JP2005047763A - Carbon nano- and micro-meter structures and method for manufacturing them - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノメートル及びマイクロメートルレベルのファイバー状、チューブ状の炭素構造体、いわゆるカーボンナノ、マイクロ構造体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to nanometer and micrometer level fiber-like and tube-like carbon structures, so-called carbon nano, microstructures, and methods for producing the same.
近年、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどのナノレベルの炭素からなる構造体の微細構造やその物性の解明が進められ、そのナノサイズの構造と共にその物性を応用する種々の試みが行われている。
例えば、その導電性とナノレベル構造から電界放出効果を利用したFEDの電極への応用やプローブ電極などへの応用、或いは中空構造から異物質内包材料としての応用、表面積の大きいことを応用したキャパシター等など、枚挙に暇がないが、これらのナノ炭素物質の応用はいずれもその構造と物性とにかかわっており、構造が異なれば物性も異なるため、これらの構造と物性の解明と共に、目的する構造のナノ構造体を高い収率で得ることが必要となる。
In recent years, elucidation of the fine structure and physical properties of nano-level carbon structures such as carbon nanotubes and carbon nanofibers has been promoted, and various attempts have been made to apply the physical properties together with the nano-sized structure.
For example, FED electrodes using the field emission effect due to their conductivity and nano-level structure, application to probe electrodes, etc., or applications from hollow structures as foreign material inclusion materials, capacitors that have a large surface area Although there is no time for enumeration, etc., all these applications of nanocarbon materials are related to the structure and physical properties, and different structures have different physical properties. It is necessary to obtain a nanostructure with a high yield.
このため、カーボンナノ物質を製造する方法として、レーザーアブレーション法やより大量に生成する方法としてCVD(chemical vapor deposition)法などが開発されている。
しかしながら、これらの方法において形成されたカーボンナノ物質はそのサイズ、形状共に種々のものが含まれており、付随する不定形炭素などとの分離、フィブリル状のもつれたカーボンナノ物質をいわばほぐして目的とする寸法・形状のものを分離するなどの精製工程を伴うため、実質上十分な収率や目的とする構造のカーボンナノ物質を得ることは困難であった。
これらの目的とする構造のカーボンナノ物質の作り分けと収率向上は、これらのカーボンナノ物質の応用面での基本的な課題であった。
For this reason, a laser ablation method and a CVD (chemical vapor deposition) method have been developed as a method for producing carbon nanomaterials and a method for producing a larger amount of carbon nanomaterials.
However, the carbon nanomaterials formed by these methods have various sizes and shapes, so that they can be separated from the accompanying amorphous carbon and fibrillated entangled carbon nanomaterials. Therefore, it is difficult to obtain a carbon nanomaterial having a substantially sufficient yield and a target structure.
The creation of carbon nanomaterials with the desired structure and the improvement in yield were fundamental issues in the application of these carbon nanomaterials.
この改善策として、ナノレベルの微細な孔を有する多孔質材料をテンプレートとしてカーボンナノ物質を成長させる方法が提案されている。
本発明は、形状・構造、及びサイズの揃ったナノ物質を作り分ける製造方法として、作りやすく生産性の良いテンプレートとそれを用いた新たな生産性及び収率のよい製造方法、及びそれによる新規な構造のカーボンナノ物質を提供する。 The present invention provides a template that is easy to make and has good productivity as a manufacturing method for separately creating nanomaterials with uniform shapes, structures, and sizes, and a new manufacturing method with high productivity and yield using the template, and a novel method thereby Carbon nanomaterials with a unique structure are provided.
本発明は、孔径がナノメートル、マイクロメートルレベルの多孔質材料をテンプレートとし、
熱分解による炭素化の過程で液状化する有機高分子化合物をその液状化段階で該テンプレートのナノ、マイクロメートルレベルのテンプレート孔に浸透・充填させ、次いで炭化することを特徴とするファイバー又はチューブ状のナノ、マイクロメートル炭素構造体を形成する方法であり、 上記多孔質材料テンプレートが薄片若しくは細片状であり、有機高分子化合物が粉末状として上記過程でこれと混合されることにより、生産性を向上すると共に、
上記多孔質材料として、アルミニウムアノード酸化皮膜、アルミニウムエッチング皮膜を採用し、
上記有機高分子化合物が、PVC(ポリ塩化ビニル)、PVA(ポリビニルアルコール)、又はPAA(ポリアクリルアミド)であって、
上記方法により形成されるナノ、マイクロメートル炭素構造体が炭素六角網面(グラフェンシート)が該構造体の長軸方向にほぼ直角をなして配向し、積層してなるものである。
The present invention uses a porous material having a pore size of nanometer and micrometer level as a template,
Fiber or tube-shaped, characterized in that an organic polymer compound liquefied in the process of carbonization by pyrolysis is permeated and filled in the template nano- and micrometer-level template pores in the liquefaction stage and then carbonized. In which the porous material template is in the form of flakes or strips, and the organic polymer compound is mixed with the organic polymer compound in the above-described process in the above process. As well as
As the porous material, an aluminum anodic oxide film and an aluminum etching film are adopted,
The organic polymer compound is PVC (polyvinyl chloride), PVA (polyvinyl alcohol), or PAA (polyacrylamide),
The nano and micrometer carbon structures formed by the above method are formed by laminating carbon hexagonal network surfaces (graphene sheets) oriented substantially perpendicular to the major axis direction of the structure.
また本発明は、 炭素六角網面(グラフェンシート)がファイバー又はチューブの長軸方向にほぼ直角方向をなして配向し、積層してなることを特徴とする、ファイバー又はチューブ状のナノ、マイクロメートル炭素構造体である。 Further, the present invention provides a fiber or tube-like nano, micrometer, characterized in that the carbon hexagonal mesh surface (graphene sheet) is oriented and laminated in a direction substantially perpendicular to the long axis direction of the fiber or tube. It is a carbon structure.
本発明のカーボンナノ構造材料製造方法は、既知の手法により容易に得られる陽極酸化膜などの多孔質材料をテンプレートとして用い、薄片或いは細片状として炭素原料物質と共に混合して液相反応プロセスとして進行するため、CVDなどの気相法によるものと比較して高い生産効率と収率が見込める。
これらのテンプレートとして使用する多孔質材料は、 基材上に皮膜状に形成されるが、テンプレートとして用いる際にはこれを裁断、破砕して反応プロセスに適したサイズの、例えばmm単位あるいはそれ以下のサイズの薄片、細片とすることにより、原料ポリマー粉末と混合した混合相として扱うことができるのであり、生産性が高く、また量産に適した工程を採用することができる。
このプロセスでは、CVDなどのように金属触媒などを必要とせず、高純度のサイズ・形状の揃ったカーボンナノ構造材料が得られるのみか、製造条件によってファイーバー、チューブ或いはナノ、マイクロメートルレベルのカーボンナノ構造材料の作り分けが可能である。
また本発明は、液状化したポリマーによる液相による新規なプロセスであり、形成されたカーボンナノ構造材料は、そのチューブ若しくはファイバーの長軸に垂直に炭素六角網状のグラフェン構造を積層したものとなって、これらのグラファイトのいわば断面であるグラフェンシート積層面がファイバー又はチューブの表面をなすことになる。
これらの表面は物理化学的に活性であり、その物性の新たな応用が期待される。
The carbon nanostructure material manufacturing method of the present invention uses a porous material such as an anodic oxide film that can be easily obtained by a known method as a template, and is mixed with a carbon raw material in the form of flakes or strips as a liquid phase reaction process. As it progresses, high production efficiency and yield can be expected compared to those by vapor phase methods such as CVD.
The porous material used as these templates is formed into a film on the substrate, but when used as a template, it is cut and crushed to a size suitable for the reaction process, for example, in mm units or less. By using thin pieces and thin pieces of the size, it can be handled as a mixed phase mixed with the raw material polymer powder, and it is possible to adopt a process with high productivity and suitable for mass production.
This process does not require metal catalysts such as CVD, and can only obtain carbon nanostructured materials with high purity in size and shape, or depending on the manufacturing conditions, carbon at the fiber, tube, nano, or micrometer level Nanostructured materials can be created separately.
In addition, the present invention is a novel process using a liquid phase of a liquefied polymer, and the formed carbon nanostructure material is a laminate of carbon hexagonal network graphene structures perpendicular to the long axis of the tube or fiber. Thus, the graphene sheet lamination surface, which is a so-called cross section of these graphites, forms the surface of the fiber or tube.
These surfaces are physicochemically active, and new applications of their physical properties are expected.
本発明は、PVC、PVA、PAAなどのある種の有機高分子化合物が熱分解の過程で液状化するという性質を利用し、ナノメートルレベルの孔径のアルミニウム多孔質アノード酸化皮膜或いはマイクロメートルレベルの孔径のアルミニウム電解エッチング箔などの多孔質材料をテンプレートとして、これらの微小サイズの孔に液状化段階にある原料物質を浸透・充填させて炭化させることにより、これらの孔をテンプレートとするナノ、マイクロメートルレベルの炭素構造体を形成するものである。
このような熱分解によって炭化する過程で液状化、若しくはピッチ状となって流動性を示す有機高分子材料は、本明細書に挙げた例にとどまらないが、これらの有機高分子化合物の液状化の際の流動性やテンプレートの材質に対する濡れ性、或いは目的とする炭素構造体のサイズ、アスペクト比等から多くの組合せが可能であるから、目的とするカーボンナノ構造材料に応じてこれらの条件を勘案して適宜選定することができる。
The present invention utilizes the property that certain organic polymer compounds such as PVC, PVA, and PAA are liquefied in the process of thermal decomposition, and the aluminum porous anodic oxide film having a pore size of nanometer level or micrometer level. Using a porous material such as an aluminum electrolytic etching foil with a pore size as a template, these micro-sized pores are infiltrated and filled with a raw material in the liquefaction stage to carbonize them, and nano and micro using these pores as templates. It forms a carbon structure at the meter level.
Organic polymer materials that are liquefied in the process of carbonization by such thermal decomposition or exhibit fluidity in the form of pitch are not limited to the examples given in this specification, but liquefaction of these organic polymer compounds. Many combinations are possible based on the fluidity and wettability of the template material, the size of the target carbon structure, the aspect ratio, etc., so these conditions are set according to the target carbon nanostructure material. It can be selected as appropriate.
そして、このプロセスで形成されたナノ、マイクロ炭素構造体は、六角網状のグラフェンシートがファイバー、チューブなどの長軸に対して略直角方向に配向して積層した構造となる。
このような構造は、CVD法などによるナノチューブや炭素繊維と同様の手法で形成されたナノファイバーのようにグラフェンシートが筒状に丸まったり、長軸方向に沿って配列した構造とは異なり、グラフェンシートのいわば断面がこれらのナノ、マイクロ構造体の側面に沿って配列し、その外表面を形成する。
これらの表面の物性の詳細は未だ解明されていないが、その構造から化学的、物理的活性が高いことが予想され、今後の応用が期待される。
The nano- and micro-carbon structures formed by this process have a structure in which hexagonal net-like graphene sheets are laminated in a direction substantially perpendicular to the major axis of fibers, tubes, and the like.
Such a structure is different from a structure in which graphene sheets are rounded in a cylindrical shape or aligned along the long axis direction like nanofibers formed by the same method as nanotubes and carbon fibers by CVD method, etc. The so-called cross section of the sheet is arranged along the side surfaces of these nano- and micro-structures to form the outer surface thereof.
Although the details of the physical properties of these surfaces have not yet been elucidated, their structures are expected to have high chemical and physical activity, and future applications are expected.
これらのナノ、マイクロメートルレベルの孔径を持つテンプレートとして、それぞれアルミニウムアノード酸化皮膜及びアルミニウムエッチング箔が好適であるが、それぞれその製造条件により孔径やアスペクト比等のサイズを変更・選択できる。
また、テンプレートの材質に関してもこれらアルミニウム酸化膜同様のサイズの孔を有する多孔質材料であり、前駈体の形成条件に耐えるなどの所定の条件を満たすものであれば使用可能である。
Aluminum anodic oxide films and aluminum etching foils are suitable as templates having nano- and micrometer-level pore diameters, respectively, but the sizes such as the pore diameter and aspect ratio can be changed and selected depending on the production conditions.
Also, the template material can be used as long as it is a porous material having pores of the same size as those of the aluminum oxide film and satisfies predetermined conditions such as withstanding the formation conditions of the precursor.
また、後述するようにカーボンナノ炭素構造体原料としてPVCとPVAを用いた場合、それぞれ形成される構造が異なり、PVCを用いた場合、ナノファイバーが形成されるが、PVAを原料とする場合はナノチューブとなる。これは両者の原料に由来する液状化の際の粘性に起因すると考えられるが、このような性質の相違を利用することにより、これらの原料に応じて生成するナノ構造体を作り分けることができる。
このように原料によって形成されるナノ構造体に相違があるが、前述のとおり原理的には原料として熱分解過程で液状化する有機高分子ポリマーであればいずれも採用可能である。
Also, as described later, when PVC and PVA are used as the carbon nanocarbon structure raw material, the structure formed is different, and when PVC is used, nanofibers are formed, but when PVA is used as the raw material, It becomes a nanotube. This is considered to be due to the viscosity at the time of liquefaction derived from both raw materials, but by utilizing such a difference in properties, it is possible to make different nanostructures to be generated according to these raw materials. .
As described above, although there is a difference in the nanostructure formed by the raw material, in principle, any organic polymer polymer that can be liquefied in the thermal decomposition process as the raw material can be adopted.
カーボンナノ構造体の形成
純度99.99%のアルミニウム箔を電界研磨し、0.3mol dm-3のシュウ酸溶液中でアノード酸化することにより、多孔質皮膜を形成した。
電界条件として、浴温:0℃、電流密度:5mAcm−2、3h、浴温:17℃、定電圧:40V,10h とした。
多孔質皮膜形成後、臭素―メタノール溶液中で金属を溶解して酸化皮膜を取り出し、これを5mass%リン酸溶液に2h浸漬してバリヤー層と呼ばれる孔底を溶解してトンネル状の孔とした。
これを洗浄・乾燥して、孔径60〜90nm、深さ数〜10μmのトンネル状の孔を有する薄片状の皮膜からなるテンプレートとした。
Formation of carbon nanostructure An aluminum foil having a purity of 99.99% was electropolished and anodized in a 0.3 mol dm -3 oxalic acid solution to form a porous film.
The electric field conditions were bath temperature: 0 ° C., current density: 5 mAcm −2 , 3 h, bath temperature: 17 ° C., constant voltage: 40 V, 10 h.
After the porous film is formed, the metal film is dissolved in a bromine-methanol solution to take out the oxide film, which is immersed in a 5 mass% phosphoric acid solution for 2 hours to dissolve the hole bottom called a barrier layer to form a tunnel-like hole. .
This was washed and dried to obtain a template composed of a flaky film having tunnel-like holes having a hole diameter of 60 to 90 nm and a depth of several to 10 μm.
薄片状テンプレート1cm2(相当量)に対し、ポリ塩化ビニル(PVC:積水化学製TS-1000R)、又はポリビニルアルコール(PVA:ユニチカ製UP-180)の粉末を0.1〜0.2gの割合で混合し、アルミナボートに入れてアルゴン雰囲気中で昇温速度400Kh-1で300℃に昇温して30min保持後、さらに600℃まで昇温して1h保持した。
冷却後、生成物を10mass%水酸化ナトリウム溶液に浸漬してテンプレートを溶解し、炭素ナノ構造体の前駈体を得た。
得られたPVAによる前駈体のSEM像を図1に示す(スケールは、1μm)。その直径は、いずれの原料によってもほぼ上記テンプレートと同程度であり、長さはPVCの場合3〜5μm、PVAの場合は3μmでやや短くなった。
これらの前駈体は、さらにアルゴン雰囲気中で昇温速度300Kh−1で1500℃まで昇温し、1h保持して熱処理して炭素ナノ構造体とした。
A ratio of 0.1 to 0.2 g of powder of polyvinyl chloride (PVC: Sekisui Chemical TS-1000R) or polyvinyl alcohol (PVA: Unitika UP-180) per 1 cm 2 of flaky template The mixture was put in an alumina boat, heated to 300 ° C. at a heating rate of 400 Kh −1 in an argon atmosphere, held for 30 min, further heated to 600 ° C. and held for 1 h.
After cooling, the product was immersed in a 10 mass% sodium hydroxide solution to dissolve the template to obtain a precursor of a carbon nanostructure.
The SEM image of the precursor by the obtained PVA is shown in FIG. 1 (scale is 1 μm). The diameter was almost the same as that of the above template regardless of the raw material, and the length was slightly shorter at 3 to 5 μm for PVC and 3 μm for PVA.
These precursors were further heated to 1500 ° C. at a heating rate of 300 Kh −1 in an argon atmosphere, held for 1 h, and heat-treated to obtain carbon nanostructures.
これら前駈体の構造は、X線回折によるとアモロファス状炭素であるが、さらにアルゴン雰囲気中で1500℃、1h熱処理すると、炭素002面の層間隔0.345nmを持つ黒鉛に似た層状構造炭素(乱層構造炭素と呼ぶ)となった。
そのPVC及びPCAによる炭素ナノ構造体のSEM像をそれぞれ図2(A)、(B)に示す。
収率は、PVC及びPVAの場合、約5%であったが、ポリアクリルアミド(PAA)を用いた場合、約20%の収率が達成できた。
The structure of these precursors is amorphous carbon according to X-ray diffraction. However, when it is further heat treated at 1500 ° C. for 1 h in an argon atmosphere, it has a layered structure carbon similar to graphite having a layer spacing of 0.345 nm on the carbon 002 plane. (Referred to as “turbulent structure carbon”).
The SEM images of the carbon nanostructures by PVC and PCA are shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B), respectively.
The yield was about 5% in the case of PVC and PVA, but a yield of about 20% was achieved when polyacrylamide (PAA) was used.
図3(A)、(B)にPVCを原料としたカーボンナノ構造体のそれぞれTEM像及びHRTEMによる格子像を示す。これらの構造体は、緻密なファイバー又はフィラメント状であり、図3(B)は上下方向がナノ構造体の長軸方向であるが、その格子像からPVCを原料とするナノファイバーは炭素六角網面が長軸方向にほぼ垂直な、platelettype であることが解る。 FIGS. 3A and 3B show TEM images and HRTEM lattice images of carbon nanostructures using PVC as a raw material. These structures are in the form of dense fibers or filaments. In FIG. 3B, the vertical direction is the major axis direction of the nanostructures. From the lattice image, the nanofibers made from PVC are carbon hexagonal networks. It can be seen that the surface is a platelet type with the surface almost perpendicular to the major axis direction.
図4(A)、(B)は、PVAを原料としたカーボンナノ構造体のそれぞれTEM像及びHRTEMによる格子像であって、(A)のTEM像に示すように中空のチューブ状である。また、図4(B)に示すように炭素六角網面がやや傾いているが長軸方向に大きな角度を持つ構造である。 4A and 4B are TEM images and HRTEM lattice images of carbon nanostructures using PVA as a raw material, respectively, and have a hollow tube shape as shown in the TEM image of FIG. In addition, as shown in FIG. 4B, the carbon hexagonal network surface is slightly inclined but has a large angle in the major axis direction.
カーボンマイクロ構造体の形成
テンプレートとして電解コンデンサー用として工業的に生産されているアルミニウム電解エッチング箔を用いた。いわゆるアルミニウムエッチ箔であるが、μmサイズの無数のトンネル状の孔を持つ多孔質構造を有し、容易に入手できる。
その炭素源となる有機高分子化合物及び製造条件は、上記実施例1の場合と同様であるが、テンプレートの形態に一致して、直径1μm以下、長さ数十μmのマイクロ構造体が得られた。
その構造は、上記PVCによるものとサイズを除いてほぼ同様であって、炭素六角網状構造がファイバーの長軸方向と直角に配向して積層した構造であった。
Formation of Carbon Microstructure An aluminum electrolytic etching foil industrially produced for electrolytic capacitors was used as a template. Although it is a so-called aluminum etch foil, it has a porous structure with innumerable tunnel-like pores of μm size and can be easily obtained.
The organic polymer compound serving as the carbon source and the production conditions are the same as in the case of Example 1, but a microstructure having a diameter of 1 μm or less and a length of several tens of μm is obtained in accordance with the template form. It was.
The structure was almost the same as that of the above-mentioned PVC except for the size, and was a structure in which carbon hexagonal networks were laminated in a direction perpendicular to the long axis direction of the fiber.
本発明のナノ、マイクロ炭素構造体は、未だ物性の解明を待たなくてはならない面が多いが、その予想される化学的、物理的活性や微小な構造から、リチウムイオン電池負極材料、電気二重層キャパシター、或いは水素、メタンなどの吸蔵材料など幅広い応用が期待される。 The nano- and micro-carbon structures of the present invention still have many aspects that have to wait for the elucidation of their physical properties. However, due to their expected chemical and physical activity and fine structure, the lithium-ion battery negative electrode material, A wide range of applications such as multilayer capacitors or storage materials such as hydrogen and methane are expected.
Claims (7)
熱分解による炭素化の過程で液状化する有機高分子化合物をその液状化段階で該テンプレートのナノ、マイクロメートルレベルのテンプレート孔に浸透・充填させ、次いで炭化することを特徴とするファイバー又はチューブ状のナノ、マイクロメートル炭素構造体を形成する方法。 A porous material with a pore size of nanometer and micrometer level is used as a template.
Fiber or tube-shaped, characterized in that an organic polymer compound liquefied in the process of carbonization by pyrolysis is permeated and filled in the template nano- and micrometer-level template pores in the liquefaction stage and then carbonized. Method of forming nano, micrometer carbon structures.
請求項1記載のファイバー又はチューブ状のナノ、マイクロメートル炭素構造体を形成する方法。 The porous material template is in the form of flakes or strips, and the organic polymer compound is mixed with this in the above process as a powder,
A method of forming a fiber or tube-like nano, micrometer carbon structure according to claim 1.
請求項1乃至2記載のファイバー又はチューブ状のナノ、マイクロメートル炭素構造体を形成する方法。 The porous material is an aluminum anodic oxide film,
A method of forming a fiber or tube-like nano, micrometer carbon structure according to claim 1 or 2.
請求項1乃至2記載のファイバー又はチューブ状のナノ、マイクロメートル炭素構造体を形成する方法。 The porous material is an aluminum etching film,
A method of forming a fiber or tube-like nano, micrometer carbon structure according to claim 1 or 2.
請求項1乃至5記載のファイバー又はチューブ状のナノ、マイクロメートル炭素構造体を形成する方法。 The nano, micrometer carbon structure is characterized in that a carbon hexagonal network surface (graphene sheet) is oriented and oriented substantially perpendicular to the major axis direction of the structure,
A method of forming a fiber or tube-like nano, micrometer carbon structure according to claims 1-5.
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