さらにグラフェンの生産能力を向上させるためには、用いる溶媒を工夫することや、黒鉛を前処理して構造制御することで、さらなる生産能力を改善できるものと期待できる。
次年度では様々な溶媒において、圧力ホモジナイザにて剥離処理を行い、その剥離効率とグラフェンの質について検討を行う。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2015 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] High-rate production of few-layer graphene by high-power probe sonication2015

    • 著者名/発表者名
      Yoshihiko Arao
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 95 ページ: 802-808

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] グラフェン量産化のための化学装置に関する検討2015

    • 著者名/発表者名
      荒尾与史彦,久保内昌敏
    • 学会等名
      日本機械学会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2015-11-05
  • [学会発表] Mass production of high aspect ratio few-layer graphene by high-speed laminar flow in liquid2015

    • 著者名/発表者名
      Yoshihiko Arao
    • 学会等名
      Mini-workshop on Nanocarbon composites:Processing, modelling, development
    • 発表場所
      東京大学
    • 年月日
      2015-10-21
    • 国際学会
  • [備考]

    • URL

      http://www.chemeng.titech.ac.jp/~tklab/index-j.html

  • [産業財産権] 圧力式ホモジナイザを利用した高せん断付与による層状鉱物の剥離分散2015

    • 発明者名
      荒尾与史彦、久保内昌敏、水野義則
    • 権利者名
      荒尾与史彦、久保内昌敏、水野義則
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2015-170985
    • 出願年月日
      2015-08-30

URL: 

公開日: 2018-01-16  

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