JP2006512264A - 一次粒子径がサブミクロンの生成物の製造方法、該方法によって製造された生成物、及び該方法に用いる装置 - Google Patents
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Abstract
Description
近年、上記従来技術で示唆されているように、アモルファス及び結晶性のナノ粒子は、大きな注目を集めている。この注目は、物質の多くの特性がナノ粒子の様々な形態を含むことで根本的に変化するとの観測によって駆り立てられたものである。微少体積と体積に対する大きな表面積比とによって、物質の電子的特性及び物理的特性のいずれもが強く影響を受ける。いくつかの特性については、ナノ粒子がアモルファスであることが重要であり、あるいは、ほぼ結晶相であることが重要である。
反応容器充填用固体物質(solid reactor filling material)を反応容器に導入するステップと、
金属含有前駆体を前記反応容器に導入するステップと、
両親媒性溶媒(co-solvent)を前記反応容器に導入するステップと、
超臨界溶媒を前記反応容器に導入するステップと、
前記金属含有前駆体と前記両親媒性溶媒とを接触させるステップと、
上記の結果として前記反応容器充填用固体物質の近傍に前記生成物を生成するステップと
を含むことを特徴とする。
反応容器充填用固体物質を反応容器に導入する手段と、
金属含有前駆体を前記反応容器に導入する手段と、
両親媒性溶媒を前記反応容器に導入する手段と、
超臨界溶媒を前記反応容器に導入する手段と、
前記金属含有前駆体と前記両親媒性溶媒とを接触させるためのスペースとしての前記反応容器と、
前記反応容器充填用固体物質の近傍に前記生成物を生成するためのスペースとしての前記反応容器と
を備えることを特徴とする。
M(OR)n+1/2nH2O→MO1/2n+nROH
Ti(OR)4+2H2O→TiO2+4ROH
サブミクロンの生成物を得るために用いられる装置の概略図を図2に示す。この装置の中心は、超臨界条件下で生成物を生成する反応容器である。一般的に反応容器は、温度及び圧力の両方がコントロールできるように構成される。
ロード・ロックに反応容器に導入するステップと、
ロード・ロックを閉じるステップと、
ロード・ロックエリアを反応チャンバと類似の状態にもっていくステップと、
反応チャンバとロード・ロックとの間のバルブを開放するステップと、
反応チャンバ内に反応容器充填物質を導入するステップと、
反応を起こさせて、その結果、反応容器充填物質の近傍に生成物を生成させるステップと、
反応容器充填物質を反応チャンバからロード・ロックへ取り出すステップと、
反応チャンバをロード・ロックから閉鎖するステップと、
ロード・ロック内の圧力及び温度を低下させるステップと、
反応容器充填物質(及び、生成物)をロード・ロックから取り出すステップと、続いて、
反応容器充填物質から生成物を上記一以上の方法によって分離するステップと
によって行う。
このような2つのロード・ロックシステムを備えるので、反応容器充填物質を導入するためにもう一方のロード・ロックを利用することによって、生成をほとんど連続的に行うことができる。
プロセスパラメータを変化させることによって、生成物の特性を変えることができる。以下の表では、様々なプロセスパラメータ及びそれらの最終生成物への影響について載せている。
明確な構造のブラベー格子が記述できる場合には、結晶度についても理論的に考察できる。本発明の方法による生成物の結晶度は、X線粉末回折パターン(XRD)によって決定される。そのパターンは、数多くの標準的な商用ディフラクトメータによって記録できるが、ここではSTOEディフラクトメータからのCuKα線(λ=15.40nm)を用いて記録された。X線回折パターンは、TiO2サンプルについては2θが10°〜50°にわたって測定され、AlOOHサンプルについては2θが20°〜80°にわたって測定される。
Rg:回転半径
P:マス・フラクタル・ディメンジョン(Mass fractal dimension)
B:exp Pが減少するレジューム(regime)によって特定される指数法則的な散乱のタイプに固有のプリファクタ
G:標準的なギニエ・プリファクタ(Classic Guinier pre-factor)
ナノサイズのTiO2の生成
この実施例では、バッチプロセスによるナノサイズの結晶性TiO2の生成について説明する。この実施例における前駆体は、Sigma Aldrich社からの97%のチタニウム・テトライソプロポキシド、Ti(OPri)4である。以下ではTTIPと呼ぶ。TTIPは、種又は触媒物質として機能する反応容器充填用物質を含む超臨界環境で蒸留水と反応する。この実施例での超臨界流体は、CO2である。実験装置を図2に示し、装置及び準備セクションでのバッチプロセスを一般的に示した。
反応時間を変化させた場合のTiO2生成物
以下の実施例では、反応時間を変化させた影響について記述する。実験は実施例1で記載した標準的な実験であるが、反応時間を変化させた。下記の表では、反応時間の変化の影響を示している。
この実施例では、実施例1で記載したような標準的な実験条件で行われたが、温度はより低い43℃であった。この実験の結果は、表7に示した。
様々な反応容器充填用物質によるTiO2の製造である。この実施例では、様々な反応容器充填用物質の影響について調べた。5つの異なる充填物質が試験され、生成物への影響について測定された。
この実施例では、バッチプロセスによるナノサイズのAl2O3の生成について説明する。この実施例での前駆体は、Sigma Aldrichからのアルミニウム・sec−ブトキシド、Al(OBus)3である。親水性ポリプロピレン繊維を反応容器充填用物質として用いた。反応容器をオーブンに挿入する前に、反応容器充填用物質と、Al(OBus)3と、水とを反応容器内に入れて、実施例1と同様に実験を行った。表9は、プロセスパラメータと反応物の量とを示している。
この実施例では、実施例3より高温で高い加水分解比でAl2O3が生成した。バッチプロセスによって生成物が生成され、この実施例の前駆体は、Sigma Aldrich社のアルミニウム−sec−ブトキシド、Al(OBus)3である。金属線は、反応容器充填物質として用いられた。反応容器充填物質のAl(OBus)3と水は、オーブンに入れる前に反応容器内に配置され、実施例1と同様に実験が行われた。表11には、プロセスパラメータ及び反応物量を示している。
Claims (72)
- 金属酸化物、金属含水酸化物、又は金属水酸化物の一次粒子径がサブミクロンの生成物を製造する方法であって、前記生成物の製造方法は、
反応容器充填用固体物質を反応容器に導入するステップと、
金属含有前駆体を前記反応容器に導入するステップと、
両親媒性溶媒を前記反応容器に導入するステップと、
超臨界溶媒を前記反応容器に導入するステップと
を含み、
前記金属含有前駆体と前記両親媒性溶媒とを接触させ、その結果として前記反応容器充填用固体物質の近傍に前記生成物を生成することを特徴とする製造方法。 - 前記生成物の生成は、少なくともゾルゲル反応を含むプロセスによって行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記金属酸化物、金属含水酸化物、又は金属水酸化物は、実質的に結晶であることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記金属酸化物、前記金属含水酸化物、又は前記金属水酸化物は、実質的にアモルファスであることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記金属酸化物、前記金属含水酸化物、又は前記金属水酸化物は、複数の異なる相の混合相であることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質(solid reactor filling material)、前記金属含有前駆体、前記両親媒性溶媒、及び前記超臨界溶媒の導入は、任意の順序で行われることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質、前記金属含有前駆体、前記両親媒性溶媒、及び前記超臨界溶媒の少なくとも一つは、前記反応容器への導入の前に前記反応容器充填用固体物質、前記金属含有前駆体、前記両親媒性溶媒、及び前記超臨界溶媒の少なくとも一つと混合されることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属酸化物、前記金属含水酸化物、又は前記金属水酸化物の生成物は、バッチモード、擬バッチモード、及び実質的に連続モードの群から選ばれるモードで製造されることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器内の温度は、前記生成物の生成の間において所定温度に保持されることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成の間、前記反応容器内の温度は昇温されることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成の間、前記反応容器内の温度は降温されることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成の間、前記反応容器内の温度は、一定温度、降温過程、降温過程のうち少なくとも2つの組み合わせである温度プロファイルとされることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成の間、前記反応容器内の温度は、最大400℃であって、好ましくは最大300℃であって、さらに好ましくは最大200℃であって、より好ましくは最大100℃であって、さらになお好ましくは最大50℃であることを特徴とする請求項9から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成の間、前記反応容器内の圧力は、所定圧力に保持されることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成の間、前記反応容器内の圧力は昇圧されることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成の間、前記反応容器内の圧力は降圧されることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成の間、前記反応容器内の圧力は、所定圧力、降圧過程、降圧過程のうちの少なくとも二つの任意の組み合わせで行われることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超臨界溶媒は、CO2であって、前記生成物の生成の間における前記反応容器内の圧力は、最小74barであり、あるいは最小80barであり、またあるいは最小90barであり、さらにあるいは最小100barであることを特徴とする請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超臨界溶媒は、CO2であって、前記生成物の生成の間における前記反応容器内の温度は、最低31℃であり、あるいは最低43℃であり、またあるいは最低100℃であり、さらにあるいは最低200℃であり、またさらに最低300℃であり、よりさらに最低400℃であることを特徴とする請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超臨界溶媒は、イソプロパノールであって、前記生成物の生成の間における前記反応容器内の圧力は、最低47barであって、あるいは最低80barであって、さらに最低90barであって、またさらに最低100barであることを特徴とする請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超臨界溶媒は、イソプロパノールであって、前記生成物の生成の間における前記反応容器内の温度は、最低235℃であって、あるいは最低250℃であって、さらに最低270℃であって、またさらに最低300℃であって、400℃であることを特徴とする請求項1から17、又は20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超臨界溶媒は、前記反応容器の中に導入される以前から超臨界状態であることを特徴とする請求項1から21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超臨界溶媒は、前記反応容器の中に導入された後、超臨界状態とされることを特徴とする請求項1から21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成時間は、最大1時間であり、好ましくは最大0.75時間であり、さらに好ましくは最大0.5時間であることを特徴とする請求項1から23のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成時間は、最大8時間であり、好ましくは最大6時間であり、さらに好ましくは最大2時間であることを特徴とする請求項1から24のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物の生成時間は、最大24時間であり、好ましくは最大17時間であり、さらに好ましくは最大10時間であることを特徴とする請求項1から25のいずれか一項に記載の方法。
- 複数の異なる金属含有前駆体が前記反応容器内に導入されることを特徴とする請求項1から26のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属含有前駆体は、金属アルコキシドであることを特徴とする請求項1から27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属含有前駆体は、チタニウム・テトライソプロポキシド、チタニウム・ブトキシド、チタニウム・エトキシド、及びチタニウム・メトキシドの群から選ばれることを特徴とする請求項1から28のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属含有前駆体は、アルミニウム・イソプロポキシド、アルミニウム−SEC−ブトキシドの群から選ばれることを特徴とする請求項1から28のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属含有前駆体は、マグネシウム・エトキシドであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記金属含有前駆体は、金属塩であることを特徴とする請求項1から27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属含有前駆体は、Ti(SO4)2であることを特徴とする請求項1から27、又は32のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属含有前駆体は、TiCl4とAlCl3の群から選ばれることを特徴とする請求項1から27、又は32のいずれか一項に記載の方法。
- 前記両親媒性溶媒は、水、エタノール、メタノール、過酸化水素水、及びイソプロパノールの群から選ばれることを特徴とする請求項1から34のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器には複数の異なる両親媒性溶媒が導入されることを特徴とする請求項1から34のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、不均一系触媒として機能することを特徴とする請求項1から36のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、少なくとも一つのプロモータ(promoter)を含むことを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、少なくとも一つの繊維から構成されることを特徴とする請求項1から38のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、粉末から構成されることを特徴とする請求項1から38のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、スポンジ、グリッド、繊維の束、及びシートの群から選ばれる形状を有することを特徴とする請求項1から38のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、実質的に多孔性構造を有することを特徴とする請求項1から41のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、金属含有前駆体を反応容器の制限された部分に実質的に限定することができるサイズ及び形状を有することを特徴とする請求項1から42のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、ポリマを含むことを特徴とする請求項1から43のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポリマは、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリビニリデンクロライド(PVDC)、及び酢酸ポリビニル(PVAc)からなる群から選ばれることを特徴とする請求項44に記載の方法。
- 前記ポリマは、アクリルポリマ、フッ素化ポリマ、ジエンポリマ、ビニルコポリマ、ポリアミドポリマ、ポリエステルポリマ、ポリエーテルポリマ、及びポリアミドポリマの群から選ばれることを特徴とする請求項44に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、金属を含むことを特徴とする請求項1から46のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属は、チタン、アルミニウム、亜鉛、バナジウム、マグネシウム、ジルコニウム、クロム、モリブデン、ニオブ、タングステン、銅、及び鉄の群から選ばれることを特徴とする請求項47に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、金属酸化物を含むことを特徴とする請求項1から48のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属酸化物は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化銅、酸化アルミニウム、酸化バナジウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化シリコン、酸化モリブデン、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化鉄の群から選ばれることを特徴とする請求項49に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、セラミックを含むことを特徴とする請求項1から50のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、金属硫酸塩を含むことを特徴とする請求項1から51のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、金属ハロゲン化物を含むことを特徴とする請求項1から52のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、前記反応容器内での生成の結果の生成物に対応する金属酸化物、金属含水酸化物、又は金属水酸化物を含むことを特徴とする請求項1から53のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、前記生成物の生成に関する種物質として機能することを特徴とする請求項1から53のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応容器充填用固体物質は、前記生成物を収集する作用物質として機能することを特徴とする請求項1から54のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物は、前記反応容器充填用固体物質をさらに処理することなく前記反応容器充填用固体物質から分離可能なことを特徴とする請求項1から56のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物は、実質的に前記反応容器充填用固体物質の品質を低下させることなく前記反応容器充填用固体物質から分離可能なことを特徴とする請求項1から57のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物は、前記反応容器充填用固体物質を再利用できる方法で前記反応容器充填用固体物質から分離可能なことを特徴とする請求項1から58のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物は、液体中で前記反応容器充填用固体物質をフラッシングすることによって前記反応容器充填用固体物質から分離可能なことを特徴とする請求項1から59のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物は、真空吸引手段によって前記反応容器充填用固体物質から分離可能なことを特徴とする請求項1から60のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物は、ブロー手段によって前記反応容器充填用固体物質から分離可能なことを特徴とする請求項1から61のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物は、超音波発生手段によって前記反応容器充填用固体物質から分離可能なことを特徴とする請求項1から62のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1から63のいずれか一項に記載の方法によって製造された金属酸化物、金属含水酸化物、又は金属水酸化物の生成物であって、前記金属酸化物、前記金属含水酸化物、又は前記金属水酸化物の前記生成物は、平均一次粒径が最大1000nmであって、好ましくは最大500nmであって、さらに好ましくは最大100nmである一次粒子の集合体の形態を有することを特徴とする金属酸化物、金属含水酸化物、又は金属水酸化物の生成物。
- 請求項1から63のいずれか一項に記載の方法によって製造された金属酸化物の生成物であって、前記金属酸化物、前記金属含水酸化物、又は前記金属水酸化物の前記生成物は、平均一次粒径が100nmであって、好ましくは最大50nmであって、さらに好ましくは最大20nmであって、またさらに好ましくは最大10nmである一次粒子の集合体の形態を有することを特徴とする金属酸化物の生成物。
- 請求項1から63のいずれか一項に記載の方法によって製造された金属酸化物の生成物であって、前記金属酸化物の前記生成物は、TiO2であって、好ましくは最低20%の結晶度を有し、さらに好ましくは最低30%の結晶度を有し、またさらに好ましくは最低40%の結晶度を有し、さらになお好ましくは最低60%の結晶度を有することを特徴とする金属酸化物の生成物。
- 請求項1から63のいずれか一項に記載の方法によって製造された金属酸化物の生成物であって、アナターゼ構造のTiO2であることを特徴とする金属酸化物の生成物。
- 請求項1から63のいずれか一項に記載の方法によって製造された金属酸化物の生成物であって、Al2O3、TiO2、ZrO2、Y2O3、WO3、Nb2O5、TaO3、CuO、CoO、NiO、SiO2、Fe2O3、ZnOからなる群から選ばれることを特徴とする金属酸化物の生成物。
- 請求項1から63のいずれか一項に記載の方法によって製造された金属含水酸化物の生成物であって、前記金属含水酸化物は、含水酸化鉄、含水酸化チタニウム、含水酸化マンガン、含水酸化アルミニウムの群から選ばれることを特徴とする金属含水酸化物の生成物。
- 請求項1から63のいずれか一項に記載の方法によって製造された金属含水酸化物の生成物であって、前記金属含水酸化物は、ベーマイト構造の含水酸化アルミニウムであることを特徴とする金属含水酸化物の生成物。
- 請求項1から63のいずれか一項に記載の方法によって製造された金属水酸化物の生成物であって、前記金属水酸化物は、水酸化鉄、水酸化ケイ素、水酸化ジルコニウム、水酸化チタニウム、水酸化マンガン、水酸化アルミニウムの群から選ばれることを特徴とする金属水酸化物の生成物。
- 金属酸化物、金属含水酸化物、又は金属水酸化物のサブミクロンの一次粒径を有する生成物を製造する装置であって、前記装置は、
反応容器充填用固体物質を反応容器に導入する手段と、
金属含有前駆体を前記反応容器に導入する手段と、
両親媒性溶媒を前記反応容器に導入する手段と、
超臨界溶媒を前記反応容器に導入する手段と、
前記金属含有前駆体と前記両親媒性溶媒とを接触させるためのスペースとしての前記反応容器と、
前記反応容器充填用固体物質の近傍に前記生成物を生成するためのスペースとしての前記反応容器と
を備えることを特徴とする製造装置。
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