JP2004002182A - 配向性カーボンナノチューブ膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配向した多数本のカーボンナノチューブから構成される配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法の提供および、電界放出特性等に優れた性能を有する細いカーボンナノチューブからなる配向膜。
【解決手段】０．１〜５０ｎｍの細孔を有するゾルゲル法多孔質担体に触媒微粒子を担持し、炭素化合物を分解することにより該担体表面に該担体と垂直方向に配向性のあるカーボンナノチューブの膜を形成させる。原料ゾルには、アルミナ微粒子、水酸化アルミニウム微粒子、シリカ微粒子あるいはその混合物の分散液を用いる。または、アルミニウムアルコキシド、アルコキシシランあるいはその混合物あるいはその溶液を用い、微細孔テンプレートとして、可燃性あるいは熱分解性の有機化合物を添加したものを用いる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配向した多数本のカーボンナノチューブから構成される配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法に関する。本発明は、電子放出源、電池の電極、ガス分離膜、センサー、エネルギー貯蔵などの用途の配向性カーボンナノチューブ膜を製造する方法として好適である。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、１９９１年に飯島澄男氏によって発見されたもので（非特許文献１参照）、一般的な形状は、直径１〜１００ｎｍ、長さ１〜１００μｍであり、非常に細長い中空のチューブ状の炭素材料である。
【０００３】
カーボンナノチューブの用途としては、電子放出源、電池の電極、ガス分離膜、センサー、エネルギー貯蔵など広い分野で提案、期待されている。但し、これらの用途にカーボンナノチューブを用いる場合、個々のチューブの特徴を集約でき、効果的かつ容易に装置に組み込めることができる形状として、チューブが一方向に配向している形状を成している方が好ましい。また、電子放出特性や強度などの物性においては、外径がより細い方が有利であることも立証されている。
【０００４】
カーボンナノチューブを製造する方法としては、グラファイトを電極としてアーク放電する方法、グラファイトをレーザーで昇華する方法、あるいは浮遊している金属触媒を用いて炭素化合物を気相分解する方法などが一般的である。しかしながら、これらの方法では得られた多数のカーボンナノチューブには配向性がなく、束形状あるいは膜形状を形成することができなかった。
【０００５】
配向性カーボンナノチューブ膜あるいは束形状の配向性カーボンナノチューブを形成させる方法は、別途製造したカーボンナノチューブを基板に並べる方法（例えば、特許文献１、２参照）および基板上でカーボンナノチューブを製造する方法に分けられる。特に、後者は、一方向に均一に配向させることが容易であるため、より優れた方法である。基板にカーボンナノチューブを形成する方法としては、（１）触媒金属膜を生成させ、これをエッチング処理した基板上で、炭化水素を熱分解する（例えば、特許文献３、４、５参照）、（２）ゾルゲル法にて鉄含有メソポーラスシリカ基板を作製し、水素で還元処理したのち、アセチレンを熱分解する方法（非特許文献２参照）、（３）基板上にプラズマやマイクロ波を照射し、カーボンナノチューブを生成させる（例えば、特許文献６参照）、（４）シリコン基板上にエピタキシャル成長により炭化ケイ素単結晶薄膜を形成させ、エッチング処理により炭化ケイ素単結晶薄膜を基板から分離して含酸素雰囲気下で高温加熱処理する方法（例えば、特許文献７参照）、（５）アルミニウム板を陽極酸化し、酸化皮膜の底部にコバルトを電析させて作製した基板を、一酸化炭素で還元処理したのち、アセチレンを熱分解する方法（例えば、特許文献８参照）、（６）真空蒸着により基板表面に金属触媒層を形成し炭化水素を熱分解する（例えば、特許文献９参照）、あるいは（７）触媒微粒子を逆ミセル法等により調製し、これを基板に担持して、炭化水素を熱分解する（例えば、特許文献１０参照）などがある。しかしながら、いずれの方法も、配向性のあるカーボンナノチューブを形成させるための基板の作製工程が煩雑であり、狭い面積でしか配向性のあるカーボンナノチューブを形成できないなどの問題があり、上述した用途に好適な、大面積の配向性カーボンナノチューブ膜を安価に製造することが困難であった。また、（４）を除くいずれの方法においても、外径２０ｎｍ以上の太いカーボンナノチューブによる配向膜しか生成しなかった。
本発明者らは、上記の如き現状に鑑み、外径２０ｎｍ以下の細いカーボンナノチューブによる配向膜を簡便に作製する方法として、単独では触媒作用を持たない元素を被覆し他の触媒作用を持つ金属元素あるいはその化合物を担持させた基板を用いて、炭素化合物を分解することにより、該基板表面上に該基板と垂直方向に配向したカーボンナノチューブ膜を形成させる方法を見出した（特許文献１１参照）。また、単独では触媒作用を持たない元素をゾルゲル法による微細孔担体膜とする方法も見出した（特許文献１２参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｎａｔｕｒｅ，３５４，ｐｐ．５６−５８（１９９１）
【非特許文献２】
Ｎａｔｕｒｅ，３９４，ｐｐ．６３１−６３２（１９９８）
【特許文献１】
特開２００１−１３０９０４号公報
【特許文献２】
特開２００１−３１２９５３号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５０７７号公報
【特許文献４】
特開２００１−２００７１号公報
【特許文献５】
特開２００１−２００７２号公報
【特許文献６】
特開２０００−２０３８１９号公報
【特許文献７】
特開２０００−１０９３０８号公報
【特許文献８】
特開２００１−１３９３１７号公報
【特許文献９】
特開２００１−２２０６７４号公報
【特許文献１０】
特開２００１−６２２９９号公報
【特許文献１１】
特願２００１−１２０３５７
【特許文献１２】
特願２００２−８３０４４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、より外径の細いＣＮＴからなる配向膜を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明では０．１〜５０ｎｍの細孔を有するゾルゲル法多孔質担体を作製し、これに担持した触媒を用いて炭素化合物を分解することにより、該多孔質担体に垂直に配向したカーボンナノチューブ膜を製造する。ゾルゲル法の原料ゾルにはアルミナ微粒子、水酸化アルミニウム微粒子、シリカ微粒子あるいはその混合物の分散液を用いる。またはアルミニウムアルコキシド、アルコキシシランあるいはその混合物あるいはその溶液を用い、微細孔テンプレートとして、可燃性あるいは熱分解性の有機化合物を添加する。外径１０ｎｍ以下のカーボンナノチューブからなる配向膜は、電子放出特性や剛性などにおいてすぐれた物性を示す。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳しく説明する。
本実施形態における配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法は、０．１〜５０ｎｍの細孔を有するゾルゲル法多孔質担体を作製し、これに担持した触媒を用いて炭素化合物を分解することにより、担体面に垂直に配向したカーボンナノチューブ膜を製造する方法である。
【００１０】
本発明には、触媒の担体として５０ｎｍ以下の微細孔を多く有する多孔質担体が用いられる。細孔内に触媒を担持するため、細いカーボンナノチューブを製造するためには、細孔径の小さな多孔質体が好ましい。多孔質担体の製法はゾルゲル法、発泡法、溶出法、陽極酸化法、天然物の使用等、種々の方法が知られている。中でも、ゾルゲル法は、大面積で一応の面を形成できる、任意の形状に成型できる、任意の形状の支持体表面に形成できる、細孔分布の制御が可能、操作が容易、安価である等多くの利点がある。
【００１１】
多孔質膜を支持体上に形成させる場合、支持体としては耐熱性材料であればいずれでも良く、金属、金属酸化物、セラミックス、ガラス、シリコン、酸化シリコン等が挙げられる。なかでも、より強い耐熱性があり、ゾルゲル法により容易に任意の形状を形成でき、また多孔質担体の原料ゾルの塗付が容易である多孔質セラミックスが好ましく用いられる。
【００１２】
カーボンナノチューブの製造は炭素化合物の熱分解により行うため、担体にはある程度の耐熱性が必要である。このような多孔質体として、セラミックス、ゼオライト、ガラス、シリコン、貴金属等が挙げられる。なかでも、製造および細孔径の制御が容易である、セラミックスが好ましく用いられる。
【００１３】
ところで、カーボンナノチューブの管径は、その触媒の種類、粒径および反応条件に影響を受ける。特に、触媒粒径が大きく影響する。また、触媒の種類や反応条件が同一の場合、触媒粒径によりカーボンナノチューブの管径が決定される。一般的に、カーボンナノチューブの触媒は粒径が小さい方が好ましく、５０ｎｍ以下が好ましい。さらに、より細いカーボンナノチューブを製造するためには、より粒径の小さな触媒を用いるのが好ましく、また、管径の揃ったカーボンナノチューブとするには、触媒粒径が揃ったものが好ましい。そのため、カーボンナノチューブの触媒を担体の細孔に担持するには、０．１〜５０ｎｍの細孔を有する担体を用いるのが好ましい。さらに、目的に応じては、細孔をより小さくする、あるいは細孔分布を狭くするのが好ましい。
【００１４】
本発明に用いられるゾルゲル法多孔質担体の中でも、構造制御が可能なものとして、アルミナ、シリカ、シリカアルミナが挙げられる。
ゾルゲル法アルミナ、シリカあるいはシリカアルミナの製造は多孔質体を製造する際に一般的に行われている方法で製造できる。すなわち、水酸化アルミニウムゾルやシリカゾルを任意の割合で混合し、これをそのまま、あるいは目的の基板に塗付し、空気中焼成することにより得ることができる。当方法で多孔質体の細孔分布を制御するには、原料ゾルや製法に厳密な制御を要する。
【００１５】
原料ゾルには、粒径１００ｎｍ以下のアルミナ微粒子、水酸化アルミニウム微粒子およびシリカ微粒子が用いられる。これらは単独の粒子でも良く、また数珠状に繋がっていても良い。
【００１６】
また、原料ゾルの組成としては、シリカ単独、アルミナ単独またはこれらの混合とすることができる。シリカとアルミナの混合割合を任意に選ぶことにより、担体膜のシリカアルミナ比を任意に選ぶことができる。一般的に、担体のシリカアルミナ比により触媒の担持状態が変わる。つまり、担体と浸漬する触媒の相性に良し悪しが生じる場合がある。担体と触媒の組み合わせを好適に選ぶことにより、より純度の高いカーボンナノチューブを製造することができる。
【００１７】
原料ゾル１種類から製造する場合、成分粒子の粒径により生成する多孔質体の細孔分布が影響する。粒径が大きければ大きめの細孔が、粒径が小さければ小さめの細孔が生成する。原料ゾルを２種類以上とした場合、その組み合わせや混合割合により細孔径が大きく変化する。組み合わせによっては、原料ゾル１種類より細孔径が小さく分布の狭いものも製造できる。組み合わせが悪いと、細孔分布が広くなる、混合しただけでゲル化してしまい均一なゾルを製造できない等の問題が生じる。
【００１８】
また、ゾルの焼成温度も細孔分布に影響を受ける。例えばアルミナの場合、焼成温度が低いと結晶性が悪く、小さな細孔を多数有する好ましいアルミナとなる。焼成温度が高いと、結晶性がよくなり、小さな細孔が消失していく。本発明においては、焼成温度は５００〜９００℃が好ましく、より好ましくは６００〜８００℃である。
【００１９】
より小さな細孔を有する担体を製造する方法として、アルミニウムアルコキシド、アルコキシシランあるいはその混合物あるいはその溶液を用い、微細孔テンプレートとして、可燃性あるいは熱分解性の有機化合物を添加する方法を用いることもできる。
【００２０】
アルミニウムアルコキシドとしては、アルミニウムトリメトキシド、アルミニウムトリエトキシド、アルミニウムトリ−ｎ−プロポキシド、アルミニウムトリ−ｉ−プロポキシド、アルミニウムトリ−ｎ−ブトキシド、アルミニウムトリ−ｓｅｃ−ブトキシド、アルミニウムトリ−ｔｅｒｔ−ブトキシド等が挙げられる。アルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラ−ｎ−プロポキシシラン、テトラ−ｎ−ブトキシシラン等が挙げられる。これらは、単独、混合物あるいは溶液として用いることができる。ただし、これらの中には粉末状のものもあり、その場合は必ず溶液で用いることになる。また、組み合わせによってはゲル化してしまうものもある。
【００２１】
アルミニウムアルコキシドおよびアルコキシシランは、それぞれ単独または混合物として用いることができる。ここでも、混合割合を任意に選ぶことにより、担体膜のシリカアルミナ比を任意に選ぶことができる。
アルミニウムアルコキシドやアルコキシシランを溶媒に溶解して用いる場合、その溶媒には、種々の有機溶媒が用いられる。例えば、アルコール類、ケトン類、エステル類、芳香族類、炭化水素類等が挙げられ、均一溶液になれば何でも良い。
【００２２】
上述の均一ゾル溶液に、微細孔テンプレートとして、可燃性あるいは熱分解性の有機化合物を添加する。有機化合物の形状が細孔の形状に影響するので、目的の細孔径に合う適当な大きさの有機化合物が用いられる。また、後のゾル焼成工程で消失するのが好ましいため、可燃性または熱分解性の有機化合物が好ましい。この条件を満たす有機化合物として、４級アンモニウム塩類が好適に用いられる。
【００２３】
４級アンモニウム塩としては、テトラメチルアンモニウム塩、テトラエチルアンモニウム塩、テトラ−ｎ−プロピルアンモニウム塩、テトラ−ｉ−プロピルアンモニウム塩、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム塩が挙げられる。塩のアニオン種としては、水酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨー化物等が挙げられる。これらは、目的とする細孔の大きさに応じて選ぶことができる。
【００２４】
また、微細孔テンプレートとして用いる可燃性あるいは熱分解性の有機化合物の添加量に応じて、微細孔の密度を制御することができる。つまり、微粒子触媒の密度を任意に選ぶことができ、したがって、配向膜のカーボンナノチューブ密度が制御できる。
【００２５】
上述のゾルは、触媒として酸および水を添加した後、支持体に塗布し、焼成される。この時の焼成温度は、３００〜９００℃、好ましくは、３５０〜７００℃、さらに好ましくは４００〜６００℃である。
【００２６】
上述のように、原料ゾルの選定や焼成条件を選ぶことにより、任意の細孔分布を要する多孔質担体を製造できる。また、細孔分布を制御した担体を用いることにより、それに応じた任意の管径、密度のカーボンナノチューブからなる配向膜を製造することができる。
【００２７】
本発明に用いられる触媒は、カーボンナノチューブを形成する触媒であればいずれでも良く、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｎｉおよびこれらの化合物が用いられる。これらの触媒は単独または混合物として用いることができる。
【００２８】
ここで用いられる触媒金属化合物のアニオン種としては、金属化合物が溶媒に溶解すればいずれでも良く、例えば塩の種類として、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩、ナフテン酸塩、塩化物、フッ化物、臭化物、ヨウ化物等が挙げられる。また、金属錯体として、オクタカルボニル、フタロシアニン等の錯体でも可能である。中でも、好ましく用いられるのは、硝酸塩、酢酸塩、炭酸塩及びナフテン酸塩である。これらは、後の工程で、空気中で焼成することにより、全て金属酸化物となり、他のイオンや化合物は残存しなくなる。これらは単独又は２種以上の混合物として用いることもできる。
【００２９】
本発明における触媒の担持方法は、多孔質担体細孔内に触媒を担持させる方法であればいずれでも良く、含浸法、浸漬法等が挙げられる。いずれも、担体の細孔をテンプレートとして触媒微粒子を形成できる。
【００３０】
ここで担持された触媒の粒径は、０．１〜５０ｎｍであることが好ましい。より好ましくは、０．１〜２０ｎｍ、さらに好ましくは０．１〜１０ｎｍである。触媒の粒径が小さいことにより、より細いカーボンナノチューブが生成し得る。粒径の大きな触媒は、太いカーボンナノチューブやアモルファスカーボンを生成させるため、より少ないほうが好ましい。
【００３１】
続いて、上述の触媒担持基板は空気中で焼成される。これにより、金属塩の一部あるいは全てが脱水または酸化され、金属酸化物となる。この時の焼成温度は、５０〜７００℃、好ましくは３００〜６００℃である。ただし、酢酸塩のような酸素がなくても熱分解で酸化物になるものは、高温で焼成しなくとも良い。後の反応工程での昇温により、酸化物となるためである。
【００３２】
触媒の担持方法としてより好ましい方法は、金属塩水溶液に塩基を添加して中性あるいは弱塩基性溶液とし、これを多孔質担体細孔内で乾燥焼成する方法である。金属塩水溶液は、液性を中性あるいは弱塩基性とすることにより、その濃縮時に金属水酸化物が沈殿する。したがって、担体の細孔内で濃縮することにより、担体細孔径より小さな金属水酸化物が生成する。このようにしてできた金属水酸化物は焼成することにより、金属酸化物微粒子となる。一般に、金属水酸化物は、焼成することにより体積は収縮し、かつ砕解され、より小さな金属酸化物微粒子となる。
【００３３】
ここで用いられる金属塩の金属元素としては、カーボンナノチューブを生成する触媒活性を示し、かつ、水に不溶性の金属水酸化物を生成するものが好ましい。このような性質をもつ元素として、周期律表の６Ａ族、７Ａ族、および８族の金属元素が挙げられる。なかでも、カーボンナノチューブの生成に高活性の触媒としてＣｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ等が一般的に知られており、本発明においても好ましい元素である。
【００３４】
本発明に用いられる金属塩のアニオン種としては、金属塩が水溶性であればいずれでも良く、例えば塩の種類として、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩、ナフテン酸塩、塩化物、フッ化物、臭化物、ヨウ化物等が挙げられる。また、金属錯体として、オクタカルボニル、フタロシアニン等の水溶性錯体でも可能である。中でも、好ましく用いられるのは、硝酸塩、酢酸塩、炭酸塩及びナフテン酸塩である。これらは、空気中で焼成することにより、全て金属酸化物となり、他のイオンや化合物は残存しなくなる。これらは単独又は２種以上の混合物として用いることもできる。
【００３５】
金属塩水溶液に添加する塩基としては、液を塩基性にするものなら何でも良い。当発明に用いられる塩基としては、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、リン酸ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、アンモニア、水溶性アミン類等が挙げられる。これらは、単体又は水溶液として用いることができる。中でも、アンモニアまたは水溶性アミン類が好適に用いられる。これらは、後の工程において空気中での焼成等の操作により除去が容易であり、アルカリ金属等の塩の残留がない。特に、取り扱いの容易さからアンモニア水が好適に用いられる。
【００３６】
ここで添加する塩基の量であるが、金属種やその濃度により異なるが、金属水酸化物が微量沈殿する程度で良い。この時の水素イオン濃度は、例えば金属種がコバルト（ＩＩ）であればｐＨ６．０〜８．０、鉄（ＩＩＩ）であればｐＨ１．０〜２．０となる。厳密にいえば、金属水酸化物の溶解度積から算出される飽和濃度程度が良いが、塩基を添加しすぎても、粒子径の大きな金属水酸化物が沈殿するのみであり、これは担体の細孔には担持されないのであまり影響がない。また、粒子径の大きな金属水酸化物はろ過、デカンテーション、遠心分離等の操作で容易に除去することができる。ただし、あまりにも大過剰に塩基を添加しすぎると、金属イオンが全て沈殿してしまい、細孔に担持されるべき金属種がなくなってしまう。
【００３７】
上述のように調製された触媒液に、適切な細孔径を有する多孔質担体あるいは多孔質担体膜形成基板を浸漬する。浸漬時間は、触媒液が担体細孔内に十分進入できれば良く、３分以上が好ましい。上述の金属塩水溶液を浸漬した触媒担持基板は、空気中で乾燥される。細孔内の触媒液が乾燥することにより、細孔内に細孔径より小さな金属水酸化物が沈殿する。
【００３８】
続いて、上述の触媒担持基板は空気中で焼成される。これにより、金属水酸化物の一部あるいは全てが脱水及び酸化され、金属酸化物となる。この時の焼成温度は、２００〜７００℃、好ましくは３００〜６００℃である。
【００３９】
焼成時間については、焼成温度によって最適値が異なるが、１時間以上が好ましい。これにより、カーボンナノチューブ配向膜を製造する基板が完成する。
上述の触媒担持基板を用いて炭素化合物を分解することにより、配向性カーボンナノチューブ膜が生成する。使用される炭素化合物は、適当な触媒の存在下で、カーボンナノチューブを生じさせるものなら何でも良く、例えば、メタン、エタン、プロパンなどの飽和炭化水素化合物、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの不飽和炭化水素化合物、ベンゼン、トルエンなどの芳香族炭化水素化合物、メタノール、エタノール、アセトンなどの含酸素炭化水素化合物などが挙げられ、好ましくは、メタン、エチレン、プロピレン、アセチレン、メタノール、エタノール、プロパノールである。該炭素化合物の導入形態としては、ガス状のまま導入しても良いし、アルゴンのような不活性ガスと混合して導入しても良いし、あるいは不活性ガス中の飽和蒸気として導入しても良い。また、ナノチューブに組み込まれるホウ素、窒素などのヘテロ元素を含む化合物を混ぜることで、ヘテロ元素含有ナノチューブとすることも可能である。該炭素化合物の分解反応としては、熱分解が最も一般的で、好ましい反応温度は４００〜１１００℃、より好ましくは５００〜９００℃、好ましい反応圧力は１ｋＰａ〜１ＭＰａ、より好ましくは０．０１〜０．１２ＭＰａである。
【００４０】
本実施形態において、触媒粒子は、カーボンナノチューブの生成後には各カーボンナノチューブの先端部分すなわち配向性カーボンナノチューブ膜の膜面側に内包されていることが多い。
【００４１】
本発明の製造方法によると、高さ１〜１００μｍ、面積５０ｃｍ^２以上の配向性カーボンナノチューブ膜を基板上に一様に生成させることができる。この時、個々のカーボンナノチューブの外径は１〜５０ｎｍの範囲で製造できる。
【００４２】
外径１０ｎｍ以下のカーボンナノチューブからなる配向膜は、電子放出特性や剛性などにおいてすぐれた物性を示す。また、長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブからなる配向膜は扱いが容易となる。
【００４３】
図１において、１は、支持体、２は、多孔質担体そして３は、カーボンナノチューブ配向膜を示す。
【００４４】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明の方法を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
シリカ２５％、アルミナ７５％の組成で、厚さ２ｍｍ、一辺３０ｍｍの角型シリカアルミナ板を基板として選んだ。これを、日産化学工業（株）製アルミナゾル−２００をイオン交換水で４倍に希釈した液に浸漬した。１０分間浸漬した後に、空気中乾燥し、７００℃に昇温、５時間焼成を行った。当方法で焼成したアルミナの細孔分布をＢＥＴ法で測定した結果、平均細孔径８．８ｎｍであった。
【００４５】
触媒液の調製は、濃度０．２ｍｏｌ／ｌの硝酸コバルト水溶液９０ｇに３０％アンモニア水を１０μｌ添加して行った。アンモニア水添加により、溶液の水素イオン濃度はｐＨ４．５から７．２へ変化した。
【００４６】
この触媒液に、上述のアルミナ基板を１０分間浸漬した。これを１時間風乾した後、４００℃、３時間空気中で焼成した。焼成、冷却後、基板を直径３５ｍｍの石英管状炉内に設置した。大気圧下（０．１ＭＰａ）水平方向にアルゴンを３６０ｃｍ^３／ｍｉｎで送風しながら管状炉を７００℃まで昇温した。続いて、７００℃に保持したまま、３６０ｃｍ^３／ｍｉｎのアルゴンにプロピレンを１２０ｃｍ^３／ｍｉｎで混合させて管状炉内に送風した。プロピレン／アルゴン混合ガスを３０分間流した後、再びアルゴンのみに切り替えて流しながら、管状炉の加熱を止めて、室温まで放冷した。
【００４７】
反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約１０μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この基板の断面を撮影した像を図２に示す。また、この配向膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、配向膜を構成するカーボンナノチューブは、外径５〜１０ｎｍ、２〜７層程度の多層ナノチューブであった。この様子を図３に示す。また、配向膜の先端のＴＥＭ観察を行ったところ、粒径５〜７ｎｍの金属超微粒子を内包していた。
実施例２
シリカ２５％、アルミナ７５％の組成で、厚さ２ｍｍ、一辺３０ｍｍの角型シリカアルミナ板を基板として選んだ。これを、日産化学工業（株）製アルミナゾル−２００をイオン交換水で４倍に希釈した液に浸漬した。１０分間浸漬した後に、空気中乾燥し、６５０℃に昇温、５時間焼成を行った。当方法で焼成したアルミナの細孔分布をＢＥＴ法で測定した結果、平均細孔径６．７ｎｍであった。
【００４８】
触媒液の調製は、濃度０．２ｍｏｌ／ｌの硝酸コバルト水溶液９０ｇに３０％アンモニア水を１０μｌ添加して行った。アンモニア水添加により、溶液の水素イオン濃度はｐＨ４．５から７．２へ変化した。
【００４９】
この触媒液に、上述のアルミナ基板を１０分間浸漬した。これを１時間風乾した後、４００℃、３時間空気中で焼成した。焼成、冷却後、基板を直径３５ｍｍの石英管状炉内に設置した。大気圧下（０．１ＭＰａ）水平方向にアルゴンを３６０ｃｍ^３／ｍｉｎで送風しながら管状炉を７００℃まで昇温した。続いて、６５０℃に保持したまま、３６０ｃｍ^３／ｍｉｎのアルゴンにプロピレンを１２０ｃｍ^３／ｍｉｎで混合させて管状炉内に送風した。プロピレン／アルゴン混合ガスを３０分間流した後、再びアルゴンのみに切り替えて流しながら、管状炉の加熱を止めて、室温まで放冷した。
【００５０】
反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約２０μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この時、個々のカーボンナノチューブの外径は４〜９ｎｍであった。
実施例３
シリカ２５％、アルミナ７５％の組成で、厚さ２ｍｍ、一辺３０ｍｍの角型シリカアルミナ板を基板として選んだ。これを、日産化学工業（株）製アルミナゾル−２００をイオン交換水で４倍に希釈した液に浸漬した。１０分間浸漬した後に、空気中乾燥し、８００℃に昇温、５時間焼成を行った。当方法で焼成したアルミナの細孔分布をＢＥＴ法で測定した結果、平均細孔径１０．４ｎｍであった。
【００５１】
この基板を用いた他は、触媒液の調製、浸漬およびカーボンナノチューブ配向膜の製造反応を実施例１と同様に行った。反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約５μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この時、個々のカーボンナノチューブの外径は８〜２０ｎｍであった。
実施例４
シリカ２５％、アルミナ７５％の組成で、厚さ２ｍｍ、一辺３０ｍｍの角型シリカアルミナ板を基板として選んだ。これを、日産化学工業（株）製シリカゾル、スノーテクスＰＳ−ＳＯをイオン交換水で２倍に希釈した液に浸漬した。１０分間浸漬した後に、空気中乾燥し、７００℃に昇温、５時間焼成を行った。当方法で焼成したアルミナの細孔分布をＢＥＴ法で測定した結果、平均細孔径１３．２ｎｍであった。
【００５２】
この基板を用いた他は、触媒液の調製、浸漬およびカーボンナノチューブ配向膜の製造反応を実施例１と同様に行った。反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約１５μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この時、個々のカーボンナノチューブの外径は１５〜２５ｎｍであった。
実施例５
シリカ２５％、アルミナ７５％の組成で、厚さ２ｍｍ、一辺３０ｍｍの角型シリカアルミナ板を基板として選んだ。これを、日産化学工業（株）製シリカゾル、スノーテクスＯとアルミナゾル−２００を１：９の割合で混合しイオン交換水で２倍に希釈した液に、浸漬した。１０分間浸漬した後に、空気中乾燥し、７００℃に昇温、５時間焼成を行った。当方法で焼成したアルミナの細孔分布をＢＥＴ法で測定した結果、平均細孔径は５．３ｎｍであった。
【００５３】
この基板を用いた他は、触媒液の調製、浸漬およびカーボンナノチューブ配向膜の製造反応を実施例１と同様に行った。反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約１０μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この時、個々のカーボンナノチューブの外径は４〜９ｎｍであった。
実施例６
触媒液に濃度０．２ｍｏｌ／ｌの硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液を用いた他は、実施例１と同様の操作でカーボンナノチューブの作製を試みた。反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約１０μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この時、個々のカーボンナノチューブの外径は８〜２０ｎｍであった。
実施例７
触媒液に濃度０．２ｍｏｌ／ｌの硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液を用いた他は、実施例３と同様の操作でカーボンナノチューブの作製を試みた。反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約５μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この時、個々のカーボンナノチューブの外径は３０〜５０ｎｍであった。
実施例８
テトラ−ｎ−プロポキシアンモニウムブロミド３．３ｇをエタノール４６ｇに溶解した。この溶液に純粋１．０ｇ、塩酸０．０３ｍｌを添加した。この溶液に、シリカ２５％、アルミナ７５％の組成で、厚さ２ｍｍ、一辺３０ｍｍの角型シリカアルミナ板を浸漬した。１０分間浸漬した後に、空気中乾燥し、５００℃に昇温、２時間焼成を行った。当方法で焼成したアルミナの細孔分布をＢＥＴ法で測定した結果、平均細孔径１．４ｎｍであった。
【００５４】
上述のシリカ基板を濃度４．０ｗｔ％の酢酸コバルト水溶液に、１０分間浸漬した。これを１時間風乾した後、８０℃で、１５時間乾燥した。
冷却後、基板を直径３５ｍｍの石英管状炉内に設置した。大気圧下（０．１ＭＰａ）水平方向にアルゴンを３６０ｃｍ^２／ｍｉｎで送風しながら管状炉を７００℃まで昇温した。続いて、７００℃に保持したまま、３６０ｃｍ^２／ｍｉｎのアルゴンにプロピレンを１８０ｃｍ^３／ｍｉｎで混合させて管状炉内に送風した。プロピレン／アルゴン混合ガスを２０分間流した後、再びアルゴンのみに切り替えて流しながら、管状炉の加熱を止めて、室温まで放冷した。
【００５５】
反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約１０μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この配向膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、配向膜を構成するカーボンナノチューブは、外径３〜１０ｎｍ、２〜５層程度の多層ナノチューブであった。
実施例９
実施例８と同様に触媒担持基板を作製した。
【００５６】
基板を直径３５ｍｍの石英管状炉内に設置した。大気圧下（０．１ＭＰａ）水平方向にアルゴンを３６０ｃｍ^２／ｍｉｎで送風しながら管状炉を８００℃まで昇温した。続いて、８００℃に保持したまま、３６０ｃｍ^２／ｍｉｎのアルゴンにエタノールを３５０ｃｍ^２／ｍｉｎで混合させて管状炉内に送風した。エタノール／アルゴン混合ガスを１０分間流した後、再びアルゴンのみに切り替えて流しながら、管状炉の加熱を止めて、室温まで放冷した。
【００５７】
反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約１０μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この配向膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、配向膜を構成するカーボンナノチューブは、外径１〜８ｎｍ、１〜５層程度の単層ナノチューブと多層ナノチューブの混合物であった。
実施例１０
実施例８と同様に触媒担持基板を作製した。
【００５８】
基板を直径３５ｍｍの石英管状炉内に設置した。大気圧下（０．１ＭＰａ）水平方向にアルゴンを３６０ｃｍ^２／ｍｉｎで送風しながら管状炉を９００℃まで昇温した。続いて、９００℃に保持したまま、３６０ｃｍ^２／ｍｉｎのアルゴンにエタノールを３４０ｃｍ^２／ｍｉｎで混合させて管状炉内に送風した。エタノール／アルゴン混合ガスを３分間流した後、再びアルゴンのみに切り替えて流しながら、管状炉の加熱を止めて、室温まで放冷した。
【００５９】
反応終了後、基板表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、基板上側に厚さ約１μｍの配向性カーボンナノチューブ膜が形成されたことが確認できた。この配向性カーボンナノチューブ膜をラマン分光測定したところ、単層ＣＮＴの存在を示す１８３ｃｍ−１のピークが強く現れた。このラマンスペクトルを図４に示す。
【００６０】
比較例１
基板として実施例１で用いた角型シリカアルミナ板を、ゾルゲル法アルミナコーティングせずに、そのまま用いた。当基板の細孔分布をＢＥＴ法で測定した結果、５０ｎｍ以下の細孔はほとんど存在しなかった。当基板を用いて、実施例１と同様の操作でカーボンナノチューブの作製を試みたところ、カーボンナノチューブ配向膜は生成しなかった。
【００６１】
比較例２
シリカ２５％、アルミナ７５％の組成で、厚さ２ｍｍ、一辺３０ｍｍの角型シリカアルミナ板を基板として選んだ。これを、日産化学工業（株）製アルミナゾル−２００をイオン交換水で４倍に希釈した液に浸漬した。１０分間浸漬した後に、空気中乾燥し、１０００℃に昇温、５時間焼成を行った。当方法で焼成したアルミナの細孔分布をＢＥＴ法で測定した結果、５０ｎｍ以下の細孔はほとんど存在しなかった。当基板を用いて、実施例１と同様の操作でカーボンナノチューブの作製を試みたところ、カーボンナノチューブ配向膜は生成しなかった。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に配向性カーボンナノチューブを製造する工程において、浸漬あるいは焼成といった非常に簡便な方法だけで作製が可能となるため、従来のような煩雑な基板の作製工程を不要にすることができる。
【００６３】
また、本発明によれば、従来のような狭い面積での配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法に比較して、大面積の配向性カーボンナノチューブ膜の製造が工業的に可能である。さらに、外径の制御も可能であり、外径１０ｎｍ以下、長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブからなる配向膜も得られる。
【００６４】
外径１０ｎｍ以下のカーボンナノチューブからなる配向膜は、電子放出特性や剛性などにおいてすぐれた物性を示す。また、長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブからなる配向膜は扱いが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】カーボンナノチューブ配向膜模式図
【図２】基板上のカーボンナノチューブ配向膜ＳＥＭ像
【図３】カーボンナノチューブＴＥＭ像
【図４】実施例１０のカーボンナノチューブラマンスペクトル

Claims (24)

1. ０．１〜５０ｎｍの細孔を有するゾルゲル法多孔質担体を作製し、これに担持した触媒を用いて炭素化合物を分解することにより、該多孔質担体に垂直に配向したカーボンナノチューブ膜を製造することを特徴とする配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
2. 多孔質担体の形状が、板状、筒状、球状、あるいは膜状であることを特徴とする請求項１記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
3. 多孔質担体が単独または他の支持体表面に膜状に形成されていることを特徴とする請求項１〜２いずれか記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
4. 多孔質担体がセラミックスであることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
5. セラミックスがアルミナ、シリカ、シリカアルミナであることを特徴とする請求項４記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
6. ゾルゲル法の原料ゾルが、アルミナ微粒子、水酸化アルミニウム微粒子、シリカ微粒子あるいはその混合物の分散液であることを特徴とする請求項１記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
7. 支持体が金属、金属酸化物、セラミックス、ガラス、シリコン、酸化シリコン等の熱安定支持体であることを特徴とする請求項３〜６いずれか記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
8. 支持体が多孔質セラミックスであることを特徴とする請求項７記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
9. 触媒がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏおよびそれらの化合物であることを特徴とする請求項１〜８いずれか記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
10. 触媒の粒径が０．１〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜９いずれか記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
11. アルミナ微粒子、水酸化アルミニウム微粒子およびシリカ微粒子の粒径が１００ｎｍ以下であり、粒子が単独の粒子または数珠繋ぎとなっていることを特徴とする請求項６記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
12. ゾルゲル法の原料ゾルが、アルミニウムアルコキシド、アルコキシシランあるいはその混合物あるいはその溶液である請求項１記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
13. ゾルゲル法の原料ゾルに、微細孔テンプレートとして、可燃性あるいは熱分解性の有機化合物を添加することを特徴とする請求項１２記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
14. 有機化合物が４級アンモニウム塩類であることを特徴とする請求項１３記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
15. ゾルゲル法における焼成温度が、３００〜９００℃である請求項１〜１４いずれか記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
16. 多孔質担体に触媒担持させる方法として含浸法または浸漬法用いることを特徴とする請求項１〜１５いずれか記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
17. 触媒の担持法が、金属塩水溶液に塩基を添加し、これを細孔内で乾燥焼成する方法であることを特徴とする請求項１〜１６いずれか記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
18. 塩基としてアンモニアまたは水溶性アミンを用いることを特徴とする請求項１７に記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
19. 塩基としてアンモニア水を用いることを特徴とする請求項１８に記載の配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。
20. 金属塩がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏの塩であることを特徴とする請求項１７〜１９いずれか記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
21. 金属塩が硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩、ナフテン酸塩、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物であることを特徴とする請求項１７〜２０いずれか記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
22. 炭素化合物が飽和炭化水素化合物、不飽和炭化水素化合物、芳香族炭化水素化合物、含酸素炭化水素化合物からなる群から選ばれる１種あるいは２種以上の混合物であることを特徴とする、請求項１〜２１いずれか記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
23. 炭素化合物を分解する工程の反応温度が４００〜１１００℃である事を特徴とする請求項１〜２２いずれか記載のカーボンナノチューブ膜の製造方法。
24. 請求項１〜２３いずれか記載の方法で製造した、外径１０ｎｍ以下、長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブからなる配向性カーボンナノチューブ膜の製造方法。

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