(57)【要約】【課題】結晶構造的にはグラフェンに類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点で還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有するものの、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しないという点からは還元型酸化グラフェンとは異なり、結晶構造的に黒鉛とも異なり、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状（代表的には、バルク状態）としても存在し得る、新規な炭素材料を提供する。さらに、そのような新規な炭素材料を含む、新規な炭素材料組成物を提供する。また、このような新規な炭素材料を製造する方法を提供する。【解決手段】本発明の炭素材料の製造方法は、炭素、水素、および酸素から構成される分子量５００以下の芳香環含有化合物（Ａ）を７００℃以上の温度で焼成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料の製造方法であって、
炭素、水素、および酸素から構成される分子量５００以下の芳香環含有化合物（Ａ）を７００℃以上の温度で焼成する、
炭素材料の製造方法。
【請求項２】
前記芳香環含有化合物（Ａ）の縮合反応温度が４００℃以下である、請求項１に記載の炭素材料の製造方法。
【請求項３】
前記芳香環含有化合物（Ａ）の、窒素ガス雰囲気下、４０℃から、１０℃／分の昇温条件によってＴＧ−ＤＴＡ分析を行ったときの、温度５０℃における初期重量Ｍ５０に対する温度５００℃における重量Ｍ５００の重量比（Ｍ５００／Ｍ５０）が０．２以上である、請求項１または２に記載の炭素材料の製造方法。
【請求項４】
前記芳香環含有化合物（Ａ）が、水酸基を有する芳香族化合物である、請求項１から３までのいずれかに記載の炭素材料の製造方法。
【請求項５】
前記焼成する温度が１０００℃〜１５００℃である、請求項１から４までのいずれかに記載の炭素材料の製造方法。
【請求項６】
バルク状態で製造し得る、請求項１から５までのいずれかに記載の炭素材料の製造方法。
【請求項７】
炭素材料であって、
ラマン分析によって、Ｇバンド、Ｄバンド、Ｇ′バンドを示し、
ＸＲＤ分析によって、黒鉛に由来するピークを示さず、
ＸＰＳ分析によって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が９９．９％以上を示し、
ＸＲＦ分析によって、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が、それぞれ１００ｐｐｍ以下である、
炭素材料。
【請求項８】
ラマン分析によって、Ｄ＋Ｄ′バンドおよび／または２Ｄ′バンドを示す、請求項７に記載の炭素材料。
【請求項９】
バルク状態で存在し得る、請求項７または８に記載の炭素材料。
【請求項１０】
請求項７から９までのいずれかに記載の炭素材料を含む、炭素材料組成物。
【請求項１１】
溶剤を含む、請求項１０に記載の炭素材料組成物。
【請求項１２】
前記溶剤に前記炭素材料が分散している、請求項１１に記載の炭素材料組成物。
【請求項１３】
樹脂を含む、請求項１０または１１に記載の炭素材料組成物。
【請求項１４】
前記樹脂に前記炭素材料が分散している、請求項１３に記載の炭素材料組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料の製造方法、炭素材料、および炭素材料組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト、グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化グラフェン、人造黒鉛、カーボンブラックなどの炭素材料は、それぞれ、その特徴的な物性に起因して、各種分野における新規な機能性材料として期待されている（例えば、非特許文献１−３）。
【０００３】
グラフェンは２次元シート状の炭素材料であり、ｓｐ２炭素による六員環で敷き詰められた構造をしている。グラファイトは、通常、２次元シート状のグラフェン同士がファンデルワールス力で結合した２層以上の積層構造をしているものを指すが、１層のグラファイトをグラフェンと称することもある。
【０００４】
グラフェンの存在は古くから知られていたが、グラファイトから１枚のグラフェンを取り出す方法は最近まで確立されていなかった。２００４年になって、高配向性の無水グラファイトの表面を粘着テープで剥離し、剥離したものを基板の上に貼り付ける方法によってグラフェンの薄片を取り出せることが見出され、その後、大量生産や低コスト生産を目指して、ＣＶＤ（化学気相蒸着製膜法）などの気相製膜法によるグラフェンの製造方法や、酸化グラフェン（ＧＯ）の還元法によるグラフェン（還元型酸化グラフェン：ＲＧＯ）の製造方法が検討されている。
【０００５】
しかし、ＣＶＤ（化学気相蒸着製膜法）などの気相製膜法によるグラフェンの製造方法は、膜以外の形状（代表的には、バルク状）として得ることができないという問題、可燃性ガスを使用しなければならないという問題、Ｃｕ等の触媒性能を有する金属基板上に製膜させるため、金属が不純物として含有してしまうという問題がある。
【０００６】
一方、酸化グラフェン（ＧＯ）の還元法によるグラフェン（還元型酸化グラフェン：ＲＧＯ）の製造方法は、上記問題を解決し得る可能性がある製造方法として、近年、検討がなされている。
【０００７】
還元型酸化グラフェン（ＲＧＯ）は、代表的には、黒鉛の酸化によって酸化グラフェンを製造し、得られる酸化グラフェンを還元することによって製造し得る。しかし、この製造方法では、酸化剤や還元剤や触媒に由来する窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などが不純物として混入し、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が低下して、高純度の還元型酸化グラフェンが得られ難いという問題がある。
【０００８】
なお、可燃性ガスを使用することなくグラファイト膜を簡便に製造する方法が最近報告されている（特許文献１）。しかし、このグラファイト膜も、膜以外の形状（代表的には、バルク状）として得ることができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１７−１３２６４８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ，３５４，ｐ．５６−５８（１９９１）
【非特許文献２】Ｓｃｉｅｎｃｅ，３０６，ｐ．６６６−６６９（２００４）
【非特許文献３】齋藤理一郎著，「グラフェンの最先端技術と広がる応用」，第２章．グラフェンの基礎物性，３．グラフェンの光電子物性
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本出願人は、上記従来の問題を解決し得る新規な炭素材料を開発するべく鋭意検討を行った。具体的には、結晶構造的にはグラフェンと同一または類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点では還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有し、しかしながら、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しない点で還元型酸化グラフェンとは異なり、また、結晶構造的に黒鉛とも異なるような、新規な炭素材料であって、上記従来の問題を解決できるような炭素材料およびそのような炭素材料の製造方法について研究を行った。
【００１２】
すなわち、本発明の課題は、結晶構造的にはグラフェンと同一または類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点で還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有するものの、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しないという点からは還元型酸化グラフェンとは異なり、結晶構造的に黒鉛とも異なり、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状（代表的には、バルク状態）としても存在し得る、新規な炭素材料を提供することにある。さらに、そのような新規な炭素材料を含む、新規な炭素材料組成物を提供することにある。また、このような新規な炭素材料を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の炭素材料の製造方法は、
炭素、水素、および酸素から構成される分子量５００以下の芳香環含有化合物（Ａ）を７００℃以上の温度で焼成する。
【００１４】
一つの実施形態においては、上記芳香環含有化合物（Ａ）の縮合反応温度が４００℃以下である。
【００１５】
一つの実施形態においては、上記芳香環含有化合物（Ａ）の、窒素ガス雰囲気下、４０℃から、１０℃／分の昇温条件によってＴＧ−ＤＴＡ分析を行ったときの、温度５０℃における初期重量Ｍ５０に対する温度５００℃における重量Ｍ５００の重量比（Ｍ５００／Ｍ５０）が０．２以上である。
【００１６】
一つの実施形態においては、上記芳香環含有化合物（Ａ）が、水酸基を有する芳香族化合物である。
【００１７】
一つの実施形態においては、上記焼成する温度が１０００℃〜１５００℃である。
【００１８】
一つの実施形態においては、本発明の炭素材料の製造方法においては、バルク状態で製造し得る。
【００１９】
本発明の炭素材料は、
ラマン分析によって、Ｇバンド、Ｄバンド、Ｇ′バンドを示し、
ＸＲＤ分析によって、黒鉛に由来するピークを示さず、
ＸＰＳ分析によって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が９９．９％以上を示し、
ＸＲＦ分析によって、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が、それぞれ１００ｐｐｍ以下である。
【００２０】
一つの実施形態においては、本発明の炭素材料は、ラマン分析によって、Ｄ＋Ｄ′バンドおよび／または２Ｄ′バンドを示す。
【００２１】
一つの実施形態においては、本発明の炭素材料は、バルク状態で存在し得る。
【００２２】
本発明の炭素材料組成物は、上記の炭素材料を含む。
【００２３】
一つの実施形態においては、本発明の炭素材料組成物は、溶剤を含む。
【００２４】
一つの実施形態においては、上記溶剤に上記炭素材料が分散している。
【００２５】
一つの実施形態においては、本発明の炭素材料組成物は、樹脂を含む。
【００２６】
一つの実施形態においては、上記樹脂に上記炭素材料が分散している。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、結晶構造的にはグラフェンと同一または類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点で還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有するものの、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しないという点からは還元型酸化グラフェンとは異なり、結晶構造的に黒鉛とも異なり、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状（代表的には、バルク状態）としても存在し得る、新規な炭素材料を提供することができる。さらに、そのような新規な炭素材料を含む、新規な炭素材料組成物を提供することができる。また、このような新規な炭素材料を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１で得られた炭素材料のラマン分析結果である。
【図２】実施例１で得られた炭素材料のＸＲＤ分析結果である。
【図３】比較例１で得られた炭素材料のラマン分析結果である。
【図４】比較例１で得られた炭素材料のＸＲＤ分析結果である。
【図５】比較例２で得られた炭素材料のＸＲＤ分析結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
≪炭素材料の製造方法≫
本発明の炭素材料の製造方法は、炭素、水素、および酸素から構成される分子量５００以下の芳香環含有化合物（Ａ）を７００℃以上の温度で焼成する。
【００３０】
本発明の炭素材料の製造方法は、このように、「特定の温度」において、「特定の芳香環含有化合物」を、「製膜ではなく焼成すること」によって製造する方法である。
【００３１】
上記焼成する温度は、好ましくは７００℃〜２０００℃であり、より好ましくは８００℃〜１８００℃であり、さらに好ましくは９００℃〜１６００℃であり、特に好ましくは１０００℃〜１５００℃である。上記焼成する温度が上記範囲内にあれば、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が非常に高く、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状（代表的には、バルク状）としても存在し得る、新規な炭素材料を製造し得る。
【００３２】
本発明の製造方法においては、好ましくは、バルク状態で製造し得る。具体的には、本発明の製造方法においては、好ましくは、芳香環含有化合物（Ａ）をバルク状態で加熱する。一般には、バルクが備える性質が、その物質の固有の性質である。すなわち、バルク状態の物質は、その物質のもつ基本的な性質、例えば、沸点、融点、粘度、密度などの値を決定できる。ある物質の物性といえば、バルク部分が持つ性質を指す。バルク状態の例としては、粒子、ペレット、フィルム等である。粒子の存在状態としては、例えば、粉体が挙げられる。フィルムとしては、自立したフィルムであることが好ましい。芳香環含有化合物（Ａ）をバルク状態で加熱するとは、例えば、芳香環含有化合物（Ａ）からなる粒子（粉体）を加熱する、芳香環含有化合物（Ａ）からなる粒子（例えば、粉体）を圧縮成形等でペレット状やフィルム状に成形を行った後、その成形体を加熱する、芳香環含有化合物（Ａ）からなる粒子（例えば、粉体）を液体中で加熱する、等の行為を包含する。粒子（例えば、粉体）や成形体を加熱する際、例えば、容器に入れて加熱してもよい。容器としては、任意の適切な容器を採用し得る。このような容器としては、例えば、加熱温度で実質的に変質しない材質からなるものが好ましい。また、粒子（例えば、粉体）や成形体が接触する表面が、加熱する際に、芳香環含有化合物（Ａ）と化学反応しないような材質であることが好ましい。粒子（例えば、粉体）や成形体を好ましい条件で加熱することにより、炭素材料を得ることが可能となり、その加熱する工程において、芳香環含有化合物（Ａ）の融点付近で芳香環含有化合物（Ａ）が融解して液体状になることがある。このような経過を経る場合も「芳香環含有化合物（Ａ）をバルク状態で加熱する」ことに含まれる。一方、本発明の意味する「バルク状態で加熱する」ものではない例としては、例えば、芳香環含有化合物（Ａ）を溶剤に溶解して任意の基材状に塗布して膜状にして該基材とともに加熱することにより薄膜を形成する方法、化学気相成長法（ＣＶＤ）法、物理気相成長法（ＰＶＤ）、薄膜蒸着加熱法、などが挙げられる。薄膜としてはおおむね膜厚が１μｍ以下の範囲を意味する。
【００３３】
加熱の方法としては、管状炉、ボックス炉のような焼成炉、熱媒を利用した加熱反応装置、マイクロ波を利用した加熱反応装置などが使用できる。加熱の条件としては、真空下、常圧下、加圧下などで行うことができる。加熱雰囲気の条件としては、大気下、不活性ガス雰囲気下などで行うことができる。加熱雰囲気の条件としては、好ましくは、窒素、アルゴン等の不活性ガスの雰囲気下である。
【００３４】
加熱の時間としては、製造したい炭素材料に求める分子量または溶解性や分散性等により、任意の適切な加熱時間を採用し得る。このような加熱時間としては、例えば、好ましくは１分〜４８時間であり、より好ましくは１５分〜２４時間であり、さらに好ましくは３０分〜１２時間であり、特に好ましくは１時間〜１０時間である。
【００３５】
芳香環含有化合物（Ａ）は、炭素、水素、および酸素から構成される分子量５００以下の芳香環含有化合物である。
【００３６】
芳香環含有化合物（Ａ）は、１種の化合物であってもよいし、２種以上の化合物の混合物であってもよい。芳香環含有化合物（Ａ）が２種以上の化合物の混合物である場合、混合物のうちの少なくとも１種以上の化合物が本発明に記載の物性、構造等を有すればよく、該化合物を基準にして、加熱温度、加熱時間等の諸条件を決定すればよい。
【００３７】
芳香環含有化合物（Ａ）は、炭素、水素、および酸素から構成される。なお、ここでいう「炭素、水素、および酸素から構成される」とは、芳香環含有化合物（Ａ）の分子構造自体を構成する元素が、炭素、水素、および酸素であることを意味する。
【００３８】
芳香環含有化合物（Ａ）の分子量は５００以下であり、好ましくは５０〜５００であり、より好ましくは７５〜４５０であり、さらに好ましくは８０〜４００であり、特に好ましくは１００〜３５０である。芳香環含有化合物（Ａ）の分子量が上記範囲内にあれば、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が非常に高く、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が非常に低く、膜以外の形状（代表的には、バルク状）としても存在し得る、新規な炭素材料を製造し得る。また、芳香環含有化合物（Ａ）の分子量が上記範囲内にあれば、低分子であるがゆえに炭素化過程で自由に動くことができ、反応性が高くなり得るため、低温から炭素化するといったメリットや、炭素化過程で副生成物となる有機ガスが発生しにくいなどのプロセスメリットがある。
【００３９】
芳香環含有化合物（Ａ）は、好ましくは、２３℃環境下で固体であって融点を有する。融点を有することで、焼成の過程で融解し、分子間での反応が良好に進行する。仮に融点を有さない場合、焼成の過程で融解しないので、分子の位置が固定され、分子間での反応が促進されにくく、炭素材料化しにくい。このような芳香環含有化合物（Ａ）を採用することにより、反応を促進し得る。また、得られる炭素材料の溶剤への溶解性が優れるようになり得る（例えば、溶剤に溶解する炭素材料の成分がより多くなったり、炭素材料が溶解できる溶剤の種類がより増えたりする）。
【００４０】
芳香環含有化合物（Ａ）は、代表的には、加熱によって同一分子間および／または異種分子間で縮合反応が起きる。
【００４１】
芳香環含有化合物（Ａ）は、縮合に寄与しない骨格が芳香族構造であることが好ましい。骨格が芳香族であることによって、得られる炭素材料の炭素成分がより安定になり得る。このような芳香族構造としては、例えば、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、トリフェニレンのような炭素原子からなる芳香族構造が好ましい。
【００４２】
芳香環含有化合物（Ａ）としては、特に、水酸基を有する芳香族化合物が好ましい。芳香環含有化合物（Ａ）として水酸基を有する芳香族化合物を採用することによって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が一層非常に高く、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が一層非常に低く、膜以外の形状（代表的には、バルク状）としても存在し得る、新規な炭素材料を製造し得る。
【００４３】
芳香環含有化合物（Ａ）としては、特に、対称性の高い構造の芳香環含有化合物が好ましい。芳香環含有化合物（Ａ）として対称性の高い構造の芳香環含有化合物を採用することによって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が一層非常に高く、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属などの不純物の含有量の割合が一層非常に低く、膜以外の形状（代表的には、バルク状）としても存在し得る、新規な炭素材料を製造し得る。
【００４４】
芳香環含有化合物（Ａ）の縮合反応温度は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な縮合反応温度を採用し得る。このような縮合反応温度としては、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは４００℃以下であり、より好ましくは２００℃〜３７０℃であり、最も好ましくは２５０℃〜３５０℃である。このような低温で炭素化が開始することで、より高温で起こると考えられる分解副反応が抑制できる。
【００４５】
芳香環含有化合物（Ａ）の、窒素ガス雰囲気下、４０℃から、１０℃／分の昇温条件によってＴＧ−ＤＴＡ分析を行ったときの、温度５０℃における初期重量Ｍ５０に対する温度５００℃における重量Ｍ５００の重量比（Ｍ５００／Ｍ５０）は、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは０．２以上であり、より好ましくは０．２〜０．９であり、最も好ましくは０．３〜０．８である。上記の重量比（Ｍ５００／Ｍ５０）が上記範囲内に収まる芳香環含有化合物（Ａ）を用いることで、本発明の効果がより発現し得る。
【００４６】
＜芳香環含有化合物（Ａ）の代表的な実施形態（実施形態１）＞
芳香環含有化合物（Ａ）の代表的な実施形態（実施形態１）は、加熱によって分解して芳香環上にラジカルを発生する芳香環含有化合物である。芳香環上にラジカルが発生した芳香環含有化合物が、同一分子間および／または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
【００４７】
加熱によって分解して芳香環上にラジカルを発生する芳香環含有化合物としては、好ましくは、加熱によって気体（常温常圧において気体状態である気体）を発生する芳香環含有化合物である。
【００４８】
加熱によって気体を発生する芳香環含有化合物としては、芳香環含有化合物であって、加熱を行うことによって気体が発生するものであれば、任意の適切な芳香族化合物を採用し得る。このような常温常圧において気体状態である気体としては、好ましくは、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、Ｈ２から選ばれる少なくとも１種である。
【００４９】
加熱によってＣＯおよび／またはＣＯ２を発生する芳香族化合物としては、例えば、「−Ｃ（＝Ｏ）−」および／または「−Ｏ−Ｃ（＝Ｏ）−」構造を有する芳香族化合物（例えば、芳香族ケトン誘導体、芳香族エステル誘導体、酸無水物など）などが挙げられる。
【００５０】
加熱によってＣＯおよび／またはＣＯ２を発生する芳香族化合物としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。
【００５１】
【化１】
2020132489.tif 000003
【００５２】
加熱によってＯ２を発生する芳香族化合物としては、例えば、「−Ｏ−Ｏ−」構造を有する芳香族化合物（例えば、芳香族炭素酸化物、芳香族過酸化物など）などが挙げられる。
【００５３】
加熱によってＯ２を発生する芳香族化合物としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。なお、下記の化合物において、Ｒは、水素原子、または、置換基を有していてもよいアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。
【００５４】
【化２】
2020132489.tif 000004
【００５５】
加熱によってＨ２を発生する芳香族化合物としては、例えば、「−ＣＨ２−」構造を有する縮合多環式芳香族化合物（例えば、フェナレン系化合物など）などが挙げられる。
【００５６】
加熱によってＨ２を発生する芳香族化合物としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。
【００５７】
【化３】
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【００５８】
加熱によって分解して芳香環上にラジカルを発生する芳香環含有化合物は、加熱による分解性を有し、骨格の少なくとも一部がかい離・分解することによって気体分子（好ましくは、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、Ｈ２から選ばれる少なくとも１種）が生成し、残った芳香環上にラジカルが生成する芳香環含有化合物である。このような芳香環含有化合物を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の分解のみによる反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような芳香環含有化合物を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、炭素材料を得ることができる。また、このような芳香環含有化合物は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。
【００５９】
＜芳香環含有化合物（Ａ）の代表的な実施形態（実施形態２）＞
芳香環含有化合物（Ａ）の代表的な実施形態（実施形態２）は、縮合反応によって、２種以上の基から１つの中性分子が形成されて脱離する化合物である。この実施形態２においては、１つの化合物が２種以上の基を有している場合であってもよいし、２つ以上の化合物のそれぞれの有する基を組み合わせて２種以上の基となる場合であってもよい。このような芳香環含有化合物（Ａ）が、同一分子間および／または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
【００６０】
縮合反応としては、２種以上の基から１つの中性分子が形成されて脱離することによる縮合反応であれば、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な縮合反応を採用し得る。このような縮合反応とすることにより、比較的低温で反応を行うことが可能となり得る。このような縮合反応としては、例えば、
（ａ）−Ｈ基と−ＯＨ基とからＨ２Ｏが形成されて脱離することによる縮合反応、
（ｂ）−Ｈ基と−ＯＲ基（Ｒは任意の適切な置換または無置換のアルキル基）とからＲＯＨが形成されて脱離することによる縮合反応、
（ｃ）−Ｈ基と−ＯＯＣＲ基（Ｒは任意の適切な置換または無置換のアルキル基）とからＲＣＯＯＨが形成されて脱離することによる縮合反応、
などが挙げられる。特に、脱離した中性成分が該脱離温度（焼成温度）で気体成分であると、炭素材料に取り込まれることなく、気相部にあるため、不純物となりにくい。
【００６１】
縮合反応として、−Ｈ基と−ＯＨ基とからＨ２Ｏが形成されて脱離することによる縮合反応（上記（ａ））を代表例として説明する。
【００６２】
実施形態２における芳香環含有化合物（Ａ）の一つの実施形態（実施形態（Ｘ）と称することがある）は、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）または２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格を有する化合物（ａ２）であり、該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が−ＯＨ基であり、もう半数が−Ｈ基である。
【００６３】
実施形態（Ｘ）においては、
（ｉ）芳香環含有化合物（Ａ）が、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）である場合、
（ｉｉ）芳香環含有化合物（Ａ）が、２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格を有する化合物（ａ２）である場合、
の２つの場合のいずれかを採り得る。
【００６４】
実施形態（Ｘ）において、「骨格の構造形成に寄与していない置換基」とは、上記（ｉ）の場合の「１個の炭素６員環構造からなる骨格」または上記（ｉｉ）の場合の「２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基を意味する。例えば、上記（ｉ）の場合として、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）が後に示す化学式（ａ１−１）で表される場合、１個の炭素６員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は６個の−ＯＨ基と６個の−Ｈ基であり、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）が後に示す化学式（ａ１−２）で表される場合、１個の炭素６員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は３個の−ＯＨ基と３個の−Ｈ基である。また、例えば、上記（ｉｉ）の場合として、２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格を有する化合物（ａ２）が後に示す化学式（ａ２−１）で表される場合、２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格の構造形成に寄与していない置換基は６個の−ＯＨ基と６個の−Ｈ基である。
【００６５】
実施形態（Ｘ）においては、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が−ＯＨ基であり、もう半数が−Ｈ基であり、２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格を有する化合物（ａ２）の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が−ＯＨ基であり、もう半数が−Ｈ基である。このような置換基の構成を有することにより、芳香環含有化合物（Ａ）は、加熱により、同一分子同士および／または異なる分子間で効果的に脱水反応が起き得る。
【００６６】
実施形態（Ｘ）において採用し得る芳香環含有化合物（Ａ）としては、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）または２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格を有する化合物（ａ２）であり、該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が−ＯＨ基であり、もう半数が−Ｈ基である化合物であれば、本発明の効果を損なわない範囲で任意の適切な化合物を採用し得る。このような芳香環含有化合物（Ａ）としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。
【００６７】
【化４】
2020132489.tif 000006
【００６８】
実施形態（Ｘ）において採用し得る芳香環含有化合物（Ａ）の中でも、−Ｈ基と−ＯＨ基とからＨ２Ｏが形成されて脱離することによる縮合反応が起こりやすいと推察され、低温で反応が進行しやすいと推察される点で、フロログルシノール（化合物（ａ１−２））、ヘキサヒドロキシトリフェニレン（ＨＨＴＰ）（化合物（ａ２−１））が好ましい。
【００６９】
実施形態２における芳香環含有化合物（Ａ）の別の一つの実施形態（実施形態（Ｙ）と称することがある）は、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）および／または２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格を有する化合物（ａ２）から選ばれる２種以上であり、該化合物（ａ１）の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数および該化合物（ａ２）の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の合計の半数が−ＯＨ基であり、もう半数が−Ｈ基である。
【００７０】
実施形態（Ｙ）においては、
（ｉ）芳香環含有化合物（Ａ）が、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）から選ばれる２種以上からなる場合、
（ｉｉ）芳香環含有化合物（Ａ）が、２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格を有する化合物（ａ２）から選ばれる２種以上からなる場合、
（ｉｉｉ）芳香環含有化合物（Ａ）が、１個の炭素６員環構造からなる骨格を有する化合物（ａ１）から選ばれる１種以上と２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格を有する化合物（ａ２）から選ばれる１種以上とからなる場合、
の３つの場合のいずれかを採り得る。
【００７１】
実施形態（Ｙ）において、「化合物（ａ１）の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数および化合物（ａ２）の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の合計」とは、下記のような意味である。すなわち、上記（ｉ）の場合、２種以上の化合物（ａ１）のそれぞれにおける「１個の炭素６員環構造からなる骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数を、全て合計した数を意味する。上記（ｉｉ）の場合、２種以上の化合物（ａ２）のそれぞれにおける「２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数を、全て合計した数を意味する。上記（ｉｉｉ）の場合、１種以上の化合物（ａ１）のそれぞれにおける「１個の炭素６員環構造からなる骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数と、１種以上の化合物（ａ２）のそれぞれにおける「２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数とを、全て合計した数を意味する。
【００７２】
実施形態（Ｙ）において、例えば、上記（ｉ）の場合として、２種以上の化合物（ａ１）が下記の化学式（ａ１−５）および化学式（ａ１−６）で表される場合、化学式（ａ１−５）で表される化合物の１個の炭素６員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は２個の−ＯＨ基と４個の−Ｈ基であり、化学式（ａ１−６）で表される化合物の１個の炭素６員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は４個の−ＯＨ基と２個の−Ｈ基であり、それらの合計は、６個の−ＯＨ基と６個の−Ｈ基である。また、例えば、上記（ｉｉｉ）の場合として、１種以上の化合物（ａ１）が下記の化学式（ａ１−５）および化学式（ａ１−７）で表され、１種以上の化合物（ａ２）が下記の化学式（ａ２−３）で表される場合、化学式（ａ１−５）で表される化合物の１個の炭素６員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は２個の−ＯＨ基と４個の−Ｈ基であり、化学式（ａ１−７）で表される化合物の１個の炭素６員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は６個の−ＯＨ基であり、化学式（ａ２−３）で表される化合物の２個以上の炭素６員環構造が結合および／または縮環した骨格の構造形成に寄与していない置換基は２個の−ＯＨ基と６個の−Ｈ基である。
【００７３】
【化５】
2020132489.tif 000007
【００７４】
【化６】
2020132489.tif 000008
【００７５】
芳香環含有化合物（Ａ）としてこのような芳香環含有化合物を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の脱水反応による反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料中に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような芳香環含有化合物を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、炭素材料を得ることができる。また、このような化合物（Ａ）は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。
【００７６】
＜芳香環含有化合物（Ａ）の代表的な実施形態（実施形態３）＞
芳香環含有化合物（Ａ）の代表的な実施形態（実施形態３）は、実施形態１と実施形態２の双方を同時に採用する形態である。すなわち、実施形態３は、加熱によって分解して芳香環上にラジカルを発生する芳香環含有化合物であり、かつ縮合反応によって、２種以上の基から１つの中性分子が形成されて脱離する芳香環含有化合物である。このような芳香環含有化合物が、同一分子間および／または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
【００７７】
実施形態３の具体的な構造としては、例えば、化合物（ａ３−１）が挙げられる。化合物（ａ３−１）は、加熱により二酸化炭素分子が脱離し、芳香族環上にラジカル（反応活性点）が生じるとともに、ヒドロキシル基と水素基が分子間で脱水し縮合反応が起こる。
【００７８】
【化７】
2020132489.tif 000009
【００７９】
このような芳香環含有化合物を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の脱水反応による反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料中に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような芳香環含有化合物を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、炭素材料を得ることができる。また、このような化合物（Ａ）は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。
【００８０】
≪炭素材料≫
本発明の炭素材料は、ラマン分析によって、Ｇバンド、Ｄバンド、Ｇ′バンドを示し、ＸＲＤ分析によって、黒鉛に由来するピークを示さず、ＸＰＳ分析によって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が９９．９％以上を示し、ＸＲＦ分析によって、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が、それぞれ１００ｐｐｍ以下である。
【００８１】
本発明の炭素材料は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な方法によって製造し得る。このような製造方法としては、好ましくは、上述した本発明の製造方法が挙げられる。
【００８２】
本発明の炭素材料は、従来公知の炭素材料とは異なる新規な炭素材料である。従来公知の炭素材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト、グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化フラフェン、人造黒鉛、カーボンブラックなどが挙げられる。
【００８３】
本発明の炭素材料は、代表的には、その構造内にベンゼン環由来のハニカム構造（グラフェン構造）を有する。グラフェン構造は、後述するラマン分光分析によってその有無の確認ができる（例えば、非特許文献３参照）。
【００８４】
本発明の炭素材料は、ラマン分析によって、Ｇバンド、Ｄバンド、Ｇ′バンドを示す。すなわち、本発明の炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、Ｇバンド（一般的に１５５０ｃｍ−１〜１６５０ｃｍ−１の範囲内）、Ｄバンド（一般的に１３００ｃｍ−１〜１４００ｃｍ−１の範囲内）、Ｇ′バンド（一般的に２６５０ｃｍ−１〜２７５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてこのようなピークを示すことは、本発明の炭素材料が、グラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有していること、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していること、官能基を含むこと、を意味している。
【００８５】
Ｇバンドは、一般に、強度が高く、シャープであれば、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。
【００８６】
Ｄバンドは、一般に、強度が低ければ、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。また、Ｄバンドが確認できるということは、官能基を有すること、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していること、を意味している。これにより、通常のグラフェンとは異なる性質を発揮し得る。
【００８７】
Ｇ′バンドは、一般に、その強度は、グラフェン構造が１層のときに最も強く、グラフェン構造の積層数が増えるにつれて徐々に小さくなる。しかしながら、Ｇ′バンドは、グラフェン構造の積層数が増えるにつれて徐々に強度が小さくなっても、ピークは観察することができる。したがって、Ｇ′バンドにピークを有することは、グラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。Ｇ′バンドは、２Ｄバンドとも呼ばれることがある。
【００８８】
本発明の炭素材料は、ラマン分析によって、好ましくは、Ｄ＋Ｄ′バンド（一般的に２８００ｃｍ−１〜３０００ｃｍ−１の範囲内）および／または２Ｄ′バンド（一般的に３１００ｃｍ−１〜３３００ｃｍ−１の範囲内）を示す。ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてこのようなピークを示すことは、本発明の炭素材料が、グラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有していること、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していること、官能基を含むこと、をより意味している。
【００８９】
Ｄ＋Ｄ′バンドおよび２Ｄ′バンドは、一般に、強度が低ければ、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。Ｄ＋Ｄ′バンドは、Ｄ＋Ｇバンドとも呼ばれることがある。また、Ｄ＋Ｄ′バンドおよび／または２Ｄ′バンドが確認できるということは、官能基を有すること、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していること、を意味している。これにより、通常のグラフェンとは異なる性質を発揮し得る。
【００９０】
本発明の炭素材料は、ＸＲＤ分析によって、黒鉛に由来するピークを示さない。本発明でいう黒鉛に由来するピークとは、ＸＲＤにおける（００２）面に由来するピークが２６．３度以上であることを意味する。黒鉛ピークを有さない炭素材料では２６．３度以下にブロードなピークを有することが多い。これは、炭素材料層間距離が黒鉛よりも広く、黒鉛とは異なった材料であることを示す。例えば、グラファイトナノプレート（ＧＮＰ）はグラフェンと類似した薄いグラファイトであり、ＸＲＤ分析によって、黒鉛に由来のピークを示す。本発明の炭素材料が、ＸＲＤ分析によって、黒鉛に由来するピークを示さないことは、グラファイトナノプレート（ＧＮＰ）とは異なる炭素材料であることを意味している。
【００９１】
本発明の炭素材料は、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しない。具体的には、本発明の炭素材料は、ＸＰＳ分析によって、全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が９９．９％以上であり、好ましくは９９．９５％以上であり、より好ましくは９９．９９％以上であり、さらに好ましくは９９．９９５％以上であり、特に好ましくは９９．９９９％以上であり、最も好ましくは実質的に１００％である。本発明の炭素材料が、ＸＰＳ分析により測定される全元素中の炭素および酸素の合計の含有割合が上記範囲内にあることは、本発明の炭素材料の純度が非常に高く、物性の妨げとなる不純物を含まないことを意味する。また実質的に１００％とは、ＸＰＳによる分析で、炭素および酸素以外のピークが検出されないこと（ベースラインと判別できないこと）を意味する。
【００９２】
本発明の炭素材料は、ＸＲＦ分析によって、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が、それぞれ１００ｐｐｍ以下であり、好ましくは５０ｐｐｍ以下であり、より好ましくは１０ｐｐｍ以下であり、さらに好ましくは５ｐｐｍ以下であり、特に好ましくは１ｐｐｍ以下であり、最も好ましくは実質的に０ｐｐｍである。本発明の炭素材料が、ＸＲＦ分析により測定される、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が上記範囲内にあることは、本発明の炭素材料が、窒素や硫黄やリンやおよびアルカリ金属以外の金属という不純物の含有量の割合が非常に低い（極めて高純度の）炭素材料であることを意味している。
【００９３】
本発明の炭素材料は、バルク状態で存在し得る。バルク状態に関する説明は前述した通りであり、代表的には、粒子、ペレット、フィルム等である。粒子の存在状態としては、例えば、粉体が挙げられる。フィルムとしては、自立したフィルムであることが好ましい。
【００９４】
本発明の炭素材料は、上記のような特徴を有する新規な炭素材料である。すなわち、本発明の炭素材料は、結晶構造的にはグラフェンと同一または類似した構造を有し、ほぼ単層の酸素含有炭素材料であるという点では還元型酸化グラフェンとほぼ同じ構造を有し、しかしながら、炭素および酸素以外の元素を実質的に含有しない点で還元型酸化グラフェンとは異なり、また、結晶構造的に黒鉛とも異なり、窒素、硫黄、リン、およびアルカリ金属以外の金属の含有量の割合が非常に低く（すなわち、極めて高純度であり）、バルク状態で存在し得る、新規な炭素材料である。
【００９５】
本発明の炭素材料は、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有している。このような欠陥が存在することにより、本発明の炭素材料は、溶剤や樹脂への溶解性や分散性等の発現に寄与し得る。
【００９６】
≪炭素材料組成物≫
本発明の炭素材料組成物は、本発明の炭素材料を含む。本発明の炭素材料は、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有しているので、溶剤や樹脂への溶解性や分散性等を発現し得る。したがって、本発明の炭素材料と溶剤を配合すると、溶剤への分散体や溶液を得ることができ、本発明の炭素材料と樹脂を配合すると、樹脂への分散体や樹脂に均一に溶解した組成物を得ることができ、各種分野への応用展開が可能となる。
【００９７】
本発明の炭素材料組成物中の本発明の炭素材料の含有割合は、目的に応じて適宜設定し得る。このような含有割合は、代表的には、好ましくは０．０１重量％〜９９．９重量％である。
【００９８】
本発明の炭素材料組成物の一つの実施形態は、溶剤を含む。このような本発明の炭素材料組成物の好ましい実施形態の一つとしては、上記溶剤に上記炭素材料が分散している。
【００９９】
本発明の炭素材料組成物の一つの実施形態は、樹脂を含む。このような本発明の炭素材料組成物の好ましい実施形態の一つとしては、上記樹脂に上記炭素材料が分散している。
【０１００】
本発明の炭素材料組成物に含まれ得る溶剤としては、例えば、ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）、ＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）等のアミド系溶媒、アセトン等のケトン系溶媒、２−プロパノール等のアルコール溶媒が挙げられる。このような溶剤は、１種のみであってもよいし、２種以上であってもよい。
【０１０１】
本発明の炭素材料組成物に含まれ得る樹脂としては、例えば、ＳＢＲ等のゴム系の樹脂、汎用的なエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミド樹脂が挙げられる。このような樹脂は、１種のみであってもよいし、２種以上であってもよい。
【実施例】
【０１０２】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「％」は「重量％」を意味する。また、本明細書において、「重量」は「質量」と読み替えても良い。
【０１０３】
＜ラマン分光分析＞
ラマン分光分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置：顕微ラマン（日本分光ＮＲＳ−３１００）
測定条件：５３２ｎｍレーザー使用、対物レンズ２０倍、ＣＣＤ取り込み時間１秒、積算６４回（分解能＝４ｃｍ−１）
【０１０４】
＜ＸＲＤ分析＞
ＸＲＤ測定は、全自動水平型Ｘ線回折装置（リガク社製、ＳＭＡＲＴ  ＬＡＢ）を用いて、以下の条件により行った。
ＣｕＫα１線：０．１５４０６ｎｍ
走査範囲：１０°−９０°
Ｘ線出力設定：４５ｋＶ−２００ｍＡ
ステップサイズ：０．０２０°
スキャン速度：０．５°ｍｉｎ−１−４°ｍｉｎ−１
なお、ＸＲＤ測定は、試料をグローブボックス中にて気密試料台に装填することにより、不活性雰囲気を保った状態で行った。
【０１０５】
＜ＸＲＦ分析＞
ＸＲＦ測定は、蛍光Ｘ線分析装置（Ｐｈｉｌｉｐｓ社製、ＰＷ２４０４）を用いて、検量線法にて測定を行った。元素濃度０．０１％以上のものを各成分として読み取った。水素は検出されないため、水素以外の元素の総量を１００％として算出した。
【０１０６】
＜ＸＰＳ分析＞
ＸＰＳ測定は、光電子分光装置（ＪＰＳ−９０００ＭＸ，日本電子株式会社製）を用いて行った。水素は検出されないため、水素以外の元素の総量を１００％として算出した。
【０１０７】
〔実施例１〕
東京化成工業株式会社製のフロログルシノールを、丸祥電器株式会社製のＳＵＰＥＲ  ＢＯＹを用いて、窒素雰囲気下、１３００℃で１時間焼成した。得られた炭素材料のラマン分析結果を図１、ＸＲＤ分析結果を図２に示した。また、ＸＰＳによる分析にでは、実質的に炭素および酸素元素のみであり、ＸＲＦによる分析では、酸素および炭素以外の元素は１００ｐｐｍ以下であった。
【０１０８】
〔比較例１〕
特許文献ＷＯ２０１７／０８２２６２を参考に酸化グラフェンを調製した。得られた酸化グラフェンを水で０．２重量％の濃度に調整した後、富士フイルム和光純薬株式会社製のＬ−アスコルビン酸を酸化グラフェンに対し５当量加え、７０℃で２時間反応させた。反応後、反応液を水洗およびろ過を繰り返し精製した後、アセトンで洗浄ろ過した。得られたウエットケーキを真空乾燥することで還元型酸化グラフェンを得た。得られた炭素材料（還元型酸化グラフェン）のラマン分析結果を図３、ＸＲＤ分析結果を図４に示した。また、ＸＲＦによる分析では、硫黄が３２１ｐｐｍ、マンガンが２０７ｐｐｍであった。
【０１０９】
〔比較例２〕
ＳＴＲＥＭ社製の剥離グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｎａｎｏｐｌａｔｅｌｅｔｓ  ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ）のＸＲＤ分析結果を図５に示した。剥離グラフェン（ＧＮＰ）は黒鉛ピークが強く存在し、グラフェンであるとは言い難いことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明の製造方法で得られる炭素材料、本発明の炭素材料、本発明の炭素材料組成物は、その特徴的な物性に起因して、各種分野における新規な機能性材料として利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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