JP2011168429A - 金属内包ナノカーボン材料とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】カーボンナノ材料は、金属又は金属を含む化合物からなる粒子を内包させたフラーレンナノファイバー由来の材料であり、カーボンナノチューブ、カーボンナノカプセル及びカップスタック型カーボンナノチューブの何れかである。金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法は、(A)フラーレン分子を第1溶媒に溶解した第1の溶液を調製する工程と、(B)第1溶媒よりもフラーレン分子の溶解能の低い第2溶媒に金属を含む塩を添加した第2の溶液を調製する工程と、(C)第1の溶液に第2の溶液を添加し、第1の溶液と第2の溶液との間に液−液界面を形成させる工程と、(D)この溶液中に金属を内包したフラーレン細線を析出させる工程と、(E)金属を内包したフラーレン細線を所定の温度で熱処理して、金属を内包したカーボンナノ材料を得る工程と、を含む。
【選択図】図4
Description
(A)フラーレン分子を第1溶媒に溶解した第1の溶液を調製する工程と、
(B)第1溶媒よりもフラーレン分子の溶解能の低い第2溶媒に金属を含む塩を添加した第2の溶液を調製する工程と、
(C)第1の溶液に第2の溶液を添加し、第1の溶液と第2の溶液との間に液−液界面を形成させる工程と、
(D)第1の溶液と第2の溶液とからなる混合溶液中に金属又は該金属を含む化合物を内包したフラーレン細線を析出させる工程と、
(E)金属又は該金属を含む化合物を内包したフラーレン細線を所定の温度で熱処理して、金属を内包したカーボンナノ材料を得る工程と、を含むことを特徴とする。
金属は、好ましくは磁性材料からなり、好ましくはニッケル又は鉄である。
得られるカーボンナノ材料は、好ましくはカーボンナノチューブ、カーボンナノカプセル、及びカップスタック型カーボンナノチューブの何れかである。
第1溶媒は、好ましくはトルエン、ベンゼン、ピリジン、キシレン、ヘキサン及びペンタンの何れかである。
第2溶媒は、好ましくはイソプロピルアルコール、メチルアルコール、エチルアルコール、及びn-プロピルアルコールの何れかである。
金属を含む塩は、好ましくは硝化物又は塩化物からなる。
カップスタック型カーボンナノチューブは,その特異な炭素網積層構造により、内外表面が活性であり、樹脂材料等との高密着性や高分散性を有するため、炭素繊維強化樹脂への応用が可能となる。
本発明の金属を内包したカーボンナノ材料は、以下の工程によって製造することができる。
(A)フラーレン分子を第1溶媒に溶解した第1の溶液を調製する工程と、
(B)第1溶媒よりもフラーレン分子の溶解能の低い第2溶媒に金属を含む塩を添加した第2の溶液を調製する工程と、
(C)第1の溶液に第2の溶液を添加し、第1の溶液と第2の溶液との間に液−液界面を形成させる工程と、
(D)第1の溶液と第2の溶液とからなる混合溶液中に金属又は金属を含む化合物粒子を内包したフラーレン細線を析出させる工程と、
(E)金属を内包したフラーレン細線を所定の温度で熱処理して、金属又は金属を含む化合物粒子を内包したカーボンナノ材料を得る工程と、を含む。
ここで、上記(C)の工程において、第1の溶液に第2の溶液との間に形成される液−液界面は、自然拡散もしくは、意図的な混合による拡散によって消失する。なお、金属を含む化合物粒子は、例えば金属と炭素との化合物である。
(ニッケルを内包したカーボンナノ材料)
前駆体試料として磁性金属であるニッケル(Ni)を添加したフラーレン細線を作製した。
C60の良溶媒として、トルエン(特級、99.5%、和光純薬株式会社)を用いた。C60粉末(99.5%、MTR Ltd.)を2.8g/l(リットル)でトルエンに加えて、30分間超音波処理を行った。これを、シリンジフィルター(膜孔450nm、PuradiscTM; Whatman Inc., Clifton, NJ, USA)を用いてろ過してC60飽和トルエン溶液を作製した。
上部の液体が硝酸ニッケル六水和物を溶解させたイソプロピルアルコール溶液であり、下部の液体がC60フラーレンを溶解させたトルエン溶液である。中央部に液−液界面を形成し、フラーレン細線を析出させる。
図3に示すように、フラーレンナノウィスカーの直径は242nmであり、長さは902nm以上であった。このフラーレンナノウィスカーの側面は、波打ち、表面に数ナノメートル(nm)のNi粒子(図3の矢印参照)が観察された。
図4に示すように、合成したニッケルが内包されたカーボンナノカプセルの直径は99.7nmであり、長さは2.50μmであった。内包されたニッケル粒子の平均粒径は49.0nmであった。
1050℃で合成したニッケルが内包されたカーボンナノカプセルを多数測定した結果、カーボンナノカプセルの外径は34.5〜165.5nmであり、平均外径は85.9nmであった。内径は10.8〜112.9nmであった。内包されるニッケル粒子の外径は10.8〜112.9nmであり、平均外径は55.0nmであった。
図5は、本発明において、ニッケルを添加したフラーレン細線を1050℃で真空加熱処理した際に得られたカップスタック型カーボンナノチューブの実施例を示す透過電子顕微鏡(TEM)像の図である。観察倍率は30万倍である。
図5に示すように、合成したニッケルが内包されたカップスタック型カーボンナノチューブの直径は85.4nmであり、内径は13.5nmであった。長さは600nm以上であった。
別の実施例として、前駆体試料に鉄(Fe)を添加したフラーレン細線を用いて、同様に真空封入したのち、加熱処理をした。鉄を添加したフラーレン細線の作製手順を以下に示す。
C60の良溶媒としてトルエン(特級、99.5%、和光純薬株式会社)を用いた。C60粉末(99.5%、MTR Ltd.)2.8g/l(リットル)をトルエンに加えて、30分間超音波処理をした。これを、シリンジフィルター(膜孔450nm、PuradiscTM; Whatman Inc., Clifton, NJ, USA)を用いてろ過してC60飽和トルエン溶液を作製した。
図6は、本発明において、鉄を添加したC60フラーレンナノウィスカーを加熱して得られた繊維の実施例を示す透過電子顕微鏡(TEM)像の図である。観察倍率は30万倍である。
図6に示すように、この繊維はC60フラーレンナノウィスカーであり、その内部に他の物質が内包されている。このフラーレンナノウィスカーの外径は44nmであり、内径は21nmであり、長さは560nmであった。フラーレンナノウィスカーの長さは、観察できた範囲の長さであり、実際のフラーレンナノウィスカーの長さは560nm以上ある。さらに、電子線回折から、この内包されている物質は単結晶のFe3Cであることが分かった。
図7に示すように、鉄を内包したカーボンナノチューブ(CNT)の直径は19nmであり、長さは143nmであった。カーボンナノチューブの長さは、観察できた範囲の長さであり、実際のカーボンナノチューブの長さは143nm以上ある。
図8に示すように、鉄を内包したカーボンナノカプセルの直径は平均で125nmであった。カーボンナノカプセル断面の形状の一例は楕円であった。この楕円の寸法の一例は、長軸の長さが153nmで、短軸の長さが98nmであった。
Claims (11)
- 金属又は該金属を含む化合物からなる粒子を内包させたフラーレンナノファイバー由来のカーボンナノ材料からなり、該カーボンナノ材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノカプセル及びカップスタック型カーボンナノチューブの何れかであることを特徴とする、金属を内包したカーボンナノ材料。
- 前記内包される金属又は該金属を含む化合物からなる粒子の大きさは、1〜10nm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の金属を内包したカーボンナノ材料。
- 前記フラーレンは、C60又はC70からなることを特徴とする、請求項1に記載の金属を内包したカーボンナノ材料。
- 金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法であって、
(A)フラーレン分子を第1溶媒に溶解した第1の溶液を調製する工程と、
(B)上記第1溶媒よりもフラーレン分子の溶解能の低い第2溶媒に金属を含む塩を添加した第2の溶液を調製する工程と、
(C)上記第1の溶液に上記第2の溶液を添加し、該第1の溶液と上記第2の溶液との間に液−液界面を形成させる工程と、
(D)上記第1の溶液と上記第2の溶液とからなる混合溶液中に上記金属又は該金属を含む化合物を内包したフラーレン細線を析出させる工程と、
(E)上記金属又はその金属を含む化合物を内包したフラーレン細線を所定の温度で熱処理して、金属又は該金属を含む化合物からを内包したカーボンナノ材料を得る工程と、を含むことを特徴とする、金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法。 - 前記フラーレンは、C60又はC70からなることを特徴とする、請求項4に記載の金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法。
- 前記金属又は該金属を含む化合物は、磁性材料からなることを特徴とする、請求項4に記載の金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法。
- 前記金属は、ニッケル又は鉄であることを特徴とする、請求項4に記載の金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法。
- 前記カーボンナノ材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノカプセル及びカップスタック型カーボンナノチューブの何れかであることを特徴とする、請求項4に記載の金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法。
- 前記第1溶媒は、トルエン、ベンゼン、ピリジン、キシレン、ヘキサン及びペンタンの何れかであることを特徴とする、請求項4に記載の金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法。
- 前記第2溶媒は、イソプロピルアルコール、メチルアルコール、エチルアルコール及びn-プロピルアルコールの何れかであることを特徴とする、請求項4に記載の金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法。
- 前記金属を含む塩は、硝化物又は塩化物からなることを特徴とする、請求項4に記載の金属を内包したカーボンナノ材料の製造方法。
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