JP2011088796A - カーボンナノ粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 流体20中で陰極14と、黒鉛陽極12との間に電圧を印加して、隙間34にアーク放電を発生させる。ボンベ28から所定流量の不活性気体を隙間34に導入する。アーク放電によって隙間34で生成した炭素蒸気からカーボンナノ粒子が生成される。
【選択図】 図1
Description
本明細書に開示されるカーボンナノ粒子の製造方法は、アーク放電を発生させる工程と、不活性気体をアーク放電の発生領域に導入する工程と、を含んでいる。より詳細には、水中アーク放電によって黒鉛陽極から炭素蒸気を生成し、炭素蒸気からカーボンナノホーンを含むカーボンナノ粒子を製造する。それぞれの工程を以下に詳述する。
本明細書に開示されるアーク放電発生領域を形成する工程は、陰極と陽極との間に電圧を印加してこれら電極間に存在する流体にアーク放電発生領域を形成する工程とすることができる。この工程によれば、アーク放電発生領域に準備された炭素をアーク放電によって蒸発させることによって、カーボンナノ粒子の素となる炭素蒸気を生成させることができる。
本実施形態における不活性気体を導入する工程は、流体中のアーク放電発生領域に不活性気体を導入する工程とすることができる。この工程によれば、陰極からの電子の放出を促進するとともに、アーク放電発生領域で一時的に発生するカーボンナノ粒子の中間体の発生を促進することができる。不活性気体をアーク放電発生領域に導入することによって、不活性気体の一部が解離し、荷電粒子が発生する。この荷電粒子がアーク放電発生領域の導電率を高め、放電を生じやすくすることができる。さらに不活性気体はアーク放電により加熱され、分子振動励起や、解離、電離が進行しプラズマ状態が形成する。こうした活性状態のエネルギープロファイル下で高エンタルピーとなった不活性気体は膨張し、ジュール加熱により推進エネルギーが得られ、陰極からの電子放出が加速することによって、多くの黒鉛蒸気を発生することができる。
本実施形態におけるカーボンナノ粒子を回収する工程は、炭素蒸気が急冷されることによって生成したカーボンナノ粒子を回収するための工程である。本工程では、カーボンナノ粒子の生成後に、全ての流体からカーボンナノ粒子を回収してもよいが、前記流体中のカーボンナノ粒子を含む流体画分を吸引し、固液分離手段によりカーボンナノ粒子と流体とを分離してもよい。ここで流体画分とは、流体の一部分を示す。例えば流体の一部分を吸引してカーボンナノ粒子を回収し、残った流体を再び流体槽に戻すことを繰り返してもよい。上記の方法によれば、流体中のカーボンナノ粒子を含む画分を選択的に吸引するものであるため、流体槽中の全ての流体を取り出す必要がない。すなわち、アーク放電の発生からカーボンナノ粒子の回収までを、連続的に実行することができる。これによって、煩雑な操作を必要とせずにカーボンナノ粒子を大量生産することができる。
Claims (20)
- カーボンナノ粒子の製造方法であって、
陰極と陽極との間に電圧を印加してこれら電極間に存在する流体にアーク放電発生領域を形成する工程と、
前記アーク放電発生領域に準備された炭素材料から炭素蒸気を発生させるとともに前記アーク放電発生領域に不活性気体を導入する工程と、
を含む製造方法。 - カーボンナノ粒子の製造方法であって、
流体中に配置された陰極と陽極との間に電圧を印加してこれら電極間にアーク放電発生領域を形成する工程と、
前記流体の加圧下に前記アーク放電発生領域に準備された炭素材料から炭素蒸気を発生させるとともに前記アーク放電発生領域に不活性気体を導入する工程と、
を含む、製造方法。 - 前記陰極は前記陽極に対向して配置されており、前記陽極は黒鉛陽極であることを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法
- 前記流体は、水を含む前記アーク放電の発生温度以下で撹拌流動性のある媒質液体である請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記流体に浮遊するカーボンナノ粒子が、単層カーボンナノホーンであることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の製造方法。
- 前記アーク放電は、電極に直流電圧または直流パルス電圧を印加することにより発生されることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の製造方法。
- 前記アーク放電は、前記陰極の電極断面積が前記黒鉛陽極の電極断面積より大きい状態で電圧を印加することにより発生させることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の製造方法。
- 前記黒鉛陽極が、添加物を含有もしくは内蔵、または、添加物が表面の一部分もしくは全部に散布、塗布、メッキまたはコートされていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。
- 前記黒鉛陰極が、水平方向に回転振動を加える工程をさらに備えることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の製造方法。
- 前記流体中に送り出されるカーボンナノ粒子を分散させる工程と、
前記炭素蒸気を送り出す部位の局部的な流体温度の上昇を防ぐための流体槽の流体を撹拌する工程と、
前期流体の温度を一定温度に維持するため前記流体温度を調整する工程と、
をさらに備える請求項1から9のいずれかに記載の製造方法。 - 前記黒鉛陽極と前記陰極は、重力に対して垂直に対向して配置されていることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の製造方法。
- 前記炭素蒸気から生成した前記カーボンナノ粒子を前記流体から回収する工程を備える、請求項1から11のいずれかに記載の製造方法。
- 前記カーボンナノ粒子を回収する工程は、前記カーボンナノ粒子を含む流体を吸引する工程と、
ろ過膜によって前記流体から前記カーボンナノ粒子を分離する工程と、
分離された前記カーボンナノ粒子を乾燥する工程と、
を含む請求項1から12のいずれかに記載の製造方法。 - 前記不活性気体が、窒素、アルゴン、ヘリウムを含む希ガス及びヒドラジンからなる群から選択される1種又は2種以上を含むガスであることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の製造方法。
- 一部が流体に浸漬される陰極と、
前記陰極の前記流体に浸漬される部位に前記流体中において間隔を隔てて配置されている黒鉛陽極と、
前記陰極と前記黒鉛陽極の間に電圧を印加しアーク放電発生領域を形成する機構と、
前記アーク放電発生領域に不活性気体を導入させる機構と、
を備えるカーボンナノ粒子の製造装置。 - 前記陽極が黒鉛陽極であり、前期陰極と対向していることを特徴とする請求項15に記載の製造方法。
- 前記黒鉛陽極と前記陰極との隙間が1mm以上2mm以下であることを特徴とする請求項15または16に記載の製造装置。
- 前記黒鉛陰極が水平方向に回転振動することを特徴とする請求項15から17のいずれかに記載の製造装置。
- 前記カーボンナノ粒子を回収する機構は、
前記カーボンナノ粒子を含む前記流体を吸引する機構と、
前記流体から前記カーボンナノ粒子を分離する機構と、
分離した前記カーボンナノ粒子を乾燥する機構と、
を含む請求項15から18のいずれかに記載のカーボンナノ粒子の製造装置。 - 前記陰極は、前記不活性気体の導入路を有している、請求項15から19のいずれかに記載の製造装置。
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