[发明专利]含杂元素的石墨烯

说明书

本发明的技术问题是提供结晶性高的含杂元素的石墨烯。本文公开的含杂元素的石墨烯包含碳(C)、和作为杂元素(X)的选自氮(N)、磷(P)、砷(As)、硫(S)、硼(B)和硅(Si)的至少1种元素。而且，在选区电子衍射中可观测到属于直方晶系和六方晶系中的任一种、且具备单晶的对称性的斑点。

技术领域

本发明涉及含杂元素的石墨烯，其为显示扁平的形状、并表现出作为透明的P型半导体的性质的含杂元素的石墨烯。

背景技术

一直以来，在石墨烯的碳六元环结构中导入碳以外的异种元素而得的含杂元素的石墨烯受到瞩目。在该含杂元素的石墨烯中，例如如果在石墨烯的锯齿形边缘的谷部导入氮等异种元素，则异种元素对相邻的碳原子产生物理和化学作用。其结果是，已知相邻的碳原子表现出氧还原特性。基于此，研究了含杂元素的石墨烯用作催化剂材料的用途(例如，参照专利文献1～3等)。

专利文献1中公开了在碳载体的表面上形成了含氮石墨的电极催化剂用载体。该专利文献1的含氮石墨形成在具有π电子供给性的碳载体的表面上。此外，专利文献1中公开了用基于拉曼光谱的ID/IG值来评价含氮石墨的结晶性，该ID/IG值可达到0.8～1.2。

专利文献2公开了可以通过溶剂热反应来合成包含氮等杂原子的含杂原子的石墨烯。专利文献2的实施例中记载了在含杂原子的石墨烯中以14.8原子％的比例掺杂氮原子。但是，专利文献2中没有公开任何关于含杂原子的石墨烯的结晶性的内容。

专利文献3公开了具有化学计量比的石墨状的氮化碳(g-C₃N₄)。专利文献3中公开的石墨状氮化碳中，具有由氮和碳构成的3个六元环互相共有C-N键的三角形的晶体结构的三聚二氰亚胺(日文：メロン)((C₆N₉H₃)X)具有在顶点的氮原子处重合的结构。

此外，本发明人在专利文献4中提供了包含10原子％以上的大量氮作为异种元素的含杂原子的碳催化剂的制造方法。通过这样的方法可制造不含载体的含杂原子的石墨烯。

此外，专利文献5中揭示了在电极上形成具有氧化还原能力的碳催化剂。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2013-232409号公报

专利文献2：日本专利特开2012-153555号公报

专利文献3：国际公开第2014/098251号公报

专利文献4：日本专利特开2014-100617号公报

专利文献5：日本专利特开2016-209798号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献2和4所得的含杂原子的石墨烯中，实际上杂原子在石墨烯片中的掺杂位置倾向于集中存在于端部(边缘)。而且，即使在能够掺杂到石墨烯片的内部(面内)的情况下，随着掺杂的氮的量越来越多，在碳和杂原子的键合角处发生杂乱，存在无法维持石墨烯片的平坦性的技术问题。换句话说，掺杂有氮原子的石墨烯片无法在原子水平上弯曲的状态下返回平坦的形状，不能得到结晶学上结晶性良好的含氮碳催化剂。本发明鉴于上述技术问题，其目的是提供一种即使掺杂的氮的量增加也能维持石墨烯片的平坦性的、透明且结晶性高的含杂元素的石墨烯。

解决技术问题所采用的技术方案