JP2008542184A - 気体貯蔵能力が増大したナノ多孔質炭化物由来炭素の製造方法 - Google Patents
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Abstract
気体貯蔵を伴う用途におけるナノ多孔質炭化物由来の炭素の製造および使用方法を提供する。
Description
この親出願は、２００５年６月１日に出願された米国仮出願第60/686,278号の優先権の利益を主張し、その教示をそのままの形で参照として本明細書に組み入れる。
発明の分野
本発明は、気体貯蔵を伴う用途におけるナノ多孔質炭化物由来炭素の製造および使用方法に関する。気体貯蔵用途で使用するナノ多孔質炭素は、ハロゲン環境において高温で、金属炭化物からの金属の除去により製造される。いくつかの気体貯蔵用途のために、ナノ多孔質炭素を、水素中で後処理して、ハロゲンを除去し、最小の孔および孔チャネルを開け、それによってナノ多孔質炭化物由来炭素の収着能を増大させる。この方法により製造された炭化物由来の炭素は、高い表面積（２０００ｍ２／ｇまで）、高い孔容積（１．２ｃｃ／ｇまで）および正確に制御可能な孔のサイズ（０．５〜１０ｎｍ）を有する。
本発明は、気体貯蔵を伴う用途におけるナノ多孔質炭化物由来炭素の製造および使用方法に関する。気体貯蔵用途で使用するナノ多孔質炭素は、ハロゲン環境において高温で、金属炭化物からの金属の除去により製造される。いくつかの気体貯蔵用途のために、ナノ多孔質炭素を、水素中で後処理して、ハロゲンを除去し、最小の孔および孔チャネルを開け、それによってナノ多孔質炭化物由来炭素の収着能を増大させる。この方法により製造された炭化物由来の炭素は、高い表面積（２０００ｍ２／ｇまで）、高い孔容積（１．２ｃｃ／ｇまで）および正確に制御可能な孔のサイズ（０．５〜１０ｎｍ）を有する。
発明の背景
大量の気体を貯蔵するための材料の能力は、多くの用途についての重要な要件である。例えば、輸送燃料の媒体としての水素ガスの使用は、大量の水素を貯蔵することができる材料の不足によって妨げられる。車両用途における天然ガス（メタン）の使用についても同様である。
水素気体の単位質量あたりのエネルギーは高く、無公害で環境に優しいことの利点と組み合わされて、水素を多くの用途のための燃料に選択させる。しかしながら、水素は最も軽い気体であることから、それを効率的に貯蔵することは非常に難しい。高い水素貯蔵能は、水素の燃料源としての実施への重要な課題である。米国エネルギー省（ＤＯＥ）は、２０１０年までに６．５重量％の可逆的水素貯蔵能の目標を設定した。
大量の気体を貯蔵するための材料の能力は、多くの用途についての重要な要件である。例えば、輸送燃料の媒体としての水素ガスの使用は、大量の水素を貯蔵することができる材料の不足によって妨げられる。車両用途における天然ガス（メタン）の使用についても同様である。
水素気体の単位質量あたりのエネルギーは高く、無公害で環境に優しいことの利点と組み合わされて、水素を多くの用途のための燃料に選択させる。しかしながら、水素は最も軽い気体であることから、それを効率的に貯蔵することは非常に難しい。高い水素貯蔵能は、水素の燃料源としての実施への重要な課題である。米国エネルギー省（ＤＯＥ）は、２０１０年までに６．５重量％の可逆的水素貯蔵能の目標を設定した。
メタンは、水素対炭素の比率が最も高く、あらゆる炭化水素の中で単位質量あたりのエネルギーが最も高い。超高圧（２００ｂａｒｓ）での圧縮天然ガスの費用のかかる業務および危険な貯蔵を、より低い圧力で多孔質炭素の表面に天然ガスを吸着させることによって置き換えることができる。メタンの効果的な貯蔵は、その燃料としての使用のために重要である。ＤＯＥは、２５℃、３５ｂａｒまでの圧力で、１８０ｖ／ｖ（材料の容積あたりのメタンの容積）を目標に設定した。
したがって、さまざまな用途のための効率的な気体貯蔵材料が強く求められている。
水素およびメタンなどの気体は、金属水素化物、金属有機骨格および炭素材料など多くの固体の状態の材料中に貯蔵することができる。炭素ベースのナノ材料は、それらの低分子量、多種多様な構造、自然界における炭素の豊富さにより、気体貯蔵のための主要な候補のうちである。特に、炭素ナノチューブ／ナノ繊維は、それらが気体貯蔵用途に好適であるか否かを確認するために広く研究されている。しかしながら、低い気体貯蔵能が、これらの材料について報告されてきた。炭素材料における高い気体貯蔵能を最大化するのに要求される重要なパラメータは、高い表面積、狭く分布した小孔，および高い孔容積である。
水素およびメタンなどの気体は、金属水素化物、金属有機骨格および炭素材料など多くの固体の状態の材料中に貯蔵することができる。炭素ベースのナノ材料は、それらの低分子量、多種多様な構造、自然界における炭素の豊富さにより、気体貯蔵のための主要な候補のうちである。特に、炭素ナノチューブ／ナノ繊維は、それらが気体貯蔵用途に好適であるか否かを確認するために広く研究されている。しかしながら、低い気体貯蔵能が、これらの材料について報告されてきた。炭素材料における高い気体貯蔵能を最大化するのに要求される重要なパラメータは、高い表面積、狭く分布した小孔，および高い孔容積である。
米国特許第6,579,833号は、ハロゲン中でのエッチングにより金属炭化物を炭素に変換する方法を開示している。
PCT/US2004/021382は、調節可能な孔のサイズを有するナノ多孔質炭化物由来炭素を開示している。
PCT/US2004/021382は、調節可能な孔のサイズを有するナノ多孔質炭化物由来炭素を開示している。
本発明は、炭化物由来の炭素の貯蔵能の改善に関する。
発明の概要
本発明の目的は、気体貯蔵能が改善されたナノ多孔質炭素材料の製造および使用のための方法を提供することである。
したがって、本発明の一面は、気体の貯蔵および／または吸着のための、高い表面積、すなわち３００ｍ２／ｇより大きい表面積の、多孔質炭素または炭素含有材料の製造方法に関し、この方法は、無機炭素含有前駆体からの大部分の非炭素原子の除去を介する。
本発明の別の面は、気体の貯蔵または収着のいずれかを伴う用途におけるこれらの高表面積炭素含有材料の使用に関する。
本発明の目的は、気体貯蔵能が改善されたナノ多孔質炭素材料の製造および使用のための方法を提供することである。
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本発明の別の面は、気体の貯蔵または収着のいずれかを伴う用途におけるこれらの高表面積炭素含有材料の使用に関する。
図面の簡単な説明
図１ａ〜ｄは、本発明にしたがって製造されたナノ多孔質炭化物由来炭素（ＣＤＣ）の水素収着等温線を描写した折れ線グラフを提供する。ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＳｉＣから製造したナノ多孔質ＣＤＣの水素収着等温線を図１ａに描写する。図１ｂ、１ｃおよび１ｄは、ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＢ４Ｃからぞれぞれ製造されたナノ多孔質炭素のさまざまな塩素化温度での水素収着を示す。塗りつぶした四角は水素後処理前の試料を示し、中空の四角は水素後処理後の試料を示す。測定を、１気圧および７７Ｋの温度で行った。
図１ａ〜ｄは、本発明にしたがって製造されたナノ多孔質炭化物由来炭素（ＣＤＣ）の水素収着等温線を描写した折れ線グラフを提供する。ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＳｉＣから製造したナノ多孔質ＣＤＣの水素収着等温線を図１ａに描写する。図１ｂ、１ｃおよび１ｄは、ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＢ４Ｃからぞれぞれ製造されたナノ多孔質炭素のさまざまな塩素化温度での水素収着を示す。塗りつぶした四角は水素後処理前の試料を示し、中空の四角は水素後処理後の試料を示す。測定を、１気圧および７７Ｋの温度で行った。
図２は、１２００℃でＳｉＣおよびＢ４Ｃの塩素化により製造されたナノ多孔質炭素のメタン貯蔵を描写している折れ線グラフである。２．８重量％（４０．５７ｖ／ｖ）および１．５重量％（２４．７４ｖ／ｖ）の貯蔵能を、１２００℃の合成温度でＳｉＣおよびＢ４Ｃからそれぞれ製造されたＣＤＣについて記録した。測定を、２５℃の温度で行った。
図３は、ＣＤＣおよび活性炭（Air Productsから入手した、Amoco Carbonと称されるAX21）の室温での高圧水素貯蔵を描写したグラフである。ＣＤＣ試料は、３時間８００℃でのＴｉＣの塩素化、および続いての６００℃で約２時間のＨ２中での処理により製造した。測定は、VTI, Inc.（米国）が行った。
図４は、Ｈ２の貯蔵へのアンモニア処理の影響を示すグラフである。グラフは、６００℃でのＴｉＣの塩素化により製造されたナノ多孔質炭化物由来炭素（ＣＤＣ）の水素収着等温線を描写する。測定を、７７Ｋで１気圧までの圧力で行った。１気圧で、製造された状態でのＣＤＣ試料（星印）は、アンモニア中３０分間（四角）または６０分間（丸）高温（６００℃）処理に供したＣＤＣ試料（約２．６重量％）より低い重量測定の水素貯蔵値（約２．３重量％）を提供する。
図５は、０℃で約１気圧までの圧力でのＣＤＣへのＣＯ２吸着（貯蔵）を描写するグラフである。ＣＤＣ試料を、ＴｉＣから４００℃で（中空の逆三角）およびＴｉＣから８００℃で（中空の四角）およびＺｒＣから３００℃で（塗りつぶした四角）およびＺｒＣから４００℃で（アスタリスク）３時間の塩素化により製造した。ＣＯ２を可逆的に貯蔵するＣＤＣの能力は、多くの用途に有用である。ＣＯ２排出は、地球温暖化に関連づけられており、その排出を減らす世界的な努力が存在している。ＣＯ２固定は、長期のＣＯ２貯蔵方法を提供する。排出を減らすためのＣＯ２貯蔵に加え、ＣＤＣは、室内の空気および携帯用生命維持システムからＣＯ２のの効果的な除去に使うことができる。
図６は、ＣＤＣ中の塩素含有量のエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）による分析を示す：合成温度に応じたＴｉＣおよびＴｉ３ＳｉＣ２−ＣＤＣ中の塩素の重量％。Ｔｉ３ＳｉＣ２−ＣＤＣおよびＴｉＣ−ＣＤＣを、それぞれ試料の調製後５〜６および７〜１０日間分析した。全ての合成ＣＤＣを、高温合成後、塩素パージ(purge)下で冷却した（ＣＤＣ合成を、ＴｉＣまたはＴｉ３ＳｉＣ２のいずれかの塩素化により行った）。効率的な塩素捕集（４０重量％を超える）を周囲圧力で達成した。
図７は、７７ＫでＣＤＣへの水素の吸着を描写するグラフである。ＣＤＣを、ＳｉＣのナノ粒子（直径約３０ｎｍ）から、９００℃で３時間の塩素化によって誘導した。測定は、VTI, Inc.（米国）が行った。
発明の詳細な説明
本発明は、気体の貯蔵および収着における用途のために、炭化物由来炭素と称されるナノ多孔質炭素の製造方法を提供する。本発明のこの方法により、炭化物由来炭素および他の炭素含有材料において小孔および孔チャンネルを開き、したがって、その収着能を４０〜７０％増大させる。この方法によって製造された炭素は、高い表面積、好ましくは３００ｍ２／ｇより大きく２０００ｍ２／ｇまでの表面積、高い孔容積（１．２ｃｃ／ｇまで）および正確に制御可能な孔のサイズ（０．５〜１０ｎｍ）を有する。したがって、この方法によって製造された炭化物由来炭素は、水素、二酸化炭素、メタンおよび他の気体の貯蔵に特に有用である。これはまた、他の気体からの選択的な気体または気体混合物の分離に使うことができる。
本発明は、気体の貯蔵および収着における用途のために、炭化物由来炭素と称されるナノ多孔質炭素の製造方法を提供する。本発明のこの方法により、炭化物由来炭素および他の炭素含有材料において小孔および孔チャンネルを開き、したがって、その収着能を４０〜７０％増大させる。この方法によって製造された炭素は、高い表面積、好ましくは３００ｍ２／ｇより大きく２０００ｍ２／ｇまでの表面積、高い孔容積（１．２ｃｃ／ｇまで）および正確に制御可能な孔のサイズ（０．５〜１０ｎｍ）を有する。したがって、この方法によって製造された炭化物由来炭素は、水素、二酸化炭素、メタンおよび他の気体の貯蔵に特に有用である。これはまた、他の気体からの選択的な気体または気体混合物の分離に使うことができる。
本発明において使用される材料は、金属炭化物のハロゲン処理、好ましくは塩素化によって製造されるナノ多孔質炭素を含み、炭化物由来炭素またはＣＤＣとも称される。このようにして製造されたＣＤＣにおいて、炭化物の格子を鋳型(template)として使用し、金属を層ごとに抽出する。したがって、ナノスケールレベルでの高度な制御を、合成プロセスにおいて達成することができる。炭素の構造を、炭化物構造によって鋳型化することができ、温度制御、環境、および他のプロセスの変数によって、構造および多孔率のさらなる変更が可能である。
本発明の方法において、気体の貯蔵または吸着に有用な高表面積多孔質炭素または炭素含有材料は、無機炭素含有前駆体からの大部分の非炭素原子の除去により、無機炭素含有金属前駆体から製造される。本発明において有用な無機炭素含有前駆体は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、ＣａおよびＣｒからなる群から選択された金属類、半金属類またはそれらの組合せを基礎とする化合物を含有する。好ましくは、無機炭素含有前駆体は、炭化物、炭化物もしくは炭窒化物の混合物または炭化物と炭窒化物との混合物を含む。炭素含有前駆体は、非晶質、ナノ結晶、微結晶、または結晶構造を有してもよい。本発明において有用な炭素含有前駆体は、二元および三元炭化物およびそれらの混合物を含むが、それらに限定されない。
本発明の方法において使用される無機炭素含有前駆体は、１０ｎｍから２０，０００ｎｍまでのサイズ範囲の粒子を有する粉末を含んでもよい。前駆体粒子についての特徴的なサイズまたは平均の直径範囲は、好ましくは１，０００〜１０，０００ｎｍ、より好ましくは５００〜１，０００ｎｍ、より好ましくは１００〜５００ｎｍまたはより好ましくは１０〜１００ｎｍである。小さい（＜５００ｎｍ）サイズの前駆体粒子は、高表面積炭素含有材料の製造に必要な全体の時間を減少させる。小さい前駆体粒子はまた、これらの粒子を出入りする気体のより速やかな拡散を可能にし、有利なことに、特に気体の貯蔵および／または吸着を伴う用途に関して、製造される多孔質炭素の構造および特性に影響を及ぼす。
代わりに、無機炭素含有前駆体は、バルク、例えば焼結無機炭素含有前駆体であってもよい。
本発明の方法において、無機炭素含有前駆体からの非炭素原子を、１０〜１５００℃の温度範囲で、好ましくは３００〜１２００℃の温度範囲で、無機炭素含有前駆体の熱化学、化学または熱処理（単数または複数）により除去する。好ましい態様において、高表面積炭素含有材料を、１０〜１２００℃の温度範囲で、より好ましくは３００〜１０００℃の温度範囲で、さらにより好ましくは４００〜８００℃の温度範囲で、前駆体のハロゲン化、より好ましくは塩素化により製造する。低コストであり、結果としてより高濃度のグラフェンフラグメントのエッジに位置する炭素原子、製造された高表面積炭素の界面化学および組成を変えるために使われる場合の合成ナノセル炭素と気体（および／または液体）との高い反応性、およびしばしば気体収着用途における性能の改善が得られるので、低合成温度が好ましい。
本発明の方法の一態様において、高濃度のグラフェンフラグメント内のエッジ位置に位置する炭素原子を有する初期の高表面積炭素試料を、８００℃より低い、より好ましくは６００℃より低い低温での金属または半金属含有無機炭素含有前駆体のハロゲン化、より好ましくは塩素化により製造する。
ハロゲン化に続いて、本発明の方法は、高温での水素または窒素を含有する気体または気体混合物による処理をさらに含んでもよい。水素または窒素を含有する気体または気体混合物による処理とは、水素または窒素を含有する気体への浸漬、または水素または窒素を含有する気体の貫流を含むことを意味する。好ましい態様において、高表面積炭素含有材料の合成は、アンモニア（ＮＨ３）を含む窒素を含有する気体または気体混合物、より好ましくはアンモニア（ＮＨ３）および原子状および／または分子状の水素による処理を伴う。この態様において、高表面積炭素含有材料の合成は、好ましくは無機炭素含有前駆体のハロゲン化を含み、その後に相当量（＞１％）のアンモニアが窒素および水素に分解するよう選択された温度および気流条件でのアンモニア含有気体または気体混合物中での処理が続く。さらに、アンモニア含有気体または気体混合物中での処理を、高濃度、好ましくは１〜６０％濃度の炭素原子がグラフェンフラグメント内のエッジ位置に位置する高表面積炭素試料について行うことが好ましい。
代わりに、ハロゲン化に続いて、本発明の方法は、吸着または気体貯蔵の特性のさらなる強化のための炭素表面の機能化を目的として、別の気体または気体混合物による処理をさらに含んでもよい。
これらのハロゲン化後処理は、炭素構造および／または炭素材料の表面に結合した官能基のいずれかにおける窒素または他の種の取り込みをもたらす。
好ましくは、気体（または気体混合物または溶液）中でのハロゲン化後処理を、ハロゲン化後、試料を空気、反応性の気体混合物および／または制御が不十分な環境に曝露することなく、その場で行う。
さらなる物理的および／または化学的活性化技術を、製造された炭素含有材料の多孔率をさらに変えるのに使用してもよい。一態様において、気体または気体混合物は、その元素組成に酸素を含有し、例えば活性化剤として作用する空気、Ｈ２Ｏ、またはＣＯ２などであるがこれらに限定されない。
異なる孔のサイズ（０．４〜１．５ｎｍ）および高比表面積（３００〜２０００ｍ２／ｇ）を有するさまざまなＣＤＣを、異なる金属炭化物を使って製造した。
さらなる物理的および／または化学的活性化技術を、製造された炭素含有材料の多孔率をさらに変えるのに使用してもよい。一態様において、気体または気体混合物は、その元素組成に酸素を含有し、例えば活性化剤として作用する空気、Ｈ２Ｏ、またはＣＯ２などであるがこれらに限定されない。
異なる孔のサイズ（０．４〜１．５ｎｍ）および高比表面積（３００〜２０００ｍ２／ｇ）を有するさまざまなＣＤＣを、異なる金属炭化物を使って製造した。
気体貯蔵測定を、さまざまな温度（２００〜１２００℃）で、水素後処理を行いおよび行わず、金属炭化物の塩素化により製造されたナノ多孔質炭素について行った。反応を、合成石英(quart)のチューブ炉内で２０ｓｃｃｍの塩素の流入を伴って行った。金属炭化物の塩素化による、製造されたナノ多孔質炭素の後処理を、６００℃の高温で２時間、水素またはアンモニアを流して行った。平均の孔のサイズおよび合計の孔容積を、ＮＬＤＦＴ（非局所密度汎関数理論(Non Local Density Functional Theory)）法を使って、−１９６℃でのＡｒ等温線（Autosorb-1、Quantachrome）から計算した。比表面積を、BET（Brunauer、EmmetおよびTeller）理論にしたがって計算した。水素貯蔵測定もまた、同じ装置を使って、−１９６℃で１ａｔｍまでの圧力で行った。さらに、高圧水素貯蔵測定を、VTI, Inc.が室温で行った。ＣＯ２貯蔵測定を、Autosorb-1（Quantachrome）を使って、約０℃で１ａｔｍまでの圧力で行った。
ＣＤＣ内に貯蔵される塩素の量を、エネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を使って評価した。元素感度の係数を、塩素含量の計算に使用した。元素組成の絶対値を１％以下の精度で決定することができる一方、ＥＤＳ研究は、分析に必要な真空への試料の曝露に起因して過小評価された値を提供したと考えられる。
ＣＤＣが、気体貯蔵のために非常に効果的な材料であることを見出した。ＣＤＣの孔のサイズ分布および微細構造を、要求された条件（温度、圧力など）での特定の気体（または気体混合物）の吸着（または貯蔵）のために最適化してもよい。
図１〜７は、さまざまな実験条件（さまざまな温度および圧力）でのさまざまな気体の吸着および貯蔵のための、無機前駆体（ＣＤＣなど）由来の高表面積多孔質炭素材料の使用例を実証している。
後処理に供されていないＣＤＣについて、周囲圧力での水素貯蔵は、液体窒素温度で１．４重量％〜２．８重量％とさまざまであり、メタン貯蔵能は室温で２．８重量％（４０．５７ｖ／ｖ）に達した（図２参照）。
後処理に供されていないＣＤＣについて、周囲圧力での水素貯蔵は、液体窒素温度で１．４重量％〜２．８重量％とさまざまであり、メタン貯蔵能は室温で２．８重量％（４０．５７ｖ／ｖ）に達した（図２参照）。
図１は、ＣＤＣの水素貯蔵能への水素処理の効果を示す。水素貯蔵能は、水素中での後処理の後増大し、１．９重量％〜３．０重量％に達した。
さらに、貯蔵能が最大化される最適合成温度を同定した。図１（ｂ〜ｄ）に示すように、この最適合成温度は、異なる金属炭化物によって変化した。
さらに、貯蔵能が最大化される最適合成温度を同定した。図１（ｂ〜ｄ）に示すように、この最適合成温度は、異なる金属炭化物によって変化した。
図３は、室温で３５気圧までの圧力での、改良活性炭ＡＸ２１（Amoco Carbon）と比較して優れたＣＤＣの水素貯蔵能を示す。ＡＸ２１を、水素吸着についての基準点とみなす。
図５は、元素組成に酸素および炭素を含有する気体（この場合、ＣＯ２であった）の吸着のためのＣＤＣの使用を実証している。異なる微細構造および多孔率を有するＣＤＣは、異なる気体収着能をもたらす。この例において、微細構造および多孔率を、異なる無機前駆体、すなわちＺｒＣおよびＴｉＣを使うことによりならびに異なる合成温度により変化させた。
図５は、元素組成に酸素および炭素を含有する気体（この場合、ＣＯ２であった）の吸着のためのＣＤＣの使用を実証している。異なる微細構造および多孔率を有するＣＤＣは、異なる気体収着能をもたらす。この例において、微細構造および多孔率を、異なる無機前駆体、すなわちＺｒＣおよびＴｉＣを使うことによりならびに異なる合成温度により変化させた。
図６は、ハロゲン（この場合、塩素であった）の貯蔵のためのＣＤＣの使用を実証している。適温（１０００℃より低い）で炭化物の塩素化によって合成されたＣＤＣは、大量のハロゲンを捕捉する能力があった。より低いＣＤＣ合成温度により、より高い貯蔵能がもたらされた。
図７は、気体の効率的な吸着のためのＣＤＣナノ粒子の使用を実証している。水素吸着についての実験は、７７Ｋおよび高圧力で、VTI, Incが行った。
本発明の方法にしたがって製造された高表面積炭素含有材料は、気体の貯蔵または収着を伴う用途に使用することができる。例えば、高表面積炭素含有材料は、吸着剤として使用することができる。本発明の方法にしたがって製造された高表面積炭素含有材料を含む吸収媒体は、１気圧より低い、１気圧のまたは１気圧より高い気圧での気体貯蔵を高める上で有用である。さらに、この吸収媒体は、室温より低い、室温のまたは室温より高い温度での気体貯蔵を高める上で有用である。請求項２５〜２８のいずれかに記載の高表面積炭素含有材料の使用では、気体が、およそ室温で、１気圧より低い気圧で貯蔵される。したがって、気体を、室温より低い温度で大気圧より低い気圧で、およそ室温で大気圧より高い気圧で、および／または室温より低い温度で大気圧より高い気圧で、この吸収媒体を使って貯蔵することができる。
本発明の方法にしたがって製造された高表面積炭素含有材料は、元素組成に水素、酸素および／または炭素を含む気体または気体混合物を貯蔵するために使用することができる。好ましい態様において、貯蔵される気体または気体混合物は、Ｈ２、ＣＨ４またはＣＯ２である。代わりに、貯蔵される気体または気体混合物は、その元素組成にＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩなどに限定されないが、ハロゲンを含む。この態様において、貯蔵される気体は、好ましくは＞５０％ハロゲンである。この限度容量で使用される場合、高表面積炭素含有材料を、貯蔵するハロゲンと同じものを使って製造することが好ましい。例えば、ＣＤＣが炭化物前駆体の塩素化により製造された場合、ＣＤＣを、塩素含有気体の貯蔵または吸着に使用することが好ましい。
したがって、本発明の別の面は、本発明の方法にしたがって製造された高表面積炭素含有材料を含む気体吸着剤に関する。
本発明の別の面は、本発明の方法にしたがって製造された高表面積炭素含有材料で充填した気体貯蔵容器またはシリンダーに関する。気体貯蔵シリンダーはまた、好ましくは要求された組成の吸着される気体を含む。気体用容器またはシリンダーにおいて高表面積炭素含有材料の表面に吸着される気体は、圧力または分圧）の勾配によって放出または脱着することができる。好ましくは、出口圧力または気体を容器から脱気および／または除去する圧力が、貯蔵圧力または気体を容器内に貯蔵する圧力より低いことが好ましい。あるいは、容器またはシリンダーの高表面積炭素含有材料の表面に吸着される気体は、高表面積炭素含有材料の温度を上げることによって放出または脱着される。
Claims (24)
- 無機炭素含有前駆体からの大部分の非炭素原子の除去を含む、気体の貯蔵または吸着のための高表面積多孔質炭素または炭素含有材料の製造方法。
- 無機炭素含有前駆体が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、ＣａおよびＣｒからなる群から選択された金属類、半金属類またはそれらの組合せを基礎とする化合物を含有する、請求項１に記載の方法。
- 無機炭素含有前駆体が、炭化物、炭化物もしくは炭窒化物の混合物、または炭化物と炭窒化物との混合物を含む、請求項１または２に記載の方法。
- 無機炭素含有前駆体からの非炭素原子の除去が、１０〜１５００℃の温度範囲での無機炭素含有前駆体の熱化学、化学または熱処理によって行われる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
- 熱化学、化学または熱処理が、１０〜１２００℃の温度範囲での無機炭素含有前駆体のハロゲン化を含む、請求項４に記載の方法。
- 無機炭素含有前駆体を、４００〜８００℃の温度範囲で塩素ガスと反応させる、請求項５に記載の方法。
- 無機炭素含有前駆体が、１０〜２０，０００ｎｍの範囲のサイズ範囲の粒子を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
- 高温での気体または気体混合物によるハロゲン化後処理をさらに含む、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
- 気体または気体混合物が、水素または窒素を含有する気体を含む、請求項８に記載の方法。
- 窒素を含有する気体または気体混合物が、アンモニア（ＮＨ３）を含む、請求項９に記載の方法。
- 窒素を含有する気体または気体混合物が、アンモニア（ＮＨ３）および原子状または分子状水素を含む、請求項９に記載の方法。
- アンモニア含有気体または気体混合物における処理を、グラフェンフラグメント内のエッジ位置に位置する高濃度の炭素原子を有する高表面積炭素試料について行う、請求項１０または１１に記載の方法。
- 気体または気体混合物による処理が、高表面積炭素含有材料の気体貯蔵特性を機能的にし、さらに高める、請求項８に記載の方法。
- 無機炭素含有前駆体の粉末が、バルク無機炭素含有前駆体を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
- 製造された高表面積炭素含有材料の多孔率を変える物理的または化学的活性化技術をさらに含む、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
- 元素組成に酸素を含む気体または気体混合物を、活性化剤として使用する、請求項１５に記載の方法。
- 請求項１〜１６のいずれかにしたがって製造された高表面積炭素含有材料の、気体または気体混合物の貯蔵または収着のための使用。
- 吸着剤としての、請求項１７に記載の使用。
- 吸着されるまたは貯蔵される気体または気体混合物が、その元素組成に水素、酸素または炭素を含む、請求項１７に記載の使用。
- 気体または気体混合物が、Ｈ２、ＣＨ４またはＣＯ２である、請求項１９に記載の使用。
- 気体または気体混合物が、その元素組成にハロゲンを含む、請求項１７に記載の使用。
- 気体または気体混合物が、５０％より多くハロゲンである、請求項２１に記載の使用。
- 請求項１〜１６のいずれかに記載の方法にしたがって製造された高表面積炭素含有材料を含む吸着剤。
- 請求項１〜１６のいずれかに記載の方法にしたがって製造された高表面積炭素含有材料を含む気体貯蔵シリンダーまたは容器。
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