JP2002338220A - Carbon composite including iron compound and method for producing the same - Google Patents

Carbon composite including iron compound and method for producing the same

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JP2002338220A JP2002071937A JP2002071937A JP2002338220A JP 2002338220 A JP2002338220 A JP 2002338220A JP 2002071937 A JP2002071937 A JP 2002071937A JP 2002071937 A JP2002071937 A JP 2002071937A JP 2002338220 A JP2002338220 A JP 2002338220A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain carbonaceous composite material including iron carbide or iron and to provide a method for producing the material in a high yield. SOLUTION: The carbonaceous composite material containing an iron-carbon composite with iron carbide or iron filled into 10-90% of the internal spaces of nano-flake carbon tubes or multilayer carbon nanotubes having a nested structure is produced as follows; (1) pressure is regulated to 10<-5> Pa to 200 kPa in an inert gaseous atmosphere, the concentration of oxygen in a reactor is regulated in such a way that the ratio B/A of the amount B (Ncc) of oxygen to the volume A (liter) of the reactor ranges from 1×10<-10> to 1×10<-1> and an iron halide is heated to 600-900 deg.C in the reactor and (2) the reactor is filled with an inert gaseous atmosphere, pressure is regulated to 10<-5> Pa to 200 kPa, a thermally decomposable carbon source is introduced and heat treatment is carried out at 600-900 deg.C.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化鉄又は鉄等の
鉄系化合物を内包する鉄−炭素複合体、該鉄−炭素複合
体を含む炭素質材料およびその製造方法に関する。
The present invention relates to an iron-carbon composite containing an iron compound such as iron carbide or iron, a carbonaceous material containing the iron-carbon composite, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】カーボンナノチューブは、黒鉛シート
(即ち、黒鉛構造の炭素原子面ないしグラフェンシー
ト)がチューブ状に閉じた中空炭素物質であり、その直
径はナノメートルスケールであり、壁構造は黒鉛構造を
有している。かかるカーボンナノチューブは、1991
年に飯島澄男氏により発見された。カーボンナノチュー
ブのうち、壁構造が一枚の黒鉛シートでチューブ状に閉
じたものは単層カーボンナノチューブと呼ばれ、複数枚
の黒鉛シートがそれぞれチューブ状に閉じて、入れ子状
になっているものは入れ子構造の多層カーボンナノチュ
ーブと呼ばれている。
2. Description of the Related Art A carbon nanotube is a hollow carbon material in which a graphite sheet (ie, a carbon atom surface of a graphite structure or a graphene sheet) is closed in a tubular shape, the diameter is on a nanometer scale, and the wall structure is a graphite structure. have. Such carbon nanotubes are available in 1991
Discovered by Sumio Iijima in 1965. Among carbon nanotubes, those with a wall structure closed in a tube shape with a single graphite sheet are called single-walled carbon nanotubes, and those with multiple graphite sheets closed in a tube shape and nested are It is called a nested multi-walled carbon nanotube.

【0003】また、通常の入れ子構造の多層カーボンナ
ノチューブと類似しているが、炭素からなる壁面の構造
が異なるものとして、黒鉛壁構造がスクロール状になっ
たものも報告されている。
[0003] In addition, it has been reported that the graphite wall structure has a scroll-like structure, which is similar to a normal nested multi-walled carbon nanotube but has a different wall structure made of carbon.

【0004】近年、導電体、電子放出体等の電気的特性
や磁気特性の向上を目指して、これらカーボンナノチュ
ーブ(以下「CNTs」ということがある)等のチューブ壁で
囲まれた中空部に金属を内包させる試みがなされてい
る。
[0004] In recent years, in order to improve the electrical and magnetic characteristics of conductors, electron emitters, and the like, metal such as carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as “CNTs”) has been placed in a hollow portion surrounded by a tube wall. Attempts have been made to include them.

【0005】例えば、特許第2546114号において
は、入れ子構造の多層カーボンナノチューブの中心にあ
る中空の穴に金属等の炭素以外の物質を内包させた異物
質内包カーボンナノチューブが記載されている。該異物
質内包カーボンナノチューブは、入れ子構造の多層カー
ボンナノチューブのキャップ状に閉じた先端を一旦キャ
ップ除去すると同時に又は除去した後に、炭素以外の物
質をカーボンナノチューブの先端に蒸着し、熱拡散によ
りカーボンナノチューブの先端からチューブの中心にあ
る中空の穴に導入することにより製造される。
[0005] For example, Japanese Patent No. 2546114 describes a foreign substance-containing carbon nanotube in which a substance other than carbon, such as metal, is contained in a hollow hole at the center of a nested multi-walled carbon nanotube. The foreign substance-encapsulated carbon nanotube is formed by simultaneously removing or removing the tip of the nested multi-walled carbon nanotube closed in a cap shape once or after removing the cap, and then depositing a substance other than carbon on the tip of the carbon nanotube, and thermally diffusing the carbon nanotube. From the tip of the tube into a hollow hole in the center of the tube.

【0006】また、特開平9−142819号には、直
径10nm〜1μm、長さ1〜100μmのカーボンチュ
ーブ内に異物質を内包したカーボンチューブが記載され
ている。この異物質内包カーボンチューブは、略直線状
の細孔を有する無機物質を型枠として用い、その細孔内
壁に被覆させた有機物質を加熱により炭化することによ
り、又は、該細孔中に気体状の炭化水素を気相炭化させ
て炭素薄膜を滞積させることにより、カーボンチューブ
を一旦製造した後、該チューブに、異物質を溶液状態又
は溶融状態で接触させて、カーボンチューブの中空部分
へ異物質を挿入する(無機物質は、挿入前又は後に溶解
除去する)ことにより製造される。
[0006] Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-142819 discloses a carbon tube having a diameter of 10 nm to 1 μm and a length of 1 to 100 μm containing a foreign substance. This foreign substance-encapsulated carbon tube is formed by using an inorganic substance having substantially linear pores as a mold, and carbonizing the organic substance coated on the pore inner walls by heating, or forming a gas in the pores. Once the carbon tube is once produced by carbonizing the hydrocarbon in the gas phase and depositing the carbon thin film, a foreign substance is brought into contact with the tube in a solution state or a molten state, and the carbon tube is formed into a hollow portion of the carbon tube. It is manufactured by inserting a foreign substance (an inorganic substance is dissolved and removed before or after insertion).

【0007】更に、特開2000−204471には、
直径が1〜100nmであり、直径と長軸長との比が50
以上である細線素材からなる金属細線、特にカーボン製
のチューブにより覆われている金属細線が記載されてい
る。このカーボン製チューブで被覆された金属細線の製
造法は、上記特開平9−142819号に記載の製造法
と同様であり、略直線状の細孔を有する無機物質の細孔
内壁に筒状のカーボンを形成する第1工程、該筒状カー
ボンの内部に金属を析出させる第2工程からなる製造法
により製造される。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-204471 discloses that
The diameter is 1 to 100 nm, and the ratio between the diameter and the major axis length is 50.
A thin metal wire made of the above thin wire material, particularly a thin metal wire covered with a carbon tube is described. The method for producing the thin metal wire covered with the carbon tube is the same as the production method described in JP-A-9-142819, and a cylindrical inner wall of an inorganic substance having substantially linear pores is provided. It is manufactured by a manufacturing method comprising a first step of forming carbon and a second step of depositing a metal inside the tubular carbon.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法は、一旦カーボンチューブを形成し、次いで異
物質を挿入するという2工程が少なくとも必要であり、
各工程の管理、制御等の点で煩雑であり生産性も低い。
更に、上記特開平9−142819号及び特開2000
−204471に記載の製造方法では、型枠として使用
した無機物質を溶解除去する工程が必要である。
However, the above conventional method requires at least two steps of forming a carbon tube and then inserting a foreign substance.
The management and control of each process are complicated and the productivity is low.
Further, Japanese Unexamined Patent Application Publication Nos. 9-142819 and 2000
In the production method described in -204471, a step of dissolving and removing the inorganic substance used as the mold is required.

【0009】また、従来カーボンチューブ内にカーボン
ナノチューブ等のチューブ状炭素材料の炭素からなる壁
部で囲まれた空間部に金属、特に鉄又は鉄化合物が封入
された複合体を、mgスケール以上で得る方法は開発さ
れていない。そのために、チューブ状炭素材料の中空部
に金属等を内包した炭素−金属複合体についての具体的
な実用化研究はなされていないのが現状である。
Conventionally, a complex in which a metal, particularly iron or an iron compound is sealed in a space surrounded by a wall made of carbon of a tubular carbon material such as a carbon nanotube in a carbon tube, is prepared on a mg scale or more. No way to get it has been developed. Therefore, at present, there is no specific practical research on a carbon-metal composite in which a metal or the like is included in a hollow portion of a tubular carbon material.

【0010】本発明は、カーボンのチューブで囲まれた
空間部のかなりの部分に鉄又は鉄化合物が封入された複
合体、かかる複合体を含む炭素質材料、及びその製造法
を提供することを主な目的とする。
The present invention provides a composite in which iron or an iron compound is encapsulated in a substantial part of a space surrounded by a carbon tube, a carbonaceous material containing such a composite, and a method for producing the same. Main purpose.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の様な
従来技術の現状に鑑みて研究を進めた結果、次の事項を
発見した。
Means for Solving the Problems The present inventor has made the following studies in view of the above-mentioned current state of the art, and has found the following.

【0012】(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5
Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、
反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)と
した場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1となる
濃度に調整して、反応炉内でハロゲン化鉄を600〜9
00℃まで加熱し、(2)上記反応炉内を不活性ガス雰囲
気とし、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、熱
分解性炭素源を導入して600〜900℃で加熱処理を
行うことにより、炭素からなるチューブとそのチューブ
内空間部に内包された鉄又は炭化鉄からなる鉄−炭素複
合体を含む炭素材料が、一挙に製造できる。
(1) In an inert gas atmosphere, the pressure is 10 -5
Pa to 200 kPa, and adjust the oxygen concentration in the reactor,
When the reaction furnace volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc), the ratio B / A is adjusted to a concentration of 1 × 10 -10 to 1 × 10 -1, and halogenation is performed in the reaction furnace. 600-9 iron
Heating to 00 ° C, (2) setting the inside of the reaction furnace to an inert gas atmosphere, adjusting the pressure to 10 −5 Pa to 200 kPa, introducing a pyrolytic carbon source, and performing heat treatment at 600 to 900 ° C. Thereby, a carbon material including a tube made of carbon and an iron-carbon composite made of iron or iron carbide contained in the space inside the tube can be manufactured at a stroke.

【0013】上記工程(2)の後の冷却工程において、
冷却速度を特定の範囲に制御することにより、得られる
炭素からなるチューブは、フレーク状の黒鉛シートが複
数枚(通常は多数)パッチワーク状ないし張り子状に集
合して構成されていると思われる、黒鉛シートの集合体
からなる炭素製チューブとなる。本明細書において、こ
の炭素製チューブを「ナノフレークカーボンチューブ」
という。このナノフレークカーボンチューブは、一枚の
黒鉛シートが円筒状に閉じた単層カーボンナノチューブ
や複数枚の黒鉛シートがそれぞれ円筒状に閉じて同心円
筒状ないし入れ子状となっている多層カーボンナノチュ
ーブとは全く構造の異なるチューブ状炭素材である。
In the cooling step after the step (2),
By controlling the cooling rate to a specific range, the carbon tube obtained is considered to be composed of a plurality (usually many) of flake-like graphite sheets gathered in a patchwork or papier shape. , A carbon tube made of an aggregate of graphite sheets. In the present specification, this carbon tube is referred to as a “nanoflake carbon tube”.
That. This nanoflake carbon tube is a single-walled carbon nanotube in which one graphite sheet is closed in a cylindrical shape, or a multi-walled carbon nanotube in which a plurality of graphite sheets are closed in a cylindrical shape and are concentric cylinders or nests. It is a tubular carbon material with a completely different structure.

【0014】該ナノフレークカーボンチューブのチュ
ーブ内空間部(即ち、ナノフレークカーボンチューブの
チューブ壁で囲まれた空間)は、該空間部のかなりの部
分、特に該空間部の10〜90%が炭化鉄又は鉄で充填
されており、鉄−炭素複合体を形成している。
[0014] The space inside the tube of the nanoflake carbon tube (ie, the space surrounded by the tube wall of the nanoflake carbon tube) forms a considerable portion of the space, particularly 10 to 90% of the space. Filled with iron or iron to form an iron-carbon composite.

【0015】更に、上記工程(2)の後工程として、不
活性気体中で加熱処理を行い、特定の冷却速度で冷却す
ることにより、得られる炭素からなるチューブは、入れ
子構造の多層カーボンナノチューブとなる。該多層カー
ボンナノチューブのチューブ内空間部は、該空間部のか
なりの部分、特に該空間部の10〜90%が炭化鉄又は
鉄で充填されており、鉄−炭素複合体を形成している。
Further, as a post-step of the above-mentioned step (2), by performing a heat treatment in an inert gas and cooling at a specific cooling rate, a tube made of carbon obtained is a multi-walled carbon nanotube having a nested structure. Become. In the space in the tube of the multi-walled carbon nanotube, a considerable part of the space, particularly 10 to 90% of the space, is filled with iron carbide or iron to form an iron-carbon composite.

【0016】本発明は、これらの知見に基づき更に検討
を重ねて完成されたものであり、次の鉄−炭素複合体及
びその製造方法を提供するものである。
The present invention has been completed by further study based on these findings, and provides the following iron-carbon composite and a method for producing the same.

【0017】項1 (a)ナノフレークカーボンチューブ
及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群
から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とか
らなる鉄−炭素複合体であって、カーボンチューブ内空
間部の10〜90%に炭化鉄又は鉄が充填されているこ
とを特徴とする鉄−炭素複合体。
Item 1 An iron-carbon composite comprising (a) a carbon tube selected from the group consisting of a nanoflake carbon tube and a nested multi-walled carbon nanotube, and (b) iron carbide or iron, wherein An iron-carbon composite, wherein 10 to 90% of the space is filled with iron carbide or iron.

【0018】項2 直線状であり、外径が1〜100n
mであり、炭素からなる壁部の厚さが49nm以下であ
って全長に亘って実質的に均一であり、長さをLとし外
径をDとした場合のアスペクト比L/Dが5〜1000
0である上記項1に記載の鉄−炭素複合体。
Item 2 is linear and has an outer diameter of 1 to 100 n.
m, the thickness of the wall portion made of carbon is 49 nm or less, is substantially uniform over the entire length, and the aspect ratio L / D when the length is L and the outer diameter is D is 5 to 5. 1000
Item 2. The iron-carbon composite according to Item 1, which is 0.

【0019】項3 鉄−炭素複合体を構成するカーボン
チューブの壁部をX線回折法により測定した場合に、炭
素網面間の平均距離(d002)が、0.34nm以下であ
る上記項1又は2に記載の鉄−炭素複合体。
Item 3. The above-mentioned item 1, wherein the average distance (d002) between the carbon mesh planes is 0.34 nm or less, when the wall of the carbon tube constituting the iron-carbon composite is measured by an X-ray diffraction method. Or the iron-carbon composite according to 2.

【0020】項4 鉄−炭素複合体を構成するカーボン
チューブが、ナノフレークカーボンチューブである上記
項1〜3のいずれかに記載の鉄−炭素複合体。
Item 4 The iron-carbon composite according to any one of Items 1 to 3, wherein the carbon tube constituting the iron-carbon composite is a nanoflake carbon tube.

【0021】項5 鉄−炭素複合体を構成するカーボン
チューブが、入れ子構造の多層カーボンナノチューブで
ある上記項1〜3のいずれかに記載の鉄−炭素複合体。
Item 5 The iron-carbon composite according to any one of Items 1 to 3, wherein the carbon tube constituting the iron-carbon composite is a nested multi-walled carbon nanotube.

【0022】項6 (a) ナノフレークカーボンチューブ
及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群
から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とか
らなり、カーボンチューブ内空間部の10〜90%に炭
化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体からなる炭
素質材料。
Item 6: (a) A carbon tube selected from the group consisting of a nanoflake carbon tube and a nested multi-walled carbon nanotube, and (b) iron carbide or iron, which accounts for 10 to 90% of the space in the carbon tube. A carbonaceous material comprising iron carbide or an iron-carbon composite filled with iron.

【0023】項7 炭素質材料1mgに対して25mm
2以上の照射面積でCuKαのX線を照射する粉末X線
回折測定において、カーボンチューブに内包されている
鉄または炭化鉄に帰属される40°<2θ<50°のピ
ークの中で最も強い積分強度を示すピークの積分強度を
Iaとし、カーボンチューブの炭素網面間の平均距離
(d002)に帰属される26°<2θ<27°のピーク
の積分強度をIbとした場合に、Ia/Ibの比Rが、
0.35〜5である上記項6に記載の炭素質材料。
Item 7 25 mm per 1 mg of carbonaceous material
In the powder X-ray diffraction measurement of irradiating CuKα X-rays with an irradiation area of 2 or more, the strongest integral among peaks at 40 ° <2θ <50 ° attributed to iron or iron carbide contained in the carbon tube. When the integrated intensity of the peak indicating the intensity is defined as Ia, and the integrated intensity of the peak at 26 ° <2θ <27 ° attributed to the average distance (d002) between the carbon net surfaces of the carbon tube is defined as Ib, Ia / Ib Is the ratio R
Item 7. The carbonaceous material according to Item 6, which has a particle size of 0.35 to 5.

【0024】項8 鉄−炭素複合体が、直線状であり、
外径が1〜100nmであり、炭素からなる壁部の厚さ
が49nm以下であって全長に亘って実質的に均一であ
り、長さをLとし外径をDとした場合のアスペクト比L
/Dが5〜10000である上記項6又は7に記載の炭
素質材料。
Item 8: The iron-carbon composite is linear,
The outer diameter is 1 to 100 nm, the thickness of the carbon wall is 49 nm or less and is substantially uniform over the entire length, and the aspect ratio L when the length is L and the outer diameter is D
Item 8. The carbonaceous material according to item 6 or 7, wherein / D is 5 to 10,000.

【0025】項9 鉄−炭素複合体を構成するカーボン
チューブの壁部をX線回折法により測定した場合に、炭
素網面間の平均距離(d002)が、0.34nm以下であ
る上記項6〜8のいずれかに記載の炭素質材料。
Item 9. The above-mentioned item 6, wherein the average distance (d002) between carbon mesh planes is 0.34 nm or less when the wall of the carbon tube constituting the iron-carbon composite is measured by X-ray diffraction. 9. The carbonaceous material according to any one of items 1 to 8.

【0026】項10 鉄−炭素複合体を構成するカーボ
ンチューブが、ナノフレークカーボンチューブである上
記項6〜9のいずれかに記載の炭素質材料。
Item 10. The carbonaceous material according to any one of Items 6 to 9, wherein the carbon tube constituting the iron-carbon composite is a nanoflake carbon tube.

【0027】項11 鉄−炭素複合体を構成するカーボ
ンチューブが、入れ子構造の多層カーボンナノチューブ
である上記項6〜9のいずれかに記載の炭素質材料。
Item 11. The carbonaceous material according to any one of Items 6 to 9, wherein the carbon tube constituting the iron-carbon composite is a multi-walled carbon nanotube having a nested structure.

【0028】項12 (a) ナノフレークカーボンチュー
ブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる
群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄と
からなり、カーボンチューブ内空間部の10〜90%に
炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体からなる
炭素質材料の製造方法であって、(1)不活性ガス雰囲気
中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉
内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素
量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10
1×10-1となる濃度に調整して、反応炉内でハロゲン
化鉄を600〜900℃まで加熱する工程、及び(2)上
記反応炉内を不活性ガス雰囲気として圧力を10-5Pa
〜200kPaに調整し、熱分解性炭素源を導入して6
00〜900℃で加熱処理を行う工程を包含することを
特徴とする製造方法。
Item 12: (a) A carbon tube selected from the group consisting of a nanoflake carbon tube and a nested multi-walled carbon nanotube, and (b) iron carbide or iron, which accounts for 10 to 90% of the space in the carbon tube. A method for producing a carbonaceous material comprising an iron-carbon composite filled with iron carbide or iron, comprising the steps of: (1) adjusting the pressure to 10 −5 Pa to 200 kPa in an inert gas atmosphere; The ratio B / A when the oxygen concentration of the reaction furnace is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 1 × 10 −10 to
Adjusting the concentration to 1 × 10 −1 and heating the iron halide to 600 to 900 ° C. in the reaction furnace; and (2) setting the pressure in the reaction furnace to 10 −5 Pa with an inert gas atmosphere.
To 200 kPa, and introduced a pyrolytic carbon source.
A production method comprising a step of performing a heat treatment at 00 to 900 ° C.

【0029】項13 工程(2)の加熱処理工程後、50
〜2000℃/hで500℃まで冷却することによりナ
ノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間部の
10〜90%に充填されている炭化鉄又は鉄からなる鉄
−炭素複合体を含む炭素質材料を生成させる上記項12
に記載の製造方法。
Item 13 After the heat treatment step of the step (2), 50
By cooling to 500 ° C. at 20002000 ° C./h, a carbonaceous material containing an iron-carbon composite comprising iron carbide or iron filled in a nanoflake carbon tube and 10 to 90% of the space in the tube is removed. Item 12 to be generated
The production method described in 1.

【0030】項14 工程(2)の加熱処理工程後、(3)反
応炉内を工程(2)の温度を維持したまま不活性気体で置
換する工程、(4)不活性気体で置換された反応炉内を9
50〜1500℃に昇温する工程、(5)昇温終点で終点
温度を入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成す
るまで維持する工程、及び(6)反応炉内を50℃/h以下
の速度で冷却する工程を行うことにより入れ子構造の多
層カーボンナノチューブとそのチューブ内空間部の10
〜90%に充填されている炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭
素複合体を含む炭素質材料を生成させる上記項12に記
載の製造方法。
Item 14 After the heat treatment step of the step (2), (3) a step of replacing the inside of the reaction furnace with an inert gas while maintaining the temperature of the step (2), and (4) a step of replacing the inside of the reaction furnace with the inert gas. 9 inside the reactor
A step of raising the temperature to 50 to 1500 ° C., (5) a step of maintaining the end point temperature at the temperature raising end point until a nested multi-walled carbon nanotube is generated, and (6) a rate of 50 ° C./h or less in the reaction furnace. By performing the cooling step, the nested multi-walled carbon nanotubes and the 10
Item 13. The production method according to the above item 12, wherein a carbonaceous material containing an iron-carbon composite comprising iron carbide or iron filled to 90% is produced.

【0031】項15 工程(2)の加熱処理を有機鉄錯体
の存在下に行う上記項12に記載の製造方法。
Item 15. The method according to Item 12, wherein the heat treatment in the step (2) is performed in the presence of an organic iron complex.

【0032】項16 有機鉄錯体が、フェロセン又は鉄
カルボニル錯体である上記項15に記載の製造方法。
Item 16. The method according to Item 15, wherein the organic iron complex is a ferrocene or iron carbonyl complex.

【0033】項17 ハロゲン化鉄が、鉄の塩化物であ
る上記項12〜16のいずれかに記載の製造方法。
Item 17. The method according to any one of Items 12 to 16, wherein the iron halide is an iron chloride.

【0034】項18 鉄の塩化物が、FeCl2、FeCl3、Fe
Cl2・4H2O及びFeCl3・6H2Oからなる群から選ばれる少
なくとも1種である上記項17に記載の製造方法。
Item 18. The iron chloride is composed of FeCl 2 , FeCl 3 , Fe
The method according to Cl 2 · 4H 2 O and the term 17 is at least one selected from the group consisting of FeCl 3 · 6H 2 O.

【0035】項19 熱分解性炭素源が、炭素数6〜1
2の芳香族炭化水素、炭素数1〜10の飽和脂肪族炭化
水素及び炭素数2〜5の不飽和脂肪族炭化水素からなる
群から選ばれる少なくとも1種である上記項12〜18
のいずれかに記載の製造方法。
Item 19: The pyrolytic carbon source has a carbon number of 6 to 1
The above items 12 to 18, which are at least one member selected from the group consisting of aromatic hydrocarbons having 2 carbon atoms, saturated aliphatic hydrocarbons having 1 to 10 carbon atoms, and unsaturated aliphatic hydrocarbons having 2 to 5 carbon atoms.
The production method according to any one of the above.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】本発明の鉄−炭素複合体 本発明による鉄−炭素複合体は、(a) ナノフレークカー
ボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチュー
ブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化
鉄又は鉄とからなるものであって、該カーボンチューブ
内空間部(即ち、チューブ壁で囲まれた空間)の実質上
全てが充填されているのではなく、該空間部の一部、よ
り具体的には10〜90%程度、特に30〜80%程
度、好ましくは40〜70%程度が炭化鉄又は鉄により
充填されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Iron-Carbon Composite of the Present Invention An iron-carbon composite according to the present invention comprises: (a) a carbon tube selected from the group consisting of nanoflake carbon tubes and nested multi-wall carbon nanotubes; ) Iron carbide or iron, and the space inside the carbon tube (that is, the space surrounded by the tube wall) is not substantially filled, but a part of the space, More specifically, about 10 to 90%, particularly about 30 to 80%, preferably about 40 to 70% is filled with iron carbide or iron.

【0037】本発明の鉄−炭素複合体においては、炭素
部分は、製造工程(1)及び(2)を行った後、特定の速度で
冷却するとナノフレークカーボンチューブとなり、製造
工程(1)及び(2)を行った後、不活性気体中で加熱処理を
行い、特定の冷却速度で冷却することにより、入れ子構
造の多層カーボンナノチューブとなる。
In the iron-carbon composite of the present invention, the carbon portion is converted into a nanoflake carbon tube by cooling at a specific rate after the production steps (1) and (2), and the production steps (1) and (2) After performing (2), heat treatment is performed in an inert gas, and cooling is performed at a specific cooling rate, thereby obtaining a nested multi-walled carbon nanotube.

【0038】<(a-1) ナノフレークカーボンチューブ
>本発明のナノフレークカーボンチューブと炭化鉄又は
鉄からなる鉄−炭素複合体は、典型的には円柱状である
が、そのような円柱状の鉄−炭素複合体(実施例1で得
られたもの)の長手方向を横切る断面の透過型電子顕微
鏡(TEM)写真を図7に示し、側面のTEM写真を図3に示
す。
<(A-1) Nanoflake Carbon Tube> The iron-carbon composite comprising the nanoflake carbon tube and iron carbide or iron of the present invention is typically in the form of a column. FIG. 7 shows a transmission electron microscope (TEM) photograph of a cross section of the iron-carbon composite (obtained in Example 1) crossing the longitudinal direction, and FIG. 3 shows a TEM photograph of the side surface.

【0039】また、図10の(a-1)にそのような円柱状
のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図を示
す。図10の(a-1)において、100は、ナノフレーク
カーボンチューブの長手方向のTEM像を模式的に示して
おり、200は、ナノフレークカーボンチューブの長手
方向にほぼ垂直な断面のTEM像を模式的に示している。
FIG. 10 (a-1) shows a schematic view of a TEM image of such a cylindrical nanoflake carbon tube. In (a-1) of FIG. 10, 100 schematically shows a TEM image in the longitudinal direction of the nanoflake carbon tube, and 200 shows a TEM image of a cross section almost perpendicular to the longitudinal direction of the nanoflake carbon tube. This is schematically shown.

【0040】本発明の鉄−炭素複合体を構成しているナ
ノフレークカーボンチューブは、図7及び図10の(a-
1)の200から明らかなように、その長手方向を横切る
断面をTEM観察した場合、多数の弧状グラフェンシート
像が多層構造のチューブ状に集合しているが、個々のグ
ラフェンシート像は、例えば210、214に示すよう
に、完全に閉じた連続的な環を形成しておらず、途中で
途切れた不連続な環を形成している。一部のグラフェン
シート像は、211に示すように、分岐している場合も
ある。不連続点においては、一つの不連続環を構成する
複数の弧状TEM像は、図10の(a-1)の222に示すよう
に、層構造が部分的に乱れている場合もあれば、223
に示すように隣接するグラフェンシート像との間に間隔
が存在している場合もあるが、TEMで観察される多数の
弧状グラフェンシート像は、全体として、多層状のチュ
ーブ構造を形成している。
The nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite of the present invention is shown in FIG. 7 and FIG.
As is clear from 200 of 1), when a cross section crossing the longitudinal direction is observed by TEM, a large number of arc-shaped graphene sheet images are aggregated in a multilayer tube shape. , 214, a completely closed continuous ring is not formed, but a discontinuous ring interrupted on the way is formed. Some graphene sheet images may be branched, as shown at 211. At a discontinuous point, a plurality of arc-shaped TEM images constituting one discontinuous ring may have a partially disordered layer structure, as shown at 222 in FIG. 10A. 223
In some cases, there is a gap between adjacent graphene sheet images as shown in Fig. 5, but a large number of arc-shaped graphene sheet images observed by TEM form a multilayer tube structure as a whole .

【0041】また、図3及び図10の(a-1)の100か
ら明らかなように、ナノフレークカーボンチューブの長
手方向をTEMで観察した場合、多数の略直線状のグラフ
ェンシート像が本発明の鉄−炭素複合体の長手方向にほ
ぼ並行に多層状に配列しているが、個々のグラフェンシ
ート像110は、鉄−炭素複合体の長手方向全長にわた
って連続しておらず、途中で不連続となっている。一部
のグラフェンシート像は、図1の(a-1)の111に示す
ように、分岐している場合もある。また、不連続点にお
いては、層状に配列したTEM像のうち、一つの不連続層
のTEM像は、図10の(a-1)の112に示すように、隣接
するグラフェンシート像と少なくとも部分的に重なり合
っている場合もあれば、113に示すように隣接するグ
ラフェンシート像と少し離れている場合もあるが、多数
の略直線状のTEM像が、全体として多層構造を形成して
いる。
Further, as is apparent from 100 in FIGS. 3 and 10 (a-1), when the longitudinal direction of the nanoflake carbon tube was observed by TEM, a large number of substantially linear graphene sheet images were obtained according to the present invention. The graphene sheet images 110 are not continuous over the entire length of the iron-carbon composite in the longitudinal direction, but are discontinuous on the way. It has become. Some graphene sheet images may be branched, as indicated by 111 in FIG. 1 (a-1). At the discontinuous point, among the TEM images arranged in layers, the TEM image of one discontinuous layer at least partially overlaps with the adjacent graphene sheet image as shown at 112 in (a-1) of FIG. In some cases, the TEM images may overlap with each other, and in some cases, they may be slightly separated from the adjacent graphene sheet images, as shown at 113. However, a large number of substantially linear TEM images form a multilayer structure as a whole.

【0042】かかる本発明のナノフレークカーボンチュ
ーブの構造は、従来の多層カーボンナノチューブと大き
く異なっている。即ち、図10の(a-2)の400に示す
ように、入れ子構造の多層カーボンナノチューブは、そ
の長手方向に垂直な断面のTEM像が、410に示すよう
に、完全な円形のTEM像となっている同心円状のチュー
ブであり、且つ、図10の(a-2)の300に示すよう
に、その長手方向の全長にわたって連続する直線状グラ
フェンシート像310等が平行に配列している構造(同
心円筒状ないし入れ子状の構造)である。
The structure of the nanoflake carbon tube of the present invention is significantly different from the conventional multi-wall carbon nanotube. That is, as shown by 400 in FIG. 10A-2, the nested multi-walled carbon nanotube has a TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction, as shown by 410, a perfect circular TEM image. And a structure in which linear graphene sheet images 310 and the like continuous over the entire length in the longitudinal direction are arranged in parallel, as shown at 300 in FIG. 10 (a-2). (Concentric cylindrical or nested structure).

【0043】以上より、詳細は未だ完全には解明されて
いないが、本発明の鉄−炭素複合体を構成するナノフレ
ークカーボンチューブは、フレーク状のグラフェンシー
トが多数パッチワーク状ないし張り子状に重なり合って
全体としてチューブを形成しているようにみえる。
As described above, although the details have not been completely elucidated yet, the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite of the present invention has a large number of flake-like graphene sheets overlapping in a patchwork or papier shape. All seem to form a tube.

【0044】このような本発明のナノフレークカーボン
チューブとそのチューブ内空間部に内包された炭化鉄又
は鉄からなる鉄−炭素複合体は、特許第2546114
号に記載されているような入れ子構造の多層カーボンナ
ノチューブのチューブ内空間部に金属が内包された複合
体に比し、カーボンチューブの構造において大きく異な
っており、従来知られていなかった新規な炭素材料であ
る。
The nano-flake carbon tube of the present invention and the iron-carbon composite comprising iron carbide or iron contained in the space inside the tube are disclosed in Japanese Patent No. 2546114.
The structure of the carbon tube differs greatly from the composite in which metal is included in the space inside the tube of the nested multi-walled carbon nanotube as described in Material.

【0045】本発明の鉄−炭素複合体を構成しているナ
ノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合におい
て、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラ
フェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長
さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程
度である。即ち、図10の(a-1)の100に示されるよ
うに、110で示される略直線状のグラフェンシートの
TEM像が多数集まってナノフレークカーボンチューブの
壁部のTEM像を構成しており、個々の略直線状のグラフ
ェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に
10〜100nm程度である。
When the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite of the present invention was observed by TEM, a large number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction were examined. The length of the image is usually about 2 to 500 nm, especially about 10 to 100 nm. That is, as shown by 100 in FIG. 10A, the substantially linear graphene sheet shown by 110
A large number of TEM images form a TEM image of the wall of the nanoflake carbon tube, and the length of each substantially linear graphene sheet image is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm. .

【0046】本発明の鉄−炭素複合体を構成するナノフ
レークカーボンチューブの壁部の炭素部分は、上記のよ
うにフレーク状のグラフェンシートが多数長手方向に配
向して全体としてチューブ状となっているが、X線回折
法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d00
2)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものであ
る。
The carbon portion of the wall of the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite of the present invention has a tubular shape as a whole with a large number of flake-like graphene sheets oriented in the longitudinal direction as described above. However, when measured by the X-ray diffraction method, the average distance (d00
2) has a graphite structure of 0.34 nm or less.

【0047】また、本発明の鉄−炭素複合体のナノフレ
ークカーボンチューブからなる壁部の厚さは、49nm
以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10
nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。
The thickness of the wall of the iron-carbon composite nanoflake carbon tube of the present invention is 49 nm.
Hereinafter, especially about 0.1 to 20 nm, preferably 1 to 10
nm and is substantially uniform over the entire length.

【0048】<(a-2) 入れ子構造の多層カーボンナノチ
ューブ>前記のように、工程(1)及び(2)を行った後、特
定の加熱工程を行うことにより、得られる鉄−炭素複合
体を構成するカーボンチューブは、入れ子構造の多層カ
ーボンナノチューブとなる。
<(A-2) Nested Multi-Walled Carbon Nanotube> As described above, the iron-carbon composite obtained by performing the steps (1) and (2) and then performing a specific heating step is obtained. Is a multi-walled carbon nanotube having a nested structure.

【0049】こうして得られる入れ子構造の多層カーボ
ンナノチューブは、図10の(a-2)の400に示すよう
に、その長手方向に垂直な断面のTEM像が完全な円を構
成する同心円状のチューブであり、且つ、その長手方向
の全長にわたって連続したグラフェンシート像が平行に
配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)
である。
The nested multi-walled carbon nanotube obtained in this way is a concentric tube whose TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction forms a complete circle, as shown by 400 in FIG. And a structure in which continuous graphene sheet images are arranged in parallel over the entire length in the longitudinal direction (concentric cylindrical or nested structure)
It is.

【0050】本発明の鉄−炭素複合体を構成する入れ子
構造の多層カーボンナノチューブの壁部の炭素部分は、
X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距
離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有する
ものである。
The carbon part of the wall of the nested multi-walled carbon nanotube constituting the iron-carbon composite of the present invention is as follows:
It has a graphitic structure with an average distance (d002) between carbon nettings of 0.34 nm or less as measured by X-ray diffraction.

【0051】また、本発明の鉄−炭素複合体の入れ子構
造の多層カーボンナノチューブからなる壁部の厚さは、
49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは
1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一
である。
The thickness of the wall portion composed of the nested multi-walled carbon nanotube of the iron-carbon composite of the present invention is as follows:
It is 49 nm or less, particularly about 0.1 to 20 nm, preferably about 1 to 10 nm, and is substantially uniform over the entire length.

【0052】<(b)内包されている炭化鉄又は鉄>本明
細書において、上記カーボンチューブ内空間部の炭化鉄
又は鉄による充填率(10〜90%)は、本発明により
得られた鉄−炭素複合体を透過型電子顕微鏡で観察し、
各カーボンチューブの空間部(即ち、カーボンチューブ
のチューブ壁で囲まれた空間)の像の面積に対する、炭
化鉄又は鉄が充填されている部分の像の面積の割合であ
る。
<(B) Encapsulated Iron Carbide or Iron> In the present specification, the filling rate (10 to 90%) of the space inside the carbon tube with iron carbide or iron is determined by the iron content obtained by the present invention. Observing the carbon composite with a transmission electron microscope,
It is the ratio of the area of the image of the portion filled with iron carbide or iron to the area of the image of the space of each carbon tube (that is, the space surrounded by the tube wall of the carbon tube).

【0053】炭化鉄又は鉄の充填形態は、カーボンチュ
ーブ内空間部に連続的に充填されている形態、カーボン
チューブ内空間部に断続的に充填されている形態等があ
るが、基本的には断続的に充填されている。従って、本
発明の鉄−炭素複合体は、金属内包炭素複合体ないし鉄
化合物内包炭素複合体、炭化鉄又は鉄内包炭素複合体と
も言うべきものである。
The filling form of iron carbide or iron includes a form in which the space in the carbon tube is continuously filled, a form in which the space in the carbon tube is intermittently filled, and the like. Filled intermittently. Therefore, the iron-carbon composite of the present invention can be called a metal-containing carbon composite, an iron compound-containing carbon composite, iron carbide, or an iron-containing carbon composite.

【0054】また、本発明の鉄−炭素複合体に内包され
ている炭化鉄又は鉄は、カーボンチューブの長手方向に
配向しており、結晶性が高く、炭化鉄又は鉄が充填され
ている範囲のTEM像の面積に対する、結晶性炭化鉄又は
鉄のTEM像の面積の割合(以下「結晶化率」という)
は、一般に、90〜100%程度、特に95〜100%
程度である。
The iron carbide or iron included in the iron-carbon composite of the present invention is oriented in the longitudinal direction of the carbon tube, has high crystallinity, and is filled with iron carbide or iron. Ratio of the area of the TEM image of crystalline iron carbide or iron to the area of the TEM image of
Is generally about 90 to 100%, particularly 95 to 100%
It is about.

【0055】内包されている炭化鉄又は鉄の結晶性が高
いことは、本発明鉄−炭素複合体の側面からのTEM観察
した場合、内包物のTEM像が格子状に配列していること
から明らかであり、電子線回折からも明確な回折パター
ンが得られることからも明らかである。
The high crystallinity of the encapsulated iron carbide or iron is attributed to the fact that the TEM images of the inclusions are arranged in a lattice when observed by TEM from the side of the iron-carbon composite of the present invention. It is clear from the fact that a clear diffraction pattern can be obtained from electron beam diffraction.

【0056】また、本発明の鉄−炭素複合体に炭化鉄又
は鉄が内包されていることは、電子顕微鏡、EDX(エ
ネルギー分散型X線検出器)により容易に確認すること
ができる。
The inclusion of iron carbide or iron in the iron-carbon composite of the present invention can be easily confirmed by an electron microscope and an EDX (energy dispersive X-ray detector).

【0057】<鉄−炭素複合体の全体形状>本発明の鉄
−炭素複合体は、湾曲が少なく、直線状であり、壁部の
厚さが全長に亘ってほぼ一定の均一厚さを有しているの
で、全長に亘って均質な形状を有している。その形状
は、柱状で、主に円柱状である。
<Overall Shape of Iron-Carbon Composite> The iron-carbon composite of the present invention has a small curvature, is linear, and has a substantially uniform thickness throughout its entire length. Therefore, it has a uniform shape over the entire length. Its shape is columnar, mainly cylindrical.

【0058】本発明による鉄−炭素複合体の外径は、通
常、1〜100nm程度、特に1〜50nm程度の範囲
にあり、好ましくは1〜30nm程度の範囲にあり、よ
り好ましくは10〜30nm程度の範囲にある。チュー
ブの長さ(L)の外径(D)に対するアスペクト比(L
/D)は、5〜10000程度であり、特に10〜10
00程度である。
The outer diameter of the iron-carbon composite according to the present invention is usually in the range of about 1 to 100 nm, particularly in the range of about 1 to 50 nm, preferably in the range of about 1 to 30 nm, more preferably in the range of 10 to 30 nm. In the range of degrees. Aspect ratio (L) of tube length (L) to outer diameter (D)
/ D) is about 5 to 10,000, especially 10 to 10
It is about 00.

【0059】本発明の鉄−炭素複合体の形状を表す一つ
の用語である「直線状」なる語句は、次のように定義さ
れる。即ち、透過型電子顕微鏡により本発明の鉄−炭素
複合体を含む炭素質材料を200〜2000nm四方の
範囲で観察し、像の長さをWとし、該像を直線状に伸ば
した時の長さをWoとした場合に、比W/Woが、0.
8以上、特に、0.9以上となる形状特性を意味するも
のとする。
The term “linear”, which is one term representing the shape of the iron-carbon composite of the present invention, is defined as follows. That is, the carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention was observed in a range of 200 to 2000 nm square by a transmission electron microscope, the length of the image was W, and the length when the image was linearly elongated. Where Wo is the ratio, the ratio W / Wo is 0.
A shape characteristic of 8 or more, particularly 0.9 or more is meant.

【0060】鉄−炭素複合体を含む炭素質材料 本発明の鉄−炭素複合体は、バルク材料としてみた場
合、次の性質を有する。即ち、本発明では、上記のよう
なナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層
カーボンナノチューブから選ばれるカーボンチューブの
チューブ内空間部の10〜90%の範囲に鉄または炭化
鉄が充填されている鉄−炭素複合体は、顕微鏡観察によ
りかろうじて観察できる程度の微量ではなく、多数の該
鉄−炭素複合体を含むバルク材料であって、鉄−炭素複
合体を含む炭素質材料、或いは、炭化鉄又は鉄内包炭素
質材料ともいうべき材料の形態で大量に得られる。
Carbonaceous Material Containing Iron-Carbon Composite The iron-carbon composite of the present invention has the following properties when viewed as a bulk material. That is, in the present invention, iron or iron carbide is filled in a range of 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube selected from the above-mentioned nanoflake carbon tube and nested multi-walled carbon nanotube. The carbon composite is not a trace amount that can be barely observed by microscopic observation, but is a bulk material containing a large number of the iron-carbon composites, a carbonaceous material containing the iron-carbon composite, or iron carbide or iron carbide. It is obtained in large quantities in the form of a material that can be called an encapsulated carbonaceous material.

【0061】後述の実施例1で製造されたナノフレーク
カーボンチューブとそのチューブ内空間に充填された炭
化鉄からなる本発明炭素質材料の電子顕微鏡写真を、図
4に示す。
FIG. 4 shows an electron micrograph of the carbonaceous material of the present invention composed of the nanoflake carbon tube manufactured in Example 1 described later and iron carbide filled in the inner space of the tube.

【0062】図4から判るように、本発明の鉄−炭素複
合体を含む炭素質材料においては、基本的にはほとんど
全ての(特に99%又はそれ以上の)カーボンチューブ
において、その空間部(即ち、カーボンチューブのチュ
ーブ壁で囲まれた空間)の10〜90%の範囲に炭化鉄
又は鉄が充填されており、空間部が充填されていないカ
ーボンチューブは実質上存在しないのが通常である。但
し、場合によっては、炭化鉄又は鉄が充填されていない
カーボンチューブも微量混在することがある。
As can be seen from FIG. 4, in the carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention, basically, almost all (particularly 99% or more) of the carbon tubes have the space ( That is, iron carbide or iron is filled in the range of 10 to 90% of the space surrounded by the tube wall of the carbon tube, and the carbon tube whose space is not filled is generally substantially absent. . However, in some cases, a very small amount of iron carbide or a carbon tube not filled with iron may be mixed.

【0063】また、本発明の炭素質材料においては、上
記のようなカーボンチューブ内空間部の10〜90%に
鉄または炭化鉄が充填されている鉄−炭素複合体が主要
構成成分であるが、本発明の鉄−炭素質複合体以外に、
スス等が含まれている場合がある。そのような場合は、
本発明の鉄−炭素質複合体以外の成分を除去して、本発
明の炭素質材料中の鉄−炭素質複合体の純度を向上さ
せ、実質上本発明の鉄−炭素複合体のみからなる炭素質
材料を得ることもできる。
In the carbonaceous material of the present invention, the iron-carbon composite in which 10% to 90% of the space inside the carbon tube is filled with iron or iron carbide is a main component. In addition to the iron-carbonaceous composite of the present invention,
Soot may be included. In such a case,
By removing components other than the iron-carbonaceous composite of the present invention, the purity of the iron-carbonaceous composite in the carbonaceous material of the present invention is improved, and substantially consists only of the iron-carbon composite of the present invention. Carbonaceous materials can also be obtained.

【0064】また、従来の顕微鏡観察で微量確認し得る
に過ぎなかった材料とは異なり、本発明の鉄−炭素複合
体を含む炭素質材料は大量に合成できるので、その重量
を容易に1mg以上とすることができる。後述する本発明
製法をスケールアップするか又は何度も繰り返すことに
より本発明の該材料は無限に製造できるので、上限は実
質的に存在しない。一般には、本発明の鉄−炭素複合体
を含む炭素質材料は、反応炉容積1リットル程度の実験
室レベルであっても、1mg〜100g程度、特に10
〜1000mg程度の量であれば容易に提供できる。
Unlike conventional materials which can only be traced by microscopic observation, a large amount of the carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention can be synthesized. It can be. Since the material of the present invention can be produced indefinitely by scaling up or repeating the process of the present invention described below, there is substantially no upper limit. In general, the carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention can be used in an amount of about 1 mg to 100 g, particularly 10
An amount of about 1000 mg can be easily provided.

【0065】本発明炭素質材料は、該炭素質材料1mg
に対して25mm2以上の照射面積で、CuKαのX線
を照射した粉末X線回折測定において、内包されている
鉄または炭化鉄に帰属される40°<2θ<50°のピ
ークの中で最も強い積分強度を示すピークの積分強度を
Iaとし、カーボンチューブの炭素網面間の平均距離
(d002)に帰属される26°<2θ<27°のピーク
の積分強度Ibとした場合に、IaのIbに対する比R
(=Ia/Ib)が、0.35〜5程度、特に0.5〜
4程度であるのが好ましく、より好ましくは1〜3程度
である。
The carbonaceous material of the present invention comprises 1 mg of the carbonaceous material.
In an X-ray powder diffraction measurement of X-rays of CuKα irradiated with an irradiation area of 25 mm 2 or more, the peak of 40 ° <2θ <50 ° attributed to the contained iron or iron carbide was the most. Assuming that the integrated intensity of the peak showing strong integrated intensity is Ia and the integrated intensity Ib of the peak at 26 ° <2θ <27 ° attributed to the average distance (d002) between the carbon net surfaces of the carbon tube, Ratio R to Ib
(= Ia / Ib) is about 0.35 to 5, especially 0.5 to
It is preferably about 4, more preferably about 1 to 3.

【0066】本明細書において、上記Ia/Ibの比を
R値と呼ぶ。このR値は、本発明の鉄−炭素複合体を含
む炭素質材料を、X線回折法において25mm2以上の
X線照射面積で観察した場合に、炭素質材料全体の平均
値としてピーク強度が観察されるために、TEM分析で測
定できる1本の鉄−炭素複合体における内包率ないし充
填率ではなく、鉄−炭素複合体の集合物である炭素質材
料全体としての、炭化鉄又は鉄充填率ないし内包率の平
均値を示すものである。
In the present specification, the ratio of Ia / Ib is called an R value. This R value is such that when a carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention is observed with an X-ray diffraction area of 25 mm 2 or more in X-ray irradiation area, the peak intensity is an average value of the entire carbonaceous material. It is not the encapsulation rate or the filling rate in one iron-carbon composite that can be measured by TEM analysis, but the iron-carbon or iron filling as a whole of the carbonaceous material which is an aggregate of the iron-carbon composite. It shows the average value of the rate or the inclusion rate.

【0067】尚、多数の本発明鉄−炭素複合体を含む炭
素質材料全体としての平均充填率は、TEMで複数の視野
を観察し、各視野で観察される複数の鉄−炭素複合体に
おける炭化鉄又は鉄の平均充填率を測定し、更に複数の
視野の平均充填率の平均値を算出することによっても求
めることができる。かかる方法で測定した場合、本発明
の鉄−炭素複合体からなる炭素質材料全体としての炭化
鉄又は鉄の平均充填率は、10〜90%程度、特に40
〜70%程度である。
The average filling rate of the carbonaceous material as a whole including a large number of the iron-carbon composites of the present invention is determined by observing a plurality of visual fields with a TEM and examining the plurality of iron-carbon composites observed in each visual field. It can also be determined by measuring the average filling factor of iron carbide or iron, and calculating the average value of the average filling factor of a plurality of visual fields. When measured by such a method, the average filling rate of iron carbide or iron as a whole of the carbonaceous material comprising the iron-carbon composite of the present invention is about 10 to 90%, particularly about 40%.
About 70%.

【0068】本発明の鉄−炭素複合体及びそれを含む炭
素質材料の製造方法(第一製法) 本発明の鉄−炭素複合体を含む炭素質材料は、(1)不活
性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調
整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リット
ル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1
×10-10〜1×10-1となる濃度に調整して、反応炉
内でハロゲン化鉄を600〜900℃まで加熱する工
程、及び(2)上記反応炉内を不活性ガス雰囲気とし、圧
力を10-5Pa〜200kPaに調整し、熱分解性炭素
源を導入して600〜900℃で加熱処理を行う工程を
包含する製造方法により得られる。
The iron-carbon composite of the present invention and a charcoal containing the same
Production method of raw material (first production method) The carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention is prepared by (1) adjusting the pressure to 10 −5 Pa to 200 kPa in an inert gas atmosphere, The ratio B / A is 1 when the oxygen concentration is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc).
Adjusting the concentration to be × 10 −10 to 1 × 10 −1 , heating the iron halide to 600 to 900 ° C. in the reaction furnace, and (2) setting the inside of the reaction furnace to an inert gas atmosphere, The pressure is adjusted to 10 −5 Pa to 200 kPa, and a heat treatment is performed at 600 to 900 ° C. by introducing a pyrolytic carbon source.

【0069】ここで、酸素量Bの単位である「Ncc」
は、気体の25℃での標準状態に換算したときの体積
(cc)という意味である。
Here, the unit of the oxygen amount B, “Ncc”
Means the volume (cc) when the gas is converted to a standard state at 25 ° C.

【0070】内包される炭化鉄又は鉄の供給源であり、
かつ触媒としての機能をも発揮するハロゲン化鉄として
は、弗化鉄、塩化鉄、臭化鉄等が例示できるが、これら
のうちでも塩化鉄が好ましい。塩化鉄としては、例え
ば、FeCl2、FeCl3、FeCl2・4H2O及びFeCl3・6H2O等が例
示され、これらの少なくとも1種が使用される。これら
触媒の形状は特に限定されないが、通常は、粉末状、例
えば平均粒子径が1〜100μm程度、特に1〜20μ
m程度の粉末状で使用するかあるいは気体状で使用する
のが好ましい。
A source of iron carbide or iron contained therein,
Examples of the iron halide that also exhibits a function as a catalyst include iron fluoride, iron chloride, and iron bromide. Of these, iron chloride is preferable. Examples of iron chloride include FeCl 2 , FeCl 3 , FeCl 2 .4H 2 O, and FeCl 3 .6H 2 O, and at least one of these is used. Although the shape of these catalysts is not particularly limited, they are usually in the form of powder, for example, having an average particle diameter of about 1 to 100 μm, particularly 1 to 20 μm.
It is preferable to use it in the form of a powder of about m or in the form of a gas.

【0071】熱分解性炭素源としては、種々の有機化合
物が使用でき、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン
等の炭素数6〜12の芳香族炭化水素、メタン、エタ
ン、プロパン、ブタン、ヘキサン等の炭素数1〜10の
飽和脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、アセチレ
ン等の炭素数2〜5の不飽和脂肪族炭化水素などの有機
化合物が挙げられる。液状の有機化合物は、通常、気化
させて用いる。これらの中でも、ベンゼン、トルエンな
どが好ましい。
Various organic compounds can be used as the pyrolytic carbon source. For example, aromatic hydrocarbons having 6 to 12 carbon atoms such as benzene, toluene and xylene, methane, ethane, propane, butane, hexane and the like can be used. Organic compounds such as a saturated aliphatic hydrocarbon having 1 to 10 carbon atoms, and unsaturated aliphatic hydrocarbons having 2 to 5 carbon atoms such as ethylene, propylene, and acetylene are exemplified. The liquid organic compound is usually used after being vaporized. Among these, benzene, toluene and the like are preferable.

【0072】本発明で使用する反応装置としては、例え
ば、図1に示すような装置を例示できる。図1の装置に
おいては、反応炉1は石英管、アルミナ管、カーボン管
等からなる反応炉であり、加熱装置2を備えている。反
応炉にはガス導入口(図示せず)と真空に吸引するため
のガス吸引口(図示せず)が備えられている。ハロゲン
化鉄は、例えば、磁製ボート、ニッケルボート等のハロ
ゲン化鉄仕込み皿10に薄く広げて敷き詰める等して、
反応炉内に配置する。
As a reaction apparatus used in the present invention, for example, an apparatus as shown in FIG. 1 can be exemplified. In the apparatus shown in FIG. 1, a reaction furnace 1 is a reaction furnace including a quartz tube, an alumina tube, a carbon tube, and the like, and includes a heating device 2. The reactor is provided with a gas inlet (not shown) and a gas suction port (not shown) for suctioning into a vacuum. The iron halide is, for example, spread thinly and spread on an iron halide preparation dish 10 such as a porcelain boat, a nickel boat, and the like.
Place in the reactor.

【0073】工程(1) 本発明の製造方法においては、まず、反応炉内におい
て、上記触媒であるハロゲン化鉄を不活性ガス雰囲気中
で、600〜900℃まで加熱する。
Step (1) In the production method of the present invention, first, iron halide as the above catalyst is heated to 600 to 900 ° C. in an inert gas atmosphere in a reaction furnace.

【0074】不活性ガスとしては、He、Ar、Ne、N2等の
ガスを例示できる。不活性ガス雰囲気中で触媒の加熱処
理を行う際の反応炉内の圧力は、例えば、10-5Pa〜
200kPa程度、特に0.1kPa〜100kPa程
度とするのが好ましい。
[0074] As the inert gas, He, Ar, Ne, a gas such as N 2 can be exemplified. The pressure in the reaction furnace when performing the heat treatment of the catalyst in an inert gas atmosphere is, for example, 10 −5 Pa or more.
The pressure is preferably about 200 kPa, particularly about 0.1 kPa to 100 kPa.

【0075】加熱処理は、反応炉内の温度、特に触媒の
温度が、工程(2)で使用する熱分解性炭素源の熱分解温
度に達するまで行う。熱分解性炭素源の熱分解温度は、
熱分解性炭素源の種類によっても異なるが、一般には、
反応炉内の触媒の温度を600〜900℃程度、特に7
50〜900℃程度とするのが好ましい。
The heat treatment is performed until the temperature in the reaction furnace, particularly the temperature of the catalyst, reaches the thermal decomposition temperature of the pyrolytic carbon source used in the step (2). The pyrolysis temperature of the pyrolytic carbon source is
Depending on the type of pyrolytic carbon source, in general,
The temperature of the catalyst in the reactor is about 600 to 900 ° C.,
It is preferable that the temperature be about 50 to 900 ° C.

【0076】本発明者の研究によると、工程(1)の加熱
時に、少量の酸素が存在するのが好ましい。大量の酸素
を存在させると、ハロゲン化鉄が酸化鉄になってしま
い、所望の複合体を得難い。従って、反応炉内の酸素濃
度としては、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量を
B(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×
10-1、特に1×10-8〜5×10-3となる濃度とする
のが好ましい。
According to the study of the present inventors, it is preferable that a small amount of oxygen is present during the heating in the step (1). When a large amount of oxygen is present, iron halide is converted to iron oxide, and it is difficult to obtain a desired complex. Therefore, as the oxygen concentration in the reactor, the ratio B / A when the reactor volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 1 × 10 −10 to 1 ×.
The concentration is preferably 10 -1 , especially 1 × 10 -8 to 5 × 10 -3 .

【0077】この場合、酸素の導入方法としては、種々
の方法を採用できるが、例えば、反応炉のガス導入口か
ら、酸素5〜0.01%程度を含有するアルゴン等の不
活性ガスからなる混合ガスを徐々に添加するのが好まし
い。
In this case, as a method for introducing oxygen, various methods can be adopted. For example, an inert gas such as argon containing about 5 to 0.01% of oxygen is supplied from a gas inlet of a reaction furnace. It is preferable to add the mixed gas gradually.

【0078】工程(2) 次いで、本発明では、工程(2)として、工程(1)の加熱処
理により600〜900℃に加熱されているハロゲン化
鉄を含む反応炉内を、不活性ガス雰囲気とし、ガス導入
口から熱分解性炭素源を導入して加熱処理を行う。
Step (2) In the present invention, as the step (2), the inside of the reaction furnace containing the iron halide heated to 600 to 900 ° C. by the heat treatment in the step (1) is placed in an inert gas atmosphere. Then, a heat treatment is performed by introducing a pyrolytic carbon source from the gas inlet.

【0079】この工程(2)の加熱処理を行う際の圧力と
しては、10-5Pa〜200kPa程度、特に1kPa
〜100kPa程度とするのが好ましい。また、工程
(2)の加熱処理時の温度は、通常600℃以上であり、
特に600〜900℃、好ましくは750〜900℃程
度である。
The pressure at the time of performing the heat treatment in this step (2) is about 10 −5 Pa to about 200 kPa, particularly 1 kPa
The pressure is preferably set to about 100 kPa. Also, the process
The temperature during the heat treatment of (2) is usually 600 ° C. or higher,
Particularly, it is about 600 to 900 ° C, preferably about 750 to 900 ° C.

【0080】熱分解性炭素源の導入方法としては、例え
ば、ベンゼン等の熱分解性炭素源にアルゴンガス等の不
活性ガスをバブリングさせることにより、ベンゼン等の
熱分解性炭素源を担持させた不活性ガスを調整し、該ガ
スを反応炉のガス導入口から少量ずつ導入すればよい
が、この方法に限らず、他の方法を採用してもよい。ベ
ンゼン等の該熱分解性炭素源を担持させた不活性ガスの
供給速度は、広い範囲から選択できるが、一般には、反
応炉容積1リットル当たり、0.1〜1000ml/min程
度、特に1〜100ml/min程度となるような速度とする
のが好ましい。その際に、必要であれば、Ar、Ne、He、
窒素等の不活性ガスを希釈ガスとして導入してもよい。
As a method for introducing the pyrolytic carbon source, for example, a pyrolytic carbon source such as benzene is supported by bubbling an inert gas such as an argon gas into the pyrolytic carbon source such as benzene. The inert gas may be adjusted, and the gas may be introduced little by little from the gas inlet of the reaction furnace. However, the present invention is not limited to this method, and another method may be employed. The supply rate of the inert gas carrying the pyrolytic carbon source such as benzene can be selected from a wide range, but is generally about 0.1 to 1000 ml / min, preferably about 1 to 1000 ml / liter of the reactor volume. Preferably, the speed is about 100 ml / min. At that time, if necessary, Ar, Ne, He,
An inert gas such as nitrogen may be introduced as a diluting gas.

【0081】ハロゲン化鉄と熱分解性炭素源との量的割
合は、広い範囲から適宜選択すればよいが、ハロゲン化
鉄100重量部に対し、熱分解性炭素源を10〜500
0重量部程度、特に50〜300重量部程度とするのが
好ましい。熱分解性炭素源である有機化合物の量的割合
が増大する場合には、カーボンチューブの成長が十分に
行われて、長寸法のカーボンチューブが得られる。
The quantitative ratio of the iron halide to the pyrolytic carbon source may be appropriately selected from a wide range, but the amount of the pyrolytic carbon source is 10 to 500 parts by weight per 100 parts by weight of the iron halide.
It is preferably about 0 parts by weight, particularly about 50 to 300 parts by weight. When the quantitative ratio of the organic compound as the pyrolytic carbon source increases, the growth of the carbon tube is sufficiently performed, and a long-sized carbon tube is obtained.

【0082】工程(2)の反応時間は、原料の種類、量な
どにより異なるので、特に限定されないが、通常0.1
〜10時間程度、特に0.5〜2時間程度である。
The reaction time of step (2) varies depending on the type and amount of the raw materials, and is not particularly limited.
It is about 10 to 10 hours, especially about 0.5 to 2 hours.

【0083】上記工程(2)の加熱処理工程後、通常50
〜2000℃/h程度、好ましくは70〜1500℃/
h程度、より好ましくは100〜1000℃/h程度の
速度で500℃まで冷却することによりナノフレークカ
ーボンチューブとそのチューブ内空間部の10〜90%
に充填されている炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複合体
を生成させることができる。
After the heat treatment step of the above step (2), usually 50
~ 2000 ° C / h, preferably 70 ~ 1500 ° C / h
h, more preferably at a rate of about 100 to 1000 ° C./h to 500 ° C., so that the nanoflake carbon tube and 10 to 90% of the space in the tube
To form an iron-carbon composite composed of iron carbide or iron filled in the steel.

【0084】また、工程(2)の加熱処理工程後、(3)反応
炉内を工程(2)の温度を維持したまま不活性気体で置換
する工程、(4)不活性気体で置換された反応炉内を95
0〜1500℃程度、好ましくは1200〜1500℃
程度、より好ましくは1300〜1400℃程度に昇温
する工程、(5)昇温終点で終点温度を入れ子構造の多層
カーボンナノチューブが生成するまで維持する工程、及
び(6)反応炉を、50℃/h以下程度、好ましくは5〜4
0℃/h程度、より好ましくは10〜30℃/h程度の
速度で冷却する工程を行うことによりすることにより入
れ子構造の多層カーボンナノチューブとそのチューブ内
空間部の10〜90%に充填されている炭化鉄又は鉄か
らなる鉄−炭素複合体を生成させることができる。
After the heat treatment step of step (2), (3) a step of replacing the inside of the reaction furnace with an inert gas while maintaining the temperature of step (2), and (4) a step of replacing the inside of the reaction furnace with the inert gas. 95 inside the reactor
About 0 to 1500 ° C, preferably 1200 to 1500 ° C
(5) a step of maintaining the end point temperature at the heating end point until a nested multi-walled carbon nanotube is produced, and (6) a reaction furnace at 50 ° C. / h or less, preferably 5 to 4
By performing a cooling step at a rate of about 0 ° C./h, more preferably about 10 to 30 ° C./h, the nested multi-walled carbon nanotube and 10 to 90% of the space in the tube are filled. Iron-carbon composites of iron carbide or iron can be produced.

【0085】上記工程(3)で使用する不活性気体として
は、Ar、Ne、He、窒素等の不活性ガスが例示できる。ま
た、工程(3)における置換後の炉内の圧力は、特に限定
されないが、10-5〜107Pa程度、好ましくは50〜2×105
Pa程度、より好ましくは100〜1.2×105Pa程度である。
Examples of the inert gas used in the above step (3) include inert gases such as Ar, Ne, He, and nitrogen. Further, the pressure in the furnace after the replacement in the step (3) is not particularly limited, but is about 10 −5 to 10 7 Pa, preferably 50 to 2 × 10 5 Pa.
It is about Pa, more preferably about 100 to 1.2 × 10 5 Pa.

【0086】工程(4)の昇温速度は特に限定されない
が、一般には50〜2000℃/h程度、特に70〜1
500℃/h程度、より好ましくは100〜1000℃
/h程度の昇温速度とすることが好ましい。
The rate of temperature rise in step (4) is not particularly limited, but is generally about 50 to 2000 ° C./h, particularly 70 to 1 / h.
About 500 ° C / h, more preferably 100 to 1000 ° C
/ H is preferable.

【0087】また、工程(5)の終点温度を維持する時間
は、入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成する
までの時間とすればよいが、一般には2〜30時間程度
である。
The time for maintaining the end point temperature in the step (5) may be a time until the nested multi-walled carbon nanotubes are formed, but is generally about 2 to 30 hours.

【0088】工程(6)の冷却時の雰囲気としては、Ar、N
e、He、窒素等の不活性ガス雰囲気であり、圧力条件は
特に限定されないが、10-5〜107Pa程度、好ましくは50
〜2×105 Pa程度、より好ましくは100〜1.2×105Pa程度
である。
The atmosphere at the time of cooling in the step (6) is Ar, N
e, He, an inert gas atmosphere such as nitrogen, and the pressure condition is not particularly limited, but is about 10 -5 to 10 7 Pa, preferably 50
About 2 × 10 5 Pa, more preferably about 100 to 1.2 × 10 5 Pa.

【0089】収量向上方法(第二製法) また、本発明の他の実施形態によれば、上記第一製法の
工程(2)において熱分解性炭素源と共に有機鉄錯体を供
給することにより、更に本発明の鉄−炭素複合体の収量
を増大させることができる。本明細書では、この実施形
態の製造方法を「第二製法」と呼ぶ。
Method for Improving Yield (Second Production Method) According to another embodiment of the present invention, in step (2) of the first production method, an organic iron complex is supplied together with a pyrolytic carbon source to further improve the yield. The yield of the iron-carbon composite of the present invention can be increased. In the present specification, the manufacturing method of this embodiment is referred to as “second manufacturing method”.

【0090】上記有機鉄錯体としては、フェロセン、F
e(CO)5等の鉄カルボニル錯体等を例示できるが、
これらのうちでも特にフェロセンが好ましい。
Examples of the organic iron complex include ferrocene, F
Examples of iron carbonyl complexes such as e (CO) 5 include
Of these, ferrocene is particularly preferred.

【0091】フェロセン等の有機鉄錯体を反応系内に存
在せしめる方法は、種々の方法で行うことができる。典
型的な方法としては、例えば、図2に示す方法を採用で
きる。
The method of causing the organic iron complex such as ferrocene to be present in the reaction system can be carried out by various methods. As a typical method, for example, the method shown in FIG. 2 can be adopted.

【0092】即ち、先ず、図2に示すように、ガス導入
口(図示せず)及びガス吸引口(図示せず)を備えた反
応炉内において、上流側(即ち、ガス導入口に近い位
置)に有機鉄錯体を入れた磁製ボート等の仕込み皿20
を配置し、下流側(ガス導入口から遠い位置)にハロゲ
ン化鉄を入れた磁製ボート等の仕込み皿10を配置す
る。
That is, first, as shown in FIG. 2, in a reaction furnace provided with a gas inlet (not shown) and a gas suction port (not shown), a position near the upstream side (that is, a position close to the gas inlet). ) Such as a porcelain boat containing an organic iron complex
And a charging plate 10 such as a porcelain boat containing iron halide is disposed on the downstream side (a position far from the gas inlet).

【0093】次いで、工程(1)として、ハロゲン化鉄を
不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPa
に調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リ
ットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/A
が1×10-10〜1×10-1、特に1×10-8〜5×1
-3となる濃度に調整して、600〜900℃まで加熱
装置2で加熱する。
Next, as a step (1), iron halide is placed in an inert gas atmosphere at a pressure of 10 -5 Pa to 200 kPa.
And the ratio of B / A when the oxygen concentration in the reactor is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc).
Is 1 × 10 −10 to 1 × 10 −1 , especially 1 × 10 −8 to 5 × 1
It is adjusted to a concentration of 0 -3 and heated to 600 to 900 ° C. by the heating device 2.

【0094】続いて、工程(2)として、上記反応炉内を
不活性ガス雰囲気とし、圧力を10- 5Pa〜200kP
a、好ましくは1Pa〜100kPaに制御する。一
方、有機鉄錯体を別の加熱装置3で有機鉄錯体の昇華温
度(フェロセンの場合は200℃)まで加熱して、フェ
ロセン等の有機鉄錯体を気相状態とすると共に、熱分解
性炭素源と不活性ガスとの混合ガスを反応炉に導入す
る。その際に、必要であれば、Ar、Ne、He、窒素等の不
活性ガスを希釈ガスとして導入してもよい。これによ
り、反応炉内には、熱分解性炭素源、フェロセン及びハ
ロゲン化鉄が存在するようになる。この系を、加熱処理
する。この加熱処理の条件は、前記第一製法の「工程
(2)」について説明した条件と基本的には同一である。
[0094] Subsequently, as a step (2), the reaction furnace and inert gas atmosphere, the pressure 10 - 5 Pa~200kP
a, preferably at 1 to 100 kPa. On the other hand, the organic iron complex is heated to the sublimation temperature (200 ° C. in the case of ferrocene) of the organic iron complex by another heating device 3 to bring the organic iron complex such as ferrocene into a gaseous state, And a mixed gas of inert gas are introduced into the reaction furnace. At that time, if necessary, an inert gas such as Ar, Ne, He, or nitrogen may be introduced as a diluting gas. As a result, the pyrolytic carbon source, ferrocene and iron halide are present in the reactor. The system is heat treated. The conditions for this heat treatment are the same as those in the “step
The conditions are basically the same as those described for (2).

【0095】即ち、該加熱処理を行う際の圧力として
は、10-5Pa〜200kPa程度、特に1kPa〜1
00kPa程度とするのが好ましい。また、上記加熱処
理時の温度は、通常600℃以上であり、特に600〜
900℃、好ましくは750〜900℃程度である。ベ
ンゼン等の該熱分解性炭素源を担持させた不活性ガスの
供給速度は、広い範囲から選択できるが、一般には、反
応炉容積1リットル当たり、0.1〜1000ml/min程
度、特に1〜100ml/min程度となるような速度とする
のが好ましい。また、上記加熱処理の時間は、原料の種
類、量などにより異なるので、特に限定されないが、通
常0.1〜10時間程度、特に0.5〜2時間程度であ
る。
That is, the pressure during the heat treatment is about 10 −5 Pa to 200 kPa, particularly 1 kPa to 1 kPa.
Preferably, the pressure is set to about 00 kPa. The temperature at the time of the heat treatment is usually at least 600 ° C.,
900 ° C., preferably about 750 to 900 ° C. The supply rate of the inert gas carrying the pyrolytic carbon source such as benzene can be selected from a wide range, but is generally about 0.1 to 1000 ml / min, preferably about 1 to 1000 ml / liter of the reactor volume. Preferably, the speed is about 100 ml / min. The time of the heat treatment varies depending on the type and amount of the raw material, and is not particularly limited, but is usually about 0.1 to 10 hours, particularly about 0.5 to 2 hours.

【0096】上記において、有機鉄錯体、ハロゲン化鉄
及び熱分解性炭素源の量的割合は、広い範囲から選択で
きるが、一般には、次のようにするのが好ましい。
In the above, the quantitative ratios of the organic iron complex, the iron halide and the pyrolytic carbon source can be selected from a wide range, but are generally preferably as follows.

【0097】有機鉄錯体の使用量は、ハロゲン化鉄10
0重量部に対して、1〜5000重量部程度、好ましく
は10〜1000重量部程度とするのが好ましい。
The amount of the organic iron complex used is 10
It is preferably about 1 to 5000 parts by weight, more preferably about 10 to 1000 parts by weight, based on 0 parts by weight.

【0098】熱分解性炭素源の使用量は、ハロゲン化鉄
100重量部に対して、10〜5000重量部程度、特
に50〜300重量部程度とするのが好ましい。
The amount of the pyrolytic carbon source to be used is preferably about 10 to 5000 parts by weight, particularly about 50 to 300 parts by weight, based on 100 parts by weight of the iron halide.

【0099】この第二製法によると、得られる鉄−炭素
複合体を含む炭素質材料の収量が向上する。
According to the second production method, the yield of the obtained carbonaceous material containing the iron-carbon composite is improved.

【0100】前記第一製法の場合と同様に、上記工程
(2)の加熱処理工程後、通常50〜2000℃/h程
度、好ましくは70〜1500℃/h程度、より好まし
くは100〜1000℃/h程度の速度で500℃まで
冷却することによりナノフレークカーボンチューブとそ
のチューブ内空間部の10〜90%に充填されている炭
化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複合体を生成させることが
できる。
As in the case of the first production method,
After the heat treatment step (2), the nanoflakes are cooled to 500 ° C at a rate of usually about 50 to 2000 ° C / h, preferably about 70 to 1500 ° C / h, more preferably about 100 to 1000 ° C / h. It is possible to produce an iron-carbon composite comprising iron carbide or iron filling the carbon tube and 10 to 90% of the space in the tube.

【0101】また、工程(2)の加熱処理工程後、(3)反応
炉内を工程(2)の温度を維持したまま不活性気体で置換
する工程、(4)不活性気体で置換された反応炉内を95
0〜1500℃程度、好ましくは1200〜1500℃
程度、より好ましくは1300〜1400℃程度に昇温
する工程、(5)昇温終点で終点温度を入れ子構造の多層
カーボンナノチューブが生成するまで維持する工程、及
び(6)反応炉を、50℃/h以下、好ましくは5〜40℃
/h程度、より好ましくは10〜30℃/h程度の速度
で冷却する工程を行うことによりすることにより入れ子
構造の多層カーボンナノチューブとそのチューブ内空間
部の10〜90%に充填されている炭化鉄又は鉄からな
る鉄−炭素複合体を生成させることができる。
Also, after the heat treatment step of step (2), (3) a step of replacing the inside of the reaction furnace with an inert gas while maintaining the temperature of step (2), and (4) a step of replacing with an inert gas. 95 inside the reactor
About 0 to 1500 ° C, preferably 1200 to 1500 ° C
(5) a step of maintaining the end point temperature at the heating end point until a nested multi-walled carbon nanotube is produced, and (6) a reaction furnace at 50 ° C. / h or less, preferably 5 to 40 ° C
/ H, more preferably at a rate of about 10 to 30 ° C./h, thereby performing nested multi-walled carbon nanotubes and carbonization filling 10 to 90% of the space in the tube. Iron or an iron-carbon composite consisting of iron can be produced.

【0102】上記工程(3)で使用する不活性気体として
は、Ar、Ne、He、窒素等の不活性ガスが例示できる。ま
た、工程(3)における置換後の炉内の圧力は、特に限定
されないが、10-5〜107Pa程度、好ましくは50〜2×105
Pa程度、より好ましくは100〜1.2×105Pa程度である。
Examples of the inert gas used in the above step (3) include inert gases such as Ar, Ne, He, and nitrogen. Further, the pressure in the furnace after the replacement in the step (3) is not particularly limited, but is about 10 −5 to 10 7 Pa, preferably 50 to 2 × 10 5 Pa.
It is about Pa, more preferably about 100 to 1.2 × 10 5 Pa.

【0103】工程(4)の昇温速度は特に限定されない
が、一般には50〜2000℃/h程度、特に70〜1
500℃/h程度、より好ましくは100〜1000℃
/h程度の昇温速度とすることが好ましい。
The heating rate in the step (4) is not particularly limited, but is generally about 50 to 2000 ° C./h, especially about 70 to 1 / h.
About 500 ° C / h, more preferably 100 to 1000 ° C
/ H is preferable.

【0104】また、工程(5)の終点温度を維持する時間
は、入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成する
までの時間とすればよいが、一般には2〜30時間程度
である。
The time for maintaining the end point temperature in the step (5) may be a time until the nested multi-walled carbon nanotubes are generated, but is generally about 2 to 30 hours.

【0105】工程(6)の冷却時の雰囲気としては、Ar、N
e、He、窒素等の不活性ガス雰囲気であり、圧力条件は
特に限定されないが、10-5〜107Pa程度、好ましくは50
〜2×105 Pa程度、より好ましくは100〜1.2×105Pa程度
である。
The cooling atmosphere in the step (6) may be Ar, N
e, He, an inert gas atmosphere such as nitrogen, and the pressure condition is not particularly limited, but is about 10 -5 to 10 7 Pa, preferably 50
About 2 × 10 5 Pa, more preferably about 100 to 1.2 × 10 5 Pa.

【0106】上記第一製法又は第二製法で得られる炭素
質材料から、該材料を構成する鉄−炭素複合体を単離す
ることもできる。
From the carbonaceous material obtained by the first production method or the second production method, the iron-carbon composite constituting the material can be isolated.

【0107】本発明の上記第一製法又は第二製法により
得られる鉄−炭素複合体は、以下の様な特異な性状を有
している。
The iron-carbon composite obtained by the first or second production method of the present invention has the following unique properties.

【0108】壁部を構成するナノフレークカーボンチュ
ーブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからな
る群から選ばれるカーボンチューブは、公知のCNTsに比
して、直線性が高い。直線性が高いので、嵩密度が高く
でき、一定容積の中に多くのカーボンチューブを詰め込
むことが出来るために、高密度にパッキングが可能とな
る。また、電子放出用途のためには、直線性の高いこと
が利点となる。
A carbon tube selected from the group consisting of a nanoflake carbon tube and a nested multi-walled carbon nanotube constituting a wall has higher linearity than known CNTs. Since the linearity is high, the bulk density can be increased, and many carbon tubes can be packed in a certain volume, so that packing can be performed at a high density. For electron emission applications, high linearity is an advantage.

【0109】チューブ壁で囲まれた空間部の10〜90
%が炭化鉄又は鉄により充たされている。空間部内に存
在する炭化鉄又は鉄は、実施例から明らかな様に、高度
に発達した結晶状態で存在する。従って、内包体が磁性
を示し、表層がカーボンで覆われているため、耐久性に
優れた新規な分子磁石が得られる。
10 to 90 of the space surrounded by the tube wall
% Is filled with iron carbide or iron. The iron carbide or iron present in the space exists in a highly developed crystalline state as is clear from the examples. Accordingly, a novel molecular magnet having excellent durability can be obtained because the inclusion body shows magnetism and the surface layer is covered with carbon.

【0110】金属を内包しないカーボンナノチューブの
電気的又は磁気的特性は壁の構造に大きく依存すること
が知られているが、特定の電気的又は磁気的特性を均一
に引き出すには、その壁構造を精緻に制御する必要があ
る。例えば、内包物が存在していない中空の単層カーボ
ンナノチューブでは、グラフェンシートの巻き方がアー
ムチェア型、ジグザク型、キラル型で導電特性が異な
り、導電体や半導体になることが理論的に知られてい
る。しかし、その壁構造を精緻に制御することは、現在
の合成技術では極めて困難である。
It is known that the electrical or magnetic properties of carbon nanotubes that do not contain metal largely depend on the structure of the wall. However, in order to obtain specific electrical or magnetic properties uniformly, it is necessary to use the wall structure. Needs to be precisely controlled. For example, in hollow single-walled carbon nanotubes without inclusions, it is theoretically known that the graphene sheet is wound in an armchair type, zigzag type, or chiral type with different conductive properties, and becomes a conductor or semiconductor. Have been. However, it is extremely difficult to precisely control the wall structure with the current synthesis technology.

【0111】これに対して、本発明のナノフレークカー
ボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチュー
ブからなる群から選ばれるカーボンチューブの中空部に
炭化鉄又は鉄を10〜90%内包する本発明の炭素材料
は、その電気的又は磁気的特性が、炭素からなる壁構造
よりも内包金属に主として起因するため、壁構造の精緻
な制御を必要としない点で優れており、製造も容易であ
る。特にナノフレークカーボンチューブの場合、黒鉛性
を保持したまま、壁構造が等方性を有することになるの
で、電気的特性が内包金属に依存する割合が高くなり、
特性の制御が容易となる。
On the other hand, the carbon material of the present invention containing 10 to 90% of iron carbide or iron in the hollow portion of the carbon tube selected from the group consisting of the nanoflake carbon tube and the nested multi-walled carbon nanotube of the present invention Is superior in that it does not require precise control of the wall structure because its electrical or magnetic properties are mainly due to the metal contained therein rather than the wall structure made of carbon, and is easy to manufacture. In particular, in the case of a nanoflake carbon tube, the wall structure will be isotropic while maintaining the graphitic property, so that the ratio of the electrical characteristics depending on the contained metal increases,
Characteristics can be easily controlled.

【0112】炭化鉄又は鉄を内包する直線性の高い本発
明の鉄−炭素複合体は、電子放出能に優れており、磁性
の配向性が高く、FED(field emission display)用
途に適した材料となり得る。
The iron-carbon composite of the present invention containing iron carbide or iron and having high linearity has excellent electron emission ability, high magnetic orientation, and is suitable for use in FED (field emission display) applications. Can be

【0113】また、本発明の鉄−炭素複合体を導電助剤
として樹脂等に配合して使用した場合でも、少量の配合
量で導電性の向上が認められるため、樹脂成形体におい
て、樹脂本来の透明性、色相等が損なわれない。
Further, even when the iron-carbon composite of the present invention is used as a conductive additive in a resin or the like, the conductivity can be improved with a small amount of the resin. Transparency, hue, etc. are not impaired.

【0114】また、本発明の鉄−炭素複合体を樹脂に配
合することにより、樹脂成形体の強度が増すという利点
もある。
Further, by blending the iron-carbon composite of the present invention with a resin, there is also an advantage that the strength of the resin molded body is increased.

【0115】更に、本発明の鉄−炭素複合体は、化学処
理により壁部の一部を開口する場合には、内包する金属
等を徐放することができる。
Further, in the case where a part of the wall is opened by the chemical treatment, the iron-carbon composite of the present invention can release the contained metal and the like gradually.

【0116】[0116]

【実施例】以下に実施例を示し、本発明の特徴とすると
ころをより一層詳しく説明する。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

【0117】実施例1 図1に示すような反応装置を使用し、次のようにして本
発明の鉄−炭素複合体を得た。
Example 1 Using the reactor as shown in FIG. 1, an iron-carbon composite of the present invention was obtained as follows.

【0118】工程(1) 無水FeCl3(関東化学株式会社製)0.5gを磁製ボート内
に薄く広げて敷き詰める。これを石英管からなる炉内中
央に設置し、炉内を圧力50Paまで減圧する。このとき、
真空吸引するラインを取り付けた反応炉端部とは反対側
(図1の反応管の左側)から酸素5000ppm含有アルゴン
ガスを30ml/minの速度で供給する。これにより、反応
炉容積をA(リットル)とし、酸素量をB(Ncc)とし
た場合の比B/Aを、2.5×10-3とした。次いで、
反応温度800℃まで減圧のまま昇温する。
Step (1) Spread 0.5 g of anhydrous FeCl 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) thinly in a porcelain boat. This is installed in the center of a furnace made of a quartz tube, and the pressure in the furnace is reduced to 50 Pa. At this time,
An argon gas containing 5000 ppm of oxygen is supplied at a rate of 30 ml / min from the opposite side (left side of the reaction tube in FIG. 1) of the reaction furnace equipped with a vacuum suction line. Thus, the ratio B / A when the reactor volume was A (liter) and the oxygen amount was B (Ncc) was 2.5 × 10 −3 . Then
The temperature is raised to 800 ° C. under reduced pressure.

【0119】工程(2) 800℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、圧力を
6.7×104Paに制御する。一方、熱分解性炭素源と
して、ベンゼン槽にアルゴンガスをバブリングさせて、
揮発したベンゼンとアルゴンの混合ガスを、反応炉容積
1リットル当たり、30ml/minの流速で炉内に導入し、
希釈ガスとして、アルゴンガスを20ml/minの流速で導
入する。
Step (2) When the temperature reaches 800 ° C., argon is introduced and the pressure is controlled at 6.7 × 10 4 Pa. On the other hand, as a pyrolytic carbon source, bubbling argon gas into a benzene tank,
A mixed gas of benzene and argon volatilized was introduced into the furnace at a flow rate of 30 ml / min per liter of the reactor volume,
As a diluent gas, an argon gas is introduced at a flow rate of 20 ml / min.

【0120】800℃の反応温度で30分間反応させ、500℃
まで20分で降温後、ヒーターを取り外して20分で室温ま
で空冷することにより、本発明の鉄−炭素複合体を含む
炭素質材料を200mg得た。
The reaction is carried out at a reaction temperature of 800 ° C. for 30 minutes, and 500 ° C.
After the temperature was lowered in 20 minutes, the heater was removed, and the mixture was air-cooled to room temperature in 20 minutes to obtain 200 mg of a carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention.

【0121】SEM観察の結果から、得られた鉄−炭素複
合体は、外径15〜40nm、長さ2〜3ミクロンで直線性の高
いものであった。また、炭素からなる壁部の厚さは、2
〜10nmであり、全長に亘って実質的に均一であった。
また、該壁部は、TEM観察及びX線回折法から炭素網面
間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有
するナノフレークカーボンチューブであることを確認し
た。
From the results of SEM observation, the obtained iron-carbon composite had an outer diameter of 15 to 40 nm and a length of 2 to 3 μm, and had a high linearity. The thickness of the wall made of carbon is 2
〜1010 nm and was substantially uniform over its entire length.
In addition, it was confirmed by TEM observation and X-ray diffraction method that the wall was a nanoflake carbon tube having a graphitic structure in which the average distance (d002) between carbon net surfaces was 0.34 nm or less.

【0122】また、X線回折、EDXにより、上記本発
明の鉄−炭素複合体には炭化鉄が内包されていることを
確認した。
Further, by X-ray diffraction and EDX, it was confirmed that the iron-carbon composite of the present invention contained iron carbide.

【0123】得られた本発明の炭素質材料を構成する多
数の鉄−炭素複合体を電子顕微鏡(TEM)で観察したと
ころ、ナノフレークカーボンチューブの空間部(即ち、
ナノフレークカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた
空間)への炭化鉄の充填率が10〜80%の範囲の種々
の充填率を有する鉄−炭素複合体が混在していた。
When a large number of the iron-carbon composites constituting the obtained carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM), the space portion of the nanoflake carbon tube (ie,
Iron-carbon composites having various filling ratios in which the filling ratio of iron carbide to the space surrounded by the tube wall of the nanoflake carbon tube) was in the range of 10 to 80% were mixed.

【0124】ちなみに、該多数の鉄−炭素複合体のナノ
フレークカーボンチューブあるいはカーボンナノチュー
ブ内空間部への炭化鉄の平均充填率は40%であった。
下記表1に、得られた鉄−炭素複合体のTEM観察像の複
数の視野を観察して算出した炭化鉄の平均充填率を示
す。また、X線回折から算出されたR値は、0.56で
あった。
Incidentally, the average filling ratio of iron carbide in the space inside the nanoflake carbon tubes or carbon nanotubes of the numerous iron-carbon composites was 40%.
Table 1 below shows the average filling ratio of iron carbide calculated by observing a plurality of visual fields of the TEM observation image of the obtained iron-carbon composite. The R value calculated from X-ray diffraction was 0.56.

【0125】[0125]

【表1】 [Table 1]

【0126】本実施例1で得られた炭素質材料を構成す
る鉄−炭素複合体1本の電子顕微鏡(TEM)写真を図3に
示す。
FIG. 3 shows an electron microscope (TEM) photograph of one iron-carbon composite material constituting the carbonaceous material obtained in Example 1.

【0127】本実施例1で得られた炭素質材料における
多数の鉄−炭素複合体の存在状態を示す電子顕微鏡(TE
M)写真を図4に示す。
An electron microscope (TE) showing the presence of a large number of iron-carbon composites in the carbonaceous material obtained in Example 1
M) A photograph is shown in FIG.

【0128】本実施例1で得られた鉄−炭素複合体1本
の電子線回折図を図5に示す。図5から、鮮明な電子回
折パターンが観測されており、内包物が高い結晶性を有
することが分かる。TEM観察の結果、内包物の結晶化率
(炭化鉄が充填されている範囲のTEM像の面積に対す
る、結晶性炭化鉄のTEM像の面積の割合)は、約100
%であった。
FIG. 5 shows an electron diffraction pattern of one iron-carbon composite obtained in Example 1. FIG. 5 shows that a clear electron diffraction pattern was observed, indicating that the inclusions had high crystallinity. As a result of the TEM observation, the crystallization rate of the inclusions (the ratio of the area of the TEM image of the crystalline iron carbide to the area of the TEM image in the range where the iron carbide is filled) is about 100.
%Met.

【0129】本実施例1で得られた鉄−炭素複合体を含
む炭素質材料(鉄−炭素複合材料の集合物)のX線回折
図を図6に示す。
FIG. 6 shows an X-ray diffraction diagram of the carbonaceous material (a collection of iron-carbon composite materials) containing the iron-carbon composite obtained in Example 1.

【0130】本実施例1で得られた鉄−炭素複合体1本
を輪切状にした電子顕微鏡(TEM)写真を、図7に示
す。
FIG. 7 shows an electron microscope (TEM) photograph of one of the iron-carbon composites obtained in Example 1 cut into a slice.

【0131】図7から判るように、本実施例1で得られ
た炭素質材料においてはその炭素壁面が、入れ子状でも
スクロール状でもなく、パッチワーク状(いわゆる pap
er mache 状ないし張り子状)になっているように見
え、ナノフレークカーボンチューブであった。
As can be seen from FIG. 7, in the carbonaceous material obtained in Example 1, the carbon wall surface is neither nested nor scroll-shaped, but is patchwork-shaped (so-called pap-shaped).
er mache-like or mache-like), and it was a nanoflake carbon tube.

【0132】図7から判るように、本実施例で得られた
鉄−炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチ
ューブの形状は、円筒状であり、その長手方向を横切る
断面のTEM写真において観察されるグラフェンシート像
は、閉じた環状ではなく、不連続点を多数有する不連続
な環状であった。
As can be seen from FIG. 7, the shape of the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite obtained in the present example is cylindrical, and in the TEM photograph of a cross section crossing the longitudinal direction thereof. The observed graphene sheet image was not a closed ring but a discontinuous ring having many discontinuous points.

【0133】また、本発明の鉄−炭素複合体を構成して
いるナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合
において、その長手方向に配向している多数の略直線状
のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート
像の長さは、概ね2〜30nmの範囲であった(図3)。
Further, when the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite of the present invention was observed by TEM, a large number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction were considered as individual images. The length of the graphene sheet image was generally in the range of 2-30 nm (FIG. 3).

【0134】さらに、図7のチューブ内1〜20までのポ
イントで測定したEDX測定結果から、炭素:鉄の原子
比率は5:5でほぼ均一な化合物が内包されていること
が判った。
Further, from the EDX measurement results measured at points 1 to 20 in the tube in FIG. 7, it was found that the atomic ratio of carbon: iron was 5: 5 and almost uniform compounds were included.

【0135】実施例2 図1に示すような反応装置を使用し、次のようにして本
発明の鉄−炭素複合体を得た。
Example 2 Using a reactor as shown in FIG. 1, an iron-carbon composite of the present invention was obtained as follows.

【0136】工程(1) FeCl2・4H2O(関東化学株式会社製)0.5gを磁
製ボート内に薄く広げて敷き詰める。これを石英管から
なる炉内中央に設置し、炉内を圧力50Paまで減圧する。
このとき、真空吸引するラインを取り付けた反応管の反
対側(図1の反応管左側)から酸素5000ppm含有アルゴ
ンガスを5ml/minの速度で供給する。これにより、反応
炉の内容積をA(リットル)とし、酸素量をB(Ncc)
とした場合の比B/Aを、2.5×10-3とした。次い
で、反応温度800℃まで減圧のまま昇温する。
Step (1) 0.5 g of FeCl 2 .4H 2 O (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is thinly spread and spread in a porcelain boat. This is installed in the center of a furnace made of a quartz tube, and the pressure in the furnace is reduced to 50 Pa.
At this time, argon gas containing 5000 ppm of oxygen is supplied at a rate of 5 ml / min from the opposite side (left side of the reaction tube in FIG. 1) of the reaction tube provided with a line for vacuum suction. Thereby, the internal volume of the reactor is set to A (liter), and the oxygen amount is set to B (Ncc).
Was set to 2.5 × 10 −3 . Next, the temperature is raised to 800 ° C. while maintaining the reduced pressure.

【0137】工程(2) 800℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、圧力を
6.7×104Paに制御する。一方、熱分解性炭素源と
して、ベンゼン槽にアルゴンガスをバブリングさせて、
揮発したベンゼンとアルゴンの混合ガスを、反応炉容積
1リットル当たり、30ml/minの流速で炉内に導入し、
希釈ガスとして、アルゴンガスを20ml/minの流速で導
入する。
Step (2) When the temperature reaches 800 ° C., argon is introduced and the pressure is controlled at 6.7 × 10 4 Pa. On the other hand, as a pyrolytic carbon source, bubbling argon gas into a benzene tank,
A mixed gas of benzene and argon volatilized was introduced into the furnace at a flow rate of 30 ml / min per liter of the reactor volume,
As a diluent gas, an argon gas is introduced at a flow rate of 20 ml / min.

【0138】800℃の反応温度で30分間反応させること
により、500℃まで20分で降温後、ヒーターを取り外し
て20分で室温まで空冷することで本発明の鉄−炭素複合
体を含む炭素質材料を120mg得た。
The reaction was carried out at a reaction temperature of 800 ° C. for 30 minutes, the temperature was lowered to 500 ° C. in 20 minutes, then the heater was removed and air-cooled to room temperature in 20 minutes to obtain a carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention. 120 mg of material was obtained.

【0139】SEM観察の結果から、得られた炭素質材料
を構成する鉄−炭素複合体は、直径15〜40nm、長さ、2
〜3ミクロンで直線性の高いものであった。また、炭素
からなる壁部の厚さは、2〜10nmであり、全長に亘っ
て実質的に均一であった。また、該壁部は、TEM観察及
びX線回折法から、炭素網面間の平均距離(d002)が
0.34nm以下の黒鉛質構造を有するナノフレークカーボン
チューブであることを確認した。
From the result of SEM observation, it was found that the iron-carbon composite constituting the obtained carbonaceous material had a diameter of 15 to 40 nm, a length of 2
It was highly linear at ~ 3 microns. The thickness of the carbon wall was 2 to 10 nm, and was substantially uniform over the entire length. The average distance (d002) between carbon mesh planes was determined by TEM observation and X-ray diffraction.
It was confirmed to be a nanoflake carbon tube having a graphite structure of 0.34 nm or less.

【0140】図8に、本実施例2で得られた鉄−炭素複
合体の電子顕微鏡(TEM)写真(1本の鉄−炭素複合
体)を示す。
FIG. 8 shows an electron microscope (TEM) photograph (one iron-carbon composite) of the iron-carbon composite obtained in Example 2.

【0141】図9に、本実施例2で得られた鉄−炭素複
合体の電子線回折図を示す。図9から、鮮明な電子回折
パターンが観測されており、内包物が高い結晶性を有す
ることが分かる。TEM観察の結果、内包物の結晶化率
(炭化鉄又は鉄が充填されている範囲のTEM像の面積に
対する、結晶性炭化鉄のTEM像の面積の割合)は、約1
00%であった。
FIG. 9 shows an electron diffraction diagram of the iron-carbon composite obtained in Example 2. FIG. 9 shows that a clear electron diffraction pattern was observed, indicating that the inclusions had high crystallinity. As a result of TEM observation, the crystallization rate of the inclusion (the ratio of the area of the TEM image of crystalline iron carbide to the area of the TEM image in the range in which iron carbide or iron is filled) is about 1
00%.

【0142】上記本発明の炭素質材料を構成する多数の
鉄−炭素複合体を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、
ナノフレークカーボンチューブの空間部(ナノフレーク
カーボンチューブの炭素壁で囲まれた空間)への炭化鉄
又は鉄の充填率が10〜80%の範囲の種々の充填率を
有する鉄−炭素複合体が混在していた。
When a large number of iron-carbon composites constituting the carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM),
Iron-carbon composites having various filling ratios of iron carbide or iron in the space portion of the nanoflake carbon tube (space surrounded by the carbon wall of the nanoflake carbon tube) in the range of 10 to 80% are provided. It was mixed.

【0143】TEM観察の結果から、本発明の鉄−炭素複
合体を含む炭素質材料において、ナノフレークカーボン
チューブ内空間部への炭化鉄又は鉄の平均充填率は30
%(炭素質材料としての平均値)であった。また、実施
例1と同様にしてX線回折から算出されたR値は、0.
42であった。
From the result of the TEM observation, it was found that in the carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention, the average filling rate of iron carbide or iron in the space inside the nanoflake carbon tube was 30%.
% (Average value as a carbonaceous material). The R value calculated from the X-ray diffraction in the same manner as in Example 1 was 0.1.
42.

【0144】本実施例で得られた鉄−炭素複合体を構成
しているナノフレークカーボンチューブの形状は、円筒
状であり、その長手方向を横切る断面のTEM写真におい
て観察されるグラフェンシート像は、閉じた環状ではな
く、不連続点を多数有する不連続な環状であった。
[0144] The shape of the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite obtained in the present example is cylindrical, and the graphene sheet image observed in the TEM photograph of a cross section transverse to the longitudinal direction is as follows. , Not a closed ring, but a discontinuous ring having many discontinuities.

【0145】また、本発明の鉄−炭素複合体を構成して
いるナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合
において、その長手方向に配向している多数の略直線状
のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート
像の長さは、概ね2〜30nmの範囲であった(図8)。
Further, when the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite of the present invention was observed by TEM, a large number of substantially linear graphene sheet images orientated in the longitudinal direction were found to be individual. The length of the graphene sheet image was generally in the range of 2-30 nm (FIG. 8).

【0146】実施例3 図2に示すような装置を用い、次の工程(1)及び(2)を行
って本発明の鉄−炭素複合体を得た。
Example 3 Using an apparatus as shown in FIG. 2, the following steps (1) and (2) were performed to obtain an iron-carbon composite of the present invention.

【0147】工程(1) 無水FeCl3(関東化学株式会社製)0.5gを磁製ボート内
に薄く広げて敷き詰める。これを炉内下流側に設置す
る。また、磁製ボートに入れたフェロセンを炉内上流側
に設置する。
Step (1) Spread 0.5 g of anhydrous FeCl 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) thinly in a porcelain boat. This is installed downstream in the furnace. Ferrocene put in a porcelain boat will be installed upstream of the furnace.

【0148】炉内を圧力50Paまで減圧する。このとき、
真空吸引するラインの反対側から酸素5000ppm含有アル
ゴンガスを30ml/minの速度で供給する。これにより、
反応炉容積をA(リットル)とし、酸素量をB(Ncc)
とした場合の比B/Aを、2.5×10-3とした。次い
で、反応温度800℃まで減圧のまま昇温する。
The pressure inside the furnace is reduced to a pressure of 50 Pa. At this time,
An argon gas containing 5000 ppm of oxygen is supplied at a rate of 30 ml / min from the opposite side of the vacuum suction line. This allows
Let the reactor volume be A (liter) and the oxygen amount be B (Ncc)
Was set to 2.5 × 10 −3 . Next, the temperature is raised to 800 ° C. while maintaining the reduced pressure.

【0149】工程(2) 反応温度800℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、
圧力を6.7×104Paに制御する。一方、炉内上流側
に設置した磁製ボート中のフェロセンを、200℃まで圧
力を6.7×104Paに維持して昇温する。
Step (2) When the reaction temperature reached 800 ° C., argon was introduced,
The pressure is controlled at 6.7 × 10 4 Pa. On the other hand, ferrocene in a porcelain boat installed on the upstream side in the furnace is heated to 200 ° C. while maintaining the pressure at 6.7 × 10 4 Pa.

【0150】また、熱分解性炭素源として、ベンゼン槽
にアルゴンガスをバブリングさせて、揮発したベンゼン
とアルゴンの混合ガスを、反応炉容積1リットル当た
り、30ml/minの流速で炉内に導入し、希釈ガスとし
て、アルゴンガスを20ml/minの流速で導入する。800℃
の反応温度で30分間反応させた。
As a pyrolytic carbon source, argon gas was bubbled into a benzene tank, and a mixed gas of volatilized benzene and argon was introduced into the furnace at a flow rate of 30 ml / min per liter of reactor volume. As a diluting gas, an argon gas is introduced at a flow rate of 20 ml / min. 800 ℃
At a reaction temperature of 30 minutes.

【0151】次いで、500℃まで20分で降温後、ヒータ
ーを取り外して20分で室温まで空冷することにより、鉄
−炭素複合体を含む炭素質材料を、反応管内に240mg得
た。
Next, after the temperature was lowered to 500 ° C. in 20 minutes, the heater was removed and air-cooled to room temperature in 20 minutes to obtain 240 mg of a carbonaceous material containing an iron-carbon composite in the reaction tube.

【0152】SEM観察の結果から、得られた鉄−炭素複
合体は、直径15〜40nm、長さ2〜3ミクロンで直線性の高
いものであった。
From the result of SEM observation, the obtained iron-carbon composite had a diameter of 15 to 40 nm and a length of 2 to 3 μm and was highly linear.

【0153】また、炭素からなる壁部の厚さは、5〜1
5nmであり、全長に亘って実質的に均一であった。ま
た、該壁部は、TEM観察及びX線回折法から炭素網面間
の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有す
る多層ナノフレークカーボンチューブであることを確認
した。
The thickness of the wall made of carbon is 5 to 1
5 nm and was substantially uniform over its entire length. The wall was confirmed by TEM observation and X-ray diffraction to be a multilayered nanoflake carbon tube having a graphite structure with an average distance (d002) between carbon mesh planes of 0.34 nm or less.

【0154】上記本発明の炭素質材料を構成する多数の
鉄−炭素複合体を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、
ナノフレークカーボンチューブの空間部(ナノフレーク
カーボンチューブの炭素壁で囲まれた空間)への炭化鉄
又は鉄の充填率が25〜90%の範囲の種々の充填率を
有する鉄−炭素複合体が混在していた。
When a large number of iron-carbon composites constituting the carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM),
Iron-carbon composites having various filling ratios of iron carbide or iron in the space portion of the nanoflake carbon tube (the space surrounded by the carbon wall of the nanoflake carbon tube) in the range of 25 to 90% are provided. It was mixed.

【0155】内包物について鮮明な電子回折パターンが
観測され、内包物が高い結晶性を有していた。TEM観察
の結果、内包物の結晶化率(炭化鉄又は鉄が充填されて
いる範囲のTEM像の面積に対する、結晶性炭化鉄のTEM像
の面積の割合)は、約100%であった。
A clear electron diffraction pattern was observed for the inclusions, and the inclusions had high crystallinity. As a result of TEM observation, the crystallization ratio of the inclusions (the ratio of the area of the TEM image of crystalline iron carbide to the area of the TEM image in the range in which iron carbide or iron was filled) was about 100%.

【0156】TEM観察の結果から、本発明の鉄−炭素複
合体を含む炭素質材料において、炭化鉄又は鉄のナノフ
レークカーボンチューブ内空間部への平均充填率(炭素
質材料としての平均値)は60%であった。また、実施
例1と同様にしてX線回折から算出されたR値は、1.
23であった。
From the results of the TEM observation, it was found that, in the carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention, the average filling rate of iron carbide or iron into the space inside the nanoflake carbon tube (average value as the carbonaceous material) Was 60%. The R value calculated from the X-ray diffraction in the same manner as in Example 1 is 1.
23.

【0157】本実施例で得られた鉄−炭素複合体を構成
しているナノフレークカーボンチューブの形状は、円筒
状であり、その長手方向を横切る断面のTEM写真におい
て観察されるグラフェンシート像は、閉じた環状ではな
く、不連続点を多数有する不連続な環状であった。
[0157] The shape of the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite obtained in the present example is cylindrical, and the graphene sheet image observed in a TEM photograph of a cross section transverse to the longitudinal direction is as follows. , Not a closed ring, but a discontinuous ring having many discontinuities.

【0158】また、本発明の鉄−炭素複合体を構成して
いるナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合
において、その長手方向に配向している多数の略直線状
のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート
像の長さは、概ね2〜30nmの範囲であった。
Further, when the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite of the present invention was observed by TEM, a large number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction were observed. The length of the graphene sheet image was generally in the range of 2-30 nm.

【0159】実施例4 図1に示すような反応装置において、反応管をカーボン
製として耐熱性を高めて使用し、次のようにして本発明
の鉄−炭素複合体を得た。
Example 4 In a reactor as shown in FIG. 1, a reaction tube was made of carbon and used with increased heat resistance, and an iron-carbon composite of the present invention was obtained as follows.

【0160】工程(1) 無水FeCl3(関東化学株式会社製)0.5gを磁製ボー
ト内に薄く広げて敷き詰める。これを石英管からなる炉
内中央に設置し、炉内を圧力50Paまで減圧する。このと
き、真空吸引するラインの反対側から酸素5000ppm含有
アルゴンガスを5ml/minの速度で供給する。これによ
り、反応炉の内容積をA(リットル)とし、酸素量をB
(Ncc)とした場合の比B/Aを、2.5×10-3とし
た。次いで、反応温度800℃まで減圧のまま昇温する。
Step (1) 0.5 g of anhydrous FeCl 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is spread and spread in a porcelain boat. This is installed in the center of a furnace made of a quartz tube, and the pressure in the furnace is reduced to 50 Pa. At this time, an argon gas containing 5000 ppm of oxygen is supplied at a rate of 5 ml / min from the opposite side of the vacuum suction line. Thereby, the internal volume of the reactor is set to A (liter), and the oxygen amount is set to B
The ratio B / A when (Ncc) was set to 2.5 × 10 −3 . Next, the temperature is raised to 800 ° C. while maintaining the reduced pressure.

【0161】工程(2) 800℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、圧力を
6.7×104Paに制御する。一方、熱分解性炭素源と
して、ベンゼン槽にアルゴンガスをバブリングさせて、
揮発したベンゼンとアルゴンの混合ガスを、反応炉容積
1リットル当たり、30ml/minの流速で炉内に導入し、
希釈ガスとして、アルゴンガスを20ml/minの流速で導
入する。
Step (2) When the temperature reaches 800 ° C., argon is introduced and the pressure is controlled at 6.7 × 10 4 Pa. On the other hand, as a pyrolytic carbon source, bubbling argon gas into a benzene tank,
A mixed gas of benzene and argon volatilized was introduced into the furnace at a flow rate of 30 ml / min per liter of the reactor volume,
As a diluent gas, an argon gas is introduced at a flow rate of 20 ml / min.

【0162】800℃の反応温度で120分間反応させた後、
800℃のまま圧力50Paまで減圧する。その後、アルゴン
雰囲気で9.0×104Paにし、炉内を、1350℃まで120分で
昇温後、1350℃で6時間維持し、500℃まで24時間で冷却
し、ヒーターを取り外して室温まで放冷することで本発
明の鉄−炭素複合体を含む炭素質材料を220mg得
た。
After reacting at a reaction temperature of 800 ° C. for 120 minutes,
The pressure is reduced to 50 Pa at 800 ° C. Then, the atmosphere was increased to 9.0 × 10 4 Pa in an argon atmosphere, the temperature of the furnace was raised to 1350 ° C. in 120 minutes, then maintained at 1350 ° C. for 6 hours, cooled to 500 ° C. in 24 hours, removed from the heater, and released to room temperature. By cooling, 220 mg of a carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention was obtained.

【0163】SEM観察の結果から、得られた炭素質材料
を構成する鉄−炭素複合体は、直径15〜40nm、長さ、2
〜5ミクロンで直線性の高いものであった。また、炭素
からなる壁部の厚さは、2〜10nmであり、全長に亘っ
て実質的に均一であった。また、該壁部は、TEM観察及
びX線回折法から、炭素網面間の平均距離(d002)が
0.34nm以下の黒鉛質構造を有する入れ子構造の多層カー
ボンナノチューブであることを確認した。
From the results of SEM observation, the iron-carbon composite constituting the obtained carbonaceous material had a diameter of 15 to 40 nm, a length of 2
It was highly linear at ~ 5 microns. The thickness of the carbon wall was 2 to 10 nm, and was substantially uniform over the entire length. The average distance (d002) between carbon mesh planes was determined by TEM observation and X-ray diffraction.
It was confirmed that it was a nested multi-walled carbon nanotube having a graphite structure of 0.34 nm or less.

【0164】上記本発明の炭素質材料を構成する多数の
鉄−炭素複合体を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、
入れ子構造の多層カーボンナノチューブの空間部(入れ
子構造の多層カーボンナノチューブのチューブ壁で囲ま
れた空間)への炭化鉄又は鉄の充填率が10〜50%の
範囲の種々の充填率を有する鉄−炭素複合体が混在して
いた。
When a large number of iron-carbon composites constituting the carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM),
Iron having various filling ratios in which the filling ratio of iron carbide or iron into the space of the nested multi-walled carbon nanotube (the space surrounded by the tube wall of the nested multi-walled carbon nanotube) is in the range of 10 to 50%. The carbon composite was mixed.

【0165】内包物について鮮明な電子回折パターンが
観測され、内包物が高い結晶性を有していた。TEM観察
の結果、内包物の結晶化率(炭化鉄又は鉄が充填されて
いる範囲のTEM像の面積に対する、結晶性炭化鉄のTEM像
の面積の割合)は、約100%であった。
A clear electron diffraction pattern was observed for the inclusions, and the inclusions had high crystallinity. As a result of TEM observation, the crystallization ratio of the inclusions (the ratio of the area of the TEM image of crystalline iron carbide to the area of the TEM image in the range in which iron carbide or iron was filled) was about 100%.

【0166】TEM観察の結果から、本発明の鉄−炭素複
合体を含む炭素質材料において、入れ子構造の多層カー
ボンナノチューブ内空間部への炭化鉄又は鉄の平均充填
率は20%(炭素質材料としての平均値)であった。ま
た、実施例1と同様にしてX線回折から算出されたR値
は、0.38であった。
From the results of TEM observation, in the carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention, the average filling rate of iron carbide or iron in the space inside the nested multi-walled carbon nanotube was 20% (carbonaceous material). Average value). The R value calculated from X-ray diffraction in the same manner as in Example 1 was 0.38.

【0167】[0167]

【発明の効果】本発明によれば、以下のような顕著な効
果が達成される。
According to the present invention, the following remarkable effects are achieved.

【0168】本発明の製造方法によると、炭素材の壁部
で囲まれた空間部の10〜90%が炭化鉄又は鉄により
充たされた新規な構成を有する鉄−炭素複合体を、簡便
な手法により高収率でかつ大量に得ることができる。
According to the production method of the present invention, an iron-carbon composite having a novel structure in which 10% to 90% of the space surrounded by the carbon material wall is filled with iron carbide or iron can be easily prepared. It can be obtained in high yield and in large quantities by a simple method.

【0169】得られた鉄―炭素複合体は、空間部の10
〜90%に炭化鉄又は鉄を内包する点において、カーボ
ンナノチューブの先端に鉄が存在する公知材料とは、構
造上明確に相違するものであり、特異な構造に基づく新
規な特異な性質を有する新規材料である。
[0169] The obtained iron-carbon composite material has 10
In terms of encapsulating iron carbide or iron in up to 90%, it is clearly different in structure from a known material in which iron is present at the tip of a carbon nanotube, and has novel unique properties based on a unique structure. It is a new material.

【0170】また、本発明の鉄−炭素複合体は、耐久性
に優れたグラファイト壁で囲まれた空間に金属が内包さ
れているので、特性の劣化を殆ど生じない半永久的な導
電体乃至分子導電線、及び、磁性体乃至分子磁石として
の機能を備えている。従って、本発明による鉄−炭素複
合体は、電子放出材料、鉄徐放性材料、磁気記録材料、
摺動材料、導電性フィブリル、磁性材料、磁性流動体、
超伝導材料、耐摩耗性材料、半導体材料などとして、極
めて有用である。また、本発明では、内包物である炭化
鉄又は鉄によりカーボンチューブ内空間部の全体が充填
されているのではなく、該空間部の10〜90%が充填
されているので製造が容易であり、カーボンナノチュー
ブ単独からなる材料に比べて電気伝導度が高く、磁性も
付与でき、その他ナノサイズの量子効果が期待できる点
で優れている。また、内包物である炭化鉄又は鉄の内包
率がカーボンチューブ内空間部の10〜90%の範囲の
ものを製造できるので、特定の内包率を有する本発明鉄
−炭素複合体を含む炭素質材料を選択することにより、
電気的特性、磁気特性、比重等の諸物性を制御できる。
比重に関しては、他物質との複合化の際、内包率100
%、即ちカーボンチューブの全長に亘って鉄などの金属
が内包されている複合体は、内包金属のために比重が高
すぎて、他物質中への均一分散が困難となる場合もあ
る。しかし、本発明の鉄−炭素複合体は内包率10〜9
0%の範囲で内包金属量を減少させることができるの
で、均一混合が容易となる。
In the iron-carbon composite of the present invention, since a metal is contained in a space surrounded by a graphite wall having excellent durability, a semi-permanent conductor or molecule which hardly deteriorates in characteristics is obtained. It has a function as a conductive wire and a magnetic substance or a molecular magnet. Therefore, the iron-carbon composite according to the present invention can be used as an electron-emitting material, an iron sustained-release material, a magnetic recording material,
Sliding materials, conductive fibrils, magnetic materials, magnetic fluids,
It is extremely useful as a superconducting material, a wear-resistant material, a semiconductor material, and the like. Also, in the present invention, the entire space inside the carbon tube is not filled with iron carbide or iron as inclusions, but 10 to 90% of the space is filled, so that production is easy. It is superior in that it has higher electric conductivity, can provide magnetism, and can expect a nano-size quantum effect as compared with a material composed of carbon nanotubes alone. In addition, since it is possible to manufacture the inclusions of iron carbide or iron as inclusions in the range of 10 to 90% of the space inside the carbon tube, the carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention having a specific inclusion ratio can be manufactured. By choosing the material,
Various physical properties such as electrical properties, magnetic properties, and specific gravity can be controlled.
Regarding the specific gravity, the encapsulation rate of 100
%, That is, a composite in which a metal such as iron is included over the entire length of the carbon tube, may have too high a specific gravity due to the included metal, making uniform dispersion in other substances difficult. However, the iron-carbon composite of the present invention has an encapsulation rate of 10-9.
Since the amount of metal included can be reduced in the range of 0%, uniform mixing becomes easy.

【0171】特に、本発明のナノフレークカーボンチュ
ーブと炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複合体は、次のよ
うな利点を有している。 (a) 電子放出の起点が多い。グラフェンシートのエッ
ジからも電子放出が起こる可能性が大きいので、大きな
電流密度を得る観点から有利である。 (b)黒鉛性が高いので寿命特性に優れる。 (c)ペーストとの馴染みが良くなる。黒鉛性が高いと、
ペースト化の際、溶媒、ペースト剤との馴染みが悪くな
るが、ナノフレークカーボンチューブと炭化鉄又は鉄か
らなる鉄−炭素複合体はグラフェンシートのエッジの効
果のためか、ペースト化が容易である。 (d)放熱性が良い。 (e)構造制御が容易である。側壁がフレーク状ないし張
り子状であるため、切断加工、表面修飾などの構造制御
が容易となる。 (f)フレキシブルである。側壁がフレーク状ないし張り
子状であるために柔軟性が付与され、複合材料等に用い
た場合には剛性と耐衝撃性を両立させることが出来る。
In particular, the iron-carbon composite comprising the nanoflake carbon tube and iron carbide or iron of the present invention has the following advantages. (a) Many starting points of electron emission. Since the possibility of electron emission from the edge of the graphene sheet is high, it is advantageous from the viewpoint of obtaining a large current density. (b) Because of its high graphitic properties, it has excellent life characteristics. (c) Familiarity with the paste is improved. With high graphitic properties,
At the time of pasting, the solvent and the compatibility with the paste agent become poor, but the nano-flake carbon tube and the iron-carbon composite composed of iron carbide or iron are easy to paste because of the effect of the edge of the graphene sheet. . (d) Good heat dissipation. (e) Structural control is easy. Since the side wall has a flake shape or a papier shape, the structure control such as cutting and surface modification becomes easy. (f) It is flexible. The flaky or papier-shaped side walls provide flexibility, and when used in a composite material or the like, can achieve both rigidity and impact resistance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の製造方法を行うための製造装置の一例
を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a manufacturing apparatus for performing a manufacturing method of the present invention.

【図2】本発明の製造方法を行うための製造装置の他の
例を示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic view showing another example of a manufacturing apparatus for performing the manufacturing method of the present invention.

【図3】実施例1で得られた炭素質材料を構成する鉄−
炭素複合体1本の電子顕微鏡(TEM)写真である。
FIG. 3 shows the composition of iron constituting the carbonaceous material obtained in Example 1.
It is an electron microscope (TEM) photograph of one carbon composite.

【図4】実施例1で得られた炭素質材料における鉄−炭
素複合体の存在状態を示す電子顕微鏡(TEM)写真であ
る。
FIG. 4 is an electron microscope (TEM) photograph showing the presence state of an iron-carbon composite in the carbonaceous material obtained in Example 1.

【図5】実施例1で得られた鉄−炭素複合体1本の電子
線回折図である。
5 is an electron diffraction diagram of one iron-carbon composite obtained in Example 1. FIG.

【図6】実施例1で得られた鉄−炭素複合体を含む炭素
質材料(鉄−炭素複合体の集合物)のX線回折図であ
る。
FIG. 6 is an X-ray diffraction diagram of a carbonaceous material (a collection of iron-carbon composites) containing the iron-carbon composite obtained in Example 1.

【図7】実施例1で得られた鉄−炭素複合体1本を輪切
状にした電子顕微鏡(TEM)写真である。尚、図7の写
真中に示されている黒三角(▲)は、組成分析のための
EDX測定ポイントを示している。
FIG. 7 is an electron microscope (TEM) photograph of one iron-carbon composite obtained in Example 1 cut into a slice. The black triangle (三角) shown in the photograph of FIG. 7 indicates an EDX measurement point for composition analysis.

【図8】実施例2で得られた炭素質材料を構成する鉄−
炭素複合体1本の電子顕微鏡(TEM)写真を示す。
FIG. 8 is a graph showing iron-forming properties of the carbonaceous material obtained in Example 2.
An electron microscope (TEM) photograph of one carbon composite is shown.

【図9】実施例2で得られた鉄−炭素複合体の電子線回
折図を示す。
FIG. 9 shows an electron diffraction pattern of the iron-carbon composite obtained in Example 2.

【図10】カーボンチューブのTEM像の模式図を示し、
(a-1)は、円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM
像の模式図であり、(a-2)は入れ子構造の多層カーボン
ナノチューブのTEM像の模式図である。
FIG. 10 shows a schematic view of a TEM image of a carbon tube,
(a-1) is a TEM of a cylindrical nanoflake carbon tube.
It is a schematic diagram of an image, and (a-2) is a schematic diagram of a TEM image of a nested multi-walled carbon nanotube.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応炉 2 加熱装置 3 加熱装置 100 ナノフレークカーボンチューブの長手方向
のTEM像 110 略直線状のグラフェンシート像 200 ナノフレークカーボンチューブの長手方向
にほぼ垂直な断面のTEM像 210 弧状グラフェンシート像 300 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの
長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシ
ート像 400 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの
長手方向に垂直な断面のTEM像
Reference Signs List 1 reactor 2 heating device 3 heating device 100 TEM image of nanoflake carbon tube in longitudinal direction 110 substantially linear graphene sheet image 200 TEM image of cross section almost perpendicular to longitudinal direction of nanoflake carbon tube 210 arc-shaped graphene sheet image 300 A linear graphene sheet image continuous over the entire length of the nested multi-walled carbon nanotube in the longitudinal direction 400 A TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the nested multi-walled carbon nanotube

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沖見 克英 大阪府大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 西田 亮一 大阪府大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 松井 丈雄 京都府京都市下京区中堂寺南町17 京都リ サーチパーク 株式会社関西新技術研究所 内 Fターム(参考) 4G046 CA00 CA01 CB01 CC03 CC10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Katsuhide Okimi, Inventor 4-1-2, Hiranocho, Chuo-ku, Osaka City, Osaka Prefecture Inside Osaka Gas Co., Ltd. (72) Ryoichi Nishida 4-chome, Hiranocho, Chuo-ku, Osaka City, Osaka No. 1-2 Inside Osaka Gas Co., Ltd. (72) Inventor Takeo Matsui 17 Nakadoji Minamicho, Shimogyo-ku, Kyoto, Kyoto Prefecture Kyoto Research Park Kansai New Technology Research Institute Co., Ltd. F-term (reference) 4G046 CA00 CA01 CB01 CC03 CC10

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (a) ナノフレークカーボンチューブ及び
入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から
選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからな
る鉄−炭素複合体であって、カーボンチューブ内空間部
の10〜90%に炭化鉄又は鉄が充填されていることを
特徴とする鉄−炭素複合体。
1. An iron-carbon composite comprising (a) a carbon tube selected from the group consisting of a nanoflake carbon tube and a nested multi-walled carbon nanotube, and (b) iron carbide or iron, wherein An iron-carbon composite, wherein 10 to 90% of the space is filled with iron carbide or iron.
【請求項2】 直線状であり、外径が1〜100nmで
あり、炭素からなる壁部の厚さが49nm以下であって
全長に亘って実質的に均一であり、長さをLとし外径を
Dとした場合のアスペクト比L/Dが5〜10000で
ある請求項1に記載の鉄−炭素複合体。
2. A linear shape, an outer diameter of 1 to 100 nm, a thickness of a wall portion made of carbon of 49 nm or less, which is substantially uniform over the entire length. The iron-carbon composite according to claim 1, wherein an aspect ratio L / D when a diameter is D is 5 to 10,000.
【請求項3】 鉄−炭素複合体を構成するカーボンチュ
ーブの壁部をX線回折法により測定した場合に、炭素網
面間の平均距離(d002)が、0.34nm以下である請
求項1又は2に記載の鉄−炭素複合体。
3. The average distance (d002) between carbon mesh planes is 0.34 nm or less when the wall of a carbon tube constituting the iron-carbon composite is measured by X-ray diffraction. Or the iron-carbon composite according to 2.
【請求項4】 鉄−炭素複合体を構成するカーボンチュ
ーブが、ナノフレークカーボンチューブである請求項1
〜3のいずれかに記載の鉄−炭素複合体。
4. The carbon tube constituting the iron-carbon composite is a nanoflake carbon tube.
4. The iron-carbon composite according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 鉄−炭素複合体を構成するカーボンチュ
ーブが、入れ子構造の多層カーボンナノチューブである
請求項1〜3のいずれかに記載の鉄−炭素複合体。
5. The iron-carbon composite according to claim 1, wherein the carbon tube constituting the iron-carbon composite is a nested multi-wall carbon nanotube.
【請求項6】 (a) ナノフレークカーボンチューブ及び
入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から
選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからな
り、カーボンチューブ内空間部の10〜90%に炭化鉄
又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体を含む炭素質材
料。
6. A carbon tube selected from the group consisting of (a) a nanoflake carbon tube and a nested multi-walled carbon nanotube, and (b) iron carbide or iron, which accounts for 10 to 90% of the space in the carbon tube. A carbonaceous material containing iron carbide or an iron-carbon composite filled with iron.
【請求項7】 炭素質材料1mgに対して25mm2
上の照射面積でCuKαのX線を照射する粉末X線回折
測定において、カーボンチューブに内包されている鉄ま
たは炭化鉄に帰属される40°<2θ<50°のピーク
の中で最も強い積分強度を示すピークの積分強度をIa
とし、カーボンチューブの炭素網面間の平均距離(d00
2)に帰属される26°<2θ<27°のピークの積分
強度をIbとした場合に、Ia/Ibの比Rが、0.3
5〜5である請求項6に記載の炭素質材料。
7. In a powder X-ray diffraction measurement in which 1 mg of the carbonaceous material is irradiated with X-rays of CuKα with an irradiation area of 25 mm 2 or more, 40 ° attributed to iron or iron carbide contained in the carbon tube. The integrated intensity of the peak showing the strongest integrated intensity among peaks at <2θ <50 ° is Ia
And the average distance between the carbon mesh surfaces of the carbon tube (d00
Assuming that the integrated intensity of the peak at 26 ° <2θ <27 ° attributed to 2) is Ib, the ratio R of Ia / Ib is 0.3
The carbonaceous material according to claim 6, which is 5 to 5.
【請求項8】 鉄−炭素複合体が、直線状であり、外径
が1〜100nmであり、炭素からなる壁部の厚さが4
9nm以下であって全長に亘って実質的に均一であり、
長さをLとし外径をDとした場合のアスペクト比L/D
が5〜10000である請求項6又は7に記載の炭素質
材料。
8. The iron-carbon composite is linear, has an outer diameter of 1 to 100 nm, and has a wall thickness of 4 mm.
Less than 9 nm and substantially uniform over its entire length;
Aspect ratio L / D when length is L and outer diameter is D
The carbonaceous material according to claim 6 or 7, wherein is from 5 to 10,000.
【請求項9】 鉄−炭素複合体を構成するカーボンチュ
ーブの壁部をX線回折法により測定した場合に、炭素網
面間の平均距離(d002)が、0.34nm以下である請
求項6〜8のいずれかに記載の炭素質材料。
9. An average distance (d002) between carbon mesh planes is 0.34 nm or less when a wall of a carbon tube constituting the iron-carbon composite is measured by an X-ray diffraction method. 9. The carbonaceous material according to any one of items 1 to 8.
【請求項10】 鉄−炭素複合体を構成するカーボンチ
ューブが、ナノフレークカーボンチューブである請求項
6〜9のいずれかに記載の炭素質材料。
10. The carbonaceous material according to claim 6, wherein the carbon tube constituting the iron-carbon composite is a nanoflake carbon tube.
【請求項11】 鉄−炭素複合体を構成するカーボンチ
ューブが、入れ子構造の多層カーボンナノチューブであ
る請求項6〜9のいずれかに記載の炭素質材料。
11. The carbonaceous material according to claim 6, wherein the carbon tube forming the iron-carbon composite is a nested multi-walled carbon nanotube.
【請求項12】 (a) ナノフレークカーボンチューブ及
び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群か
ら選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とから
なり、カーボンチューブ内空間部の10〜90%に炭化
鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体を含む炭素質
材料の製造方法であって、(1)不活性ガス雰囲気中、圧
力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸
素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB
(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×1
-1となる濃度に調整して、反応炉内でハロゲン化鉄を
600〜900℃まで加熱する工程、及び(2)上記反応
炉内を不活性ガス雰囲気として圧力を10-5Pa〜20
0kPaに調整し、熱分解性炭素源を導入して600〜
900℃で加熱処理を行う工程を包含することを特徴と
する製造方法。
12. A carbon tube selected from the group consisting of (a) a nanoflake carbon tube and a nested multi-walled carbon nanotube, and (b) iron carbide or iron, which accounts for 10 to 90% of the space in the carbon tube. A method for producing a carbonaceous material containing an iron-carbon composite filled with iron carbide or iron, comprising the steps of: (1) adjusting the pressure to 10 −5 Pa to 200 kPa in an inert gas atmosphere; The oxygen concentration of the reactor is A (liter), the oxygen volume is B
(Ncc) ratio B / A is 1 × 10 −10 to 1 × 1
Adjusting the concentration to 0 -1 and heating the iron halide to 600 to 900 ° C. in the reaction furnace; and (2) setting the pressure in the reaction furnace to 10 −5 Pa to 20
Adjusted to 0 kPa and introduced a pyrolytic carbon source to 600 ~
A manufacturing method comprising a step of performing a heat treatment at 900 ° C.
【請求項13】 工程(2)の加熱処理工程後、50〜2
000℃/hで500℃まで冷却することによりナノフ
レークカーボンチューブとそのチューブ内空間部の10
〜90%に充填されている炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭
素複合体を含む炭素質材料を生成させる請求項12に記
載の製造方法。
13. After the heat treatment step of the step (2), 50 to 2
By cooling to 500 ° C. at 000 ° C./h, the nano flake carbon tube and 10
The production method according to claim 12, wherein a carbonaceous material containing an iron-carbon composite comprising iron carbide or iron filled to 90% is produced.
【請求項14】 工程(2)の加熱処理工程後、(3)反応炉
内を工程(2)の温度を維持したまま不活性気体で置換す
る工程、(4)不活性気体で置換された反応炉内を950
〜1500℃に昇温する工程、(5)昇温終点で終点温度
を入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成するま
で維持する工程、及び(6)反応炉内を50℃/h以下の速
度で冷却する工程を行うことにより入れ子構造の多層カ
ーボンナノチューブとそのチューブ内空間部の10〜9
0%に充填されている炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複
合体を含む炭素質材料を生成させる請求項12に記載の
製造方法。
14. After the heat treatment step of the step (2), (3) a step of replacing the inside of the reaction furnace with an inert gas while maintaining the temperature of the step (2), and (4) a step of replacing the inside of the reaction furnace with the inert gas. 950 inside the reactor
(5) maintaining the end point temperature at the end point of the temperature increase until a nested multi-walled carbon nanotube is generated, and (6) cooling the inside of the reactor at a rate of 50 ° C./h or less. The nested multi-walled carbon nanotube and 10 to 9
The production method according to claim 12, wherein a carbonaceous material containing an iron-carbon composite comprising iron carbide or iron filled to 0% is produced.
【請求項15】 工程(2)の加熱処理を有機鉄錯体の存
在下に行う請求項12に記載の製造方法。
15. The method according to claim 12, wherein the heat treatment in the step (2) is performed in the presence of an organic iron complex.
【請求項16】 有機鉄錯体が、フェロセン又は鉄カル
ボニル錯体である請求項15に記載の製造方法。
16. The method according to claim 15, wherein the organic iron complex is a ferrocene or iron carbonyl complex.
【請求項17】 ハロゲン化鉄が、鉄の塩化物である請
求項12〜16のいずれかに記載の製造方法。
17. The method according to claim 12, wherein the iron halide is an iron chloride.
【請求項18】 鉄の塩化物が、FeCl2、FeCl3、FeCl2
・4H2O及びFeCl3・6H2Oからなる群から選ばれる少なく
とも1種である請求項17に記載の製造方法。
18. The method of claim 18, wherein the iron chloride is FeCl 2 , FeCl 3 , FeCl 2
The method according to claim 17 is at least one-selected from 4H 2 O and the group consisting of FeCl 3 · 6H 2 O.
【請求項19】 熱分解性炭素源が、炭素数6〜12の
芳香族炭化水素、炭素数1〜10の飽和脂肪族炭化水素
及び炭素数2〜5の不飽和脂肪族炭化水素からなる群か
ら選ばれる少なくとも1種である請求項12〜18のい
ずれかに記載の製造方法。
19. The group consisting of a pyrolytic carbon source comprising an aromatic hydrocarbon having 6 to 12 carbon atoms, a saturated aliphatic hydrocarbon having 1 to 10 carbon atoms, and an unsaturated aliphatic hydrocarbon having 2 to 5 carbon atoms. The method according to any one of claims 12 to 18, wherein the method is at least one selected from the group consisting of:
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