JP2003231099A - ゼオライト−有機複合材およびモレキュラーシーブ由来の炭素ナノ構造体と当該炭素ナノ構造体の製造法 - Google Patents
ゼオライト−有機複合材およびモレキュラーシーブ由来の炭素ナノ構造体と当該炭素ナノ構造体の製造法Info
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- JP2003231099A JP2003231099A JP2002033152A JP2002033152A JP2003231099A JP 2003231099 A JP2003231099 A JP 2003231099A JP 2002033152 A JP2002033152 A JP 2002033152A JP 2002033152 A JP2002033152 A JP 2002033152A JP 2003231099 A JP2003231099 A JP 2003231099A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】高い表面積をもち、低コストにおいて製造され
エネルギーの適用および水素の貯蔵において有用なナノ
構造体の製法を提供する。 【解決手段】炭素ナノ構造体はテンプレート素材の内部
に形成される。当該炭素ナノ構造体は、当該テンプレー
トの交換可能なイオンとの、イオン交換により、化学的
に結合された前駆物質に由来し、当該テンプレート内で
炭化される。当該有機体は少なくとも一つの陽イオン中
心を有しており、ＭｘＯｙＣ ｍＨｎで表されてよく、Ｍ
は少なくとも一つのＶＢエレメントを含んでいる陽イオ
ン中心である。本発明の態様は、ゼオライトおよびメソ
ポーラスモレキュラーシーブのテンプレートを含む。当
該有機構造体の当該テンプレート内での炭化の後、当該
テンプレートは封入された炭素ナノ構造体を解放するべ
く除去される。
エネルギーの適用および水素の貯蔵において有用なナノ
構造体の製法を提供する。 【解決手段】炭素ナノ構造体はテンプレート素材の内部
に形成される。当該炭素ナノ構造体は、当該テンプレー
トの交換可能なイオンとの、イオン交換により、化学的
に結合された前駆物質に由来し、当該テンプレート内で
炭化される。当該有機体は少なくとも一つの陽イオン中
心を有しており、ＭｘＯｙＣ ｍＨｎで表されてよく、Ｍ
は少なくとも一つのＶＢエレメントを含んでいる陽イオ
ン中心である。本発明の態様は、ゼオライトおよびメソ
ポーラスモレキュラーシーブのテンプレートを含む。当
該有機構造体の当該テンプレート内での炭化の後、当該
テンプレートは封入された炭素ナノ構造体を解放するべ
く除去される。
Description
【０００１】（背景）
ａ．発明の技術分野
本発明は炭素ナノ構造体および当該炭素ナノ構造体を製
造する方法に関する。さらに詳細には、本発明はテンプ
レートの孔の内側に化学的に結合された先駆物質を熱分
解することにより、ゼオライトまたはメソポーラスモレ
キュラーシーブなどのテンプレート素材の内側に形成さ
れる炭素ナノ構造体に関する。
造する方法に関する。さらに詳細には、本発明はテンプ
レートの孔の内側に化学的に結合された先駆物質を熱分
解することにより、ゼオライトまたはメソポーラスモレ
キュラーシーブなどのテンプレート素材の内側に形成さ
れる炭素ナノ構造体に関する。
【０００２】ｂ．本発明により解決されるべき関連技術
の代表的な問題 関連技術においては、主として、増大しつつある環境上
の懸念および化石燃料の不足のため、特にエネルギー輸
送の分野において、現在のエネルギー移動システムを改
良するべく、種々の技術が熱心に研究されている。水素
燃料式電池およびより高容量のリチウム電池といった、
開発中の将来有望な技術の間で一つの重大な問題点であ
るのは、エネルギーをいかに効率のよい、使いやすく、
また許容される方式で貯蔵するかということである。
の代表的な問題 関連技術においては、主として、増大しつつある環境上
の懸念および化石燃料の不足のため、特にエネルギー輸
送の分野において、現在のエネルギー移動システムを改
良するべく、種々の技術が熱心に研究されている。水素
燃料式電池およびより高容量のリチウム電池といった、
開発中の将来有望な技術の間で一つの重大な問題点であ
るのは、エネルギーをいかに効率のよい、使いやすく、
また許容される方式で貯蔵するかということである。
【０００３】炭素は、その独特の性質のため、エネルギ
ー貯蔵において有用であることが見出されてきた。たと
えば、炭素はすでにリチウム電池のアノード物質として
広く採用されてきた。さらに、低温における無定形炭素
中の水素貯蔵は、１０年間にわたり知られてきた。C. C
arpetisら、Int. J. Hydrogen Energy, 1980, 5, 539参
照のこと。最近、シングルウォールカーボンナノチュー
ブ（A.C. Dillonら、Narure, 1997 378, 386参照）およ
び層状カーボンナノチューブ（米国特許第５，６５３，
９５１号；およびA. Chambersら、Journal of Physical
Chemistry B,1998, 102, 4253参照）において見い出さ
れた高い水素取り込み容量の発表以来、炭素素材におけ
る水素貯蔵についての研究がますます勢いを得ている
が、これらの技術はまだ開発途上である。これらの技術
を開発させ続けることは有益であるが、エネルギー貯蔵
のための新規な炭素素材の探究が進行中である。ナノポ
ーラスカーボン、およびさらに特異的にテンプレートさ
れたナノポーラスカーボンは、この新規な分野に属す
る。
ー貯蔵において有用であることが見出されてきた。たと
えば、炭素はすでにリチウム電池のアノード物質として
広く採用されてきた。さらに、低温における無定形炭素
中の水素貯蔵は、１０年間にわたり知られてきた。C. C
arpetisら、Int. J. Hydrogen Energy, 1980, 5, 539参
照のこと。最近、シングルウォールカーボンナノチュー
ブ（A.C. Dillonら、Narure, 1997 378, 386参照）およ
び層状カーボンナノチューブ（米国特許第５，６５３，
９５１号；およびA. Chambersら、Journal of Physical
Chemistry B,1998, 102, 4253参照）において見い出さ
れた高い水素取り込み容量の発表以来、炭素素材におけ
る水素貯蔵についての研究がますます勢いを得ている
が、これらの技術はまだ開発途上である。これらの技術
を開発させ続けることは有益であるが、エネルギー貯蔵
のための新規な炭素素材の探究が進行中である。ナノポ
ーラスカーボン、およびさらに特異的にテンプレートさ
れたナノポーラスカーボンは、この新規な分野に属す
る。
【０００４】ポーラスカーボンは、通常、天然または合
成起源の前駆物質の炭化と、それに続く活性化により得
られる。R.C. Bansalらにより著わされた「Active Carb
on（活性炭素）」ニューヨーク、1988参照。ポーラスカ
ーボンには、エネルギー貯蔵を含む多くの用途がある。
マイクロポーラスカーボンおよびメソポーラスカーボン
を調製するためのいくつかの方法がある。これらの方法
の一つは、適当なテンプレートを、炭素前駆物質を用い
て浸透し、続いて炭化し、テンプレートを溶解すること
である。T. Kyotaniらは、ポーラスカーボンを調製する
ためのテンプレートとして、３次元の多孔性構造をもつ
ゼオライトを初めて利用した。T. Kyotaniら、Chem. Ma
ter. 1997, 9, 609およびJapan Industrial News 2001
年10月26日を参照のこと。テンプレート炭素の調製は一
般にいくつかの段階：ゼオライトの乾燥、前駆物質の導
入、当該前駆物質の重合、重合体の炭化、さらにゼオラ
イト上のもう一つの炭素供給源である化学蒸着（ＣＶ
Ｄ）と、最後にテンプレートの溶解、を含む。当該前駆
物質（アクリロニトリルまたはフルフリルアルコール）
は容易にゼオライトチャンネルに含浸しないため、接触
時間は長く、たとえば、フルフリルアルコールでは５日
を越える。かかる長時間の接触を以ってしても、浸透ま
たは次に続く重合は容易に完了しないこともあり、次の
段階におけるＣＶＤは良好な炭素負荷を遂行することが
必要である。ＣＶＤに関連した問題は、ゼオライトの表
面上にいくつかのグラフェン層が形成され易いことであ
り、そのため有効な孔がブロックされる可能性がある。
被覆層についての付加的な証拠として、J. Rodriguez-M
irasolらによって行なわれた研究、Chem. Mater. 1998,
10, 550も参照のこと。さらに、前駆物質の重合は、前
駆物質アクリロニトリルへのγ線照射などの特殊な技術
を必要とすることがある。前駆物質とそれらの重合体は
チャンネル内に満たされるため、結果として得られる炭
素は何ら決定的な構造をもたない。上記の炭化前の前駆
物質がすべて高分子であることに注意されたい。
成起源の前駆物質の炭化と、それに続く活性化により得
られる。R.C. Bansalらにより著わされた「Active Carb
on（活性炭素）」ニューヨーク、1988参照。ポーラスカ
ーボンには、エネルギー貯蔵を含む多くの用途がある。
マイクロポーラスカーボンおよびメソポーラスカーボン
を調製するためのいくつかの方法がある。これらの方法
の一つは、適当なテンプレートを、炭素前駆物質を用い
て浸透し、続いて炭化し、テンプレートを溶解すること
である。T. Kyotaniらは、ポーラスカーボンを調製する
ためのテンプレートとして、３次元の多孔性構造をもつ
ゼオライトを初めて利用した。T. Kyotaniら、Chem. Ma
ter. 1997, 9, 609およびJapan Industrial News 2001
年10月26日を参照のこと。テンプレート炭素の調製は一
般にいくつかの段階：ゼオライトの乾燥、前駆物質の導
入、当該前駆物質の重合、重合体の炭化、さらにゼオラ
イト上のもう一つの炭素供給源である化学蒸着（ＣＶ
Ｄ）と、最後にテンプレートの溶解、を含む。当該前駆
物質（アクリロニトリルまたはフルフリルアルコール）
は容易にゼオライトチャンネルに含浸しないため、接触
時間は長く、たとえば、フルフリルアルコールでは５日
を越える。かかる長時間の接触を以ってしても、浸透ま
たは次に続く重合は容易に完了しないこともあり、次の
段階におけるＣＶＤは良好な炭素負荷を遂行することが
必要である。ＣＶＤに関連した問題は、ゼオライトの表
面上にいくつかのグラフェン層が形成され易いことであ
り、そのため有効な孔がブロックされる可能性がある。
被覆層についての付加的な証拠として、J. Rodriguez-M
irasolらによって行なわれた研究、Chem. Mater. 1998,
10, 550も参照のこと。さらに、前駆物質の重合は、前
駆物質アクリロニトリルへのγ線照射などの特殊な技術
を必要とすることがある。前駆物質とそれらの重合体は
チャンネル内に満たされるため、結果として得られる炭
素は何ら決定的な構造をもたない。上記の炭化前の前駆
物質がすべて高分子であることに注意されたい。
【０００５】最近、Tangらはゼオライト結晶合成中のＡ
ＦＩゼオライトのチャンネル内に導入されたトリプロピ
ルアミンを直接熱分解することによりシングルウォール
の４Åのカーボンナノチューブを製造した。N. Wang,
Z.K. Tangら、Nature, 2000,408巻、50頁；H.D. Sun,
Z.K. Tangら、Solid State Comuunications 1999, 109,
365；H.D. Sun, Z.K. Tangら、Appl. Phys. A, 1999,
69, 381, N. Wang, G.D.Li, Chemical Physics Letter
s, 2001, 339, 47参照。ゼオライト内の前駆物質の炭化
は、シングルウォールカーボンナノチューブを合成する
ための新規な方法を提供する。しかしながら、シングル
ウォールカーボンナノチューブの形成は、結晶ゼオライ
トのテンプレートの品質に大いに依存している。さら
に、当該ゼオライト結晶は非常に取得しにくく、そのた
め炭素−ゼオライト複合材の大量の調製も、明らかに非
常に困難である。さらに、得られたシングルウォールカ
ーボンナノチューブのサイズ（４Å）は、テンプレート
からの解放の後に安定であるためには小さすぎ、さらに
当該チューブの孔径（１Å）もまた水素の取り込みには
小さすぎる。
ＦＩゼオライトのチャンネル内に導入されたトリプロピ
ルアミンを直接熱分解することによりシングルウォール
の４Åのカーボンナノチューブを製造した。N. Wang,
Z.K. Tangら、Nature, 2000,408巻、50頁；H.D. Sun,
Z.K. Tangら、Solid State Comuunications 1999, 109,
365；H.D. Sun, Z.K. Tangら、Appl. Phys. A, 1999,
69, 381, N. Wang, G.D.Li, Chemical Physics Letter
s, 2001, 339, 47参照。ゼオライト内の前駆物質の炭化
は、シングルウォールカーボンナノチューブを合成する
ための新規な方法を提供する。しかしながら、シングル
ウォールカーボンナノチューブの形成は、結晶ゼオライ
トのテンプレートの品質に大いに依存している。さら
に、当該ゼオライト結晶は非常に取得しにくく、そのた
め炭素−ゼオライト複合材の大量の調製も、明らかに非
常に困難である。さらに、得られたシングルウォールカ
ーボンナノチューブのサイズ（４Å）は、テンプレート
からの解放の後に安定であるためには小さすぎ、さらに
当該チューブの孔径（１Å）もまた水素の取り込みには
小さすぎる。
【０００６】（発明の概要）
問題を解決するための手段−本発明の利点
本発明の一つの目的は、ゼオライト−炭素複合材およ
び、この複合材より遊離される炭素ナノ構造体を提供す
ることである。前駆物質は、ゼオライト−炭素複合材を
形成するべく用いられたゼオライトテンプレートに対し
化学的に結合されることから、当該テンプレートのチャ
ンネルの内側に、３次元の単層の炭素を形成することが
可能である。本文においては、ナノ構造体という用語
は、関連技術において用いられるようなナノチューブ、
ナノポーラスカーボン、および単層カーボンよりも好ん
で用いられる。
び、この複合材より遊離される炭素ナノ構造体を提供す
ることである。前駆物質は、ゼオライト−炭素複合材を
形成するべく用いられたゼオライトテンプレートに対し
化学的に結合されることから、当該テンプレートのチャ
ンネルの内側に、３次元の単層の炭素を形成することが
可能である。本文においては、ナノ構造体という用語
は、関連技術において用いられるようなナノチューブ、
ナノポーラスカーボン、および単層カーボンよりも好ん
で用いられる。
【０００７】本発明のもう一つの目的は、メソポーラス
モレキュラーシーブ−炭素複合材、およびこの複合材か
ら遊離される炭素ナノ構造体を提供することである。
モレキュラーシーブ−炭素複合材、およびこの複合材か
ら遊離される炭素ナノ構造体を提供することである。
【０００８】本発明のさらなる目的は、有機構造体の調
製のための、費用効果がありかつ大規模な方法を提供す
ることである。当該有機構造体は、テンプレートおよび
当該テンプレートに対して化学的に結合された前駆物質
を含む。
製のための、費用効果がありかつ大規模な方法を提供す
ることである。当該有機構造体は、テンプレートおよび
当該テンプレートに対して化学的に結合された前駆物質
を含む。
【０００９】これらの目的は、テンプレートと、当該テ
ンプレートの交換可能なイオンとの、交換可能な部位を
通したイオン交換により、当該テンプレートに対して化
学的に結合された前駆物質とを含んでいる有機構造体で
あって、当該前駆物質が少なくとも一つの陽イオン中心
を有しており、かつＭｘＯｙＣｍＨｎで表されてよく、
Ｍは少なくとも一つのＶＢエレメントを含んでいる陽イ
オン中心であってｘは１〜１０の範囲内にあり、Ｏは酸
素であってｙは０〜１０の範囲内にあり、Ｃは炭素であ
ってｍは１〜１００の範囲内にり、さらにＨは水素であ
ってｎは２〜２００の範囲内にあることを特徴とする有
機構造体を有することにより成就される。
ンプレートの交換可能なイオンとの、交換可能な部位を
通したイオン交換により、当該テンプレートに対して化
学的に結合された前駆物質とを含んでいる有機構造体で
あって、当該前駆物質が少なくとも一つの陽イオン中心
を有しており、かつＭｘＯｙＣｍＨｎで表されてよく、
Ｍは少なくとも一つのＶＢエレメントを含んでいる陽イ
オン中心であってｘは１〜１０の範囲内にあり、Ｏは酸
素であってｙは０〜１０の範囲内にあり、Ｃは炭素であ
ってｍは１〜１００の範囲内にり、さらにＨは水素であ
ってｎは２〜２００の範囲内にあることを特徴とする有
機構造体を有することにより成就される。
【００１０】本発明の一つの態様においては、当該テン
プレートは０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲の孔径を有するゼ
オライトである。より大きい炭素ナノ構造体を製造する
ためのもう一つの態様においては、当該テンプレートは
２ｎｍ〜３０ｎｍの範囲の孔径を有するメソポーラスモ
レキュラーシーブである。
プレートは０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲の孔径を有するゼ
オライトである。より大きい炭素ナノ構造体を製造する
ためのもう一つの態様においては、当該テンプレートは
２ｎｍ〜３０ｎｍの範囲の孔径を有するメソポーラスモ
レキュラーシーブである。
【００１１】本発明による炭素複合材は、封入された炭
素を含んでいるテンプレートを含む。当該封入された炭
素は、前文に同定された前駆物質を当該テンプレート内
で炭化することにより形成される。
素を含んでいるテンプレートを含む。当該封入された炭
素は、前文に同定された前駆物質を当該テンプレート内
で炭化することにより形成される。
【００１２】炭素ナノ構造体を製造するための本発明の
方法は；前駆物質の水溶液であって、当該前駆物質が少
なくとも一つの陽イオン中心を有しており、かつＭｘＯ
ｙＣｍＨｎで表され、Ｍは少なくとも一つのＶＢエレメ
ントを含んでいる陽イオン中心であってｘは１〜１０の
範囲内にあり、Ｏは酸素であってｙは０〜１０の範囲内
にあり、Ｃは炭素であってｍは１〜１００の範囲内にあ
り、さらにＨは水素であってｎは２〜２００の範囲内に
ある水溶液を調製すること；交換可能な部位に交換可能
なイオンを有するテンプレートを当該前駆物質の水溶液
内に置き、それにより、当該テンプレートの交換可能な
イオンとの、交換可能な部位を通したイオン交換によ
り、当該前駆物質を当該テンプレートに対し化学的に結
合して、有機構造体を形成すること；前駆物質の水溶液
から当該有機構造物を除去すること、および当該有機構
造体の外表面上に化学的に結合された遊離の前駆物質を
除去すること；前記前駆物質の少なくとも大半が炭素ナ
ノ構造体として炭化されるまで、当該有機構造物を加熱
すること；および当該テンプレートを当該有機構造物か
ら除去して当該炭素ナノ構造体を取得すること、を含
む。
方法は；前駆物質の水溶液であって、当該前駆物質が少
なくとも一つの陽イオン中心を有しており、かつＭｘＯ
ｙＣｍＨｎで表され、Ｍは少なくとも一つのＶＢエレメ
ントを含んでいる陽イオン中心であってｘは１〜１０の
範囲内にあり、Ｏは酸素であってｙは０〜１０の範囲内
にあり、Ｃは炭素であってｍは１〜１００の範囲内にあ
り、さらにＨは水素であってｎは２〜２００の範囲内に
ある水溶液を調製すること；交換可能な部位に交換可能
なイオンを有するテンプレートを当該前駆物質の水溶液
内に置き、それにより、当該テンプレートの交換可能な
イオンとの、交換可能な部位を通したイオン交換によ
り、当該前駆物質を当該テンプレートに対し化学的に結
合して、有機構造体を形成すること；前駆物質の水溶液
から当該有機構造物を除去すること、および当該有機構
造体の外表面上に化学的に結合された遊離の前駆物質を
除去すること；前記前駆物質の少なくとも大半が炭素ナ
ノ構造体として炭化されるまで、当該有機構造物を加熱
すること；および当該テンプレートを当該有機構造物か
ら除去して当該炭素ナノ構造体を取得すること、を含
む。
【００１３】本発明の方法の好ましい態様においては、
当該テンプレートおよび当該前駆物質は、高温の使用に
より当該テンプレートおよび当該前駆物質中のイオンの
交換速度を増大させるオートクレーブ内で処理される。
当該炭素ナノ構造体は、当該テンプレートを酸性の溶液
を用いて溶解することにより取得されてもよい。
当該テンプレートおよび当該前駆物質は、高温の使用に
より当該テンプレートおよび当該前駆物質中のイオンの
交換速度を増大させるオートクレーブ内で処理される。
当該炭素ナノ構造体は、当該テンプレートを酸性の溶液
を用いて溶解することにより取得されてもよい。
【００１４】（発明の詳細な説明）本発明の上記の、お
よび他の目的と利点は、それらの好ましい態様を添付の
図面を参考にして詳細に記述することにより、さらに明
らかになるであろう。
よび他の目的と利点は、それらの好ましい態様を添付の
図面を参考にして詳細に記述することにより、さらに明
らかになるであろう。
【００１５】本発明の実施のための方式
本発明の方法および有機構造体、炭素複合材、および炭
素ナノ構造体は、図１を参照して説明されることが可能
である。概略図においては、本発明の方法は図１に示さ
れたような３つの主要な段階を用いて要約されることが
可能である。段階１は前駆物質２０をテンプレート１０
に導入することであり、それにより有機構造体３０を創
製する。段階２は当該有機構造物３０を炭化することで
あり、それは当該テンプレート１０内に炭素ナノ構造体
５０を含んでいる炭素複合材４０を創製する。段階３は
炭素ナノ構造体５０を解放するためのテンプレート１０
の除去である。
素ナノ構造体は、図１を参照して説明されることが可能
である。概略図においては、本発明の方法は図１に示さ
れたような３つの主要な段階を用いて要約されることが
可能である。段階１は前駆物質２０をテンプレート１０
に導入することであり、それにより有機構造体３０を創
製する。段階２は当該有機構造物３０を炭化することで
あり、それは当該テンプレート１０内に炭素ナノ構造体
５０を含んでいる炭素複合材４０を創製する。段階３は
炭素ナノ構造体５０を解放するためのテンプレート１０
の除去である。
【００１６】さらに詳細には、前駆物質の水溶液が調製
される。当該前駆物質は少なくとも一つの陽イオン中心
を有しており、かつＭｘＯｙＣｍＨｎで表されることが
可能であり、Ｍは少なくとも一つのＶＢエレメントを含
んでいる陽イオン中心であってｘは１〜１０の範囲内に
あり、Ｏは酸素であってｙは０〜１０の範囲内にあり、
Ｃは炭素であってｍは１〜１００の範囲内にあり、さら
にＨは水素であってｎは２〜２００の範囲内にある。炭
素前駆物質の実例は、（ＣａＨ２ａ＋１）４Ｎβまたは
（ＣａＨ２ａ＋１）４Ｐβであって、Ｎは窒素であり、
Ｐはリンであり、βは陰イオンまたはハロゲンであり、
ａは１〜１０の範囲内である前駆物質を含むであろう。
さらに明確には、前駆物質として（ＧＨ３）４ＮＯＨを
用いている、本発明による炭素ナノ構造体の製造実験
が、後に詳細に記述される。
される。当該前駆物質は少なくとも一つの陽イオン中心
を有しており、かつＭｘＯｙＣｍＨｎで表されることが
可能であり、Ｍは少なくとも一つのＶＢエレメントを含
んでいる陽イオン中心であってｘは１〜１０の範囲内に
あり、Ｏは酸素であってｙは０〜１０の範囲内にあり、
Ｃは炭素であってｍは１〜１００の範囲内にあり、さら
にＨは水素であってｎは２〜２００の範囲内にある。炭
素前駆物質の実例は、（ＣａＨ２ａ＋１）４Ｎβまたは
（ＣａＨ２ａ＋１）４Ｐβであって、Ｎは窒素であり、
Ｐはリンであり、βは陰イオンまたはハロゲンであり、
ａは１〜１０の範囲内である前駆物質を含むであろう。
さらに明確には、前駆物質として（ＧＨ３）４ＮＯＨを
用いている、本発明による炭素ナノ構造体の製造実験
が、後に詳細に記述される。
【００１７】交換可能な部位に交換可能なイオンを有す
るテンプレートが使用される。当該テンプレートはした
がって、前駆物質の水溶液内に置かれ、それにより当該
鋳型の交換可能なイオンとの、交換可能な部位を通した
イオン交換（また陽イオン交換としても知られる）によ
り、当該前駆物質を当該テンプレートに対して化学的に
結合する。実例として、このイオン交換の工程は、当該
テンプレートにおける１価に帯電した交換可能な原子
を、当該前駆物質溶液からの１価に帯電した原子で置き
換えるか、または当該テンプレートにおける１価に帯電
した二つの交換可能な原子を２価に帯電した一つの原子
で置き換えてもよい。
るテンプレートが使用される。当該テンプレートはした
がって、前駆物質の水溶液内に置かれ、それにより当該
鋳型の交換可能なイオンとの、交換可能な部位を通した
イオン交換（また陽イオン交換としても知られる）によ
り、当該前駆物質を当該テンプレートに対して化学的に
結合する。実例として、このイオン交換の工程は、当該
テンプレートにおける１価に帯電した交換可能な原子
を、当該前駆物質溶液からの１価に帯電した原子で置き
換えるか、または当該テンプレートにおける１価に帯電
した二つの交換可能な原子を２価に帯電した一つの原子
で置き換えてもよい。
【００１８】当該テンプレートは、たとえば、ゼオライ
トＡ、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、モルデン沸石、Ｚ
ＳＭ−５、ＶＰＩ−５、またはＡＦＩ−５などのゼオラ
イトでよい。ゼオライトは結晶性の、アルカリおよびア
ルカリ性土類金属のアルミノケイ酸塩水和物であり、多
数の３次元原子構造を有する。ゼオライトは原子構造の
大きな変化なしに、ある構成原子を交換することができ
る。もう一つの態様においては、当該テンプレートは、
たとえば、ＭＣＭ−４１、ＭＣＭ−４８、ＳＡＢ−１
５、またはＳＢＡ−１といったメソポーラスモレキュラ
ーシーブであってよい。
トＡ、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、モルデン沸石、Ｚ
ＳＭ−５、ＶＰＩ−５、またはＡＦＩ−５などのゼオラ
イトでよい。ゼオライトは結晶性の、アルカリおよびア
ルカリ性土類金属のアルミノケイ酸塩水和物であり、多
数の３次元原子構造を有する。ゼオライトは原子構造の
大きな変化なしに、ある構成原子を交換することができ
る。もう一つの態様においては、当該テンプレートは、
たとえば、ＭＣＭ−４１、ＭＣＭ−４８、ＳＡＢ−１
５、またはＳＢＡ−１といったメソポーラスモレキュラ
ーシーブであってよい。
【００１９】当該テンプレートは、当該炭素ナノ構造体
の最終的な適用法により選択されることが可能である。
たとえば、もし当該炭素ナノ構造体（前文に言及したよ
うに、多くの適用においてはナノポーラスカーボンとも
呼ばれる）が、水素の貯蔵のために使用される予定であ
れば、２ｎｍより小さい孔径をもつテンプレートが適し
ている。当該炭素ナノ構造体が燃料電池用の触媒支持材
として使用されることが意図される場合には、比較的大
きい孔径が好ましい。
の最終的な適用法により選択されることが可能である。
たとえば、もし当該炭素ナノ構造体（前文に言及したよ
うに、多くの適用においてはナノポーラスカーボンとも
呼ばれる）が、水素の貯蔵のために使用される予定であ
れば、２ｎｍより小さい孔径をもつテンプレートが適し
ている。当該炭素ナノ構造体が燃料電池用の触媒支持材
として使用されることが意図される場合には、比較的大
きい孔径が好ましい。
【００２０】さらに明確には、０．３ｎｍ〜２ｎｍの範
囲の孔径をもつゼオライトテンプレートを選んでもよ
く、あるいはより大きい炭素ナノ構造体用には、２ｎｍ
〜３０ｎｍの範囲の孔径を有するメソポーラスモレキュ
ラーシーブを使用することを選択してもよい。ゼオライ
トをテンプレート２０として用いる場合には、交換可能
なイオンはＬｉ＋、Ｎａ＋、およびＫ＋の少なくとも一
つを含むアルカリ金属イオンを含んでもよい。さらに、
後に記述されるように、本発明の方法の次に続く段階で
は高温での炭化が行なわれるため、高温において残存す
ることが可能なテンプレートが好ましい。
囲の孔径をもつゼオライトテンプレートを選んでもよ
く、あるいはより大きい炭素ナノ構造体用には、２ｎｍ
〜３０ｎｍの範囲の孔径を有するメソポーラスモレキュ
ラーシーブを使用することを選択してもよい。ゼオライ
トをテンプレート２０として用いる場合には、交換可能
なイオンはＬｉ＋、Ｎａ＋、およびＫ＋の少なくとも一
つを含むアルカリ金属イオンを含んでもよい。さらに、
後に記述されるように、本発明の方法の次に続く段階で
は高温での炭化が行なわれるため、高温において残存す
ることが可能なテンプレートが好ましい。
【００２１】当該前駆物質の選択は、ターゲットされた
炭素構造物だけでなく、当該テンプレートの孔径にも依
存する。もし、より高いカーボン密度が好ましければ、
炭素に富む前駆物質が使用されるべきである。すなわ
ち、５０より大きい分子量をもち、少なくとも５０％の
炭素質量パーセントをもつ前駆物質である。さらに、当
該前駆物質分子の大きさは当該テンプレートの当該チャ
ンネルより小さくあるべきであり、さもなければイオン
交換は当該テンプレートの内側では起こらないであろ
う。
炭素構造物だけでなく、当該テンプレートの孔径にも依
存する。もし、より高いカーボン密度が好ましければ、
炭素に富む前駆物質が使用されるべきである。すなわ
ち、５０より大きい分子量をもち、少なくとも５０％の
炭素質量パーセントをもつ前駆物質である。さらに、当
該前駆物質分子の大きさは当該テンプレートの当該チャ
ンネルより小さくあるべきであり、さもなければイオン
交換は当該テンプレートの内側では起こらないであろ
う。
【００２２】アルカリイオンなどのイオンを用いて当該
前駆物質の交換速度を増大させるため、当該テンプレー
トの孔の内側において、高温および高圧下に反応が行な
われることが可能である。好ましい方法においては、か
かる目的のためオートクレーブが使用されてよい。高温
および高圧下において反応を成し遂げることは、孔径の
小さいテンプレート用には特に有効である。たとえば、
オートクレーブを使用する場合には、１００℃を越え、
かつ１気圧を越えるといった環境において加熱すること
が、１ｎｍより小さい孔径をもつテンプレート内への前
駆体イオンの導入には好ましい。しかしながら、２ｎｍ
を越える孔径を有するテンプレートとサイズの小さい前
駆物質との間の反応の実行は、当該テンプレートと当該
前駆物質の混合物を、１００℃未満および周囲の圧力に
おいて混合するだけで行なわれることが可能である。
前駆物質の交換速度を増大させるため、当該テンプレー
トの孔の内側において、高温および高圧下に反応が行な
われることが可能である。好ましい方法においては、か
かる目的のためオートクレーブが使用されてよい。高温
および高圧下において反応を成し遂げることは、孔径の
小さいテンプレート用には特に有効である。たとえば、
オートクレーブを使用する場合には、１００℃を越え、
かつ１気圧を越えるといった環境において加熱すること
が、１ｎｍより小さい孔径をもつテンプレート内への前
駆体イオンの導入には好ましい。しかしながら、２ｎｍ
を越える孔径を有するテンプレートとサイズの小さい前
駆物質との間の反応の実行は、当該テンプレートと当該
前駆物質の混合物を、１００℃未満および周囲の圧力に
おいて混合するだけで行なわれることが可能である。
【００２３】したがって、高温および高圧の環境を作成
する場合には、１００℃またはそれより高い温度と、１
気圧より高い圧力が有効である。約５００℃までの範囲
の温度も有効ではあるが、特に有効な範囲は１２０℃と
３００℃の間である。
する場合には、１００℃またはそれより高い温度と、１
気圧より高い圧力が有効である。約５００℃までの範囲
の温度も有効ではあるが、特に有効な範囲は１２０℃と
３００℃の間である。
【００２４】当該有機構造体を形成するための、当該前
駆物質の当該テンプレート内への導入の後、過剰の前駆
物質は、たとえば、洗浄または抽出により除去されてよ
い。このことは典型的には、最終産物中の不規則な炭素
を最小化するために必要である。これらの不規則な炭素
は、当該テンプレートの孔の外側に取り残された前駆物
質に由来する。
駆物質の当該テンプレート内への導入の後、過剰の前駆
物質は、たとえば、洗浄または抽出により除去されてよ
い。このことは典型的には、最終産物中の不規則な炭素
を最小化するために必要である。これらの不規則な炭素
は、当該テンプレートの孔の外側に取り残された前駆物
質に由来する。
【００２５】次に、当該有機構造体は、当該前駆物質を
炭化することが可能な加熱炉などの環境内に置かれる。
約７００℃の温度は一般に、ほとんどの前駆物質を炭化
するには充分であるが、より高い温度はこの工程をより
速くすることがある。しかしながら、温度が高すぎるこ
と、たとえば、１２００℃を越えると、当該テンプレー
トおよび炭素の構造を変化させることがある。炭化され
る前の炭素種の可能な損失を最小化するため、１０℃／
分を越える加熱速度が用いられてよい。１００℃／分を
越える、好ましくは５００℃／分を越える加熱速度は、
炭化される前の炭素種の損失をさらに防止するであろ
う。
炭化することが可能な加熱炉などの環境内に置かれる。
約７００℃の温度は一般に、ほとんどの前駆物質を炭化
するには充分であるが、より高い温度はこの工程をより
速くすることがある。しかしながら、温度が高すぎるこ
と、たとえば、１２００℃を越えると、当該テンプレー
トおよび炭素の構造を変化させることがある。炭化され
る前の炭素種の可能な損失を最小化するため、１０℃／
分を越える加熱速度が用いられてよい。１００℃／分を
越える、好ましくは５００℃／分を越える加熱速度は、
炭化される前の炭素種の損失をさらに防止するであろ
う。
【００２６】炭化の前は、しかしながら、加熱炉内部な
どの周囲環境内の酸素は、完全に除去されるべきであ
る。さもなければ、前駆物質および炭化された炭素は酸
化され焼きつくされることがある。さらに、吸収された
水または酸素が当該テンプレートの内側にまだ存在する
かもしれない。当該有機構造物を予熱することは、通
常、炭素に対し高温においてこのような反応性の化学種
を除去するために有益である。真空中において約３００
℃に予熱することは、このような化学種を除去するには
充分である。
どの周囲環境内の酸素は、完全に除去されるべきであ
る。さもなければ、前駆物質および炭化された炭素は酸
化され焼きつくされることがある。さらに、吸収された
水または酸素が当該テンプレートの内側にまだ存在する
かもしれない。当該有機構造物を予熱することは、通
常、炭素に対し高温においてこのような反応性の化学種
を除去するために有益である。真空中において約３００
℃に予熱することは、このような化学種を除去するには
充分である。
【００２７】当該炭素複合材を取得するためには、炭化
は希ガス、それらの混合物、または真空中において行な
われてよい。前文に言及したように、炭化前の加熱の間
の当該前駆物質の損失を最小化するため、速い加熱速度
（＞１０℃／分）が好ましいが、当該前駆物質の損失
は、この方法を用いた場合には、当該前駆物質と当該テ
ンプレートとの間の化学結合により、非常に有意ではな
いかもしれない。炭化のための時間は、当該前駆物質の
完全な変換を成就するため、一般的には少なくとも３０
分間である。当該前駆物質は通常、窒素またはリンなど
のイオン中心を含んでいるため、当該炭化材料は、炭素
骨格の中にこれらのエレメントの部分を残してもよい。
このことは、ハイブリッド炭素ナノ構造体を合成するた
めの経路を提供する。もし、より多くの炭素前駆物質を
テンプレート内に導入したいのであれば、イオン交換の
工程が繰り返されてよく、得られた炭素複合材は再度前
駆物質の水溶液中に置かれ、次いて前文に記述された同
じ工程に従って加熱および炭化される。
は希ガス、それらの混合物、または真空中において行な
われてよい。前文に言及したように、炭化前の加熱の間
の当該前駆物質の損失を最小化するため、速い加熱速度
（＞１０℃／分）が好ましいが、当該前駆物質の損失
は、この方法を用いた場合には、当該前駆物質と当該テ
ンプレートとの間の化学結合により、非常に有意ではな
いかもしれない。炭化のための時間は、当該前駆物質の
完全な変換を成就するため、一般的には少なくとも３０
分間である。当該前駆物質は通常、窒素またはリンなど
のイオン中心を含んでいるため、当該炭化材料は、炭素
骨格の中にこれらのエレメントの部分を残してもよい。
このことは、ハイブリッド炭素ナノ構造体を合成するた
めの経路を提供する。もし、より多くの炭素前駆物質を
テンプレート内に導入したいのであれば、イオン交換の
工程が繰り返されてよく、得られた炭素複合材は再度前
駆物質の水溶液中に置かれ、次いて前文に記述された同
じ工程に従って加熱および炭化される。
【００２８】得られた炭素複合材は、炭素が当該炭素複
合材の少なくとも１重量パーセント、およびさらに好ま
しくは当該炭素複合体の少なくとも３重量パーセントで
ある。さらに、炭素複合体は５００m２／g以上の表面
積、および好ましくは３０００m２／gを越えるような、
さらに大きい表面積をもつものが得られてよい。
合材の少なくとも１重量パーセント、およびさらに好ま
しくは当該炭素複合体の少なくとも３重量パーセントで
ある。さらに、炭素複合体は５００m２／g以上の表面
積、および好ましくは３０００m２／gを越えるような、
さらに大きい表面積をもつものが得られてよい。
【００２９】次に、当該有機構造体のテンプレートまた
は骨格が除去される。このことは、酸性溶液内での当該
テンプレートの溶解により行なわれれてよい。実例とし
て、フッ化水素酸ＨＦおよびフッ化アンモニウムＮＨ４
Ｆの、本質的には緩衝化された酸化物溶液である、１対
３混合物での溶液は、当該テンプレートの除去において
有効である。もちろん、他の酸混合物（上記のエレメン
ト成分の１対１０、または１０対１混合物）、あるいは
当該テンプレートの除去のための、当該技術において周
知の他の方法が用いられてよい。当該テンプレートの除
去の後、当該炭素ナノ構造体は解放される。
は骨格が除去される。このことは、酸性溶液内での当該
テンプレートの溶解により行なわれれてよい。実例とし
て、フッ化水素酸ＨＦおよびフッ化アンモニウムＮＨ４
Ｆの、本質的には緩衝化された酸化物溶液である、１対
３混合物での溶液は、当該テンプレートの除去において
有効である。もちろん、他の酸混合物（上記のエレメン
ト成分の１対１０、または１０対１混合物）、あるいは
当該テンプレートの除去のための、当該技術において周
知の他の方法が用いられてよい。当該テンプレートの除
去の後、当該炭素ナノ構造体は解放される。
【００３０】関連技術と異なり、炭素構造物である、本
発明による炭素ナノ構造体は、炭素骨格の外表面のみな
らず、当該炭素骨格の内表面にも帰せられる、並外れて
高い表面積を示す。たとえば、炭素ナノ構造体は１００
０m２／gを越え、さらに好ましくは３０００m２／gを越
えるＢＥＴ表面積を有することがある。一般に、２ｎｍ
よりも小さい孔径をもつゼオライトから解放された炭素
ナノ構造体は、その低分子前駆物質に起因してシングル
ウォールである。これらのシングルウォールおよび３次
元の炭素ナノ構造体は、エネルギー貯蔵、特に水素貯蔵
のための新規な候補である。
発明による炭素ナノ構造体は、炭素骨格の外表面のみな
らず、当該炭素骨格の内表面にも帰せられる、並外れて
高い表面積を示す。たとえば、炭素ナノ構造体は１００
０m２／gを越え、さらに好ましくは３０００m２／gを越
えるＢＥＴ表面積を有することがある。一般に、２ｎｍ
よりも小さい孔径をもつゼオライトから解放された炭素
ナノ構造体は、その低分子前駆物質に起因してシングル
ウォールである。これらのシングルウォールおよび３次
元の炭素ナノ構造体は、エネルギー貯蔵、特に水素貯蔵
のための新規な候補である。
【００３１】次に、本発明の方法を用いた制限しない実
例が、２ｍｎより小さい孔径をもつテンプレートを用い
て記述されるであろう。２ｍｎより小さい孔径をもつこ
れらのテンプレートは、一般にミクロポーラステンプレ
ートと記述される。
例が、２ｍｎより小さい孔径をもつテンプレートを用い
て記述されるであろう。２ｍｎより小さい孔径をもつこ
れらのテンプレートは、一般にミクロポーラステンプレ
ートと記述される。
【００３２】第１の実施例として、ゼオライト（Zeolit
e）ＮａＹ（アルドリッチ（Aldrich））がテンプレート
として使用され、水酸化テトラメチルアンモニウム（Ｃ
Ｈ３）４ＮＯＨ（１Ｍ、アルドリッチ）が前駆物質とし
て用いられた。５グラムのＮａＹが５０ｍｌの（Ｃ
Ｈ３）４ＮＯＨ水溶液とオートクレーブ内で混合され
た。当該オートクレーブは閉じられ、１５０℃まで上げ
られ１２時間加熱された。当該オートクレーブが冷却さ
れた後、試料は濾過され、水で洗浄され、６０℃にて空
気乾燥された。次いで当該試料の炭化は、速い加熱速度
を成就するべく操作可能な赤外線加熱炉において行なわ
れた。当該試料はまず、２００℃において真空中で少な
くとも３０分間ガス抜きされ、次いで炭化のため７００
℃に加熱された。当該試料の色は白色（炭化前）から、
前駆物質のイオン交換および炭化を示す黒色（炭化後）
に変わった。
e）ＮａＹ（アルドリッチ（Aldrich））がテンプレート
として使用され、水酸化テトラメチルアンモニウム（Ｃ
Ｈ３）４ＮＯＨ（１Ｍ、アルドリッチ）が前駆物質とし
て用いられた。５グラムのＮａＹが５０ｍｌの（Ｃ
Ｈ３）４ＮＯＨ水溶液とオートクレーブ内で混合され
た。当該オートクレーブは閉じられ、１５０℃まで上げ
られ１２時間加熱された。当該オートクレーブが冷却さ
れた後、試料は濾過され、水で洗浄され、６０℃にて空
気乾燥された。次いで当該試料の炭化は、速い加熱速度
を成就するべく操作可能な赤外線加熱炉において行なわ
れた。当該試料はまず、２００℃において真空中で少な
くとも３０分間ガス抜きされ、次いで炭化のため７００
℃に加熱された。当該試料の色は白色（炭化前）から、
前駆物質のイオン交換および炭化を示す黒色（炭化後）
に変わった。
【００３３】図２は、異なる反応温度および炭化継続時
間を用いた本実験の試料についてのラマンスペクトルを
描いた図表である。図２から、反応温度および炭化時間
は、良好な試料を得るために共に重要であることが理解
される。室温にて反応され、かつ７００℃にて２０分間
炭化された試料については、炭化試料の色は明るい茶色
であった。この試料のラマンスペクトルは、何らピーク
を示さないが、このことは、当該前駆物質（ＣＨ３）４
ＮＯＨの浸透が非常に低い度合であってことを意味して
いる。１５０℃にて反応され、かつ７００℃にて２０分
間炭化された試料については、当該試料の色は濃い灰色
に変わった。ラマンスペクトルはまた、１６１５ｃｍ
ー１にピークが出現していることを示しており、ゼオラ
イト上の炭素の負荷の増加を示している。炭化を延長す
ることは、ラマンスペクトルをなお一層有益なものにす
る。非常に強くなった１６１５ｃｍ−１のピークの他
に、さらなるピーク（４９０、１３５１、および１４０
３ｃｍ−１）が現われる。
間を用いた本実験の試料についてのラマンスペクトルを
描いた図表である。図２から、反応温度および炭化時間
は、良好な試料を得るために共に重要であることが理解
される。室温にて反応され、かつ７００℃にて２０分間
炭化された試料については、炭化試料の色は明るい茶色
であった。この試料のラマンスペクトルは、何らピーク
を示さないが、このことは、当該前駆物質（ＣＨ３）４
ＮＯＨの浸透が非常に低い度合であってことを意味して
いる。１５０℃にて反応され、かつ７００℃にて２０分
間炭化された試料については、当該試料の色は濃い灰色
に変わった。ラマンスペクトルはまた、１６１５ｃｍ
ー１にピークが出現していることを示しており、ゼオラ
イト上の炭素の負荷の増加を示している。炭化を延長す
ることは、ラマンスペクトルをなお一層有益なものにす
る。非常に強くなった１６１５ｃｍ−１のピークの他
に、さらなるピーク（４９０、１３５１、および１４０
３ｃｍ−１）が現われる。
【００３４】１６１５ｃｍ−１のラマンシグナルは、Ａ
１ｇ対称に帰せられることが可能である。H.D. Sunら、
Appl. Phys, 1999, 69, 381, 「Synthesis and Raman c
haracterization of mono-sized single-walled carbon
nanotubes in one-dimensional channels of AlPO4-5
crystals（ＡｌＰＯ４−５結晶の一次元チャンネルにお
ける単一サイズ、シングルウォールのカーボンナノチュ
ーブの合成とラマンキャラクタリゼーション）」参照。
この振動数の上向きシフトは、シングルウォールカーボ
ンナノチューブとＡｌＰＯ４−５との相互作用に帰せら
れてよい。本発明の試料と、 ＡｌＰＯ４−５中のＳＷ
ＮＴとの、４９０ｃｍ−１付近の弱い微動様式のピーク
と結びついている振動数帯の同一の位置は、ゼオライト
ＮａＹのチャンネル内に炭素が拘束されていることを証
明している。
１ｇ対称に帰せられることが可能である。H.D. Sunら、
Appl. Phys, 1999, 69, 381, 「Synthesis and Raman c
haracterization of mono-sized single-walled carbon
nanotubes in one-dimensional channels of AlPO4-5
crystals（ＡｌＰＯ４−５結晶の一次元チャンネルにお
ける単一サイズ、シングルウォールのカーボンナノチュ
ーブの合成とラマンキャラクタリゼーション）」参照。
この振動数の上向きシフトは、シングルウォールカーボ
ンナノチューブとＡｌＰＯ４−５との相互作用に帰せら
れてよい。本発明の試料と、 ＡｌＰＯ４−５中のＳＷ
ＮＴとの、４９０ｃｍ−１付近の弱い微動様式のピーク
と結びついている振動数帯の同一の位置は、ゼオライト
ＮａＹのチャンネル内に炭素が拘束されていることを証
明している。
【００３５】図３は、１時間にわたり炭化された試料の
熱重量曲線を示す。３００℃より前の重量損失は、主と
してゼオライト内部の水に帰せられることが可能であ
り、一方５５０℃付近の第２のピークの重量損失は炭化
のためである。当該炭素のシングルウォール特性は、積
み重ねられたグラファイト層が６５０℃を越えると燃焼
し始めるのに対し、無定形炭素は４５０℃未満ですべて
焼きつくされることから、燃焼温度（４５０℃〜６５
℃）により部分的に支持されることが可能である。この
試料中のゼオライトにおける炭素の量は、３．３重量％
と測定された。
熱重量曲線を示す。３００℃より前の重量損失は、主と
してゼオライト内部の水に帰せられることが可能であ
り、一方５５０℃付近の第２のピークの重量損失は炭化
のためである。当該炭素のシングルウォール特性は、積
み重ねられたグラファイト層が６５０℃を越えると燃焼
し始めるのに対し、無定形炭素は４５０℃未満ですべて
焼きつくされることから、燃焼温度（４５０℃〜６５
℃）により部分的に支持されることが可能である。この
試料中のゼオライトにおける炭素の量は、３．３重量％
と測定された。
【００３６】図４は、ゼオライトＮａＦの除去後の炭素
のラマンスペクトルを示す。図２に示されたゼオライト
からの解放前のラマンスペクトルと比較して、ラマンシ
フトにおけるばかりでなく、１６１５ｃｍ−１から１５
９２ｃｍ−１へシフトしているピーク特性においてもい
くつかの変化があり、該ゼオライトテンプレートが酸処
理により除去されことにより、該ゼオライトテンプレー
トと該炭素ナノ構造体との間に何ら相互作用がないこと
を示している。図４は、構造上の再編成を示唆している
かもしれない。
のラマンスペクトルを示す。図２に示されたゼオライト
からの解放前のラマンスペクトルと比較して、ラマンシ
フトにおけるばかりでなく、１６１５ｃｍ−１から１５
９２ｃｍ−１へシフトしているピーク特性においてもい
くつかの変化があり、該ゼオライトテンプレートが酸処
理により除去されことにより、該ゼオライトテンプレー
トと該炭素ナノ構造体との間に何ら相互作用がないこと
を示している。図４は、構造上の再編成を示唆している
かもしれない。
【００３７】限定しないさらなる実施例として、炭素の
負荷が約８０重量％に達しているか、または言い換えれ
ば、シングルウォール炭素の理論値が該ゼオライトの内
部を満たしている、本発明による炭素ナノ構造体が製造
されている。図５ａは、ゼオライトＮａＹテンプレート
の走査電子画像を示しており、図５ｂは、本発明のゼオ
ライトＮａＹ炭素複合材から取外された炭素ナノ構造体
を描いている。図５ｂの炭素ナノ構造体について行なわ
れた熱重量分析は、当該炭素ナノ構造体には何らゼオラ
イトＮａＹがなかったことを示した；すなわち、約１０
０％の炭素含有率をである。
負荷が約８０重量％に達しているか、または言い換えれ
ば、シングルウォール炭素の理論値が該ゼオライトの内
部を満たしている、本発明による炭素ナノ構造体が製造
されている。図５ａは、ゼオライトＮａＹテンプレート
の走査電子画像を示しており、図５ｂは、本発明のゼオ
ライトＮａＹ炭素複合材から取外された炭素ナノ構造体
を描いている。図５ｂの炭素ナノ構造体について行なわ
れた熱重量分析は、当該炭素ナノ構造体には何らゼオラ
イトＮａＹがなかったことを示した；すなわち、約１０
０％の炭素含有率をである。
【００３８】図５ａおよび５ｂが示すように、当該炭素
ナノ構造体はゼオライトテンプレートの形状を維持して
いる。当該ゼオライトテンプレートの形状の維持は、約
８重量％の炭素負荷を示しており、炭素ナノ構造体を調
製するためのイオン交換を用いた本発明の方法の有効性
を証明している。
ナノ構造体はゼオライトテンプレートの形状を維持して
いる。当該ゼオライトテンプレートの形状の維持は、約
８重量％の炭素負荷を示しており、炭素ナノ構造体を調
製するためのイオン交換を用いた本発明の方法の有効性
を証明している。
【００３９】本発明は、特定の上記の態様に限定されな
い。請求項において定義されたような本発明の精神およ
び範囲からはずれることなく、本発明に対し多くの修正
がなされてもよいことが予期される。
い。請求項において定義されたような本発明の精神およ
び範囲からはずれることなく、本発明に対し多くの修正
がなされてもよいことが予期される。
【図１】本発明による炭素ナノ構造体の調製法について
の略図である。
の略図である。
【図２】本発明の方法を用いて取得された、異なる反応
温度および異なる炭化時間を受けた試料のラマンスペク
トルを描いている。
温度および異なる炭化時間を受けた試料のラマンスペク
トルを描いている。
【図３】ゼオライト炭素複合材の熱重量曲線とその派生
物である。
物である。
【図４】本発明の方法を用いて開発されたテンプレート
の取外しの後の炭素ナノ構造体についてのラマンスペク
トルを描いている。
の取外しの後の炭素ナノ構造体についてのラマンスペク
トルを描いている。
【図５】図５ａはゼオライトＮａＹテンプレートの走査
電子画像であり、図５bーはゼオライトＮａＹ炭素複合
材から取外された炭素ナノ構造体の走査電子画像であ
る。
電子画像であり、図５bーはゼオライトＮａＹ炭素複合
材から取外された炭素ナノ構造体の走査電子画像であ
る。
１０ テンプレート
２０ 前駆物質
３０ 有機構造体
４０ 炭素複合材
５０ 炭素ナノ構造体
─────────────────────────────────────────────────────
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）
Ｃ０７Ｃ 211/65 Ｃ０７Ｃ 211/65
(72)発明者 阿多 誠文
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） 4G046 CB01 CB05 CC01
4G073 BD16 CZ02 CZ04 CZ05 CZ07
CZ13 CZ41 DZ04
4H006 AA01 AB44 AC93 AD33 BA02
BA09 BA30 BA33
Claims (30)
- 【請求項１】 テンプレートと；当該テンプレートの交
換可能なイオンとの、交換可能な部位を通したイオン交
換により、当該テンプレートに対して化学的に結合され
た前駆物質であって、少なくとも一つの陽イオン中心を
有しており、かつＭｘＯｙＣｍＨｎで表され、Ｍは少な
くとも一つのＶＢエレメントを含んでいる陽イオン中心
であってｘは１〜１０の範囲内にあり、Ｏは酸素であっ
てｙは０〜１０の範囲内にあり、Ｃは炭素であってｍは
１〜１００の範囲内にあり、さらにＨは水素であってｎ
は２〜２００の範囲内にある前駆物質、を含む有機構造
体。 - 【請求項２】 前記前駆物質が（ＣａＨ２ａ＋１）４Ｎ
βおよび（ＣａＨ２ ａ＋１）４Ｐβの少なくとも一つを
含んでおり、Ｎは窒素であり、Ｐはリンであり、βは陰
イオンまたはハロゲンであり、ａは１〜１０の範囲内で
あることを特徴とする請求項１の有機構造体。 - 【請求項３】 前記テンプレートが０．３ｎｍ〜２ｎｍ
の範囲の孔径を有するゼオライトであることを特徴とす
る請求項１の有機構造体。 - 【請求項４】 前記テンプレートが２ｎｍ〜３０ｎｍの
範囲の孔径を有するメソポーラスモレキュラーシーブで
あることを特徴とする請求項１の有機構造体。 - 【請求項５】 前記ゼオライトが、ゼオライトＡ、ゼオ
ライトＸ、ゼオライトＹ、モルデン沸石、ＺＳＭ−５、
ＶＰＩ−５、およびＡＦＩ−５の、少なくとも一つを含
むことを特徴とする請求項３の有機構造体。 - 【請求項６】 前記メソポーラスモレキュラーシーブ
が、 ＭＣＭ−４１、ＭＣＭ−４８、ＳＡＢ−１５、お
よびＳＢＡ−１の、少なくとも一つを含むことを特徴と
する請求項４の有機構造体。 - 【請求項７】 前記交換可能なイオンが、Ｌｉ＋、Ｎａ
＋、およびＫ＋の少なくとも一つを含むアルカリ金属イ
オンを含むことを特徴とする請求項１の有機構造体。 - 【請求項８】 炭素複合材であって：封入された炭素を
含んでいるテンプレートを含んでおり、前記炭素が、当
該テンプレートの交換可能なイオンとの、交換可能な部
位を通したイオン交換により、当該テンプレートに対し
て化学的に結合された前駆物質から形成され、かつ前記
テンプレート内で炭化され、前記前駆物質が少なくとも
一つの陽イオン中心を有しており、かつＭｘＯｙＣｍＨ
ｎで表され、Ｍは少なくとも一つのＶＢエレメントを含
んでいる陽イオン中心であってｘは１〜１０の範囲内に
あり、Ｏは酸素であってｙは０〜１０の範囲内にあり、
Ｃは炭素であってｍは１〜１００の範囲内にあり、さら
にＨは水素であってｎは２〜２００の範囲内にあること
を特徴とする炭素複合材。 - 【請求項９】 前記前駆物質が（ＣａＨ２ａ＋１）４Ｎ
βおよび（ＣａＨ２ ａ＋１）４Ｐβの少なくとも一つを
含んでおり、Ｎは窒素であり、Ｐはリンであり、βは陰
イオンまたはハロゲンであり、ａは１〜１０の範囲内で
あることを特徴とする請求項８の炭素複合材。 - 【請求項１０】 前記テンプレートが０．３ｎｍ〜２ｎ
ｍの範囲の孔径を有するゼオライトであることを特徴と
する請求項８の炭素複合材。 - 【請求項１１】 前記テンプレートが２ｎｍ〜３０ｎｍ
の範囲の孔径を有するメソポーラスモレキュラーシーブ
であることを特徴とする請求項８の炭素複合材。 - 【請求項１２】 前記炭素が前記炭素複合材の少なくと
も１重量％であることを特徴とする請求項８の炭素複合
材。 - 【請求項１３】 前記炭素が多孔性であることを特徴と
する請求項８の炭素複合材。 - 【請求項１４】 前記ゼオライトテンプレートをもつ前
記炭素複合材が、５００ｍ２／ｇを越えるＢＥＴ表面積
を有することを特徴とする請求項１０の炭素複合材。 - 【請求項１５】 炭素ナノ構造体の製造法であって：前
駆物質の水溶液であって、前記前駆物質が少なくとも一
つの陽イオン中心を有しており、かつＭｘＯｙＣｍＨｎ
で表され、Ｍは少なくとも一つのＶＢエレメントを含ん
でいる陽イオン中心であってｘは１〜１０の範囲内にあ
り、Ｏは酸素であってｙは０〜１０の範囲内にあり、Ｃ
は炭素であってｍは１〜１００の範囲内にあり、さらに
Ｈは水素であってｎは２〜２００の範囲内にある水溶液
を調製すること；交換可能な部位に交換可能なイオンを
有するテンプレートを前記前駆物質の水溶液内に置き、
それにより、前記テンプレートの交換可能なイオンと
の、前記交換可能な部位を通したイオン交換により、前
記前駆物質を前記テンプレートに対して化学的に結合
し、有機構造体を形成すること；前記前駆物質の水溶液
から前記有機構造物を除去すること、および前記有機構
造体の外表面上に化学的に結合された遊離の前駆物質を
除去すること；前記前駆物質の少なくとも大半が炭素ナ
ノ構造体として炭化されるまで、前記有機構造物を加熱
すること；および前記テンプレートを前記有機構造物か
ら除去して前記炭素ナノ構造体を取得すること、を含む
方法。 - 【請求項１６】 前記前駆物質が（ＣａＨ２ａ＋１）４
Ｎβおよび（ＣａＨ ２ａ＋１）４Ｐβの少なくとも一つ
を含んでおり、Ｎは窒素であり、Ｐはリンであり、βは
陰イオンまたはハロゲンであり、ａは１〜１０の範囲内
であることを特徴とする請求項１５の炭素ナノ構造体の
製造法。 - 【請求項１７】 前記テンプレートがゼオライト構造体
であることを特徴とする請求項１５の炭素ナノ構造体製
造法。 - 【請求項１８】 前記テンプレートがメソポーラスモレ
キュラーシーブであることを特徴とする請求項１５の炭
素ナノ構造体製造法。 - 【請求項１９】 前記交換可能なイオンがアルカリイオ
ンを含むことを特徴とする請求項１５の炭素ナノ構造体
製造法。 - 【請求項２０】 前記テンプレートが前記前駆物質の水
溶液内に置かれた後、１００℃未満の温度および周囲の
圧力を有する環境において、前記テンプレートと前記前
駆物質とを撹拌することによりイオン交換を増大させる
ことをさらに含むことを特徴とする請求項１５の炭素ナ
ノ構造体製造法。 - 【請求項２１】 前記テンプレートが前記前駆物質の水
溶液内に置かれた後、１００℃以上の温度および１気圧
より高い圧力を有する環境において、前記テンプレート
と前記前駆物質とを撹拌することによりイオン交換を増
大させることをさらに含むことを特徴とする請求項１５
の炭素ナノ構造体製造法。 - 【請求項２２】 前記温度が１２０℃〜３００℃の範囲
にあることを特徴とする請求項２１の炭素ナノ構造体製
造法。 - 【請求項２３】 前記有機構造体の加熱が５００℃〜１
２００℃の範囲にある温度におけることを特徴とする請
求項１５の炭素ナノ構造体製造法。 - 【請求項２４】 ５０を越える分子量をもち、かつ５０
％を越える炭素質量パーセントをもつ前駆物質を用いる
ことを特徴とする請求項１５の炭素ナノ構造体製造法。 - 【請求項２５】 前記テンプレートが、酸性溶液を用い
て前記テンプレートを溶解することにより前記有機構造
体から除去されることを特徴とする請求項１５の炭素ナ
ノ構造体製造法。 - 【請求項２６】 前記有機構造体が真空または希ガス中
で加熱されることを特徴とする請求項１５の炭素ナノ構
造体製造法。 - 【請求項２７】 前記加熱が１０℃／分を越える加熱速
度で加熱されることを特徴とする請求項１５の炭素ナノ
構造体製造法。 - 【請求項２８】 前記加熱が少なくとも５００℃／分の
加熱速度を成就するべく操作可能な赤外線加熱炉を用い
て行なわれることを特徴とする請求項１５の炭素ナノ構
造体製造法。 - 【請求項２９】 ０．４ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内の格子
をもつ周期的な規則構造を含むことを特徴とする、請求
項１５の方法に由来する炭素ナノ構造体。 - 【請求項３０】 １０００ｍ２／ｇを越えるＢＥＴ表面
積を有することを特徴とする、請求項１５の方法に由来
する炭素ナノ構造体。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002033152A JP2003231099A (ja) | 2002-02-08 | 2002-02-08 | ゼオライト−有機複合材およびモレキュラーシーブ由来の炭素ナノ構造体と当該炭素ナノ構造体の製造法 |
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| JP2002033152A JP2003231099A (ja) | 2002-02-08 | 2002-02-08 | ゼオライト−有機複合材およびモレキュラーシーブ由来の炭素ナノ構造体と当該炭素ナノ構造体の製造法 |
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| JP2002033152A Pending JP2003231099A (ja) | 2002-02-08 | 2002-02-08 | ゼオライト−有機複合材およびモレキュラーシーブ由来の炭素ナノ構造体と当該炭素ナノ構造体の製造法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN109970076A (zh) * | 2017-12-28 | 2019-07-05 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种表面包覆硅铝介孔层的y型分子筛及其制备方法 |
| CN115043412A (zh) * | 2022-06-08 | 2022-09-13 | 青岛科技大学 | 一种多孔碳材料及其制备方法和应用 |
-
2002
- 2002-02-08 JP JP2002033152A patent/JP2003231099A/ja active Pending
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