JP2011051880A - Method and device for producing carbon nanostructure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for carbon nanostructure production based on a new principle with which it is possible to produce carbon nanostructures in an ordinary-temperature inert-gas atmosphere in atmospheric pressure. <P>SOLUTION: The method for producing carbon nanostructure comprises setting a target material in a chamber, irradiating the target material in an ordinary-temperature inert-gas atmosphere in atmospheric pressure with continuous electron beams emitted from an electron accelerator, thereby melting and gasifying the target material, subsequently cooling the gasified target raw material to form a high-temperature gas in which graphite and a catalyst metal coexist, maintaining the high-temperature coexistence gas for a certain period, and then cooling the coexistence gas to thereby yield carbon nanostructures. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、新しい原理に基づくカーボンナノ構造体の製造方法および製造装置に関するものである。   The present invention relates to a carbon nanostructure manufacturing method and a manufacturing apparatus based on a new principle.

カーボンナノチューブは、ナノスケールを有し、すぐれた機械的特性、電気的特性や光学的特性などのため、近年、非常に研究開発が進められている物質である。カーボンナノチューブは、一般に、CVD法、アーク放電法、レーザーアブレーション法などで作られている。   A carbon nanotube has a nanoscale and is a material that has been very researched and developed in recent years because of its excellent mechanical properties, electrical properties, optical properties, and the like. Carbon nanotubes are generally made by a CVD method, an arc discharge method, a laser ablation method, or the like.

このような製造方法の中で、たとえば特許文献1には、700〜1200℃にあらかじめ加熱された不活性ガスあるいは水素ガスのジェット雰囲気中で、金属触媒を含んだグラファイトターゲットに加速電圧10kV下のパルス状電子ビームを照射し、カーボンナノチューブを製造する技術が開示されている。チャンバー内の圧力は1〜10mbar(10〜100Pa)に減圧されている。   Among such production methods, for example, Patent Document 1 discloses that a graphite target containing a metal catalyst is under an accelerating voltage of 10 kV in a jet atmosphere of an inert gas or hydrogen gas preheated to 700 to 1200 ° C. A technique for producing a carbon nanotube by irradiating a pulsed electron beam is disclosed. The pressure in the chamber is reduced to 1 to 10 mbar (10 to 100 Pa).

しかしながら、このような従来のカーボンナノチューブの製造方法では、HeやAr、H等の不活性ガスを高温に加熱した雰囲気の下で製造したり、減圧状態として製造したりする必要があった。 However, in such a conventional method for producing carbon nanotubes, it is necessary to produce in an atmosphere in which an inert gas such as He, Ar, or H 2 is heated to a high temperature, or in a reduced pressure state.

一方で、カーボンナノチューブは製造方法によっては、それぞれ異なった特有の性質を発現したりするため、新たな物性を発現するカーボンナノチューブの創製法が期待されている。   On the other hand, depending on the production method, carbon nanotubes express different and unique properties, and therefore, a method for creating carbon nanotubes that express new physical properties is expected.

また、カーボンナノチューブと同じカーボンナノ構造体にカーボンナノホーンがあり、アーク放電法等で製造されている。その場合、多数のカーボンナノホーンが頂点を外側に向って集まった毬栗状の集合体として得られることが知られている。このカーボンナノホーンは、先端がホーン状となっており、外壁に金属のナノ粒子が付着されやすく、また、内部にガスや薬剤を取り込みやすく、このような特異な構造なため、実用化が進められている。   Carbon nanohorns are the same carbon nanostructure as carbon nanotubes, and are manufactured by an arc discharge method or the like. In this case, it is known that a large number of carbon nanohorns can be obtained as a chestnut-shaped aggregate in which the apexes are gathered outward. This carbon nanohorn has a horn shape at the tip, and metal nanoparticles are easily attached to the outer wall, and gas and chemicals are easily taken into the interior. ing.

WO2005/069700WO2005 / 069700

本発明は、このような従来技術の実情に鑑み、不活性ガスを加熱した雰囲気下ではなく常温でしかも大気圧下でカーボンナノチューブ、あるいはカーボンナノチューブとカーボンナノホーンからなるカーボンナノ構造体を製造することができる、新しい原理に基づくカーボンナノ構造体の製造方法および製造装置を提供することを課題とする。   SUMMARY OF THE INVENTION In view of the actual situation of the prior art, the present invention produces carbon nanotubes or carbon nanostructures composed of carbon nanotubes and carbon nanohorns at room temperature and atmospheric pressure, not in an atmosphere heated with an inert gas. An object of the present invention is to provide a carbon nanostructure manufacturing method and manufacturing apparatus based on a new principle.

上記課題を解決するため、本発明は、第1には、グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料をチャンバー内にセットするステップと、大気圧下で、かつ、常温の不活性ガスからなる雰囲気中で、電子加速器から放出される連続電子ビームをターゲット原料に照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるステップと、ガス化されたターゲット原料を所定温度まで冷却させることによりグラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成するステップと、該共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させることによりカーボンナノ構造体を生成させるステップを有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造方法を提供する。   In order to solve the above problems, the present invention firstly comprises a step of setting a target raw material containing graphite as a base material and containing a catalytic metal in a chamber, and an inert gas at atmospheric pressure and at room temperature. In the atmosphere, the target raw material is irradiated with a continuous electron beam emitted from the electron accelerator to melt and gasify the target raw material, and the gasified target raw material is cooled to a predetermined temperature to thereby convert the graphite and catalyst. A carbon nanostructure comprising: a step of forming a coexisting high-temperature gas state with a metal; and a step of generating the carbon nanostructure by further cooling after maintaining the coexisting high-temperature gas state for a certain period of time A manufacturing method is provided.

第2には、グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料をチャンバー内にセットするステップと、大気圧下で、かつ、常温の不活性ガスからなる雰囲気中で、電子加速器から放出される連続電子ビームをターゲット原料に照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるステップと、ガス化されたターゲット原料を、内部をチャンバー内の温度より低い所定温度に加熱させた第1の冷却室に移送させ、還流させながら所定温度まで冷却させることによりグラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成するステップと、第1の冷却室で共存高温ガス状態一定時間維持させた後、さらに冷却させることによりカーボンナノ構造体を生成させるステップと、生成したカーボンナノ構造体を第2の冷却室に移送させ、さらに常温に冷却させるステップと、第2の冷却室で常温に冷却させたカーボンナノ構造体を回収するステップを有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造方法を提供する。   Secondly, a step of setting a target raw material containing graphite as a base material in a chamber, and a continuous discharge from an electron accelerator in an atmosphere composed of an inert gas at normal pressure and at room temperature. By irradiating the target raw material with an electron beam, the target raw material is melted and gasified, and the gasified target raw material is heated in a first cooling chamber heated to a predetermined temperature lower than the temperature in the chamber. The step of forming a coexisting hot gas state of graphite and catalytic metal by transferring and cooling to a predetermined temperature while being refluxed, and maintaining the coexisting hot gas state for a certain period of time in the first cooling chamber, and further cooling A step of generating a carbon nanostructure by the method, and transferring the generated carbon nanostructure to the second cooling chamber. Provides a step of cooling to room temperature, the method of producing a carbon nanostructure which is characterized by the step of recovering the second carbon nanostructure was allowed to cool to room temperature in the cooling chamber.

第3には、グラファイトを母材とし触媒金属を含む触媒金属含有タブレットとグラファイトからなるグラファイトタブレットとを積層してなるターゲット原料を内部に収容した容器状ターゲットホルダーをチャンバー内にセットするステップと、大気圧下で、かつ、常温の不活性ガスからなる雰囲気中で、電子加速器から放出される連続電子ビームをターゲット原料に照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるステップと、ガス化されたターゲット原料をガス搬送パイプを介して共存ガス還流室へ送り、共存ガス状態を形成するとともに共存ガス還流室内を還流させながら共存ガス状態を一定時間維持させてカーボンナノ構造体を生成させるステップと、生成したカーボンナノ構造体を回収するステップを有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造方法を提供する。   Third, setting a container-like target holder containing a target material formed by stacking a catalyst metal-containing tablet containing graphite as a base material and a graphite tablet made of graphite in the chamber; and The target raw material is melted and gasified by irradiating the target raw material with a continuous electron beam emitted from an electron accelerator in an atmosphere of an inert gas at normal temperature and at normal temperature. The target material is sent to the coexistence gas recirculation chamber through the gas transfer pipe to form a coexistence gas state and maintain the coexistence gas state for a certain period of time while refluxing the coexistence gas recirculation chamber; And a step of recovering the generated carbon nanostructure To provide a manufacturing method of a carbon nanostructure.

第4には、上記第1ないし第3のいずれかの発明において、触媒金属として、Ni、Fe、Co、Crまたはこれらのいずれかの組み合わせからなる合金を用いることを特徴とするカーボンナノ構造体の製造方法を提供する。   Fourth, in any one of the first to third inventions, a carbon nanostructure characterized by using an alloy made of Ni, Fe, Co, Cr, or any combination thereof as a catalyst metal. A manufacturing method is provided.

第5には、上記第1ないし第4のいずれかの発明において、不活性ガスとして、Ar、He、Nまたはこれらの混合ガスを用いることを特徴とするカーボンナノ構造体の製造方法を提供する。 Fifth, in any one of the first to fourth inventions, there is provided a carbon nanostructure manufacturing method characterized by using Ar, He, N 2 or a mixed gas thereof as an inert gas. To do.

第6には、上記第1ないし第5のいずれかの発明において、カーボンナノ構造体が、カーボンナノチューブ、またはカーボンナノチューブとカーボンナノホーンであるカーボンナノ構造体の製造方法が提供される。   Sixth, in any one of the first to fifth inventions, a method for producing a carbon nanostructure in which the carbon nanostructure is a carbon nanotube or a carbon nanotube and a carbon nanohorn is provided.

第7には、グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料がセットされるチャンバーと、チャンバー内に常温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、大気圧下で、ターゲット原料に電子ビームを照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるために電子ビームを放出する電子加速器と、ガス化されたターゲット材料を所定温度まで冷却させ、グラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成し、その共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させてカーボンナノ構造体を生成させる手段を有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造装置を提供する。   Seventh, a chamber in which a target raw material containing graphite as a base material containing graphite is set, an inert gas supply means for supplying an inert gas at room temperature into the chamber, and an electron in the target raw material under atmospheric pressure By irradiating the beam, an electron accelerator that emits an electron beam in order to melt and gasify the target material, and the gasified target material is cooled to a predetermined temperature, so that a coexisting high-temperature gas state of graphite and catalyst metal can be obtained. An apparatus for producing a carbon nanostructure is provided, characterized by having means for forming and maintaining the coexisting high-temperature gas state for a certain period of time, and further cooling to generate a carbon nanostructure.

第8には、グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料がセットされるチャンバーと、チャンバー内に常温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、大気圧下で、ターゲット原料に電子ビームを照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるために電子ビームを放出する電子加速器と、内部をチャンバー内の温度より低い所定温度に加熱する加熱手段を備え、ガス化されたターゲット材料を還流させながら冷却させることにより、グラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成し、その共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させてカーボンナノ構造体を生成させるための第1の冷却室と、第1の冷却室で生成したカーボンナノ構造体をさらに常温に冷却させるための第2の冷却室と、第2の冷却室で常温に冷却させたカーボンナノ構造体を回収するカーボンナノ構造体回収手段を有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造装置を提供する。   Eighth, a chamber in which a target raw material containing graphite as a base material containing graphite is set, an inert gas supply means for supplying an inert gas at room temperature into the chamber, and an electron in the target raw material under atmospheric pressure. A gasified target material comprising an electron accelerator that emits an electron beam to melt and gasify the target material by irradiating the beam, and a heating means for heating the interior to a predetermined temperature lower than the temperature in the chamber By cooling while refluxing, a coexisting high temperature gas state of graphite and the catalytic metal is formed, and after maintaining the coexisting high temperature gas state for a certain period of time, it is further cooled to generate a carbon nanostructure. A first cooling chamber, a second cooling chamber for further cooling the carbon nanostructure formed in the first cooling chamber to room temperature, Providing an apparatus for manufacturing a carbon nanostructure which is characterized by having a carbon nanostructure recovery means for recovering the cooling chamber carbon nanostructure was allowed to cool to room temperature in the.

第9には、グラファイトを母材とし触媒金属を含む触媒金属含有グラファイトタブレットとグラファイトからなるグラファイトタブレットとを積層してなるターゲット原料を内部に収容した容器状ターゲットホルダーがセットされるチャンバーと、チャンバー内に常温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、大気圧下で、ターゲット原料に電子ビームを照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるために電子ビームを放出する電子加速器と、ガス化されたターゲット原料をガス搬送パイプを介して高温ガス反応室へ送り、共存高温ガス状態を形成するとともに共存高温ガスを高温ガス反応室内で還流させながら共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させてカーボンナノ構造体を生成させる手段と、生成したカーボンナノ構造体を回収する手段を有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造装置を提供する。   Ninth, a chamber in which a container-like target holder containing a target material formed by laminating a graphite tablet made of graphite as a base material and containing a catalyst metal-containing graphite tablet and a graphite tablet made of graphite is set; An inert gas supply means for supplying an inert gas at room temperature, and an electron accelerator that emits an electron beam to melt and gasify the target material by irradiating the target material with an electron beam under atmospheric pressure Then, the gasified target material is sent to the high temperature gas reaction chamber via the gas transfer pipe to form a coexisting high temperature gas state and maintain the coexisting high temperature gas state for a certain period of time while refluxing the coexisting high temperature gas in the high temperature gas reaction chamber. And means for further cooling to produce carbon nanostructures, Providing an apparatus for manufacturing a carbon nanostructure which is characterized in that it comprises means for recovering the carbon nanostructure.

第10には、上記第7ないし第9のいずれかの発明において、カーボンナノ構造体が、カーボンナノチューブ、またはカーボンナノチューブとカーボンナノホーンであるカーボンナノ構造体の製造装置が提供される。   Tenth, in any one of the seventh to ninth inventions, a carbon nanostructure manufacturing apparatus is provided in which the carbon nanostructure is a carbon nanotube, or a carbon nanotube and a carbon nanohorn.

本発明によれば、上記のような手法ないし手段を採用したので、不活性ガスを加熱した雰囲気下ではなく常温でしかも大気圧下でカーボンナノチューブ、あるいはカーボンナノチューブとカーボンナノホーンからなるカーボンナノ構造体を製造することができる、新しい原理に基づくカーボンナノ構造体の製造が可能となる。   According to the present invention, since the method or means as described above is adopted, carbon nanotubes, or carbon nanostructures composed of carbon nanotubes and carbon nanohorns at room temperature and atmospheric pressure, not in an atmosphere in which an inert gas is heated. It is possible to produce carbon nanostructures based on a new principle.

本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の一例を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically an example of the manufacturing apparatus of the carbon nanostructure by this invention. 電子加速器の出力の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output of an electron accelerator. 図1の装置で製造した単層カーボンナノチューブの電子顕微鏡写真(TEM)像を示す図である。It is a figure which shows the electron micrograph (TEM) image of the single wall carbon nanotube manufactured with the apparatus of FIG. 図5の装置で製造した多層カーボンナノチューブの電子顕微鏡写真(TEM)像を示す図である。It is a figure which shows the electron micrograph (TEM) image of the multi-walled carbon nanotube manufactured with the apparatus of FIG. 本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の別の例を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically another example of the manufacturing apparatus of the carbon nanostructure by this invention. 電子加速器の出力の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output of an electron accelerator. 電子加速器の出力の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output of an electron accelerator. 本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置のさらに別の例を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically another example of the manufacturing apparatus of the carbon nanostructure by this invention. 本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置のさらに別の例を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically another example of the manufacturing apparatus of the carbon nanostructure by this invention. 高温ガス反応室における共存高温ガスの動きを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the motion of the coexisting hot gas in a hot gas reaction chamber. 電子加速器の出力の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output of an electron accelerator. フィルターから採取した煤のラマンスペクトルの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the Raman spectrum of the soot collected from the filter. 採取した煤の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す図である。It is a figure which shows the transmission electron microscope (TEM) photograph of the extract | collected soot. 採取した煤の別の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す図である。It is a figure which shows another transmission electron microscope (TEM) photograph of the extract | collected soot. 採取した煤のさらに別の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す図である。It is a figure which shows another transmission electron microscope (TEM) photograph of the extract | collected soot. 採取した煤のさらに別の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す図である。It is a figure which shows another transmission electron microscope (TEM) photograph of the extract | collected soot. 図16の拡大写真を示す図である。It is a figure which shows the enlarged photograph of FIG.

本発明によるカーボンナノ構造体の製造方法は、基本的に、次のステップからなる。
(A)グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料をチャンバー内にセットするステップ、
(B)大気圧下で、かつ、常温の不活性ガスからなる雰囲気中で、電子ビーム加速器から放出される連続電子ビームをターゲット原料に照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるステップ、
(C)ガス化されたターゲット原料を所定温度まで冷却させることによりグラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成させるステップ、
(D)該共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させることによりカーボンナノ構造体を生成させるステップ。
ここで、カーボンナノ構造体は、単層もしくは多層のカーボンナノチューブあるいはそれらの混合物、もしくはこれらとカーボンナノホーンとすることができる。
The method for producing a carbon nanostructure according to the present invention basically includes the following steps.
(A) A step of setting a target raw material containing a catalytic metal using graphite as a base material in a chamber;
(B) A step of melting and gasifying the target raw material by irradiating the target raw material with a continuous electron beam emitted from an electron beam accelerator in an atmosphere consisting of an inert gas at room temperature under atmospheric pressure,
(C) forming a coexisting high-temperature gas state of graphite and catalytic metal by cooling the gasified target raw material to a predetermined temperature;
(D) A step of generating the carbon nanostructure by further cooling after maintaining the coexisting high-temperature gas state for a certain period of time.
Here, the carbon nanostructure may be a single-walled or multi-walled carbon nanotube, a mixture thereof, or a carbon nanohorn.

本発明では、ターゲット原料として、グラファイトを母材とし触媒金属を含んだものが使用される。たとえばグラファイトと触媒金属は粉末状のものを用い、これらを混合したものをペレット状に成形してターゲット原料とすることができるが、これに限定されない。触媒金属としては、Ni、Fe、Co、Crあるいはこれらの混合物を用いることができる。触媒金属の量は、カーボンナノ構造体の成長促進に適した量とすることが望ましく、たとえば1〜5重量%程度である。   In the present invention, as the target material, a material containing graphite as a base material and containing a catalyst metal is used. For example, graphite and catalyst metal can be used in powder form, and a mixture of these can be formed into pellets to form a target material, but is not limited thereto. As the catalyst metal, Ni, Fe, Co, Cr, or a mixture thereof can be used. The amount of the catalytic metal is desirably an amount suitable for promoting the growth of the carbon nanostructure, and is, for example, about 1 to 5% by weight.

不活性ガスとしては、Ar、He、Nあるいはこれらの混合ガス等を常温で使用することができる。不活性ガスは、カーボンナノ構造体を製造する前に予めチャンバー内に供給していてもよく、カーボンナノ構造体製造時には一定流速、たとえば300000sccmまでの流速で供給するようにしてもよい。また、ケースによっては流速を変化させてもよい。 As the inert gas, Ar, He, N 2 or a mixed gas thereof can be used at room temperature. The inert gas may be supplied into the chamber in advance before manufacturing the carbon nanostructure, or may be supplied at a constant flow rate, for example, up to 300,000 sccm when the carbon nanostructure is manufactured. Further, depending on the case, the flow rate may be changed.

チャンバーは、たとえばステンレス鋼(ロシア製型式12H18N10T)等の耐熱性材料からなり、密閉構造にできるものが使用される。   The chamber is made of a heat-resistant material such as stainless steel (Russian model 12H18N10T) and has a sealed structure.

ターゲット原料に照射される電子ビームは連続ビームを使用する。また、本発明では、加速器を用いて電子ビームを発生させる。電子加速器としては、たとえば加速電圧1.4MeV、出力が0〜40kWの間で調節できるものを使用することができ、出力は電流で調整する。この場合、照射時間は1〜60分程度がカーボンナノ構造体の良好な成長のために好ましい。   A continuous beam is used as the electron beam applied to the target material. In the present invention, an electron beam is generated using an accelerator. As the electron accelerator, for example, an acceleration voltage of 1.4 MeV and an output that can be adjusted between 0 to 40 kW can be used, and the output is adjusted by a current. In this case, the irradiation time is preferably about 1 to 60 minutes for good growth of the carbon nanostructure.

ターゲット原料に電子ビームを照射すると、ターゲット原料が溶融、ガス化し、不活性ガスとガス化したターゲット原料の混合プラズマガスが形成されるものと推測される。このこの時の温度は5000〜6000℃程度となる。   When the target material is irradiated with an electron beam, it is presumed that the target material is melted and gasified to form a mixed plasma gas of the inert material and the gasified target material. The temperature at this time is about 5000 to 6000 ° C.

ガス化したターゲット原料は冷却され、グラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態となるが、この時の温度は1000〜1400℃となる。この共存高温ガス状態は30〜60分程度維持され、気相合成によりカーボンナノチューブ、あるいはカーボンナノチューブとカーボンナノホーンが生成する。カーボンナノチューブは、触媒金属の種類により、単層となったり、二層以上の多層となったり、あるいはそれらが混合したものとなったりする。カーボンナノチューブとともにカーボンナノホーンが生成する場合がある。   The gasified target raw material is cooled and becomes a coexisting high-temperature gas state of graphite and catalytic metal, and the temperature at this time is 1000 to 1400 ° C. This coexisting high-temperature gas state is maintained for about 30 to 60 minutes, and carbon nanotubes, or carbon nanotubes and carbon nanohorns are generated by gas phase synthesis. Depending on the type of catalytic metal, the carbon nanotube may be a single layer, a multilayer of two or more layers, or a mixture thereof. A carbon nanohorn may be generated together with the carbon nanotube.

次に、本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の一例について述べる。図1は、本例のカーボンナノ構造体の製造装置を模式的に示す概念図である。図中11はチャンバーであり、たとえばステンレス鋼(ロシア製型式12H18N10T)等の耐熱性材料からなり、密閉構造にできるものである。チャンバー11内ではターゲット原料12が支持台13により支持されるようになっている。チャンバー11は水冷式の壁面14を有している。壁面14は、ステンレス鋼(ロシア製型式12H18N10T)から構成されている。冷却水は配管15から壁面に入り、冷却後の加熱された水は配管16から排出される。チャンバー11の上方には電子加速器17が配置され、電子ビーム18をターゲット原料12に照射できるようになっている。チャンバー11の下方には、不活性ガスとしてヘリウムをチャンバー11内に供給するための配管19が設けられている。また、一旦、空気とヘリウムを置換するための配管20、真空ポンプ21が設けられている。22、23はバルブ、26は流量計、24は熱電対、25は電子加速器17の出口部分に窒素を供給するための配管である。   Next, an example of a carbon nanostructure manufacturing apparatus according to the present invention will be described. FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing the carbon nanostructure manufacturing apparatus of this example. In the figure, reference numeral 11 denotes a chamber, which is made of a heat-resistant material such as stainless steel (Russian model 12H18N10T) and can be made into a sealed structure. In the chamber 11, the target raw material 12 is supported by a support base 13. The chamber 11 has a water-cooled wall surface 14. The wall surface 14 is made of stainless steel (Russian model 12H18N10T). The cooling water enters the wall surface from the pipe 15, and the heated water after cooling is discharged from the pipe 16. An electron accelerator 17 is disposed above the chamber 11 so that the target material 12 can be irradiated with an electron beam 18. A pipe 19 for supplying helium as an inert gas into the chamber 11 is provided below the chamber 11. In addition, a pipe 20 and a vacuum pump 21 for once replacing air and helium are provided. 22 and 23 are valves, 26 is a flow meter, 24 is a thermocouple, and 25 is a pipe for supplying nitrogen to the outlet portion of the electron accelerator 17.

試作したカーボンナノ構造体の製造装置のチャンバー11は円柱形の形状であり、直径170mm、高さ150mm、容量3.4Lである。ターゲット原料として、Co(純度99.8%)2.4重量%、Ni(純度99.8%)2.4重量%、残りグラファイト(型式MPG-6:ロシアNovocherkasskiy electrod plant社製:純度99.96%)の混合粉末を20MPaの成形圧で12mm径、4mm厚の円形タブレットとしたものを4個重ねて用いた。電子加速器17はELV型電子加速器(エネルギー1.4MeV)を用いた。ヘリウムは流量0.5L/秒で供給した。電子加速器17の出力は図2に示すものとした。また、共存高温ガス状態は3分維持した。その結果得られたカーボンナノチューブの電子顕微鏡(TEM)像を図3に示す。単層カーボンナノチューブが形成されていることがわかる。また、ラマン分析によってもカーボンナノチューブが得られていることが確認された。   The chamber 11 of the prototype carbon nanostructure manufacturing apparatus has a cylindrical shape, a diameter of 170 mm, a height of 150 mm, and a capacity of 3.4 L. As target raw materials, Co (purity 99.8%) 2.4% by weight, Ni (purity 99.8%) 2.4% by weight, remaining graphite (model MPG-6: manufactured by Novocherkasskiy electrod plant, Russia: purity 99. 96%) mixed powder was used as a circular tablet having a diameter of 12 mm and a thickness of 4 mm with a molding pressure of 20 MPa. As the electron accelerator 17, an ELV type electron accelerator (energy 1.4 MeV) was used. Helium was supplied at a flow rate of 0.5 L / sec. The output of the electron accelerator 17 was as shown in FIG. The coexisting high temperature gas state was maintained for 3 minutes. The electron microscope (TEM) image of the carbon nanotube obtained as a result is shown in FIG. It can be seen that single-walled carbon nanotubes are formed. Moreover, it was confirmed by the Raman analysis that the carbon nanotube was obtained.

次に、本発明によるカーボンナノ構造体の別の例について述べる。図5は、別例のカーボンナノ構造体の製造装置を模式的に示す概念図である。図中31はチャンバーであり、たとえばステンレス鋼(ロシア製型式12H18N10T)等の耐熱性材料からなり、密閉構造にできるものである。チャンバー31内ではターゲット原料32が支持台33により支持されるようになっている。本例では、ターゲット材料32を取り囲むように円筒形のスクリーン34が設けられ、スクリーン34の内部には複数のリング状部材35が取付けられ、上部にはカバー36が取付けられている。この構成はより効率的にカーボンナノ構造体を製造するためにヘリウムが循環しない空間を作るためと製造したカーボンナノ構造体の回収を容易にするためである。チャンバー31の上方には電子加速器37が配置され、電子ビーム38をターゲット原料32に照射できるようになっている。また、本例では、チャンバー31内にヘリウムを供給するための2つの配管39、40がチャンバー31の側方と上方に設けられている。   Next, another example of the carbon nanostructure according to the present invention will be described. FIG. 5 is a conceptual diagram schematically showing another carbon nanostructure manufacturing apparatus. In the figure, reference numeral 31 denotes a chamber, which is made of a heat-resistant material such as stainless steel (Russian model 12H18N10T) and can be made into a sealed structure. In the chamber 31, the target raw material 32 is supported by a support base 33. In this example, a cylindrical screen 34 is provided so as to surround the target material 32, a plurality of ring-shaped members 35 are attached to the inside of the screen 34, and a cover 36 is attached to the upper part. This configuration is for making a space in which helium does not circulate in order to manufacture the carbon nanostructure more efficiently and for facilitating the recovery of the manufactured carbon nanostructure. An electron accelerator 37 is disposed above the chamber 31 so that the target material 32 can be irradiated with an electron beam 38. In this example, two pipes 39 and 40 for supplying helium into the chamber 31 are provided on the side and the upper side of the chamber 31.

試作したカーボンナノ構造体の製造装置のチャンバー31の容量は3.4Lである。ターゲット原料として、Co(純度99.8%)2.0重量%、Ni(純度99.8%)3.0重量%、残りグラファイト(型式MPG-6:ロシアNovocherkasskiy electrod plant社製:純度99.96%)の混合粉末を20MPaの成形圧で12mm径の円形タブレットとしたものを6個重ねて用いた。サンプルの全厚みは21mmである。またターゲット原料として、Ni(純度99.8%)5.0重量%、残りグラファイト(型式MPG-6:ロシアNovocherkasskiy electrod plant社製:純度99.96%)の混合粉末を20MPaの成形圧で12mm径の円形タブレットとしたものを6個重ねて用いた。サンプルの全厚みは24mmである。以上二つのサンプルに電子ビーム照射を行った。電子加速器37はELV型電子加速器(エネルギー1.4MeV)を用いた。ヘリウムは流量0.3L/秒で2箇所から供給した。2つの電子加速器37の出力は図6、図7に示すものとした。また、共存高温ガス状態は3分維持した。いずれもカーボンナノチューブが得られていることが確認されたが、触媒としてNi(純度99.8%)5.0%を用いたターゲット原料では、カーボンナノチューブの電子顕微鏡(TEM)像を図4に示すが、多層カーボンナノチューブが形成されていることがわかる。   The capacity of the chamber 31 of the prototype carbon nanostructure manufacturing apparatus is 3.4L. As target raw materials, Co (purity 99.8%) 2.0% by weight, Ni (purity 99.8%) 3.0% by weight, remaining graphite (model MPG-6: manufactured by Novocherkasskiy electrod plant, Russia: purity 99. 96%) of the mixed powder was used as a 12 mm diameter circular tablet with a molding pressure of 20 MPa. The total thickness of the sample is 21 mm. As a target material, a mixed powder of Ni (purity 99.8%) 5.0% by weight and the remaining graphite (model MPG-6: manufactured by Russia Novocherkasskiy electrod plant: purity 99.96%) is 12 mm at a molding pressure of 20 MPa. Six round tablets having a diameter were used in piles. The total thickness of the sample is 24 mm. The above two samples were irradiated with an electron beam. As the electron accelerator 37, an ELV type electron accelerator (energy 1.4 MeV) was used. Helium was supplied from two locations at a flow rate of 0.3 L / sec. The outputs of the two electron accelerators 37 are as shown in FIGS. The coexisting high temperature gas state was maintained for 3 minutes. In both cases, it was confirmed that carbon nanotubes were obtained, but with a target material using Ni (purity 99.8%) 5.0% as a catalyst, an electron microscope (TEM) image of the carbon nanotubes is shown in FIG. As can be seen, multi-walled carbon nanotubes are formed.

次に、本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置のさらに別の例について述べる。図8は、別例のカーボンナノ構造体の製造装置を模式的に示す概念図である。本例は、量産に適した例である。図中41はチャンバーであり、ステンレス鋼(ロシア製型式12H18N10T)からなり、密閉構造にできるものである。チャンバー41内にはターゲット原料42が収容されるるつぼ43がセットされるようになっている。チャンバー41内は大気圧に設定され、側壁の一部には配管44を介して不活性ガス収容タンク45が連結されている。不活性ガス収容タンク45内にはヘリウム等の不活性ガス46が収容され、カーボンナノ構造体製造の際にチャンバー41に供給されるようになっている。チャンバー41の上方には電子加速器47が電子ビーム48をターゲット原料42に照射可能に配置されている。電子加速器47としては前述と同様のものを用いることができる。出力は電流で調整する。   Next, still another example of the carbon nanostructure manufacturing apparatus according to the present invention will be described. FIG. 8 is a conceptual diagram schematically showing another example of the carbon nanostructure manufacturing apparatus. This example is an example suitable for mass production. In the figure, reference numeral 41 denotes a chamber, which is made of stainless steel (Russian model 12H18N10T) and can have a sealed structure. A crucible 43 in which the target raw material 42 is accommodated is set in the chamber 41. The inside of the chamber 41 is set to atmospheric pressure, and an inert gas storage tank 45 is connected to a part of the side wall via a pipe 44. An inert gas 46 such as helium is stored in the inert gas storage tank 45 and is supplied to the chamber 41 when the carbon nanostructure is manufactured. An electron accelerator 47 is disposed above the chamber 41 so as to irradiate the target material 42 with an electron beam 48. As the electron accelerator 47, the same one as described above can be used. The output is adjusted by current.

一方、チャンバー41の側壁の別の部分には配管49を介して第1冷却室50が連結されている。第1冷却室50はステンレス鋼(ロシア製型式12H18N10T)から構成され、密閉構造となっており、カーボンナノ構造体の製造時には外部から空気冷却される。第1冷却室50内には、石英管51が配置されている。石英管51の周囲には、チャンバー41からのガス化されたターゲット原料である高温蒸発ガスを適温まで冷却するためのヒーター54が設置されている。冷却されたガスはグラファイトと触媒金属の共存高温ガスで、その温度は1000〜1400℃程度であり、ヒーター54は高温蒸発ガスを石英管51内部で冷却するため、石英管51内部の温度をたとえば1000℃程度に保つようになっている。第1冷却室50では、共存高温ガス状態を30〜60分維持してカーボンナノ構造体を生成する。   On the other hand, the first cooling chamber 50 is connected to another portion of the side wall of the chamber 41 through a pipe 49. The first cooling chamber 50 is made of stainless steel (Russian model 12H18N10T) and has a sealed structure, and is air-cooled from the outside when the carbon nanostructure is manufactured. A quartz tube 51 is disposed in the first cooling chamber 50. Around the quartz tube 51, a heater 54 for cooling the high-temperature evaporating gas, which is a gasified target material from the chamber 41, to an appropriate temperature is installed. The cooled gas is a coexisting high-temperature gas of graphite and catalytic metal, and the temperature thereof is about 1000 to 1400 ° C. The heater 54 cools the high-temperature evaporating gas inside the quartz tube 51, so that the temperature inside the quartz tube 51 is, for example, The temperature is kept at about 1000 ° C. In the 1st cooling chamber 50, a coexistence high temperature gas state is maintained for 30 to 60 minutes, and a carbon nanostructure is produced | generated.

第1冷却室50の壁面の下方部分には、図示のごとく配管55が設けられ、第2冷却室56に連結している。第2冷却室56はカーボンナノ構造体を室温まで冷却するために設けられている。第2冷却室56の壁面にはさらに配管57が接続され、フィルター室58に連結され、フィルター室58では、内部に設置されたフィルター59により不活性ガスは、配管60を介して外部に排気され、カーボンナノ構造体が回収されるようになっている。不活性ガスの排気のためファン61が設置されている。
なお、図中62〜64はバルブである。
A pipe 55 is provided in the lower part of the wall surface of the first cooling chamber 50 as shown in the figure, and is connected to the second cooling chamber 56. The second cooling chamber 56 is provided to cool the carbon nanostructure to room temperature. A pipe 57 is further connected to the wall surface of the second cooling chamber 56 and is connected to the filter chamber 58. In the filter chamber 58, the inert gas is exhausted to the outside through the pipe 60 by the filter 59 installed inside. Carbon nanostructures are collected. A fan 61 is installed for exhausting the inert gas.
In the figure, 62 to 64 are valves.

図8の装置を用いてカーボンナノ構造体を製造する場合、まず、ターゲット原料42をるつぼ43内に収容し、チャンバー41にセットする。不活性ガス収容タンク45からたとえば一定流量で不活性ガス46をチャンバー41内に供給する。このとき、バルブ62は閉状態とする。電子加速器47から所定の加速電圧で電子ビーム48をターゲット原料42に一定時間連続して照射する。電子ビーム48の照射により、不活性ガス46はプラズマ化し、ターゲット原料42は溶融、蒸発し、不活性ガス46のプラズマとターゲット原料42の蒸発ガスとの高温蒸発ガスが形成される。この高温蒸発ガスは5000〜6000℃程度となる。所定時間の電子ビーム48の照射が終わり、高温混蒸発ガスが形成されると、バルブ62を開放し、高温蒸発ガスを第1冷却室50に送る。その際、バルブ63は閉状態となっている。   When the carbon nanostructure is manufactured using the apparatus of FIG. 8, first, the target raw material 42 is accommodated in the crucible 43 and set in the chamber 41. An inert gas 46 is supplied into the chamber 41 from the inert gas storage tank 45 at a constant flow rate, for example. At this time, the valve 62 is closed. An electron beam 48 is irradiated onto the target material 42 continuously from the electron accelerator 47 at a predetermined acceleration voltage for a predetermined time. By irradiation with the electron beam 48, the inert gas 46 is turned into plasma, the target material 42 is melted and evaporated, and a high-temperature evaporation gas is formed by the plasma of the inert gas 46 and the evaporation gas of the target material 42. This high-temperature evaporating gas is about 5000 to 6000 ° C. When the irradiation of the electron beam 48 for a predetermined time is completed and the high-temperature mixed evaporating gas is formed, the valve 62 is opened and the high-temperature evaporating gas is sent to the first cooling chamber 50. At that time, the valve 63 is closed.

第1冷却室50に送られてきた高温蒸発ガスは内部で還流する。第1冷却室50全体は空冷されており、また第1冷却室50に設けられた石英管51はヒーター54により内部の温度が高温蒸発ガスより低い温度、たとえば1000℃に保たれている。還流している高温蒸発ガスは空冷されるとともに、石英管51内で冷却され、グラファイトと触媒金属との共存高温ガスとなり、その温度は1000〜1400℃となる。この共存高温ガス状態を30〜60分程度維持させることにより、カーボンナノ構造体が成長する。   The high-temperature evaporative gas sent to the first cooling chamber 50 is refluxed inside. The entire first cooling chamber 50 is air-cooled, and the quartz tube 51 provided in the first cooling chamber 50 is maintained at a temperature lower than that of the high-temperature evaporating gas by the heater 54, for example, 1000 ° C. The refluxing high-temperature evaporating gas is air-cooled and cooled in the quartz tube 51 to become a coexisting high-temperature gas of graphite and catalyst metal, and the temperature is 1000 to 1400 ° C. By maintaining this coexisting high-temperature gas state for about 30 to 60 minutes, the carbon nanostructure grows.

第1冷却室50でカーボンナノ構造体生成が終わるとバルブ63を開放し、カーボンナノ構造体を含んだ不活性ガス46を第2冷却室56に送る。このときバルブ64は閉状態となっている。カーボンナノ構造体を含んだ高温の不活性ガス46は、第2冷却室56で室温に冷却される。   When the generation of the carbon nanostructure is finished in the first cooling chamber 50, the valve 63 is opened, and the inert gas 46 containing the carbon nanostructure is sent to the second cooling chamber 56. At this time, the valve 64 is closed. The high temperature inert gas 46 containing the carbon nanostructure is cooled to room temperature in the second cooling chamber 56.

その後、バルブ64を開放し、カーボンナノ構造体を含んだ室温の不活性ガス46をフィルター室58に送る。フィルター室58ではフィルター59により、カーボンナノ構造体と不活性ガス46が分離され、不活性ガス46は配管60より外部に排出され、所望のカーボンナノ構造体が得られる。   Thereafter, the valve 64 is opened, and a room temperature inert gas 46 containing carbon nanostructures is sent to the filter chamber 58. In the filter chamber 58, the carbon nanostructure and the inert gas 46 are separated by the filter 59, and the inert gas 46 is discharged to the outside through the pipe 60 to obtain a desired carbon nanostructure.

なお、上記ではカーボンナノ構造体の回収はフィルター室58で行ったが、サイクロン装置(乾式)あるいは浮遊選別装置(湿式)を利用して行ってもよい。また、これまでカーボンナノ構造体を分離回収する公知の手法も使用可能である。乾式のサイクロン装置を用いる場合、空気でなく、ArやHeあるいはそれらの混合ガスを用いることが好ましい。さらに、カーボンナノ構造体のうちの特定の生成物(カーボンナノチューブあるいはカーボンナノホーン等)は生成、回収とは別の工程で行ってもよい。   In the above description, the carbon nanostructures are collected in the filter chamber 58. However, a cyclone apparatus (dry type) or a floating sorting apparatus (wet type) may be used. In addition, known methods for separating and recovering carbon nanostructures can also be used. When using a dry cyclone apparatus, it is preferable to use Ar, He, or a mixed gas thereof instead of air. Furthermore, a specific product (carbon nanotube, carbon nanohorn, etc.) in the carbon nanostructure may be performed in a step different from the generation and recovery.

また、ターゲット原料42を入れたるつぼ43はチャンバー41内で回転移動可能にセットできる構成としてもよい。このようにするとさらに量産が期待できる。   Further, the crucible 43 into which the target raw material 42 is placed may be configured to be set so as to be rotatable in the chamber 41. In this way, further mass production can be expected.

次に、本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置のさらに別の例について述べる。図9は、さらに別例のカーボンナノ構造体の製造装置を模式的に示す概念図である。本例は、カーボンナノチューブ製造とカーボンナノホーン製造の複合に適した例である。図中71はチャンバーであり、ステンレス鋼(ロシア製型式12H18N10T)からなり、密閉構造にできるものである。チャンバー71内にはターゲット原料72が収容される容器型ターゲットホルダー73がセットされるようになっている。ターゲット原料72は、母材をグラファイトとし前述の触媒金属を含んだものからなる触媒金属含有グラファイトタブレット74と、グラファイトタブレット75とを積層して構成される。この例では各タブレットは3個ずつ交互に積層されている。チャンバー71内は大気圧に設定され、側壁と底部には不活性ガスであるヘリウムを供給するための配管76と配管79が配設され、圧力計77と圧力計80、バルブ78とバルブ81がそれぞれ設けられている。また、チャンバー71の上方にはヘリウムシールド用の窒素ガスを供給するための配管82が配置され、この配管82には圧力計83とバルブ84が設けられている。チャンバー71の上方には電子加速器85が電子ビーム86をターゲット原料72に照射可能に配置されている。電子加速器85としては前述と同様のものを用いることができる。出力は電流で調整する。なお、87はU字型圧力計、88は芯出しリング、89はターゲット囲いボックスである。   Next, still another example of the carbon nanostructure manufacturing apparatus according to the present invention will be described. FIG. 9 is a conceptual diagram schematically showing another example of the carbon nanostructure manufacturing apparatus. This example is an example suitable for a composite of carbon nanotube production and carbon nanohorn production. In the figure, reference numeral 71 denotes a chamber, which is made of stainless steel (Russian model 12H18N10T) and can be made into a sealed structure. A container-type target holder 73 in which a target raw material 72 is accommodated is set in the chamber 71. The target raw material 72 is configured by laminating a catalyst metal-containing graphite tablet 74 made of graphite as a base material and containing the aforementioned catalyst metal, and a graphite tablet 75. In this example, three tablets are alternately stacked. The inside of the chamber 71 is set to atmospheric pressure, and a pipe 76 and a pipe 79 for supplying helium, which is an inert gas, are disposed on the side wall and the bottom, and a pressure gauge 77 and a pressure gauge 80, a valve 78 and a valve 81 are provided. Each is provided. A pipe 82 for supplying nitrogen gas for helium shielding is disposed above the chamber 71, and a pressure gauge 83 and a valve 84 are provided in the pipe 82. An electron accelerator 85 is disposed above the chamber 71 so as to irradiate the target material 72 with an electron beam 86. As the electron accelerator 85, the same one as described above can be used. The output is adjusted by current. In addition, 87 is a U-shaped pressure gauge, 88 is a centering ring, and 89 is a target enclosure box.

一方、図中90は円筒形状の高温ガス反応室であり、連結金属パイプ91によりチャンバー71と連通している。連結金属パイプ91内には耐熱性グラファイトからなるガス搬送パイプ92が挿通しており、チャンバー71内のターゲット囲いボックス89と高温ガス反応室90が連絡している。さらに、高温ガス反応室90の下方には生成物の出口管94が接続され、生成物回収室93と連結され、出口管94の先端には生成物を付着させて回収するためのフィルター95が取り付けられている。図中96は排気ポンプである。   On the other hand, reference numeral 90 in the figure denotes a cylindrical high-temperature gas reaction chamber that communicates with the chamber 71 through a connecting metal pipe 91. A gas transport pipe 92 made of heat-resistant graphite is inserted into the connecting metal pipe 91, and the target enclosure box 89 in the chamber 71 and the high-temperature gas reaction chamber 90 communicate with each other. Further, a product outlet pipe 94 is connected to the lower part of the hot gas reaction chamber 90 and connected to the product recovery chamber 93. A filter 95 for collecting and collecting the product is attached to the tip of the outlet pipe 94. It is attached. In the figure, 96 is an exhaust pump.

図9の装置を用いてカーボンナノ構造体を製造する場合、まず、グラファイトタブレット75と触媒金属含有グラファイトタブレット74とを積層させて、容器型ターゲットホルダー73内に収容し、チャンバー71にセットする。次に、チャンバー71の側壁と低部から配管76と配管79を通してヘリウムガスをチャンバー71内に入れ、チャンバー内空気を排除する。そしてチャンバー内ヘリウムガスがチャンバー上部より外部に放出しないように配管82を通して窒素ガスを送り、シーリングする。次に、電子加速器85から所定の加速電圧で電子ビーム86をターゲット原料72に一定時間連続して照射する。その際、あらかじめ低出力で所定時間チャンバー71内を温める。その後、排気ポンプ96を作動させながら、電子加速器85の出力を上げ、電子ビーム86をターゲット原料72に連続照射する。電子ビーム86の連続照射により、ヘリウムガスはプラズマ化し、ターゲット原料72は溶融、蒸発し、ヘリウムガスのプラズマとターゲット原料72の蒸発ガスとの高温混合プラズマが形成される。この高温混合プラズマは5000〜6000℃程度となる。電子ビーム86が所定時間照射されて高温蒸発ガスが形成されると、ガス搬送パイプ92から、高温ガス反応室90に送られる。高温ガス反応室90に送られてきた高温蒸発ガスはグラファイトと触媒金属との共存高温ガスであり、高温ガス反応室90内では、高温ガス反応室90の壁面が円筒状であるので、共存高温ガスはうず回転になり、円筒壁に沿って流れ、共存高温ガス状態を一定時間保たれた後、下方に移動する。このイメージ図を図10の(a)に透視斜視図で、(b)に断面図で模式的に示す。図10(a)の矢印のゾーンは、共存高温ガスがうず回転し、所定の温度に一定時間保たれるゾーンである。このゾーンで共存高温ガスが一定時間保たれた後、冷却させることにより、カーボンナノ構造体が生成される。生成されたカーボンナノ構造体は、出口管94から排出され、生成物回収室93内でフィルター95に付着され、回収される。   When the carbon nanostructure is manufactured using the apparatus of FIG. 9, first, the graphite tablet 75 and the catalyst metal-containing graphite tablet 74 are laminated, accommodated in the container-type target holder 73, and set in the chamber 71. Next, helium gas is introduced into the chamber 71 from the side wall and the lower portion of the chamber 71 through the pipe 76 and the pipe 79, and the air in the chamber is removed. Then, nitrogen gas is sent through a pipe 82 and sealed so that helium gas in the chamber is not released from the upper part of the chamber. Next, the target raw material 72 is continuously irradiated with the electron beam 86 at a predetermined acceleration voltage from the electron accelerator 85 for a predetermined time. At that time, the inside of the chamber 71 is warmed for a predetermined time with a low output in advance. Thereafter, while the exhaust pump 96 is operated, the output of the electron accelerator 85 is increased, and the target material 72 is continuously irradiated with the electron beam 86. By continuous irradiation of the electron beam 86, the helium gas is turned into plasma, the target material 72 is melted and evaporated, and a high-temperature mixed plasma of the helium gas plasma and the evaporated gas of the target material 72 is formed. The high temperature mixed plasma is about 5000 to 6000 ° C. When the electron beam 86 is irradiated for a predetermined time to form a high-temperature evaporating gas, it is sent from the gas transfer pipe 92 to the high-temperature gas reaction chamber 90. The high-temperature evaporative gas sent to the high-temperature gas reaction chamber 90 is a coexisting high-temperature gas of graphite and catalyst metal. In the high-temperature gas reaction chamber 90, the wall surface of the high-temperature gas reaction chamber 90 is cylindrical. The gas swirls and flows along the cylindrical wall. After the coexisting high temperature gas state is maintained for a certain period of time, the gas moves downward. FIG. 10A is a perspective view schematically and FIG. 10B is a schematic cross-sectional view. The zone indicated by the arrow in FIG. 10A is a zone in which the coexisting high-temperature gas swirls and is maintained at a predetermined temperature for a certain time. After the coexisting high-temperature gas is maintained for a certain time in this zone, the carbon nanostructure is generated by cooling. The generated carbon nanostructure is discharged from the outlet pipe 94, attached to the filter 95 in the product recovery chamber 93, and recovered.

次に、具体的な実験例について述べる。
装置構成等について述べると、チャンバー71は円筒状の形状であり、耐熱性のステンレス鋼(ロシア製型式12H18N10T)からなり、密閉構造にできるものである。チャンバー71の寸法は、直径150mm、高さ200mm、容量約3Lであった。
原料ターゲット72は触媒金属含有グラファイトタブレット74と切り出し精製グラファイトタブレット75を交互に3個ずつ積層し、全高さは30mmであった。触媒金属含有グラファイトタブレット74は、Co(純度99.8%)2.5重量%、Ni(純度99.8%)2.5重量%、残りグラファイト(型式MPG-6:ロシアNovocherkasskiy electrod plant社製:純度99.96%)の混合粉末を200atm(約20MPa)の成形圧で20mm径、厚さ5mm、密度2.0g/cm、重量4gの円形タブレットとしたものを3個作製した。グラファイトタブレット75は、グラファイト(ドイツ製リアクターグラファイト Henschke CGD:純度99.99%以上)からなり、20mm径、厚さ5mm、密度1.8g/cmの円形タブレットを3個作製した。
容器型ターゲットホルダー73は、グラファイト(ドイツ製リアクターグラファイト Henschke CGD:純度99.99%以上)からなり、外径35mm、内径21mm、高さ50mmのものを作製した。
ターゲット囲いボックス89は、耐熱性グラファイト(型式MDG-6:ロシアNovocherkasskiy electrod plant社製:純度99.75%以上)、外径120mm、内径100mm、高さ150mmのものを作製した。
電子加速器85は、ELV型電子加速器(エネルギー1.4MeV)のものを用いた。電子加速器85の出力は図11のものとした。
連結金属パイプ91は、ステンレス鋼(ロシア製型式12X18H10T)からなり、外径45mm、内径40mm、長さ260mm)のものを作製した。
ガス搬送パイプ92は、耐熱性グラファイト(型式MDG-6:ロシアNovocherkasskiy electrod plant社製:純度99.75%以上)、外径39mm、内径23mm、長さ300mmのものを作製した。
Next, specific experimental examples will be described.
The apparatus configuration and the like will be described. The chamber 71 has a cylindrical shape, is made of heat resistant stainless steel (Russian model 12H18N10T), and can have a sealed structure. The dimensions of the chamber 71 were a diameter of 150 mm, a height of 200 mm, and a capacity of about 3L.
The raw material target 72 was formed by alternately stacking three catalytic metal-containing graphite tablets 74 and three cut and purified graphite tablets 75, and the total height was 30 mm. The catalyst metal-containing graphite tablet 74 is 2.5% by weight of Co (purity 99.8%), 2.5% by weight of Ni (purity 99.8%), remaining graphite (model MPG-6: manufactured by Novocherkasskiy electrod plant, Russia) : 99.96% purity) of the mixed powder was produced as a circular tablet having a diameter of 20 mm, a thickness of 5 mm, a density of 2.0 g / cm 3 and a weight of 4 g at a molding pressure of 200 atm (about 20 MPa). The graphite tablet 75 was made of graphite (German reactor graphite Henschke CGD: purity 99.99% or more), and three circular tablets having a diameter of 20 mm, a thickness of 5 mm, and a density of 1.8 g / cm 3 were produced.
The container-type target holder 73 was made of graphite (reactor graphite Henschke CGD made in Germany: purity 99.99% or more), and was manufactured with an outer diameter of 35 mm, an inner diameter of 21 mm, and a height of 50 mm.
The target enclosure box 89 was made of heat-resistant graphite (model MDG-6: Russian Novocherkasskiy electrod plant, purity 99.75% or more), an outer diameter of 120 mm, an inner diameter of 100 mm, and a height of 150 mm.
As the electron accelerator 85, an ELV type electron accelerator (energy: 1.4 MeV) was used. The output of the electron accelerator 85 was as shown in FIG.
The connecting metal pipe 91 was made of stainless steel (Russian model 12X18H10T) having an outer diameter of 45 mm, an inner diameter of 40 mm, and a length of 260 mm.
The gas carrying pipe 92 was made of heat-resistant graphite (model MDG-6: Russian Novocherkasskiy electrod plant, purity 99.75% or more), an outer diameter of 39 mm, an inner diameter of 23 mm, and a length of 300 mm.

上記の構成の装置を用い、カーボンナノ構造体の製造を以下のようにして行った。
まず、上記で作製したグラファイトタブレット75と触媒金属含有グラファイトタブレット74とを3個ずつ交互に積層させて計6個のタブレットをターゲット原料72として容器型ターゲットホルダー73内に収容し、チャンバー71内にセットした。次に、チャンバー71内にヘリウムガスを入れ、チャンバー内空気を排除した。その後、チャンバー内ヘリウムガスがチャンバー上部より外部に流出しないように窒素ガスを供給し、シーリングした。ヘリウムガスおよび窒素ガスの流量は0.3−0.5L/秒とした。排気ポンプ96を作動させた。チャンバー71の底部からチャンバー71内に入ったヘリウムガスはターゲット囲いガス89の外側を上昇し、チャンバー71の側面からのヘリウムガスと合流し、ターゲット囲いボックス89の上部穴からターゲット囲いボックス89の内部に入る。
Using the apparatus configured as described above, the carbon nanostructure was manufactured as follows.
First, three graphite tablets 75 and three catalytic metal-containing graphite tablets 74 produced above are alternately stacked, and a total of six tablets are accommodated in the container-type target holder 73 as target raw materials 72, and are stored in the chamber 71. I set it. Next, helium gas was introduced into the chamber 71 to exclude the air in the chamber. Thereafter, nitrogen gas was supplied and sealed so that helium gas in the chamber did not flow out from the upper part of the chamber. The flow rates of helium gas and nitrogen gas were 0.3-0.5 L / sec. The exhaust pump 96 was activated. The helium gas that has entered the chamber 71 from the bottom of the chamber 71 rises outside the target enclosure gas 89, merges with the helium gas from the side surface of the chamber 71, and enters the inside of the target enclosure box 89 from the upper hole of the target enclosure box 89. to go into.

この状態で、電子加速器85を作動させ、出力4.2KWで5分間チャンバー71内を温めた。排気ポンプ96による電子ビーム照射前のチャンバー内余剰圧(供給ガスの圧力+排気ポンプによる抜き圧)、すなわち外気圧1気圧とチャンバー内部の圧力の差、はU字型圧力計87によれば40Paであり、チャンバー内部の圧力は1.000394気圧であった。   In this state, the electron accelerator 85 was operated, and the inside of the chamber 71 was warmed at an output of 4.2 KW for 5 minutes. The surplus pressure in the chamber before the electron beam irradiation by the exhaust pump 96 (pressure of the supply gas + exhaust pressure by the exhaust pump), that is, the difference between the atmospheric pressure of 1 atm and the pressure in the chamber is 40 Pa according to the U-shaped pressure gauge 87. The pressure inside the chamber was 1.000394 atmospheres.

次に、電子加速器85の出力を11.2KWまで上昇させ、電子ビーム86をターゲット原料72に20分間照射させた。電子ビーム86の照射により、ヘリウムガスはプラズマ化し、電子ビーム86によりターゲット72も溶解、蒸発してプラズマ化し、両者の混合高温プラズマは、ターゲット囲いボックス89から高温ガス反応室90に延びるガス搬送パイプ92を経て高温反応室90へ共存高温ガスとして入る。その後、電子加速器85の運転を停止させた。共存高温ガスは高温ガス反応室90にて自然冷却されるが、冷却過程の1000〜1400℃の所定ゾーン(図10(a)の矢印で示したゾーン)で炭素とNiとCoが共存した状態でカーボンナノ構造体が成長する。   Next, the output of the electron accelerator 85 was increased to 11.2 kW, and the target material 72 was irradiated with the electron beam 86 for 20 minutes. By irradiation with the electron beam 86, the helium gas is turned into plasma, and the target 72 is also melted and evaporated by the electron beam 86 to be turned into plasma, and the mixed high-temperature plasma is a gas transport pipe extending from the target enclosure box 89 to the hot gas reaction chamber 90. It enters into the high temperature reaction chamber 90 as a coexisting high temperature gas through 92. Thereafter, the operation of the electron accelerator 85 was stopped. The coexisting hot gas is naturally cooled in the hot gas reaction chamber 90, but carbon, Ni, and Co coexist in a predetermined zone (indicated by an arrow in FIG. 10A) of 1000 to 1400 ° C. in the cooling process. The carbon nanostructure grows.

その後、フィルター95、高温ガス反応室90、ガス搬送パイプ92およびチャンバー71内の煤を回収した。その結果、フィルター95全表面に煤が付着しており、高温ガス反応室90の内壁および蓋にも煤があり、ガス搬送パイプ92にはかなりの量の煤があるものの、フィルター95表面および高温ガス反応室90内より少なかった。ターゲット囲いボックス89内にはほとんど煤はなかった。これにより、高温ガス反応室90でのカーボンナノ構造体(カーボンナノチューブおよびカーボンナノホーン)の生成が確認された。   Thereafter, the soot in the filter 95, the hot gas reaction chamber 90, the gas transfer pipe 92, and the chamber 71 was collected. As a result, soot has adhered to the entire surface of the filter 95, and there are also soot on the inner wall and lid of the high-temperature gas reaction chamber 90. Although there is a considerable amount of soot on the gas transport pipe 92, the surface of the filter 95 and the high temperature Less than in the gas reaction chamber 90. There were almost no wrinkles in the target enclosure box 89. Thereby, the production | generation of the carbon nanostructure (carbon nanotube and carbon nanohorn) in the hot gas reaction chamber 90 was confirmed.

フィルター95から採取した煤のラマンスペクトルの測定結果を図12に示す。この図から、カーボンナノチューブとともにカーボンナノホーンが得られたことが確認された。   FIG. 12 shows the measurement results of the Raman spectrum of soot collected from the filter 95. From this figure, it was confirmed that carbon nanohorns were obtained together with carbon nanotubes.

また、図13から図17に採取した煤の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す。図13では、比較的長い多層カーボンナノチューブが観察される。図14では、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブが観察される。図15では、内部に別の物質が入ったカーボンナノチューブが観察される。図16では、単層カーボンナノホーンが観察される。図17は、図16の拡大図である。   Moreover, the transmission electron microscope (TEM) photograph of the cocoon extract | collected to FIGS. 13-17 is shown. In FIG. 13, relatively long multi-walled carbon nanotubes are observed. In FIG. 14, single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes are observed. In FIG. 15, carbon nanotubes containing another substance inside are observed. In FIG. 16, single-walled carbon nanohorns are observed. FIG. 17 is an enlarged view of FIG.

11 チャンバー
12 ターゲット試料
13 支持台
17 電子加速器
18 電子ビーム
31 チャンバー
32 ターゲット原料
34 スクリーン
35 リング状部材
36 カバー
37 電子加速器
38 電子ビーム
41 チャンバー
42 ターゲット原料
43 るつぼ
46 不活性ガス
47 電子加速器
48 電子ビーム
50 第1冷却室
51 石英管
54 ヒーター
56 第2冷却室
58 フィルター室
59 フィルター
61 ファン
71 チャンバー
72 ターゲット原料
73 容器型ターゲットホルダー
74 触媒金属含有グラファイトタブレット
75 グラファイトタブレット
85 電子加速器
86 電子ビーム
89 ターゲット囲いボックス
90 高温ガス反応室
92 ガス搬送パイプ
95 フィルター
96 排気ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Chamber 12 Target sample 13 Support stand 17 Electron accelerator 18 Electron beam 31 Chamber 32 Target raw material 34 Screen 35 Ring-shaped member 36 Cover 37 Electron accelerator 38 Electron beam 41 Chamber 42 Target raw material 43 Crucible 46 Inert gas 47 Electron accelerator 48 Electron beam 50 First cooling chamber 51 Quartz tube 54 Heater 56 Second cooling chamber 58 Filter chamber 59 Filter 61 Fan 71 Chamber 72 Target raw material 73 Container type target holder 74 Catalytic metal-containing graphite tablet 75 Graphite tablet 85 Electron accelerator 86 Electron beam 89 Target enclosure Box 90 Hot gas reaction chamber 92 Gas transfer pipe 95 Filter 96 Exhaust pump

Claims (10)

グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料をチャンバー内にセットするステップと、
大気圧下で、かつ、常温の不活性ガスからなる雰囲気中で、電子加速器から放出される連続電子ビームをターゲット原料に照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるステップと、
ガス化されたターゲット原料を所定温度まで冷却させることによりグラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成するステップと、
該共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させることによりカーボンナノ構造体を生成させるステップを有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造方法。
A step of setting a target raw material containing catalytic metal using graphite as a base material in a chamber;
Irradiating the target material with a continuous electron beam emitted from the electron accelerator in an atmosphere consisting of an inert gas at room temperature under atmospheric pressure, and melting and gasifying the target material;
Forming a coexisting hot gas state of graphite and catalytic metal by cooling the gasified target raw material to a predetermined temperature;
A method for producing a carbon nanostructure, comprising: maintaining the coexisting high-temperature gas state for a predetermined time, and further generating a carbon nanostructure by further cooling.
グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料をチャンバー内にセットするステップと、
大気圧下で、かつ、常温の不活性ガスからなる雰囲気中で、電子加速器から放出される連続電子ビームをターゲット原料に照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるステップと、
ガス化されたターゲット原料を、内部をチャンバー内の温度より低い所定温度に加熱させた第1の冷却室に移送させ、還流させながら所定温度まで冷却させることによりグラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成するステップと、
第1の冷却室で共存高温ガス状態一定時間維持させた後、さらに冷却させることによりカーボンナノ構造体を生成させるステップと、
生成したカーボンナノ構造体を第2の冷却室に移送させ、さらに常温に冷却させるステップと、
第2の冷却室で常温に冷却させたカーボンナノ構造体を回収するステップを有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造方法。
A step of setting a target raw material containing catalytic metal using graphite as a base material in a chamber;
Irradiating the target material with a continuous electron beam emitted from the electron accelerator in an atmosphere consisting of an inert gas at room temperature under atmospheric pressure, and melting and gasifying the target material;
The gasified target raw material is transferred to a first cooling chamber whose interior is heated to a predetermined temperature lower than the temperature in the chamber, and is cooled to a predetermined temperature while being refluxed, whereby a coexisting high-temperature gas of graphite and catalyst metal Forming a state; and
A step of generating a carbon nanostructure by further cooling after maintaining the coexisting hot gas state for a certain time in the first cooling chamber;
Transferring the generated carbon nanostructure to the second cooling chamber and further cooling to room temperature;
A method for producing a carbon nanostructure, comprising a step of recovering a carbon nanostructure cooled to room temperature in a second cooling chamber.
グラファイトを母材とし触媒金属を含む触媒金属含有タブレットとグラファイトからなるグラファイトタブレットとを積層してなるターゲット原料を内部に収容した容器状ターゲットホルダーをチャンバー内にセットするステップと、
大気圧下で、かつ、常温の不活性ガスからなる雰囲気中で、電子加速器から放出される連続電子ビームをターゲット原料に照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるステップと、
ガス化されたターゲット原料をガス搬送パイプを介して共存ガス還流室へ送り、共存ガス状態を形成するとともに共存ガス還流室内を還流させながる共存ガス状態を一定時間維持させてカーボンナノ構造体を生成させるステップと、
生成したカーボンナノ構造体を回収するステップを有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造方法。
Setting a container-like target holder containing a target material formed by stacking a catalyst metal-containing tablet containing graphite as a base material and a graphite tablet made of graphite in the chamber; and
Irradiating the target material with a continuous electron beam emitted from the electron accelerator in an atmosphere consisting of an inert gas at room temperature under atmospheric pressure, and melting and gasifying the target material;
The carbon nanostructure is made by sending the gasified target material to the coexistence gas recirculation chamber through the gas transport pipe to form a coexistence gas state and refluxing the coexistence gas recirculation chamber for a certain period of time. Generating
A method for producing a carbon nanostructure, comprising a step of recovering the generated carbon nanostructure.
触媒金属として、Ni、Fe、Co、Crまたはこれらのいずれかの組み合わせからなる合金を用いることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。   The method for producing a carbon nanostructure according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst metal is Ni, Fe, Co, Cr, or an alloy made of any combination thereof. 不活性ガスとして、Ar、He、Nまたはこれらの混合ガスを用いることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。 The method for producing a carbon nanostructure according to any one of claims 1 to 4, wherein Ar, He, N 2 or a mixed gas thereof is used as the inert gas. カーボンナノ構造体が、カーボンナノチューブ、またはカーボンナノチューブとカーボンナノホーンである請求項1ないし5のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。   The method for producing a carbon nanostructure according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon nanostructure is a carbon nanotube, or a carbon nanotube and a carbon nanohorn. グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料がセットされるチャンバーと、
チャンバー内に常温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
大気圧下で、ターゲット原料に電子ビームを照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるために電子ビームを放出する電子加速器と、
ガス化されたターゲット材料を所定温度まで冷却させ、グラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成し、その共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させてカーボンナノ構造体を生成させる手段を有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造装置。
A chamber in which a target raw material containing a catalyst metal is set using graphite as a base material;
An inert gas supply means for supplying an inert gas at room temperature into the chamber;
An electron accelerator that emits an electron beam to melt and gasify the target material by irradiating the target material with an electron beam under atmospheric pressure;
The gasified target material is cooled to a predetermined temperature, and a coexisting hot gas state of graphite and catalytic metal is formed. After the coexisting hot gas state is maintained for a certain period of time, it is further cooled to generate a carbon nanostructure. An apparatus for producing a carbon nanostructure characterized by comprising means for causing
グラファイトを母材とし触媒金属を含むターゲット原料がセットされるチャンバーと、
チャンバー内に常温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
大気圧下で、ターゲット原料に電子ビームを照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるために電子ビームを放出する電子加速器と、
内部をチャンバー内の温度より低い所定温度に加熱する加熱手段を備え、ガス化されたターゲット材料を還流させながら冷却させることにより、グラファイトと触媒金属との共存高温ガス状態を形成し、その共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させてカーボンナノ構造体を生成させるための第1の冷却室と、
第1の冷却室で生成したカーボンナノ構造体をさらに常温に冷却させるための第2の冷却室と、
第2の冷却室で常温に冷却させたカーボンナノ構造体を回収するカーボンナノ構造体回収手段を有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造装置。
A chamber in which a target raw material containing a catalyst metal is set using graphite as a base material;
An inert gas supply means for supplying an inert gas at room temperature into the chamber;
An electron accelerator that emits an electron beam to melt and gasify the target material by irradiating the target material with an electron beam under atmospheric pressure;
Equipped with a heating means to heat the interior to a predetermined temperature lower than the temperature in the chamber, and by cooling the gasified target material while refluxing, a coexisting high temperature gas state of graphite and catalytic metal is formed, and the coexisting high temperature A first cooling chamber for maintaining the gas state for a certain period of time and further cooling to generate a carbon nanostructure;
A second cooling chamber for further cooling the carbon nanostructure produced in the first cooling chamber to room temperature;
An apparatus for producing a carbon nanostructure comprising carbon nanostructure recovery means for recovering a carbon nanostructure cooled to room temperature in a second cooling chamber.
グラファイトを母材とし触媒金属を含む触媒金属含有グラファイトタブレットとグラファイトからなるグラファイトタブレットとを積層してなるターゲット原料を内部に収容した容器状ターゲットホルダーがセットされるチャンバーと、
チャンバー内に常温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
大気圧下で、ターゲット原料に電子ビームを照射することにより、ターゲット原料を溶融、ガス化させるために電子ビームを放出する電子加速器と、
ガス化されたターゲット原料をガス搬送パイプを介して高温ガス反応室へ送り、共存高温ガス状態を形成するとともに共存高温ガスを高温ガス反応室内で還流させながら共存高温ガス状態を一定時間維持させた後、さらに冷却させてカーボンナノ構造体を生成させる手段と、
生成したカーボンナノ構造体を回収する手段を有することを特徴とするカーボンナノ構造体の製造装置。
A chamber in which a container-like target holder containing a target raw material formed by laminating a graphite tablet containing a catalytic metal containing a catalytic metal containing graphite and a graphite tablet made of graphite is set;
An inert gas supply means for supplying an inert gas at room temperature into the chamber;
An electron accelerator that emits an electron beam to melt and gasify the target material by irradiating the target material with an electron beam under atmospheric pressure;
The gasified target raw material was sent to the high temperature gas reaction chamber through the gas transfer pipe to form a coexisting high temperature gas state, and the coexisting high temperature gas was refluxed in the high temperature gas reaction chamber and maintained for a certain period of time. After that, means for further cooling to generate carbon nanostructures,
An apparatus for producing a carbon nanostructure, comprising means for recovering the generated carbon nanostructure.
カーボンナノ構造体が、カーボンナノチューブ、またはカーボンナノチューブとカーボンナノホーンである請求項7ないし9のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の製造装置。   The carbon nanostructure manufacturing apparatus according to any one of claims 7 to 9, wherein the carbon nanostructure is a carbon nanotube, or a carbon nanotube and a carbon nanohorn.
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