JP2010132543A - Method for producing and purifying carbon nanotube, carbon nanotube and carbon nanotube element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブ(CNT)の製造方法、カーボンナノチューブ(CNT)の精製方法、およびこれらの方法により得られるカーボンナノチューブ並びに該カーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ素子に関し、詳しくはアーク放電法によりカーボンナノチューブを製造する方法、カーボンナノチューブを精製する方法、これらの方法により得られるカーボンナノチューブ、および該カーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ素子に関する。慣用の方法と違って、本発明の製造方法または精製方法では、アーク放電法で用いられる触媒と任意の助触媒は配位結合工程により除去される。 The present invention relates to a method for producing carbon nanotubes (CNT), a method for purifying carbon nanotubes (CNT), carbon nanotubes obtained by these methods, and a carbon nanotube element containing the carbon nanotubes. The present invention relates to a method for producing a nanotube, a method for purifying a carbon nanotube, a carbon nanotube obtained by these methods, and a carbon nanotube element containing the carbon nanotube. Unlike conventional methods, in the production method or purification method of the present invention, the catalyst used in the arc discharge method and any cocatalyst are removed by a coordination bonding step.
一次元カーボンナノ材料として、カーボンナノチューブ(CNT)は優れた電気学、力学、化学特性を有するため、日増しに注目されている。ナノ材料についての研究が深くなるにつれて、カーボンナノチューブは、例えば電界放出電子源、ナノフィールドエフェクトトランジスター、水素貯蔵材料および高強度繊維などの広い範囲で応用されるようになっている。 As one-dimensional carbon nanomaterials, carbon nanotubes (CNTs) are attracting increasing attention due to their excellent electrical, mechanical and chemical properties. As research on nanomaterials has become deeper, carbon nanotubes have come to be applied in a wide range of fields such as field emission electron sources, nanofield effect transistors, hydrogen storage materials and high strength fibers.
カーボンナノチューブは、チューブ壁を形成する炭素原子の層数によって、単層カーボンナノチューブ(SWNT)と多層カーボンナノチューブ(MWNT)に分けられ、多層カーボンナノチューブは直径の異なる単層カーボンナノチューブからなるものだと理解してもよい。単層カーボンナノチューブと層数の少ない多層カーボンナノチューブは、電気特性、熱特性、機械および化学特性などにおいて優れた性能を持つため、実際の研究と応用において、重要な地位を占める。 Carbon nanotubes are divided into single-walled carbon nanotubes (SWNT) and multi-walled carbon nanotubes (MWNT) depending on the number of carbon atoms that form the tube wall. Multi-walled carbon nanotubes consist of single-walled carbon nanotubes with different diameters You may understand. Single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes with a small number of layers occupy important positions in actual research and application because they have excellent performance in electrical properties, thermal properties, mechanical and chemical properties.
カーボンナノチューブを製造する慣用の方法としては、アーク放電法、化学蒸着法(CVD)、レーザー蒸発法などが挙げられる。アーク放電法は、高品質のカーボンナノチューブを大規模に製造する今までの最も効果的な方法の一つである。 Conventional methods for producing carbon nanotubes include arc discharge, chemical vapor deposition (CVD), and laser evaporation. The arc discharge method is one of the most effective methods to date for producing high-quality carbon nanotubes on a large scale.
しかし、アーク放電法でカーボンナノチューブを製造するとき、通常黒鉛微粒子や、無定形炭素、およびその他の形のカーボンナノ粒子のような不純物も生成し、また金属触媒の粒子と必要に応じた助触媒も存在する。これらの不純物はカーボンナノチューブと混合しており、カーボンナノチューブについてのさらなる研究と応用に対して極める不便をもたらしている。そこで、純度のより高いカーボンナノチューブを得るために、製造されたカーボンナノチューブ初製品を各物理化学的な方法により精製するのが一般的である。よく使われる化学精製方法として、液相酸化方法と気相酸化方法が挙げられる。例えば、K.Tohji.T.Gotoらにより提案された水熱法(K.Tohji.T.Goto et al.J.Phys.Chem.1996,101,1974)、Z.Shiらに提案された気相酸化法(Z.Shi et al.Solid State Commun.1999,112,35)、E.Mizogutiらに提案された接触酸化法(E.Mizoguti et al.Chem.Phys.Let.2000,321,297)。それに、硝酸還流法についても広範な研究があり、例えば、J.L.Zimmermanらによる研究が挙げられる(J.L.Zimmerman et al.Chem.Mater.2000,12,1361)。また、初期選択の酸化で無定形炭素を除去して、濃硝酸で還流する精製方法によって、反応生成物の中の金属を効果的に除去できることはすでに発見されている(K.Tohji et al.Nature 1996,383,679参照)。 However, when carbon nanotubes are produced by the arc discharge method, impurities such as graphite fine particles, amorphous carbon, and other forms of carbon nanoparticles are usually generated, and metal catalyst particles and optional promoters are produced. Is also present. These impurities are mixed with the carbon nanotubes, resulting in extreme inconvenience for further research and application on carbon nanotubes. Therefore, in order to obtain carbon nanotubes with higher purity, it is common to purify the manufactured carbon nanotube initial product by each physicochemical method. Commonly used chemical purification methods include a liquid phase oxidation method and a gas phase oxidation method. For example, the hydrothermal method proposed by K. Tohji. T. Goto et al. (K. Tohji. T. Goto et al. J. Phys. Chem. 1996, 101, 1974), the gas proposed by Z. Shi et al. Phase oxidation method (Z. Shi et al. Solid State Commun. 1999, 112, 35), catalytic oxidation method proposed by E. Mizoguti et al. (E. Mizoguti et al. Chem. Phys. Let. 2000, 321,297). There is also extensive research on the nitric acid reflux method, for example, a study by J.L.Zimmerman et al. (J.L.Zimmerman et al. Chem. Mater. 2000, 12, 1361). It has also been discovered that the metal in the reaction product can be effectively removed by a purification method in which amorphous carbon is removed by initial selective oxidation and refluxed with concentrated nitric acid (K. Tohji et al. Nature 1996,383,679).
これらの精製方法は本分野の既知の方法であり、無定形炭素や金属触媒粒子などの不純物より安定していて、酸化し難いというカーボンナノチューブの特性を利用したので、生成物からこれらの不純物を除去でき、精製できるのである。気相酸化法として、酸化雰囲気によって酸素(あるいは空気)酸化法と二酸化炭素酸化法などが挙げられる。液相酸化法でよく用いられる液相酸化剤として、過マンガン酸カリウム、硝酸溶液、または重クロム酸カリウムなどが挙げられる。このほか、遠心分離方法とマイクロろ過などの物理方法でカーボンナノチューブの分離が行われる。これらの方法を単独で使用してもよいし、その中の一種または多種の組合せを使用してもよい。たとえば、空気酸化法のような気相酸化法で除去しやすい無定形炭素などの不純物をカーボンナノチューブから除去することができ、硝酸酸化法のような液相酸化法で除去し難い金属触媒粒子などの不純物をカーボンナノチューブから除去することができる。また、上述方法と遠心分離との組合により精製後のカーボンナノチューブを得ることができる。 These purification methods are known in the field, and utilize the characteristics of carbon nanotubes, which are more stable than impurities such as amorphous carbon and metal catalyst particles, and are difficult to oxidize. It can be removed and purified. Examples of the gas phase oxidation method include an oxygen (or air) oxidation method and a carbon dioxide oxidation method depending on the oxidizing atmosphere. Examples of the liquid phase oxidizing agent often used in the liquid phase oxidation method include potassium permanganate, nitric acid solution, potassium dichromate, and the like. In addition, carbon nanotubes are separated by a centrifugal separation method and a physical method such as microfiltration. These methods may be used alone, or one or various combinations thereof may be used. For example, impurities such as amorphous carbon that can be easily removed by gas phase oxidation methods such as air oxidation methods can be removed from carbon nanotubes, and metal catalyst particles that are difficult to remove by liquid phase oxidation methods such as nitric acid oxidation methods. Impurities can be removed from the carbon nanotubes. Moreover, the carbon nanotube after refinement | purification can be obtained by the combination of the said method and centrifugation.
しかし、今までの主な課題は、カーボンナノチューブを破壊せずに製造されたカーボンナノチューブを如何に精製するか、ということである。従来技術では、液相酸化法が用いられる。例えば、硝酸で還流することで精製する方法は、チューブ壁を破壊することになる。気相酸化法を用いても、酸化温度が高いため(通常470℃)、同じくカーボンナノチューブを破壊することになる。 However, the main problem to date is how to purify the carbon nanotubes produced without destroying the carbon nanotubes. In the prior art, a liquid phase oxidation method is used. For example, the method of purifying by refluxing with nitric acid will destroy the tube wall. Even using the gas phase oxidation method, the carbon nanotubes are also destroyed because the oxidation temperature is high (usually 470 ° C.).
それに、アーク放電法では、例えばY−Ni合金を触媒とする場合、反応が終わると、この触媒は反応生成物の内部または表面に残り、無機酸還流の方法では除去し難い。たとえ長時間の反応により大部分の触媒粒子が除去されたとしても、カーボンナノチューブも破壊されてしまい、カーボンナノチューブの品質が下がり、特に導電性が低下することになる。 In addition, in the arc discharge method, for example, when a Y-Ni alloy is used as a catalyst, when the reaction is completed, the catalyst remains in or on the surface of the reaction product and is difficult to remove by the inorganic acid reflux method. Even if most of the catalyst particles are removed by a long-time reaction, the carbon nanotubes are also destroyed, and the quality of the carbon nanotubes is lowered, and in particular, the conductivity is lowered.
しかも、強酸還流の精製方法の場合、得られたカーボンナノチューブには、以下の欠陥がある:
A.カーボン骨格には、通常の6員環ではなく、5員または7員環が存在するので、カーボンナノチューブが曲げる;
B.Sp3混成欠陥(R=HとOH);
C.酸化の条件によりカーボン構造が破壊され、欠陥のところにCOOH基が引き入れられる;および
D.カーボンナノチューブの端部が開口し、COOH基が引き入れられてブロキングする。
以上の欠陥は図1に示す。
Moreover, in the case of the strong acid reflux purification method, the obtained carbon nanotubes have the following defects:
A. Carbon nanotubes bend because carbon skeletons have 5 or 7 member rings instead of the usual 6 member rings;
B.Sp 3 hybrid defect (R = H and OH);
C. The carbon structure is destroyed by the oxidation conditions and COOH groups are drawn into the defects; and
D. The end of the carbon nanotube opens, and COOH groups are drawn in and block.
The above defects are shown in FIG.
したがって、カーボンナノチューブを破壊せずにカーボンナノチューブを製造・精製する方法が求められる。 Therefore, a method for producing and purifying carbon nanotubes without destroying the carbon nanotubes is required.
本発明の方法により、カーボンナノチューブを損傷することなく、特にカーボンナノチューブの側壁を損傷せずに、カーボンナノチューブを製造・精製できる。 By the method of the present invention, carbon nanotubes can be produced and purified without damaging the carbon nanotubes, and particularly without damaging the side walls of the carbon nanotubes.
本発明の第一発明は、
(a)触媒と必要に応じた助触媒の存在下でアーク放電法によりカーボンナノチューブを製造する工程と、
(b)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と、触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質とを配位結合させて錯体を得る工程と、
(c)前記錯体を除去する工程
を含むカーボンナノチューブの製造方法を提供することを目的とする。
The first invention of the present invention is:
(A) a step of producing carbon nanotubes by an arc discharge method in the presence of a catalyst and a cocatalyst as necessary;
(B) A complex formed by coordination bonding between a metal element present in the catalyst and / or a necessary co-catalyst and a substance capable of forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or the necessary co-catalyst. Obtaining
(C) It aims at providing the manufacturing method of a carbon nanotube including the process of removing the said complex.
本発明の第一発明の一態様は、前記(a)工程において、助触媒を用いる。 In one embodiment of the first invention of the present invention, a promoter is used in the step (a).
この場合、前記助触媒がFeSであるのが好ましい。 In this case, the promoter is preferably FeS.
本発明の第一発明の一態様は、前記触媒として、ランタン系金属酸化物、遷移金属、ニッケルと希土類元素との混合物、及び前記触媒の混合物からなる群より選ばれる。 One aspect of the first invention of the present invention is selected from the group consisting of a lanthanum-based metal oxide, a transition metal, a mixture of nickel and a rare earth element, and a mixture of the catalyst as the catalyst.
この場合、前記触媒は、Y-Ni合金、Fe−Ni合金、Fe-Co合金、Co-Ni合金、Rh-Pt合金、およびCe-Ni合金からなる群より選ばれるのが好ましい。 In this case, the catalyst is preferably selected from the group consisting of Y—Ni alloy, Fe—Ni alloy, Fe—Co alloy, Co—Ni alloy, Rh—Pt alloy, and Ce—Ni alloy.
本発明の第一発明の一態様において、前記(b)工程は、
(d)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素をイオンに転換する工程、および
(e)前記触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質を、前記イオンと配位結合させて、錯体を得る工程、
を含む。
In one aspect of the first invention of the present invention, the step (b) comprises:
(D) a step of converting a metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as needed into ions, and (e) forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or co-catalyst as needed. A step of coordinating a substance to be obtained with the ion to obtain a complex;
including.
この場合、前記工程(d)は、
(f)触媒及び/又は必要に応じた助触媒を酸化して触媒及び/又は必要に応じた助触媒の酸化物を得る工程を含むのが好ましい。
さらに、前記触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質は、アミノポリカルボン酸から選ばれるのがより好ましい。
該態様では、前記アミノポリカルボン酸は、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、トランス-1,2−ジアミノシクロヘキサン-N,N,N',N'−四酢酸水和物(CYDTA)、ジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、およびトリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)からなる群より選ばれるのが好ましい。
In this case, the step (d)
(F) It is preferable to include a step of oxidizing the catalyst and / or the co-catalyst as necessary to obtain a catalyst and / or an oxide of the co-catalyst as needed.
Further, the substance capable of forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or the co-catalyst as required is more preferably selected from aminopolycarboxylic acids.
In this embodiment, the aminopolycarboxylic acid is ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), trans-1,2-diaminocyclohexane-N, N, N ′, N′-tetraacetic acid hydrate (CYDTA), diethylenetriaminepentaacetic acid ( DTPA) and triethylenetetraaminehexaacetic acid (TTHA) are preferred.
このとき、前記アミノポリカルボン酸は、トリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)であるのがより好ましい。 At this time, the aminopolycarboxylic acid is more preferably triethylenetetraaminehexaacetic acid (TTHA).
さらに、錯体の除去を促進するように、アミノポリカルボン酸により形成される錯体を塩の形に転換するのがより好ましい。 Furthermore, it is more preferable to convert the complex formed by the aminopolycarboxylic acid into a salt form so as to promote the removal of the complex.
本発明の第一発明の一態様では、前記(d)工程はさらに、
(g)前記酸化物と酸とを反応させ、触媒及び/又は必要に応じた助触媒の金属元素イオンを得る工程を含む。
In one aspect of the first invention of the present invention, the step (d) further comprises
(G) The process of making the said oxide and an acid react and obtaining the metal element ion of a catalyst and / or a promoter as needed.
第一発明の一態様において、前記触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質として、テトラヒドロフラン、トリアルキルホスフィン、ε−カプロラクトン、ε−カプロラクタム、ジメチルホルムアミド、およびジメチルスルフォキシドからなる群より選ばれるのが好ましい。 In one aspect of the first invention, the substance capable of forming a complex with a metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as required includes tetrahydrofuran, trialkylphosphine, ε-caprolactone, ε-caprolactam, dimethylformamide, And selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide.
また、第一発明の一態様において、前記錯体として、{M[(NC)2CC(OCH2CH2OH)C(CN)2]2(4,4′-bPy)(H2O)2}、複核[M′{(phen)2}2V4O12]C6H12OキH2Oと[Ni(L)(H2O)32H2O]からなる群より選ばれるのが好ましく、MはNi、Co、Feからなる群より選ばれ、M'はNiとCoからなる群より選ばれ、bPyはビピリジン、phenはフェニル基、Lは(2-メトキシカルボニルメチルイミノ-5−メチル-チアゾール-3-イル-酢酸)を表す。 In one embodiment of the first invention, the complex includes {M [(NC) 2 CC (OCH 2 CH 2 OH) C (CN) 2 ] 2 (4,4′-bPy) (H 2 O) 2 }, Binuclear [M ′ {(phen) 2 } 2 V 4 O 12 ] C 6 H 12 Oki H 2 O and [Ni (L) (H 2 O) 3 2H 2 O] M is selected from the group consisting of Ni, Co and Fe, M ′ is selected from the group consisting of Ni and Co, bPy is bipyridine, phen is a phenyl group, and L is (2-methoxycarbonylmethylimino-5 -Methyl-thiazol-3-yl-acetic acid).
本発明の前記態様の変種として、前記(f)工程は、酸素含有ガスで触媒及び/又は必要に応じた助触媒を酸化することを含む。 As a variant of the above aspect of the invention, the step (f) includes oxidizing the catalyst and / or the co-catalyst as required with an oxygen-containing gas.
この場合、酸素含有ガスで酸化する時間と温度は、触媒及び/又は必要に応じた助触媒を酸化物に転換するには十分であるのが好ましい。前記酸素含有ガスは空気であるのがより好ましい。さらに、前記酸化温度は80〜300℃であるのも、前記酸化時間は1〜20時間であるのもより好ましい。 In this case, the time and temperature for oxidation with the oxygen-containing gas are preferably sufficient to convert the catalyst and / or the co-catalyst, if necessary, to oxide. More preferably, the oxygen-containing gas is air. Further, the oxidation temperature is preferably 80 to 300 ° C., and the oxidation time is more preferably 1 to 20 hours.
本発明の第一発明の一態様として、本発明の方法はさらに、前記錯体を除去した後遠心分離する工程を含む。 As one aspect of the first invention of the present invention, the method of the present invention further includes a step of centrifuging after removing the complex.
このとき、遠心分離の工程を、5000〜30000rpmで1〜20時間行うのが好ましい。 At this time, it is preferable to perform the centrifugation step at 5000 to 30000 rpm for 1 to 20 hours.
本発明の第一発明のあらゆる態様では、カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブであるのが好ましい。 In all aspects of the first invention of the present invention, the carbon nanotubes are preferably single-walled carbon nanotubes.
本発明の第二発明は、
触媒と必要に応じた助触媒の存在下でアーク放電法により製造されたカーボンナノチューブを精製する方法であって、
(I)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と、触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質とを配位結合させて錯体を得る工程と、
(II)前記錯体を除去する工程とを含むカーボンナノチューブを精製する方法を提供する。
The second invention of the present invention is:
A method for purifying carbon nanotubes produced by an arc discharge method in the presence of a catalyst and a cocatalyst as required,
(I) A complex in which a metal element present in a catalyst and / or a co-catalyst as required and a substance capable of forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as needed are coordinated. Obtaining
(II) A method for purifying carbon nanotubes comprising the step of removing the complex.
本発明の第二発明の一態様では、アーク放電法では助触媒が使われている。 In one aspect of the second invention of the present invention, a promoter is used in the arc discharge method.
この場合、前記助触媒はFeSであるのが好ましい。 In this case, the promoter is preferably FeS.
本発明の第二発明の一態様は、触媒として、ランタン系金属酸化物、遷移金属、ニッケルと希土類元素との混合物、及び前記触媒の混合物からなる群より選ばれる。 In one embodiment of the second invention of the present invention, the catalyst is selected from the group consisting of lanthanum-based metal oxides, transition metals, a mixture of nickel and rare earth elements, and a mixture of the aforementioned catalysts.
この場合、前記触媒は、Y−Ni合金、Fe−Ni合金、Fe−Co合金、Co−Ni合金、Rh−Pt合金、およびCe−Ni合金からなる群より選ばれるのが好ましい。 In this case, the catalyst is preferably selected from the group consisting of Y-Ni alloys, Fe-Ni alloys, Fe-Co alloys, Co-Ni alloys, Rh-Pt alloys, and Ce-Ni alloys.
本発明の第二発明の一態様では、前記(I)工程は、
(III)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素をイオンに転換する工程、および
(IV)前記触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質を、前記イオンと配位結合させて、錯体を得る工程を含む。
このとき、前記工程(III)は、
(V)触媒及び/又は必要に応じた助触媒を酸化して触媒及び/又は必要に応じた助触媒の酸化物を得る工程を含むのが好ましい。
In one aspect of the second invention of the present invention, the step (I) comprises:
(III) a step of converting a metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as needed into ions, and (IV) forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or co-catalyst as necessary. A step of coordinating a substance to be obtained with the ion to obtain a complex is included.
At this time, the step (III)
(V) It is preferable to include a step of oxidizing the catalyst and / or the co-catalyst as necessary to obtain a catalyst and / or an oxide of the co-catalyst as necessary.
このとき、触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質は、アミノポリカルボン酸から選ばれるのがより好ましい。 At this time, the substance capable of forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or the co-catalyst as required is more preferably selected from aminopolycarboxylic acids.
該態様では、前記アミノポリカルボン酸は、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、トランス-1,2−ジアミノシクロヘキサン-N,N,N',N'−四酢酸水和物(CYDTA)、ジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、およびトリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)からなる群より選ばれるのが好ましい。 In this embodiment, the aminopolycarboxylic acid is ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), trans-1,2-diaminocyclohexane-N, N, N ′, N′-tetraacetic acid hydrate (CYDTA), diethylenetriaminepentaacetic acid ( DTPA) and triethylenetetraaminehexaacetic acid (TTHA) are preferred.
このとき、前記アミノポリカルボン酸は、トリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)であるのがより好ましい。 At this time, the aminopolycarboxylic acid is more preferably triethylenetetraaminehexaacetic acid (TTHA).
さらに、錯体の除去を促進するように、アミノポリカルボン酸により形成される錯体を塩の形に転換するのがより好ましい。 Furthermore, it is more preferable to convert the complex formed by the aminopolycarboxylic acid into a salt form so as to promote the removal of the complex.
本発明の第二発明の一態様では、前記(III)工程はさらに、
(VI)前記酸化物と酸とを反応させ、触媒及び/又は必要に応じた助触媒の金属元素イオンを得る工程を含む。
In one aspect of the second invention of the present invention, the step (III) further comprises
(VI) A step of reacting the oxide with an acid to obtain a metal element ion of a catalyst and / or a promoter as required.
第二発明の一態様では、前記触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質として、テトラヒドロフラン、トリアルキルホスフィン、ε−カプロラクトン、ε−カプロラクタム、ジメチルホルムアミド、およびジメチルスルフォキシドからなる群より選ばれるのが好ましい。 In one aspect of the second invention, as a substance capable of forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as necessary, tetrahydrofuran, trialkylphosphine, ε-caprolactone, ε-caprolactam, dimethylformamide, And selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide.
また、第二発明の一態様において、前記錯体として、{M[(NC)2CC(OCH2CH2OH)C(CN)2]2(4,4′-bPy)(H2O)2}、複核[M′{(phen)2}2V4O12]C6H12OキH2Oと[Ni(L)(H2O)32H2O]からなる群より選ばれるのが好ましく、MはNi、Co、Feからなる群より選ばれ、M'はNiとCoからなる群より選ばれ、bPyはビピリジン、phenはフェニル基、Lは(2-メトキシカルボニルメチルイミノ-5−メチル-チアゾール-3-イル-酢酸)を表す。 In one embodiment of the second invention, the complex includes {M [(NC) 2 CC (OCH 2 CH 2 OH) C (CN) 2 ] 2 (4,4′-bPy) (H 2 O) 2 }, Binuclear [M ′ {(phen) 2 } 2 V 4 O 12 ] C 6 H 12 Oki H 2 O and [Ni (L) (H 2 O) 3 2H 2 O] M is selected from the group consisting of Ni, Co and Fe, M ′ is selected from the group consisting of Ni and Co, bPy is bipyridine, phen is a phenyl group, and L is (2-methoxycarbonylmethylimino-5 -Methyl-thiazol-3-yl-acetic acid).
本発明の前記態様の変形として、前記(f)工程は、酸素含有ガスで触媒及び/又は必要に応じた助触媒を酸化することを含む。 As a modification of the embodiment of the present invention, the step (f) includes oxidizing the catalyst and / or the co-catalyst as necessary with an oxygen-containing gas.
このとき、酸素含有ガスで酸化する時間と温度は、触媒及び/又は必要に応じた助触媒を酸化物に転換するには十分であるのが好ましい。前記酸素含有ガスは空気であるのがより好ましい。さらに、前記酸化温度は80〜300℃であるのも、前記酸化時間は1〜20時間であるのもより好ましい。 At this time, the time and temperature for oxidizing with the oxygen-containing gas are preferably sufficient to convert the catalyst and / or the co-catalyst as required to an oxide. More preferably, the oxygen-containing gas is air. Further, the oxidation temperature is preferably 80 to 300 ° C., and the oxidation time is more preferably 1 to 20 hours.
本発明の第二発明の一態様として、本発明の方法はさらに、前記錯体を除去した後遠心分離する工程を含む。 As one aspect of the second invention of the present invention, the method of the present invention further includes a step of centrifuging after removing the complex.
このとき、遠心分離の工程を、5000〜30000rpmで1〜20時間行うのが好ましい。 At this time, it is preferable to perform the centrifugation step at 5000 to 30000 rpm for 1 to 20 hours.
本発明の第二発明のあらゆる態様では、カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブであるのが好ましい。 In all aspects of the second invention of the present invention, the carbon nanotubes are preferably single-walled carbon nanotubes.
本発明の第三発明は、本発明の第一発明と第二発明に記載の方法により製造されるカーボンナノチューブを提供する。従来技術の方法によって得られるカーボンナノチューブと比べ、本発明の方法により得られるカーボンナノチューブのチューブ壁は破壊されていない。 The third invention of the present invention provides a carbon nanotube produced by the method described in the first and second inventions of the present invention. Compared with the carbon nanotubes obtained by the prior art method, the tube wall of the carbon nanotubes obtained by the method of the present invention is not destroyed.
本発明の第四発明は、本発明の第三発明のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ素子を提供する。
本発明の各発明において、カーボンナノチューブ(CNT)は単層カーボンナノチューブ(SWNT)であるのが好ましい。
The fourth invention of the present invention provides a carbon nanotube device including the carbon nanotube of the third invention of the present invention.
In each invention of the present invention, the carbon nanotube (CNT) is preferably a single-walled carbon nanotube (SWNT).
以下の詳細な説明により、本発明のその他の目的と発明は明らかになるが、詳細な説明および具体的な実施例は本発明の好ましい実施の形態を示しているものの、本発明の実施態様の例に過ぎず、本発明はその要旨を逸脱しない限り任意に変形して実施することができる。 Other objects and inventions of the present invention will become apparent from the following detailed description, but the detailed description and specific examples show preferred embodiments of the present invention. The present invention is merely an example, and the present invention can be arbitrarily modified and implemented without departing from the gist thereof.
本発明の方法により、カーボンナノチューブを損傷することなく、特にカーボンナノチューブの側壁を損傷せずに、カーボンナノチューブを製造・精製できる。 By the method of the present invention, carbon nanotubes can be produced and purified without damaging the carbon nanotubes, and particularly without damaging the side walls of the carbon nanotubes.
これからは図面を参考にして本発明の例示的な態様を詳しく説明する。
本発明の第一発明
Exemplary embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.
First invention of the present invention
本発明の第一発明は、
(a)触媒と必要に応じた助触媒の存在下でアーク放電法によりカーボンナノチューブを製造する工程と、
(b)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と、触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質とを配位結合させて錯体を得る工程と、
(c)前記錯体を除去する工程
を含むカーボンナノチューブの製造方法を提供する。
The first invention of the present invention is:
(A) a step of producing carbon nanotubes by an arc discharge method in the presence of a catalyst and a cocatalyst as necessary;
(B) A complex formed by coordination of a metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as necessary and a substance capable of forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or the co-catalyst as necessary. Obtaining
(C) A method for producing a carbon nanotube including the step of removing the complex is provided.
次は各工程について詳しく説明する。 Next, each step will be described in detail.
(1)アーク放電法 (1) Arc discharge method
アーク放電法は、カーボンナノチューブを製造する最も早い工程の一つである。本発明のカーボンナノチューブを製造する方法としてアーク放電法には特に限りはない。本発明では、通常のアーク放電法を用いることで精製されていないカーボンナノチューブを得ることができる。次はアーク放電法に使われる装置、条件および原料などについて簡単に説明する。 The arc discharge method is one of the earliest processes for producing carbon nanotubes. The arc discharge method is not particularly limited as a method for producing the carbon nanotube of the present invention. In the present invention, unpurified carbon nanotubes can be obtained by using a normal arc discharge method. Next, we will briefly explain the equipment, conditions and materials used in the arc discharge method.
図2は本発明の実施の形態でカーボンナノチューブを製造するためのアーク炉100を示す模式図である。該アーク炉は、真空室160、カソード端子110、カソード120、アノード130、アノード端子140、および線状運動装置150からなる。カソード120は通常大きい直径(例えば13mm程度)を有する黒鉛棒であるが、銅制金属電極を使ってもよい。アノード130は直径の小さい(例えば6mm程度)黒鉛棒である。
FIG. 2 is a schematic view showing an
本発明の一態様では、以下のようにアノード130に用いられるアノード黒鉛棒を製造する。アノード黒鉛棒の中心に孔をあける。触媒と必要に応じた助触媒を粉末に砕いてから黒鉛と均一に混合してなるアノード混合物を、アノード黒鉛棒の孔に充填して詰め、アーク放電用アノード130を形成する。また、触媒と必要に応じた助触媒とを黒鉛に混合してアノード混合物を得て、そして該混合物を成形してアノード黒鉛棒を形成することで前記アノード130を形成することができる。 In one embodiment of the present invention, an anode graphite rod used for the anode 130 is manufactured as follows. A hole is made in the center of the anode graphite rod. An anode mixture obtained by crushing a catalyst and a co-catalyst as required and then uniformly mixing with graphite is filled into the pores of the anode graphite rod and packed to form the anode 130 for arc discharge. Further, the anode 130 can be formed by mixing a catalyst and an optional co-catalyst into graphite to obtain an anode mixture, and forming the mixture to form an anode graphite rod.
アーク放電する前に、真空室160は吸引され、そして、保護用ガスとして、不活性ガス(例えばヘリウムガスあるいはアルゴンガス)、水素、窒素またはこれらのガスの混合物が導入される。電源が通じると、アノード130とカソード120の間に安定したアーク放電を行うように、線状運動装置150でカソード120とアノード130の間の距離を調整する(該距離は通常予め設定した一定値である。例えば、1〜5mm程度)。最初は、カソード120とアノード130は接触してはならないため、初期電流が発生しない。そして、アノード120を移動させ、アークが発生するまでカソード130に近づく。放電中、アノード130とカソード120の間に高速プラズマフローは発生し、カソード120とアノード130の表面は極高い温度(例えばそれぞれ約3000℃以上と5000℃以上)に達し、アノード130が高速にカーボンクラスターとして蒸発されて次第に消費する。カソード120とアノード130との間の高温領域では、アノード130から蒸発されたカーボンクラスターはカーボンナノチューブを形成することができ、しかもこれらのカーボンナノチューブは真空室を充填し、真空室160の壁および/またはカソード120上に沈積する。これらの蒸発されたカーボンクラスターは真空室を満たすことができ、そしてカソード120や、真空室の壁などのところで核発生し成長してカーボンナノチューブを得る。アノードは一般的におよそ十分で消費し、放電反応を完成した後、真空室を冷却する。
Prior to arcing, the
反応が終わって充分に冷却された後、真空室160の壁上の布状すす生成物(cloth−like soot)、室壁とカソードの間に掛かる網状すす生成物(web−like soot)、カソード端部の沈積物(deposit)、および沈積物のまわりの「襟」状すす生成物(collar−like soot)が、真空室160中に収集される。得られたカーボンナノチューブは通常ファンデルワールス力で結合しており、六方結晶体構造に並んでいる。カーボンナノチューブ特に単層カーボンナノチューブは、例えば、主に布状すす生成物、網状すす生成物、「襟」状すす生成物のような三つのところに現れる。この三つのところの中で、網状すす生成物におけるカーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブの純度がもっとも高く、布状すす生成物における純度がもっとも低く、「襟」状すす生成物における純度は両者の間にある。カーボンナノチューブは、無定形炭素と金属触媒粒子などの不純物と共に存在する。これらの不純物は後続の精製工程によって除去されることができる。この点について、後ほど詳しく説明する。
After the reaction is over and fully cooled, the cloth-like soot product on the wall of the
本発明のカーボンナノチューブの製造過程では、触媒が必要である。触媒はカーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブの生長に重要な役割を果たしている。本発明に用いられる触媒として、ランタン系金属酸化物、遷移金属、ニッケルと希土類元素との混合物、及び前記触媒の混合物からなる群より選ばれることができる。また、触媒として、Y、Ce、Er、Tb、Ho、La、Nd、Gd、Dyまたはこれらの混合物のような希土類元素と、金属ニッケル(Ni)との混合物でもよい。本発明の一態様では、触媒として、Y−Ni合金、Fe−Ni合金、Fe−Co合金、Co−Ni合金、Rh−Pt合金、およびCe−Ni合金からなる群より選ばれるのが好ましい。 In the process for producing the carbon nanotube of the present invention, a catalyst is required. The catalyst plays an important role in the growth of carbon nanotubes, especially single-walled carbon nanotubes. The catalyst used in the present invention can be selected from the group consisting of lanthanum-based metal oxides, transition metals, mixtures of nickel and rare earth elements, and mixtures of the aforementioned catalysts. Further, the catalyst may be a mixture of a rare earth element such as Y, Ce, Er, Tb, Ho, La, Nd, Gd, Dy or a mixture thereof and metallic nickel (Ni). In one embodiment of the present invention, the catalyst is preferably selected from the group consisting of Y—Ni alloy, Fe—Ni alloy, Fe—Co alloy, Co—Ni alloy, Rh—Pt alloy, and Ce—Ni alloy.
本発明のカーボンナノチューブの製造方法では、助触媒を使用してもよい。一般に、助触媒もカーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブの生長に重要な役割を果たしており、特にカーボンナノチューブの純度を高めることおよびカーボンナノチューブの直径分布を制御することには重要な役割を果たしていると思われている。したがって、本発明では、FeSを助触媒として使用するのが好ましい。 In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, a promoter may be used. In general, cocatalysts also play an important role in the growth of carbon nanotubes, especially single-walled carbon nanotubes, especially in increasing the purity of carbon nanotubes and controlling the diameter distribution of carbon nanotubes. It seems. Therefore, in the present invention, it is preferable to use FeS as a promoter.
本発明で助触媒を使用する場合、触媒と助触媒の比例は、カーボンナノチューブの生長、およびカーボンナノチューブの純度と直径分布などの特性に悪いな影響がない限り、任意の比例で触媒と助触媒を使用することができる。 In the case of using a cocatalyst in the present invention, the proportion of the catalyst and the cocatalyst may be arbitrarily proportional as long as the growth of the carbon nanotubes and the properties such as the purity and diameter distribution of the carbon nanotubes are not adversely affected. Can be used.
通常、触媒と助触媒との重量比は1〜20:1、好ましくは5〜15:1、より好ましくは10:1であるが、具体的な条件によって前記範囲以外の重量比を使ってもよい。 Usually, the weight ratio of the catalyst to the cocatalyst is 1 to 20: 1, preferably 5 to 15: 1, more preferably 10: 1. However, a weight ratio other than the above range may be used depending on specific conditions. Good.
本発明のアーク放電法によりカーボンナノチューブを製造する過程において、さらに炭素源が必要である。炭素源として、好ましくは黒鉛である。本発明では、触媒と炭素源との比例は、カーボンナノチューブの生長、およびカーボンナノチューブの純度と直径分布などの特性に悪いな影響がない限り、任意の比例で触媒と炭素源を使用することができる。一態様として、炭素源と触媒とのモル比率は1〜50:1、好ましくは5〜30:1、より好ましくは15:1である。 In the process of producing carbon nanotubes by the arc discharge method of the present invention, a carbon source is further required. The carbon source is preferably graphite. In the present invention, the catalyst and the carbon source may be used in any proportion as long as the growth of the carbon nanotubes and the properties such as the purity and diameter distribution of the carbon nanotubes are not adversely affected. it can. In one embodiment, the molar ratio of carbon source to catalyst is 1-50: 1, preferably 5-30: 1, more preferably 15: 1.
本発明のより好ましい態様として、炭素源は黒鉛で、触媒はY−Ni合金で、助触媒はFeSである。 In a more preferred embodiment of the present invention, the carbon source is graphite, the catalyst is a Y-Ni alloy, and the promoter is FeS.
アーク放電法では、不活性ガス(ヘリウムガス、アルゴンガスあるいはこれらの混合ガス)、水素、窒素またはこれらのガスの混合物などの保護用のガスがよく用いられる。アルゴンガスは常用の保護用ガスである。水素を用いるときの気圧はアルゴンガスの気圧より低くてもよい。また、水素がより高い熱伝導率を持つため、炭素とC−H結合を形成できる上、アモルフォアスカーボンなどをエッチングすることができるので、より純粋なカーボンナノチューブが合成できる。保護用ガスの圧力は約6.67〜203kPaであってもよく、好ましくは13.3〜160kPa、より好ましくは66.7〜120kPa、例えば80.0〜93.3kPaである。 In the arc discharge method, a protective gas such as an inert gas (helium gas, argon gas, or a mixed gas thereof), hydrogen, nitrogen, or a mixture of these gases is often used. Argon gas is a common protective gas. The pressure when using hydrogen may be lower than the pressure of argon gas. In addition, since hydrogen has higher thermal conductivity, C—H bonds can be formed with carbon, and amorphous carbon and the like can be etched, so that purer carbon nanotubes can be synthesized. The pressure of the protective gas may be about 6.67 to 203 kPa, preferably 13.3 to 160 kPa, more preferably 66.7 to 120 kPa, for example 80.0 to 93.3 kPa.
アノードとカソードの間に放電を発生させるために、電流は通常30A〜200A、好ましくは70〜120A、例えば100Aである。電流が小さすぎると、安定したアークを形成できない。一方、電流が大きすぎると、無定形炭素や黒鉛粒子などの不純物が増え、後続の精製処理が難しくなる。直流電圧は大体20〜40Vであり、例えば30Vである。カーボンナノチューブは、無定形炭素や黒鉛粒子などの不純物のようなその他の副産物と焼結して一体になる可能性があり、後続の分離と精製が難しくなるから、完璧な構造を持つより純粋なカーボンナノチューブを製造するために、よく水冷などの方法で黒鉛カソードの温度を低める。例えば、黒鉛カソードの温度を低めるように、カソード黒鉛棒を水冷の銅基底に固定することができる。また、カソードとして、銅(Cu)などのよりよい熱伝導率を持つ放熱しやすい金属を用いることは、カーボンナノチューブの形成に寄与する。放電中、真空室160内の温度が低すぎて無定形炭素などの不純物が増えることを防ぐために、さらに温度調節装置を利用して真空室160内の温度を制御することができる。
In order to generate a discharge between the anode and the cathode, the current is usually 30A to 200A, preferably 70 to 120A, for example 100A. If the current is too small, a stable arc cannot be formed. On the other hand, if the current is too large, impurities such as amorphous carbon and graphite particles increase, and subsequent purification treatment becomes difficult. The DC voltage is about 20-40V, for example, 30V. Carbon nanotubes can sinter together with other by-products like impurities such as amorphous carbon and graphite particles, making subsequent separation and purification difficult, making it more pure with a perfect structure In order to produce carbon nanotubes, the temperature of the graphite cathode is often lowered by a method such as water cooling. For example, the cathode graphite rod can be fixed to a water-cooled copper base so as to lower the temperature of the graphite cathode. In addition, the use of a metal that has a better thermal conductivity, such as copper (Cu), that easily dissipates heat, contributes to the formation of carbon nanotubes. During discharge, the temperature in the
また、図2に示すアーク炉100でのアーク放電はカソードとアノードとの相対する端面の間に発生するが、カソードとアノードを同じ側に置いてもよい。この場合、カソードとアノードの間に一定の角度を形成するように置くことにより、カソードとアノードの間の放電は、点と点の間の放電になり、生成物がシート状で真空室160の壁などに付着するので、カーボンナノチューブの生産性を高めることができる。
In addition, arc discharge in the
アーク放電反応後、網状すす生成物を収集して次の精製工程を行うのが一般的である。これは、該生成物でのカーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブの純度がもっとも高いからである。 After the arc discharge reaction, it is common to collect the reticulated soot product and perform the next purification step. This is because the carbon nanotubes in the product, especially single-walled carbon nanotubes, have the highest purity.
(2)精製工程−錯体の形成と除去 (2) Purification process-complex formation and removal
前記のように、カーボンナノチューブ中の不純物を除去するため、特に残余の触媒と必要に応じた助触媒を除去するために、高温酸化または強酸酸化(還流)方法がよく用いられる。しかしながら、これらの方法は、カーボンナノチューブ、特にカーボンナノチューブの側壁を損傷する。 As described above, high temperature oxidation or strong acid oxidation (reflux) methods are often used to remove impurities in carbon nanotubes, particularly to remove residual catalyst and cocatalyst as needed. However, these methods damage the carbon nanotubes, particularly the sidewalls of the carbon nanotubes.
従来技術の高温酸化または強酸酸化によるカーボンナノチューブへの破壊を解消するために、本発明の発明者らの研究によって、配位結合の技術に基づき、カーボンナノチューブの品質を破壊せずに、カーボンナノチューブに残る触媒と必要に応じた助触媒を除去できる、ということが発見された。 In order to eliminate the destruction of carbon nanotubes due to high temperature oxidation or strong acid oxidation of the prior art, the inventors of the present invention have studied the carbon nanotubes based on the coordination bond technology without destroying the quality of the carbon nanotubes. It has been discovered that the remaining catalyst and the cocatalyst can be removed if necessary.
従来技術の精製方法に比べ、配位結合技術に基づく精製工程は温和であり、カーボンナノチューブの側壁を損傷することはない。それゆえ、本発明の方法によって製造されるカーボンナノチューブの品質は、従来技術により得られるカーボンナノチューブより高く、特に導電性では著しく向上している。 Compared with the conventional purification methods, the purification process based on the coordination bond technique is mild and does not damage the side walls of the carbon nanotubes. Therefore, the quality of the carbon nanotubes produced by the method of the present invention is higher than that of carbon nanotubes obtained by the prior art, and the conductivity is remarkably improved.
触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と、錯体を形成し得る物質を、触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素とを配位結合させることで、触媒と必要に応じた助触媒を除去することができる、と本発明の発明者らに発見された。 By coordinating the catalyst and the metal element present in the co-catalyst, if necessary, the catalyst and the metal element present in the co-catalyst as needed, the catalyst and the metal element present in the co-catalyst as needed. It has been discovered by the inventors of the present invention that the cocatalyst can be removed.
「触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質」との用語は、触媒または助触媒に用いられる金属元素と錯体を形成し得る物質のこと、あるいは触媒と助触媒に用いられる金属元素と錯体を形成し得る物質のことをいう。前述のように、本発明に使用される触媒として、遷移金属またはランタン系金属の酸化物が挙げられる。また、触媒は、Y、Ce、Er、Tb、Ho、La、Nd、Gd、Dyまたはこれらの混合物のような希土類元素と、金属ニッケル(Ni)との混合物であってもよい。従って、得られたカーボンナノチューブから触媒を除去するために、「触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質」として、前記の遷移金属、ランタン系金属、及び希土類金属などと錯体を形成し得る物質を用いるべきである。 The term “substance capable of forming a complex with a metal element present in a catalyst and a co-catalyst as required” means a substance capable of forming a complex with a metal element used in the catalyst or the co-catalyst, or a catalyst and co-catalyst. A substance that can form a complex with a metal element used in a catalyst. As described above, examples of the catalyst used in the present invention include oxides of transition metals or lanthanum metals. The catalyst may be a mixture of a rare earth element such as Y, Ce, Er, Tb, Ho, La, Nd, Gd, Dy, or a mixture thereof and metallic nickel (Ni). Therefore, in order to remove the catalyst from the obtained carbon nanotubes, the above-mentioned transition metals, lanthanum metals, and rare earths can be used as “substances capable of forming a complex with the metal elements present in the catalyst and the promoter as required”. Substances that can form complexes with metals etc. should be used.
アーク放電法において、触媒として、Y−Ni合金、Fe−Ni合金、Fe−Co合金、Co−Ni合金、Rh−Pt合金、またはCe−Ni合金がよく用いられる。したがって、本発明では、Y、Ni、F、Co、Rh、Pt及びCeなどと錯体を形成し得る物質を「触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質」とするのが好ましい。 In the arc discharge method, a Y-Ni alloy, Fe-Ni alloy, Fe-Co alloy, Co-Ni alloy, Rh-Pt alloy, or Ce-Ni alloy is often used as a catalyst. Therefore, in the present invention, a substance that can form a complex with Y, Ni, F, Co, Rh, Pt, Ce, etc. is a “substance that can form a complex with a metal element present in a catalyst and a co-catalyst as needed”. Is preferable.
アーク放電法でカーボンナノチューブを製造するとき、助触媒を使う場合、触媒の用量に対して、助触媒の用量を無視してもよい。同様に、生成したカーボンナノチューブに存在する助触媒の量は、触媒の量に対して無視できるほど少ない。そこで、前記物質を選択するとき、触媒に存在する金属元素のみを考えると良い。 When producing a carbon nanotube by the arc discharge method, when using a cocatalyst, the cocatalyst dose may be ignored with respect to the catalyst dose. Similarly, the amount of promoter present in the produced carbon nanotubes is negligibly small relative to the amount of catalyst. Therefore, when selecting the substance, only the metal elements present in the catalyst should be considered.
とはいえ、触媒と助触媒に用いられる金属元素を同時に考えるのがより好ましい。触媒と助触媒に存在するすべての金属元素と錯体を形成し得る物質を選択するのがさらに好ましい。これにより、ただ一つの物質だけで、存在するすべての触媒と助触媒を除去できるからである。 Nevertheless, it is more preferable to consider the metal elements used for the catalyst and the cocatalyst at the same time. It is further preferred to select a substance that can form a complex with all the metal elements present in the catalyst and the cocatalyst. This is because all the existing catalyst and cocatalyst can be removed with only one substance.
ある物質は金属単体(0価金属)と錯体を形成し得るが、アーク放電工程ではよく合金材料が使われるので、該物質と合金材料の元素とが直接に錯体を形成し難くなる。それゆえ、本発明では、触媒及び/または必要に応じた助触媒の中の金属元素をイオンの形に転換して配位結合するのが好ましい。 A certain substance can form a complex with a single metal (zero-valent metal), but an alloy material is often used in the arc discharge process, so that it becomes difficult for the substance and the element of the alloy material to form a complex directly. Therefore, in the present invention, it is preferable that the metal element in the catalyst and / or the cocatalyst as necessary is converted into an ionic form and coordinated.
金属元素をイオンの形に転換する方法としては特に限りはなく、多種の方法が採用できる。例えば、強酸酸化法で金属元素を金属イオンに転換することができる。しかしながら、生成するカーボンナノチューブへの損傷を最小限度にするために、まず適切な酸化方法により金属元素を酸化物に転換し、そして適切な酸により金属イオンを得ることが考えられる。このときに使う酸化方法及び酸は慣用の精製方法で使われる条件より温和なため、カーボンナノチューブの品質を著しく低下させることはない。 There is no particular limitation on the method for converting the metal element into the ion form, and various methods can be employed. For example, a metal element can be converted into a metal ion by a strong acid oxidation method. However, in order to minimize damage to the generated carbon nanotubes, it is conceivable to first convert the metal element into an oxide by an appropriate oxidation method and obtain a metal ion with an appropriate acid. Since the oxidation method and acid used at this time are milder than the conditions used in the conventional purification method, the quality of the carbon nanotube is not significantly reduced.
ある態様では、「触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質」として、例えばアミノポリカルボン酸のような酸性物質が使われるので、金属酸化物を金属イオンに転換できるだけではなく、該金属イオンと配位結合して錯体を形成できる。この場合では、その他の酸により金属イオンを得る必要がなくなる。 In one embodiment, an acidic substance such as an aminopolycarboxylic acid is used as the “substance that can form a complex with the metal element present in the catalyst and the co-catalyst as necessary”, so that the metal oxide is converted into a metal ion. Not only can it be converted, it can also be coordinated with the metal ion to form a complex. In this case, it is not necessary to obtain metal ions with other acids.
ある態様では、形成された錯体が溶剤(通常は水)に対しての溶解性を増加して錯体の除去を促進するために、形成される錯体をその他の適切な形、例えば、塩の形に転換することができる。こうすると、錯体の溶解性が増強されるほか、ろ過法などの方法で溶解しないカーボンナノチューブをろ過することにより、錯体を除去し、触媒および/または助触媒がなるべく少なく残るようになることができる。前記ろ過法において、あらゆるろ過媒体でも使われる。例えば、ポリテトラフルオルエチレンろ過膜が使われる。 In some embodiments, the complex formed may be in other suitable forms, such as salt forms, in order to increase the solubility in a solvent (usually water) to facilitate removal of the complex. Can be converted to In this way, the solubility of the complex is enhanced, and by filtering the carbon nanotubes that are not dissolved by a method such as a filtration method, the complex can be removed and the catalyst and / or promoter can remain as little as possible. . Any filtration media may be used in the filtration method. For example, a polytetrafluoroethylene filtration membrane is used.
例えば、アミノポリカルボン酸を前記物質として使われる場合、形成されるアミノポリカルボン酸錯体を塩の形に転換するのが好ましい。このとき、pHが塩基性になるように、例えばNaOH、KOHなどのような適当なアルカリ溶液を入れて、塩の形に転換することができる。 For example, when aminopolycarboxylic acid is used as the substance, it is preferable to convert the formed aminopolycarboxylic acid complex into a salt form. At this time, an appropriate alkaline solution such as NaOH or KOH can be added to convert the salt form so that the pH becomes basic.
アミノポリカルボン酸を使う場合、アミノポリカルボン酸としては特に限りはない。例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、トランス-1,2−ジアミノシクロヘキサン-N,N,N',N'−四酢酸水和物(CYDTA)、ジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、およびトリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)を使うことができる。 When aminopolycarboxylic acid is used, the aminopolycarboxylic acid is not particularly limited. For example, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), trans-1,2-diaminocyclohexane-N, N, N ′, N′-tetraacetic acid hydrate (CYDTA), diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), and triethylenetetraaminehexa Acetic acid (TTHA) can be used.
アミノポリカルボン酸はYと錯体を形成し得る。このとき、アミノポリカルボン酸として、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、トランス-1,2−ジアミノシクロヘキサン-N,N,N',N'−四酢酸水和物(CYDTA)、ジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、およびトリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)が好ましい。これらの構造は以下に示す: Aminopolycarboxylic acids can form complexes with Y. At this time, as aminopolycarboxylic acid, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), trans-1,2-diaminocyclohexane-N, N, N ', N'-tetraacetic acid hydrate (CYDTA), diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) And triethylenetetraamine hexaacetic acid (TTHA) are preferred. These structures are shown below:
YとEDTA、CYDTA、DTPAおよびTTHAが形成する錯体の構造は以下に示す:
また、NiもTTHAと下記のような錯体を形成できる:
中では、トリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)がもっとも好ましい。アミノポリカルボン酸を使うとき、TTHAで精製したカーボンナノチューブの純度と透明度がもっとも優れているからである。 Of these, triethylenetetraamine hexaacetic acid (TTHA) is most preferred. This is because when aminopolycarboxylic acid is used, the purity and transparency of carbon nanotubes purified by TTHA is the best.
図3はCYDTAで精製したカーボンナノチューブを示す模式図である。図3から、CYDTAは、カーボンナノチューブ上に存在するYと錯体を形成でき、しかもカーボンナノチューブから分離できることはわかる。 FIG. 3 is a schematic view showing carbon nanotubes purified by CYDTA. From FIG. 3, it can be seen that CYDTA can form a complex with Y present on the carbon nanotube and can be separated from the carbon nanotube.
なお、Yと錯体を形成し得る物質として、テトラヒドロフラン、トリアルキルホスフィン、ε−カプロラクトン、ε−カプロラクタム、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシドなどが挙げられる。しかし、前記物質に限られていない。Yと錯体を形成し得る物質、および形成した錯体について、「Anhydrous scandium, yttrium, lanthanide and actinide halide complexes with neutral oxygen and nitrogen donor ligands」(Shashank Mishra, Coordination Chemistry Review 252(2008) 1996-2025)を参照できる。参考として前記文献をここに引用した。前記文献に列挙された、Yと錯体を形成し得るあらゆる物質で触媒、例えばY-Ni合金の中のY、を除去することができる。 Examples of substances that can form a complex with Y include tetrahydrofuran, trialkylphosphine, ε-caprolactone, ε-caprolactam, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, and the like. However, it is not limited to the substance. Regarding substances that can form complexes with Y and the complexes formed, “Anhydrous scandium, yttrium, lanthanide and actinide halide complexes with neutral oxygen and nitrogen donor ligands” (Shashank Mishra, Coordination Chemistry Review 252 (2008) 1996-2025) You can refer to it. The above document is cited here for reference. Catalysts such as Y in Y-Ni alloys can be removed with any substance listed in the above literature that can form a complex with Y.
Ni、Co、Feと形成した錯体の実例として、{M[(NC)2CC(OCH2CH2OH)C(CN)2]2(4,4′-bPy)(H2O)2}(MはNi、Co、Feからなる群より選ばれる)が挙げられる(Inorganica Chemica Acta, Vol. 361,Issues 14-15,1 October 2008, Pages 3856-3862)。前記文献によって、適切な物質により、複核[M′{ (phen)2}2V4O12]C6H12OキH2O(MはCo、Niからなる群より選ばれる)を得ることができる(Inorganica Chemica Acta, Vol. 361,Issues 12-13,1 September 2008, Pages 3681-3689)。前記文献で列挙された、前記錯体を得るための物質を、本発明でも採用できる。 As an example of a complex formed with Ni, Co, Fe, {M [(NC) 2 CC (OCH 2 CH 2 OH) C (CN) 2 ] 2 (4,4'-bPy) (H 2 O) 2 } (M is selected from the group consisting of Ni, Co, and Fe) (Inorganica Chemica Acta, Vol. 361, Issues 14-15, 1 October 2008, Pages 3856-3862). Obtain binuclear [M ′ {(phen) 2 } 2 V 4 O 12 ] C 6 H 12 O ki H 2 O (M is selected from the group consisting of Co and Ni) according to the above-mentioned literature by an appropriate substance. (Inorganica Chemica Acta, Vol. 361, Issues 12-13, 1 September 2008, Pages 3681-3689). Substances listed in the above literature for obtaining the complex can also be employed in the present invention.
Niと錯体を形成し得る物質を用いることができる。形成される錯体として、[Ni(L)(H2O)32H2O](Lは(2-メトキシカルボニルメチルイミノ-5−メチル-チアゾール-3-イル-酢酸)を表す)、Ni [ P(Ph2)-N(H)-CH2Py]4(ただし、Phはフェニル基、Pyはピリジンを表す)が挙げられる。その他の採用できる物質として、Inorganica Chemica Acta, Vol. 361,Issues 12-13,1 September 2008, Pages 3723-3729と、Journal of Organometallic Chemistry, Vol. 693, Issue 12, 1, June 2008, Pages 2171-2176と、Inorganic ChemistRY Communications, In Press, Corrected Proof、Available on line 17, May 2008に挙げられている物質、および形成された錯体が挙げられる。 A substance capable of forming a complex with Ni can be used. As a complex formed, [Ni (L) (H 2 O) 3 2H 2 O] (L represents (2-methoxycarbonylmethylimino-5-methyl-thiazol-3-yl-acetic acid)), Ni [ P (Ph 2 ) —N (H) —CH 2 Py] 4 (wherein Ph represents a phenyl group and Py represents pyridine). Other applicable substances include Inorganica Chemica Acta, Vol. 361, Issues 12-13, 1 September 2008, Pages 3723-3729 and Journal of Organometallic Chemistry, Vol. 693, Issue 12, 1, June 2008, Pages 2171- 2176 and the materials listed in Inorganic ChemistRY Communications, In Press, Corrected Proof, Available on line 17, May 2008, and the complexes formed.
Feと錯体を形成し得る物質について、Inorganica Chimica Acta, Vol 361, Issues 14-15, 1 October 2008, Pages 3926-3930; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 229, Issues 1-2, 9, July 2002, Pages 27-35; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 232,Issues 1-2, October 2002, Pages 151-171; および Coordination Chemistry Reviews, Vol. 233-234, 1 November 2002, Pages 273-287に記載の内容を参照することができる。 Regarding substances that can form complexes with Fe, Inorganica Chimica Acta, Vol 361, Issues 14-15, 1 October 2008, Pages 3926-3930; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 229, Issues 1-2, 9, July 2002, Pages 27-35; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 232, Issues 1-2, October 2002, Pages 151-171; and Coordination Chemistry Reviews, Vol. 233-234, 1 November 2002, Pages 273-287 can do.
Fe、Co、Niと錯体を形成し得る物質について、Coordination Chemistry Reviews, Vol. 12, Issue 2 April 1974, Pages 151-184; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 11, Issue 4, December 1973, Pages 343-402; および Coordination Chemistry Reviews, Vol. 2, Issue 2, September 1967, Pages 173-193に記載の内容を参照することができる。
For substances that can form complexes with Fe, Co, Ni, Coordination Chemistry Reviews, Vol. 12,
参考にするために以上の文献をここに引用した。 The above references are cited here for reference.
触媒および/または助触媒の形態(合金、単体、化合物など)および存在する金属元素の種類によって前記物質の種類を選ぶことができる。 The kind of the substance can be selected depending on the form of the catalyst and / or promoter (alloy, simple substance, compound, etc.) and the kind of the metal element present.
また、触媒および/または助触媒の具体的な状況によって配位結合工程をどのように行うかを決める。例えば、具体的な触媒および/または助触媒によって、触媒および/または助触媒をイオンに転換するか否かを決める。酸化方法で転換する場合、さらに、触媒および/または助触媒野中の金属元素を、前記物質以外の酸でイオンに転換する必要があるか否かを確定する必要がある。 In addition, how to perform the coordination and bonding process is determined according to the specific situation of the catalyst and / or the cocatalyst. For example, the specific catalyst and / or cocatalyst determines whether to convert the catalyst and / or cocatalyst to ions. In the case of conversion by an oxidation method, it is further necessary to determine whether the metal elements in the catalyst and / or promoter field need to be converted to ions with an acid other than the above substances.
前記のように、触媒および/または助触媒の中の金属元素をイオンに転換するため、まず適切な酸化方法で金属元素を酸化物に転換することができる。このとき、酸素含有ガス(好ましくは空気)で触媒および/または助触媒を酸化するのが好ましい。酸素含有ガスを使用する酸化条件は慣用の気相酸化精製条件よりかなり温和である。一般に、酸素含有ガスで触媒および/または助触媒を酸化するに必要な時間と温度については具体的な限定はなく、触媒および/または助触媒をその酸化物に転換するに充分な時間と温度であればよい。通常、酸化温度は80〜300℃であってもよく、より好ましくは100〜200℃、もっとも好ましくは150〜200℃である。酸化時間は酸化温度によるものであり、変化できる。一般的に、酸化時間は1〜20時間であってもよく、好ましくは5〜15時間、より好ましくは8〜10時間である。以上から見ると、通常使われる高温酸化方法(一般的に酸化温度は470℃)と比べ、本発明のカーボンナノチューブの製造方法に使われる酸化は低温酸化である。したがって、この低温酸化はカーボンナノチューブを破壊することはない。 As described above, in order to convert the metal element in the catalyst and / or the cocatalyst into ions, the metal element can be first converted into an oxide by an appropriate oxidation method. At this time, it is preferable to oxidize the catalyst and / or promoter with an oxygen-containing gas (preferably air). Oxidation conditions using oxygen-containing gases are much milder than conventional gas phase oxidation purification conditions. In general, there is no specific limitation on the time and temperature required to oxidize the catalyst and / or promoter with an oxygen-containing gas, and the time and temperature sufficient to convert the catalyst and / or promoter to its oxide. I just need it. Usually, the oxidation temperature may be 80-300 ° C, more preferably 100-200 ° C, most preferably 150-200 ° C. The oxidation time depends on the oxidation temperature and can vary. In general, the oxidation time may be 1-20 hours, preferably 5-15 hours, more preferably 8-10 hours. In view of the above, the oxidation used in the method for producing carbon nanotubes of the present invention is low-temperature oxidation as compared with a high-temperature oxidation method that is usually used (generally, the oxidation temperature is 470 ° C.). Therefore, this low temperature oxidation does not destroy the carbon nanotubes.
本発明のカーボンナノチューブの製造方法はさらに、錯体を除去してから遠心分離する工程を含んでもよい。これにより、カーボンナノチューブに残る無定形炭素を除去し、カーボンナノチューブの純度をさらに高めるようになる。前記遠心分離工程として、任意の遠心分離速度でもよいが、より高い速度の遠心分離が好ましい。例えば、5000〜30000rpmの速度でもよいが、10000〜20000の遠心分離速度が好ましい。遠心分離の時間は遠心分離の速度と関係がある。一般に、1分〜20時間で遠心分離できるが、好ましくは2〜10時間、例えば、3時間で遠心分離する。 The method for producing a carbon nanotube of the present invention may further include a step of centrifuging after removing the complex. Thereby, the amorphous carbon remaining in the carbon nanotube is removed, and the purity of the carbon nanotube is further increased. The centrifugation step may be any centrifugation speed, but higher speed centrifugation is preferred. For example, a speed of 5000 to 30000 rpm may be used, but a centrifugal speed of 10,000 to 20000 is preferable. The time of centrifugation is related to the speed of centrifugation. In general, centrifugation can be performed in 1 minute to 20 hours, but preferably in 2 to 10 hours, for example, 3 hours.
本発明の方法により得られるカーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブであるのが好ましい。前記単層カーボンナノチューブは、金属性単層カーボンナノチューブ(M-SWNT)、半導体性単層カーボンナノチューブ(S-SWNT)、およびこれらの組合せからなる群より選ばれる。 The carbon nanotube obtained by the method of the present invention is preferably a single-walled carbon nanotube. The single-walled carbon nanotube is selected from the group consisting of metallic single-walled carbon nanotube (M-SWNT), semiconducting single-walled carbon nanotube (S-SWNT), and combinations thereof.
本発明の第二発明Second invention of the present invention
本発明の第二発明は、触媒と必要に応じた助触媒の存在下でアーク放電法により製造されたカーボンナノチューブを精製する方法であって、
(I)触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と、触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質とを配位結合させて錯体を得る工程と、
(II)前記錯体を除去する工程とを含むカーボンナノチューブを精製する方法を提供することを目的とする。
The second invention of the present invention is a method for purifying carbon nanotubes produced by an arc discharge method in the presence of a catalyst and optionally a cocatalyst,
(I) a step of obtaining a complex by coordinating a catalyst and a metal element present in a co-catalyst as needed, and a substance capable of forming a complex with the metal element present in the co-catalyst as needed. ,
(II) It aims at providing the method of purifying the carbon nanotube including the process of removing the said complex.
本発明の第二発明の精製方法によって、アーク放電法によるカーボンナノチューブを精製し、カーボンナノチューブの純度を高め、その特性を改善することができる。 By the purification method of the second invention of the present invention, the carbon nanotubes can be purified by the arc discharge method, the purity of the carbon nanotubes can be increased, and the characteristics thereof can be improved.
本発明の第二発明に適用できるカーボンナノチューブとしては特に限りはないが、アーク放電法によるカーボンナノチューブであれば良い。 The carbon nanotube applicable to the second invention of the present invention is not particularly limited, and may be a carbon nanotube by an arc discharge method.
当業者に知られるように、アーク放電法でカーボンナノチューブを製造する際、触媒と必要に応じた助触媒を採用することになる。触媒として、一般的には遷移金属、またはランタン系金属酸化物、あるいはこれらの混合物である。また、触媒は、Y、Ce、Er、Tb、Ho、La、Nd、Gd、Dyまたはこれらの混合物のような希土類元素と、金属ニッケル(Ni)との混合物であってもよい。本発明の一態様では、触媒として、Y−Ni合金、Fe−Ni合金、Fe−Co合金、Co−Ni合金、Rh−Pt合金、またはCe−Ni合金が好ましい。 As known to those skilled in the art, when producing carbon nanotubes by the arc discharge method, a catalyst and an optional co-catalyst are employed. The catalyst is generally a transition metal, a lanthanum metal oxide, or a mixture thereof. The catalyst may be a mixture of a rare earth element such as Y, Ce, Er, Tb, Ho, La, Nd, Gd, Dy, or a mixture thereof and metallic nickel (Ni). In one embodiment of the present invention, the catalyst is preferably a Y—Ni alloy, a Fe—Ni alloy, a Fe—Co alloy, a Co—Ni alloy, a Rh—Pt alloy, or a Ce—Ni alloy.
一般に、アーク放電法でFeSのような助触媒が使われる。 In general, a promoter such as FeS is used in the arc discharge method.
本発明の第二発明の精製方法により、カーボンナノチューブの品質、特に導電性にはマイナスな影響がなしに、アーク放電法によって得られたカーボンナノチューブに残る触媒および/または助触媒を有効に除去できる。 By the purification method of the second invention of the present invention, the catalyst and / or promoter remaining in the carbon nanotubes obtained by the arc discharge method can be effectively removed without negatively affecting the quality of the carbon nanotubes, particularly the conductivity. .
本発明の第二発明の方法では、「触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質」を、触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と配位結合させて錯体を形成し、錯体を除去することでカーボンナノチューブを精製する。 In the method of the second invention of the present invention, “a substance capable of forming a complex with a catalyst and a metal element present in a promoter as necessary” is coordinated with a metal element present in a catalyst and a promoter as necessary. Carbon nanotubes are purified by bonding to form a complex and removing the complex.
第二発明において、得られたカーボンナノチューブから触媒を除去するため、遷移金属、ランタン系金属および希土類金属などと錯体を形成できる物質を「触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質」とするべきである。 In the second invention, in order to remove the catalyst from the obtained carbon nanotube, a substance capable of forming a complex with a transition metal, a lanthanum metal, a rare earth metal, etc. Should be "substances that can form".
アーク放電法では、触媒として、Y−Ni合金、Fe−Ni合金、Fe−Co合金、Co−Ni合金、Rh−Pt合金、またはCe−Ni合金がよく用いられる。したがって、本発明では、Y、Ni、F、Co、Rh、Pt、およびCeなどと錯体を形成しうる物質を「触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質」とするのが好ましい。 In the arc discharge method, a Y—Ni alloy, Fe—Ni alloy, Fe—Co alloy, Co—Ni alloy, Rh—Pt alloy, or Ce—Ni alloy is often used as a catalyst. Therefore, in the present invention, a substance that can form a complex with Y, Ni, F, Co, Rh, Pt, Ce, etc. is referred to as “a substance that can form a complex with a metal element present in a catalyst and an optional cocatalyst. Is preferred.
アーク放電法でカーボンナノチューブを製造するとき、助触媒を使う場合、触媒の用量に対して、助触媒の用量を無視してもよい。同様に、生成したカーボンナノチューブに存在する助触媒の量は、触媒の量に対して無視できるほど少ない。そこで、前記物質を選択するとき、触媒に存在する金属元素のみを考えると良い。 When producing a carbon nanotube by the arc discharge method, when using a cocatalyst, the cocatalyst dose may be ignored with respect to the catalyst dose. Similarly, the amount of promoter present in the produced carbon nanotubes is negligibly small relative to the amount of catalyst. Therefore, when selecting the substance, only the metal elements present in the catalyst should be considered.
とはいえ、触媒と助触媒に用いられる金属元素を同時に考えるのがより好ましい。触媒と助触媒に存在するすべての金属元素と錯体を形成し得る物質を選択するのがさらに好ましい。これにより、ただ一つの物質だけで、存在するすべての触媒と助触媒を除去できるからである。 Nevertheless, it is more preferable to consider the metal elements used for the catalyst and the cocatalyst at the same time. It is further preferred to select a substance that can form a complex with all the metal elements present in the catalyst and the cocatalyst. This is because all the existing catalyst and cocatalyst can be removed with only one substance.
ある物質は金属単体(0価金属)と錯体を形成し得るが、アーク放電工程ではよく合金材料が使われるので、該物質と合金材料の元素とが直接に錯体を形成し難くなる。それゆえ、本発明では、触媒及び/または必要に応じた助触媒の中の金属元素をイオンの形に転換して配位結合するのが好ましい。 A certain substance can form a complex with a single metal (zero-valent metal), but an alloy material is often used in the arc discharge process, so that it becomes difficult for the substance and the element of the alloy material to form a complex directly. Therefore, in the present invention, it is preferable that the metal element in the catalyst and / or the cocatalyst as necessary is converted into an ionic form and coordinated.
金属元素をイオンの形に転換する方法としては特に限りはなく、多種の方法が採用できる。例えば、強酸酸化法で金属元素を金属イオンに転換することができる。しかしながら、生成するカーボンナノチューブへの損傷を最小限度にするために、まず適切な酸化方法により金属元素を酸化物に転換し、そして適切な酸により金属イオンを得ることが考えられる。このときに使う酸化方法及び酸は慣用の精製方法で使われる条件より温和なため、カーボンナノチューブの品質を著しく低下させることはない。 There is no particular limitation on the method for converting the metal element into the ion form, and various methods can be employed. For example, a metal element can be converted into a metal ion by a strong acid oxidation method. However, in order to minimize damage to the generated carbon nanotubes, it is conceivable to first convert the metal element into an oxide by an appropriate oxidation method and obtain a metal ion with an appropriate acid. Since the oxidation method and acid used at this time are milder than the conditions used in the conventional purification method, the quality of the carbon nanotube is not significantly reduced.
ある態様では、「触媒と必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質」として、例えばアミノポリカルボン酸のような酸性物質が使われるので、金属酸化物を金属イオンに転換できるだけではなく、該金属イオンと配位結合して錯体を形成できる。この場合では、その他の酸により金属イオンを得る必要がなくなる。 In one embodiment, an acidic substance such as an aminopolycarboxylic acid is used as the “substance that can form a complex with the metal element present in the catalyst and the co-catalyst as necessary”, so that the metal oxide is converted into a metal ion. Not only can it be converted, it can also be coordinated with the metal ion to form a complex. In this case, it is not necessary to obtain metal ions with other acids.
ある態様では、形成された錯体が溶剤(通常は水)に対しての溶解性を増加して錯体の除去を促進するために、形成される錯体をその他の適切な形、例えば、塩の形に転換することができる。こうすると、錯体の溶解性が増強されるほか、ろ過法などの方法で溶解しないカーボンナノチューブをろ過することにより、錯体を除去し、触媒および/または助触媒がなるべく少なく残るようになることができる。前記ろ過法において、あらゆる媒質でも使われる。例えば、ポリテトラフルオルエチレンろ過膜が使われる。 In some embodiments, the complex formed may be in other suitable forms, such as salt forms, in order to increase the solubility in a solvent (usually water) to facilitate removal of the complex. Can be converted to In this way, the solubility of the complex is enhanced, and by filtering the carbon nanotubes that are not dissolved by a method such as a filtration method, the complex can be removed and the catalyst and / or promoter can remain as little as possible. . Any medium can be used in the filtration method. For example, a polytetrafluoroethylene filtration membrane is used.
例えば、アミノポリカルボン酸を前記物質として使われる場合、形成されるアミノポリカルボン酸錯体を塩の形に転換するのが好ましい。このとき、pHが塩基性になるように、例えばNaOH、KOHなどのような適当なアルカリ溶液を入れて、塩の形に転換することができる。 For example, when aminopolycarboxylic acid is used as the substance, it is preferable to convert the formed aminopolycarboxylic acid complex into a salt form. At this time, an appropriate alkaline solution such as NaOH or KOH can be added to convert the salt form so that the pH becomes basic.
アミノポリカルボン酸を使う場合、アミノポリカルボン酸としては特に限りはない。例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、トランス-1,2−ジアミノシクロヘキサン-N,N,N',N'−四酢酸水和物(CYDTA)、ジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、およびトリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)を使うことができる。 When aminopolycarboxylic acid is used, the aminopolycarboxylic acid is not particularly limited. For example, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), trans-1,2-diaminocyclohexane-N, N, N ′, N′-tetraacetic acid hydrate (CYDTA), diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), and triethylenetetraaminehexa Acetic acid (TTHA) can be used.
アミノポリカルボン酸はYと錯体を形成し得る。このとき、アミノポリカルボン酸として、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、トランス-1,2−ジアミノシクロヘキサン-N,N,N',N'−四酢酸水和物(CYDTA)、ジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、およびトリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)が好ましい。これらの構造は以下に示す: Aminopolycarboxylic acids can form complexes with Y. At this time, as aminopolycarboxylic acid, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), trans-1,2-diaminocyclohexane-N, N, N ', N'-tetraacetic acid hydrate (CYDTA), diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) And triethylenetetraamine hexaacetic acid (TTHA) are preferred. These structures are shown below:
YとEDTA、CYDTA、DTPAおよびTTHAが形成する錯体の構造は以下に示す: The structure of the complex formed by Y and EDTA, CYDTA, DTPA and TTHA is shown below:
また、NiもTTHAと下記のような錯体を形成できる: Ni can also form complexes with TTHA as follows:
中では、トリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸(TTHA)がもっとも好ましい。アミノポリカルボン酸を使うとき、TTHAで精製したカーボンナノチューブの純度と透明度がもっとも優れているからである。 Of these, triethylenetetraamine hexaacetic acid (TTHA) is most preferred. This is because when aminopolycarboxylic acid is used, the purity and transparency of carbon nanotubes purified by TTHA is the best.
なお、Yと錯体を形成し得る物質として、テトラヒドロフラン、トリアルキルホスフィン、ε−カプロラクトン、ε−カプロラクタム、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシドなどが挙げられる。しかし、前記物質に限られていない。Yと錯体を形成し得る物質、および形成した錯体について、「Anhydrous scandium, yttrium, lanthanide and actinide halide complexes with neutral oxygen and nitrogen donor ligands」(Shashank Mishra, Coordination Chemistry Review 252(2008) 1996-2025)を参照できる。参考として前記文献をここに引用した。前記文献に列挙された、Yと錯体を形成し得るあらゆる物質で触媒、例えばY-Ni合金の中のY、を除去することができる。 Examples of substances that can form a complex with Y include tetrahydrofuran, trialkylphosphine, ε-caprolactone, ε-caprolactam, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, and the like. However, it is not limited to the substance. Regarding substances that can form complexes with Y and the complexes formed, “Anhydrous scandium, yttrium, lanthanide and actinide halide complexes with neutral oxygen and nitrogen donor ligands” (Shashank Mishra, Coordination Chemistry Review 252 (2008) 1996-2025) You can refer to it. The above document is cited here for reference. Catalysts such as Y in Y-Ni alloys can be removed with any substance listed in the above literature that can form a complex with Y.
Ni、Co、Feと形成した錯体の実例として、{M[(NC)2CC(OCH2CH2OH)C(CN)2]2(4,4′-bPy)(H2O)2}(MはNi、Co、Feからなる群より選ばれる)が挙げられる(Inorganica Chemica Acta, Vol. 361,Issues 14-15,1 October 2008, Pages 3856-3862)。前記文献によって、適切な物質により、複核[M′{ (phen)2}2V4O12]C6H12OキH2O(MはCo、Niからなる群より選ばれる)を得ることができる(Inorganica Chemica Acta, Vol. 361,Issues 12-13,1 September 2008, Pages 3681-3689)。前記文献で列挙された、前記錯体を得るための物質を、本発明でも採用できる。 As an example of a complex formed with Ni, Co, Fe, {M [(NC) 2 CC (OCH 2 CH 2 OH) C (CN) 2 ] 2 (4,4'-bPy) (H 2 O) 2 } (M is selected from the group consisting of Ni, Co, and Fe) (Inorganica Chemica Acta, Vol. 361, Issues 14-15, 1 October 2008, Pages 3856-3862). Obtain binuclear [M ′ {(phen) 2 } 2 V 4 O 12 ] C 6 H 12 O-ki H 2 O (M is selected from the group consisting of Co and Ni) according to the above literature by an appropriate substance. (Inorganica Chemica Acta, Vol. 361, Issues 12-13, 1 September 2008, Pages 3681-3689). Substances listed in the above literature for obtaining the complex can also be employed in the present invention.
Niと錯体を形成し得るあらゆる物質を用いることができる。形成された錯体として、[Ni(L)(H2O)32H2O](Lは(2-メトキシカルボニルメチルイミノ-5−メチル-チアゾール-3-イル-酢酸)を表す)、Ni [ P(Ph2)-N(H)-CH2Py]4(Phはフェニル基、Pyはピリジンを表す)が挙げられる。その他の採用できる物質として、Inorganica Chemica Acta, Vol.361,Issues 12-13,1 September 2008, Pages 3723-3729と、Journal of Organometallic Chemistry, Vol. 693, Issue 12, 1, June 2008, Pages 2171-2176と、Inorganic ChemistRY Communications, In Press, Corrected Proof、Available on line 17, May 2008に挙げられた物質、および形成された錯体が挙げられる。 Any substance that can form a complex with Ni can be used. Complexes formed include [Ni (L) (H 2 O) 3 2H 2 O] (L represents (2-methoxycarbonylmethylimino-5-methyl-thiazol-3-yl-acetic acid)), Ni [ P (Ph 2 ) —N (H) —CH 2 Py] 4 (Ph represents a phenyl group, Py represents pyridine). Other applicable substances include Inorganica Chemica Acta, Vol.361, Issues 12-13, 1 September 2008, Pages 3723-3729 and Journal of Organometallic Chemistry, Vol. 693, Issue 12, 1, June 2008, Pages 2171- 2176 and the materials listed in Inorganic ChemistRY Communications, In Press, Corrected Proof, Available on line 17, May 2008, and the complexes formed.
Feと錯体を形成し得る物質について、Inorganica Chimica Acta, Vol 361, Issues 14-15, 1 October 2008, Pages 3926-3930; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 229, Issues 1-2, 9, July 2002, Pages 27-35; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 232,Issues 1-2, October 2002, Pages 151-171; および Coordination Chemistry Reviews, Vol. 233-234, 1 November 2002, Pages 273-287に記載の内容を参照することができる。 Regarding substances that can form complexes with Fe, Inorganica Chimica Acta, Vol 361, Issues 14-15, 1 October 2008, Pages 3926-3930; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 229, Issues 1-2, 9, July 2002, Pages 27-35; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 232, Issues 1-2, October 2002, Pages 151-171; and Coordination Chemistry Reviews, Vol. 233-234, 1 November 2002, Pages 273-287 can do.
Fe、Co、Niと錯体を形成し得る物質について、Coordination Chemistry Reviews, Vol. 12, Issue 2 April 1974, Pages 151-184; Coordination Chemistry Reviews, Vol. 11, Issue 4, December 1973, Pages 343-402; および Coordination Chemistry Reviews, Vol. 2, Issue 2, September 1967, Pages 173-193に記載の内容を参照することができる。
For substances that can form complexes with Fe, Co, Ni, Coordination Chemistry Reviews, Vol. 12,
参考にするために以上の文献をここに引用した。 The above references are cited here for reference.
触媒および/または助触媒の形態(合金、単体、化合物など)および存在する金属元素の種類によって前記物質の種類を選ぶことができる。 The kind of the substance can be selected depending on the form of the catalyst and / or promoter (alloy, simple substance, compound, etc.) and the kind of the metal element present.
また、触媒および/または助触媒の具体的な状況によって配位結合工程をどのように行うかを決める。例えば、具体的な触媒および/または助触媒によって、触媒および/または助触媒をイオンに転換するか否かを決める。酸化方法で転換する場合、さらに、触媒および/または助触媒野中の金属元素を、前記物質以外の酸でイオンに転換する必要があるか否かを確定する必要がある。 In addition, how to perform the coordination and bonding process is determined according to the specific situation of the catalyst and / or the cocatalyst. For example, the specific catalyst and / or cocatalyst determines whether to convert the catalyst and / or cocatalyst to ions. In the case of conversion by an oxidation method, it is further necessary to determine whether the metal elements in the catalyst and / or promoter field need to be converted to ions with an acid other than the above substances.
前記のように、触媒および/または助触媒の中の金属元素をイオンに転換するため、まず適切な酸化方法で金属元素を酸化物に転換することができる。このとき、酸素含有のガス(好ましくは空気)で触媒および/または助触媒を酸化するのが好ましい。酸素含有のガスを使用する酸化条件は慣用の気相酸化精製条件よりかなり温和である。一般に、酸素含有のガスで触媒および/または助触媒を酸化するに必要な時間と温度については具体的な限定はなく、触媒および/または助触媒をその酸化物に転換するに充分な時間と温度であればよい。通常、酸化温度は80〜300℃であってもよく、より好ましくは100〜200℃、もっとも好ましくは150〜200℃である。酸化時間は酸化温度によるものであり、変化できる。一般に、酸化時間は1〜20時間であってもよく、好ましくは5〜15時間、より好ましくは8〜10時間である。以上から見ると、通常使われる高温酸化方法と比べ、本発明のカーボンナノチューブの精製方法に使われる酸化は低温酸化である。したがって、この低温酸化はカーボンナノチューブを破壊することはない。 As described above, in order to convert the metal element in the catalyst and / or the cocatalyst into ions, the metal element can be first converted into an oxide by an appropriate oxidation method. At this time, it is preferable to oxidize the catalyst and / or the promoter with an oxygen-containing gas (preferably air). Oxidation conditions using oxygen-containing gases are much milder than conventional gas phase oxidation purification conditions. In general, there is no specific limitation on the time and temperature required to oxidize the catalyst and / or promoter with an oxygen-containing gas, and the time and temperature sufficient to convert the catalyst and / or promoter to its oxide. If it is. Usually, the oxidation temperature may be 80-300 ° C, more preferably 100-200 ° C, most preferably 150-200 ° C. The oxidation time depends on the oxidation temperature and can vary. In general, the oxidation time may be 1-20 hours, preferably 5-15 hours, more preferably 8-10 hours. In view of the above, the oxidation used in the carbon nanotube purification method of the present invention is low-temperature oxidation as compared to the high-temperature oxidation method that is usually used. Therefore, this low temperature oxidation does not destroy the carbon nanotubes.
本発明のカーボンナノチューブの精製方法はさらに、錯体を除去してから遠心分離する工程を含んでもよい。これにより、カーボンナノチューブに残る無定形炭素を除去し、カーボンナノチューブの純度をさらに高めるようになる。前記遠心分離工程として、任意の遠心分離速度でもよいが、より高い速度の遠心分離が好ましい。例えば、5000〜30000rpmの速度でもよいが、10000〜20000の遠心分離速度が好ましい。遠心分離の時間は遠心分離の速度と密接な関係がある。一般に、1分〜20時間で遠心分離できるが、好ましくは2〜10時間、例えば、3時間、で遠心分離する。 The method for purifying carbon nanotubes of the present invention may further include a step of centrifuging after removing the complex. Thereby, the amorphous carbon remaining in the carbon nanotube is removed, and the purity of the carbon nanotube is further increased. The centrifugation step may be any centrifugation speed, but higher speed centrifugation is preferred. For example, a speed of 5000 to 30000 rpm may be used, but a centrifugal speed of 10,000 to 20000 is preferable. Centrifugation time is closely related to the speed of centrifugation. In general, centrifugation can be performed in 1 minute to 20 hours, but preferably in 2 to 10 hours, for example, 3 hours.
本発明の第三発明Third invention of the present invention
本発明の第三発明は、本発明の第一発明により製造されたカーボンナノチューブ、および本発明の第二発明により精製されたカーボンナノチューブを提供する。 The third invention of the present invention provides the carbon nanotube produced by the first invention of the present invention and the carbon nanotube purified by the second invention of the present invention.
本文に使う術語「カーボンナノチューブ」は、当業者に知られているあらゆるカーボンナノチューブを含む。チューブ壁を形成する炭素原子の層数によって、例えば、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、およびこれらの組合せを含んでもよい。また、その電気特性によって、金属性カーボンナノチューブ、半導体性カーボンナノチューブ、およびこれらの組合せを含んでもよい。でも、本発明のカーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブであるのが好ましい。該単層カーボンナノチューブは、金属性単層カーボンナノチューブ(M−SWNT)、半導体性単層カーボンナノチューブ(S−SWNT)、およびこれらの組合せを含む。 The term “carbon nanotube” as used herein includes any carbon nanotube known to those skilled in the art. Depending on the number of carbon atoms that form the tube wall, for example, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and combinations thereof may be included. In addition, metallic carbon nanotubes, semiconducting carbon nanotubes, and combinations thereof may be included depending on their electrical characteristics. However, the carbon nanotube of the present invention is preferably a single-walled carbon nanotube. The single-walled carbon nanotubes include metallic single-walled carbon nanotubes (M-SWNT), semiconducting single-walled carbon nanotubes (S-SWNT), and combinations thereof.
以上詳しく説明したように、本発明のカーボンナノチューブの製造・精製方法は、カーボンナノチューブの側壁を損傷することはなく、カーボンナノチューブの品質、特に導電性には影響がない。この点で、本発明の第一発明と第二発明により得られるカーボンナノチューブは、従来技術により得られるカーボンナノチューブと異なる。 As described above in detail, the carbon nanotube production / purification method of the present invention does not damage the side wall of the carbon nanotube, and does not affect the quality of the carbon nanotube, particularly the conductivity. In this respect, the carbon nanotubes obtained by the first invention and the second invention of the present invention are different from the carbon nanotubes obtained by the prior art.
図1に示すように、製造と精製条件に制限され、従来技術のカーボンナノチューブのチューブ壁には欠陥がある。これに対して、本発明の第三発明のカーボンナノチューブのほうは、図7に示すように、側壁が滑らかで、破壊されていない。しかも、図8と図9に示すように、本発明の方法により得られるカーボンナノチューブの純度が非常に高く、品質も非常に優れている。 As shown in FIG. 1, there is a defect in the tube wall of the prior art carbon nanotubes, limited by manufacturing and purification conditions. In contrast, the carbon nanotubes of the third invention of the present invention have smoother side walls and are not broken as shown in FIG. Moreover, as shown in FIGS. 8 and 9, the purity of the carbon nanotubes obtained by the method of the present invention is very high and the quality is also excellent.
本発明の第四発明Fourth invention of the present invention
本発明の第四発明は、本発明の第三発明のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ素子を提供する。 The fourth invention of the present invention provides a carbon nanotube device including the carbon nanotube of the third invention of the present invention.
該カーボンナノチューブ素子として、例えば、カーボンナノチューブ導電膜、電界放出電子源、トランジスター、リード線(conductive wire)、電極材料(例えば、透明、多孔または気体拡散電極材料)、ナノエレクトロメカニカルシステム(nano−electro−mechanic system)(NEMS)、スピン導電装置(spin conduction device)、ナノ片持ち梁(nano cantilever)、量子計算装置、発光ダイオード、太陽電池、表面伝導型電子放出素子ディスプレイ、光学フィルター(例えば、高周波または光学フィルター)、薬物伝送システム、熱伝導材料、ナノノズル、エネルギー貯蔵材料(例えば、水素貯蔵材料)、スペースエレベーター(space elevator)、燃料電池、センサー(例えば、気体、ブドウ糖、またはイオンセンサー)、または触媒担体などが挙げられる。しかも、これらの素子に限られていない。 Examples of the carbon nanotube element include a carbon nanotube conductive film, a field emission electron source, a transistor, a conductive wire, an electrode material (for example, a transparent, porous, or gas diffusion electrode material), a nano-electromechanical system (nano-electro -Mechanical system (NEMS), spin conduction device, nano cantilever, quantum computing device, light emitting diode, solar cell, surface conduction electron-emitting device display, optical filter (eg, high frequency) Or optical filters), drug delivery systems, heat transfer materials, nano nozzles, energy storage materials (eg, hydrogen storage materials), space elevators, fuel cells, sensors (eg, gas, glucose, or ion sensors), or Examples thereof include a catalyst carrier. Moreover, it is not limited to these elements.
次にカーボンナノチューブについて実例を挙げる。しかし、本発明はこれらの実例に限られていない。 Next, an example is given about a carbon nanotube. However, the present invention is not limited to these examples.
1.カーボンナノチューブ導電膜 1. Carbon nanotube conductive film
カーボンナノチューブは強度と柔軟性とを兼ね備えているため、フレシキブル電子部品に極めて適用できる。特にカーボンナノチューブからなる柔軟性かつ透明の導電膜は注目されている。これは、ある程度では、電発光、光導電体、および光起電力装置に応用できることによるものである。 Since carbon nanotubes have both strength and flexibility, they are extremely applicable to flexible electronic components. In particular, flexible and transparent conductive films made of carbon nanotubes have attracted attention. This is due in part to the applicability to electroluminescence, photoconductors, and photovoltaic devices.
透明で高導電性のインジウムスズ酸化物(ITO)はすでに広範に光電変換用に活用されているとはいえ、ITO自身の脆性により、フィルムの柔軟性は厳しく制限されている。カーボンナノチューブフィルムは、例えば、繰り返して曲げられても破砕することはない、というような特性があるため、ITOの交替に適切である。低シート抵抗を有するカーボンナノチューブフィルムは可視光と赤外領域においても透明である。それに、低コストおよび調整できる電子特性のおかげで、カーボンナノチューブフィルムはさらに優位になっている。 Although transparent and highly conductive indium tin oxide (ITO) is already widely used for photoelectric conversion, the flexibility of the film is severely limited by the brittleness of ITO itself. For example, the carbon nanotube film is suitable for alternation of ITO because it has a characteristic that it is not crushed even if it is repeatedly bent. A carbon nanotube film having a low sheet resistance is transparent in the visible light and infrared regions. In addition, carbon nanotube films are even more advantageous due to their low cost and tunable electronic properties.
本発明のカーボンナノチューブ導電膜は、以下のように製造することができる: The carbon nanotube conductive film of the present invention can be manufactured as follows:
超音波浴において、カーボンナノチューブ10mgを、1wt.%のオクチル−フェノール−エトキシレート(TRitoN X−100と称する)の水溶液200mlに20分間分散させる。真空ろ過装置(Millipore)において、混合したセルロースエステル(MCE)薄膜フィルター(Millipore、0.2μm孔)で該分散体をろ過し、薄膜フィルター上にカーボンナノチューブフィルムを形成する。二日間を経て、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン塩酸塩(Tris−HCl)バッファー(50mm、PH7.5)で前記カーボンナノチューブフィルムのあらゆるTriton X−100を透析する。次に、純水でTris−HClバッファーを洗い流してから、前記カーボンナノチューブフィルムを石英基板に移す。該試料を90℃で1時間乾燥してから、アセトン蒸気で薄膜フィルターを除去する。最後に、該カーボンナノチューブフィルムを100℃の真空で1時間乾燥する。 In an ultrasonic bath, 10 mg of carbon nanotubes are dispersed in 200 ml of an aqueous solution of 1 wt.% Octyl-phenol-ethoxylate (referred to as TRitoN X-100) for 20 minutes. In a vacuum filtration apparatus (Millipore), the dispersion is filtered with a mixed cellulose ester (MCE) thin film filter (Millipore, 0.2 μm pore) to form a carbon nanotube film on the thin film filter. After two days, any Triton X-100 of the carbon nanotube film is dialyzed against Tris (hydroxymethyl) aminomethane hydrochloride (Tris-HCl) buffer (50 mm, PH 7.5). Next, after washing the Tris-HCl buffer with pure water, the carbon nanotube film is transferred to a quartz substrate. The sample is dried at 90 ° C. for 1 hour and then the membrane filter is removed with acetone vapor. Finally, the carbon nanotube film is dried at 100 ° C. for 1 hour.
このようなカーボンナノチューブフィルムの製造方法、特にアセトン蒸気で薄膜フィルターを除去する工程について、2008年2月14日に出願された中国特許出願番号200810005631.7である出願の中の関連記述を参考することができる。ここに参考として該特許出願を引用する。 Regarding the method for producing such a carbon nanotube film, in particular, the process of removing the thin film filter with acetone vapor, reference can be made to the related description in the Chinese patent application No. 200810005631.7 filed on Feb. 14, 2008. it can. The patent application is cited here for reference.
例えば、本発明で図12に示す蒸気発生器が用いられる。図12(A)は本発明で使われる蒸気発生器を示す図であり、(b)は(A)に示す蒸気発生器のガラスケーシングの断面の構造を示す図である。 For example, the steam generator shown in FIG. 12 is used in the present invention. FIG. 12 (A) is a view showing a steam generator used in the present invention, and (b) is a view showing a cross-sectional structure of a glass casing of the steam generator shown in (A).
前記蒸気発生器は、
凝縮媒体の入り口がケーシングの下方にあり、出口が上方にある凝縮装置付のガラスケーシングと、
丸底フラスコのような溶剤(例えばアセトン)入れ用容器と、
温度調節できる加熱ジャケットのような溶剤を加熱するための加熱装置と、磁力撹拌器のような任意の撹拌装置と、からなる。前記ケーシングは、ケーシングの内部に取り付けられており、凝縮媒質の入り口と大体同じの高さで、試料を置くための多孔の支持台を含む。前記多孔支持台は例えばガラスで製造される。支持台の孔径としては厳しく要求されていないが、十分な量の蒸気が通過できながら試料を支持できれば良い。支持台の大きさはガラスケーシングの内径によって決まる。
The steam generator
A glass casing with a condensing device with the inlet of the condensing medium below the casing and the outlet above;
A container for a solvent (for example, acetone) such as a round bottom flask;
It consists of a heating device for heating a solvent such as a heating jacket capable of adjusting the temperature, and an optional stirring device such as a magnetic stirrer. The casing is attached to the interior of the casing and includes a porous support for placing a sample at a height approximately equal to the entrance of the condensing medium. The porous support base is made of, for example, glass. Although the hole diameter of the support base is not strictly required, it is sufficient if the sample can be supported while a sufficient amount of vapor can pass therethrough. The size of the support base is determined by the inner diameter of the glass casing.
2.カーボンナノチューブフィールドエフェクトトランジスター 2. Carbon nanotube field effect transistor
単独本のカーボンナノチューブとカーボンナノチューブ束により、ナノ電子素子の基本素子であるカーボンナノチューブフィールドエフェクトチューブ(カーボンナノチューブFET)を構成することができる。製造された製品のカーボンナノチューブは通常本ごとに単独に存在するのではなく、束(bundle)の形で存在している。つまり、何本乃至何百本のカーボンナノチューブは同じく軸方向と平行している方向に結び付けられており、直径約何ナノメートルから何十ナノメートルのカーボンナノチューブ束を形成している。しかし、該カーボンナノチューブFETをナノ電子素子に活用させるため、まず、カーボンナノチューブのチューブ束を分離して、単独本またはサイズの小さいカーボンナノチューブを得なければならない。 A single carbon nanotube and a carbon nanotube bundle can constitute a carbon nanotube field effect tube (carbon nanotube FET) which is a basic element of a nanoelectronic element. The carbon nanotubes of the manufactured products are usually not in a single book but in the form of bundles. That is, several to hundreds of carbon nanotubes are also connected in a direction parallel to the axial direction, and form a carbon nanotube bundle having a diameter of about several nanometers to several tens of nanometers. However, in order to use the carbon nanotube FET in a nanoelectronic device, first, a tube bundle of carbon nanotubes must be separated to obtain single or small-sized carbon nanotubes.
カーボンナノチューブのチューブ束では、カーボンナノチューブの直径が均一することができ、しかも、緊密に詰まった形で並んでいるので、チューブ束自身に一定程度の結晶化が出るかもしれない。分離方法として、カーボンナノチューブのチューブ束またはチューブ束の中のカーボンナノチューブを互いに分離する目的を達成するため、通常カーボンナノチューブ粉末を有機溶剤に分散させてから長時間の超音波処理を行う。分離の効果は溶剤の種類と超音波処理の時間などによる。よく使われる有機溶剤として、例えば、エタノール、イソプロパノール、アセトン、四塩化炭素、ジクロルエタン、ジメチルホルムアミド(DMF、dimethyl formamide)などが挙げられる。 In the tube bundle of carbon nanotubes, the diameters of the carbon nanotubes can be made uniform, and the tubes are arranged in a tightly packed form, so that a certain degree of crystallization may occur in the tube bundle itself. As a separation method, in order to achieve the purpose of separating the carbon nanotubes in the tube bundle or the carbon nanotubes in the tube bundle, the carbon nanotube powder is usually dispersed in an organic solvent and then subjected to ultrasonic treatment for a long time. The effect of separation depends on the type of solvent and the sonication time. Examples of commonly used organic solvents include ethanol, isopropanol, acetone, carbon tetrachloride, dichloroethane, dimethylformamide (DMF), and the like.
3.トランジスター−ナノエレクトロダイナトロン 3.Transistor-Nanoelectrodynatron
ナノエレクトロダイナトロンについては、現在単電子トランジスター(Single Electron Transistor、SET)とカーボンナノチューブダイナトロンとの二種がある。後者はフィールドエフェクトトランジスター(FET)ともいい、ソースとドレインの間のカーボンナノチューブを含み、カーボンナノチューブによる電子(あるいは正孔)輸送はゲート電圧に制御されている。 There are currently two types of nanoelectrodynatrons: single electron transistors (SET) and carbon nanotube dynatrons. The latter is also called a field effect transistor (FET), which includes a carbon nanotube between the source and drain, and electron (or hole) transport by the carbon nanotube is controlled by the gate voltage.
FETを製造する典型的な方法の一つは下記通りである。上述のように、前記カーボンナノチューブの最初の産物は通常互いに絡みついたチューブ束である。これを有機溶剤(例えばエタノール)に充分に超音分散してから、表層がSiO2であるチップに該液体を滴下する。前記チップには、従来的なフォトエッチング、金属蒸発法あるいはスクリーン印刷法により大量の金属電極が製造されている。そして、二つの電極を連接する単独本のカーボンナノチューブまたはチューブ束が存在するかを原子間力顕微鏡(AFM)で確認する。この二つの電極は製造されるFETのソースとドレインとする。二つの電極間の距離は通常に100nmであるが、例えば0.1〜1μmの範囲で変化する。SiO2層の下のもう一つの電極、またはトーピングしたシリコン基底はFETのゲート電極とし、ゲート電圧を印加することでカーボンナノチューブを通過する電流を制御して、製造されたFETは底部ゲートFETである。もちろん、上部ゲートFETも製造できる。まず、基底にカーボンナノチューブまたはチューブ束を製造してソースとドレインを連接し、そして順にゲート絶縁層を沈積し、カーボンナノチューブまたはチューブ束の上方のゲート絶縁層にスクリーン印刷法などにより製造されたゲート電極を通過させる。また、まず単独本のカーボンナノチューブまたはチューブ束を決まった方向に沿って基底にスパッタし、そして電子束により該カーボンナノチューブまたはチューブ束の両端に電極を沈積してもよいが、この工程では、電極間のカーボンナノチューブが断ち切られる可能性がある。 One typical method for manufacturing FETs is as follows. As mentioned above, the initial product of the carbon nanotubes is usually a bundle of tubes entangled with each other. This is sufficiently ultrasonically dispersed in an organic solvent (for example, ethanol), and then the liquid is dropped onto a chip whose surface layer is SiO 2 . A large number of metal electrodes are manufactured on the chip by conventional photoetching, metal evaporation, or screen printing. Then, an atomic force microscope (AFM) is used to confirm whether there is a single carbon nanotube or tube bundle connecting the two electrodes. These two electrodes serve as the source and drain of the manufactured FET. The distance between the two electrodes is usually 100 nm, but varies, for example, in the range of 0.1-1 μm. The other electrode under the SiO 2 layer, or the topped silicon base, is the gate electrode of the FET, and the gate FET is applied to control the current passing through the carbon nanotubes. is there. Of course, an upper gate FET can also be manufactured. First, a carbon nanotube or tube bundle is manufactured at the base, the source and drain are connected, and a gate insulating layer is deposited in order, and a gate manufactured by screen printing or the like on the gate insulating layer above the carbon nanotube or tube bundle. Pass the electrode. Alternatively, a single carbon nanotube or tube bundle may be first sputtered to the base along a predetermined direction, and electrodes may be deposited on both ends of the carbon nanotube or tube bundle by an electron bundle. The carbon nanotubes in between may be cut off.
室温において輸送結果とゲート電圧との関係(I-V特性)を検定する。該検定では、金属性カーボンナノチューブは、ゲート電圧に弱く影響された線形導電性を表示、あるいは表示しない。これに対して、半導体性カーボンナノチューブは、ゲート電圧に強い依頼を示している。 Test the relationship between the transport result and gate voltage (I-V characteristics) at room temperature. In the assay, metallic carbon nanotubes display or do not display linear conductivity that is weakly affected by the gate voltage. In contrast, semiconducting carbon nanotubes show a strong demand for gate voltage.
実施例Example
以下の実施例により、本発明についてさらに詳しく説明できる。別の状況が説明される場合を除き、本発明で使用されるあらゆる原料と試薬は、市販のもの、または本分野の慣用の技術により得られるものである。 The following examples explain the invention in more detail. Except where otherwise described, all raw materials and reagents used in the present invention are either commercially available or obtainable by conventional techniques in the field.
主要な原料は下記通りである: The main ingredients are as follows:
Y-Ni合金触媒(北京有色金属研究院製); Y-Ni alloy catalyst (manufactured by Beijing Color Metal Research Institute);
黒鉛棒(上海炭素廠製); Graphite rod (manufactured by Shanghai Carbon Co., Ltd.);
FeS(北京益利精細化学品有限公司製); FeS (manufactured by Beijing Yongli Fine Chemicals Co., Ltd.);
NaOHとo-ジクロルベンゼン(o-DCB)(北京化工廠製); NaOH and o-dichlorobenzene (o-DCB) (manufactured by Beijing Chemical Industry Co., Ltd.);
EDTA(エチレンジアミンテトラ酢酸)、CYDTA(トランス-1,2−ジアミノシクロヘキサン-N,N,N',N'−四酢酸水和物)、DTPA(ジエチレントリアミンペンタ酢酸)、およびTTHA(トリエチレンテトラアミンヘキサ酢酸): Alfa Aesar製; EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid), CYDTA (trans-1,2-diaminocyclohexane-N, N, N ', N'-tetraacetic acid hydrate), DTPA (diethylenetriaminepentaacetic acid), and TTHA (triethylenetetraaminehexa) Acetic acid): made by Alfa Aesar;
Triton X-100、Acros製; Triton X-100, made by Acros;
トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン、Acros製、99%; Tris (hydroxymethyl) aminomethane, Acros, 99%;
塩酸、北京化工廠製、HCl含有量36〜38%。 Hydrochloric acid, manufactured by Beijing Chemical Industry, HCl content 36-38%.
特徴表現方法Feature expression method
精製されたカーボンナノチューブについて、以下の表現方法で特徴を分析できる: The purified carbon nanotubes can be characterized using the following representation:
ラマンスペクトル:Renishaw 100 micro-Raman systemが使用される;
Raman spectrum:
X線光電子スペクトル:VG ScientificのESCALAb220i-XL Electron Spectrometerが使用され、300W AlKα線が使用される; X-ray photoelectron spectrum: VG Scientific's ESCALAb220i-XL Electron Spectrometer is used, 300W AlKα rays are used;
走査電子顕微鏡:JEOL JSM−6700F; Scanning electron microscope: JEOL JSM-6700F;
透過型電子顕微鏡:JEOL−2010,200kV; Transmission electron microscope: JEOL-2010, 200kV;
4−プローブLoresta−EP MCP−T360によりカーボンナノチューブフィルムのシート抵抗が測られ、UV−vis−NIR分光光度計(JASCO V−570)によりカーボンナノチューブフィルムの透明性が検定される。 The sheet resistance of the carbon nanotube film is measured with a 4-probe Loresta-EP MCP-T360, and the transparency of the carbon nanotube film is tested with a UV-vis-NIR spectrophotometer (JASCO V-570).
ラマンスペクトルはカーボンナノチューブを測定するにはもっとも有力な手段の一つである。試料の秩序度を反映して試料の純度も反映できるし、カーボンナノチューブの直径分布も表現できる。ラマンスペクトルテストを行う場合、カーボンナノチューブの束状集まりによる測定結果への影響を排除するため、ラマン測定に使われる試料について、エタノールで5分間超音波処理してから、得られた懸濁液をスライドガラスに滴下して空気中に乾燥する、というような処理ができる。 The Raman spectrum is one of the most powerful tools for measuring carbon nanotubes. The purity of the sample can be reflected by reflecting the degree of order of the sample, and the diameter distribution of the carbon nanotube can also be expressed. When performing a Raman spectrum test, in order to eliminate the influence of the bundle of carbon nanotubes on the measurement results, the sample used for Raman measurement was sonicated with ethanol for 5 minutes, and the resulting suspension was A treatment such as dropping on a slide glass and drying in air can be performed.
ラマンスペクトルには、ラジアルブリージングモード(Radial−Breathing Mode,RBM)(約100〜300cm-1)、Dバンド(〜1350cm-1)、およびGバンド(〜1570cm-1)の三つの領域またはピークに注意すべきである(M.S. Dresselhaus,et al.,Raman Spectroscopy of Carbon Nanotubes in 1997 and 2007,J.Phys.Chem.C,111(48),2007,17887−17893)。RBMピークはカーボンナノチューブの特徴散乱モードの一つであり、カーボンナノチューブ特有のものであり、しかもカーボンナノチューブの直径と関係がある。(Araujo,P.T.,et al.,Third and fourth optical transitions in semiconducting carbon nanotubes. Phys.Rev.Lett.,98,2007,067401参照)ωRBM=A/dt+B(式中、A=217.8±0.3 cm-1 nm、B=15.7±0.3 cm-1, ωRBMは単位がcm-1であるRBMピークの波数を表し、dt は単位がnmであるカーボンナノチューブの直径を表す)という関係から、カーボンナノチューブの直径分布が知られる。DバンドとGバンドはそれぞれ無定形炭素と黒鉛化した炭素に対応する。GバンドとDバンドの強度比(G/D)によってカーボンナノチューブの純度が推定できる。G/Dが大きいほど、黒鉛炭素が多いため、不純物あるいは欠陥が少ないから、純度が高い。 The Raman spectrum has three regions or peaks: Radial Breathing Mode (RBM) (approximately 100 to 300 cm -1 ), D band (~ 1350 cm -1 ), and G band (~ 1570 cm -1 ). It should be noted (MS Dresselhaus, et al., Raman Spectroscopy of Carbon Nanotubes in 1997 and 2007, J. Phys. Chem. C, 111 (48), 2007, 17887-17893). The RBM peak is one of the characteristic scattering modes of carbon nanotubes, is unique to carbon nanotubes, and is related to the diameter of carbon nanotubes. (See Araujo, PT, et al., Third and fourth optical transitions in semiconducting carbon nanotubes. Phys. Rev. Lett., 98, 2007, 067401) ω RBM = A / d t + B (where A = 217.8 ± 0.3 cm −1 nm, B = 15.7 ± 0.3 cm −1 , ω RBM represents the wave number of the RBM peak with the unit cm −1 , and d t represents the diameter of the carbon nanotube with the unit nm. The diameter distribution of carbon nanotubes is known. The D and G bands correspond to amorphous carbon and graphitized carbon, respectively. The purity of the carbon nanotube can be estimated from the intensity ratio (G / D) of the G band and the D band. The greater the G / D, the higher the purity because there are more graphite carbons and fewer impurities or defects.
製造例1 Production Example 1
図2に示すアーク炉100、長さ100mm、直径6mmの黒鉛棒であるアノード130、直径8mmの黒鉛棒であるカソード120を用いた。アノード黒鉛棒の一端に内径が4mm、深さ80mmである小さな孔をあけた。炭素と触媒とのモル比が15:1、触媒と助触媒の重量比が10:1であるように、高純度黒鉛粉末、金属触媒としてのYNi4.2合金粉末、および助触媒としてのFeS粉末を前記孔に充填して詰めた。カソードを水冷の銅基底に固定した。そして、アーク炉100を3.0Paまで吸引した後、真空弁を閉め、ヘリウムガスを約0.07MPaまで導入した。電源が通じると、電流を約80〜120Aに、電圧を20〜25Vに制御し、両電極間が大体3mmの距離を保つように、カソードを手動に調節して、安定したアーク放電を発生させた。
An
室壁上に付着した布状すす生成物(cloth−like soot)、室壁とカソードの間に掛かる網状すす生成物(web−like soot)、およびカソードの一端に付着した「襟」状すす生成物(collar−like soot)が収集された。これらの中で、網状すす生成物でのカーボンナノチューブの純度がもっとも高く、布状すす生成物での純度がもっとも低く、「襟」状すす生成物での純度は両者の間にある。 Cloth-like soot deposited on the chamber wall, web-like soot between the chamber wall and the cathode, and “collar” soot produced on one end of the cathode A collar-like soot was collected. Among these, the purity of the carbon nanotubes in the reticulated soot product is the highest, the purity in the cloth soot product is the lowest, and the purity in the “collar” soot product is between them.
網状すす生成物を精製されていない試料として、以下の実施例をする。 The following examples are given using the reticulated soot product as an unpurified sample.
精製例1 Purification example 1
まず、精製されていない試料10mgを、200℃で20ml/分の空気流速で10時間焼成してから、焼成された試料を脱イオン水に分散させ、超音波で30分処理した。そして、0.5MのEDTA水溶液を調製して、前記カーボンナノチューブの分散液に入れる。混合物を110℃で18時間還流し、1MのNaOH水溶液でpH値を約8に調節した。次に、0.5μmの多孔ポリテトラフルオルエチレンろ過膜で分散液をろ過して、熱水で何回も洗い流した。そして、試料をo-DCBに分散させ、15000rpmで3時間遠心分離した。上澄液を傾流分離し、混合されたセルロースエステル(MCE)薄膜フィルターにより上澄液をろ過して収集した。 First, 10 mg of an unpurified sample was baked at 200 ° C. with an air flow rate of 20 ml / min for 10 hours, and then the baked sample was dispersed in deionized water and treated with ultrasound for 30 minutes. Then, a 0.5M EDTA aqueous solution is prepared and put into the carbon nanotube dispersion. The mixture was refluxed at 110 ° C. for 18 hours and the pH value was adjusted to about 8 with 1M aqueous NaOH. Next, the dispersion was filtered with a 0.5 μm porous polytetrafluoroethylene filter membrane and washed with hot water many times. Then, the sample was dispersed in o-DCB and centrifuged at 15000 rpm for 3 hours. The supernatant was decanted and collected by filtration through a mixed cellulose ester (MCE) membrane filter.
精製例2 Purification example 2
0.5MのEDTA水溶液の代わりに、0.5MのCYDTA水溶液を用いて配位結合した以外は、精製例1と同様にして配位結合した。 Coordination was performed in the same manner as in Purification Example 1 except that 0.5 M EDTA aqueous solution was used instead of 0.5 M CYDTA aqueous solution.
精製例3 Purification example 3
0.5MのEDTA水溶液の代わりに、0.5MのDTPA水溶液を用いて配位結合した以外は、精製例1と同様にして配位結合した。 Coordination was carried out in the same manner as in Purification Example 1 except that 0.5M DTPA aqueous solution was used instead of 0.5M EDTA aqueous solution for coordination.
精製例4 Purification example 4
0.5MのEDTA水溶液の代わりに、0.5MのTTHA水溶液を用いて配位結合した以外は、精製例1と同様にして配位結合した。 Coordination was carried out in the same manner as in Purification Example 1 except that 0.5 M TTTA aqueous solution was used instead of 0.5 M EDTA aqueous solution, and coordination was carried out.
まず、それぞれEDTAとCYDTAで精製された試料について比較した。精製されたカーボンナノチューブのラマンスペクトルは図4に示した。図4はまた、市販のP3カーボンナノチューブ(P3、酸還流方法により製造され、Carbon Solutions.INC.から入手、純度が85%を超える)を示している。 First, the samples purified by EDTA and CYDTA were compared. The Raman spectrum of the purified carbon nanotube is shown in FIG. FIG. 4 also shows commercially available P3 carbon nanotubes (P3, manufactured by the acid reflux method, obtained from Carbon Solutions. INC., Purity greater than 85%).
図4より、カーボンナノチューブの、ラジアルブリージングモード(Radial−Breathing Mode)(RBM)(100〜250cm-1)、Dバンド(1330cm-1)、Gバンド(1520〜1600cm-1)との三つの特徴のスペクトル領域が保持されていることは明らかである。それに、EDTAとCYDTAのG/DはP3のG/Dより大きいことも明らかであり、これは、EDTAとCYDTAで精製されたカーボンナノチューブの純度はP3より高いということを表す。 Fig. 4 shows three characteristics of carbon nanotubes: radial-breathing mode (RBM) (100-250 cm -1 ), D-band (1330 cm -1 ), and G-band (1520-1600 cm -1 ). It is clear that the spectral region is preserved. In addition, it is clear that the G / D of EDTA and CYDTA is larger than that of P3, which indicates that the purity of carbon nanotubes purified by EDTA and CYDTA is higher than that of P3.
また、CYDTAで精製されたカーボンナノチューブの純度は、EDTAで精製されたカーボンナノチューブの純度より高いこともわかる。これは多分、CYDTAとYとの錯体は、EDTAとYとの錯体よりさらに安定しているからであると考えます。 It can also be seen that the purity of carbon nanotubes purified by CYDTA is higher than the purity of carbon nanotubes purified by EDTA. This is probably because the complex of CYDTA and Y is more stable than the complex of EDTA and Y.
EDTAで精製されたカーボンナノチューブについてXPS分析をし、その結果を図5に示した。 XPS analysis was performed on the carbon nanotubes purified by EDTA, and the results are shown in FIG.
図5から、NAの1sピークが存在することは確認できる。これは、精製されたカーボンナノチューブにはEDTAナトリウム塩がまだ残留していることを表す。すなわち、EDTAが完全に除去されていない。 From FIG. 5, it can be confirmed that the 1s peak of NA exists. This indicates that EDTA sodium salt still remains in the purified carbon nanotube. That is, EDTA is not completely removed.
図示されていないものの、CYDTAで精製されたもののXPSスペクトルにはNAの1sピークも存在する。 Although not shown, there is also a 1s peak of NA in the XPS spectrum of the CYDTA purified product.
これから見ると、CYDTAとEDTAでは触媒不純物は完全に除去されていない。これは、EDTAナトリウム塩とCYDTAナトリウム塩が水に対する溶解性が良くないからであるのかもしれない。 From this point of view, catalyst impurities are not completely removed in CYDTA and EDTA. This may be because EDTA sodium salt and CYDTA sodium salt have poor solubility in water.
TTHAで精製されたカーボンナノチューブについてSEM分析をした結果を図6(図6b)に示した。図6はまた、精製されていないカーボンナノチューブのSEMを示している(図6a)。 The result of SEM analysis of carbon nanotubes purified by TTHA is shown in FIG. 6 (FIG. 6b). FIG. 6 also shows an SEM of the unpurified carbon nanotubes (FIG. 6a).
同様に、TTHAで精製されたカーボンナノチューブについてTEM分析をした結果を図7に示した。図7では、図7aと図7bはただ倍率だけが違う。 Similarly, FIG. 7 shows the result of TEM analysis of carbon nanotubes purified by TTHA. In FIG. 7, FIG. 7a and FIG. 7b differ only in magnification.
図6aと図6bを比較すると、TTHAで精製された後、不純物のほとんどが除去され、ただわずかな無定形炭素がカーボンナノチューブに付着していることがわかる。前記残留した不純物について、さらに超音波および超遠心分離技術により除去することができる。 Comparing FIG. 6a and FIG. 6b, it can be seen that after purification with TTHA, most of the impurities are removed and only a few amorphous carbons are attached to the carbon nanotubes. The residual impurities can be further removed by ultrasonic and ultracentrifugation techniques.
図7aと図7bから、得られたカーボンナノチューブの側壁が非常に滑らかであることがわかる。これは、カーボンナノチューブの側壁が精製工程では損傷を受けなかったことを表す。 From FIG. 7a and FIG. 7b, it can be seen that the side walls of the obtained carbon nanotubes are very smooth. This indicates that the carbon nanotube sidewalls were not damaged during the purification process.
図8は、TTHAで精製前後のカーボンナノチューブのラマンスペクトルを示している。精製前後の二つの曲線のG/D比例を比較すると、TTHAで精製する場合、純度が顕著に高くなったことが明らかである。また、カーボンナノチューブの品質と純度はいずれも優れていることもわかる。 FIG. 8 shows Raman spectra of carbon nanotubes before and after purification with TTHA. Comparing the G / D proportions of the two curves before and after purification, it is clear that the purity was remarkably increased when purifying with TTHA. It can also be seen that the quality and purity of the carbon nanotubes are both excellent.
図9は、TTHAで精製されたカーボンナノチューブと慣用の酸処理(P3)によって得られたカーボンナノチューブのXPSスペクトルを示す図である。図9から、TTHAによりYが完全に除去されたに対して、酸還流処理のほうはYが大量に残っていることがわかる。 FIG. 9 is a view showing XPS spectra of carbon nanotubes obtained by TTHA-purified carbon nanotubes and carbon nanotubes obtained by conventional acid treatment (P3). From FIG. 9, it can be seen that Y is completely removed by TTHA, whereas a larger amount of Y remains in the acid reflux treatment.
製膜例1 Film formation example 1
本実施例では、TTHAで精製されたカーボンナノチューブを用いてカーボンナノチューブフィルムを製造した。フィルムの製造はろ過法に基づく。前記製造方法は下記通りである。 In this example, a carbon nanotube film was produced using carbon nanotubes purified by TTHA. The production of the film is based on a filtration method. The manufacturing method is as follows.
超音波浴において、カーボンナノチューブ10mgを、1wt.%のオクチル−フェノール−エトキシレート(Triton X−100と称する)の水溶液200mlに20分間分散させた。真空ろ過装置(Millipore)において、混合したセルロースエステル(MCE)薄膜フィルター(Millipore、0.2μm孔)で該分散体をろ過し、薄膜フィルター上にカーボンナノチューブフィルムを形成した。二日間を経て、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン塩酸塩(Tris−HCl)バッファー(50mm、pH7.5)で前記カーボンナノチューブフィルムのあらゆるTriton X−100を透析した。次に、純水でTris−HClバッファーを洗い流してから、前記カーボンナノチューブフィルムを石英基板に移した。該試料を90℃で1時間乾燥してから、アセトン蒸気で薄膜フィルターを除去した。最後に、該カーボンナノチューブフィルムを100℃の真空で1時間乾燥した。 In an ultrasonic bath, 10 mg of carbon nanotubes were dispersed in 200 ml of an aqueous solution of 1 wt.% Octyl-phenol-ethoxylate (referred to as Triton X-100) for 20 minutes. In a vacuum filtration apparatus (Millipore), the dispersion was filtered with a mixed cellulose ester (MCE) thin film filter (Millipore, 0.2 μm pore) to form a carbon nanotube film on the thin film filter. After two days, any Triton X-100 of the carbon nanotube film was dialyzed against Tris (hydroxymethyl) aminomethane hydrochloride (Tris-HCl) buffer (50 mm, pH 7.5). Next, the Tris-HCl buffer was washed away with pure water, and then the carbon nanotube film was transferred to a quartz substrate. The sample was dried at 90 ° C. for 1 hour and then the membrane filter was removed with acetone vapor. Finally, the carbon nanotube film was dried at 100 ° C. for 1 hour.
比較例1 Comparative Example 1
TTHAで精製されたカーボンナノチューブの代わりに、慣用の硝酸還流により得られたカーボンナノチューブ(P3)用いた以外は、製膜例1と同様にしてカーボンナノチューブフィルムを製造した。 A carbon nanotube film was produced in the same manner as in Production Example 1 except that carbon nanotubes (P3) obtained by conventional nitric acid reflux were used instead of carbon nanotubes purified by TTHA.
図10はTTHAで精製されたカーボンナノチューブにより製造されたカーボンナノチューブフィルムを示している。前記フィルムはICCASと書いてある石英基板上に覆われている。図10から、カーボンナノチューブフィルム(約70ナノメートル)を透して基板上のICCAS文字がはっきり見えることがわかる。これはつまり、前記フィルムの透明性が非常に高いことである。 FIG. 10 shows a carbon nanotube film made of carbon nanotubes purified with TTHA. The film is covered on a quartz substrate labeled ICCAS. From FIG. 10, it can be seen that the ICCAS characters on the substrate can be clearly seen through the carbon nanotube film (about 70 nanometers). This means that the transparency of the film is very high.
図11では、製膜例1で製造されたカーボンナノチューブフィルムのシート抵抗と比較例1で製造されたカーボンナノチューブフィルムのシート抵抗が比較されている。比較例1で製造されたカーボンナノチューブフィルムより、製膜例1で製造されたカーボンナノチューブフィルムのシート抵抗は顕著に低下していることがわかる。 In FIG. 11, the sheet resistance of the carbon nanotube film manufactured in Film Formation Example 1 is compared with the sheet resistance of the carbon nanotube film manufactured in Comparative Example 1. From the carbon nanotube film produced in Comparative Example 1, it can be seen that the sheet resistance of the carbon nanotube film produced in Film Production Example 1 is significantly reduced.
明らかに、カーボンナノチューブのチューブ壁への破壊を避けたため、本発明の方法により製造されるカーボンナノチューブまたは本発明の方法により精製されるカーボンナノチューブは優れた性質を有しているので、光学電子応用に広範に活用できる。 Obviously, the carbon nanotubes produced by the method of the present invention or the carbon nanotubes purified by the method of the present invention have excellent properties because they avoid the destruction of the carbon nanotubes to the tube wall. Can be used extensively.
本発明の方法における(a)、(b)のような連続した番号は、ただお互いに区別するために使われるものに過ぎず、これらの工程の間にその他の工程があるということを否定しない。例えば、工程(a)と(b)および/または(b)と(c)の間にはその他の工程もある。前記その他の工程は、本発明の効果にマイナスな影響がない限り、乾燥や洗浄などの本分野での通常の工程であってもよい。 Sequential numbers such as (a) and (b) in the method of the present invention are merely used to distinguish each other and do not deny that there are other steps between these steps. . For example, there are other steps between steps (a) and (b) and / or (b) and (c). The other steps may be normal steps in this field such as drying and washing as long as the effects of the present invention are not negatively affected.
本発明に使われる「必要に応じた」との表現は、その後にある事または項目(例えば処理の工程)は存在してもよいし、存在しなくてもよい、ということを表す。また、本発明は、該事または項目が存在する、および存在しない、との二つの状況を含む。 The expression “as needed” as used in the present invention indicates that there is a subsequent item or item (for example, a processing step), and may or may not exist. The present invention also includes two situations in which the matter or item is present and absent.
ここで引用したすべての文献を本発明に取り込む。 All documents cited herein are incorporated into the present invention.
具体的な実施の形態を参考にして本発明を説明してきたが、その変化が多種あることは明らかである。その変化は本発明の精神と範囲を逸脱していないうえ、当業者にとって明らかであるあらゆる変化も本発明の範囲にある。 Although the present invention has been described with reference to specific embodiments, it is clear that there are many variations. Such variations do not depart from the spirit and scope of the present invention, and any variations that are apparent to those skilled in the art are within the scope of the present invention.
100…アーク炉、110…カソード端子、120…カソード、130…アノード、140…アノード端子、150…線状運動装置、160…真空室
DESCRIPTION OF
Claims (46)
(b)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と、触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質とを配位結合させて錯体を得る工程と、
(c)前記錯体を除去する工程
を含むことを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。 (A) a step of producing carbon nanotubes by an arc discharge method in the presence of a catalyst and a cocatalyst as necessary;
(B) A complex formed by coordination of a metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as necessary and a substance capable of forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or the co-catalyst as necessary. Obtaining
(C) A method for producing a carbon nanotube, comprising a step of removing the complex.
(d)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素をイオンに転換する工程、および
(e)前記触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質を、前記イオンと配位結合させて、錯体を得る工程、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 The step (b)
(D) a step of converting a metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as needed into ions, and (e) forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or co-catalyst as needed. A step of coordinating a substance to be obtained with the ion to obtain a complex;
The method of claim 1, comprising:
(f)触媒及び/又は必要に応じた助触媒を酸化して触媒及び/又は必要に応じた助触媒の酸化物を得る工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。 The step (d)
7. The process according to claim 6, comprising the step of (f) oxidizing the catalyst and / or an optional promoter to obtain a catalyst and / or an optional oxide of the promoter.
(g)前記酸化物と酸とを反応させ、触媒及び/又は必要に応じた助触媒の金属元素イオンを得る工程を含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。 The step (d) further includes
The method according to claim 7, further comprising the step of (g) reacting the oxide with an acid to obtain a metal element ion of a catalyst and / or a promoter as required.
(I)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と、触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質とを配位結合させて錯体を得る工程と、
(II)前記錯体を除去する工程と
を含むことを特徴とするカーボンナノチューブの精製方法。 A method for purifying carbon nanotubes produced by an arc discharge method in the presence of a catalyst and a cocatalyst as required,
(I) A complex in which a metal element present in a catalyst and / or a co-catalyst as required and a substance capable of forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as needed are coordinated. Obtaining
(II) A method for purifying carbon nanotubes, comprising the step of removing the complex.
(III)触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素をイオンに転換する工程、および
(IV)前記触媒及び/又は必要に応じた助触媒に存在する金属元素と錯体を形成し得る物質を、前記イオンと配位結合させて、錯体を得る工程
を含むことを特徴とする請求項24に記載の方法。 The step (I)
(III) a step of converting a metal element present in the catalyst and / or a co-catalyst as needed into ions, and (IV) forming a complex with the metal element present in the catalyst and / or co-catalyst as necessary. The method according to claim 24, comprising the step of coordinating a substance to be obtained with the ions to obtain a complex.
(V)触媒及び/又は必要に応じた助触媒を酸化して触媒及び/又は必要に応じた助触媒の酸化物を得る工程を含むことを特徴とする請求項25に記載の方法。 The step (III)
26. The method according to claim 25, comprising the step of (V) oxidizing the catalyst and / or an optional promoter to obtain an oxide of the catalyst and / or optional promoter.
(VI)前記酸化物と酸とを反応させ、触媒及び/又は必要に応じた助触媒の金属元素イオンを得る工程を含むことを特徴とする請求項26に記載の方法。 The step (V) further includes
27. The method according to claim 26, comprising the step of (VI) reacting the oxide with an acid to obtain a metal element ion of a catalyst and / or a promoter as required.
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