JP2009526726A - 触媒の連続製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、触媒の新規連続製造方法に関する。これらの触媒は、ガス状炭素化合物の分解によるカーボンナノチューブの製造に使用される。

Description

本発明は、触媒の新規連続製造方法に関する。これらの触媒は、ガス状炭素化合物の分解によるカーボンナノチューブの製造のために使用される。
カーボンナノチューブは、主として、30 nmと80 nmとの間の直径および該直径の倍数(少なくとも10倍)の長さを有する円筒状炭素チューブと理解される。これらのチューブは、規則正しい炭素原子の層からなり、および形態が異なる核を有する。これらのカーボンナノチューブは、例えば、「炭素フィブリル」または「中空炭素繊維」または「バンブー」とも呼ばれる。それらの寸法およびそれらの特定の特性のため、記載されるカーボンナノチューブは、複合材料の製造について工業的に重要である。他の実質的な可能性は、電子工学、エネルギーおよび他の用途である。
カーボンナノチューブは、しばらくの間に知られてきた材料である。Iijima(1991年)(S. Iijima、Nature 354、第56〜58頁、1991年)が、通常、ナノチューブの発見者と云われるが、これらの材料、特に幾つかのグラファイト層を有する繊維状グラファイト材料は、それよりも長く知られてきた。
カーボンナノチューブの製造の既知の方法としては、例えば、アーク法、レーザーアブレーション法および触媒法が挙げられる。これらの方法の多くにおいて、カーボンブラック、無定形炭素および高い直径を有する繊維が副産物として形成される。触媒法において、担持触媒粒子上への堆積と、ナノメーター範囲内の直径を有するインサイチュで形成された金属中心上への堆積(いわゆる「フロー法」)との間に区別がなされ得る。反応条件下にガス状の炭化水素からの炭素の触媒堆積(以下、CCVD−触媒化学蒸着)による製造において、アセチレン、メタン、エタン、エチレン、ブタン、ブテン、ブタジエン、ベンゼンおよび他の炭素含有出発物質(educt)が、可能性のある炭素ドナーとして挙げられる。例えば、800〜900℃を超える温度での鉄に基づく触媒による軽質(すなわち、短鎖および中鎖脂肪族または一核また二核芳香族)炭化水素の分解によるカーボンナノチューブの製造は、欧州特許EP 205 556 B1および国際公開WO A 86/03455に記載されている。
先行技術(De Jongら、Catal. Rev.-Sci. Eng.、42(4)、第481〜510頁、2000年)において通常使用される触媒は、一般に、金属、金属酸化物または分解性または還元性金属成分、例えば、Fe、Mo、Ni、V、Mn、Sn、Co、Cuなどを含有する。
カーボンナノチューブの形成および形成される該チューブの特性は、複雑な方法で、触媒として使用される金属成分、または幾つかの金属成分の組合せ、使用される支持体材料および触媒と支持体との間の相互作用、触媒の製造法、出発物質ガスおよび分圧、水素または他のガスの混合物、反応温度および滞留時間または使用される反応器に依存する。最適化は、工業的方法について、特に難問である。
CCVDにおいて使用され、および「触媒」と呼ばれる金属成分は、合成方法の過程で消費されることに留意すべきである。この消費は、例えば、粒子の完全な被覆(これは、「エンキャッピング(encapping)」として当業者に既知である)を導く粒子全体への炭素の堆積のための、金属成分の不活性化に起因し得る。一般に、再活性化はできないか、または経済的に意味はない。しばしば、触媒1 g当たり最大数ｇのカーボンナノチューブのみが得られる(ここで、触媒は、使用される支持体および触媒活性材料の全体を含んでなる)。上記触媒の消費のため、使用される触媒に基づくカーボンナノチューブの高収率は、触媒および方法についての必須要件である。
例えば複合材料の機械的特性または伝導性を改善するための構成成分としてのカーボンナノチューブの工業的製造に関して、全ての工業的方法と同様に、ナノチューブの特定の特性を得るために、および使用されるエネルギーおよび材料を最小にするために、高時空収率を得るべく努力すべきである。
欧州特許出願公開EP 0205 556 A 1(Hyperion Catalysis International)は、初期湿気によって製造されたアルミナ上に担持した鉄含有触媒によるカーボンナノチューブの製造を記載する。製造されるカーボンナノチューブは、10〜45 nmの非常に幅広い分布のカーボンナノチューブ外径を有する。Ni担持触媒(γ-Al2O3)の製造は、例えば、M.G. Nijkampによる学位論文、Universiteit Utrecht、オランダ国、2002年「物理吸着変性カーボンナノファイバーおよびその関連材料を使用する水素貯蔵」に記載されている。Niベースの系は、カーボンナノ材料へのメタンの分解における活性体として、Shaikhutdinovら(Shamil' K. Shaikhutdinov、L.B. Avdeeva、O.V. Goncharova、D.I. Kochubey、B.N. Novgorodov、L.M. Plyasova、「メタン分解および炭素堆積用共沈澱Ni-AlおよびNi-Cu-Al触媒I.」、Applied Catalysis A：General、126、1995年、第125〜139頁)に記載されている。これらの触媒は、不連続沈澱により製造された。
近頃、極めて低い直径の金属中心を有すると同時に、高レベルの触媒活性金属成分(100重量％まで)を有する触媒系が、時空収率を最大化するために開発された。このタイプの触媒は、通常、「フルコンタクト」として当業者に既知である。このタイプの触媒は、独国特許出願公開DE-A 10 2004 054 959に開示されている。対応する金属塩の共沈澱によって撹拌タンク中で不連続的に製造されるこの触媒は、高生産性を特徴とする。しかしながら、製造されるカーボンナノチューブは、幾何学的測定値(例えば、外径：5〜約40 nm)の非常に幅広い分布を有する。この理由は、おそらく不連続沈澱の間の条件による触媒特性に対する影響において見出される。撹拌タンク中の不連続沈澱は、核形成および核成長が沈澱剤の全添加の間に起こるという不利益を有する。この方法によって、幾何学的測定値の幅広い分布(例えば、内径/外径、炭素層数、カーボンナノチューブの長さ、層配列等の分布)を有するカーボンナノチューブを導く、一次粒子の幅広いサイズ分布および同時に触媒活性金属中心の幅広い分布を有する触媒が得られ得る。この分布は、用途特性(ポリマー中の分散、電気および機械的特性など)およびその結果としてカーボンナノチューブの商業的使用に対する重大な影響を有する。その結果として、高生産性は別として、触媒活性金属中心の極めて狭い分布は、重大な工業的重要性を有することが明らかである。
原理上、先行技術に使用される触媒は、余りに低い生産性を有する、および／またはそれらから形成されるカーボンナノチューブは、幾何学的測定値の余りに幅広い分布を有するという不利益を有する。
したがって、本発明の目的は、先行技術に基づき、炭素含有出発物質(educt)ガスの触媒分解において製造される多層カーボンナノチューブの高時空収率および幾何学的測定値の狭い分布を特徴とする触媒を提供することである。
驚くべきことに、この目的は、金属塩溶液の連続沈澱による触媒の連続製造方法により解決されることが見出された。
驚くべきことに、金属塩溶液からの沈澱による触媒の連続製造法は、使用される触媒量に基づいて高収率で、カーボンチューブの不均一に触媒された堆積を達成する触媒を与えることが示された。これらのカーボンチューブは、非常に良好な品質および高グラファイトレベルを有するとともに、幾何学的寸法の非常に狭い分布を有する。この分布は、比較される不連続的に製造された触媒よりも明らかに狭い。幾何学的寸法の狭い分布のため、このように製造されたカーボンナノチューブは、明らかにより良好な用途特性、例えば、分散性、電気伝導性、浸透限界などを有する。例えば、スタティックミキサー、マイクロミキサー、バルブミキサー、(マイクロ)ノズルなどのような要素または装置を使用する金属塩溶液と沈澱剤との混合は、有利があることが分かった。
「数の増大(numbering up)」または「スケールアップ」によるスケールの単純な増大は、本発明の方法のさらなる利点として挙げることができる。これと対照的に、触媒の不連続沈澱合成のスケールの増大は、スケールによる反応条件(溶液割合、パワー供給、攪拌機、フロー割合など)の変化のために、非常に困難であることが分かる。すなわち、連続沈澱合成の実行/確立における経費は、不連続沈澱におけるものよりも明らかに低い。さらに、連続操作は、一定の沈澱条件のため、触媒品質の改善された恒常性およびその結果としてカーボンナノチューブのより一定の品質ももたらす。
本発明の方法は、先行技術において既知の対応する遷移金属に基づくCCVD触媒の連続製造のために使用することができる。唯一の制限は、対応する金属塩溶液の形態で均質溶液を形成するという要件である。
したがって、本発明の主題は、カーボンナノチューブの形成のための触媒の連続製造方法である。該方法は、触媒の沈澱を導くことが優勢である条件における、デバイスにおける少なくとも一つの金属塩溶液の連続添加、および沈澱により形成された触媒の連続取り出しを含む。
該金属塩溶液は、カーボンナノチューブの形成を触媒する少なくとも一つの金属を溶解形態で含有する。適当な触媒活性金属は、例えば、全ての遷移金属である。特に適当な触媒活性金属の例は、Fe、Ni、Cu、W、V、Cr、Sn、Co、MnおよびMoである。非常に特に適当な触媒活性金属は、Co、MnおよびMoである。
必要に応じて、触媒処理の他の工程において支持体材料を形成するか、または遷移金属とともに触媒活性混合化合物を形成するかのいずれかの、少なくとも一つの他の成分の添加を行う。
使用される溶媒に溶解性であり、すなわち、共沈澱の場合、一緒に沈澱し得るものであれば、種々の出発化合物を使用することができる。これらの出発化合物の例は、アセテート、ニトレート、クロリドおよび他の溶解性化合物である。
好ましい溶媒は、例えば、メタノール、エタノール、n-プロパノール、i-プロパノールまたはブタノールのような短鎖(C1〜C6)アルコール、水、およびそれらの混合物である。水性合成経路が特に好ましい。
沈澱は、例えば、温度、濃度(溶媒の蒸発にもよる)の変化によって、pHの変化によって、および／または沈澱剤またはそれらの組合せの添加によって、もたらされ得る。
適当な沈澱剤の例は、上記溶媒中の炭酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、尿素、炭酸アルカリ金属または炭酸アルカリ土類金属、および水酸化アルカリ金属または水酸化アルカリ土類金属の溶液である。
沈澱は、連続的に実施される。金属塩溶液、および必要に応じて沈澱剤および他の成分を、コンベア装置を用いて、混合単位中で高混合強度にて混合する。スタティックミキサー、Y-ミキサー、マルチラミネーションミキサー、バルブミキサー、マイクロミキサー、(二成分)ノズルミキサーおよび当業者に既知の他の類似のミキサーが好ましい。
界面活性物質(例えば、イオン性または非イオン性界面活性剤またはカルボン酸)を、沈澱挙動を改善するために、および製造される固体の表面を変性するために、添加することができる。
例えば沈澱剤としての炭酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、尿素、炭酸アルカリおよび水酸化アルカリの添加による、触媒を形成する成分(特に水性溶液からなるもの)の共沈澱は、有利であり、したがって好ましい。
本発明の方法は、好ましい実施態様において、触媒処理の他の工程において支持体材料または触媒活性混合化合物のいずれかを形成する少なくとも一つの他の成分と共にする、触媒活性金属化合物の連続共沈澱を含む。Al、Mg、Si、Zr、Tiなど、または当業者に既知の一般的な混合金属酸化物形成元素を、このタイプの他の成分の例として挙げることができる。他の成分の含量は、触媒総重量に基づいて1重量％と99重量％との間であり得る。本発明の触媒は、好ましくは5〜95重量％のレベルの他の成分を有する。
固体の形態で生じる触媒は、例えばろ過、遠心分離、蒸発および濃縮のような当業者に既知の方法にしたがって、出発物質溶液から分離することができる。遠心分離およびろ過が好ましい。得られた固体は、さらに洗浄することができ、または得られたままで、さらに直接使用することができる。得られた触媒は、取扱い容易性を改善するために乾燥することができる。不均一触媒に関して既知のように、触媒のさらなるコンディショニングは、有利であり得る。このコンディショニングは、触媒特性を改善するための、焼成および熱処理および反応性雰囲気または例えば水蒸気による処理であり得る。酸化性雰囲気中の300℃と900℃との間の温度での熱前処理が好ましい。コンディショニングの上流または下流は、成形および／または分級であり得る。特定の場合において、工業的に使用される、例えばH2、炭化水素、COまたはそれらのガスの混合物のような反応性ガスによる触媒の前処理は、有利であり得る。含有される金属化合物は、このような処理によって、それらの酸化状態が変化し得る。しかしながら、触媒構造の形態も影響を受ける。触媒の直接使用、還元的前処理、あるいは触媒活性物質の対応する炭化物への全体変換または部分変換が好ましい。
本発明の方法にしたがって得られる触媒は、本発明のさらなる主題を形成する。
好ましい遷移金属の組合せは、必要に応じてモリブデンの添加を伴う、成分マンガンおよびコバルトに基づく。これらの成分に加えて、一以上の金属成分の添加も考えることができる。これらの例は、全ての遷移金属、好ましくは元素のFe、Ni、Cu、W、V、CrまたはSnに基づく金属成分である。
本発明の方法にしたがって得られる触媒は、金属形態の活性成分の含量に基づいて好ましくは2〜98モル%のMnおよび2〜98モル%のCoを含有する。10〜90モル%のMn含量および10〜90モル%のCo含量が特に好ましく、25〜75モル%のMn含量および25〜75モル%のCo含量が特に好ましい。それに関して、MnおよびCo、またはMn、CoおよびMoのレベルの合計は、上記のように他の元素が添加される場合、必然的に100%ではない。0.2〜50%の一以上の他の金属成分の添加が好ましい。例えば、0〜10モル%のモリブデンの範囲内のMoを添加することができる。
同様のMnおよびCoの重量による含量を有する触媒が特に好ましい。2：1〜1：2、特に好ましくは1.5：1〜1：1.5のMn/Coの比率が特に好ましい。
本発明にしたがって連続的に製造される触媒の別の好ましい実施態様は、金属形態の活性成分の含量に基づいて好ましくは2〜98モル%のFeおよび2〜98モル%のMoを含有する。5〜90モル%のFe含量および2〜90モル%のMo含量が特に好ましく、7〜80モル%のFe含量および2〜75モル%のMo含量が特に好ましい。それに関して、FeおよびMoのレベルの合計は、上記のように他の元素が添加される場合、必然的に100%ではない。0.2〜50%の一以上の他の金属成分の添加が好ましい。
本発明のさらなる主題は、本発明の触媒を使用するカーボンナノチューブの製造である。
カーボンナノチューブの製造は、種々のタイプの反応器において行うことができる。ここで、例えば、固定床反応器、管状反応器、回転式管状反応器、移動床反応器、発泡、乱流または照射流動床、内部または外部循環流動床を有する反応器を、例として挙げることができる。例えば上記で挙げたクラスに基づく、粒子を充填した反応器中に触媒を供給することもできる。これらの粒子は、不活性粒子であり得、および／または全体的にまたは部分的に別の触媒活性材料からなり得る。また、これらの粒子は、カーボンナノチューブの凝集体であり得る。該方法は、例えば、連続的にまたは不連続的に行うことができる。「連続的に」または「不連続的に」は、触媒の供給および使用済みの触媒とともにする形成されたカーボンナノチューブの取り出しの両方を指す。
軽質炭化水素、例えば脂肪族化合物およびオレフィンは、出発物質として考えられる。しかしながら、触媒で分解するものであれば、アルコール、炭素酸化物(特にCO)、ヘテロ原子含有および非含有芳香族化合物、および官能化炭化水素(例えばアルデヒドまたはケトンなど)も使用することができる。上記で挙げた炭化水素の混合物も使用することができる。特に、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタンまたはより高級の脂肪族化合物、エチレン、プロピレン、ブテン、ブタジエンまたはより高級のオレフィンまたは芳香族炭化水素または炭素酸化物またはアルコールまたはヘテロ原子含有炭化水素が適当である。短鎖および中鎖脂肪族炭化水素または一核または二核芳香族炭化水素が、好ましくは使用される。炭素数xが1〜4である脂肪族化合物(CxH2x+2)およびオレフィン(CxHy)が、好ましくは使用される。
炭素放出出発物質は、ガス形態で供給され得、または反応チェンバーまたは適当な上流の装置において気化され得る。水素、または不活性ガス、例えば希ガスまたは窒素を、出発物質ガスに添加することができる。不活性ガス、または水素を含有するか、または含有しない、幾つかの不活性ガスの任意の組合せの混合物の添加を伴って、本発明のカーボンナノチューブの製造方法を行うことができる。反応ガスは、好ましくは炭素支持体、水素、および必要に応じて有利な反応体分圧に設定するための不活性成分からなる。出発物質ガスまたは生成ガスの分析のための内部標準として、または方法の監視における検出助剤として、反応に不活性な成分の添加も考えられる。
製造は、大気圧超および大気圧未満の圧力にて行うことができる。該方法は、0.05 bar〜200 barの圧力にて行うことができる；0.1〜100 barの圧力が好ましく、0.2〜10 barの圧力が特に好ましい。温度は、300℃〜1600℃の温度範囲を変動させることができる。しかしながら、温度は、十分な速度での分解による炭素の堆積が起こるように十分に高くなければならず、かつ、ガス相における炭化水素の明らかな自己熱分解を導いてはならない。これは、得られる材料中に高レベルの好ましくない無定形炭素を導くであろう。有利な温度範囲は、500℃と800℃との間である。550℃〜750℃の分解温度好ましい。
触媒は、バッチ式で、または連続的に、反応チェンバー中に注入することができる。上記のように、触媒は、実際の反応チェンバー中に導入する前に還元することができ、触媒活性金属の酸化形態で添加することができ、または沈澱した水酸化物またはカーボネートの形態でもさえ、添加することができる。
このように製造されるカーボンナノチューブは、大抵、最終生成物中の低触媒含量のために、予め加工することなく使用することができる。必要に応じて、該材料は、例えば、触媒残渣および支持体残渣を化学的に溶解させることにより、非常に少量で形成されるレベルの無定形炭素の酸化により、または不活性または反応性ガス中の熱後処理により、精製することができる。製造されるカーボンナノチューブを化学的に官能化して、例えばマトリックス中への結合の改善を得ること、または表面特性を所望の用途に特異的に適合させることができる。
本発明にしたがって製造されるカーボンナノチューブは、特に機械的補強のための、および電気伝導性を増大させるための、ポリマー中の添加剤としての使用に適当である。製造されるカーボンナノチューブは、ガスおよびエネルギー貯蔵用の材料として、着色のための材料として、および難燃剤として、さらに使用することができる。良好な電気伝導性のため、本発明にしたがって製造されるカーボンナノチューブは、電極材料として、またはストリップ導体および伝導性構造の製造のために、使用することができる。また、本発明にしたがって製造されるカーボンナノチューブは、ディスプレーにおけるエミッターとして使用することもできる。カーボンナノチューブは、好ましくは、ポリマー複合材料、セラミックまたは金属複合材料において電気伝導性または熱伝導性および機械的特性を改善するために、伝導性被覆物および複合材料を製造するために、染料として、電池、コンデンサー、ディスプレー(例えばフラットスクリーンディスプレー)または発光体において、電界効果トランジスタとして、(例えば水素またはリチウム用の)貯蔵媒体として、(例えばガス精製用の)膜において、触媒として、または(例えば化学反応における触媒活性成分のための)支持体材料として、燃料電池において、医療分野において、例えば細胞組織の成長制御のためのフレームワークとして、診断分野において、例えばマーカーとして、および化学的分析および物理的分析において(例えば走査型顕微鏡において)、使用される。
本発明の方法および本発明の触媒を、幾つかの実施例によって以下に説明するが、該実施例は、本発明を制限すると理解すべきでない。
実施例１：触媒の製造
触媒１：4つの溶液、すなわち、脱イオン水(1439 ml)中のCo(NO3)2・6H2O(863.4 g)の溶液、脱イオン水(1439 ml)中のMn(NO3)2・4H2O(736.8 g)の溶液、脱イオン水(575.6 ml)中のAl(NO3)3・9H2O(264.8 g)の溶液、および脱イオン水(431.7 ml)中のMg(NO3)2・6H2O(230.2 g)の溶液を製造した。Mn含有溶液およびCo含有溶液、並びにAl含有溶液およびMg含有溶液を組み合わせ、そして室温にて5分間撹拌した。次いで、得られた2つの溶液を、同様に組み合わせ、そして5分間攪拌した。存在する微量の曇りを、希釈HNO3を滴下することにより溶解した。このように得た溶液を、以下、「溶液A」と称する。以下で「溶液B」と称する溶液を、脱イオン水(2099.3 ml)中にNaOH(544.3 g)を撹拌混合することにより製造した。溶液AおよびBの両方を、ポンプによって室温にてバルブミキサーを通過させ、連続的混合を確保にした。生成した懸濁ストランドを、攪拌しながら、約500 mlの量の脱イオン水を有する容器中に収集した。そのpHは10に維持された。溶液AおよびBの体積流量は、2.8 L/時間および約1.5 L/時間であった。溶液Bの体積流量を連続的に調節し、一定のpHを確保した。このように得た固体をろ過し、次いで、置換洗浄によって、NaOH非含有に洗浄した。ろ過ケーキを空気中180℃にて終夜乾燥させ、次いで、空気中400℃にて4時間焼成した。焼成後、550 gの黒色固体を得た。使用した成分の理論比は、Mn：Co：Al2O3：MgO＝36：39：16：8であった。
触媒２：4つの溶液、すなわち、脱イオン水(2441.4 ml)中のCo(NO3)2・6H2O(947.3 g)の溶液、脱イオン水(2441.4 ml)中のMn(NO3)2・4H2O(830.1 g)の溶液、脱イオン水(1709 ml)中のAl(NO3)3・9H2O(1757.8 g)の溶液、および脱イオン水(1709 ml)中のMg(NO3)2・6H2O(1494.1 g)の溶液を製造した。Mn含有溶液およびCo含有溶液、並びにAl含有溶液およびMg含有溶液を組み合わせ、そして室温にて5分間撹拌した。次いで、得られた2つの溶液を、同様に組み合わせ、そして5分間攪拌した。存在する微量の曇りを、希釈HNO3を滴下することにより溶解した。このように得た溶液を、以下、「溶液A」と称する。以下で「溶液B」と称する溶液を、脱イオン水(4882.8 ml)中にNaOH(1464.8 g)を撹拌混合することにより製造した。溶液AおよびBの両方を、ポンプによって室温にてバルブミキサーを通過させ、強い連続的混合を確保にした。生成した懸濁ストランドを、攪拌しながら、約500 mlの量の脱イオン水を有する容器中に収集した。そのpHは10に維持された。溶液Aの体積流量は、2.8 L/時間であった。溶液Bの体積流量を連続的に調節し、一定のpHを確保した。このように得た固体をろ過し、次いで、置換洗浄によって、NaOH非含有に洗浄した。ろ過ケーキを空気中180℃にて終夜乾燥させ、次いで、空気中400℃にて4時間焼成した。焼成後、1046.9 gの黒色固体を得た。使用した成分の理論比は、Mn：Co：Al2O3：MgO＝17：18：44：22であった。
触媒３：3つの溶液、すなわち、脱イオン水(810 ml)中のCo(NO3)2・6H2O(467.5 g)の溶液、脱イオン水(810 ml)中のMn(NO3)2・4H2O(395.6 g)の溶液、および脱イオン水(1620 ml)中のMg(NO3)2・6H2O(1890 g)の溶液を製造した。Mn含有溶液およびCo含有溶液を組み合わせ、そして室温にて5分間撹拌した。次いで、この溶液を、同様にMg含有溶液と組み合わせ、そして5分間攪拌した。存在する微量の曇りを、希釈HNO3を滴下することにより溶解した。このように得た溶液を、以下、「溶液A」と称する。以下で「溶液B」と称する溶液を、脱イオン水(10800 ml)中にNaOH(1212 g)を撹拌混合することにより製造した。溶液AおよびBの両方を、ポンプによって室温にてバルブミキサーを通過させ、強い連続的混合を確保にした。生成した懸濁ストランドを、攪拌しながら、約500 mlの量の脱イオン水を有する容器中に収集した。そのpHは10に維持された。溶液Aの体積流量は、2.8 L/時間であった。溶液Bの体積流量を連続的に調節し、一定のpHを確保した。このように得た固体をろ過し、次いで、置換洗浄によって、NaOH非含有に洗浄した。ろ過ケーキを空気中180℃にて終夜乾燥させ、次いで、空気中400℃にて4時間焼成した。焼成後、569.9 gの黒色固体を得た。使用した成分の理論比は、Mn：Co：MgO ＝18：20：62であった。
触媒４：3つの溶液、すなわち、脱イオン水(1431.8 ml)中の(NH4)6Mo7O24・4H2O(71.6 g)の溶液、脱イオン水(1431.8 ml)中のFe(NO3)3・9H2O(1403.2 g)の溶液、および脱イオン水(933.6 ml)中のAl(NO3)3・9H2O(1403.2 g)の溶液を製造した。Mo含有溶液およびFe含有溶液を組み合わせ、そして室温にて5分間撹拌した。次いで、このように得た溶液を、Al含有溶液と組み合わせ、そして5分間攪拌した。存在する微量の曇りを、希釈HNO3を滴下することにより溶解した。このように得た溶液を、以下、「溶液A」と称する。以下で「溶液B」と称する溶液を、脱イオン水(6013.7 ml)中に(NH4)2CO3(2004.6 g)を撹拌混合することにより製造した。溶液AおよびBの両方を、ポンプによって室温にてバルブミキサーを通過させ、強い連続的混合を確保にした。生成した懸濁ストランドを、攪拌しながら、約500 mlの量の脱イオン水を有する容器中に収集した。そのpHは6に維持された。溶液Aの体積流量は、2.6 L/時間であった。溶液Bの体積流量を連続的に調節し、一定のpHを確保した。このように得た固体をろ過し、次いで、置換洗浄によって、NH3非含有に洗浄した。ろ過ケーキを空気中180℃にて終夜乾燥させ、次いで、空気中400℃にて4時間焼成した。焼成後、503.4 gの黒色固体を得た。使用した成分の理論比は、Fe：Mo：Al2O3＝32：6：62であった。
触媒５：脱イオン水(1431.8 ml)中のFe(NO3)3・9H2O(1689.6 g)の溶液、および脱イオン水(933.6 ml)中のAl(NO3)3・9H2O(1403.2 g)の溶液を製造した。Fe溶液およびAl溶液を組み合わせ、そして室温にて5分間撹拌した。存在する微量の曇りを、希釈HNO3を滴下することにより溶解した。このように得た溶液を、以下、「溶液A」と称する。以下で「溶液B」と称する溶液を、脱イオン水(6013.7 ml)中に(NH4)2CO3(2004.6 g)を撹拌混合することにより製造した。溶液AおよびBの両方を、ポンプによって室温にてバルブミキサーを通過させ、連続的混合を確保にした。生成した懸濁ストランドを、攪拌しながら、約500 mlの量の脱イオン水を有する容器中に収集した。そのpHは6に維持された。溶液Aの体積流量は、2.6 L/時間であった。溶液Bの体積流量を連続的に調節し、一定のpHを確保した。このように得た固体をろ過し、次いで、置換洗浄によって、NH3非含有に洗浄した。ろ過ケーキを空気中180℃にて終夜乾燥させ、次いで、空気中400℃にて4時間焼成した。焼成後、527.4 gの黒色固体を得た。使用した成分の理論比は、Fe：Al2O3＝38：62であった。
実施例２：カーボンナノチューブの製造
実施例１において製造した触媒を、実験室スケールの固定床装置中で試験した。このため、所定量の触媒を、内径9 mmを有する石英管中に置き、熱媒体によって外部から加熱した。固体床の温度を、電気的に加熱した熱媒体のPID制御によって調節した。触媒床および触媒/ナノチューブ混合物の温度を、不活性な石英キャピラリーにより取り囲まれた熱電素子によって決定した。出発物質ガスおよび不活性希釈ガスを、電子的に制御された質量流量コントローラーを通じて反応器に導入した。まず、触媒試料を、水素および不活性ガスからなる気流中で加熱した。所望の温度に到達した後、出発物質ガスを接続した。出発物質ガス混合物の体積比は、エテン：H2：Ar＝45：60：5であった。総体積流量を、110 mLN・分-1に設定した。触媒への出発物質ガスの添加は、一般に、触媒が完全に不活性化されるまで、100〜120分間行った。次いで、堆積した炭素の量を、計量することにより決定した。堆積した炭素の構造および形態を、SEMおよびTEM分析を使用して決定した。使用した触媒に関する堆積した炭素の量を、以下、「収率」といい、これは、焼成後の触媒の量(mcat,0)および反応後の重量の増加(mtotal-mcat,0)に基づいて定義された：収率＝(mtotal-mcat,0)/mcat,0。本発明を例示する実施例を以下に示す。Mn-Co-Mo-Al-Mg化合物に基づく触媒が高収率を与えることが分かる。
Figure 2009526726
実施例３：本発明によらない触媒の製造(不連続)
触媒６：4つの溶液、すなわち、脱イオン水(250 ml)中のCo(NO3)2・6H2O(192.5 g)の溶液、脱イオン水(250 ml)中のMn(NO3)2・4H2O(166 g)の溶液、脱イオン水(175 ml)中のAl(NO3)3・9H2O(60 g)の溶液、および脱イオン水(175 ml)中のMg(NO3)2・6H2O(51 g)の溶液を製造した。Mn含有溶液およびCo含有溶液、並びにAl含有溶液およびMg含有溶液を組み合わせ、そして室温にて5分間撹拌した。次いで、得られた2つの溶液を、同様に組み合わせ、そして5分間攪拌した。可能性のある存在する曇りを、希釈HNO3を滴下することにより溶解した。このように得た溶液を、以下、「溶液A」と称する。以下で「溶液B」と称する溶液を、脱イオン水(1000 ml)中にNaOH(300 g)を撹拌混合することにより製造した。溶液AおよびBの両方を、激しく攪拌しながら、200 mlの量の脱イオン水を有する複数口丸底フラスコに室温にて滴下した。そのpHは10に維持された。計量後、さらに5分間再度撹拌し、そして得られた固体をろ過した。固体を水中に2回懸濁させ、5分間攪拌して分散させ、そしてろ過した。ろ過ケーキを空気中180℃にて終夜乾燥させ、次いで、空気中400℃にて4時間焼成した。焼成後、120 gの黒色固体を得た。使用した成分の理論比は、Mn：Co：Mo：Al2O3：MgO＝36：39：16：8であった。
触媒７：4つの溶液、すなわち、脱イオン水(50 ml)中のCo(NO3)2・6H2O(19.4 g)の溶液、脱イオン水(50 ml)中のMn(NO3)2・4H2O(17 g)の溶液、脱イオン水(35 ml)中のAl(NO3)3・9H2O(36 g)の溶液、および脱イオン水(50 ml)中のMg(NO3)2・6H2O(30.6 g)の溶液を製造した。Mn含有溶液およびCo含有溶液、並びにAl含有溶液およびMg含有溶液を組み合わせ、そして室温にて5分間撹拌した。次いで、得られた2つの溶液を、同様に組み合わせ、そして5分間攪拌した。可能性のある存在する曇りを、希釈HNO3を滴下することにより溶解した。このように得た溶液を、以下、「溶液A」と称する。以下で「溶液B」と称する溶液を、脱イオン水(200 ml)中にNaOH(60 g)を撹拌混合することにより製造した。溶液AおよびBの両方を、激しく攪拌しながら、200 mlの量の脱イオン水を有する複数口丸底フラスコに室温にて滴下した。そのpHは10に維持された。計量後、さらに5分間再度撹拌し、そして得られた固体をろ過した。固体を水中に2回懸濁させ、5分間攪拌して分散させ、そしてろ過した。ろ過ケーキを空気中180℃にて終夜乾燥させ、次いで、空気中400℃にて4時間焼成した。焼成後、20.5 gの黒色固体を得た。使用した成分の理論比は、Mn：Co：Mo：Al2O3：MgO＝17：18：44：22であった。
触媒８：3つの溶液、すなわち、脱イオン水(50 ml)中の(NH4)6Mo7O24・4H2O(2.5 g)の溶液、脱イオン水(50 ml)中のFe(NO3)3・9H2O(49 g)の溶液、および脱イオン水(35 ml)中のAl(NO3)3・9H2O(49 g)の溶液を製造した。Mo含有溶液およびFe含有溶液を組み合わせ、そして室温にて5分間撹拌した。次いで、このように得た溶液を、Al含有溶液と組み合わせ、そして5分間攪拌した。可能性のある存在する曇りを、希釈HNO3を滴下することにより溶解した。このように得た溶液を、以下、「溶液A」と称する。以下で「溶液B」と称する溶液を、脱イオン水(225 ml)中に(NH4)2CO3(70 g)を撹拌混合することにより製造した。溶液AおよびBの両方を、激しく攪拌しながら、1000 mlの量の脱イオン水を有する複数口丸底フラスコに室温にて滴下した。そのpHは6に維持された。計量後、さらに5分間再度撹拌し、そして得られた固体をろ過した。固体を水中に2回懸濁させ、5分間攪拌して分散させ、そしてろ過した。ろ過ケーキを空気中180℃にて終夜乾燥させ、次いで、空気中400℃にて4時間焼成した。焼成後、20.9 gの黒色固体を得た。使用した成分の理論比は、Fe：Mo：Al2O3＝32：6：62であった。
実施例４：本発明によらない触媒を用いるカーボンナノチューブの製造
実施例３で得た触媒を、同様に、実施例２に記載した実験室装置中で試験した。達成されたカーボンナノチューブの収率を、表２に示す。比較可能な条件下で製造された「バッチ」触媒の収率は、連続触媒に匹敵する程度である。しかしながら、「バッチ」触媒を用いて製造したカーボンナノチューブの幾何学的パラメータ(カーボンナノチューブの内径および外径)の分布は、連続触媒を用いて製造したカーボンナノチューブよりも明らかに幅が広い。
Figure 2009526726
図１は、触媒１の走査型電子顕微鏡写真を示す。 図２は、触媒２の走査型電子顕微鏡写真を示す。 図３は、触媒１(本発明)を用いて製造したカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡写真を示す。 図４は、触媒６(比較例)を用いて製造したカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡写真を示す。 図５は、触媒１(本発明)および触媒６(比較例)を用いて製造したカーボンナノチューブの間の外径分布の比較を示す。 図６は、触媒１(本発明)および触媒６(比較例)を用いて製造したカーボンナノチューブの間の内径分布の比較を示す。

Claims (11)

  1. カーボンナノチューブを形成するための触媒の連続製造方法であって、
    少なくとも一つの金属塩溶液を反応器に連続的に添加する工程であって、触媒の沈澱を導く条件が優勢である工程と、
    沈澱の間に形成された触媒を連続的に取り出す工程と
    を含み、
    該触媒の沈澱を導く条件を、温度、濃度、pHの変化によって、および／または沈澱剤の添加によって、引き起こすことを特徴とする、
    方法。
  2. 触媒の沈澱を導く条件を、炭酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、尿素、炭酸アルカリ金属または炭酸アルカリ土類金属、水酸化アルカリ金属または水酸化アルカリ土類金属からなる群から選択される沈澱剤の添加によって引き起こすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 金属塩溶液および沈澱剤を、コンベア装置を用いて、混合単位中で高混合強度にて混合することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  4. 金属塩溶液が、Fe、Ni、Cu、W、V、Cr、Sn、Co、MnおよびMoから選択される少なくとも一つの金属を含有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
  5. さらに、触媒処理の他の工程において支持体材料または触媒活性混合化合物を形成する別の成分の溶液の連続添加を行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  6. 他の成分は、Al、Mg、Si、ZrまたはTiを含有することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の方法にしたがって得ることができる触媒。
  8. 金属形態の活性成分の含量に基づいて、2〜98モル%のMnおよび2〜98モル%のCoを含有することを特徴とする、請求項７に記載の触媒。
  9. 請求項７または８に記載の触媒で炭素放出出発物質を分解することを含む、カーボンナノチューブの製造方法。
  10. 請求項９に記載の方法にしたがって得ることができるカーボンナノチューブ。
  11. ポリマー複合材料、セラミックまたは金属複合材料において電気伝導性または熱伝導性および機械的特性を改善するための、伝導性被覆物および複合材料を製造するための、染料としての、電池、コンデンサー、ディスプレー(例えば フラットスクリーンディスプレー)または発光体における、電界効果トランジスタとしての、(例えば水素またはリチウム用の)貯蔵媒体としての、(例えばガスの精製用の)膜における、触媒としての、または(例えば化学反応における触媒活性成分用の)支持体材料としての、燃料電池における、医療分野における、例えば細胞組織の成長制御用のフレームワークとしての、診断分野における、例えばマーカーとしての、および化学的分析および物理的分析における(例えば走査型顕微鏡における)、請求項１０に記載のカーボンナノチューブの使用。
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