JP2009161849A - アルミニウムと炭素材料との間の効率的なAl−C共有結合を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明は、電気化学的方法を用いてアルミニウム−炭素材料のAl−C共有結合を形成する方法を提供する。上記方法は、陽極と、炭素材料の連結された陰極とで構成され、電解液で満たされた電気化学装置に電位を印加して、陰極に連結された炭素材料の表面をアルミニウムでメッキする段階を含むことができる。更に、本発明は、上記電気化学装置に電位を印加し炭素材料の表面をアルミニウムでメッキして共有結合を形成したアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法、及び上記方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体を提供する。
【選択図】図1
Description
本発明の他の目的は、電気アークを印加して共有結合を形成したアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法、及び上記方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体を提供することにある。
本発明の他の目的は、電気化学的方法を用いて共有結合を形成したアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法、及び上記方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体を提供することにある。
本発明は、(i)炭素材料の欠陥及び機能化を誘導する段階;(ii)上記機能化された炭素材料をアルミニウムと混合する段階;及び(iii)上記混合物に電気アークを印加してAl−C共有結合を誘導する段階;を含む、アルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法を提供する。
現在、入手可能な炭素材料は、直径が0.4nm乃至16μm、長さが10nm乃至10cmと知られている。即ち、炭素ナノチューブは、現在まで報告された資料(Science292,2462[2001])から一番小さい直径が0.4nmと知られており、炭素繊維は商用化された製品の直径が最大16μmと知られている(Taiwan Carbon Technology Co)。本発明では炭素材料として、多重壁炭素ナノチューブは直径10乃至20nm、長さ10乃至20μmのものを用い、NK炭素ナノチューブは直径40乃至60nm、長さ20μm前後のものを用いた。炭素繊維(東レ)は直径7乃至8μm、長さ5mmのものを用いた。但し、本発明の方法においては、炭素材料の大きさにいかなる制限も受けない。
本発明の他の態様として、本発明は、(i)炭素材料に欠陥及び機能化を誘導する段階;(ii)上記機能化された炭素材料をアルミニウムと混合する段階;及び(iii)上記アルミニウムと炭素材料の混合物に電気アークを印加してAl−C共有結合を誘導する段階;を含む、アルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法を提供する。
本発明の他の目的を達成するために、本発明は、電気化学的方法を用いてアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法を提供する。
上記炭素材料には、黒鉛、黒鉛繊維、炭素繊維、炭素ナノ繊維、及び炭素ナノチューブからなる群より選ばれる1種又は2種以上の物質を用いることができる。
本発明は、電気アーク又は電気化学的方法を用いてアルミニウムと炭素材料との間のAl−C共有結合を誘導する方法を提供する。
実施例1:電気アークを用いてアルミニウムと炭素材料との間にAl−C共有結合を誘導する工程
本発明に関する具体的な例は、図1に示された実験工程に従う。炭素材料には、多重壁炭素ナノチューブ(ILJIN Nanotech製品、CM95)、NK炭素ナノチューブ(nanokarbon製品、hellow CNT75)、炭素繊維(東レ製品(日本)、T300)を用いた。多重壁炭素ナノチューブは直径10〜20nm、長さ10〜20μmのものを、NK炭素ナノチューブは直径40〜60nm、長さ20μmのものを用いた。
上記炭素ナノチューブは、70%硝酸(HNO3)に10分乃至3時間、水槽型反応器(ドイツ Bangbelin electronic、RK106)で超音波反応させて機能化を誘導した。NK炭素ナノチューブは、機能化された製品を購買した。炭素繊維は、硫酸(H2SO4)と硝酸(HNO3)を1:1で混ぜたものに2時間超音波反応して機能化を誘導した。
マイクロウェーブを用いた機能化誘導方法では、エチレングリコール(ethylene glycol)又は硝酸(HNO3)を溶媒として、また塩素酸ナトリウム(NaClO3)を酸化促進剤として用い、上記溶媒に多重壁炭素ナノチューブを分散した。マイクロウェーブ処理は、電子レンジ(大宇エレクトロニクス、KR-U20AB)を用いて3分間行われた。但し、処理時間は1分から6分まで可能である。
プラズマ処理では、多重壁炭素ナノチューブに常圧で消費電力500Wを用いてプラズマを形成し、ガス原料として酸素500sccm及びヘリウム300sccmを用いた。プラズマ処理をA−tech system製品を用いて5分間行うことにより、欠陥及び機能化を誘導した。
アルミニウム微細粉末を用い、炭素材料として多重壁炭素ナノチューブ、NK炭素ナノチューブ、又は炭素繊維を用いた。アルミニウム粒子は、SAMCHUN化学より購買した製品を使用した。機能化された上記炭素材料をそれぞれのアルミニウム粉末と比率1〜30wt%でボールミリングした。アルミニウムの酸化を防ぐために、坩堝内をアルゴン(Ar)ガスで充填した。酸素及び水分を十分除去した坩堝を安全に密封した後、50rpm乃至400rpmでボールミリングすることができる。ボールミリングは1〜24時間可能である。
図2は、電気アークを用いてアルミニウムとそれぞれの炭素材料とのAl−C共有結合を誘導する前と後の試料をデジタルカメラ(ニコン、koolpix-3700)で撮影したものである。
図3は、本発明の実施例で電気アークを用いてアルミニウムと炭素材料との間のAl−C共有結合を誘導した後に試料の表面を測定した電子顕微鏡(JEOL, JSM7000F) 写真の分析資料である。
図4の(a)と(b)は、アルミニウムと多重壁炭素ナノチューブとの間のAl−C共有結合を誘導した後に試片の断面を測定した電子顕微鏡(JEOL, JSM7000F)写真である。本実施例では、実際の炭素ナノチューブの存在を写真で確認するために、試片の断面を電子顕微鏡で分析した。分析の結果、多重壁炭素ナノチューブは図4の(b)のように試片の内部に存在することが確認できる。
アルミニウム基材内部に共有結合された炭素材料の結晶性を確認するために、ラマン分光分析法で測定した。ラマン装備は、ReinshawのInvia Basicモデルで633nm He/Ne laserを用いた。図5の(a)、(b)、(c)は、多重壁炭素ナノチューブ、NK炭素ナノチューブ、炭素繊維それぞれと接合したアルミニウムの試片の表面を測定したラマン分析資料である。試料全てのラマン分析資料から、炭素材料の炭素sp2混成結合の結晶振動を示すG−ピークの振動モードが確認できる。sp2混成結合は、黒鉛(graphite)の結晶性を示す構造であって、炭素ナノチューブや炭素材料などはsp2混成結合によって主骨格がなされている。この結果から、アルミニウム試料の内に共有結合されている炭素材料の結晶性が、電気アークによるマイクロ接合の過程中に破壊されずにそのまま残っていることが確認できる。
アルミニウムと炭素材料との間の共有結合がなされたかどうかを確認するために、X線回折分析資料を用いて分析した。X線回折分析装置としては、ドイツのBRUKER AXS社のD8 FOCUS(2.2KW)モデル、Cu Kα 1.54Åビームを用いた。 図6は、アルミニウムと炭素材料とのAl−C共有結合を誘導する前と後のX線回折資料である。
実施例7:電気アークによってアルミニウムと炭素材料が共有結合された試料の硬度分析
本実施例では、アルミニウム内部に共有結合された炭素材料の機械的硬度を測定した。図7は、炭素材料が含まれたアルミニウム試片の硬度値を示したデータである。硬度は、ビッカース硬度計(日本国AKASHI製品、MVK-H2)を用いてそれぞれの試片を5回ずつ異なる位置で測定した。測定された硬度の平均値を棒グラフに、誤差範囲と共に示した。硬度は、多重壁炭素ナノチューブが最も高く表れた。本発明での硬度は一般的に用いられるアルミニウム(A356-T6)に比べ、多重壁炭素ナノチューブを添加した時に3倍以上増加した。それ以下はNK炭素ナノチューブ、炭素繊維の順であった。多重壁炭素ナノチューブと炭素繊維の引張強度の値は、それぞれ63GPa(参考資料:http://en.wikipedia.Org/wiki/ Carbon#nanotube)と3.5Gpa(参考資料:Toray industries)であった。NK炭素ナノチューブは、多重壁炭素ナノチューブよりも直径が大きく欠陥が多いことを考慮するとき、引張強度がより小さいことと予想される。上述の資料と本発明の実施例により測定された実験値とを比較するとき、一貫した結果を確認することができる。従って、炭素材料は、アルミニウム基材内でアルミニウムと共有結合されて、強度に大きい影響を及ぼすことが確認できる。
本実施例は、電気化学的方法を用いて炭素材料とアルミニウムとの共有結合を形成する方法を提供するものである。
電解液を製造するための有機溶媒としてはテトラヒドロフラン(THF)を用い、電解液を高濃度にするためにベンゼンを添加した。電解液の活性を高めるために水素化リチウムアルミニウム(LiAlH4)を添加した。また、アルミニウム化合物としては、高純度で水分を含まない塩化アルミニウム(AlCl3)を用いた。電解液を作る作業は全て、水分のない、アルゴンガスを満たしたグローブボックスの中で行われた。
図8は電気化学的方法のための装置を図式化したものであり、図9は電気化学的方法に関する全体的な過程を示すフローチャートである。以下、図8及び図9を参照しながら、本発明による電気化学的方法について説明する。
相対側の電極としては、電気的且つ化学的安全性に優れた白金網を用いた。白金網をイオン交換膜に接しない程度に入れ、バイアルを密封した。密封されたバイアルに0.5mm前後の穴をあけて、真空チャンバーを真空にした。真空の中で保管してNK炭素ナノチューブと電気化学装置内の水分を全て除去し、アルゴンで満たした。
本実施例では、電気化学的方法を用いてアルミニウムと炭素材料との間のAl−C共有結合を誘導する前と後を電子顕微鏡(JEOL, JSM7000F)で観察した。
本実施例では、電気化学的方法による炭素ナノチューブのAl−C共有結合誘導後の結晶性を確認するためにラマン分析を行った。ラマン装備としては、ReinshawのInvia Basic モデルで633nm He/Ne laserを用いた。図12の(a)と(b)は、それぞれAl−C共有結合の誘導前と後のラマン分析資料である。ラマン分析資料から、Al−C共有結合後も炭素材料のsp2混成結合の結晶振動を示すG−ピークが観察されることを確認できる。従って、Al−C共有結合後も炭素ナノチューブの結晶性がそのまま残っていることが確認できる。
本実施例では、アルミニウムと炭素ナノチューブとの間のAl−C共有結合を分析するために、化学結合分析装備であるXPS(X-ray photoelectron spectroscopy)(VG-microtech, ESCA2000)を用いて分析した。図13は、アルミニウム2pのXPS分析資料である。XPSは、測定対象表面の数ナノ以内の領域を測定するという点を考慮するとき、アルミニウム表面の酸化膜、及び内部のAl−C共有結合層を分析することができる。この結果から、炭素ナノチューブとアルミニウムとの間のAl−C共有結合が形成されていることが確認できる。
図14は、電位別に電気化学反応した後のX線回折分析資料である。グラフ下部分から、電気化学反応が行われていない炭素ナノチューブ、電位−2V〜−5Vの順で示されている。−4Vからアルミニウムの金属結晶ピークが38.5゜、44.7゜、65.1゜、78.2゜で表れた。これと共に31゜付近で表れるX線回折を観察できるが、これはAl−C共有結合を意味するアルミニウムカーバイド(aluminum carbide)である。この結果、電気化学的方法によってアルミニウムと炭素が共有結合を形成できることを確認した。
Claims (40)
- (i)炭素材料に欠陥及び機能化を誘導する段階;
(ii)上記機能化された炭素材料をアルミニウムと混合する段階;及び
(iii)上記アルミニウムと炭素材料の混合物に電気アークを印加してAl−C共有結合を誘導する段階;を含む、アルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。 - (i)段階において、炭素材料を、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、又は硝酸と硫酸の1:1混合物と超音波反応して、炭素材料に欠陥及び機能化を誘導することを特徴とする、請求項1に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (i)段階において、炭素材料を、エチレングリコール(ethylene glycol)、硝酸(HNO3)及び硫酸(H2SO4)からなる群より選ばれる1種又は2種以上の混合物に分散し、1分乃至10分間マイクロウェーブ処理して、炭素材料に欠陥及び機能化を誘導することを特徴とする、 請求項1に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (i)段階において、酸素、アルゴン及びヘリウムからなる群より選ばれる1種又は2種以上の混合ガスを使用し、消費電力50乃至1000Wを用いて形成されたプラズマを1分乃至1時間炭素材料に処理して欠陥及び機能化を誘導することを特徴とする、請求項1に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (ii)段階において、炭素材料とアルミニウムを混合するために、ボールミリング又は液体内超音波分散処理をすることを特徴とする、請求項1に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (iii)段階において、アルミニウムと炭素材料の混合物にパルス電流を印加してアーク放電を誘導することを特徴とする、請求項1に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- 上記炭素材料は、黒鉛、黒鉛繊維、炭素繊維、炭素ナノ繊維、及び炭素ナノチューブからなる群より選ばれる1種又は2種以上の物質であることを特徴とする、請求項1乃至6のうちの何れか一項に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- 上記炭素材料は、直径が0.4nm乃至16μmで、長さが10nm乃至10cmであることを特徴とする、請求項1乃至6のうちの何れか一項に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (i)炭素材料に欠陥及び機能化を誘導する段階;
(ii)上記機能化された炭素材料をアルミニウムと混合する段階;及び
(iii)上記アルミニウムと炭素材料の混合物に電気アークを印加してAl−C共有結合を誘導する段階;を含む、アルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。 - (i)段階において、炭素材料を、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、又は硝酸と硫酸の1:1混合物と超音波反応して、炭素材料に欠陥及び機能化を誘導することを特徴とする、請求項9に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (i)段階において、炭素材料を、エチレングリコール(ethylene glycol)、硝酸(HNO3)及び硫酸(H2SO4)からなる群より選ばれる1種又は2種以上の混合物に分散し、1分乃至10分間マイクロウェーブ処理して、炭素材料に欠陥及び機能化を誘導することを特徴とする、請求項9に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (i)段階において、酸素、アルゴン及びヘリウムからなる群より選ばれる1種又は2種以上の混合ガスを使用し、消費電力50乃至1000Wを用いて形成されたプラズマを1分乃至1時間炭素材料に処理して欠陥及び機能化を誘導することを特徴とする、請求項9に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (ii)段階において、炭素材料とアルミニウムを混合するために、ボールミリング又は液体内超音波分散処理をすることを特徴とする、請求項9に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (iii)段階において、アルミニウムと炭素材料の混合物にパルス電流を印加してアーク放電を誘導することを特徴とする、請求項9に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- 上記炭素材料は、黒鉛、黒鉛繊維、炭素繊維、炭素ナノ繊維、及び炭素ナノチューブからなる群より選ばれる1種又は2種以上の物質であることを特徴とする、請求項9乃至14のうちの何れか一項に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- 上記炭素材料は、直径が0.4nm乃至16μmで、長さが10nm乃至10cmであることを特徴とする、請求項9乃至14のうちの何れか一項に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- 請求項9乃至14のうちの何れか一項に記載の方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体。
- 上記炭素材料は、黒鉛、黒鉛繊維、炭素繊維、炭素ナノ繊維、及び炭素ナノチューブからなる群より選ばれる1種又は2種以上の物質であることを特徴とする、請求項17に記載のアルミニウム−炭素材料複合体。
- 上記炭素材料は、直径が0.4nm乃至16μmで、長さが10nm乃至10cmであることを特徴とする、請求項17に記載のアルミニウム−炭素材料複合体。
- (i)陽極と、炭素材料が連結された陰極とで電気化学装置を構成する段階;
(ii)上記電気化学装置に、有機溶媒、溶解補助剤、還元剤及びアルミニウム化合物を含有した電解液を満たす段階;及び
(iii)上記電気化学装置に電位を印加して、陰極に連結された炭素材料の表面をアルミニウムでメッキする段階;を含む、アルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。 - (ii)段階において、有機溶媒は、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルエーテル(dimethyl ether)、ジエチルエーテル (diethyl ether)、t−ブチルエーテル(t-butyl ether)、イソアミルエーテル(iso-amyl ether)、フェニルエーテル(phenyl ether)、メチル−t−ブチルエーテル(methyl-t-butyl ether)、エチルピリジニウムハライド(Ethylpiridinium halide)、N−(1−ブチル)ピリジニウムハライド(N-(1-butyl)pyridinium halide)、1−メチル−3−エーテルイミダゾリウムハライド(1-methyl-3-ethylimidazolium halide)、及びトリメチルフェニルアンモニウムハライド(Trimethylphenylammonium halide)からなる群より選ばれる何れか1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項20に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (ii)段階において、溶解補助剤は、ベンゼン(benzene)、フェノール(phenol)、トルエン(toluene)、キシレン(xylene)、及びメシチレン(mesitylene)からなる群より選ばれる何れか1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項20に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (ii)段階において、還元剤は、水素化リチウムアルミニウム(LiAlH4)、水素化リチウム(LiH)、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)、及び塩化リチウム(LiCl)からなる群より選ばれる何れか1つであることを特徴とする、請求項20に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (ii)段階において、アルミニウム化合物は、アルミニウムハライド(AlXx)系又は有機アルミニウム化合物であることを特徴とする、請求項20に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (iii)段階において、電位は、有機溶媒が分解されない電位以上、アルミニウムが還元され得る電位以下であることを特徴とする、請求項20に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (iii)段階において、電位は、−10V以上−1.67V以下であることを特徴とする、請求項20に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- 上記炭素材料は、黒鉛、黒鉛繊維、炭素繊維、炭素ナノ繊維、及び炭素ナノチューブからなる群より選ばれる1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項20乃至26のうちの何れか一項に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- 上記炭素材料は、直径が0.4nm乃至16μmで、長さが10nm乃至10cmであることを特徴とする、請求項20乃至26のうちの何れか一項に記載のアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する方法。
- (i)陽極と、炭素材料が連結された陰極とで電気化学装置を構成する段階;
(ii)上記電気化学装置に、有機溶媒、溶解補助剤、還元剤及びアルミニウム化合物を含有した電解液を満たす段階;及び
(iii)上記電気化学装置に電位を印加して、陰極に連結された炭素材料の表面をアルミニウムでメッキしてアルミニウムと炭素材料との間の共有結合を形成する段階;を含む、アルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。 - (ii)段階において、有機溶媒は、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルエーテル(dimethyl ether)、ジエチルエーテル (diethyl ether)、t−ブチルエーテル(t-butyl ether)、イソアミルエーテル(iso-amyl ether)、フェニルエーテル(phenyl ether)、メチル−t−ブチルエーテル(methyl-t-butyl ether)、エチルピリジニウムハライド(Ethylpiridinium halide)、N−(1−ブチル)ピリジニウムハライド(N-(1-butyl)pyridinium halide)、1−メチル−3−エーテルイミダゾリウムハライド(1-methyl-3-ethylimidazolium halide)、及びトリメチルフェニルアンモニウムハライド(Trimethylphenylammonium halide)からなる群より選ばれる何れか1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項29に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (ii)段階において、溶解補助剤は、ベンゼン(benzene)、フェノール(phenol)、トルエン(toluene)、キシレン(xylene)、及びメシチレン(mesitylene)からなる群より選ばれる何れか1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項29に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (ii)段階において、還元剤は、水素化リチウムアルミニウム(LiAlH4)、水素化リチウム(LiH)、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)、及び塩化リチウム(LiCl)からなる群より選ばれる何れか1つであることを特徴とする、請求項29に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (ii)段階において、アルミニウム化合物は、アルミニウムハライド(AlXx)系又は有機アルミニウム化合物であることを特徴とする、請求項29に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (iii)段階において、電位は、有機溶媒が分解されない電位以上、アルミニウムが還元され得る電位以下であることを特徴とする、請求項29に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- (iii)段階において、電位は、−10V以上−1.67V以下であることを特徴とする、請求項29に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- 上記炭素材料は、黒鉛、黒鉛繊維、炭素繊維、炭素ナノ繊維、及び炭素ナノチューブからなる群より選ばれる1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項29乃至35のうちの何れか一項に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- 上記炭素材料は、直径が0.4nm乃至16μmで、長さが10nm乃至10cmであることを特徴とする、請求項29乃至35のうちの何れか一項に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- 請求項29乃至35のうちの何れか一項に記載の方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体。
- 上記炭素材料は、黒鉛、黒鉛繊維、炭素繊維、炭素ナノ繊維、及び炭素ナノチューブからなる群より選ばれる1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項38に記載のアルミニウム−炭素材料複合体。
- 上記炭素材料は、直径が0.4nm乃至16μmで、長さが10nm乃至10cmであることを特徴とする、請求項38に記載のアルミニウム−炭素材料複合体。
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