JP2012184128A - Method for producing carbon nanocapsule precursor including metal carbide - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method in which a slag-like deposit is made so as not to be formed in a first step of a precursor thermal treatment, and simultaneously, an including carbon nanocapsule precursor is contained in a large amount in a formed fullerene soot.SOLUTION: The production method is so configured that in a helium atmosphere introduced in a discharge vessel, a polyphase alternating current having phase differences is applied, respectively, to three or more discharge electrodes arranged two- or three-dimensionally to thereby generate arc discharge; a composite carbon raw material is evaporated using a plasma region formed by the arc discharge; and the evaporated entire amount is made to condense in the plasma region and to be deposited on the inner wall of the discharge vessel, wherein the helium pressure in the discharge vessel is made to be 15 to 90 Torr, whereby an including micro-carbon nanocapsule-like substance including an inclusion substance is deposited on the vessel inner wall as an including carbon nanocapsule precursor.

Description

本発明は、多相交流アーク放電によって発生させたアークプラズマを利用して、金属炭化物内包カーボンナノカプセル前駆体を製造する方法に関し、特に、本発明は、金属炭化物内包カーボンナノカプセルを効率的に大量製造するのに適している。   The present invention relates to a method for producing a metal carbide-encapsulated carbon nanocapsule precursor using an arc plasma generated by a multiphase AC arc discharge, and in particular, the present invention efficiently uses a metal carbide-encapsulated carbon nanocapsule. Suitable for mass production.

希ガス中アーク放電法により、数〜数十ナノメートルの大きさを持つ炭素の多層多面体(カーボンナノカプセルと称する)内部に、ランタンカーバイドの微結晶が内包されることが1993年に初めて発見された(非特許文献1、2参照)。この物質は、C60フラーレンの大量合成法として知られるクレッチマー−ハフマン(Kratchmer-Huffman)法を改良したコンタクト・アーク(Contact arc)法(非特許文献3参照)において、消耗する側の炭素棒電極を、希土類酸化物等を含有する複合炭素棒に変更することによりはじめて合成されたものである(以後、この複合炭素棒を電極に用いたアーク放電による合成法を、「改良クレッチマー−ハフマン法」と称する)。 It was discovered in 1993 for the first time in 1993 that lanthanum carbide microcrystals were encapsulated inside a multi-layered polyhedron of carbon (called carbon nanocapsules) having a size of several to several tens of nanometers by the arc discharge method in a rare gas. (See Non-Patent Documents 1 and 2). This material is a carbon rod electrode on the consumable side in the contact arc method (see Non-Patent Document 3) improved from the Kratchmer-Huffman method known as a mass synthesis method of C 60 fullerene. Is synthesized for the first time by changing to a composite carbon rod containing rare earth oxide or the like (hereinafter referred to as “modified Kretschmer-Huffman method”). Called).

直流アーク放電により、対向陰極から電子衝撃を受けて高温になる陽極は、先端から蒸発して徐々に消耗が進むため、消耗電極とも呼ばれる。蒸発した陽極物質は装置内のヘリウムガスで冷却されて、蒸発した量の一部分が気相で凝縮し、煤(歴史的に「フラーレン煤」と呼ばれる)として装置壁面に付着する。改良クレッチマー−ハフマン法ではこのフラーレン煤の大部分が不定形炭素であるが、その中には、通常、C60に代表されるフラーレンや内包フラーレン(フラーレン中に被内包物質が内包されているもの)、単層カーボンナノチューブ(陽極中に触媒金属が含まれる場合に限り生成される)等が含まれる(非特許文献4参照)。 An anode that becomes high temperature due to electron impact from the counter cathode due to direct current arc discharge evaporates from the tip and gradually wears out, so it is also called a consumable electrode. The evaporated anode material is cooled by the helium gas in the apparatus, and a part of the evaporated amount is condensed in the gas phase and adheres to the apparatus wall surface as soot (historically called “fullerene soot”). Improved Kretschmer - although the Huffman method most of the fullerene soot is amorphous carbon, therein is usually what the contained substance is encapsulated in fullerenes and endohedral (in fullerene represented by C 60 ), Single-walled carbon nanotubes (generated only when a catalytic metal is contained in the anode), and the like (see Non-Patent Document 4).

陽極から蒸発した物質の残りは陰極表面上に凝縮し、「陰極堆積物」と呼ばれる柱状の炭素質物質として成長する。前記した「カーボンナノカプセル」が見つかる場所は、この陰極堆積物の表面や内部にほぼ限られる(非特許文献4のP129参照)。歴史的には「カーボンナノカプセル」は、この堆積物内部に存在する多層カーボンナノチューブの表面に付着した副産物として1993年に偶然発見されたものである(非特許文献5参照)。   The remainder of the material evaporated from the anode condenses on the cathode surface and grows as a columnar carbonaceous material called “cathode deposit”. The place where the above-mentioned “carbon nanocapsule” can be found is almost limited to the surface and inside of the cathode deposit (see P129 of Non-Patent Document 4). Historically, “carbon nanocapsules” were discovered by chance in 1993 as a by-product attached to the surface of multi-walled carbon nanotubes existing inside the deposit (see Non-Patent Document 5).

ランタンカーバイドの微結晶が「カーボンナノカプセル」に内包されることが発見されてまもなく、多くの金属元素等がカーボンナノカプセルに内包されることが明らかになり、これらを総称して「内包カーボンナノカプセル」または炭素被覆金属粒子(Carbon Encapsulated Metal Nanoparticles; CEMNs)(非特許文献6のP839)などと呼ばれるようになった。カーボンナノカプセルそれ自体が、「カーボンナノ多面体粒子」、「カーボンナノポリへドロン」などの様々な呼称により呼ばれるので(非特許文献4のP41参照)、内包カーボンナノカプセルにも様々な呼称がある。そこで本明細書においては以後、これらの金属元素等を内包したカーボンナノカプセルを「内包カーボンナノカプセル」と総称する。   Soon after it was discovered that lanthanum carbide microcrystals were encapsulated in carbon nanocapsules, it became clear that many metal elements were encapsulated in carbon nanocapsules. It has come to be called “capsules” or carbon-encapsulated metal nanoparticles (CEMNs) (P839 of Non-Patent Document 6). Since carbon nanocapsules themselves are called by various names such as “carbon nanopolyhedral particles” and “carbon nanopolyhedron” (see P41 of Non-Patent Document 4), there are also various names for encapsulated carbon nanocapsules. . Therefore, hereinafter, carbon nanocapsules encapsulating these metal elements and the like are collectively referred to as “encapsulated carbon nanocapsules”.

カーボンナノカプセルに内包される元素は金属元素が多く、大多数のランタノイド元素、鉄族元素(鉄、コバルト、ニッケル)、アルカリ土類元素(カルシウム、ストロンチウム等)、貴金属元素(銅、銀、金)、白金族元素(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金等)、IVおよびV族遷移金属元素(チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル等)、VIおよびVII族遷移金属元素(クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、レニウム等)、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、アンチモン、イオウ、セレン、アクチノイド元素(ウラン、トリウム等)などが報告されている(非特許文献4のP26参照)。これら内包される元素の種類は、今後、さらに増加する可能性がある。これら内包カーボンナノカプセルについては、成書やレビューがある(非特許文献4または6参照)。   The elements contained in the carbon nanocapsules are mostly metal elements, the majority of lanthanoid elements, iron group elements (iron, cobalt, nickel), alkaline earth elements (calcium, strontium, etc.), noble metal elements (copper, silver, gold) ), Platinum group elements (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, etc.), IV and V group transition metal elements (titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, etc.), VI and VII group transition metal elements ( Chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, etc.), boron, silicon, germanium, antimony, sulfur, selenium, actinoid elements (uranium, thorium, etc.) and the like have been reported (see P26 of Non-Patent Document 4). There is a possibility that the types of these included elements will further increase in the future. There are books and reviews about these encapsulated carbon nanocapsules (see Non-Patent Document 4 or 6).

これらの元素は、純粋元素の金属相として内包される場合とその炭化物(例えばカーバイド相やセメンタイト相)が内包される場合がある(非特許文献4のP26参照)。その他、金属硫化物(CaS)(特許文献1参照)や、金属リン化物(PdP)(非特許文献7)などの化合物も、被内包物質とされる例が報告されている。 These elements may be encapsulated as a metal phase of a pure element or a carbide thereof (for example, a carbide phase or a cementite phase) (see P26 of Non-Patent Document 4). In addition, examples in which compounds such as metal sulfide (CaS) (see Patent Document 1) and metal phosphide (Pd 3 P) (Non-Patent Document 7) are also included are reported.

内包カーボンナノカプセルについて別の見方をするならば、表面を炭素膜で被覆された径10〜100nmの微結晶であり、ナノサイズの複合粒子と考えることができる。ただし、内包カーボンナノカプセルでは粒子を被覆している炭素の形態に大きな特徴があり、グラファイト化して炭素網面が発達した構造を示し、かつその網面がカプセル面に平行なものと定義することが出来るとされている。   From another viewpoint of the encapsulated carbon nanocapsules, the surface is a microcrystal having a diameter of 10 to 100 nm coated with a carbon film, and can be considered as nano-sized composite particles. However, the encapsulated carbon nanocapsule has a major feature in the form of carbon that covers the particles, shows a structure in which the carbon network surface is developed by graphitization, and the network surface is defined as being parallel to the capsule surface. It is supposed to be possible.

特にランタンカーバイドを内包したカーボンナノカプセルの場合、カプセルはフラーレンの場合と同様に、グラファイト層一枚につき5員環12個の導入によって閉じられているので、物質が内包されていることを除くと、内包カーボンナノカプセルは、前記した「カーボンナノカプセル」と呼ばれる炭素の多層多面体と同じものと考えられる(非特許文献5参照)。このようなカプセル構造は、カーバイドであるかセメンタイトであるか等を問わず、全ての金属炭化物微結晶を内包するカーボンナノカプセルに共通の特徴であると考えられる。そしてこの種の炭化物内包カーボンナノカプセルにおいては、内包された微結晶とグラファイト化し多角多面体化したカプセル内壁の間に、何もない空洞部分が観察されることが特徴とされている(非特許文献4または6参照)。   In particular, in the case of carbon nanocapsules encapsulating lanthanum carbide, the capsule is closed by introducing 12 five-membered rings per graphite layer, as in the case of fullerene, except that the substance is encapsulated. The encapsulated carbon nanocapsule is considered to be the same as the carbon polyhedron called “carbon nanocapsule” described above (see Non-Patent Document 5). Such a capsule structure is considered to be a feature common to carbon nanocapsules including all metal carbide microcrystals regardless of whether they are carbide or cementite. In this type of carbide-encapsulated carbon nanocapsule, there is a feature that an empty cavity is observed between the encapsulated microcrystal and the graphitized polyhedral polyhedral capsule (Non-Patent Document). 4 or 6).

しかし、鉄族元素や貴金属元素が純粋金属相として内包される場合に代表されるように、このような空洞をほとんど示さない例も一部ある。この場合は、被覆している炭素がグラファイト化していても、それは内部の金属微粒子の表面に密着していて空洞部分が見られないことが特徴的である。そしてそのグラファイト層には湾曲部で転移や粒界などの欠陥が煩雑に観察されることが知られている。このようなカプセルは、希土類元素の炭化物相を閉じ込めているカプセルの場合のように5員環の導入により閉じるのではなく、グラファイト小片が内部微粒子の表面に沿って平行に積み重なった構造であるとされている(非特許文献4のP133参照)。そして、これらの欠陥のためカプセルとしての閉じ込め機能や遮蔽機能は著しく低下していると考えられる。   However, there are some examples that hardly show such cavities, as represented by the case where an iron group element or a noble metal element is included as a pure metal phase. In this case, even if the covering carbon is graphitized, it is characteristic that it is in close contact with the surface of the internal metal fine particles and no cavity is seen. In the graphite layer, it is known that defects such as transition and grain boundaries are complicatedly observed at the curved portion. Such a capsule is not closed by introducing a five-membered ring as in the case of a capsule confining a carbide phase of a rare earth element, but has a structure in which graphite pieces are stacked in parallel along the surface of the internal fine particles. (See P133 of Non-Patent Document 4). And it is thought that the confinement function and the shielding function as the capsule are remarkably lowered due to these defects.

ところで、ランタンカーバイドは反応性が高く不安定で、湿分を含む通常の空気中では直ぐに反応して急速に加水分解が進行することが知られている。しかし、カーボンナノカプセルに内包されたランタンカーバイド微結晶は、何年もの長期にわたって湿潤空気中に放置されても全く変化せず、加水分解しないことが観測されている。この観測事実は、そのカーバイド結晶粒子がナノカプセル空洞の内部に物理的に閉じ込められているだけではなく化学的にも遮蔽されていて、空気中の水や酸素との接触や反応が完全に抑えられている証拠であると考えられている(非特許文献4のP130、または、非特許文献6のP846参照)。   By the way, it is known that lanthanum carbide has high reactivity and is unstable, and it reacts immediately in normal air containing moisture and rapidly undergoes hydrolysis. However, it has been observed that lanthanum carbide microcrystals encapsulated in carbon nanocapsules do not change at all and do not hydrolyze when left in humid air for many years. This observation indicates that the carbide crystal particles are not only physically confined inside the nanocapsule cavity, but are also chemically shielded, which completely suppresses contact and reaction with water and oxygen in the air. (See P130 of Non-Patent Document 4 or P846 of Non-Patent Document 6).

カーボンナノカプセルに内包された微結晶の乾燥空気中での熱的安定性と酸化特性に関しては、ランタノイドの中で最も化学反応性が高いとされるランタンカーバイドに関する研究報告がある(非特許文献8)。このランタンカーバイド粉末は、室温の空気中で自然発火するほど高活性であることが知られている。この報告によると、陰極堆積物から採取したランタンカーバイド内包カーボンナノカプセルを熱重量分析(Thermogravimetry Analysis、TGA)分析装置にかけて空気中で昇温(10℃/min)させていくと、ほぼ500℃までは反応せず安定である事が明らかにされている。この温度を超えると、それまで抑えられていたランタンカーバイドの燃焼反応が急激に起こるため、サンプル温度が急上昇すると報告されている(非特許文献8)。   Regarding thermal stability and oxidation characteristics of microcrystals encapsulated in carbon nanocapsules in dry air, there is a research report on lanthanum carbide, which is considered to have the highest chemical reactivity among lanthanoids (Non-Patent Document 8). ). This lanthanum carbide powder is known to be so active that it spontaneously ignites in air at room temperature. According to this report, when the lanthanum carbide-encapsulated carbon nanocapsules collected from the cathode deposit are heated in the air (10 ° C./min) through a thermogravimetric analysis (TGA) analyzer, the temperature reaches approximately 500 ° C. Has been shown to be stable without reacting. It has been reported that when this temperature is exceeded, the combustion reaction of lanthanum carbide that has been suppressed until then occurs abruptly, so that the sample temperature rises rapidly (Non-patent Document 8).

グラファイト網面(1枚をグラフェンと呼ぶ)の高い物理的安定性と物質の非透過性、および空気中や水中における炭素の高い化学的安定性を考慮すると、この欠陥の無いカーボンナノカプセルは極めて高いバリア機能を持つことが期待されるが、上に示されたランタンカーバイド内包カーボンナノカプセルの500℃までの耐酸化特性は、そのバリア機能が十分に発揮された結果であると考えられている(非特許文献4のP130、または、非特許文献6のP846参照)。   Considering the high physical stability of graphite network (one sheet is called graphene) and the non-permeability of materials, and the high chemical stability of carbon in air and water, this carbon nanocapsule without defects is extremely Although it is expected to have a high barrier function, the oxidation resistance characteristic up to 500 ° C. of the lanthanum carbide-encapsulated carbon nanocapsule shown above is considered to be a result of the barrier function being fully exhibited. (See P130 of Non-Patent Document 4 or P846 of Non-Patent Document 6).

なぜならこの500℃という温度は、経験的に知られている空気中で炭素の酸化開始温度500℃程度と一致し、内包されているランタンカーバイド微結晶が示すであろう高活性が炭素粉末レベルに抑制されていることを示すからである(非特許文献9参照)。したがって欠陥の無いカーボンナノカプセルのバリア機能は、ランタンカーバイドに限らず、それ以外のどんな物質や元素を内包させた場合でも同様に発揮されることは明らかで、その内部空洞に内包された物質は、大気中の酸素や湿度に対して不安定な物質であっても、また、各種気体中や水中、様々な液体中であっても、これらを安定に保持することが期待できる。   Because this temperature of 500 ° C. is consistent with the empirically known air oxidation start temperature of about 500 ° C. in air, the high activity that the encapsulated lanthanum carbide microcrystals will show is at the carbon powder level. This is because it is suppressed (see Non-Patent Document 9). Therefore, it is clear that the barrier function of defect-free carbon nanocapsules is not limited to lanthanum carbide, but can be exhibited in the same way when any other substance or element is included. Even if it is a substance that is unstable to oxygen and humidity in the atmosphere, and can be expected to be stably held in various gases, water, and various liquids.

このような高い保持性能・遮蔽性能のため、放射性廃棄物の処分など、欠陥の無い内包カーボンナノカプセルは様々な応用に向けて大きな期待が寄せられている(非特許文献10参照)。欠陥の無い内包カーボンナノカプセルとは、前述した5員環の導入によって閉じられている内包カーボンナノカプセルで、貴金属元素や鉄族元素を純金属相で内包する内包カーボンナノカプセルとは、構造的にも機能的にも異なるものである。そして、そのような内包カーボンナノカプセルは、前述したように炭化物相を内包するものに限られていることがわかる。つまり、本明細書に記載された発明において取り扱う内包カーボンナノカプセルは、炭化物内包カーボンナノカプセルに限定し、金属相内包カーボンナノカプセルは取り扱わないものとする。   Due to such high retention performance and shielding performance, encapsulated carbon nanocapsules free from defects such as disposal of radioactive waste are highly expected for various applications (see Non-Patent Document 10). Encapsulated carbon nanocapsules without defects are encapsulated carbon nanocapsules closed by the introduction of the five-membered ring described above. Encapsulated carbon nanocapsules encapsulating noble metal elements and iron group elements in a pure metal phase are structurally Are also functionally different. And it turns out that such an inclusion | inner_cover carbon nanocapsule is restricted to what includes a carbide | carbonized_material phase as mentioned above. In other words, the inclusion carbon nanocapsules handled in the invention described in this specification are limited to carbide inclusion carbon nanocapsules, and do not handle metal phase inclusion carbon nanocapsules.

内包カーボンナノカプセルは、前述の改良クレッチマー−ハフマン法(非特許文献3、特許文献2、および非特許文献4のP7およびP128参照)に加えて、タングステンアーク・金属プール法(US Patent No.5,472,749(1995)、非特許文献6のP853参照)、プラズマトーチ法(非特許文献6のP854参照)、イオンビームスパッタ法(非特許文献6のP857参照)、ダイヤモンドナノ粒子混合加熱法(特許文献3)、前駆体熱処理法(特許文献4)等の方法によって製造することが出来ると報告されている。   In addition to the above-described improved Kretschmer-Huffman method (see Non-Patent Document 3, Patent Document 2, and P7 and P128 of Non-Patent Document 4), the encapsulated carbon nanocapsule is made of tungsten arc / metal pool method (US Patent No. 5). 472, 749 (1995), P853 of Non-Patent Document 6), plasma torch method (see P854 of Non-Patent Document 6), ion beam sputtering method (see P857 of Non-Patent Document 6), diamond nanoparticle mixed heating method It has been reported that it can be produced by a method such as (Patent Document 3) and a precursor heat treatment method (Patent Document 4).

特開2007−84364号公報JP 2007-84364 A 特許3682792号公報Japanese Patent No. 3682792 特開2001−39797号公報JP 2001-39797 A 特許4020265号公報Japanese Patent No. 4020265 特許3381798号公報Japanese Patent No. 338798 特開2005−343784号公報JP 2005-343784 A

R.S. Ruoff, D.C. Lorents, B. Chan, R. Malhotra, S. Subramoney, Science, 259, 346-348(1993).R.S.Ruoff, D.C.Lorents, B. Chan, R. Malhotra, S. Subramoney, Science, 259, 346-348 (1993). M. Tomita, Y. Saito, T. Hayashi, Jpn. J. Appl. Phys., 32, L280-282 (1993).M. Tomita, Y. Saito, T. Hayashi, Jpn. J. Appl. Phys., 32, L280-282 (1993). R.E. Haufler, J. Conceicao, L.F.P. Chibante, Y. Chai, N.E. Byrne, S. Flanagan, M. M. Haley, S. C. O’Brien, C. Pan, Z. Xiao, W. E. Billups, M. A. Ciufolni, R. H. Hauge, J. L. MarGrave, L. J. Wilson, R. F. Curl, R. E. Smalley, J. Phys. Chem., 94, 8634-8636(1990).RE Haufler, J. Conceicao, LFP Chibante, Y. Chai, NE Byrne, S. Flanagan, MM Haley, SC O'Brien, C. Pan, Z. Xiao, WE Billups, MA Ciufolni, RH Hauge, JL MarGrave, LJ Wilson, RF Curl, RE Smalley, J. Phys. Chem., 94, 8634-8636 (1990). 斎藤弥八、坂東俊治、「カーボンナノチューブの基礎」、コロナ社、1998.Yahachi Saito, Shunji Bando, “Basics of Carbon Nanotubes”, Corona, 1998. Y. Saito, T. Yoshikawa, M. Inagaki, M. Tomita, T. Hayashi, Chem. Phys. Lett., 204, 277-282(1993).Y. Saito, T. Yoshikawa, M. Inagaki, M. Tomita, T. Hayashi, Chem. Phys. Lett., 204, 277-282 (1993). ”Fullerenes, Chemistry, Physics and Technology”, K. M. Kadish and R. S. Ruoff, Editors; Wiley-Interscience; New York (2000).“Fullerenes, Chemistry, Physics and Technology”, K. M. Kadish and R. S. Ruoff, Editors; Wiley-Interscience; New York (2000). 奥 健夫;「炭素素原料科学と材料設計II」、P11、CPC研究会(2000).Takeo Oku; “Carbon Raw Material Science and Material Design II”, P11, CPC Study Group (2000). ”Bulk Synthesis and Characterization of Carbon Nanocapsules Containing Lanthanum Carbide”, in Fullerenes, Vol. 14, P. V. Kamat, D. M. Guldi, F. D’Souza and S. Fukuzumi, Editors, PV 2004-12, P110-117, The Electrochemical Society, Pennington, NJ (2004)“Bulk Synthesis and Characterization of Carbon Nanocapsules Containing Lanthanum Carbide”, in Fullerenes, Vol. 14, PV Kamat, DM Guldi, F. D'Souza and S. Fukuzumi, Editors, PV 2004-12, P110-117, The Electrochemical Society , Pennington, NJ (2004) 炭素材料学会編、「最新の炭素材料実験技術(物性・材料評価編)」、P19(2003).Edited by the Carbon Materials Society of Japan, “Latest Carbon Materials Experiment Technology (Physical Properties / Material Evaluation)”, P19 (2003). K. Yamamoto, T. Wakahara, T. Akasaka, Prog. Nucl. Energy, 47, 616-623(2005).K. Yamamoto, T. Wakahara, T. Akasaka, Prog. Nucl. Energy, 47, 616-623 (2005). 斉藤弥八、プラズマ・核融合学会誌、75巻、P902−909(1999).Saito Yahachi, Journal of Plasma and Fusion Research, 75, P902-909 (1999). L.F.P. Chibante, A. Thess, J. M. Alford, M. D. Diener, R. E. Smalley, J. Phys. Chem., 97, 8696-8700(1993).L.F.P. Chibante, A. Thess, J. M. Alford, M. D. Diener, R. E. Smalley, J. Phys. Chem., 97, 8696-8700 (1993).

しかし上述の内包カーボンナノカプセルの製造方法のうち、タングステンアーク・金属プール法、プラズマトーチ法、イオンビームスパッタ法、ダイヤモンドナノ粒子混合加熱法の4つは、Fe,Co、Ni等の遷移金属元素の純金属相およびそれらの合金相を内包したカーボンナノカプセルの製造にのみ適用可能な方法であり、金属炭化物内包カーボンナノカプセルの製造には適用できなかった。   However, among the above-mentioned methods for producing encapsulated carbon nanocapsules, the tungsten arc / metal pool method, plasma torch method, ion beam sputtering method, and diamond nanoparticle mixed heating method are transition metal elements such as Fe, Co, and Ni. This method is applicable only to the production of carbon nanocapsules encapsulating pure metal phases and their alloy phases, and cannot be applied to the production of carbon nanocapsules encapsulating metal carbide.

改良クレッチマー−ハフマン法は、金属炭化物内包カーボンナノカプセルの発見につながった方法であり、その直流アーク放電法を基本とした陰極堆積物の製造は、金属炭化物内包カーボンナノカプセルの主要な製造方法となっている。ただしこの方法においては、材料は一旦高温になって気相状態を経ること、ならびにその後の急凝縮によりアーク近傍で直接的に内包カーボンナノカプセルを形成するため、内包カーボンナノカプセルの粒子サイズ分布やグラフェン相数の制御が困難であるという問題があった。   The improved Kretschmer-Huffman method has led to the discovery of metal carbide-encapsulated carbon nanocapsules, and the production of cathode deposits based on the DC arc discharge method is the main production method of metal carbide-encapsulated carbon nanocapsules. It has become. However, in this method, since the material once reaches a high temperature and passes through a gas phase state, and encapsulated carbon nanocapsules are formed directly near the arc by the subsequent rapid condensation, the particle size distribution of the encapsulated carbon nanocapsules and There was a problem that it was difficult to control the number of graphene phases.

なお、直流アーク放電に対して三相またはそれ以上の多相交流アーク放電を利用してナノカーボンを製造する方法も、また多く報告されている(特許文献6など)。しかし、これらの多相交流アーク放電法により金属内包フラーレンの製造に成功したという信頼できる報告は無く、多相交流アーク放電法は利用されていない。さらに、多相交流アーク放電法では陽極と陰極が時間とともに入れ替わり定常的な陰極は存在していないので基本的に陰極堆積物が生成しない方法とされている。そのため、改良クレッチマー−ハフマン法のように陰極堆積物を利用した金属炭化物内包カーボンナノカプセルの生成には不向きと考えられ、成功したという例はこれまで報告されていない。   Many methods have also been reported for producing nanocarbons using three-phase or higher multi-phase AC arc discharge with respect to DC arc discharge (Patent Document 6, etc.). However, there is no reliable report that the metal-encapsulated fullerene has been successfully produced by these multiphase AC arc discharge methods, and the multiphase AC arc discharge method is not utilized. Furthermore, in the multi-phase alternating current arc discharge method, the anode and the cathode are switched with time and there is no stationary cathode, so that the cathode deposit is basically not generated. Therefore, it is considered unsuitable for producing metal carbide-encapsulated carbon nanocapsules using cathode deposits as in the modified Kretschmer-Huffman method, and no successful examples have been reported so far.

改良クレッチマー−ハフマン法における上記の問題を克服するため、前記した前駆体熱処理法が開発された。この前駆体熱処理法では、被内包物質を含んだ複合炭素電極を用いて直流アーク放電を行い、まず「内包カーボンナノカプセル前駆体」を含んだフラーレン煤を製造したのち、次にこれを加熱処理することにより、目的の内包カーボンナノカプセルを製造する方法である。この方法は、被内包物質を含んだ複合炭素電極から、ヘリウム圧力15〜100Torr中でフラーレン煤を調製する第一工程と、得られたフラーレン煤を真空中または不活性ガス雰囲気下において500〜3000℃で加熱処理する第二工程に分かれている。この前駆体熱処理法では、第二工程において最高熱処理温度を任意に選ぶことができるので、生成する内包カーボンナノカプセルの粒径とグラフェン層数を調節することが可能となる。   In order to overcome the above problems in the improved Kretschmer-Huffman method, the precursor heat treatment method described above has been developed. In this precursor heat treatment method, direct current arc discharge is performed using a composite carbon electrode containing an encapsulated substance, and first, fullerene soot containing “encapsulated carbon nanocapsule precursor” is produced, and then this is heat-treated. This is a method for producing the desired encapsulated carbon nanocapsule. In this method, a first step of preparing fullerene soot from a composite carbon electrode containing an encapsulated substance at a helium pressure of 15 to 100 Torr, and the resulting fullerene soot in a vacuum or under an inert gas atmosphere is 500 to 3000. It is divided into the second step of heat treatment at ° C. In this precursor heat treatment method, the maximum heat treatment temperature can be arbitrarily selected in the second step, so that it is possible to adjust the particle size and the number of graphene layers of the produced encapsulated carbon nanocapsules.

前駆体熱処理法の第一工程では、被内包物質を含んだ複合炭素電極を直流アーク放電により蒸発させて、内包カーボンナノカプセル前駆体が含まれるフラーレン煤を製造する(特許文献4)。しかしこの工程において直流アーク放電法を採用しているため、被内包物質を含む複合炭素陽極から蒸発した物質の半分以上が、スラグ状堆積物として陰極上に凝縮することが避けられない。このような堆積物が生成することは、純粋に電極材料の損失であり、フラーレン煤の収率低下につながる。このため、フラーレン煤の収率(当該電極から蒸発した物質がフラーレン煤へ変換する効率:重量%)は100%よりかなり低くなり、通常20〜40%程度(悪ければ10%以下)というのが現状である。堆積物生成によるフラーレン煤の収率低下は深刻な問題で、以後、この問題を「堆積物生成問題」と称する。   In the first step of the precursor heat treatment method, the composite carbon electrode containing the encapsulated substance is evaporated by DC arc discharge to produce a fullerene soot containing the encapsulated carbon nanocapsule precursor (Patent Document 4). However, since the direct current arc discharge method is adopted in this process, it is inevitable that more than half of the material evaporated from the composite carbon anode including the inclusion material is condensed on the cathode as a slag deposit. The generation of such a deposit is purely a loss of electrode material, leading to a decrease in the yield of fullerene soot. For this reason, the yield of fullerene soot (efficiency in which the substance evaporated from the electrode is converted to fullerene soot: wt%) is considerably lower than 100%, usually about 20 to 40% (less than 10% if bad). Currently. A decrease in the yield of fullerene soot due to deposit formation is a serious problem, and this problem is hereinafter referred to as “sediment formation problem”.

この堆積物中には少量の多層カーボンナノチューブや内包カーボンナノカプセルが含まれるが、当該堆積物全体からみるとその割合は極めてわずかである。そして堆積物の主成分は、グラファイト片やアモルファス炭素等の炭素系物質、ならびに被内包物質が内包されずにマクロ粒子を形成したもの、などであるとされている(非特許文献8のFig. 1参照)。フラーレン煤生成の収率を高めるには、このスラグ状堆積物ができるだけ生成しないようにすることが望ましいとされている(非特許文献11のP905参照)。   A small amount of multi-walled carbon nanotubes and encapsulated carbon nanocapsules are contained in the deposit, but the ratio is extremely small when viewed from the entire deposit. The main components of the deposit are said to be carbon-based materials such as graphite pieces and amorphous carbon, and those in which macro-particles are formed without inclusion of encapsulated materials (see Fig. 9 of Non-Patent Document 8). 1). In order to increase the yield of fullerene soot generation, it is desirable that this slag deposit is not generated as much as possible (see P905 of Non-Patent Document 11).

この「堆積物生成問題」を解決するには、大きく分けて2つの異なった道がある。堆積物の生成を認め、これを処理してフラーレン煤へ変換する方法をさぐる道と、堆積物の生成そのものを防ごうとする道である。   There are roughly two different ways to solve this “sediment generation problem”. It is a path to find out the formation of deposits, search for a way to treat it and convert it to fullerene soot, and a path to prevent the formation of deposits themselves.

フラーレン煤の製造においては、陰極堆積物の生成後、電極の極性を反転させて直流アーク放電を行い、当該陰極堆積物を飛散せしめ、フラーレン煤に再変換する操作がしばしば行われて来た(特許文献5の段落「0014」参照)。この操作は「電極反転アーク放電法」などと称されるが、この操作を繰り返すと、最終的にスラグ状堆積物の生成量は約10%まで抑えられ、結果としてフラーレン煤への変換収率は90%になったという報告がある(非特許文献11のP906参照)。   In the production of fullerene soot, after the cathode deposit is produced, the polarity of the electrode is reversed and a direct current arc discharge is performed, and the cathode deposit is scattered and re-converted into fullerene soot. (See paragraph “0014” of Patent Document 5). This operation is called “electrode reversal arc discharge method” and the like, but when this operation is repeated, the amount of slag deposits is finally reduced to about 10%, resulting in the conversion yield to fullerene soot. Is 90% (see P906 of Non-Patent Document 11).

しかしこの手法を実行しようとすると、スラグ状で崩れやすい陰極堆積物を取り外して陽極側に取り付ける際や、繰り返し大電流を流して放電作業を行う際などに、当該堆積物の破損が極めて起こりやすいことが認識される。したがってこの方法には課題が多く、実施にはかなりの困難を伴うことがわかった。   However, if this method is attempted, the deposit will be very easily damaged when the sludge-like collapsible cathode deposit is removed and attached to the anode side, or when a large current is repeatedly applied to perform discharge work. It is recognized. Therefore, this method has many problems, and it has been found that it is quite difficult to implement.

さらに、「電極反転アーク放電法」では大電力を消費するアーク放電を何度も繰り返し行うことになり、得られるフラーレン煤の最終的な製造コストが高くなる。以上のことから、「堆積物生成問題」を解決する方法としては、なるべく低コストで、また操作が簡便な方法が望ましい。   Furthermore, in the “electrode reversal arc discharge method”, arc discharge that consumes a large amount of power is repeated many times, and the final production cost of the fullerene cake obtained increases. From the above, as a method for solving the “deposit generation problem”, a method that is as low as possible and easy to operate is desirable.

「堆積物生成問題」を解決するもうひとつの方法として、蒸発物が陰極上にスラグとして凝縮しないように、放電のプロセス条件などを改善する試みがある。1990年のフラーレン大量合成法の発見からこれまでに、直流アーク放電時の電流や電圧、電極間のアークギャップ距離、雰囲気ガスの種類や圧力など、多くのプロセス条件の最適化が試みられてきた(非特許文献4のP35〜36参照、非特許文献12)。しかしこれらの最適化にもかかわらずかなりの程度の堆積物生成は避けられず、陽極の複合電極をフラーレン煤へ変換する収率は高くても40%程度にしかならないことがわかった(非特許文献8のTable 1参照)。   As another method for solving the “deposit generation problem”, there is an attempt to improve the process conditions of the discharge so that the evaporant does not condense as slag on the cathode. Since the discovery of the fullerene mass synthesis method in 1990, many process conditions such as current and voltage during DC arc discharge, arc gap distance between electrodes, atmospheric gas type and pressure have been optimized. (See P35 to 36 of Non-Patent Document 4, Non-Patent Document 12). However, despite these optimizations, a considerable degree of deposit formation was unavoidable, and it was found that the yield of converting the composite electrode of the anode to fullerene soot was only about 40% (non-patented). (See Table 1 in Reference 8).

上記したように、直流アーク放電法を採用する限り、陰極堆積物を低コストで大幅に減らす手段は無く、「堆積物生成問題」は解決が困難なままであった。   As described above, as long as the direct-current arc discharge method is employed, there is no means for greatly reducing the cathode deposit at low cost, and the “deposit generation problem” remains difficult to solve.

一方、交流アーク放電法では陰極が一方の電極側に固定されないので、堆積物の生成が起こり難いと期待される(非特許文献12のP905参照)。このような理由から、「改良クレッチマー−ハフマン法」が報告された当初から交流アーク放電法が有望視されたが、直流アーク放電法と同様の堆積物が形成されることが実験的にすぐに明らかになった(非特許文献3)。二相交流アーク放電でも電極構造が非対称な場合は、サイズが大きくて温度が低い側の電極に堆積物が集中的に付着し、電極同士がコンタクトする点の周辺表面に火山状に成長する。この状況では交流成分の一方向のみを利用していることになり、実質は直流アーク放電と変わらないことになる。このため交流アーク放電を長時間継続させることは出来ず、しばしば放電を止めて堆積物を取り除く必要があることが報告されている(非特許文献3のP8634参照)。   On the other hand, in the AC arc discharge method, since the cathode is not fixed to one electrode side, it is expected that the formation of deposits hardly occurs (see P905 of Non-Patent Document 12). For this reason, the AC arc discharge method has been considered promising from the beginning when the "improved Kretschmer-Huffman method" was reported, but it was immediately experimentally confirmed that a deposit similar to the DC arc discharge method was formed. It became clear (Non-Patent Document 3). When the electrode structure is asymmetric even in the two-phase AC arc discharge, deposits concentrate on the electrodes having a large size and a low temperature, and grow in a volcanic shape on the peripheral surface where the electrodes contact each other. In this situation, only one direction of the AC component is used, which is substantially the same as DC arc discharge. For this reason, it has been reported that AC arc discharge cannot be continued for a long time, and it is often necessary to stop discharge and remove deposits (see P8634 of Non-Patent Document 3).

この堆積物の生成と付着を無くすため、サイズが完全に等しく構造的に対称な電極間で二相交流アーク放電を行うことが1990年から提案されていた(非特許文献3のP8634参照)。しかし、この構成で二相または多相交流アーク放電試験を行い、金属内包フラーレンや内包カーボンナノカプセルを製造したという報告を見つけることは出来なかった。そこで発明者らは提案された条件を実現し、「対称二相交流アーク放電法」によるフラーレン煤の生成試験を行ったところ、かなりの量のスラグ状堆積物が電極上に生成することがわかり、堆積物が全く生成しないのではないかという20年来の期待は裏切られる結果となった。二相交流アーク放電法の堆積物は、電極先端の消耗面の脇に付着し(比較例1の図3参照)、時間経過とともに大きく成長する。このように、「堆積物生成問題」は「対称二相交流アーク放電法」によっても解決できない問題であることがわかった。   In order to eliminate the formation and adhesion of this deposit, it has been proposed since 1990 to perform a two-phase AC arc discharge between electrodes that are completely equal in size and structurally symmetrical (see P8634 of Non-Patent Document 3). However, it was not possible to find a report that metal-encapsulated fullerenes or encapsulated carbon nanocapsules were produced by conducting a two-phase or multi-phase AC arc discharge test with this configuration. Therefore, the inventors realized the proposed conditions and conducted a fullerene soot production test using the `` symmetric two-phase alternating current arc discharge method '', and found that a considerable amount of slag deposits were produced on the electrode. The 20-year expectation that no deposits would be generated was disappointing. The deposit of the two-phase alternating current arc discharge method adheres to the side of the consumable surface at the tip of the electrode (see FIG. 3 of Comparative Example 1) and grows with time. Thus, it was found that the “deposition generation problem” cannot be solved even by the “symmetric two-phase AC arc discharge method”.

以上のように、被内包物質を含んだ複合炭素電極を用いてアーク放電を行い、これをフラーレン煤に変換する工程においては、直流アーク放電法を用いるか、二相交流アーク放電法を用いるかの如何に関わらず、フラーレン煤の製造時には電極上にスラグ状の堆積物が常に副生し、これによりフラーレン煤の収率が低く抑えられることがわかった。言い換えると、「堆積物生成問題」は現在まで解決が困難な問題として残されたままであった。また、一方では、多相交流アーク放電法を用いるとスラグ状堆積物が生成しないため複合炭素電極からほぼ100%の収率でフラーレン煤が得られるが、この方法で得られるフラーレン煤にはカーボンナノチューブに代表されるナノ構造炭素材料は含まれるが、金属内包フラーレンや金属炭化物内包ナノカプセル前駆体は全く含まれないため利用できないという問題があった。   As described above, in the process of performing arc discharge using the composite carbon electrode containing the encapsulated substance and converting it to fullerene soot, whether the DC arc discharge method or the two-phase AC arc discharge method is used. Regardless of the above, it was found that during the production of fullerene soot, slag-like deposits were always produced as by-products on the electrode, and the yield of fullerene soot was kept low. In other words, the “sediment generation problem” has remained a difficult problem to date. On the other hand, when a multiphase AC arc discharge method is used, slag deposits are not generated, and therefore, fullerene soot is obtained with a yield of almost 100% from a composite carbon electrode. Nanostructured carbon materials typified by nanotubes are included, but metal-encapsulated fullerenes and metal carbide-encapsulated nanocapsule precursors are not included at all, resulting in a problem that they cannot be used.

したがって、その粒径とグラフェン層数を制御しながら金属炭化物内包カーボンナノカプセルを製造できる方法は前駆体熱処理法のみで、この点から最も有望な製造方法であると考えられる。そして、この前駆体熱処理法の第一工程は、被内包物質を含む複合炭素電極から、内包カーボンナノカプセル前駆体を含むフラーレン煤を調製する工程である。この第一工程がかかえる最大の課題は「堆積物生成問題」であり、複合炭素電極から蒸発した物質がグラファイト等を含んだスラグ状堆積物として凝縮することを抑えてフラーレン煤が生成する割合を増やすことが求められている。   Therefore, the metal carbide-encapsulated carbon nanocapsules can be produced only by the precursor heat treatment method while controlling the particle size and the number of graphene layers, and this is considered the most promising production method. The first step of this precursor heat treatment method is a step of preparing fullerene soot containing an encapsulated carbon nanocapsule precursor from a composite carbon electrode containing an encapsulated substance. The biggest problem with this first step is the “sediment formation problem”. The rate at which fullerene soot is generated by suppressing the condensation of the material evaporated from the composite carbon electrode as slag deposits containing graphite and the like is determined. There is a need to increase it.

そこで本発明の目的は、この前駆体熱処理法の前記第一工程においてスラグ状堆積物の生成を抑制するようにすると同時に、生成するフラーレン煤中に内包カーボンナノカプセル前駆体が大量に含まれる製造方法を提供することにある。例えば、複合炭素電極から内包カーボンナノカプセル前駆体を含むフラーレン煤を調製する工程として100%近い従来よりも極めて高い収率を達成する方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to suppress the formation of slag deposits in the first step of the precursor heat treatment method, and at the same time, produce a fullerene soot to be produced contains a large amount of encapsulated carbon nanocapsule precursors. It is to provide a method. For example, it is to provide a method of achieving a significantly higher yield than the conventional approach of nearly 100% as a step of preparing fullerene soot containing an encapsulated carbon nanocapsule precursor from a composite carbon electrode.

本発明の発明者らは、前記された課題を解決することを目的として、アーク放電の制御について研究を継続するとともに、生成するフラーレン煤の特性評価研究に長年にわたり携わってきた。これらの研究の結果、スラグ状堆積物が生成しないため複合炭素電極からほぼ100%の収率でフラーレン煤が得られる多相交流アーク放電法において、このフラーレン煤に前述の「内包カーボンナノカプセル前駆体」を大量に含有させる条件を発見した。なお、本明細書においては、「多相交流」という用語に関しては「二相交流」を含まないものとして定義し、使用する。すなわち本明細書においては、「多相交流」とは、三相以上の交流を表すものとする。   The inventors of the present invention have continued research on the control of arc discharge for the purpose of solving the above-described problems and have been engaged in research on characteristics evaluation of fullerene soot produced for many years. As a result of these studies, in the multi-phase alternating current arc discharge method in which fullerene soot is obtained with a yield of almost 100% from the composite carbon electrode because no slag deposits are formed, this fullerene soot is added to the aforementioned “encapsulated carbon nanocapsule precursor”. I found a condition to contain a large amount of "body". In the present specification, the term “multi-phase alternating current” is defined and used as not including “two-phase alternating current”. That is, in this specification, “multi-phase alternating current” represents alternating current of three or more phases.

すなわち本発明は、放電容器内に導入したヘリウム雰囲気中において、二次元または三次元に配置された3つ以上の放電電極にそれぞれ位相差のある交流を印加してアーク放電を発生させ、この多相交流アーク放電により形成されたプラズマ領域を用いて複合炭素原料を蒸発せしめ、蒸発した全量を当該プラズマ領域内で凝縮させて前記容器内壁にフラーレン煤として付着させる製造方法であって、前記容器内のヘリウム圧力を15〜90Torrとすることによって、被内包物質を内包した微小な内包カーボンナノカプセル状物質を内包カーボンナノカプセル前駆体として前記容器内壁に付着する煤中に生成させることを特徴とする内包カーボンナノカプセル前駆体の製造方法である。好ましくは、前記複合炭素原料は、前記放電電極に含まれる被内包物質と炭素であることを特徴とする。さらに前記複合炭素原料は、前記プラズマ領域に外部から投入される被内包物質と炭素の複合体、化合物、または混合物であることを特徴とする。   That is, according to the present invention, an arc discharge is generated by applying an alternating current having a phase difference to three or more discharge electrodes arranged two-dimensionally or three-dimensionally in a helium atmosphere introduced into a discharge vessel. A manufacturing method in which a composite carbon raw material is evaporated using a plasma region formed by a phase alternating current arc discharge, and the entire evaporated amount is condensed in the plasma region and adhered to the inner wall of the container as a fullerene soot. By forming a helium pressure of 15 to 90 Torr, a fine encapsulated carbon nanocapsule material encapsulating the encapsulated material is generated in the soot attached to the inner wall of the container as an encapsulated carbon nanocapsule precursor. It is a manufacturing method of the inclusion carbon nanocapsule precursor. Preferably, the composite carbon raw material is an inclusion substance and carbon contained in the discharge electrode. Further, the composite carbon raw material is a composite, compound, or mixture of an encapsulated substance and carbon introduced from the outside into the plasma region.

本発明によれば、スラグ状堆積物の生成を抑制して、前記複合炭素原料から実質的に収率100%で、前記内包カーボンナノカプセル前駆体を含有するフラーレン煤を製造することができる。   According to the present invention, fullerene soot containing the encapsulated carbon nanocapsule precursor can be produced from the composite carbon raw material in a substantially 100% yield while suppressing the generation of slag deposits.

本発明によるフラーレン煤の製造方法によれば、被内包物質を含む複合炭素電極から、スラグ状堆積物を生成させることなく、内包カーボンナノカプセル前駆体を含有したフラーレン煤のみを選択的に製造することができる。   According to the method for producing fullerene soot according to the present invention, only fullerene soot containing an encapsulated carbon nanocapsule precursor is selectively produced from a composite carbon electrode containing an encapsulated substance without producing a slag-like deposit. be able to.

本発明に係る実施形態の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of embodiment which concerns on this invention. 比較例1の「対称二相交流アーク放電法」で使用した後の電極の写真である。4 is a photograph of an electrode after being used in the “symmetric two-phase AC arc discharge method” of Comparative Example 1. 実施例1の「三相交流アーク放電法」で使用した後の電極の写真である。2 is a photograph of an electrode after being used in the “three-phase AC arc discharge method” in Example 1. FIG. 六相交流アーク放電法によるフラーレン煤製造試験直後の電極写真である。It is an electrode photograph immediately after the fullerene soot production test by the six-phase alternating current arc discharge method. 六相交流アーク放電法でヘリウム圧100−110Torrにおいて生成したランタンフラーレン煤の高分解能TEM写真である。It is a high-resolution TEM photograph of the lanthanum fullerene soot produced | generated in the helium pressure 100-110 Torr by the six-phase alternating current arc discharge method. 十二相交流アーク放電法でヘリウム圧50Torrにおいて生成したランタンフラーレン煤の高分解能TEM写真である。It is a high-resolution TEM photograph of the lanthanum fullerene soot produced | generated in helium pressure 50Torr by the twelve-phase alternating current arc discharge method.

以下、本発明に係る実施形態ついて詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例を含むものであるから、技術的に種々の制限がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail. In addition, since embodiment described below contains a preferable specific example in implementing this invention, various restrictions are made | formed technically, This invention limits this invention especially in the following description. Unless explicitly stated, the present invention is not limited to these forms.

図1は、本発明に係る実施形態に関する概略断面図を示している。円筒状の放電容器1は、機密性の高い金属製真空チャンバから構成される真空装置である。放電容器1の側面部2には、後述するように棒状の放電電極10〜15及び放電電極20〜25が上下2段に設置されている。各放電電極は側面部2を貫通して先端部が放電容器1内に設置されている。また、放電容器1内のヘリウムガス圧力を測定するため、圧力計43が放電容器1と流体的に接続されている。   FIG. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment according to the invention. The cylindrical discharge vessel 1 is a vacuum device composed of a highly confidential metal vacuum chamber. On the side surface portion 2 of the discharge vessel 1, rod-shaped discharge electrodes 10 to 15 and discharge electrodes 20 to 25 are installed in two upper and lower stages as described later. Each discharge electrode penetrates the side surface portion 2 and has a tip portion installed in the discharge vessel 1. Further, a pressure gauge 43 is fluidly connected to the discharge vessel 1 in order to measure the helium gas pressure in the discharge vessel 1.

放電電極は、炭素電極を用いると炭素フラーレン等のナノ構造炭素材料の原料とすることができるが、被内包物質を含む複合炭素電極を用いると、内包ナノカプセル前駆体の原料とすることができる。また単層カーボンナノチューブや二層カーボンナノチューブ製造に用いられる触媒金属等を含む複合炭素電極を用いると、これらのカーボンナノチューブの原料とすることができる。なお複合炭素電極は、すべての放電電極に用いるだけでなく、一部の放電電極に用いることもできる。複合炭素電極に混入する元素としては、大多数のランタノイド元素、鉄族元素(鉄、コバルト、ニッケル)、アルカリ土類元素(カルシウム、ストロンチウム等)、IVおよびV族遷移金属元素(チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル等)、VIおよびVII族遷移金属元素(クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、レニウム等)、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、アンチモン、イオウ、セレン、アクチノイド元素(ウラン、トリウム等)などであり、単体で混入しても幾種類かを混ぜて混入してもよい。また、電極毎に同じまたは異なる元素を含むものとして用い、さらに幾種類かの元素を混ぜて混入したものを用いることも出来る。   The discharge electrode can be used as a raw material for a nanostructured carbon material such as carbon fullerene when a carbon electrode is used, but can be used as a raw material for an encapsulated nanocapsule precursor when a composite carbon electrode containing an inclusion substance is used. . Further, when a composite carbon electrode containing a catalyst metal used for producing single-walled carbon nanotubes or double-walled carbon nanotubes is used, it can be used as a raw material for these carbon nanotubes. The composite carbon electrode can be used not only for all discharge electrodes but also for some discharge electrodes. Elements mixed in the composite carbon electrode include most lanthanoid elements, iron group elements (iron, cobalt, nickel), alkaline earth elements (calcium, strontium, etc.), IV and V group transition metal elements (titanium, zirconium, Hafnium, vanadium, niobium, tantalum, etc.), group VI and VII transition metal elements (chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, etc.), boron, silicon, germanium, antimony, sulfur, selenium, actinoid elements (uranium, thorium, etc.) It may be mixed alone or several types may be mixed. In addition, it is possible to use an electrode containing the same or different elements for each electrode, and further use a mixture of several kinds of elements mixed.

放電容器1の上面部4にはガス供給口45が開口しており、ガス供給部からヘリウムガスが供給される。ガス供給部では、ヘリウムガスは供給タンク40から供給弁42を介して供給される。これまでの試験の結果では、ヘリウム圧力が15Torr未満では金属炭化物内包カーボンナノカプセル前駆体の生成がほとんど見られず、また、90Torrを超えると生成が安定しなくなり、100Torr以上ではカーボンナノチューブの生成が見られるようになった。したがって、供給するヘリウムの圧力はアーク放電時に15〜90Torrに維持することが必須である。   A gas supply port 45 is opened in the upper surface portion 4 of the discharge vessel 1, and helium gas is supplied from the gas supply portion. In the gas supply unit, helium gas is supplied from the supply tank 40 via the supply valve 42. As a result of the tests so far, when the helium pressure is less than 15 Torr, the formation of carbon nanocapsule precursors containing metal carbide is hardly observed, and when the pressure exceeds 90 Torr, the generation becomes unstable, and when the pressure exceeds 100 Torr, the formation of carbon nanotubes is not achieved. It came to be seen. Therefore, it is essential to maintain the pressure of the supplied helium at 15 to 90 Torr during arc discharge.

また、放電容器1の下面部5にはガス排気口46が開口しており、放電容器1内のガスを排気ポンプ47により排出する。   A gas exhaust port 46 is opened in the lower surface portion 5 of the discharge vessel 1, and the gas in the discharge vessel 1 is exhausted by an exhaust pump 47.

各放電電極は、それぞれ交流電源部30に接続されており、放電電極毎に位相差のある交流が印加されるようになっている。交流電源部30は、この実施態様においては商用の三相交流を十二相交流に変換する変換する機能を備えている。   Each discharge electrode is connected to an AC power supply unit 30 so that an alternating current having a phase difference is applied to each discharge electrode. In this embodiment, the AC power supply unit 30 has a function of converting commercial three-phase AC into twelve-phase AC.

生成されたプラズマ領域内で気化された被内包物質と炭素は、プラズマ領域の周辺に行くに従い温度が低下することで内包ナノカプセル前駆体に成長し、放電容器1内の内面全体に付着する。そして、放電終了後に内面に付着したフラーレン煤を回収し、公知の方法に基づいて加熱処理を行い、所望の内包カーボンナノカプセルを得ることが出来る(特許文献4)。   The encapsulated substance and carbon vaporized in the generated plasma region grow into an encapsulated nanocapsule precursor as the temperature decreases toward the periphery of the plasma region, and adhere to the entire inner surface of the discharge vessel 1. And the fullerene soot adhering to the inner surface after completion | finish of discharge is collect | recovered, and it heat-processes based on a well-known method, and can obtain a desired inclusion carbon nanocapsule (patent document 4).

以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。   The present invention will be described in detail below based on examples.

図1に示す製造装置において、放電容器1としてステンレス製の真空チャンバ(福伸工業株式会社製)を用いた。まず、排気ポンプにより真空チャンバ内を1x10−1Torr以下まで排気した後、ヘリウム(He)ガス(純度99.99%)を60Torrの圧力となるまで供給した。 In the manufacturing apparatus shown in FIG. 1, a stainless steel vacuum chamber (Fukushin Industrial Co., Ltd.) was used as the discharge vessel 1. First, the inside of the vacuum chamber was evacuated to 1 × 10 −1 Torr or less by an exhaust pump, and then helium (He) gas (purity 99.99%) was supplied until the pressure reached 60 Torr.

同真空チャンバ内には、真空排気前にあらかじめ放電電極12本をセットしておいた。放電電極としては、ランタン酸化物(La)を0.9atom%含有する酸化ランタン含浸炭素材(東洋炭素KM−09LA)を長さ80mm、直径9mmの円柱状に成形加工したものを電極として使用した。図1の上部電極装着部にこの12本の電極をセットし、下部電極装着部は電極の取り付け無しとした。 In the same vacuum chamber, 12 discharge electrodes were set in advance before evacuation. As the discharge electrode, a lanthanum oxide impregnated carbon material (Toyo Tanso KM-09LA) containing 0.9 atom% of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) formed into a cylindrical shape having a length of 80 mm and a diameter of 9 mm is used as the electrode. Used as. The twelve electrodes were set in the upper electrode mounting portion of FIG. 1, and the lower electrode mounting portion was not attached with an electrode.

放電を行う場合には、まず、各放電電極の先端を接触させた状態で各放電電極に位相差のある交流(電圧7〜8V、電流90A)を印加した。交流電圧を印加したまま、各電極の先端を離間させるように電極本体を同時に後退させて、多相交流アーク放電(今回の場合は、十二相交流アーク放電)を開始した。隣接する放電電極の先端同士の距離が2〜10mmとなる位置にセットするとともに徐々に電流を増加させ、多相交流アーク放電(電圧10〜20V、電流90〜100A)を継続した。放電中の装置内圧力は、80〜90Torrに維持した。   When discharging, first, alternating current (voltage 7 to 8 V, current 90 A) having a phase difference was applied to each discharge electrode in a state where the tips of the respective discharge electrodes were in contact with each other. With the AC voltage applied, the electrode body was simultaneously retracted so as to separate the tips of the electrodes, and multiphase AC arc discharge (in this case, twelve-phase AC arc discharge) was started. The distance between the tips of adjacent discharge electrodes was set at a position where the distance was 2 to 10 mm, and the current was gradually increased to continue multiphase AC arc discharge (voltage 10 to 20 V, current 90 to 100 A). The internal pressure of the apparatus during discharge was maintained at 80 to 90 Torr.

十二相交流アーク放電を開始してから28分後に交流電源からの電圧印加を停止し、放冷後、真空チャンバ内を大気圧に戻し、蓋を開けて真空チャンバ内面に付着した煤状物質(フラーレン煤)を回収した。放電終了後の電極先端はどの電極もなめらかで付着物等は全く存在しなかった。さらに、電極下の真空チャンバの底面にもスラグ状堆積物等が落下している例は見られなかった。これらの観察により、複合電極から蒸発した物質がほぼすべてフラーレン煤に変換していることを確認した(表1の第6列を参照)。   28 minutes after the start of twelve-phase AC arc discharge, the voltage application from the AC power supply is stopped, and after standing to cool, the vacuum chamber is returned to atmospheric pressure, the lid is opened, and the soot-like substance adhering to the inner surface of the vacuum chamber (Fullerene soot) was recovered. At the end of the discharge, the electrode tip was smooth and no deposits or the like were present. Furthermore, no example of slag deposits falling on the bottom of the vacuum chamber below the electrodes was found. From these observations, it was confirmed that almost all of the substance evaporated from the composite electrode was converted to fullerene soot (see the sixth column of Table 1).

Figure 2012184128
Figure 2012184128

フラーレン煤の回収率は100%にやや足りないが、不足分は回収漏れ分のほか、電極に含まれるランタン酸化物の酸素が電極炭素と反応して二酸化炭素となって気相側に失われた分であると考察される。直流アーク放電の場合はフラーレン煤の回収率は前述のとおり20〜40%なので、多相交流アーク放電法の優位性は明らかである。表1には十二相アーク放電法の結果に加えて、比較のため代表的な直流アーク放電の場合の陰極堆積物の収率と、対称二相交流、三相交流、六相交流の結果を示した(表1第2−5列を参照)。   The recovery rate of fullerene soot is slightly less than 100%, but the shortage is not enough for recovery leakage, and oxygen in the lanthanum oxide contained in the electrode reacts with the electrode carbon to become carbon dioxide and is lost to the gas phase side. It is considered to be a fraction. In the case of direct current arc discharge, the recovery rate of fullerene soot is 20 to 40% as described above, and thus the superiority of the multiphase alternating current arc discharge method is clear. In addition to the results of the twelve-phase arc discharge method, Table 1 shows the results of cathode deposit yield and the results of symmetrical two-phase AC, three-phase AC, and six-phase AC in the case of a typical DC arc discharge for comparison. (See Table 1, columns 2-5).

この表から、三相交流から十二相までの交流アーク放電法では、電極堆積物がほとんど生成せず、特に、六相と十二相ではその収率が実質的にゼロであることがわかる(図3、4参照)。言い換えると、三相交流アーク放電以上の多相交流アーク放電法では、フラーレン煤の収率がほぼ100%になり、六相以上でさらに優れた効果が得られることがわかる。この傾向は、十二相を超える多相交流においても変わらないと予想される。   From this table, it can be seen that the AC arc discharge method from three-phase alternating current to twelve phases produces almost no electrode deposits, and the yield is substantially zero particularly in the six-phase and twelve phases. (See FIGS. 3 and 4). In other words, it can be seen that in the multi-phase AC arc discharge method of three-phase AC arc discharge or more, the yield of fullerene soot is almost 100%, and a more excellent effect is obtained with six or more phases. This trend is not expected to change even in multi-phase alternating current exceeding twelve phases.

十二相交流アーク放電法により平均ヘリウム圧85Torrにおいて得られたフラーレン煤の構造について、透過電子顕微鏡(TEM、JEOL、JEM−2000FE、HV=200kV)による観察と評価を行った。図6に、生成したフラーレン煤の高分解能TEM写真の例を示す。コントラストの強い部分がLaC結晶で、多くは多角形のカーボンナノカプセル状物質に内包されている。ナノカプセル壁面とLaC粒子は密着していて空隙は無く、これらが内包カーボンナノカプセル前駆体であることを示している。この写真から、LaC内包カーボンナノカプセル前駆体が、この煤に大量に含まれている状況が確認された。これらの前駆体は、サイズは径5〜10nm、グラフェンの層数は2〜6枚程度で、内包物とグラフェン殻が密着していて空隙が全く見られないことが特徴的であった。 The fullerene soot structure obtained by the twelve-phase AC arc discharge method at an average helium pressure of 85 Torr was observed and evaluated by a transmission electron microscope (TEM, JEOL, JEM-2000FE, HV = 200 kV). FIG. 6 shows an example of a high-resolution TEM photograph of the generated fullerene soot. A portion with strong contrast is LaC 2 crystal, and many of them are encapsulated in a polygonal carbon nanocapsule substance. The nanocapsule wall surface and the LaC 2 particles are in close contact with each other and there are no voids, indicating that these are encapsulated carbon nanocapsule precursors. From this photograph, it was confirmed that LaC 2 encapsulated carbon nanocapsule precursor was contained in a large amount in this bag. These precursors were characterized in that the size was 5 to 10 nm in diameter, the number of graphene layers was about 2 to 6, the inclusions and the graphene shell were in close contact, and no voids were seen.

この煤に含まれるランタンカーバイド内包カーボンナノカプセル前駆体の、内包ランタンカーバイドへの着火温度は、TGA測定から450℃で、直流アーク放電法で得られるフラーレン煤の場合(同259℃)よりもかなり高い結果が得られた。ちなみに直流アーク放電法に必ず付随する陰極堆積物に含まれるランタンカーバイド内包カーボンナノカプセルの着火温度は500℃以上であったが、含まれる量はごくわずかで、陰極堆積物の温度をさらに上げるとグラファイトに対応する燃焼ピークが出現し、ここで40%を超える大きな重量減少を示した。この陰極堆積物のTGAチャートに現れたグラファイト燃焼ピークとそれに対応する大きな重量減少は、直流アーク放電法では陽極から蒸発した物質の大半がグラファイトに変換されていることを示すものである。当然ながらこの種のグラファイト燃焼ピークは、どちらの煤(直流アーク放電煤および十二相交流アーク放電煤)のTGAチャートにおいても全く現れず、ランタンカーバイド内包カーボンナノカプセル前駆体の燃焼ピークのみ観察された。   The ignition temperature of the lanthanum carbide-encapsulated carbon nanocapsule precursor contained in this soot is 450 ° C from the TGA measurement, which is considerably higher than that of fullerene soot obtained by the DC arc discharge method (259 ° C). High results were obtained. By the way, the ignition temperature of lanthanum carbide-encapsulating carbon nanocapsules contained in the cathode deposit always accompanying the DC arc discharge method was 500 ° C. or more, but the amount contained was very small, and when the temperature of the cathode deposit was further increased A combustion peak corresponding to graphite appeared, showing a large weight loss of over 40%. The graphite combustion peak appearing on the TGA chart of the cathode deposit and the corresponding large weight reduction indicate that most of the material evaporated from the anode is converted to graphite in the DC arc discharge method. Of course, this kind of graphite combustion peak does not appear at all in the TGA chart of either 煤 (DC arc discharge 煤 and twelve-phase AC arc discharge 煤), and only the combustion peak of the lanthanum carbide encapsulated carbon nanocapsule precursor is observed. It was.

回収した十二相交流アーク放電法によるランタンフラーレン煤について、未処理の煤を煤(A)、真空下で熱処理した煤を熱処理温度と対応させて、煤(B)(熱処理温度1300℃)、煤(C)(同温度1520℃)、煤(D)(同温度1700℃)、煤(E)(同温度1860℃)、煤(F)(同温度2000℃)とそれぞれ表し、各温度で熱処理した煤について乾燥空気中で熱重量分析(TGA)した際の内包ランタンカーバイドへの着火温度をまとめて表2に示す。   About the recovered lanthanum fullerene soot by the twelve-phase alternating current arc discharge method, untreated soot (A), soot that was heat-treated under vacuum corresponding to the heat treatment temperature, soot (B) (heat treatment temperature 1300 ° C.),煤 (C) (same temperature 1520 ° C), 煤 (D) (same temperature 1700 ° C), 煤 (E) (same temperature 1860 ° C), 煤 (F) (same temperature 2000 ° C), respectively, Table 2 summarizes the ignition temperatures of the encapsulated lanthanum carbide when the heat-treated soot was subjected to thermogravimetric analysis (TGA) in dry air.

Figure 2012184128
Figure 2012184128

表2に見られる熱処理温度上昇に伴うランタンカーバイド着火温度の上昇は、先行特許である特許文献4に記載された実施例と全く同様の傾向を示すもので、本多相交流アーク放電法により得られたフラーレン煤に内包カーボンナノカプセル前駆体が含まれることを証明するものである。すなわちこの着火温度の上昇は、それぞれの煤に含まれるランタンカーバイドを内包する「内包カーボンナノカプセル前駆体」もしくは「内包カーボンナノカプセル」を構成するグラフェンの層数と相関があり、ランタンカーバイド結晶の表面を覆う平均グラフェン層数が多いほど引火しにくく、着火温度が高まることが実験的事実として報告されているからである(特許文献4)。この結果は、多相交流アーク放電法により得られたランタンフラーレン煤に、ランタンカーバイド内包カーボンナノカプセル前駆体が大量に含まれることを示すTEM写真(図6)と全く矛盾せず、整合した結果である。   The increase in the lanthanum carbide ignition temperature accompanying the increase in the heat treatment temperature shown in Table 2 shows the same tendency as that of the example described in Patent Document 4 as a prior patent, and is obtained by the present multiphase AC arc discharge method. This proves that the fullerene soot contained contains an encapsulated carbon nanocapsule precursor. In other words, this increase in the ignition temperature correlates with the number of graphene layers constituting the “encapsulated carbon nanocapsule precursor” or “encapsulated carbon nanocapsule” encapsulating the lanthanum carbide contained in each soot, and the lanthanum carbide crystal This is because it has been reported as an experimental fact that the more the average number of graphene layers covering the surface, the harder it is to ignite and the ignition temperature increases (Patent Document 4). This result is consistent with and consistent with a TEM photograph (FIG. 6) showing that a large amount of lanthanum carbide-encapsulated carbon nanocapsule precursor is contained in the lanthanum fullerene soot obtained by the multiphase AC arc discharge method. It is.

なお表2に示されるように、多相交流アーク放電法により得られるフラーレン煤は、含まれる前駆体中のLaC着火温度が熱処理前から450℃とやや高く、熱処理温度1500℃近くまでこの値はあまり変わらないことがわかる。このことは、多相交流アーク放電法により得られるフラーレン煤が広いアークプラズマ領域で、1500℃程度に相当する熱処理を受けて生成されることを示していると考えられる。 As shown in Table 2, the fullerene soot obtained by the multi-phase alternating current arc discharge method has a LaC 2 ignition temperature in the contained precursor of 450 ° C. slightly higher than that before the heat treatment, and this value until the heat treatment temperature is close to 1500 ° C. It turns out that does not change much. This is considered to indicate that the fullerene soot obtained by the multiphase AC arc discharge method is generated by a heat treatment corresponding to about 1500 ° C. in a wide arc plasma region.

なお、本実施例では、内包カーボンナノカプセル前駆体に内包される被内包物質がランタンカーバイドである例を示したが、本発明における被内包物質はランタンカーバイドに限られるものではなく、カーバイドを形成する、しないに関わらず、カーボンナノカプセルに炭化物として内包されることができる元素であれば、全てに適用できるものである。
〔比較例1〕
In the present example, the encapsulated substance included in the encapsulated carbon nanocapsule precursor is an example of lanthanum carbide, but the encapsulated substance in the present invention is not limited to lanthanum carbide, and forms carbide. Regardless of whether or not, any element that can be encapsulated as a carbide in the carbon nanocapsule is applicable.
[Comparative Example 1]

以下に、比較のため行った「対称二相交流アーク放電法」によるフラーレン煤製造試験について、実施例に基づいて説明する。   Below, the fullerene soot production test by the "symmetric two-phase alternating current arc discharge method" performed for the comparison is demonstrated based on an Example.

実験では、実施例1で用いたものと同じ装置と条件を用いた。同真空チャンバ内には、真空排気前にあらかじめ放電電極12本をセットしたが、放電を行う前に、対向する一組2本の放電電極のみ先端を接触させた状態で電極に二相交流(電圧6V、電流120A)を印加し、他の10本の電極については電圧を引加せず、想定プラズマ領域から大きく後退させた。交流電圧を印加したまま、2つの電極の先端を離間させ、二相交流アーク放電を開始した。放電電極の先端間の距離が5mm程度となる位置にセットするとともに徐々に電流を増加させ、二相交流アーク放電(He圧50〜80Torr、電圧9〜16V、電流110〜140A)を6分間継続した。   In the experiment, the same apparatus and conditions as those used in Example 1 were used. In the same vacuum chamber, 12 discharge electrodes were set in advance before evacuation, but before discharging, only two sets of opposing discharge electrodes were in contact with the two-phase alternating current ( A voltage of 6 V and a current of 120 A) were applied, and the other 10 electrodes were largely retracted from the assumed plasma region without applying a voltage. Two-phase AC arc discharge was started by separating the tips of the two electrodes while the AC voltage was applied. The distance between the tips of the discharge electrodes is set at a position where the distance is about 5 mm and the current is gradually increased, and two-phase AC arc discharge (He pressure 50 to 80 Torr, voltage 9 to 16 V, current 110 to 140 A) is continued for 6 minutes. did.

同真空チャンバ冷却後、同真空チャンバを大気圧に戻し内部を観察すると、チャンバ壁面にフラーレン煤が付着していることがわかった。また放電電極の写真(図2)が示すように、放電面の脇に大きくスラグ状堆積物が生成して付着していることが確認された。また真空チャンバ底部には、落下したスラグ状堆積物が確認された。これら電極堆積物の収率は、全蒸発量に対しておよそ30%であった。   After cooling the vacuum chamber, returning the vacuum chamber to atmospheric pressure and observing the interior, it was found that fullerene soot was attached to the chamber wall surface. Further, as shown in the photograph of the discharge electrode (FIG. 2), it was confirmed that large slag deposits were generated and adhered to the side of the discharge surface. Moreover, the fallen slag-like deposit was confirmed by the vacuum chamber bottom part. The yield of these electrode deposits was approximately 30% with respect to the total evaporation.

以下に、ヘリウム圧力範囲の特定のため行った「六相交流アーク放電法」によるフラーレン煤製造試験について、実施例に基づいて説明する。   Below, the fullerene soot production test by the “six-phase alternating current arc discharge method” conducted for specifying the helium pressure range will be described based on examples.

実施例2では、実施例1で用いたものと同じ装置と条件を用いた。同真空チェンバー内には、真空排気前にあらかじめ放電電極6本をセットし、放電を行う前に6本の放電電極のみ先端を接触させた状態で電極に六相交流(電圧6V、電流120A)を印加した。この状態で真空排気を止め、所定の圧力のヘリウムをチェンバー内に満たし、放電時のヘリウム圧力が10、20、30、50、80、100、300Torrを示すようにした。そして交流電圧を印加したまま電極の先端を離間させ、六相交流アーク放電を開始した。放電電極の先端間の距離が5mm程度となる位置にセットするとともに徐々に電流を増加させ、各圧力下で六相交流アーク放電(電圧9〜16V、電流110〜140A)を実施しそれぞれのフラーレン煤を得た。なおヘリウム圧10Torrの条件では、チェンバー内壁に付着するフラーレン煤の生成はほとんど認められず、この条件では内包カーボンナノカプセル前駆体の製造には不適当と考えられた。   In Example 2, the same apparatus and conditions as those used in Example 1 were used. In the same vacuum chamber, six discharge electrodes are set in advance before evacuation, and only six discharge electrodes are in contact with each other before discharge, and six-phase alternating current (voltage 6V, current 120A) is applied to the electrodes. Was applied. In this state, the evacuation was stopped, and the chamber was filled with a predetermined pressure of helium so that the helium pressure during discharge was 10, 20, 30, 50, 80, 100, 300 Torr. Then, the tip of the electrode was separated while the AC voltage was applied, and a six-phase AC arc discharge was started. The distance between the tips of the discharge electrodes is set at a position where the distance is about 5 mm and the current is gradually increased, and six-phase AC arc discharge (voltage 9 to 16 V, current 110 to 140 A) is performed under each pressure, and each fullerene I got a spear. Under the condition of a helium pressure of 10 Torr, the formation of fullerene soot attached to the inner wall of the chamber was hardly observed, and this condition was considered inappropriate for the production of the encapsulated carbon nanocapsule precursor.

表3に、各圧力で製造したフラーレン煤を評価した結果をまとめた。内包カーボンナノカプセル前駆体が含まれるかどうかは、TGA測定を利用した。ヘリウム圧20Torrで製造したフラーレン煤を乾燥空気中でTGA分析すると、内包されているランタンカーバイドが着火する鋭いピークが400℃前後に表れ、この条件では内包カーボンナノカプセル前駆体が生成していることが明らかになった。同様のTGA測定結果は、ヘリウム圧力30、50、80Torrで製造したフラーレン煤でも得られた(表3第2行参照)。50Torrで製造したフラーレン煤についてTEM観察を行うと、ランタンカーバイド内包カーボンナノカプセル前駆体の存在が確認された(図6)。   Table 3 summarizes the results of evaluation of fullerene soot produced at each pressure. Whether or not the encapsulated carbon nanocapsule precursor was included was determined by TGA measurement. When TGA analysis of fullerene soot produced at a helium pressure of 20 Torr is performed in dry air, a sharp peak ignited by the encapsulated lanthanum carbide appears around 400 ° C., and the encapsulated carbon nanocapsule precursor is produced under these conditions. Became clear. Similar TGA measurement results were also obtained for fullerene soots produced at helium pressures of 30, 50, and 80 Torr (see Table 3, second row). When TEM observation was performed on the fullerene soot produced at 50 Torr, the presence of the lanthanum carbide encapsulated carbon nanocapsule precursor was confirmed (FIG. 6).

Figure 2012184128
Figure 2012184128

一方、ヘリウム圧100−110Torrで製造したフラーレン煤には、TEM観察によりアモルファスカーボンが大半を占めていて、ランタンカーバイド内包カーボンナノカプセル前駆体の存在が全く確認できなかった(図5に代表例を示す)。   On the other hand, the fullerene soot produced at a helium pressure of 100-110 Torr was mostly composed of amorphous carbon by TEM observation, and the presence of lanthanum carbide-encapsulating carbon nanocapsule precursors could not be confirmed at all (a typical example in FIG. 5). Show).

一方、ヘリウム圧300−350Torrで製造したフラーレン煤には、TEM観察によりランタンカーバイド内包カーボンナノカプセル前駆体の替わりに、単層カーボンナノチューブが含まれることがわかった。   On the other hand, fullerene soot produced at a helium pressure of 300 to 350 Torr was found by TEM observation to contain single-walled carbon nanotubes instead of the lanthanum carbide-encapsulating carbon nanocapsule precursor.

以上の結果より、ランタンカーバイド内包カーボンナノカプセル前駆体は、ヘリウム圧15−90Torrの範囲で生成されることが明らかになった。   From the above results, it has been clarified that the lanthanum carbide encapsulated carbon nanocapsule precursor is produced in the range of helium pressure of 15-90 Torr.

本発明の方法で製造できる内包カーボンナノカプセル前駆体は、熱処理により容易に内包カーボンナノカプセルに変換することが出来る。これにより製造される内包カーボンナノカプセルは上述したような優れた特性を持つので、工業的に様々な分野への利用が期待できる。各種物質を内包させた内包カーボンナノカプセルは、各種の磁気記録媒体、磁気トナー、磁気インク、磁性流体、MRI用増感剤(以上の分野は、被内包物質として磁性体を使用する)、顔料、塗料、ゴム・塗料・プラスチック等のフィラー、耐火物のフィラー、走査型トンネル顕微鏡の先端チップ、エネルギー貯蔵用機器の電極、極細電子回路用の軽量部品やワイヤー、化粧品、合体防止機能を持った微粒子、大気中で酸化し易いまたは発火しやすい元素・金属・化合物等を取り扱う耐候性カプセル、高温還元雰囲気中で蒸発・昇華しやすい物質を保持するカプセル、地下冠水雰囲気下で放射性物質を保持するカプセル等の分野で利用することができる。   The encapsulated carbon nanocapsule precursor that can be produced by the method of the present invention can be easily converted to an encapsulated carbon nanocapsule by heat treatment. The encapsulated carbon nanocapsules produced thereby have excellent characteristics as described above, and therefore can be expected to be used industrially in various fields. Encapsulated carbon nanocapsules containing various substances include various magnetic recording media, magnetic toners, magnetic inks, magnetic fluids, MRI sensitizers (in the above fields, magnetic materials are used as encapsulated substances), pigments , Paint, rubber / paint / plastic filler, refractory filler, tip of scanning tunnel microscope, electrode for energy storage equipment, lightweight parts and wires for ultra-fine electronic circuits, cosmetics, union prevention function Weatherproof capsules that handle fine particles, elements, metals, compounds, etc. that easily oxidize or ignite in the atmosphere, capsules that hold substances that easily evaporate and sublime in a high-temperature reducing atmosphere, and hold radioactive substances in an underground flooded atmosphere It can be used in the field of capsules and the like.

1 放電容器
2 側面部
3 冷却空間部
4 上面部
5 下面部
6 プラズマ領域
7 触媒体
10−15 上段放電電極
20−25 下段放電電極
30 交流電源部
40 供給タンク
42 供給弁
43 圧力計
44 混合器
45 ガス供給口
46 ガス排気口
47 排気ポンプ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Discharge vessel 2 Side surface part 3 Cooling space part 4 Upper surface part 5 Lower surface part 6 Plasma area | region 7 Catalyst body 10-15 Upper stage discharge electrode 20-25 Lower stage discharge electrode 30 AC power supply part 40 Supply tank 42 Supply valve 43 Pressure gauge 44 Mixer 45 Gas supply port 46 Gas exhaust port 47 Exhaust pump.

Claims (4)

放電容器内に導入したヘリウム雰囲気中において、二次元または三次元に配置された3つ以上の放電電極にそれぞれ位相差のある多相交流を印加してアーク放電を発生させ、このアーク放電により形成されたプラズマ領域を用いて複合炭素原料を蒸発せしめ、蒸発した全量を当該プラズマ領域内で凝縮させて前記放電容器内壁にフラーレン煤として付着させる製造方法であって、前記放電容器内のヘリウム圧力を15〜90Torrとすることによって、被内包物質を内包した微小な内包カーボンナノカプセル状物質を内包カーボンナノカプセル前駆体として前記装置内壁に付着する煤中に生成させることを特徴とする金属炭化物内包カーボンナノカプセル前駆体の製造方法。   In the helium atmosphere introduced into the discharge vessel, arc discharge is generated by applying multi-phase alternating current having a phase difference to three or more discharge electrodes arranged two-dimensionally or three-dimensionally, and formed by this arc discharge. A composite carbon raw material is evaporated using the plasma region, and the total amount of the evaporated carbon is condensed in the plasma region to adhere to the inner wall of the discharge vessel as a fullerene soot, wherein the helium pressure in the discharge vessel is increased. Metal carbide-encapsulated carbon, characterized in that a fine encapsulated carbon nanocapsule material encapsulating an encapsulated substance is produced in the soot attached to the inner wall of the device as an encapsulated carbon nanocapsule precursor by setting the pressure to 15 to 90 Torr A method for producing a nanocapsule precursor. 請求項1に記載の製造方法において、前記多相交流が、六相以上であることを特徴とする金属炭化物内包カーボンナノカプセル前駆体の製造方法。   The method for producing a metal carbide-encapsulated carbon nanocapsule precursor according to claim 1, wherein the multiphase alternating current has six or more phases. 請求項1または2に記載の製造方法において、前記複合炭素原料は、前記放電電極に含まれる被内包物質と炭素であることを特徴とする金属炭化物内包カーボンナノカプセル前駆体の製造方法。   3. The method for producing a metal carbide-encapsulated carbon nanocapsule precursor according to claim 1, wherein the composite carbon raw material is an encapsulated substance and carbon contained in the discharge electrode. 請求項1または2に記載の製造方法において、前記複合炭素原料は、前記プラズマ領域に外部から投入される被内包物質と炭素の複合体、化合物、または混合物であることを特徴とする金属炭化物内包カーボンナノカプセル前駆体の製造方法。   3. The metal carbide inclusion according to claim 1, wherein the composite carbon raw material is a composite, a compound, or a mixture of an inclusion substance and carbon to be introduced into the plasma region from the outside. A method for producing a carbon nanocapsule precursor.
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