JP2003095601A - 炭素材料への水素吸蔵方法 - Google Patents

炭素材料への水素吸蔵方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】炭素材料に対して水素を吸蔵させるための簡易
で実用性の高い方法を提供する。 【解決手段】パウダー状グラファイトナノファイバを、
約１０００℃のアニール温度で約１時間真空アニール処
理を行った後、純水に浸漬した状態にして、おおむね０
〜３０℃及び１気圧の常温常圧条件下で、超音波発生装
置により４２０ＫＨｚの超音波を３時間照射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭素材料への水素
吸蔵方法に関する。吸蔵などの方法により水素が容易に
得られれば、このような水素は、化石燃料を用いる場合
に発生が不可避なＣＯ2ガスやＣＯガスのゼロエミッシ
ョンを実現でき、クリーンエネルギーとして有望な燃料
電池に使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】従来、炭素材料への水素吸蔵方法とし
て、数１０〜数１００気圧の高圧の負荷状態にして炭素
材料に水素を吸蔵させる高圧法や、アルカリ金属を水素
のドープ剤として用いるアルカリ金属ドープ法が知られ
ている。アルカリ金属ドープ法では、水素をドーピング
したリチウム金属によりグラファイト層間を拡大し、こ
の層間に水素を吸蔵させて、グラファイト中に約２０重
量％の水素を吸蔵することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の高圧
法は、高温・高圧条件の実現のため大型で複雑な吸蔵装
置が必要となり、特に水素の大量生産の実現可能性とい
う点で実用的ではない。また、アルカリ金属ドープ法
は、これに用いるリチウムなどのアルカリ金属が高イオ
ン化傾向を有するなど反応性が高く、水素の吸蔵過程中
に確実に化学的安定性を保つことが難しい。さらに、こ
のようなドープ剤が必要であるためグラファイト単独に
よる吸蔵方法に比べ工程が複雑になり実用的でない。
【０００４】上記問題点に鑑み、本発明は、簡易で実用
性の高い方法により、炭素材料に対して水素を吸蔵させ
ることを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、炭素材料に超音波を照射することにより
炭素材料に水素を吸蔵させている。水中に超音波を照射
すると無数の気泡が生じて炭素材料の周囲が局所的に高
温・高圧環境となる。そして、このような環境下で励起
されてラジカル化した水素が生じ、炭素材料に対して吸
蔵され易くなるのである。
【０００６】この場合、照射に用いる超音波の周波数は
２０ｋＨｚ以上であることが望ましい。高周波数である
ほど水素の活性化が向上するのである。
【０００７】さらに、これらの場合、水素を吸蔵させる
炭素材料の形状は、焼結グラファイト棒、焼結グラファ
イト板、パウダー状カーボンナノチューブ、パウダー状
グラファイトナノファイバ、棒状グラファイトナノファ
イバまたは板状グラファイトナノファイバなどが好まし
い。特に、カーボンナノチューブは、炭素６員環を主構
造としたらせん構造で形成された内部が空洞の円筒形状
をもち、極めて微細な、同心円状に円筒が配置された多
重構造の黒鉛繊維から成り、近年生成機構が解明されつ
つあり、その生成を特定長さに制御すれば水素の吸蔵度
も制御し得るものである。また、グラファイトナノファ
イバは、グラフェンシートが小さな断片に切れて積層し
た中実であり、例えば、截頭円錐形状を有する結晶が積
層されてなる円柱状構造を有し、その中心に貫通空隙が
存在する構造である。
【０００８】また、上記のようにして炭素材料に吸蔵さ
れる水素を、水を起源として由来するものとすれば、炭
素材料に対する水素吸蔵を低コストで実現できるのでこ
のような方法は高い実用性が期待できる。
【０００９】また、さらに、上記の炭素材料に対する水
素吸蔵は、簡易な超音波照射により行われ、常温常圧条
件下の反応を実現することが可能である。なお、この常
温常圧条件とは、おおむね０〜３０℃及び１気圧のもの
とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】炭素材料を種々の形態で用意し、
純水中に浸漬させた状態で通常の超音波発生装置により
所定の周波数の超音波を一定時間照射する。
【００１１】この場合に用いる炭素材料は、焼結グラフ
ァイト棒、焼結グラファイト板、パウダー状カーボンナ
ノチューブ、パウダー状グラファイトナノファイバ、棒
状グラファイトナノファイバまたは板状グラファイトナ
ノファイバなどである。また、上記の炭素材料に対する
水素の吸蔵を顕著に得るために、照射する超音波の周波
数は２０ＫＨｚ以上であることが望ましい。
【００１２】超音波照射後の炭素材料への水素の吸蔵量
は、昇温脱離法（ＴＤＳ）、熱重量測定法（ＴＧ）、示
差熱分析（ＤＴＡ）、燃焼法などの方法による測定によ
り評価でき、これにより、下記［実施例］に示すよう
に、常温常圧条件下の超音波照射により種々の炭素材料
サンプルに一定量以上の水素を吸蔵していることがわか
る。
【００１３】
【実施例】［実施例１］パウダー状のグラファイトナノ
ファイバ（以下、ＧＮＦとも言う。）を約１０００℃の
アニール温度で約１時間真空アニール処理を行った後、
純水に浸漬した状態で、超音波発生装置により４２０Ｋ
Ｈｚの超音波を常温常圧条件下で３時間照射した。
【００１４】その後、このパウダー状ＧＮＦサンプルと
して５．１６８ｍｇを熱重量測定器（ＤＴＧ６０Ｈ）に
より、キャリアガスにアルゴンガスを用い、加熱速度１
０℃／ｍｉｎ、ホールド温度１０００℃条件で測定した
ところ、図１のグラフに示す測定結果が得られた。図外
の標準アルゴンガスと比較分析したところ、パウダー状
ＧＮＦサンプル中に水素が含まれていることが判明し
た。この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたもの
である。なお、図１のグラフでは、左縦軸は熱重量測定
値、右縦軸は示差熱分析値を示し、示差熱分析を併用し
た。
【００１５】また、上記のパウダー状ＧＮＦサンプルを
昇温脱離法により測定したところ、図２に示す測定結果
が得られた。図外の標準と比較分析したところ、パウダ
ー状ＧＮＦサンプル中に水素が含まれていることが判明
した。この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたも
のである。
【００１６】また、上記のパウダー状ＧＮＦサンプルと
して８ｍｇを燃焼法により測定したところ、図３に示す
測定結果が得られた。この水素は、上記の超音波照射時
に吸蔵されたものである。また図３の水素含有量の積分
値より上記サンプル中に水素が約２．６重量％含有され
ていることがわかる。
【００１７】［実施例２］焼結グラファイト板を純水に
浸漬した状態で、超音波発生装置により４２０ＫＨｚの
超音波を常温常圧条件下で３時間照射した。その後、こ
の焼結グラファイト板サンプルとして所定量を燃焼法に
より測定したところ下記［表１］に示す結果が得られ
た。
【００１８】
【表１】
【００１９】この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵さ
れたものである。
【００２０】［実施例３］グラファイトナノファイバ
（以下、ＧＮＦとも言う。）を純水に浸漬した状態で、
超音波発生装置により２０ＫＨｚの超音波を常温常圧条
件下で３時間照射した。その後、このＧＮＦサンプルと
して所定量を燃焼法により測定したところ下記［表２］
に示す結果が得られた。
【００２１】
【表２】
【００２２】この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵さ
れたものである。
【００２３】［実施例２］と［実施例３］とを比較する
と、照射する超音波の周波数が小さくてもＧＮＦ形状の
炭素材料の方が水素の吸蔵量が大きく、グラファイトナ
ノファイバが水素吸蔵材料として高い実用性を有してい
ることがわかる。
【００２４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
方法を用いて、常温常圧条件下で純水中に浸漬させた状
態のグラファイトナノファイバなどの炭素材料に超音波
を照射することにより、炭素材料のみを用いて簡便に水
素を吸蔵させることができる。大重量の炭素材料を用い
れば、この炭素材料に吸蔵される水素は一定量以上とな
り水素吸蔵法として実用的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱重量測定法によるパウダー状ＧＮＦサンプル
中の水素含有を示すグラフ
【図２】昇温脱離法によるパウダー状ＧＮＦサンプル中
の水素含有を示すグラフ
【図３】燃焼法によるパウダー状ＧＮＦサンプル中の水
素含有を示すグラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G040 AA12 AA22 AA42 4G066 AA04A AA04B BA01 BA21 BA31 CA38 DA01 EA20 FA11 FA22 4G075 AA03 BB04 BD14 CA23 CA62 CA63 DA18 FA20 FB03 5H027 AA02 BA13 KK01 KK41 KK51

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素材料に超音波を照射して該炭素材料に
    水素を吸蔵させることを特徴とする炭素材料への水素吸
    蔵方法。
  2. 【請求項２】前記超音波は２０ｋＨｚ以上の周波数を有
    することを特徴とする請求項１に記載の炭素材料への水
    素吸蔵方法。
  3. 【請求項３】前記炭素材料は、焼結グラファイト棒、焼
    結グラファイト板、パウダー状カーボンナノチューブ、
    パウダー状グラファイトナノファイバ、棒状グラファイ
    トナノファイバまたは板状グラファイトナノファイバで
    あることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素材
    料への水素吸蔵方法。
  4. 【請求項４】前記炭素材料に吸蔵される水素は、水を起
    源として由来することを特徴とする請求項１乃至３のい
    ずれか１項に記載の炭素材料への水素吸蔵方法。
  5. 【請求項５】前記水素の吸蔵は、０〜３０℃及び略１気
    圧の常温常圧条件下で行われることを特徴とする請求項
    １乃至４のいずれか１項に記載の炭素材料への水素吸蔵
    方法。
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