JP2008207152A - 反応効率を高めた多孔質金属体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】濾過や触媒性能等の反応効率を従来のものより大きく高めた多孔質金属体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】多孔質金属に高エネルギービームが照射されて、孔の内壁に金属又は金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起が形成されている多孔質金属体。および、予め大気中で加熱された多孔質金属に高エネルギービームが照射されて、孔の内壁に形成された微小な金属酸化物を核として、この上に金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起が形成されている多孔質金属体。ならびに、これら多孔質金属体の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、濾過や触媒性能等の反応効率を高めた多孔質金属体およびその製造方法に関するものである。

多孔質金属はその特性を活かしてフィルターや触媒等に用いることができる。多孔質金属として、特許文献１に開示されたロータス（蓮根）形状の気孔を有する発泡金属や、特許文献２に開示された波板１と平板２を重ねて渦巻状に巻き付けた金属ハニカムが知られている（図４）。

しかしながら、これらの多孔質金属においては、孔の内壁が平坦であったり多少の凹凸が形成されている程度であるので、反応表面を十分大きく取ることができず、濾過や触媒性能等の反応効率においてなお改良の余地のあるものであった。

ところで、原子や分子を堆積して特別構造の結晶表面や人工格子などのマイクロ・ナノ物質を、ボトムアップ方式で作成する場合において、適当な条件のもとでは自己組織化が進行する。自己組織化を利用すると基板表面のわずかな原子が堆積した突起を基にして針状の結晶を成長させて金属のナノロッドを作成したりすることができる。

このような自己組織化を利用したマイクロ・ナノ突起構造体に係る発明を、特願２００６−２５１３１９号として、発明者らは先に出願した。この出願に係るものは、大気中で加熱された金属銅に高エネルギービームを照射して、その照射領域、非照射領域に、銅酸化物からなるマイクロ・ナノ突起を成長、形成させたものであって、各種デバイスや機能材料等への適用が期待される。このマイクロ・ナノ突起を前記多孔質金属の内壁に形成させることができれば、反応面積を飛躍的に増大させて、濾過、触媒性能等を従来になく向上させ、これによって装置を小型化できる等の効果が期待できる。
特開２０００−２３９７６０号公報 （図６） 特開２００１−２２５１３０号公報 （図３）

本発明は、上記した従来の問題点に鑑み、濾過や触媒性能等の反応効率を従来のものより大きく高めた多孔質金属体およびその製造方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明の反応効率を高めた多孔質金属体は、多孔質金属に高エネルギービームが照射されて、孔の内壁に金属又は金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起が成長、形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の反応効率を高めた多孔質金属体は、予め大気中で加熱された多孔質金属に高エネルギービームが照射されて、孔の内壁に形成された金属酸化物を核として、金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起が成長、形成されていることを特徴とするものである。

上記した発明において、多孔質金属は、材質が銅、亜鉛、シリコン、チタン、ニッケル、鉄の少なくとも一種からなるものとすることができる。また、マイクロ・ナノ突起は、その横断面形状が、円錐、円柱を含む丸形、若しくは、角錐、角柱を含む角形、若しくは不定形、または、これらの混在形であるものとすることができる。多孔質金属として、球形、円筒形、円錐形、不定形のうちの何れかの形状の気孔、又はこれらのうちの二つ以上の形状が複合した気孔を有するものを用いることができる。

本発明の多孔質金属体は、流体濾過、浄化用のフィルター又はメタノール改質用触媒として用いることができる。

また、本発明の反応効率を高めた多孔質金属体の製造方法は、多孔質金属の孔の内壁に、低真空中で高エネルギービームを照射することにより、金属または金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起を、成長、形成させることを特徴とするものである。

また、本発明の反応効率を高めた多孔質金属体の製造方法は、多孔質金属を予め大気中で加熱して、孔の内壁に核となる金属酸化物を形成したのち、この内壁に低真空中で高エネルギービームを照射することにより、前記金属酸化物を核として、金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起を、成長、形成させることを特徴とするものである。

本発明に係る多孔質金属体は、孔の内壁に多数のマイクロ・ナノ突起が、繊維が毛羽立ったように形成されているので、この毛羽立ち状のマイクロ・ナノ突起により、反応面積を拡大して、濾過や触媒性能等の反応効率を従来になく向上させることができる。
また、本発明に係る多孔質金属体の製造方法は、孔の内壁に毛羽立ち状のマイクロ・ナノ突起を多数有する多孔質金属体を容易に製造することができるという利点がある。

以下に、本発明の反応効率を高めた多孔質金属体について説明する。
本発明においては高エネルギーが照射される多孔質金属として、銅製の発泡金属または金属ハニカムを用いることができる。発泡金属は、凝固の途中で気孔を一方向に成長させることによりロータス（蓮根）状の気孔を有する多孔質金属となしたものであって、通常はその気孔は貫通孔ではない。しかし、長い非貫通孔を有する凝固鋳塊を適宜の長さに切断することによって、図１に示すような貫通孔を有する多孔質金属を得ることができる。

多孔質金属の材質として、銅、亜鉛、シリコン、チタン、ニッケル、鉄のうちの少なくとも一種を用いることができる。これらの合金であっても差し支えはない。材質として銅を用いた場合には、銅からなるマイクロ・ナノ突起を形成することができる。また、大気中で銅を予備加熱した場合には、加熱によって形成された微小な針状の銅酸化物を核として、この上に銅酸化物からなるマイクロ・ナノ突起を成長、形成させることができる。亜鉛、シリコンを用いたばあいにも、それら金属または金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起を形成することができる。

また、金属ハニカムとしては、既記したような波板１と平板２とを重ねたものを渦巻き状に巻き付けた円柱状のもの、或いは波板１と平板２とを交互に重ねて角柱状に形成したものなどを用いることができる。また、多孔質金属として、金属不織布を用いることもできる。多孔質金属として、球形、円筒形、円錐形、不定形のうちの何れかの形状の気孔、又はこれらのうちの二つ以上の形状が複合した気孔を有するものを用いることができる。

以上のような多孔質金属に、１０^−４Ｐａ程度すなわち１０^−３〜１０^−５Ｐａの低真空下で、高エネルギービームとしてのＡｒイオンを照射する。Ａｒイオンビームの照射によって、図２に示すような、孔の内壁にＡｒイオンビームの照射方向に向かって伸びた不規則形状のマイクロ・ナノ突起を形成することができる。このマイクロ・ナノ突起は、銅またはＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ等の銅酸化物からなり、その横断面形状は円を基調とするが不定形である。

多孔質金属には、予備処理なしにＡｒイオンビームを照射することができるし、予め大気中で加熱を施すこともできる。加熱は、２００〜７００℃の間で１分から５時間の間で行うことができる。例えば、多孔質金属銅を３５０℃、８分間大気中で酸化させることによって、孔の内壁に、長さが約７００ｎｍ、直径が約５０ｎｍの針状の銅酸化物を生成させることができる。

予備熱処理を行った多孔質金属に、１０^−４Ｐａ程度の低真空下でＡｒイオンビームを照射することによって、その照射領域に棒状、円錐状、ペンシル状などの横断面丸形の突起を形成することができる。図３に円錐状のマイクロ・ナノ突起の例を示すが、これらの突起は、多孔質金属が大気中で加熱された際に形成された針状の金属酸化物を核として自己組織化により成長されたものである。このマイクロ・ナノ突起はＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏの銅酸化物からなる。

また、大気中で加熱された金属に、低真空下でＡｒイオンビームを照射することによって、その非照射領域に角錐状、角柱状などの横断面角形の突起を形成することができる。これらの突起は、Ａｒイオンビームの照射によって弾き飛ばされたスパッタ粒子が非照射領域に堆積して自己組織化により形成されたものであると推定される。

以上のように多孔質金属にＡｒイオンビームを照射することにより、孔の内壁に、横断面形状が円錐、円柱を含む丸形、若しくは、角錐、角柱を含む角形、若しくは不定形、または、これらの混在形であって、金属又は金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起を形成することができる。

マイクロ・ナノ突起は、Ａｒイオンビームの照射方向に成長するので、これを利用してマイクロ・ナノ突起の太さ、長さ、密度だけでなく成長方向をも制御することができる。例えば、直径４０μｍの孔の内壁に対してＡｒイオンビームを照射しつつ１２０°おきに多孔質金属を回転させれば、最大高さ２０μｍ程度のマイクロ・ナノ突起を孔の内壁の全面に形成することができる。

なお、本発明において照射せしめられる高エネルギービームは、特に限定されるものではなく、多孔質金属の孔の内壁にマイクロ・ナノ突起を成長させうるエネルギーを有するものであればよい。例えば、Ａｒイオンビームのようなイオンビームの他、このイオンビームと同等の衝撃とスパッタ効率を孔の内壁に与えることが可能な電子線、レーザービーム、Ｘ線、γ線、中性子線、粒子ビーム等を用いることができる。

また、高エネルギービームとして、Ａｒイオンビームの如きイオンビームを用いる場合には、加速電圧として３〜１０ｋＶ程度、ビーム電流としては０．５〜１．５ｍＡ程度を採用することができる。

さらに、高エネルギービームの照射角度については、その角度が小さすぎると、金属銅に対して効率良くエネルギーを供給することが難しいところから、孔の内壁に対する入射角度を、２０〜９０°とするのが望ましい。

マイクロ・ナノ突起の高さ、根本太さ、アスペクト比（前記高さ/前記太さ）、形状、密度は、大気中での酸化の有無、酸化条件、Ａｒイオンビームの照射角度、照射時間によって制御することができる。フィルター、触媒等の用途に対しては、高さが高く根本が太いものが、折れにくく反応効率が高いので、これを製造するに適した条件で多孔質金属体が製造されることとなる。

多孔質金属体の厚みが薄い場合には、適宜の枚数重ねて使用することにより、所望の濾過性能を有するフィルター、或いは触媒性能を有する触媒となすことができる。

以上に説明したように、本発明に係る多孔質金属体は、孔の内壁に多数のマイクロ・ナノ突起が毛羽立ち状に形成されているので、濾過、触媒性能等の反応効率を従来よりも大きく向上させることができる。
また、本発明に係る多孔質金属体の製造方法は、上記したような特徴ある多孔質金属体を容易に製造することができるという利点がある。

本発明の多孔質金属は、気体、液体などの流体濾過、浄化用のフィルター、排ガス浄化、還元、パティキュレート除去用の触媒に用いることができる。また、Ｃｕ_２Ｏ、ＺｎＯはメタノールを水蒸気と反応させて水素を製造するに際して高活性で耐久性に優れるので、メタノール改質用触媒として使用することもできる。製造された水素は、燃料電池用の燃料として使用することができる。

発泡金属の一例を示す外観写真である。 毛羽立ち状のマイクロ・ナノ突起を示す走査電子顕微鏡写真である。 円錐状のマイクロ・ナノ突起を示す走査電子顕微鏡写真である。 金属ハニカムの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 波板、２ 平板

Claims (8)

1. 多孔質金属に高エネルギービームが照射されて、孔の内壁に金属又は金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起が成長、形成されていることを特徴とする反応効率を高めた多孔質金属体。
2. 予め大気中で加熱された多孔質金属に高エネルギービームが照射されて、孔の内壁に形成された金属酸化物を核として、金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起が成長、形成されていることを特徴とする反応効率を高めた多孔質金属体。
3. 多孔質金属は、材質が銅、亜鉛、シリコン、チタン、ニッケル、鉄の少なくとも一種からなる請求項１または２に記載の反応効率を高めた多孔質金属体。
4. マイクロ・ナノ突起は、その横断面形状が、円錐、円柱を含む丸形、若しくは、角錐、角柱を含む角形、若しくは不定形、または、これらの混在形である請求項１〜３の何れかに記載の反応効率を高めた多孔質金属体。
5. 多孔質金属は、球形、円筒形、円錐形、不定形のうちの何れかの形状の気孔、又はこれらのうちの二つ以上の形状が複合した気孔を有するものである請求項１〜４の何れかに記載の反応効率を高めた多孔質金属体。
6. 流体濾過、浄化用のフィルター又はメタノール改質用触媒として用いる請求項１〜５の何れかに記載の反応効率を高めた多孔質金属体。
7. 多孔質金属の孔の内壁に、低真空中で高エネルギービームを照射することにより、金属または金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起を、成長、形成させることを特徴とする反応効率を高めた多孔質金属体の製造方法。
8. 多孔質金属を予め大気中で加熱して、孔の内壁に核となる金属酸化物を形成したのち、この内壁に低真空中で高エネルギービームを照射することにより、前記金属酸化物を核として、金属酸化物からなるマイクロ・ナノ突起を、成長、形成させることを特徴とする反応効率を高めた多孔質金属体の製造方法。