JP2003054901A - Core-shell carbon nanofiber for hydrogen storage and process for preparing the fiber - Google Patents

Core-shell carbon nanofiber for hydrogen storage and process for preparing the fiber

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JP2003054901A
JP2003054901A JP2001245479A JP2001245479A JP2003054901A JP 2003054901 A JP2003054901 A JP 2003054901A JP 2001245479 A JP2001245479 A JP 2001245479A JP 2001245479 A JP2001245479 A JP 2001245479A JP 2003054901 A JP2003054901 A JP 2003054901A
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hydrogen storage
slit
graphite
hydrogen
storage material
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Kokin Ko
厚金 黄
Masafumi Ata
誠文 阿多
Atsuo Yamada
淳夫 山田
Eiko Tsutsui
栄光 筒井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a core-shell nanostructure that are capable of providing hydrogen storage in an economical, safe, light weight and simple manner. SOLUTION: This core-shell nanostructure 1 each includes a slit-pore nanofiber 2 that encapsulates a hydrogen storage substance 6. The core-shell nanostructure has an increased hydrogen storage capacity because hydrogen is stored in the slit-pore carbon nanofiber itself, as well in a hydrogen storage substance contained within the nanofiber. Further the kinetics of hydrogen adsorption/desorption are improved because the hydrogen storage substance is present in nanometer sized particles and is prevented from being oxidized by the nanofiber through which oxygen can not pass. Also arc-discharge and arc-CVD method is used for producing the core-shell nanostructures.

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】a.発明の技術分野 本発明は、概ね、カーボンナノ構造体に関し、更に詳し
くは、水素吸蔵における使用方法に関する。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION a. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to carbon nanostructures, and more particularly to methods of use in hydrogen storage.

【0002】[0002]

【従来の技術】b.関連技術 金属及び合金のなかには−例えば、水素化物を生成する
ことによるような−可逆的方法で水素を吸蔵出来、従っ
ていろいろな用途に対して固有の安定性を有するのもあ
る。しかしながら、可逆的方法で水素を吸蔵出来る公知
の合金は、幾つかの難題のために大規模に広く使用され
てはいない。作製において、及び限られた水素吸蔵容量
における難題に加えて、1つの欠点は、この合金が周囲
の空気と接触するとその表面に酸化物を生成することで
ある。従って、これらの公知の合金は、空気に曝露され
る度毎に高圧又は高温で活性化しなければならない。更
に、吸着/脱着サイクル過程では、これら公知の合金
は、破砕されて微細な粒子になり、その構造上の完全性
が低下するのが普通である。構造上の完全性がこのよう
に消失すると、水素吸着/脱着プロセスにおける動力学
の低下が起こる。水素吸着/脱着の動力学−水素が吸着
されそして放出される速度−を改善するために研究者達
は、新規でかつ更に効率のよい水素吸蔵物質としてナノ
メートルサイズの金属及び合金を精力的に研究してい
る。
2. Description of the Related Art b. Related Art Some metals and alloys-for example, by forming hydrides-can store hydrogen in a reversible manner and thus have inherent stability for various applications. However, known alloys capable of occluding hydrogen in a reversible manner have not been widely used on a large scale due to some difficulties. In fabrication and in addition to the challenge of limited hydrogen storage capacity, one drawback is that the alloy forms oxides on its surface when it comes into contact with ambient air. Therefore, these known alloys must be activated at high pressure or high temperature each time they are exposed to air. Moreover, during the adsorption / desorption cycle, these known alloys are usually crushed into fine particles, reducing their structural integrity. This loss of structural integrity results in reduced kinetics in the hydrogen adsorption / desorption process. To improve the kinetics of hydrogen adsorption / desorption-the rate at which hydrogen is adsorbed and released-the researchers have energetically studied nanometer-sized metals and alloys as new and more efficient hydrogen storage materials. I am studying.

【0003】Schulz等に付与された米国特許第
5,763,363号は、水素吸蔵用に使用されるナノ
メートルサイズの物質の1つの例である。しかしなが
ら、これらのナノメートルサイズの金属及び合金の空気
中での安定性は、あらゆる実用的用途にとっては厄介な
問題である。即ち、たとえ、このプロセスの動力学が、
これらの金属及び合金をナノメートルサイズ粒子に粉砕
することによって大幅に改善されるとしても、これらの
粒子の酸化安定性はあらゆる実用的用途には尚、大きな
障壁として残る。
US Pat. No. 5,763,363 to Schulz et al. Is one example of a nanometer sized material used for hydrogen storage. However, the stability of these nanometer-sized metals and alloys in air is a problem for all practical applications. That is, even if the dynamics of this process
Even if these metals and alloys are significantly improved by milling them into nanometer-sized particles, the oxidative stability of these particles remains a major barrier for all practical applications.

【0004】一般的に、カーボン被膜によって金属又は
合金(ナノメートルサイズの物質を含めて)が酸化しな
いようにすることは出来る。しかし、このカーボン被膜
は、単層ナノチューブ(SWNT)、多層ナノチューブ
(MWNT)、水素吸蔵物質を同心状に取り囲む1層以
上のグラファイト層、又は非晶質カーボンの形をしてい
る。従って、水素吸蔵に関しては、このような被膜は、
水素が金属又は合金へ出入りするのを大幅に又は完全に
阻止するのが普通である。
In general, carbon coatings can prevent metals or alloys (including nanometer-sized materials) from oxidizing. However, this carbon coating is in the form of single-walled nanotubes (SWNTs), multi-walled nanotubes (MWNTs), one or more graphite layers concentrically surrounding the hydrogen storage material, or amorphous carbon. Therefore, for hydrogen storage, such coatings
It is common to largely or completely prevent hydrogen from entering or leaving a metal or alloy.

【0005】もう一方で、カーボン物質自体、特にSW
NT及びカーボンナノファイバーでの水素吸蔵は、最
近、大いに注目されるようになった。
On the other hand, the carbon material itself, especially SW
Hydrogen storage in NT and carbon nanofibers has recently received much attention.

【0006】研究者達のなかには、精製したSWNT自
体の水素吸蔵能力は、最適条件のもとで最高5−10重
量%まで達することが出来ると考えている人もいる。例
えば、“Hydrogen Adsorption In
Carbon Materials”、M.S.Dre
sselhaus等、MRS Bulletin、19
99年11月号、45−50頁;“Storage o
f Hydrogenin Single−walled
Carbon Nanotubes”、A.C.Dil
lon等、Nature、1997年3月、386巻、
377−379頁;“Hydrogen Storag
e in Single−walledCarbon N
anotubes at Room Temperatu
re”、C.Liu等、Science、1999年1
1月、286巻、1127−1129頁;及び“Hyd
rogen Adsorption and Cohes
ive Energy of Single−Walle
d Carbon Nanotubes”、Y.Ye等、
Appl.Phys.Lett.、1999年4月、7
4巻、2307−2309頁を参照されたい。
Some researchers believe that the hydrogen storage capacity of the purified SWNTs themselves can reach up to 5-10% by weight under optimal conditions. For example, "Hydrogen Adsorption In
Carbon Materials ”, MS Dre
Sselhaus et al., MRS Bulletin, 19
November 1999, pp. 45-50; "Storage o.
f Hydrogenin Single-walled
Carbon Nanotubes ", AC Dil
Lon et al., Nature, March 1997, Volume 386,
377-379; "Hydrogen Storage.
e in Single-walled Carbon N
anotubes at Room Temperatur
Re ", C. Liu et al., Science, 1999, 1
January, 286, 1127-1129; and "Hyd.
rogen Adsorption and Cohes
Ive Energy of Single-Wall
d Carbon Nanotubes ", Y. Ye et al.,
Appl. Phys. Lett. , April 1999, 7
4, page 2307-2309.

【0007】しかしながら、SWNTを水素吸蔵用に実
用的に使用するためには、大規模で低コストでのSWN
Tの作製及び精製のための技術を更に開発しなければな
らない。一般的に、水素吸蔵用に現在の1000米国ド
ル(USD)/グラムの価格のようなSWNT自体を使
用することはコスト的に無理である。
However, in order to practically use SWNTs for storing hydrogen, the SWNs are large-scale and low-cost.
Further technology for the production and purification of T has to be developed. In general, it is cost prohibitive to use the SWNTs themselves, such as the current US $ 1,000 / gram price for hydrogen storage.

【0008】カーボンナノファイバーについては、その
水素吸蔵能力に関しては激しい議論が交わされている。
カーボンナノファイバー自体に吸蔵される水素の量が測
定されたが、研究グループによって、0.08から67
重量%まで変動した。例えば、“Hydrogen S
torage in Graphite Nanofib
ers”、A.Chambers等、J.Phys.C
hem.B.,1998年、102巻、4253頁;
“Further Studies of the Int
eraction of Hydrogen with G
raphite Nanofibers”、C.Par
k等、J.Phys.Chem.B.,1999年、1
03巻、10572−10581頁;及び“Hydro
gen Desorption and Adsorpt
ion measurements on Graphi
te Nanofibers”、C.Ahn等、App
l.Phys.Lett.,1998年、73巻、33
78−3380頁を参照されたい。更に、研究グループ
内部でも、水素吸蔵の測定量が大幅に変動している。
With regard to carbon nanofibers, there has been intense debate regarding the hydrogen storage capacity.
The amount of hydrogen occluded in the carbon nanofiber itself was measured.
It varied up to wt%. For example, "Hydrogen S
transfer in Graphite Nanofib
ers ", A. Chambers et al., J. Phys. C.
hem. B. , 1998, 102, 4253;
"Further Studies of the Int
erase of Hydrogen with G
Raphite Nanofibers ", C. Par
K., et al. Phys. Chem. B. , 1999, 1
03, 10572-10581; and "Hydro.
gen Desorption and Adsorbt
Ion measurements on Graphi
te Nanofibers ", C. Ahn et al., App
l. Phys. Lett. , 1998, 73, 33
See pages 78-3380. Furthermore, even within the research group, the measured amount of hydrogen storage varies greatly.

【0009】Rodriguez等(Rodrigue
z)等に付与された米国特許第5,653,951号
は、ナノファイバーを含めて、層状ナノ構造体の中に水
素を吸蔵することを開示している。また、Rodrig
uezは、水素を解離的に吸蔵出来る金属を、このナノ
構造体の空隙、即ち中空状の内部コア−の中に取り込む
ことが出来ることを開示している。しかしながら、Ro
driguezは、そのような金属の少量−1ないし5
重量%であって、1容量%未満−を利用することしか考
えていない。従って、Rodriguezは、主要な水
素吸蔵媒体用には、ナノ構造体自体に殆ど頼っている。
しかしながら、前述のように、これらのナノ構造体自体
による水素吸蔵の測定量は大幅に変動し、従って、信頼
のおける水素吸蔵媒体を提供することは出来ない。
Rodriguez et al. (Rodrigue
US Pat. No. 5,653,951 to Z) et al. discloses storing hydrogen in layered nanostructures, including nanofibers. Also, Rodrig
Uez discloses that a metal capable of dissociatively storing hydrogen can be incorporated into the voids of the nanostructure, that is, the hollow inner core. However, Ro
driguez is a small amount of such metal -1 to 5
Only weight% and less than 1% by volume are considered. Therefore, Rodriguez relies mostly on the nanostructure itself for the major hydrogen storage media.
However, as mentioned above, the measured amount of hydrogen storage by these nanostructures itself fluctuates greatly, and therefore a reliable hydrogen storage medium cannot be provided.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】c.本発明によって解
決される課題 本発明の1つの目的は、液体、圧縮ガス、及び改質装置
の副生水素の吸蔵方法の公知の欠点を解決することであ
る。更に詳しくは、輸送用及び携帯用の水素燃料電池装
置のための、経済的で、安全な、軽量で、しかも簡潔な
水素吸蔵媒体を提供することである。
Problems to be Solved by the Invention c. PROBLEMS SOLVED BY THE INVENTION One object of the present invention is to overcome the known drawbacks of the method of storing liquid, compressed gas and by-product hydrogen of a reformer. More particularly, it is to provide an economical, safe, lightweight and simple hydrogen storage medium for transportation and portable hydrogen fuel cell devices.

【0011】本発明のもう1つの目的は関連技術の諸問
題を解決することである。更に詳しくは、水素吸蔵物質
への水素移動が妨げらないと同時に、水素吸蔵物質が酸
化されないように、カーボンシェル(carbon s
hell)の中に包み込まれる水素吸蔵物質−例えば、
水素化物を生成する金属又は合金のような−を含む水素
吸蔵媒体を提供することが本発明の目的の1つである。
そのような配列を採ると、水素吸蔵物質が大量に含ま
れ、そして水素吸蔵媒体の水素吸蔵能力の大半を受け持
つ。
Another object of the present invention is to solve the problems of the related art. More specifically, the carbon shell (carbon s) is used so that the hydrogen transfer to the hydrogen storage material is not hindered and the hydrogen storage material is not oxidized.
hydrogen storage material enclosed in the
It is one of the objects of the present invention to provide a hydrogen storage medium containing-such as a metal or an alloy which produces a hydride.
If such an arrangement is adopted, a large amount of hydrogen storage material is contained, and it is responsible for most of the hydrogen storage capacity of the hydrogen storage medium.

【0012】本発明の更なる目的は、コア・シェル型ナ
ノ構造体を使用することによって増強された水素吸蔵能
力を発現することであり、この場合のコア・シェル型ナ
ノ構造体は、水素を吸蔵することが可能であり、中央穴
部を有するスリット状ポア型カーボンナノファイバーを
含み、そのファイバーの中には更なる水素吸蔵のために
金属、合金又はその他の水素吸蔵物質が配置される。本
明細書で使用するように、カーボンナノファイバーは、
グラファイト面がカーボンナノファイバーの中心軸に対
して斜めに延在することによりカーボンナノファイバー
の外縁に開放型平面端部を提供するナノファイバーであ
る。このようなスリット状ポア型カーボンナノファイバ
ー構造体はカーボンナノチューブとは異る、一方、この
カーボンナノチューブではグラファイト面がカーボンナ
ノチューブの中心軸と概ね平行の方向に延在しているこ
とから、このナノチューブの外縁部には開放型平面端部
が存在しない(ナノチューブ自体の端部には開放型平面
端部が存在することがあるけれども)。
A further object of the present invention is to develop an enhanced hydrogen storage capacity by using a core-shell type nanostructure, in which case the core-shell type nanostructure contains hydrogen. It is capable of occluding and comprises slit-shaped pore type carbon nanofibers having a central hole, in which metal, alloy or other hydrogen occluding substance is arranged for further occluding hydrogen. As used herein, carbon nanofibers
It is a nanofiber in which the graphite surface extends obliquely with respect to the central axis of the carbon nanofiber to provide an open planar end portion on the outer edge of the carbon nanofiber. Such a slit-shaped pore type carbon nanofiber structure is different from a carbon nanotube. On the other hand, in this carbon nanotube, the graphite surface extends in a direction substantially parallel to the central axis of the carbon nanotube. There are no open planar ends at the outer edges of the (although there may be open planar ends at the ends of the nanotube itself).

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】d.課題を解決するため
の手段 本発明の1つの局面により、コア・シェル型ナノ構造体
が提供される。このコア・シェル型ナノ構造体は、−例
えば、金属又は合金を含めて、水素吸蔵物質を取り囲む
スリット状ポア型カーボンナノファイバーを含む。コア
・シェル型ナノ構造体は、水素吸蔵物質の酸化を防ぐと
言う目的に対する優れた解決策を提供し、しかもこの物
質を水素と相互作用させる。更に詳しくは、このスリッ
ト状ポア型カーボンナノファイバーは、0.35nmの
格子間隔−即ち、平行なグラファイト面間距離−を有す
ることにより、水素分子(0.29nmの寸法を有す
る)の透過を可能にするが、一方、酸素分子(0.45
nmの寸法を有する)の透過を妨げる。更に、スリット
状ポア型カーボンナノファイバー自体は、追加の水素吸
着サイトを提供する。
[Means for Solving the Problems] d. Means for Solving the Problems According to one aspect of the present invention, a core-shell type nanostructure is provided. The core-shell type nanostructure comprises-a slit-like pore type carbon nanofiber surrounding a hydrogen storage material, including for example a metal or an alloy. Core-shell nanostructures provide an excellent solution for the purpose of preventing oxidation of hydrogen storage materials, yet allow this material to interact with hydrogen. More specifically, this slit-shaped pore type carbon nanofiber has a lattice spacing of 0.35 nm-that is, a distance between parallel graphite planes-allowing the permeation of hydrogen molecules (having a dimension of 0.29 nm). However, on the other hand, oxygen molecules (0.45
(with dimensions of nm). Furthermore, the slit-shaped carbon nanofibers themselves provide additional hydrogen adsorption sites.

【0014】加えて、本発明は、次の事項から成る水素
吸蔵構成物を提供することにより前記及びその他の目的
を達成する:中央穴部の周りに互いに平行にグラファイ
ト面が配置され、前記グラファイト面の間に水素が吸蔵
されるスリット状ポア型カーボンナノファイバー;及び
前記中央穴部の中に配置される水素吸蔵物質であって、
前記水素吸蔵物質は前記構成物の10ないし90容量%
であること。
In addition, the present invention achieves the above and other objects by providing a hydrogen storage composition consisting of the following: graphite planes arranged parallel to each other around a central hole, the graphite A slit-shaped pore type carbon nanofiber in which hydrogen is occluded between the surfaces; and a hydrogen occluding substance arranged in the central hole,
The hydrogen storage material is 10 to 90% by volume of the constituent.
To be.

【0015】更に、本発明は、次の事項から成る水素吸
蔵用構成物を提供することにより前記及びその他の目的
を達成する:中央穴部の周りに互いに平行にグラファイ
ト面が配置され、前記グラファイト面の間に水素が吸蔵
されるスリット状ポア型カーボンナノファイバー;並び
に前記中央穴部の中に配置される水素吸蔵物質であっ
て、前記水素吸蔵物質は、容量%で測定して、前記グラ
ファイト面の水素吸蔵能力より優れた水素吸蔵能力を有
すること。
The present invention further achieves these and other objectives by providing a hydrogen storage composition comprising: a graphite surface disposed parallel to each other around a central hole, the graphite A slit-shaped pore type carbon nanofiber in which hydrogen is occluded between the surfaces; and a hydrogen occluding substance arranged in the central hole portion, wherein the hydrogen occluding substance is measured by volume% to obtain the graphite Have a hydrogen storage capacity that is superior to that of the surface.

【0016】加えて、本発明は、次の事項から成る、コ
ア・シェル型ナノ構造体の製造方法を提供することによ
り前記及びその他の目的を達成する:ボウル型グラファ
イトカソード、カーボンアノード、及び触媒を提供する
ことであって、前記触媒には:Li、Ni、Mg、A
l、Ti、V、Nb、Ga、In、Fe、Co、Ni、
Cu、Zn、Ge、Pb、Mo、Sn、B、C、Ir、
Rh、Ru、Pt、Se、Sc、Y、La、Ce、P
r、Nd、Gd、Mi−La、Mg−Ni、Mg−C
e、Ca−Ni、Na−Al、Ni−Ce、又はTi−
Fe−Cが挙げられること、前記触媒は、前記アノード
の中及び前記触媒の中のカーボンを含む物質の量の10
ないし90重量%の量で存在すること;並びに前記触媒
の存在で、前記カソードと前記アノードとの間でアーク
放電を発生することにより、前記カソード上でコア・シ
ェル型ナノ構造体を生成すること。
In addition, the present invention achieves the above and other objects by providing a method for producing a core-shell type nanostructure, which comprises: a bowl-type graphite cathode, a carbon anode, and a catalyst. Wherein the catalyst comprises: Li, Ni, Mg, A
l, Ti, V, Nb, Ga, In, Fe, Co, Ni,
Cu, Zn, Ge, Pb, Mo, Sn, B, C, Ir,
Rh, Ru, Pt, Se, Sc, Y, La, Ce, P
r, Nd, Gd, Mi-La, Mg-Ni, Mg-C
e, Ca-Ni, Na-Al, Ni-Ce, or Ti-
Fe-C, wherein the catalyst is 10 times the amount of carbon-containing material in the anode and in the catalyst.
To 90 wt.%; And in the presence of the catalyst, generating an arc discharge between the cathode and the anode to produce a core-shell nanostructure on the cathode. .

【0017】そして尚、更に、本発明は、次の事項から
成る、コア・シェル型ナノ構造体の製造方法を提供する
ことにより前記及びその他の目的を達成する:ボウル型
グラファイトアノード、カーボンカソード、原料ガス、
及び触媒を提供することであって、前記触媒には:L
i、Ni、Mg、Al、Ti、V、Nb、Ga、In、
Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Pb、Mo、S
n、B、C、Ir、Rh、Ru、Pt、Se、Sc、
Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Mi−La、Mg
−Ni、Mg−Ce、Ca−Ni、Na−Al、Ni−
Ce、又はTi−Fe−Cが挙げられること;並びに前
記原料ガス及び前記触媒の存在で、前記カソードと前記
アノードとの間でアーク放電を発生することにより、前
記アノード上でコア・シェル型ナノ構造体を生成するこ
と。
Still further, the present invention achieves the above and other objects by providing a method for producing a core-shell type nanostructure, which comprises: a bowl-type graphite anode, a carbon cathode, Raw material gas,
And a catalyst, said catalyst comprising: L
i, Ni, Mg, Al, Ti, V, Nb, Ga, In,
Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pb, Mo, S
n, B, C, Ir, Rh, Ru, Pt, Se, Sc,
Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Mi-La, Mg
-Ni, Mg-Ce, Ca-Ni, Na-Al, Ni-
Ce or Ti-Fe-C; and in the presence of the source gas and the catalyst, an arc discharge is generated between the cathode and the anode to form a core-shell type nano-particle on the anode. Creating a structure.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】発明を実施するための最良の形態 本発明の前記及びその他の目的及び長所は、付図を参照
しながら本発明の好ましい例示の実施態様を詳細に説明
することにより明らかになろう、そして同じ参照番号は
これら数枚の図面全部を通して同じか又は対応する部分
を表している。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The above and other objects and advantages of the present invention will be apparent from the detailed description of the preferred exemplary embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. , And the same reference numbers represent the same or corresponding parts throughout all of the several drawings.

【0019】e.発明の実施の形態 本発明の実施態様は、経済的で、安全な、軽量で、しか
も簡潔な方法で水素吸蔵を発現出来るコア・シェル型ナ
ノ構造体1に関する。水素吸蔵を発現するためには、可
逆的に水素を吸蔵出来る物質6がスリット状ポア型カー
ボンナノファイバー2の内部に配置される。更に、水素
をナノチューブ2自体の中に吸蔵することが出来ること
により、コア・シェル型ナノ構造体1の全水素吸蔵能力
が増大する。その場合、水素吸蔵媒体は、これらのコア
・シェル型ナノ構造体1から形成することが出来る。
E. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention relate to a core-shell type nanostructure 1 capable of exhibiting hydrogen absorption in an economical, safe, lightweight and simple manner. In order to express hydrogen storage, a substance 6 capable of reversibly storing hydrogen is arranged inside the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2. Furthermore, since hydrogen can be stored in the nanotube 2 itself, the total hydrogen storage capacity of the core-shell type nanostructure 1 is increased. In that case, the hydrogen storage medium can be formed from these core-shell type nanostructures 1.

【0020】図1ないし4に示すように、コア・シェル
型ナノ構造体1は、スリット状ポア型カーボンナノファ
イバー2、及びそのスリット状ポア型カーボンナノファ
イバー2の中央穴部の内部に配置される物質6−可逆的
に水素を吸蔵出来る−を含む。本発明によるコア・シェ
ル型ナノ構造体の高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)
写真である図5A及び5Bも参照されたい、尚、図5B
は図5Aの拡大図である。
As shown in FIGS. 1 to 4, the core-shell type nanostructure 1 is disposed inside the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2 and the central hole of the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2. Substance 6-capable of reversibly occluding hydrogen. High resolution transmission electron microscope (TEM) of core-shell type nanostructure according to the present invention
See also photographs 5A and 5B, FIG. 5B.
FIG. 5B is an enlarged view of FIG. 5A.

【0021】図1ないし4に戻ると、スリット状ポア型
カーボンナノファイバー2は、中空状であって、一般的
に、ナノチューブ2の中心軸に対して斜めに延在するグ
ラファイト面4を含む。グラファイト面4は、0.35
nmの格子間隔12で互いに平行に積み重ねられ、その
平坦な端部がコア・シェル型ナノ構造体1の外縁部にな
るように、スリット状ポア型カーボンナノファイバー2
の長手に沿う方向で積み重ねられている。格子間隔、即
ちグラファイト面4の間の距離は0.35nmなので、
ナノファイバー2は、これらグラファイト面の間に水素
(0.29nmの寸法を有する)を通過させることが出
来る。更に、水素はグラファイト面4の間を通過するこ
とが出来るので、水素はその間で吸蔵されることも出来
る。しかしながら、酸素(0.45nmの寸法を有す
る)はグラファイト面4の間を通過出来ない、従って、
ナノファイバー2が水素吸蔵物質6の酸化を防ぐ。図4
から判るように、各グラファイト面は中空の錐台の形状
をしている。しかしながら、グラファイト面4の形状は
重要ではない。即ち、示されているように、スリット状
ポア型カーボンナノファイバー2の断面は円形である
か、又は例えば、準四角形、楕円形、多面体等のような
任意のその他の所望の形状になるようにグラファイト面
4を配列することが出来る。更に、グラファイト面4
は、水素を透過させる能力を維持している間、包み込ま
れた水素吸蔵物質6の酸化を防ぐ能力を維持している限
り、スリット状ポア型カーボンナノファイバー2は1な
いし100%の結晶性を有するように、グラファイト面
4は配列される。しかしながら、結晶性が高ければ高い
ほど、動力学はそれだけ好ましい。即ち、結晶性が高け
れば高いほど、水素はスリット状ポア型カーボンナノフ
ァイバー2を通過し易くなる。
Returning to FIGS. 1 through 4, the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2 is hollow and generally includes a graphite surface 4 extending obliquely with respect to the central axis of the nanotube 2. Graphite surface 4 is 0.35
Slit-shaped pore type carbon nanofibers 2 are stacked in parallel with each other at a lattice spacing 12 of nm so that their flat ends are the outer edges of the core-shell type nanostructure 1.
Are stacked in the direction along the length of the. Since the lattice spacing, that is, the distance between the graphite surfaces 4, is 0.35 nm,
The nanofibers 2 allow hydrogen (having a dimension of 0.29 nm) to pass between these graphite faces. Furthermore, since hydrogen can pass between the graphite surfaces 4, hydrogen can also be occluded between them. However, oxygen (having a dimension of 0.45 nm) cannot pass between the graphite faces 4, thus
The nanofibers 2 prevent the hydrogen storage substance 6 from oxidizing. Figure 4
As can be seen, each graphite surface is in the shape of a hollow frustum. However, the shape of the graphite surface 4 is not important. That is, as shown, the slit-shaped pore-shaped carbon nanofibers 2 may have a circular cross section or any other desired shape, such as quasi-quadrangle, ellipse, polyhedron, etc. The graphite surfaces 4 can be arranged. Furthermore, graphite surface 4
The slit-shaped pore type carbon nanofibers 2 have a crystallinity of 1 to 100% as long as the ability to prevent the oxidation of the entrapped hydrogen storage material 6 is maintained while the ability to permeate hydrogen is maintained. The graphite surfaces 4 are arranged so as to have. However, the higher the crystallinity, the more favorable the kinetics. That is, the higher the crystallinity, the easier hydrogen will pass through the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2.

【0022】スリット状ポア型カーボンナノファイバー
2によって囲まれる断面積−即ち、グラファイト面4の
最外縁部に基づく面積、又は図2又は3のどちらかに示
しているような構造体の外側の断面外縁部の内側の合計
面積−は、25nmないし250,000nmの範
囲であり、100nmないし10,000nmの範
囲にあるのが好ましい。スリット状ポア型カーボンナノ
ファイバー2の中央穴部は1nmないし100,00
0nmの断面積を有しており、10nmないし8,
000nmの範囲にあるのが好ましい。これらの断面
積は、重要ではないが、水素吸蔵能力、中央穴部の水素
吸蔵物質6を通過する水素移動の動力学、スリット状ポ
ア型カーボンナノファイバー2の中で安定性を維持する
のに充分な強度ばかりでなく、作製のしやすさ及び効率
も含めた検討事項とのバランスである。例えば、水素吸
蔵に関しては、中央穴部の面積が10nm未満の場
合、最大の水素吸蔵能力は小さくなるが、その動力学は
優れている。もう一方では、中央穴部の面積が8,00
0nmを超えると、水素吸蔵物質6を通過する水素移
動の動力学は低下する。
Cross-sectional area surrounded by slit-shaped pore-type carbon nanofibers 2—that is, the area based on the outermost edge of the graphite surface 4, or the cross-section outside the structure as shown in either FIG. 2 or 3. inside of the total area of the outer edge portion - is in the range of 25 nm 2 to 250,000Nm 2, preferably is to 100 nm 2 is not in the range of 10,000nm 2. The central hole of the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2 is 1 nm 2 to 100,000.
Has a cross-sectional area of 0 nm 2 , 10 nm 2 to 8,
It is preferably in the range of 000 nm 2 . These cross-sectional areas are not important, but for maintaining the hydrogen storage capacity, the kinetics of hydrogen transfer through the hydrogen storage material 6 in the central hole, and the stability in the slit-shaped pore-shaped carbon nanofibers 2. It is not only sufficient strength, but also a balance with considerations including ease of production and efficiency. For example, regarding the hydrogen storage, when the area of the central hole is less than 10 nm 2 , the maximum hydrogen storage capacity becomes small, but the kinetics are excellent. On the other hand, the area of the central hole is 8,000
Above 0 nm 2 , the kinetics of hydrogen transfer through the hydrogen storage substance 6 decreases.

【0023】スリット状ポア型カーボンナノファイバー
2の長さは変動するが、概ね、100nmないし100
μmの間である。100nm未満の長さのナノファイバ
ー2を作製するのは難しく、酸化された水素吸蔵物質6
(即ち、酸化層8)対水素吸蔵用に利用出来る水素吸蔵
物質6の比が高くなることにより、コア・シェル型ナノ
構造体は役に立たない水素吸蔵媒体となる。即ち、前記
カーボンナノファイバー2は、中空状で末端開放型なの
で、酸化層8は各開放末端部に暴露される水素吸蔵物質
6の上に生成する。酸化層8は、水素が水素吸蔵物質6
のその部分の上で吸蔵されないようにする。従って、酸
化層8の量対水素吸蔵物質6の量の比が大きくなるにつ
れて水素吸蔵効率は低下する、即ち、コア・シェル型ナ
ノ構造体1で作られた構成物の所与の量に吸蔵される水
素の容量%は少なくなることがある。
The length of the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2 varies, but is generally 100 nm to 100 nm.
between μm. It is difficult to prepare nanofibers 2 having a length of less than 100 nm, and the oxidized hydrogen storage material 6 is used.
Due to the higher ratio of (ie, the oxide layer 8) to the hydrogen storage substance 6 available for hydrogen storage, the core-shell type nanostructure becomes a useless hydrogen storage medium. That is, since the carbon nanofibers 2 are hollow and open-ended, the oxide layer 8 is formed on the hydrogen storage material 6 exposed at each open end. In the oxide layer 8, hydrogen is a hydrogen storage material 6
Avoid being occluded on that part of the. Therefore, as the ratio of the amount of the oxide layer 8 to the amount of the hydrogen storage substance 6 increases, the hydrogen storage efficiency decreases, that is, the storage amount of the constituent made of the core-shell type nanostructure 1 increases. The volume% of hydrogen taken up may be low.

【0024】水素吸蔵物質6は、可逆的に水素を吸蔵出
来る物質であればいずれでもよい。好ましくは、水素化
物を生成出来る金属又は合金が使用される。好適な金属
の例には、Li、Na、Mg、Al、Ti、V、Nb、
Ga、In、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、P
b、Mo、Sn、B、C、Ir、Hr、Ru、Pt、S
e、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、又はGdが挙
げられる。好ましい金属は、Li、Mg、Al、Ca、
Zr及びNiである。好適な合金の例には、次が挙げら
れる;即ち、NiとLa;MgとNi;MgとCe;C
aとNi;NaとAl;NiとCe;更にはTiとFe
とC。室温で1気圧で測定した時に、優れた水素吸蔵能
力を有する物質を使用することが好ましい。スリット状
ポア型カーボンナノファイバー2の水素吸蔵能力よりも
優れた能力を有する物質を使用することが更に好まし
い。即ち、重要な水素吸蔵媒体としては、前記カーボン
ナノファイバー2よりもむしろ水素吸蔵物質6を使用す
ることが好ましい。
The hydrogen storage substance 6 may be any substance as long as it can store hydrogen reversibly. Preferably, a metal or alloy capable of forming a hydride is used. Examples of suitable metals include Li, Na, Mg, Al, Ti, V, Nb,
Ga, In, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, P
b, Mo, Sn, B, C, Ir, Hr, Ru, Pt, S
Examples thereof include e, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, and Gd. Preferred metals are Li, Mg, Al, Ca,
Zr and Ni. Examples of suitable alloys include: Ni and La; Mg and Ni; Mg and Ce; C.
a and Ni; Na and Al; Ni and Ce; and Ti and Fe
And C. It is preferable to use a substance having an excellent hydrogen storage capacity when measured at room temperature and 1 atm. It is more preferable to use a substance having a capacity superior to the hydrogen storage capacity of the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2. That is, it is preferable to use the hydrogen storage substance 6 rather than the carbon nanofibers 2 as the important hydrogen storage medium.

【0025】図1及び3に示すように、水素吸蔵物質6
は、スリット状ポア型カーボンナノファイバー2の中央
穴部に配置されている。加えて、水素吸蔵物質6は、ス
リット状ポア型カーボンナノファイバー2の中央穴部の
中を両端まで連続状に配置されてもよく、或いは図1に
示すように、空隙10によって分離して分けて配置され
てもよい。しかしながら、水素吸蔵物質が水素を吸収す
るにつれてこの物質は膨張するので、コア・シェル型ナ
ノ構造体1の中には少なくとも或る程度の空隙10が含
まれるのが好ましい。従って、もし空隙がなければ水素
吸蔵物質6が水素を吸収するにつれてこの物質6はスリ
ット状ポア型カーボンナノファイバー2を破損し易くな
る。更に、これらの空隙は水素を吸蔵することが出来
る。
As shown in FIGS. 1 and 3, the hydrogen storage material 6
Are arranged in the central hole of the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2. In addition, the hydrogen storage material 6 may be continuously arranged in the central hole of the slit-shaped carbon nanofibers 2 up to both ends, or as shown in FIG. May be arranged. However, since this material expands as the hydrogen storage material absorbs hydrogen, it is preferable that the core-shell type nanostructure 1 contains at least some voids 10. Therefore, if there are no voids, this substance 6 becomes more likely to damage the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2 as the hydrogen storage substance 6 absorbs hydrogen. Furthermore, these voids can store hydrogen.

【0026】更に、水素吸蔵物質6は非晶質から結晶質
までの範囲の構造を有することが出来るが、ナノファイ
バー2の内部に含まれる時は、結晶構造はナノメートル
サイズで最も安定なので結晶構造が好ましい。更に、結
晶構造体は、中を通過する水素の移動に関して更に優れ
た運動力学に寄与する。
Further, the hydrogen storage material 6 can have a structure ranging from amorphous to crystalline, but when it is contained inside the nanofibers 2, the crystal structure is the most stable in nanometer size, so that it is crystalline. The structure is preferred. Furthermore, the crystalline structure contributes to a better kinematics with regard to the movement of hydrogen through it.

【0027】更に、コア・シェル型ナノ構造体の中の水
素吸蔵物質6の量は、10ないし90容量%である。コ
ア・シェル型ナノ構造体の中の水素吸蔵物質6の量は、
30ないし70容量%であるのが好ましい。水素吸蔵物
質6の量は、水素吸蔵能力、中央穴部の内部の水素吸蔵
物質6を通過する水素の移動の動力学、スリット状ポア
型カーボンナノファイバー2の中で安定性を維持するの
に充分な強度ばかりでなく、作製の際のしやすさと効率
を含めて−カーボンナノファイバー2の中央穴部の面積
の場合の検討事項と同じ様に−種々の検討事項とのバラ
ンスに依る。
Further, the amount of the hydrogen storage material 6 in the core-shell type nanostructure is 10 to 90% by volume. The amount of hydrogen storage substance 6 in the core-shell type nanostructure is
It is preferably 30 to 70% by volume. The amount of the hydrogen storage material 6 depends on the hydrogen storage capacity, the kinetics of movement of hydrogen through the hydrogen storage material 6 inside the central hole, and the stability in the slit-shaped pore-shaped carbon nanofibers 2. Not only sufficient strength but also easiness and efficiency in production-as in the case of the area of the central hole of the carbon nanofiber 2-depends on the balance with various considerations.

【0028】本発明のコア・シェル型ナノ構造体1は、
アーク放電方法を使用することによるか、或いは、例え
ば高温アーク化学気相成長(CVD)方法によって合成
することが出来る。どちらの方法でも、H.Huang
等の発明の名称“Arc Electrodes for
Synthesis of Carbon Nanost
ructures”の出願中の(pending)日本
国特許第2000−375044号(以後は日本国特許
出願第’044号と呼ぶ)−引用文献によって全開示内
容が本明細書に組み入れられている−に開示されている
装置を使用することが出来る。後記の考察では、理解を
簡潔にするために、ただ1個のカーボン含有電極をボウ
ル型グラファイト電極と一緒に使用している。しかしな
がら、日本国特許出願第’044号に記載されているよ
うに、2個以上のそのようなカーボン含有電極を使用す
ることは出来るし、またそれが好ましい。更に、本発明
のコア・シェル型ナノ構造体を作製するためのアーク放
電及びアークCVD方法を実施するパラメータは、日本
国特許出願第’044号に記載されているのと同じSW
NTの作製方法で使用されるパラメータと似ている。し
かしながら、所望のカーボン構造体の収集位置が異な
る。即ち、本発明のコア・シェル型ナノ構造体は、ボウ
ル型グラファイト電極上にあるが、一方、日本国特許出
願第’044号のSWNTは煤の中にある。
The core-shell type nanostructure 1 of the present invention is
It can be synthesized by using an arc discharge method or by, for example, a high temperature arc chemical vapor deposition (CVD) method. With either method, H.264. Huang
The name of the invention such as "Arc Electrodes for
Synthesis of Carbon Nanost
disclosed in Japanese Patent No. 2000-375044 (hereinafter referred to as Japanese Patent Application No. '044), the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. In the discussion below, only one carbon-containing electrode is used with a bowl-shaped graphite electrode for simplicity of understanding. It is possible and preferred to use more than one such carbon-containing electrode as described in '044. In addition, the core-shell nanostructures of the present invention are made. The parameters for performing the arc discharge and arc CVD method for the same SW as described in Japanese patent application '044.
It is similar to the parameters used in the NT fabrication method. However, the collection position of the desired carbon structure is different. That is, the core-shell nanostructure of the present invention is on a bowl-shaped graphite electrode, while the SWNTs of Japanese patent application '044 are in soot.

【0029】先ず、Rodriguez方法を説明する
が、この方法では、カソード、アノード及び金属又は合
金のような触媒を使用する。
First, the Rodriguez method will be described, which uses a cathode, an anode and a catalyst such as a metal or alloy.

【0030】概略的には、日本国特許出願第’044号
に開示され、図6に簡単に開示されているように、アー
ク放電方法の装置は、ボウル型グラファイトカソード2
6、及びカーボン含有アノード20を使用することが出
来る。日本国特許出願第’044号に記載されている方
法に加えて、加熱コイル28が前記カソード26を取り
囲むことが出来る。図7を参照されたい。実験室規模の
装置の非限定的例としては、ボウル型カソード26の直
径は5cmないし30cmが可能であり、一方、アノー
ド20の断面積は、0.1ないし100cm、好まし
くは0.3ないし3cmが可能である。充分な電流密
度が得られる限り、大量の所望のコア・シェル型ナノ構
造体を作製するためにこの装置をスケールアップするこ
とが出来る。アノード20の断面が大き過ぎると、その
時はアーク放電を実施するのに充分な電流密度が得られ
ないことがある、及び/又はアノード20の消費が遅く
て不利となる。
Generally, as disclosed in Japanese Patent Application No. '044 and briefly disclosed in FIG. 6, the apparatus of the arc discharge method comprises a bowl-shaped graphite cathode 2
6, and carbon-containing anode 20 can be used. In addition to the method described in Japanese patent application '044, a heating coil 28 may surround the cathode 26. See FIG. 7. As a non-limiting example of a laboratory scale device, the bowl cathode 26 may have a diameter of 5 cm to 30 cm, while the anode 20 has a cross-sectional area of 0.1 to 100 cm 2 , preferably 0.3 to. 3 cm 2 is possible. The device can be scaled up to produce large numbers of desired core-shell nanostructures, as long as sufficient current density is obtained. If the cross section of the anode 20 is too large, then the current density may not be sufficient to carry out an arc discharge, and / or the consumption of the anode 20 is slow, which is disadvantageous.

【0031】アノードでも触媒でもカーボンを含む物質
の10ないし90重量%の量で触媒が存在する。好まし
くは、触媒は、アノードでも触媒でもカーボンを含む物
質の30ないし70重量%の範囲である。更に、この触
媒は、コア・シェル型ナノ構造体1に含まれるのが望ま
しい水素吸蔵物質6と同じ組成を有する。触媒がアノー
ド20に含まれて触媒含量が大き過ぎると、この触媒は
溶融してアノード20から流出する。従って、別の方法
として、ボウル型グラファイトカソード26の中に配置
された穴24の中に触媒を入れて純粋なカーボンアノー
ド20を使用出来る。更に、触媒含量は、作製されたス
リット状ポア型カーボンナノファイバー2の中に含まれ
る水素吸蔵物質6の量に影響を及ぼす。即ち、出発物質
の中の触媒含量が高ければ高いほど、スリット状ポア型
カーボンナノファイバー2の中の水素吸蔵物質6の濃度
は高くなり、そして空隙の数は少なくなる。
Both the anode and the catalyst are present in an amount of 10 to 90% by weight of the carbon containing material. Preferably, the catalyst is in the range of 30 to 70% by weight of the carbon containing material, both anode and catalyst. Furthermore, this catalyst has the same composition as the hydrogen storage material 6 that is preferably contained in the core-shell type nanostructure 1. If the catalyst is included in the anode 20 and the catalyst content is too high, the catalyst melts and flows out from the anode 20. Therefore, as an alternative, a pure carbon anode 20 can be used with the catalyst in holes 24 located in a bowl-shaped graphite cathode 26. Further, the catalyst content affects the amount of the hydrogen storage substance 6 contained in the produced slit-shaped pore type carbon nanofiber 2. That is, the higher the catalyst content in the starting material, the higher the concentration of the hydrogen storage material 6 in the slit-shaped pore type carbon nanofiber 2 and the smaller the number of voids.

【0032】前記の装置を使ってアーク放電を行なう
と、カソード上にはコア・シェル型ナノ構造体1が生成
する。
When arc discharge is performed using the above-mentioned device, the core-shell type nanostructure 1 is formed on the cathode.

【0033】次いで、アークCVD方法を説明する。こ
こでも、日本国特許出願第’044号に開示され、図8
に簡略に示しているように、アークCVD方法の装置
は、ボウル型グラファイトアノード30、カーボン含有
カソード36を含む。アノード30は、アノードを貫通
する中央穴部32、及びアノードの表面に複数の穴34
を含む。コア・シェル型ナノ構造体1の内部に入れる所
望の水素吸蔵物質6と同じ組成の触媒は、アノード表面
の複数の穴34に配置される。或いはまた、これに加え
て、触媒は、有機ガスと一緒にアークプラズマ領域に導
入されてもよい、及び/又はカーボン含有カソード36
に含まれてもよい。また、加熱機構28をボウル型グラ
ファイトアノード30に使用してもよい。カソード36
は、純粋なカーボンロッドでもよい。又はそのロッドの
中に触媒を含ませてもよい。分解される有機ガスは、中
央穴部32を通り、アノード30とカソード36との間
でアーク放電によって発生されるアークプラズマ領域に
導入されることによりコア・シェル型ナノ構造体1が生
成する。ボウル型グラファイトアノード30の温度は、
200ないし2000℃の範囲にあり、そして600な
いし1600℃の範囲にあるのが好ましい。アノードの
温度が低く過ぎると、コア・シェル型ナノ構造体1は不
満足な収量となる。或いはまた、この温度が高過ぎる
と、そのような温度に達することも維持することも難し
い。アークプラズマ領域に導入される有機ガスは、分子
中に1ないし6個の炭素原子を含むガスである。好まし
くは、分解されるガスには、CO、CH、CHCH
等が挙げられる。分子当たり7個以上の炭素原子があ
ると、充分な速度でガスを導入することは難しい。この
ガスは、1ないし100mm/秒の範囲の速度でアーク
プラズマ領域に導入されるのが好ましい。この速度が低
すぎると、コア・シェル型ナノファイバーを成長させる
にはカーボン及び触媒源が不充分となる。もう一方で、
ガスの流量が多すぎるとアークプラズマ領域の温度が下
がって、生成物の収量が低くなる。
Next, the arc CVD method will be described. Again, as disclosed in Japanese patent application '044, FIG.
As schematically shown in FIG. 1, the apparatus of the arc CVD method includes a bowl-shaped graphite anode 30 and a carbon-containing cathode 36. The anode 30 has a central hole 32 extending through the anode and a plurality of holes 34 on the surface of the anode.
including. A catalyst having the same composition as the desired hydrogen storage substance 6 to be placed inside the core-shell type nanostructure 1 is arranged in the plurality of holes 34 on the surface of the anode. Alternatively or additionally, the catalyst may be introduced into the arc plasma region with organic gas and / or the carbon-containing cathode 36.
May be included in. Further, the heating mechanism 28 may be used for the bowl type graphite anode 30. Cathode 36
May be a pure carbon rod. Alternatively, a catalyst may be included in the rod. The decomposed organic gas passes through the central hole 32 and is introduced into the arc plasma region generated by the arc discharge between the anode 30 and the cathode 36, whereby the core-shell type nanostructure 1 is generated. The temperature of the bowl type graphite anode 30 is
It is in the range 200 to 2000 ° C., and preferably in the range 600 to 1600 ° C. If the temperature of the anode is too low, the core-shell nanostructure 1 will have an unsatisfactory yield. Alternatively, if this temperature is too high, it is difficult to reach or maintain such temperature. The organic gas introduced into the arc plasma region is a gas containing 1 to 6 carbon atoms in the molecule. Preferably, the gas to be decomposed is CO, CH 4 , CH 2 CH
2 and the like. If there are 7 or more carbon atoms per molecule, it is difficult to introduce the gas at a sufficient rate. This gas is preferably introduced into the arc plasma region at a rate in the range of 1 to 100 mm / sec. If this rate is too low, there will be insufficient carbon and catalyst source to grow the core-shell nanofibers. On the other hand,
If the gas flow rate is too high, the temperature in the arc plasma region will drop, resulting in a low product yield.

【0034】[0034]

【発明の効果】f.発明の長所 本発明は、経済的で、安全な、軽量で、しかも簡潔な方
法で水素吸蔵を発現出来るコア・シェル型ナノ構造体1
を提供する。加えて、水素はスリット状ポア型カーボン
ナノファイバー2自体の中ばかりでなく、そのカーボン
ナノファイバー2の内部に含まれる水素吸蔵物質6の中
にも吸蔵されるので、このコア・シェル型ナノ構造体1
の水素吸蔵能力は増大する。更に、水素吸蔵物質6はナ
ノメートルサイズの粒子で存在して前記カーボンナノフ
ァイバー2によって酸化が防がれるので、水素吸着/脱
着の動力学が改善される。
EFFECT OF THE INVENTION f. Advantages of the Invention The present invention provides a core-shell type nanostructure 1 that is economical, safe, lightweight, and capable of expressing hydrogen absorption in a simple method.
I will provide a. In addition, hydrogen is occluded not only in the slit-shaped carbon nanofibers 2 themselves, but also in the hydrogen occluding substance 6 contained inside the carbon nanofibers 2. Body 1
Hydrogen storage capacity is increased. Furthermore, the hydrogen storage material 6 is present as nanometer-sized particles and is prevented from being oxidized by the carbon nanofibers 2, so that the kinetics of hydrogen adsorption / desorption are improved.

【0035】特許請求の範囲で定義される本発明の精神
及び範囲を逸脱することなく、本発明によるコア・シェ
ル型ナノ構造体及びその製造方法に対しては多くの修正
が可能であると考えられる。
It is believed that many modifications can be made to the core-shell nanostructures and methods of making the same according to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the claims. To be

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

【図1】本発明による、コア・シェル型ナノ構造体−ス
リット状ポア型ナノファイバー及びその中には水素吸蔵
物質を含む−の縦断面略図である。
FIG. 1 is a schematic vertical cross-sectional view of a core-shell type nanostructure according to the present invention-a slit-shaped pore type nanofiber and a hydrogen storage substance therein.

【図2】図1に示すコア・シェル型ナノ構造体を線II
−II沿って切った断面略図である。
FIG. 2 shows the core-shell type nanostructure shown in FIG.
-II is a schematic cross-sectional view taken along line II.

【図3】図1に示すコア・シェル型ナノ構造体を線II
I−IIIに沿って切った断面略図である。
FIG. 3 shows the core-shell type nanostructure shown in FIG.
3 is a schematic cross-sectional view taken along line I-III.

【図4】図1に示すスリット状ポア型ナノファイバーの
1個のグラファイト面の拡大斜視略図である。
4 is an enlarged perspective schematic view of one graphite surface of the slit-shaped pore type nanofiber shown in FIG. 1. FIG.

【図5A及びB】本発明によるコア・シェル型ナノ構造
体の高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)写真であり、
図5Bは図5Aを拡大したものである。
5A and 5B are high-resolution transmission electron microscope (TEM) photographs of core / shell nanostructures according to the present invention,
FIG. 5B is an enlarged view of FIG. 5A.

【図6】本発明のコア・シェル型ナノ構造体を作製する
ためのアーク放電装置の略図である。
FIG. 6 is a schematic diagram of an arc discharge device for producing the core-shell type nanostructure of the present invention.

【図7】本発明のコア・シェル型ナノ構造体を作製する
ためのもう1つのアーク放電装置の略図である。
FIG. 7 is a schematic view of another arc discharge device for producing the core-shell type nanostructure of the present invention.

【図8】本発明のコア・シェル型ナノ構造体を作製する
ためのアークCVD装置の略図である。
FIG. 8 is a schematic diagram of an arc CVD apparatus for producing the core-shell type nanostructure of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 コア・シェル型ナノ構造体 2 スリット状ポア型カーボンナノファイバー 4 グラファイト面 6 水素吸蔵物質 8 酸化層 10 空隙 12 スリット状ポア型カーボンナノファイバーの格子
間隔、又はグラファイト面間距離 20 カーボン含有アノード 24 カソード26の表面の穴 26 ボウル型グラファイトカソード 28 加熱機構 30 ボウル型グラファイトアノード 32 中央部の貫通孔 34 アノード30の表面の穴 36 カーボン含有カソード
1 core-shell type nanostructure 2 slit-shaped pore type carbon nanofiber 4 graphite surface 6 hydrogen storage material 8 oxide layer 10 voids 12 slit-shaped pore type carbon nanofiber lattice spacing or graphite surface distance 20 carbon-containing anode 24 Hole 26 on Surface of Cathode 26 Bowl-type Graphite Cathode 28 Heating Mechanism 30 Bowl-type Graphite Anode 32 Through Hole in Central Part 34 Hole on Surface of Anode 30 36 Carbon-Containing Cathode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) D01F 9/127 D01F 9/127 (72)発明者 筒井 栄光 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 4G040 AA31 AA34 AA36 4G046 CA01 CC03 CC06 CC08 4G066 AA02B AA04B AB01A BA20 BA31 BA38 CA38 FA21 FA34 FA37 FA40 4L037 CS04 CS05 FA04 FA05 PA06 UA04 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) D01F 9/127 D01F 9/127 (72) Inventor Eikotsu Tsutsui 6-735 Kitashinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo F term in Sony Corporation (reference) 4G040 AA31 AA34 AA36 4G046 CA01 CC03 CC06 CC08 4G066 AA02B AA04B AB01A BA20 BA31 BA38 CA38 FA21 FA34 FA37 FA40 4L037 CS04 CS05 FA04 FA05 PA06 UA04

Claims (38)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素吸蔵用構成物において:中央穴部の
周りに互いに平行にグラファイト面が配置され、前記グ
ラファイト面の間に水素が吸蔵されるスリット状ポア型
(slit−pore)カーボンナノファイバー;及び
前記中央穴部の中に配置される水素吸蔵物質であって、
前記水素吸蔵物質は前記構成物の10ないし90容量%
であること、から成ることを特徴とする前記構成物。
1. A hydrogen-storing composition: slit-like carbon nanofibers in which graphite surfaces are arranged in parallel to each other around a central hole and hydrogen is occluded between the graphite surfaces. And a hydrogen storage material disposed in the central hole,
The hydrogen storage material is 10 to 90% by volume of the constituent.
The above-mentioned composition comprising:
【請求項2】 前記水素吸蔵物質が、前記構成物の30
ないし70容量%であることを特徴とする、請求項1に
記載の構成物。
2. The hydrogen storage material is 30 of the constituent.
A composition according to claim 1, characterized in that it is between 70 and 70% by volume.
【請求項3】 前記スリット状ポア型カーボンナノファ
イバーが円筒形状を有することを特徴とする、請求項1
に記載の構成物。
3. The slit-shaped pore type carbon nanofiber has a cylindrical shape.
The composition described in.
【請求項4】 前記グラファイト面の各々が錐台として
成形されることを特徴とする、請求項3に記載の構成
物。
4. Composition according to claim 3, characterized in that each of the graphite faces is shaped as a frustum.
【請求項5】 前記スリット状ポア型カーボンナノファ
イバーが1ないし100%の結晶性を有することを特徴
とする、請求項1に記載の構成物。
5. The composition according to claim 1, wherein the slit-shaped pore type carbon nanofiber has a crystallinity of 1 to 100%.
【請求項6】 前記スリット状ポア型カーボンナノファ
イバーが、25nmないし250,000nmの断
面積の範囲内にあり、前記中央穴部が1nmないし1
00,000nmの断面積を有することを特徴とす
る、請求項1に記載の構成物。
Wherein said slit-like pore type carbon nanofiber, to 25 nm 2 not in the range of the cross-sectional area of 250,000Nm 2, to the central hole portion is 1 nm 2 no 1
Composition according to claim 1, characterized in that it has a cross-sectional area of 0,000 nm 2 .
【請求項7】 前記スリット状ポア型カーボンナノファ
イバーが100nmないし10,000nmの断面
積の範囲内にあり、前記中央穴部が10nmないし
8,000nmの断面積を有することを特徴とする、
請求項1に記載の構成物。
7. to the slit-shaped pore type carbon nanofibers 100 nm 2 not in the range of the cross-sectional area of 10,000nm 2, characterized in that said central bore portion having a cross-sectional area of 8,000 nm 2 to 10 nm 2 free And
The composition according to claim 1.
【請求項8】 前記スリット状ポア型カーボンナノファ
イバーが、100nmないし100μmの長さを有する
ことを特徴とする、請求項1に記載の構成物。
8. The composition according to claim 1, wherein the slit-shaped pore type carbon nanofiber has a length of 100 nm to 100 μm.
【請求項9】 前記水素吸蔵物質が、前記中央穴部の中
に空隙により分離された複数の部分に配置されることを
特徴とする、請求項1に記載の構成物。
9. The composition according to claim 1, wherein the hydrogen storage material is arranged in a plurality of parts separated by a void in the central hole.
【請求項10】 前記水素吸蔵物質が、前記中央穴部の
中に連続して配置されることを特徴とする、請求項1に
記載の構成物。
10. The composition according to claim 1, wherein the hydrogen storage material is continuously arranged in the central hole portion.
【請求項11】 前記水素吸蔵物質には、Li、Ni、
Mg、Al、Ti、V、Nb、Ga、In、Fe、C
o、Ni、Cu、Zn、Ge、Pb、Mo、Sn、B、
C、Ir、Rh、Ru、Pt、Se、Sc、Y、La、
Ce、Pr、Nd、又はGdが挙げられることを特徴と
する、請求項1に記載の構成物。
11. The hydrogen storage material includes Li, Ni,
Mg, Al, Ti, V, Nb, Ga, In, Fe, C
o, Ni, Cu, Zn, Ge, Pb, Mo, Sn, B,
C, Ir, Rh, Ru, Pt, Se, Sc, Y, La,
2. Composition according to claim 1, characterized in that Ce, Pr, Nd or Gd is mentioned.
【請求項12】 前記水素吸蔵物質には、Mi−La、
Mg−Ni、Mg−Ce、Ca−Ni、Na−Al、N
i−Ce、又はTi−Fe−Cが挙げられることを特徴
とする、請求項1に記載の構成物。
12. The hydrogen storage material includes Mi-La,
Mg-Ni, Mg-Ce, Ca-Ni, Na-Al, N
Composition according to claim 1, characterized in that i-Ce or Ti-Fe-C is mentioned.
【請求項13】 前記グラファイト面の隣接するグラフ
ァイト面が約0.35nmの距離で配置されることを特
徴とする、請求項1に記載の構成物。
13. The composition of claim 1, wherein adjacent graphite faces of the graphite face are arranged at a distance of about 0.35 nm.
【請求項14】 前記水素吸蔵物質が、容量%で測定し
て、前記グラファイト面の水素吸蔵能力より優れた水素
吸蔵能力を有することを特徴とする、請求項1に記載の
構成物。
14. The composition of claim 1, wherein the hydrogen storage material has a hydrogen storage capacity, measured in% by volume, that is superior to the hydrogen storage capacity of the graphite surface.
【請求項15】 水素吸蔵用構成物において:中央穴部
の周りに互いに平行にグラファイト面が配置され、前記
グラファイト面の間に水素が吸蔵されるスリット状ポア
型カーボンナノファイバー;及び前記中央穴部の中に配
置される水素吸蔵物質であって、前記水素吸蔵物質は、
容量%で測定して、前記グラファイト面の水素吸蔵能力
より優れた水素吸蔵能力を有すること、から成ることを
特徴とする前記構成物。
15. In the hydrogen-absorbing composition: slit-shaped pore type carbon nanofibers in which graphite surfaces are arranged in parallel with each other around a central hole portion and hydrogen is absorbed between the graphite surfaces; and the central hole. A hydrogen storage material disposed in the part, wherein the hydrogen storage material is
Having a hydrogen storage capacity, measured in% by volume, superior to that of the graphite surface.
【請求項16】 前記水素吸蔵物質が、前記構成物の1
0ないし90容量%であることを特徴とする、請求項1
5に記載の構成物。
16. The hydrogen storage material is one of the constituents.
2. The content of 0 to 90% by volume.
The composition according to item 5.
【請求項17】 前記スリット状ポア型カーボンナノフ
ァイバーが円筒形状を有することを特徴とする、請求項
15に記載の構成物。
17. The composition according to claim 15, wherein the slit-shaped pore type carbon nanofiber has a cylindrical shape.
【請求項18】 前記グラファイト面の各々が錐台とし
て成形されることを特徴とする、請求項17に記載の構
成物。
18. The composition of claim 17, wherein each of the graphite surfaces is shaped as a frustum.
【請求項19】 前記スリット状ポア型カーボンナノフ
ァイバーが1ないし100%の結晶性を有することを特
徴とする、請求項15に記載の構成物。
19. The composition according to claim 15, wherein the slit-shaped pore type carbon nanofiber has a crystallinity of 1 to 100%.
【請求項20】 前記スリット状ポア型カーボンナノフ
ァイバーが、25nm ないし250,000nm
断面積の範囲内にあり、前記中央穴部が1nm ないし
100,000nmの断面積を有することを特徴とす
る、請求項15に記載の構成物。
20. The slit-shaped pore type carbon nanofoil
Fiber is 25nm TwoTo 250,000 nmTwoof
Within the range of cross-sectional area, the central hole is 1 nm TwoNo
100,000 nmTwoCharacterized by having a cross-sectional area of
16. The composition of claim 15, which is:
【請求項21】 前記スリット状ポア型カーボンナノフ
ァイバーが、100nmないし10,000nm
断面積の範囲内にあり、前記中央穴部が10nmない
し8,000nmの断面積を有することを特徴とす
る、請求項15に記載の構成物。
21. The slit-shaped pore type carbon nanofiber, to 100 nm 2 not in the range of the cross-sectional area of 10,000nm 2, said central bore portion having a cross-sectional area of 8,000 nm 2 to 10 nm 2 free Composition according to claim 15, characterized.
【請求項22】 前記スリット状ポア型カーボンナノフ
ァイバーが、100nmないし100μmの長さを有す
ることを特徴とする、請求項15に記載の構成物。
22. The composition according to claim 15, wherein the slit-shaped pore type carbon nanofiber has a length of 100 nm to 100 μm.
【請求項23】 前記水素吸蔵物質が、前記中央穴部の
中に空隙により分離された複数の部分に配置されること
を特徴とする、請求項15に記載の構成物。
23. The composition of claim 15, wherein the hydrogen storage material is disposed in the central hole in a plurality of portions separated by voids.
【請求項24】 前記水素吸蔵物質が、前記中央穴部の
中に連続して配置されることを特徴とする、請求項15
に記載の構成物。
24. The hydrogen storage material is continuously arranged in the central hole.
The composition described in.
【請求項25】 前記水素吸蔵物質には、Li、Ni、
Mg、Al、Ti、V、Nb、Ga、In、Fe、C
o、Ni、Cu、Zn、Ge、Pb、Mo、Sn、B、
C、Ir、Rh、Ru、Pt、Se、Sc、Y、La、
Ce、Pr、Nd、又はGdが挙げられることを特徴と
する、請求項15に記載の構成物。
25. The hydrogen storage material includes Li, Ni,
Mg, Al, Ti, V, Nb, Ga, In, Fe, C
o, Ni, Cu, Zn, Ge, Pb, Mo, Sn, B,
C, Ir, Rh, Ru, Pt, Se, Sc, Y, La,
16. Composition according to claim 15, characterized in that Ce, Pr, Nd or Gd is mentioned.
【請求項26】 前記水素吸蔵物質には、Mi−La、
Mg−Ni、Mg−Ce、Ca−Ni、Na−Al、N
i−Ce、又はTi−Fe−Cが挙げられることを特徴
とする、請求項15に記載の構成物。
26. The hydrogen storage material includes Mi-La,
Mg-Ni, Mg-Ce, Ca-Ni, Na-Al, N
Composition according to claim 15, characterized in that i-Ce or Ti-Fe-C is mentioned.
【請求項27】 前記グラファイト面の隣接するグラフ
ァイト面が約0.35nmの距離で配置されることを特
徴とする、請求項15に記載の構成物。
27. The composition of claim 15, wherein the graphite faces adjacent to the graphite face are arranged at a distance of about 0.35 nm.
【請求項28】 ボウル型(bowl−shaped)
グラファイトカソード、カーボン含有電極、及び触媒を
提供することであって、前記触媒には、Li、Ni、M
g、Al、Ti、V、Nb、Ga、In、Fe、Co、
Ni、Cu、Zn、Ge、Pb、Mo、Sn、B、C、
Ir、Rh、Ru、Pt、Se、Sc、Y、La、C
e、Pr、Nd、Gd、Mi−La、Mg−Ni、Mg
−Ce、Ca−Ni、Na−Al、Ni−Ce、又はT
i−Fe−Cが挙げられること;前記触媒が、前記アノ
ードの中及び前記触媒の中のカーボンを含む物質の量の
10ないし90重量%の量で存在すること;並びに前記
触媒の存在で、前記カソードと前記アノードとの間でア
ーク放電を発生することにより前記カソード上でコア・
シェル型(core−shell)ナノ構造体を生成す
ること、から成ることを特徴とするコア・シェル型ナノ
構造体の製造方法。
28. Bowl-shaped
A graphite cathode, a carbon-containing electrode, and a catalyst, wherein the catalyst comprises Li, Ni, M
g, Al, Ti, V, Nb, Ga, In, Fe, Co,
Ni, Cu, Zn, Ge, Pb, Mo, Sn, B, C,
Ir, Rh, Ru, Pt, Se, Sc, Y, La, C
e, Pr, Nd, Gd, Mi-La, Mg-Ni, Mg
-Ce, Ca-Ni, Na-Al, Ni-Ce, or T
i-Fe-C; the catalyst is present in an amount of 10 to 90% by weight of the amount of carbon-containing material in the anode and in the catalyst; and in the presence of the catalyst, A core is formed on the cathode by generating an arc discharge between the cathode and the anode.
A method for producing a core-shell type nanostructure, comprising: producing a shell-type nanostructure.
【請求項29】 前記提供段階が、表面上に複数の穴を
有するボウル型グラファイトカソードを提供することを
含むこと、及び更に前記触媒が前記複数の穴の内部に配
置されることを特徴とする、請求項28に記載の方法。
29. The providing step comprises providing a bowl-shaped graphite cathode having a plurality of holes on a surface, and further wherein the catalyst is disposed within the plurality of holes. 29. The method of claim 28.
【請求項30】 前記提供段階が、前記触媒で充填され
たカーボンアノードを提供することを含むことを特徴と
する、請求項28に記載の方法。
30. The method of claim 28, wherein the providing step comprises providing a carbon anode filled with the catalyst.
【請求項31】 前記提供段階が、前記アノードの中及
び前記触媒の中のカーボンを含む物質の量の30ないし
70重量%の量で触媒を提供することを含むことを特徴
とする、請求項28−30のいずれかの1項に記載の方
法。
31. The method of claim 31, wherein the providing step comprises providing the catalyst in an amount of 30 to 70% by weight of the amount of the carbon-containing substance in the anode and in the catalyst. 28. The method according to any one of 28-30.
【請求項32】 更に、前記カソードを加熱機構で加熱
する段階から成ることを特徴とする、請求項28に記載
の方法。
32. The method of claim 28, further comprising heating the cathode with a heating mechanism.
【請求項33】 ボウル型グラファイトカソード、カー
ボン含有電極、原料ガス(source gas)、及
び触媒を提供することであって、前記触媒には、Li、
Ni、Mg、Al、Ti、V、Nb、Ga、In、F
e、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Pb、Mo、S
n、B、C、Ir、Rh、Ru、Pt、Se、Sc、
Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Mi−La、Mg
−Ni、Mg−Ce、Ca−Ni、Na−Al、Ni−
Ce、又はTi−Fe−Cが挙げられること;並びに前
記原料ガス及び前記触媒の存在で、前記カソードと前記
アノードとの間でアーク放電を発生することにより前記
カソード上でコア・シェル型ナノ構造体を生成するこ
と、から成ることを特徴とするコア・シェル型ナノ構造
体の製造方法。
33. A bowl-shaped graphite cathode, a carbon-containing electrode, a source gas, and a catalyst, wherein the catalyst is Li,
Ni, Mg, Al, Ti, V, Nb, Ga, In, F
e, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pb, Mo, S
n, B, C, Ir, Rh, Ru, Pt, Se, Sc,
Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Mi-La, Mg
-Ni, Mg-Ce, Ca-Ni, Na-Al, Ni-
Ce, or Ti-Fe-C; and core-shell nanostructures on the cathode by generating an arc discharge between the cathode and the anode in the presence of the source gas and the catalyst. A method for producing a core-shell type nanostructure, which comprises producing a body.
【請求項34】 前記提供段階が、前記アノードの中の
1個の貫通穴部を提供すること、及び更に、前記原料ガ
スを前記貫通穴部から、前記アーク放電によって発生す
るアークプラズマ範囲に導入する段階から成ることを含
むことを特徴とする、請求項33に記載の方法。
34. The providing step provides one through hole in the anode, and further introduces the source gas from the through hole into an arc plasma range generated by the arc discharge. 34. The method of claim 33, comprising the step of:
【請求項35】 前記アノードの温度が、200ないし
2000℃の範囲になるようにアーク放電を発生する前
記段階を実施することを特徴とする、請求項33に記載
の方法。
35. The method according to claim 33, wherein the step of generating an arc discharge is carried out such that the temperature of the anode is in the range of 200 to 2000 ° C.
【請求項36】 前記アノードの温度が、600ないし
1600℃の範囲になるようにアーク放電を発生する前
記段階を実施することを特徴とする、請求項33に記載
の方法。
36. The method of claim 33, wherein the step of generating an arc discharge is carried out such that the temperature of the anode is in the range of 600 to 1600 ° C.
【請求項37】 前記提供段階が、分子の中に1ないし
6個の炭素原子を有する原料ガスを提供することを含む
ことを特徴とする、請求項33に記載の方法。
37. The method of claim 33, wherein said providing step comprises providing a source gas having 1 to 6 carbon atoms in the molecule.
【請求項38】 前記提供段階が、前記原料ガスとして
CO、CH、又はCHCHを提供することを含む
ことを特徴とする、請求項37に記載の方法。
38. The method of claim 37, wherein the providing step comprises providing CO, CH 4 , or CH 2 CH 2 as the source gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2004261739A (en) * 2003-03-03 2004-09-24 Toyota Motor Corp Hydrogen occlusion composite material
JP2004360099A (en) * 2003-06-03 2004-12-24 Mitsubishi Chemicals Corp Carbonaceous microfiber body
JP2007527312A (en) * 2003-07-16 2007-09-27 シュトゥディエンゲゼルシャフト・コーレ・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング Reversible hydrogen storage material encapsulated in a porous matrix
CN100358624C (en) * 2003-12-19 2008-01-02 中国科学院金属研究所 Nano magnesium/graphite composite hydrogen storage material and its preparing process

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