JP2012250884A - Porous carbon nitride film, method of manufacturing the same, and application using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bimodal porous carbon nitride film having macropores and mesopores, a method of manufacturing the same, and applications using the same.SOLUTION: A porous carbon nitride film is formed by a frame structure composed of carbon nitride. The frame structure has macropores and mesopores having a smaller pore diameter than the macropores. The macropores are regularly arranged in the surface direction of the porous carbon nitride film. The macropores have openings in the surface of the porous carbon nitride film.

Description

本発明は、窒化炭素膜、その製造方法およびそれを用いた用途に関し、より詳細には、バイモーダルな多孔性窒化炭素膜、その製造方法およびそれを用いた用途に関する。   The present invention relates to a carbon nitride film, a manufacturing method thereof, and an application using the carbon nitride film, and more particularly to a bimodal porous carbon nitride film, a manufacturing method thereof, and an application using the same.

窒化炭素材料は、ダイヤモンドに匹敵する硬度、強靱性、低摩擦係数、化学的不活性、安定した電界放出、ワイドバンドギャップ、生体適合性、負電子親和力、高い熱伝導性、耐酸性、耐水性等の特性を有し、生体インプラントのための生体適合コーティング材料、燃料電池の電極、ガス分離、腐食防止、触媒、潤滑作用、分子吸着およびガスセンサへの応用が期待されている。   Carbon nitride material has hardness, toughness, low friction coefficient, chemical inertness, stable field emission, wide band gap, biocompatibility, negative electron affinity, high thermal conductivity, acid resistance, water resistance comparable to diamond It is expected to be applied to biocompatible coating materials for biological implants, fuel cell electrodes, gas separation, corrosion prevention, catalysts, lubrication, molecular adsorption and gas sensors.

本願発明者らは、種々のテンプレートを用い、窒化炭素多孔体の製造に成功している(例えば、特許文献1〜3)。特許文献1および2によれば、テンプレートとしてSBA−15を用い窒化炭素多孔体を製造する技術を開示している。また特許文献3によれば、テンプレートとしてSBA−16を用い窒化炭素多孔体を製造する技術を開示している。   The inventors have succeeded in producing a carbon nitride porous body using various templates (for example, Patent Documents 1 to 3). According to Patent Documents 1 and 2, a technique for producing a carbon nitride porous body using SBA-15 as a template is disclosed. Patent Document 3 discloses a technique for producing a carbon nitride porous body using SBA-16 as a template.

しかしながら、このような窒化炭素多孔体は、いずれも、単一の孔径(50nm以下)を有するメソ多孔性材料であり、大きな分子の拡散を抑制するに好ましい。   However, all such carbon nitride porous bodies are mesoporous materials having a single pore diameter (50 nm or less), and are preferable for suppressing the diffusion of large molecules.

したがって、用途を拡大するためには、階層的に秩序化された多孔性窒化炭素材料、すなわち、マクロ細孔とメソ細孔とを有する多孔性窒化炭素材料の開発が望まれている。   Therefore, in order to expand applications, it is desired to develop a hierarchically ordered porous carbon nitride material, that is, a porous carbon nitride material having macropores and mesopores.

以上より、本発明の課題は、マクロ細孔とメソ細孔とを有するバイモーダルな多孔性窒化炭素膜、その製造方法、および、それを用いた用途を提供することである。   As described above, an object of the present invention is to provide a bimodal porous carbon nitride film having macropores and mesopores, a method for producing the same, and an application using the same.

本発明による多孔性窒化炭素膜は、窒化炭素からなるフレーム構造によって形成され、前記フレーム構造は、マクロ細孔と、前記マクロ細孔の細孔径よりも小さな細孔径を有するメソ細孔とを有し、前記マクロ細孔は、前記多孔性窒化炭素膜の表面方向に規則的に配列しており、前記マクロ細孔は、前記多孔性窒化炭素膜の表面に開口部を有し、これにより上記課題を達成する。
前記マクロ細孔の細孔径は、50nm〜15μmの範囲であってもよい。
前記メソ細孔の細孔径は、5nm〜20nmの範囲であってもよい。
前記窒化炭素は、Al、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Pd、Ag、Ta、W、PtおよびAuからなる群から選択される金属元素および/またはランタノイド元素を含有してもよい。
前記窒化炭素は、アモルファス窒化炭素であってもよい。
前記窒化炭素における窒素原子Nおよび炭素原子CによるN/(C+N)比(原子%)は、10%〜25%の範囲であってもよい。
本発明による多孔性窒化炭素膜を製造する方法は、シリカ源とブロック共重合体と含有する第1の溶液を粒子からなるマクロ細孔テンプレートに付与するステップと、前記第1の溶液が付与された前記マクロ細孔テンプレートを加熱し、前記シリカ源からシリカを生成し、前記マクロ細孔テンプレートと、前記ブロック共重合体および前記シリカからなるメソ細孔テンプレートとを有するマクロ・メソ細孔テンプレートを形成するステップと、窒化炭素前駆体を含有する第2の溶液を、前記マクロ・メソ細孔テンプレートに付与するステップと、前記第2の溶液が付与された前記マクロ・メソ細孔テンプレートを加熱し、前記窒化炭素前駆体を重合するステップと、前記重合された前記窒化炭素前駆体を有する前記マクロ・メソ細孔テンプレートを加熱し、前記重合された前記窒化炭素前駆体を炭化し、かつ、前記マクロ・メソ細孔テンプレートから前記粒子および前記ブロック共重合体を除去するステップと、前記粒子および前記ブロック共重合体が除去され、前記炭化された前記窒化炭素前駆体および前記シリカからなる生成物を酸またはアルカリ処理し、前記シリカを除去するステップとを包含し、これにより上記課題を達成する。
前記シリカ源は、テトラエトキシシラン(TEOS)またはケイ酸ナトリウムであってもよい。
前記ブロック共重合体は、P104、P123、F108およびF127からなる群から選択されてもよい。
前記窒化炭素前駆体は、ポリエチレンイミン、アニリン、メラミンおよびエチレンジアミンからなる群から選択されてもよい。
前記第2の溶液は、Al、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Pd、Ag、Ta、W、PtおよびAuからなる群から選択される金属イオンおよび/またはランタノイドイオンを含有してもよい。
前記粒子の粒径は、50nm〜15μmの範囲であってもよい。
前記シリカを生成するステップは、前記第1の溶液が付与された前記マクロ細孔テンプレートを、80℃〜150℃の温度範囲で、12時間〜36時間加熱してもよい。
前記窒化炭素前駆体を重合するステップは、前記第2の溶液が付与された前記マクロ・メソ細孔テンプレートを、50℃〜100℃の第1の温度範囲で2時間〜6時間、次いで、前記第1の温度範囲より高い160℃〜200℃の温度範囲で2時間〜6時間加熱してもよい。
前記炭化および除去するステップは、前記重合された前記窒化炭素前駆体を有する前記マクロ・メソ細孔テンプレートを、不活性雰囲気中で400℃〜600℃の温度範囲で2時間〜6時間加熱してもよい。
前記酸またはアルカリ処理は、フッ酸または水酸化ナトリウムを用いてもよい。
前記マクロ細孔テンプレートは、コロイド結晶であってもよい。
前記シリカを除去するステップに続いて、前記多孔性窒化炭素膜をオゾン処理するステップをさらに包含してもよい。
本発明によるセンサは、上記多孔性窒化炭素膜を備え、これにより上記課題を達成する。
本発明によるフィルタは、上記多孔性窒化炭素膜を備え、これにより上記課題を達成する。
The porous carbon nitride film according to the present invention is formed by a frame structure made of carbon nitride, and the frame structure has macropores and mesopores having a pore diameter smaller than the pore diameter of the macropores. The macropores are regularly arranged in the surface direction of the porous carbon nitride film, and the macropores have openings on the surface of the porous carbon nitride film, thereby Achieve the challenge.
The pore diameter of the macropores may be in the range of 50 nm to 15 μm.
The mesopores may have a pore diameter ranging from 5 nm to 20 nm.
The carbon nitride contains a metal element and / or a lanthanoid element selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Ag, Ta, W, Pt and Au. Also good.
The carbon nitride may be amorphous carbon nitride.
The N / (C + N) ratio (atomic%) due to nitrogen atoms N and carbon atoms C in the carbon nitride may be in the range of 10% to 25%.
The method for producing a porous carbon nitride film according to the present invention includes a step of applying a first solution containing a silica source and a block copolymer to a macroporous template comprising particles, and the first solution is applied. The macropore template is heated to produce silica from the silica source, and has the macropore template and the mesopore template comprising the block copolymer and the silica. Forming, applying a second solution containing a carbon nitride precursor to the macro mesopore template, and heating the macro mesopore template provided with the second solution. Polymerizing the carbon nitride precursor, and the macro mesopore template having the polymerized carbon nitride precursor. Heating the polymer, carbonizing the polymerized carbon nitride precursor, and removing the particles and the block copolymer from the macro-mesopore template; and the particles and the block copolymer Is removed, and the carbonized carbon nitride precursor and the silica product are treated with an acid or an alkali to remove the silica, thereby achieving the above object.
The silica source may be tetraethoxysilane (TEOS) or sodium silicate.
The block copolymer may be selected from the group consisting of P104, P123, F108 and F127.
The carbon nitride precursor may be selected from the group consisting of polyethyleneimine, aniline, melamine and ethylenediamine.
The second solution contains metal ions and / or lanthanoid ions selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Ag, Ta, W, Pt, and Au. May be.
The particle size may be in the range of 50 nm to 15 μm.
In the step of generating the silica, the macropore template to which the first solution is applied may be heated in a temperature range of 80 ° C. to 150 ° C. for 12 hours to 36 hours.
The step of polymerizing the carbon nitride precursor comprises subjecting the macro mesopore template provided with the second solution to a first temperature range of 50 ° C. to 100 ° C. for 2 hours to 6 hours, You may heat for 2 hours-6 hours in the temperature range of 160 to 200 degreeC higher than a 1st temperature range.
The carbonizing and removing step includes heating the macro mesopore template having the polymerized carbon nitride precursor in a temperature range of 400 ° C. to 600 ° C. for 2 hours to 6 hours in an inert atmosphere. Also good.
In the acid or alkali treatment, hydrofluoric acid or sodium hydroxide may be used.
The macropore template may be a colloidal crystal.
Following the step of removing the silica, a step of ozone treatment of the porous carbon nitride film may be further included.
The sensor according to the present invention includes the porous carbon nitride film, thereby achieving the above object.
The filter according to the present invention includes the porous carbon nitride film, thereby achieving the above object.

本発明の多孔性窒化炭素膜は、窒化炭素からなるフレーム構造によって形成されている。フレーム構造は、マクロ細孔と、マクロ細孔の細孔径よりも小さな細孔径を有するメソ細孔とを有する。すなわち、本発明の多孔性窒化炭素膜は、マクロ細孔とメソ細孔とを有するバイモーダルな多孔性窒化炭素膜であるので、大きな表面積を有するとともに、異なる大きさを有する物質を吸着あるいは透過させるので、用途を拡大できる。さらに、マクロ細孔は、多孔性窒化炭素膜の表面方向に配列しており、多孔性窒化炭素膜の断面方向に開口部を有し、極めて規則的である。そのため、物質輸送の定量的な判定も可能にし、有利である。また、本発明の多孔性窒化炭素膜は、膜状であるので、単層から多層まで変化させることによって、膜厚制御が容易である。本発明の多孔性窒化炭素膜は、触媒、吸着剤、フィルタ、所定の物質に対して選択的な吸着能を有するため、センサあるいは光学スイッチ、あるいは、既存の多孔性材料と同様に、上述の用途に加えて、ガス分離、クロマトグラフィ、エネルギー貯蔵に用いることができる。   The porous carbon nitride film of the present invention is formed by a frame structure made of carbon nitride. The frame structure has macropores and mesopores having a pore size smaller than the pore size of the macropores. That is, since the porous carbon nitride film of the present invention is a bimodal porous carbon nitride film having macropores and mesopores, it has a large surface area and adsorbs or permeates substances having different sizes. Therefore, the application can be expanded. Furthermore, the macropores are arranged in the surface direction of the porous carbon nitride film, have openings in the cross-sectional direction of the porous carbon nitride film, and are extremely regular. Therefore, quantitative determination of mass transport is possible, which is advantageous. Further, since the porous carbon nitride film of the present invention is in the form of a film, the film thickness can be easily controlled by changing from a single layer to multiple layers. Since the porous carbon nitride film of the present invention has a selective adsorption ability for a catalyst, an adsorbent, a filter, and a predetermined substance, the above-described porous carbon nitride film is similar to the above-mentioned sensor or optical switch or the existing porous material. In addition to applications, it can be used for gas separation, chromatography, energy storage.

本発明による多孔性窒化炭素膜を製造する方法は、シリカ源とブロック共重合体とを含有する第1の溶液を粒子からなるマクロ細孔テンプレートに付与するステップと、第1の溶液を加熱し、シリカ源からシリカを生成し、マクロ・メソ細孔テンプレートを形成するステップと、窒化炭素前駆体を含有する第2の溶液をマクロ・メソ細孔テンプレートに付与するステップと、第2の溶液を加熱し、窒化炭素前駆体を重合するステップと、重合された窒化炭素前駆体およびマクロ・メソ細孔テンプレートを加熱し、窒化炭素前駆体を炭化し、かつ、ブロック共重合体および粒子を除去するステップと、生成物を酸またはアルカリ処理し、シリカを除去するステップとを包含する。   A method for producing a porous carbon nitride film according to the present invention comprises a step of applying a first solution containing a silica source and a block copolymer to a macroporous template comprising particles, and heating the first solution. Generating silica from a silica source to form a macro mesopore template, applying a second solution containing a carbon nitride precursor to the macro mesopore template, and Heating to polymerize the carbon nitride precursor, heating the polymerized carbon nitride precursor and macro-mesopore template, carbonizing the carbon nitride precursor, and removing the block copolymer and particles; And an acid or alkali treatment of the product to remove the silica.

本発明の方法によれば、粒子およびシリカで覆われたブロック共重合体をテンプレートとして用いるので、得られる多孔性窒化炭素膜におけるマクロ細孔およびメソ細孔の細孔径は、それぞれ、粒子およびブロック共重合体の大きさを反映する。したがって、粒子およびブロック共重合体の大きさを適宜選択することによってマクロ細孔およびメソ細孔の細孔径を容易に制御できる。また、多孔性窒化炭素膜におけるマクロ細孔の配置は、テンプレートにおける粒子の配置を反映するので、マクロ細孔の規則的な配列を容易に達成できる。   According to the method of the present invention, since the block copolymer coated with particles and silica is used as a template, the pore diameters of the macropores and the mesopores in the obtained porous carbon nitride film are the same as those of the particles and blocks, respectively. Reflects the size of the copolymer. Therefore, the pore diameters of the macropores and mesopores can be easily controlled by appropriately selecting the sizes of the particles and the block copolymer. Moreover, since the arrangement of macropores in the porous carbon nitride film reflects the arrangement of particles in the template, regular arrangement of macropores can be easily achieved.

本発明の方法によれば、上述の第1の溶液をマクロ細孔テンプレートに付与するステップと、シリカを生成し、マクロ・メソ細孔テンプレートを形成するステップとにより、マクロ細孔とメソ細孔となり得る構造を有するマクロ・メソ細孔テンプレートが製造される。このようなマクロ・メソ細孔テンプレートを用いるので、複雑な制御をすることなく、バイモーダル、かつ、マクロ細孔およびメソ細孔の細孔径および/またはマクロ細孔の配列が制御された多孔性窒化炭素膜を容易に得ることができる。   According to the method of the present invention, macropores and mesopores are formed by applying the first solution described above to a macropore template, and forming silica to form a macro mesopore template. A macro mesopore template with a structure that can be produced is produced. Since such a macro mesopore template is used, the porosity is controlled in a bimodal manner and the pore size of macropores and mesopores and / or the arrangement of macropores without complicated control. A carbon nitride film can be easily obtained.

本発明による多孔性窒化炭素膜を示す模式図Schematic showing a porous carbon nitride film according to the present invention. 本発明の多孔性窒化炭素膜を製造する工程を示すフローチャートThe flowchart which shows the process of manufacturing the porous carbon nitride film of this invention 本発明の多孔性窒化炭素膜を製造する様子を示す模式図Schematic diagram showing the production of the porous carbon nitride film of the present invention 本発明の多孔性窒化炭素膜を用いたフィルタを示す模式図Schematic showing a filter using the porous carbon nitride film of the present invention 実施例1による薄膜1450のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the thin film 1450 by Example 1. 実施例1による薄膜1450のTEM像を示す図The figure which shows the TEM image of the thin film 1450 by Example 1. FIG. 実施例2および3による薄膜2および3のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the thin films 2 and 3 by Example 2 and 3 実施例1による薄膜1450のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the thin film 1450 by Example 1 実施例1による薄膜1450のEELSマッピング像を示す図The figure which shows the EELS mapping image of the thin film 1450 by Example 1 実施例1による薄膜1450のXPSスペクトルを示す図The figure which shows the XPS spectrum of the thin film 1450 by Example 1 実施例1による薄膜1450のFTIRスペクトルを示す図The figure which shows the FTIR spectrum of the thin film 1450 by Example 1. 実施例1による薄膜1のN/(C+N)比の加熱温度依存性を示す図The figure which shows the heating temperature dependence of N / (C + N) ratio of the thin film 1 by Example 1. 実施例1による薄膜1450のアニリンおよび酢酸に対するQCM周波数シフト量の時間依存性を示す図The figure which shows the time dependence of the QCM frequency shift amount with respect to aniline and acetic acid of the thin film 1450 by Example 1. 実施例1によるオゾン処理前後(処理時間15分)の薄膜1450のアニリンおよび酢酸に対するQCM周波数シフト量を示す図The figure which shows the QCM frequency shift amount with respect to the aniline and acetic acid of the thin film 1450 before and behind ozone treatment by Example 1 (treatment time 15 minutes).

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same element and the description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明による多孔性窒化炭素膜の構造について詳述する。
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, the structure of the porous carbon nitride film according to the present invention will be described in detail.

図1は、本発明による多孔性窒化炭素膜を示す模式図である。   FIG. 1 is a schematic view showing a porous carbon nitride film according to the present invention.

図1(A)は、本発明による、単層の多孔性窒化炭素膜の表面を表す図であり、図1(B)は、図1(A)中のA−B断面を示す図である。   FIG. 1 (A) is a view showing the surface of a single layer porous carbon nitride film according to the present invention, and FIG. 1 (B) is a view showing an A-B cross section in FIG. 1 (A). .

本発明の多孔性窒化炭素膜100は、窒化炭素からなるフレーム構造110によって形成されている。フレーム構造110を構成する窒化炭素は、アモルファス窒化炭素であるので、本発明による多孔性窒化炭素膜100は、機械的・化学的安定性に優れる。また、窒化炭素中の窒素原子(N)および炭素原子(C)に対する窒素原子(N)のN/(C+N)比(原子%)は、10%〜25%の範囲である。   The porous carbon nitride film 100 of the present invention is formed by a frame structure 110 made of carbon nitride. Since the carbon nitride constituting the frame structure 110 is amorphous carbon nitride, the porous carbon nitride film 100 according to the present invention is excellent in mechanical and chemical stability. Further, the N / (C + N) ratio (atomic%) of the nitrogen atom (N) to the nitrogen atom (N) and carbon atom (C) in the carbon nitride is in the range of 10% to 25%.

窒化炭素は、Al、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Pd、Ag、Ta、W、PtおよびAuからなる群から選択される金属元素および/またはランタノイド元素をさらに含有してもよい。これらの金属元素およびランタノイド元素は触媒作用を有するので、本発明の多孔性窒化炭素膜100に触媒活性を付与できる。   The carbon nitride further contains a metal element and / or a lanthanoid element selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Ag, Ta, W, Pt and Au. Also good. Since these metal elements and lanthanoid elements have a catalytic action, catalytic activity can be imparted to the porous carbon nitride film 100 of the present invention.

フレーム構造110は、マクロ細孔120と、メソ細孔130とを有する。   The frame structure 110 has macro pores 120 and mesopores 130.

マクロ細孔120は、多孔性窒化炭素膜100の表面方向に規則的に配列している。本明細書において、膜の「表面方向」とは、膜の表面と平行な方向を意図する。規則的な配列は、後述する粒子の配列に依存するが、例えば、最密充填様、コロイド結晶様、フォトニック結晶様等である。さらに、マクロ細孔120は、図1(A)に示されるように、多孔性窒化炭素膜100の最表面に開口部140を有する。図1(B)に示されるように、マクロ細孔120の厚さ方向(表面方向に対して垂直な方向)の断面は、半球状である。   The macro pores 120 are regularly arranged in the surface direction of the porous carbon nitride film 100. In this specification, the “surface direction” of the film means a direction parallel to the surface of the film. The regular arrangement depends on the arrangement of particles, which will be described later, and is, for example, close-packed, colloidal, photonic, or the like. Furthermore, the macropore 120 has an opening 140 on the outermost surface of the porous carbon nitride film 100 as shown in FIG. As shown in FIG. 1B, the cross section of the macropores 120 in the thickness direction (direction perpendicular to the surface direction) is hemispherical.

図1(A)では、マクロ細孔120が空洞であるように示されるが、白抜きの部分は、フレーム構造110の一部であり、図1(B)に示されるように、半球状の側壁となっていることに留意されたい。ただし、後述する製造過程において、マクロ細孔テンプレート(310)と基板(320)との密着性の程度、あるいは、多層のマクロ細孔テンプレートを用いた場合には、側壁の一部(例えば、底部)が貫通している場合がある。   In FIG. 1 (A), the macropores 120 are shown as being hollow, but the white portions are part of the frame structure 110 and, as shown in FIG. 1 (B), are hemispherical. Note that it is a sidewall. However, in the manufacturing process described later, when the degree of adhesion between the macropore template (310) and the substrate (320) or a multilayer macropore template is used, a part of the side wall (for example, the bottom portion) ) May penetrate.

マクロ細孔120の細孔径Rは、後述する粒子の粒径に依存するが、選択可能な粒子の範囲から、50nm〜15μmの範囲である。   The pore diameter R of the macropore 120 depends on the particle diameter of the particles described later, but is in the range of 50 nm to 15 μm from the range of selectable particles.

メソ細孔130は、マクロ細孔120の細孔径よりも小さな細孔径を有し、フレーム構造110中のマクロ細孔120以外の部分に散在している。図1では、図が煩雑になるのを避けるため、メソ細孔130を一部にのみ示すが、実際には、フレーム構造110中に散在していることに留意されたい。   The mesopores 130 have a pore diameter smaller than that of the macropores 120 and are scattered in portions other than the macropores 120 in the frame structure 110. In FIG. 1, the mesopores 130 are shown only partially in order to avoid complicating the figure, but it should be noted that in practice they are scattered throughout the frame structure 110.

メソ細孔130は、後述するブロック共重合体のレプリカとして生じる細孔であり、その細孔径は、選択可能なブロック共重合体のサイズを考慮すれば、5nm〜20nmの範囲である。また、メソ細孔130は、ブロック共重合体のレプリカであるので、メソ細孔130の形状もまた、ブロック共重合体の選択によって制御できる。   The mesopores 130 are pores generated as replicas of a block copolymer, which will be described later, and the pore diameter is in the range of 5 nm to 20 nm in consideration of the size of the block copolymer that can be selected. In addition, since the mesopores 130 are replicas of the block copolymer, the shape of the mesopores 130 can also be controlled by selecting the block copolymer.

本発明の多孔性窒化炭素膜100の膜厚dは、後述する粒子の粒径に依存し、選択した粒径と実質的同様あるいは粒径よりわずかに小さくなり得る。したがって、本発明の単層の多孔性窒化炭素膜100の膜厚dを増大させたい場合には、製造時に大きな粒径を有する粒子を採用すればよい。   The film thickness d of the porous carbon nitride film 100 of the present invention depends on the particle size of the particles described later, and can be substantially the same as the selected particle size or slightly smaller than the particle size. Accordingly, when it is desired to increase the film thickness d of the single-layer porous carbon nitride film 100 of the present invention, particles having a large particle diameter may be employed during manufacturing.

このように、本発明の多孔性窒化炭素膜100は、マクロ細孔120とメソ細孔130とを有するバイモーダルな多孔性窒化炭素膜であるので、大きな表面積を有し、触媒および吸着剤に利用され得る。また、本発明の多孔性窒化炭素膜100は、マクロ細孔120の細孔径が50nm〜15μmの範囲であるので、極めて大きな物質のための吸着剤として好適である。   Thus, since the porous carbon nitride film 100 of the present invention is a bimodal porous carbon nitride film having the macropores 120 and the mesopores 130, it has a large surface area, and is used as a catalyst and an adsorbent. Can be used. The porous carbon nitride film 100 of the present invention is suitable as an adsorbent for extremely large substances because the pore diameter of the macropores 120 is in the range of 50 nm to 15 μm.

本発明の多孔性窒化炭素膜100は、バイモーダルであるので、異なる大きさを有する物質を吸着あるいは透過させる。例えば、マクロ細孔120に大きな物質を吸着させ、メソ細孔130に小さな物質を吸着させ、それ以外の物質を透過させるといった多機能性を発揮できる。このような機能を利用すれば、本発明の多孔性窒化炭素膜100は、種々の物質をフィルタリングするフィルタ、種々の物質をセンシングするセンサに利用され得る。   Since the porous carbon nitride film 100 of the present invention is bimodal, it adsorbs or permeates substances having different sizes. For example, it is possible to exhibit a multi-functionality such that a large substance is adsorbed on the macropores 120, a small substance is adsorbed on the mesopores 130, and other substances are permeated. If such a function is used, the porous carbon nitride film 100 of the present invention can be used as a filter for filtering various substances and a sensor for sensing various substances.

マクロ細孔120は、多孔性炭窒化素膜100の表面方向に配列しており、多孔性窒化炭素膜100の最表面に開口部140を有し、極めて規則的である。そのため、本発明の多孔性窒化炭素膜100は、物質輸送の定量的な判定を可能にする。   The macro pores 120 are arranged in the direction of the surface of the porous carbon carbonitride film 100, have openings 140 on the outermost surface of the porous carbon nitride film 100, and are extremely regular. Therefore, the porous carbon nitride film 100 of the present invention enables quantitative determination of material transport.

図1を参照して、本発明の単層である多孔性窒化炭素膜100を説明してきたが、本発明の多孔性窒化炭素膜はこれに限らない。図1に示す単層の多孔性窒化炭素膜100が多層になっていてもよい。多層にすることによって、用途に応じた膜厚を有する多孔性窒化炭素膜となり得る。   Although the porous carbon nitride film 100 which is a single layer of the present invention has been described with reference to FIG. 1, the porous carbon nitride film of the present invention is not limited to this. The single-layer porous carbon nitride film 100 shown in FIG. 1 may be a multilayer. By making it multilayer, it can be a porous carbon nitride film having a film thickness according to the application.

(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明の多孔性窒化炭素膜を製造する方法を説明する。本発明者らは、マクロ細孔のテンプレートとして粒子を、メソ細孔のテンプレートとしてブロック共重合体を採用し、実施の形態1で詳述した多孔性窒化炭素膜の製造に成功した。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a method for producing a porous carbon nitride film of the present invention will be described. The present inventors succeeded in producing the porous carbon nitride film described in detail in Embodiment 1 by employing particles as a macropore template and a block copolymer as a mesopore template.

図2は、本発明の多孔性窒化炭素膜を製造する工程を示すフローチャートである。
図3は、本発明の多孔性窒化炭素膜を製造する様子を示す模式図である。
FIG. 2 is a flowchart showing a process for producing the porous carbon nitride film of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing how the porous carbon nitride film of the present invention is manufactured.

本発明の製造方法は、粒子300からなるマクロ細孔テンプレート310を用いる。図3では、粒子300からなるマクロ細孔テンプレート310は基板320上に位置する。基板320上にあれば、取り扱いが簡便となる。基板320は、マクロ細孔テンプレート310が配置でき、600℃程度の温度に晒すことも可能な任意の基板であるが、例えば、Si基板、ガラス基板、石英基板である。   The manufacturing method of the present invention uses a macropore template 310 composed of particles 300. In FIG. 3, the macropore template 310 composed of particles 300 is located on the substrate 320. If it exists on the board | substrate 320, handling will become easy. The substrate 320 is an arbitrary substrate on which the macropore template 310 can be disposed and can be exposed to a temperature of about 600 ° C., and is, for example, a Si substrate, a glass substrate, or a quartz substrate.

粒子300は、ポリスチレンまたはポリメチルメタクリレート(PMMA)である。これらの粒子は、以降の工程においてシリカ源および窒化炭素前駆体と容易に反応しないので、高純度の多孔性窒化炭素膜を得ることができる。これらの粒子は、高分子材料であるので、所定の温度で焼成すれば、完全に消失させることができる。また、これらの粒子は、市販されており、任意の粒径を有する粒子の入手が容易である。粒子の粒径は、50nm〜15μmの範囲である。ここで選択される粒子の粒径が、本発明の多孔性窒化炭素膜100(図1)におけるマクロ細孔120(図1)の細孔径Rとなるので、用途に応じた粒径を有する粒子を選択するだけで、所望の細孔径を有する多孔性窒化炭素膜を得ることができる。   The particles 300 are polystyrene or polymethyl methacrylate (PMMA). Since these particles do not easily react with the silica source and the carbon nitride precursor in the subsequent steps, a high-purity porous carbon nitride film can be obtained. Since these particles are a polymer material, they can be completely eliminated by firing at a predetermined temperature. These particles are commercially available, and it is easy to obtain particles having an arbitrary particle size. The particle size of the particles is in the range of 50 nm to 15 μm. The particle size selected here is the pore size R of the macropore 120 (FIG. 1) in the porous carbon nitride film 100 (FIG. 1) of the present invention. A porous carbon nitride film having a desired pore diameter can be obtained simply by selecting.

特に、図3のように粒子300が一層だけ配列したマクロ細孔テンプレート310の場合、粒子300の粒径あるいは粒子300の粒径よりもわずかに小さい領域(すなわち、後述する第1および第2の溶液がマクロ細孔テンプレート310内に浸透する範囲)が、多孔性窒化炭素膜100の膜厚dとなり得る。したがって、膜厚の厚い多孔性窒化炭素膜100を得る場合には、大きな粒径を有する粒子からなるマクロ細孔テンプレート310を選択し、膜厚の薄い多孔性窒化炭素膜100を得る場合には、小さな粒径を有する粒子からなるマクロ細孔テンプレート310を選択すればよい。   In particular, in the case of the macroporous template 310 in which only one layer of the particles 300 is arranged as shown in FIG. The range in which the solution penetrates into the macropore template 310) can be the film thickness d of the porous carbon nitride film 100. Therefore, when the porous carbon nitride film 100 having a large film thickness is obtained, the macropore template 310 made of particles having a large particle diameter is selected, and when the porous carbon nitride film 100 having a thin film thickness is obtained. The macropore template 310 made of particles having a small particle size may be selected.

マクロ細孔テンプレート310の粒子300の配置が、多孔性窒化炭素膜100におけるマクロ細孔120(図1)の配置となる。したがって、周期的かつ規則的に配置したマクロ細孔120を有する多孔性窒化炭素膜100を得るためには、マクロ細孔テンプレート310は、最密充填様、コロイド結晶様、フォトニック結晶様である。中でも、コロイド粒子からなる最密充填様のコロイド結晶であれば、規則的に配列し、高い比表面積および大きな孔容積を有する多孔性窒化炭素膜を得ることができる。なお、上述のマクロ細孔テンプレート310は、コロイド粒子を用いたコロイド結晶の製造技術を参照すれば、容易に実現できる。   The arrangement of the particles 300 of the macropore template 310 is the arrangement of the macropores 120 (FIG. 1) in the porous carbon nitride film 100. Therefore, in order to obtain the porous carbon nitride film 100 having the macropores 120 periodically and regularly arranged, the macropore template 310 is close-packed, colloidal, or photonic crystal-like. . In particular, a close-packed colloidal crystal composed of colloidal particles can be regularly arranged to obtain a porous carbon nitride film having a high specific surface area and a large pore volume. Note that the macropore template 310 described above can be easily realized by referring to colloidal crystal manufacturing technology using colloidal particles.

ステップS210:シリカ源330とブロック共重合体340とを含有する第1の溶液を粒子300からなるマクロ細孔テンプレート310に付与する。   Step S <b> 210: A first solution containing the silica source 330 and the block copolymer 340 is applied to the macropore template 310 including the particles 300.

シリカ源330は、加熱によりシリカとなり得る任意の物質を採用できるが、好ましくは、テトラエトキシシラン(TEOS)またはケイ酸ナトリウムである。これらは、いずれも、入手あるいは合成が容易であり、加熱によりシリカとなることが分かっている。   The silica source 330 may be any material that can be converted to silica by heating, but is preferably tetraethoxysilane (TEOS) or sodium silicate. All of these are readily available or synthesized and are known to become silica upon heating.

ブロック共重合体340は、メソ細孔130(図1)のテンプレートとなり得るので、所望のメソ細孔130の細孔径および形状を有する任意のブロック共重合体が採用されるが、好ましくは、P104、P123、F108およびF127からなる群から選択される。これらのブロック共重合体は、メソ細孔の形成に実績があり、入手が容易である。   Since the block copolymer 340 can serve as a template for the mesopores 130 (FIG. 1), any block copolymer having the desired pore size and shape of the mesopores 130 is adopted, but preferably P104 , P123, F108 and F127. These block copolymers have a track record in forming mesopores and are easily available.

第1の溶液は、好ましくは、ブロック共重合体340と水との混合溶液である。この混合溶液は、室温で数時間(例えば、4時間)撹拌され、次いで、シリカ源330が添加され、35℃〜45℃の温度範囲で10分〜20分撹拌される。これにより、ブロック共重合体340とシリカ源330とが十分に混合されるので、ブロック共重合体340の内部をシリカ源330で充填するとともに、シリカ源330でカプセル状に覆うことができる。また、第1の溶液は、好ましくは、酸を含有する。酸は、後述するステップS220の反応において触媒として機能し、シリカの生成を促進させる任意の酸であるが、具体的には、塩酸、硫酸および硝酸等である。   The first solution is preferably a mixed solution of the block copolymer 340 and water. This mixed solution is stirred at room temperature for several hours (eg, 4 hours), then a silica source 330 is added and stirred at a temperature range of 35 ° C. to 45 ° C. for 10 minutes to 20 minutes. Thus, the block copolymer 340 and the silica source 330 are sufficiently mixed, so that the inside of the block copolymer 340 can be filled with the silica source 330 and covered with the silica source 330 in a capsule shape. The first solution preferably contains an acid. The acid is an arbitrary acid that functions as a catalyst in the reaction of Step S220 described later and promotes the formation of silica, and specifically, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, and the like.

第1の溶液のマクロ細孔テンプレート310への付与は、第1の溶液の滴下、第1の溶液中へのマクロ細孔テンプレート310の浸漬等によって行われる。   The application of the first solution to the macropore template 310 is performed by dropping the first solution, immersing the macropore template 310 in the first solution, or the like.

ステップS210の溶液のマクロ細孔テンプレート310への付与に先立って、マクロ細孔テンプレート310と基板320とを加熱してもよい。このような加熱は、例えば、100℃、10分間行われる。これにより、マクロ細孔テンプレート310と基板320との密着性が向上するので、マクロ細孔テンプレート310が製造途中で基板320から脱落することを防ぐことができる。   Prior to application of the solution in step S210 to the macropore template 310, the macropore template 310 and the substrate 320 may be heated. Such heating is performed at 100 ° C. for 10 minutes, for example. Thereby, since the adhesiveness of the macropore template 310 and the board | substrate 320 improves, it can prevent the macropore template 310 falling off from the board | substrate 320 in the middle of manufacture.

ステップS220:第1の溶液が付与されたマクロ細孔テンプレート310を加熱し、シリカ源330からシリカを生成する。加熱は、第1の溶液が付与されたマクロ細孔テンプレートを、大気中、80℃〜150℃の温度範囲で、12時間〜36時間行われる。これにより、シリカ源330は完全にシリカとなり、ブロック共重合体340は、メソ細孔のテンプレートとなるシリカでカプセル化されたシリカ−ブロック共重合体となる。このシリカ−ブロック共重合体がメソ細孔テンプレート350として機能する。   Step S220: The macropore template 310 to which the first solution is applied is heated to generate silica from the silica source 330. The heating is performed for 12 hours to 36 hours in the air at a temperature range of 80 ° C. to 150 ° C. with the macropore template provided with the first solution. As a result, the silica source 330 becomes completely silica, and the block copolymer 340 becomes a silica-block copolymer encapsulated with silica that serves as a template for mesopores. This silica-block copolymer functions as the mesopore template 350.

以上のステップS210およびS220により、本発明の多孔性窒化炭素膜におけるマクロ細孔およびメソ細孔を形成するマクロ・メソ細孔テンプレート360が得られる。すなわち、粒子300からなるマクロ細孔テンプレート310、ならびに、シリカおよびブロック共重合体(詳細には、シリカで覆われたシリカ−ブロック共重合体)からなるメソ細孔テンプレート350を有するマクロ・メソ細孔テンプレート360が得られる。   Through the above steps S210 and S220, a macro mesopore template 360 for forming macropores and mesopores in the porous carbon nitride film of the present invention is obtained. That is, a macro-meso fine having a macro-pore template 310 composed of particles 300 and a meso-pore template 350 composed of silica and a block copolymer (specifically, a silica-block copolymer covered with silica). A hole template 360 is obtained.

ステップS230:窒化炭素前駆体を含有する第2の溶液370を、ステップS220で得られたマクロ・メソ細孔テンプレート360に付与する。   Step S230: The second solution 370 containing the carbon nitride precursor is applied to the macro mesopore template 360 obtained in Step S220.

窒化炭素前駆体は、加熱により窒化炭素となる任意の前駆体を採用できるが、好ましくは、ポリエチレンイミン、アニリン、メラミンおよびメチレンジアミンからなる群から選択される。これらは、いずれも、入手あるいは合成が容易であり、安価であり、後述するステップS240およびS250により、確実に窒化炭素となる。   The carbon nitride precursor may be any precursor that becomes carbon nitride upon heating, but is preferably selected from the group consisting of polyethyleneimine, aniline, melamine, and methylenediamine. All of these are easy to obtain or synthesize, are inexpensive, and are surely converted to carbon nitride by steps S240 and S250 described later.

第2の溶液370は、Al、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Pd、Ag、Ta、W、PtおよびAuからなる群から選択される金属イオンおよび/またはランタノイドイオンを含有してもよい。これらのイオンを含有させることにより、これらのイオンが添加された窒化炭素を得ることができ、これらのイオンによる触媒活性が期待できる。   The second solution 370 contains metal ions and / or lanthanoid ions selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Ag, Ta, W, Pt, and Au. May be. By containing these ions, carbon nitride to which these ions are added can be obtained, and catalytic activity due to these ions can be expected.

ここでも、第2の溶液370のマクロ・メソ細孔テンプレート360への付与は、ステップS210と同様に、第2の溶液の滴下、第2の溶液370中へのマクロ・メソ細孔テンプレート360の浸漬等によって行われる。   Also here, the application of the second solution 370 to the macro mesopore template 360 is performed in the same manner as in step S210. The dropping of the second solution and the addition of the macro mesopore template 360 into the second solution 370 are performed. It is performed by dipping or the like.

ステップS240:第2の溶液370が付与されたマクロ・メソ細孔テンプレート360を加熱し、窒化炭素前駆体を重合する。加熱によって、窒化炭素前駆体が反応し、重合される(重合された窒化炭素前駆体380)。具体的には、重合は、第2の溶液370が付与されたマクロ・メソ細孔テンプレート360を、比較的低温である第1の温度範囲で加熱し、次いで、第1の温度範囲よりも高温である第2の温度範囲で加熱することによって行われる。2段階で行うことにより、窒化炭素前駆体が急激に加熱され、気化することを抑制し、効率的に重合できる。   Step S240: The macro mesopore template 360 provided with the second solution 370 is heated to polymerize the carbon nitride precursor. By heating, the carbon nitride precursor reacts and is polymerized (polymerized carbon nitride precursor 380). Specifically, the polymerization is performed by heating the macro mesopore template 360 provided with the second solution 370 in a first temperature range that is relatively low temperature, and then higher than the first temperature range. It is performed by heating in the second temperature range. By carrying out in two steps, the carbon nitride precursor is heated rapidly and is prevented from vaporizing, and can be polymerized efficiently.

より好ましくは、重合は、第2の溶液370が付与されたマクロ・メソ細孔テンプレート360を、50℃〜100℃の第1の温度範囲で2時間〜6時間、次いで、第1の温度範囲より高い160℃〜200℃の温度範囲で2時間〜6時間加熱することによって行われる。雰囲気の制御は不要であり、例えば、大気中である。この条件で加熱すれば、窒化炭素前駆体を確実に重合できる。   More preferably, the polymerization is carried out by subjecting the macro mesopore template 360 provided with the second solution 370 to a first temperature range of 50 ° C. to 100 ° C. for 2 hours to 6 hours, and then to a first temperature range. It is carried out by heating at a higher temperature range of 160 ° C. to 200 ° C. for 2 hours to 6 hours. There is no need to control the atmosphere, for example, in the air. When heated under these conditions, the carbon nitride precursor can be reliably polymerized.

ステップS250:重合された窒化炭素前駆体380を有するマクロ・メソ細孔テンプレート360を加熱し、重合された窒化炭素前駆体380を炭化し、かつ、マクロ・メソ細孔テンプレート360から粒子300およびブロック共重合体340を除去する。加熱によって、重合された窒化炭素前駆体380は炭化され、窒化炭素390となる。さらに、加熱によって、マクロ・メソ細孔テンプレート360から粒子300およびブロック共重合体340が焼失する。   Step S250: heating the macro mesopore template 360 with the polymerized carbon nitride precursor 380, carbonizing the polymerized carbon nitride precursor 380, and particles 300 and blocks from the macro mesopore template 360. Copolymer 340 is removed. By heating, the polymerized carbon nitride precursor 380 is carbonized to become carbon nitride 390. Further, the particles 300 and the block copolymer 340 are burned out from the macro mesopore template 360 by heating.

ここで、粒子300の焼失によりマクロ細孔312が形成される。また、ブロック共重合体340の焼失によりメソ細孔を伴うシリカ313が残留する。   Here, macropores 312 are formed by burning out the particles 300. Further, silica 313 with mesopores remains due to the block copolymer 340 being burned out.

具体的には、重合された窒化炭素前駆体380を有するマクロ・メソ細孔テンプレート360の加熱は、不活性雰囲気中で400℃〜600℃の温度範囲で2時間〜6時間加熱することによって行われる。この条件で加熱すれば、重合された窒化炭素前駆体380を炭化させるとともに、マクロ・メソ細孔テンプレート360から粒子300およびブロック共重合体340のみを確実に除去できる。600℃を超えると、窒素の含有量が低下し、窒化炭素が形成されない場合がある。300℃を下回ると、粒子300およびブロック共重合体340が残留する場合がある。不活性雰囲気は、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気等である。   Specifically, the macro mesopore template 360 having the polymerized carbon nitride precursor 380 is heated by heating in a temperature range of 400 ° C. to 600 ° C. for 2 hours to 6 hours in an inert atmosphere. Is called. By heating under this condition, the polymerized carbon nitride precursor 380 can be carbonized, and only the particles 300 and the block copolymer 340 can be reliably removed from the macro mesopore template 360. If it exceeds 600 ° C., the nitrogen content is lowered, and carbon nitride may not be formed. When the temperature is lower than 300 ° C., the particles 300 and the block copolymer 340 may remain. The inert atmosphere is an argon atmosphere, a nitrogen atmosphere, or the like.

また、上記温度範囲内で適宜温度を選択することによって、最終的に得られる本発明の多孔性窒化炭素膜中の窒素原子および炭素原子に対する窒素原子の比(N/(C+N))を制御できる。例えば、高温側を選択することによって、含有窒素量を低減でき、低温側を選択することによって、含有窒素量を増大できる。具体的なN/(C+N)比(原子%)は、上記温度範囲によって10%〜25%の範囲で制御可能である。   In addition, by appropriately selecting a temperature within the above temperature range, the nitrogen atom and the ratio of nitrogen atom to carbon atom (N / (C + N)) in the finally obtained porous carbon nitride film of the present invention can be controlled. . For example, the nitrogen content can be reduced by selecting the high temperature side, and the nitrogen content can be increased by selecting the low temperature side. The specific N / (C + N) ratio (atomic%) can be controlled in the range of 10% to 25% depending on the temperature range.

ステップ260:粒子300およびブロック共重合体340が除去され、炭化された窒化炭素前駆体(窒化炭素390)およびシリカ(メソ細孔を伴うシリカ313)からなる生成物を酸またはアルカリ処理し、シリカを除去する。シリカは、酸またはアルカリに反応し、エッチングされ除去される。   Step 260: Particle 300 and block copolymer 340 are removed, and a product composed of carbonized carbon nitride precursor (carbon nitride 390) and silica (silica 313 with mesopores) is treated with acid or alkali to produce silica. Remove. Silica reacts with acids or alkalis and is etched away.

シリカ(メソ細孔を伴うシリカ313)のエッチング・除去によりメソ細孔314が形成される。最終的に残留した窒化炭素380が、フレーム構造110(図1)である。   The mesopores 314 are formed by etching and removing silica (silica 313 with mesopores). The final carbon nitride 380 is the frame structure 110 (FIG. 1).

酸またはアルカリ処理に用いる酸またはアルカリは、フッ酸または水酸化ナトリウムである。これらはいずれも強酸および強アルカリであり、シリカと反応し、シリカがエッチングされる。   The acid or alkali used for the acid or alkali treatment is hydrofluoric acid or sodium hydroxide. These are both strong acids and strong alkalis, react with silica, and the silica is etched.

このようにして、本発明の多孔性窒化炭素膜100が基板320上に得られる。本発明の方法を採用すれば、多孔性窒化炭素膜100におけるマクロ細孔120の配置は、マクロ細孔テンプレート310における粒子300の配置を反映するので、マクロ細孔120の規則的な配列を容易に達成できる。本発明の方法を採用すれば、所望の形状およびサイズのブロック共重合体340を用いることにより、メソ細孔130が生成するので、マクロ細孔120に加えて、メソ細孔130の形状およびサイズを制御した、バイモーダルな多孔性窒化炭素膜を得ることができる。   In this way, the porous carbon nitride film 100 of the present invention is obtained on the substrate 320. If the method of the present invention is adopted, the arrangement of the macropores 120 in the porous carbon nitride film 100 reflects the arrangement of the particles 300 in the macropore template 310, so that the regular arrangement of the macropores 120 is easy. Can be achieved. If the method of the present invention is employed, the mesopores 130 are generated by using the block copolymer 340 having a desired shape and size. Therefore, in addition to the macropores 120, the shape and size of the mesopores 130 are formed. It is possible to obtain a bimodal porous carbon nitride film in which the above is controlled.

図3では、基板320上に粒子300が一層だけ配列したマクロ細孔テンプレート310を示したが、ステップS210で用いるマクロ細孔テンプレート310はこれに限定されない。例えば、マクロ細孔テンプレート310として、粒子300が多層に配列したテンプレートを用いてもよい。これにより、膜厚の厚い多層の多孔性窒化炭素膜を得ることができる。   Although FIG. 3 shows the macropore template 310 in which only one layer of particles 300 is arranged on the substrate 320, the macropore template 310 used in step S210 is not limited to this. For example, a template in which particles 300 are arranged in multiple layers may be used as the macropore template 310. Thereby, a multilayer porous carbon nitride film having a large thickness can be obtained.

次に、このようにして得られた基板320上の多孔性窒化炭素膜100は、自立膜であるため、容易に所望の基材に移すことができる。   Next, since the porous carbon nitride film 100 on the substrate 320 thus obtained is a self-supporting film, it can be easily transferred to a desired base material.

S310:基板320上の多孔性窒化炭素膜100を水中に浸漬させる。これにより、基板320から多孔性窒化炭素膜100が剥離し、水面に吸着する。   S310: The porous carbon nitride film 100 on the substrate 320 is immersed in water. Thereby, the porous carbon nitride film 100 peels from the substrate 320 and is adsorbed on the water surface.

S320:水面に吸着した多孔性窒化炭素膜100を別の基材に接触させる。これにより、多孔性窒化炭素膜100は容易に別の基材に移される。ここで、別の基材は、任意の材料からなり、平面であってもよいし、湾曲していもよいし、曲率を有していもよく、任意の形状の基材であり得る。   S320: The porous carbon nitride film 100 adsorbed on the water surface is brought into contact with another substrate. Thereby, the porous carbon nitride film 100 is easily transferred to another substrate. Here, the another base material is made of an arbitrary material, may be a flat surface, may be curved, may have a curvature, and may be a base material having an arbitrary shape.

(実施の形態3)
実施の形態3では、本発明の多孔性窒化炭素膜の用途を例示する。
(Embodiment 3)
In Embodiment 3, the use of the porous carbon nitride film of the present invention is illustrated.

図4は、本発明の多孔性窒化炭素膜を用いたフィルタを示す模式図である。   FIG. 4 is a schematic view showing a filter using the porous carbon nitride film of the present invention.

フィルタ400は本発明の多孔性窒化炭素膜100を含む。多孔体窒化炭素膜100は、実施の形態1で詳述したため説明を省略する。ここでは、多孔性窒化炭素膜100が、Al、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au等の金属および/またはランタノイド金属からなる群から選択される金属をさらに含むものとする。   The filter 400 includes the porous carbon nitride film 100 of the present invention. Since porous carbon nitride film 100 has been described in detail in the first embodiment, description thereof is omitted. Here, the porous carbon nitride film 100 is selected from the group consisting of metals such as Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Ag, Ta, W, Pt, Au and / or lanthanoid metals. It further includes a selected metal.

このようなフィルタ400の動作を説明する。ここで、多孔性窒化炭素膜100のマクロ細孔120(図1)の細孔径が約400nmであり、メソ細孔の細孔径が約10nmであるとし、ガス410は、約400nmおよび約10nmの2種類の異なる大きさの有害物質を含有するものとする。   The operation of the filter 400 will be described. Here, it is assumed that the pore diameter of the macropores 120 (FIG. 1) of the porous carbon nitride film 100 is about 400 nm, the pore diameter of the mesopores is about 10 nm, and the gas 410 has about 400 nm and about 10 nm. It shall contain two types of toxic substances of different sizes.

有害物質を含有するガス410が、フィルタ400を通過する。ガス410中の有害物質の大きさは、フィルタ400の多孔性窒化炭素膜100におけるマクロ細孔およびメソ細孔の細孔径に一致するので、フィルタ400においてガス410中の有害物質が、マクロ細孔およびメソ細孔に捕捉される。捕捉された有害物質は窒化炭素膜100中の金属により分解・処理される。このようにして、有害物質が除去されたガス420がフィルタ400から送出される。   A gas 410 containing harmful substances passes through the filter 400. Since the size of the harmful substance in the gas 410 coincides with the pore diameters of the macropores and the mesopores in the porous carbon nitride film 100 of the filter 400, the harmful substances in the gas 410 in the filter 400 become macropores. And trapped in the mesopores. The trapped harmful substances are decomposed and processed by the metal in the carbon nitride film 100. In this way, the gas 420 from which harmful substances have been removed is sent out from the filter 400.

なお、図4では、多孔性窒化炭素膜100が触媒作用を有する金属を含有する例を示したが、多孔性窒化炭素膜100のマクロ細孔およびメソ細孔に物質を単に捕捉する目的に使用する場合、触媒作用を有する金属を含有していなくてもよい。   FIG. 4 shows an example in which the porous carbon nitride film 100 contains a metal having a catalytic action. However, the porous carbon nitride film 100 is used for simply capturing a substance in the macropores and mesopores of the porous carbon nitride film 100. When doing, it does not need to contain the metal which has a catalytic action.

本発明の多孔性窒化炭素膜100は、製造直後において、芳香族炭化水素、酸性溶媒等に対して吸着能を有するので、本発明の多孔性窒化炭素膜100を用いて特定の物質をセンシングするためのセンサを構築してもよい。上記物質の中でもアニリンおよび酢酸に対して優れた吸着能を有するので、本発明の多孔性窒化炭素膜100は、アニリンあるいは酢酸をセンシングするためのセンサに好適である。   Since the porous carbon nitride film 100 of the present invention has an adsorbing ability to aromatic hydrocarbons, acidic solvents and the like immediately after production, a specific substance is sensed using the porous carbon nitride film 100 of the present invention. A sensor may be constructed. Among these substances, the porous carbon nitride film 100 of the present invention is suitable as a sensor for sensing aniline or acetic acid because it has an excellent adsorption ability for aniline and acetic acid.

また、本発明の多孔性窒化炭素膜100の吸着能を、オゾン処理により制御することができる。本発明の多孔性窒化炭素膜100にオゾン処理(オゾン照射)を行うと、アミンを有する物質(例えば、アニリン)に対する吸着能を増大させることができる。具体的なオゾン処理は、オゾンクリーナ等を用いて、酸素、紫外線ランプおよび窒素中にて、多孔性窒化炭素膜100を少なくとも15分保持することが望ましい。15分より短いと、オゾン処理の効果が期待できない。このようなオゾン処理された多孔性窒化炭素膜100を用いてもよい。   Further, the adsorption ability of the porous carbon nitride film 100 of the present invention can be controlled by ozone treatment. When the porous carbon nitride film 100 of the present invention is subjected to ozone treatment (ozone irradiation), it is possible to increase the adsorption ability for a substance having an amine (for example, aniline). In a specific ozone treatment, it is desirable to hold the porous carbon nitride film 100 for at least 15 minutes in oxygen, an ultraviolet lamp and nitrogen using an ozone cleaner or the like. If it is shorter than 15 minutes, the effect of ozone treatment cannot be expected. Such an ozone-treated porous carbon nitride film 100 may be used.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

実施例1では、マクロ細孔テンプレート310(図3)として、粒径476nmを有する粒子(ポリスチレン製)300(図3)からなる単層のコロイド結晶を、シリカ源330(図3)としてテトラエトキシシラン(TEOS)を、ブロック共重合体340(図3)としてP123を、窒化炭素前駆体としてポリエチレンイミンを、酸として塩酸を、基板320(図3)としてSi基板を用い、本発明の多孔性窒化炭素膜を製造した。   In Example 1, a single-layer colloidal crystal composed of particles (polystyrene) 300 (FIG. 3) having a particle size of 476 nm was used as the macropore template 310 (FIG. 3), and tetraethoxy was used as the silica source 330 (FIG. 3). The porous structure of the present invention uses silane (TEOS), P123 as a block copolymer 340 (FIG. 3), polyethyleneimine as a carbon nitride precursor, hydrochloric acid as an acid, and a Si substrate as a substrate 320 (FIG. 3). A carbon nitride film was produced.

P123(0.5g)と水(5g)とを混合し、室温にて4時間撹拌した。次いで、これに2M塩酸(15g)を添加し、40℃で2時間撹拌した。さらに、これにTEOS(1.5g)を添加し、40℃で15分撹拌した。このようにしてTEOSおよびP123を含有する第1の溶液を調製した。   P123 (0.5 g) and water (5 g) were mixed and stirred at room temperature for 4 hours. Next, 2M hydrochloric acid (15 g) was added thereto, and the mixture was stirred at 40 ° C. for 2 hours. Further, TEOS (1.5 g) was added thereto and stirred at 40 ° C. for 15 minutes. Thus, the 1st solution containing TEOS and P123 was prepared.

次に、Si基板上に粒子が単層で配列したコロイド結晶であるマクロ細孔テンプレートを100℃で10分間加熱し、Si基板と粒子(コロイド結晶)との密着性を向上させた。マクロ細孔テンプレートを第1の溶液に約3分間浸漬させ、マクロ細孔テンプレートに第1の溶液を付与した(図2のステップS210)。   Next, the macropore template, which is a colloidal crystal in which particles are arranged in a single layer on a Si substrate, was heated at 100 ° C. for 10 minutes to improve the adhesion between the Si substrate and the particles (colloidal crystal). The macropore template was immersed in the first solution for about 3 minutes, and the first solution was applied to the macropore template (step S210 in FIG. 2).

第1の溶液が付与されたマクロ細孔テンプレートを大気中100℃24時間加熱し、TEOSからシリカを生成した(図2のステップS220)。これにより、粒子からなるマクロ細孔テンプレート310、ならびに、シリカおよびP123からなるメソ細孔テンプレート350を有するマクロ・メソ細孔テンプレート360(図3)を形成した。   The macroporous template to which the first solution was applied was heated in the atmosphere at 100 ° C. for 24 hours to generate silica from TEOS (step S220 in FIG. 2). Thereby, a macro mesopore template 360 (FIG. 3) having a macropore template 310 made of particles and a mesopore template 350 made of silica and P123 was formed.

ポリエチレンイミン(分子量2000、30wt%)を蒸留水に溶解した第2の溶液を調製した。第2の溶液をマクロ・メソ細孔テンプレートに滴下し、付与した(図2のステップS230)。第2の溶液が付与されたマクロ・メソ細孔テンプレートを、大気中、100℃、6時間、次いで、160℃、6時間加熱し、第2の溶液中のポリエチレンイミンを重合した(図2のステップS240)。   A second solution in which polyethyleneimine (molecular weight 2000, 30 wt%) was dissolved in distilled water was prepared. The second solution was added dropwise to the macro mesopore template (step S230 in FIG. 2). The macro-mesopore template to which the second solution was applied was heated in the atmosphere at 100 ° C. for 6 hours and then at 160 ° C. for 6 hours to polymerize the polyethyleneimine in the second solution (FIG. 2). Step S240).

次いで、重合されたポリエチレンイミンを有するマクロ・メソ細孔テンプレートを、昇温速度3℃/分で450℃、500℃、550℃および600℃までそれぞれ昇温し、アルゴン雰囲気中、5時間加熱し、重合されたポリエチレンイミンを炭化した(図2のステップS250)。この加熱に伴い、粒子およびP123を焼失させた。   Next, the macro-mesopore template having polymerized polyethyleneimine was heated to 450 ° C., 500 ° C., 550 ° C. and 600 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min, and heated in an argon atmosphere for 5 hours. The polymerized polyethyleneimine was carbonized (step S250 in FIG. 2). With this heating, the particles and P123 were burned off.

残った重合・炭化されたポリエチレンイミンおよびシリカからなる生成物をフッ酸(10wt%)で2時間処理し、シリカをエッチング・除去した(図2のステップS260)。   The remaining polymerized / carbonized polyethyleneimine and silica product was treated with hydrofluoric acid (10 wt%) for 2 hours to etch and remove the silica (step S260 in FIG. 2).

このようにして得られたSi基板上の、450℃、500℃、550℃および600℃で炭化された薄膜試料(以降では、すべてを称して薄膜1、あるいは、個々の試料に対して薄膜1450、薄膜1500、薄膜1550、薄膜1600と称する)について、構造、物性等を調べた。 Thin film samples carbonized at 450 ° C., 500 ° C., 550 ° C. and 600 ° C. on the Si substrate thus obtained (hereinafter referred to as thin film 1 or thin film 1 for each sample) 450 , thin film 1 500 , thin film 1 550 , and thin film 1 600 ) were examined for structure, physical properties, and the like.

薄膜1のモルフォロジを、電界放出型走査電子顕微鏡FESEM(Hitachi、S−4800)により観察した。観察結果を図5に示す。薄膜1の微細構造を、Gatan−776電子エネルギー損失分光(EELS)を備えた電界放出型透過電子顕微鏡TEM(JEOL、JEM−2100F)により観察した。観察結果を図6に示す。EELSによるマッピングの結果およびEELSから算出された窒素原子および炭素原子に対する窒素原子の比(N/(C+N))を、それぞれ、図9および図12に示す。   The morphology of the thin film 1 was observed with a field emission scanning electron microscope FESEM (Hitachi, S-4800). The observation results are shown in FIG. The microstructure of the thin film 1 was observed with a field emission transmission electron microscope TEM (JEOL, JEM-2100F) equipped with Gatan-776 electron energy loss spectroscopy (EELS). The observation results are shown in FIG. The results of mapping by EELS and the ratio of nitrogen atom to nitrogen atom and carbon atom (N / (C + N)) calculated from EELS are shown in FIGS. 9 and 12, respectively.

薄膜1のX線回折パターンを、CuKα線(λ=0.154nm)を用いたX線回折装置(Rigaku)により測定した。測定結果を図8に示す。薄膜1のX線光電子分光(XPS)解析をPerkin−Elmer PHI−5600ciを用いて行った。結果を図10に示す。   The X-ray diffraction pattern of the thin film 1 was measured with an X-ray diffractometer (Rigaku) using CuKα rays (λ = 0.154 nm). The measurement results are shown in FIG. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the thin film 1 was performed using a Perkin-Elmer PHI-5600ci. The results are shown in FIG.

薄膜1の赤外吸収スペクトルを、赤外分光装置(Nicolet Nexus 670)により測定した。測定結果を図11に示す。   The infrared absorption spectrum of the thin film 1 was measured with an infrared spectrometer (Nicolet Nexus 670). The measurement results are shown in FIG.

薄膜1の種々の物質に対する吸着能を、水晶天秤QCM(USIシステム)を用いて測定した。測定には、両面が銀コーティングされたQCM共振器を電極に用い、1周波数のシフト量(変化量)は約0.95ngの質量変化に相当した。薄膜1を水中に浸漬させ、Si基板から剥離させた(ステップS310)。水面に吸着した薄膜1(0.3μg)をQCM共振器に接触させ移した(ステップS320)。これらのQCM共振器への薄膜1の転写から、本発明の製造方法によって得られた膜が自立膜であり、容易に所望の基材に移すことができることが確認された。   The adsorption ability of the thin film 1 for various substances was measured using a quartz crystal balance QCM (USI system). For measurement, a QCM resonator coated with silver on both sides was used as an electrode, and a shift amount (change amount) of one frequency corresponded to a mass change of about 0.95 ng. The thin film 1 was immersed in water and peeled from the Si substrate (step S310). The thin film 1 (0.3 μg) adsorbed on the water surface was brought into contact with the QCM resonator and transferred (step S320). From the transfer of the thin film 1 to these QCM resonators, it was confirmed that the film obtained by the production method of the present invention is a self-supporting film and can be easily transferred to a desired substrate.

薄膜1が移されたQCM共振器をQCM装置内の共振器ホルダに設定した。種々の物質として、揮発性の液体(芳香族炭化水素としてアニリン、酸性溶媒として酢酸)10mLをガラス容器に準備した。これをQCM装置に設定した。なお、気化による漏れを防ぐため、吸着能の測定中、QCM装置をカバーにより完全に覆った。吸着能の測定後、カバーおよび揮発性の液体を含有するガラス容器を除去し、薄膜1を大気に晒した。吸着能の測定は、25℃で行った。測定結果を図13および図14に示す。   The QCM resonator to which the thin film 1 was transferred was set as a resonator holder in the QCM device. As various substances, 10 mL of a volatile liquid (aniline as an aromatic hydrocarbon and acetic acid as an acidic solvent) was prepared in a glass container. This was set in the QCM device. In order to prevent leakage due to vaporization, the QCM device was completely covered with a cover during the measurement of the adsorption capacity. After measuring the adsorptive capacity, the cover and the glass container containing the volatile liquid were removed, and the thin film 1 was exposed to the atmosphere. The adsorption capacity was measured at 25 ° C. The measurement results are shown in FIGS.

次に、薄膜1にオゾン処理を行った。オゾン処理は、オゾンクリーナ(Filgen、UV253Sシステム)を用い、酸素、紫外線ランプおよび窒素を導入した。オゾン処理時間は、15分であった。オゾン処理後の薄膜1のアニリンおよび酢酸に対する吸着能を、上述のQCM装置を用いて同様の条件で測定した。測定結果を図14に示す。   Next, the thin film 1 was subjected to ozone treatment. For the ozone treatment, an ozone cleaner (Filgen, UV253S system) was used, and oxygen, an ultraviolet lamp and nitrogen were introduced. The ozone treatment time was 15 minutes. The adsorption ability of the thin film 1 after ozone treatment to aniline and acetic acid was measured under the same conditions using the above-mentioned QCM apparatus. The measurement results are shown in FIG.

実施例2では、マクロ細孔テンプレート310として、粒径200nmを有する粒子(ポリスチレン製)からなる単層のコロイド結晶を用い、450℃で炭化した以外は、実施例1と同様の手順により、本発明の多孔性窒化炭素膜を製造した。実施例2で得られたSi基板上の薄膜試料(以降では単に薄膜2と称する)について、実施例1と同様に、SEMにより観察した。観察結果を図7に示す。   In Example 2, a single-layer colloidal crystal composed of particles (made of polystyrene) having a particle size of 200 nm was used as the macropore template 310, and carbonized at 450 ° C. in the same procedure as in Example 1, The inventive porous carbon nitride film was produced. The thin film sample (hereinafter simply referred to as the thin film 2) obtained on the Si substrate obtained in Example 2 was observed by SEM in the same manner as in Example 1. The observation results are shown in FIG.

実施例3では、マクロ細孔テンプレート310として、粒径1000nm(1μm)を有する粒子(ポリスチレン製)からなる単層のコロイド結晶を用い、450℃で炭化した以外は、実施例1と同様の手順により、本発明の多孔性窒化炭素膜を製造した。実施例3で得られたSi基板上の薄膜試料(以降では単に薄膜3と称する)について、実施例1と同様に、SEMにより観察した。観察結果を図7に示す。   In Example 3, a single-layer colloidal crystal composed of particles (made of polystyrene) having a particle size of 1000 nm (1 μm) was used as the macropore template 310, and carbonized at 450 ° C., and the same procedure as in Example 1 Thus, the porous carbon nitride film of the present invention was produced. The thin film sample (hereinafter simply referred to as the thin film 3) obtained on the Si substrate obtained in Example 3 was observed by SEM in the same manner as in Example 1. The observation results are shown in FIG.

表1に以上の実施例1〜3の製造条件を示す。
Table 1 shows the production conditions of Examples 1 to 3 described above.

図5は、実施例1による薄膜1450のSEM像を示す図である。 FIG. 5 is a view showing an SEM image of the thin film 1450 according to the first embodiment.

図5(A)および(B)によれば、薄膜1450は、フレーム構造510によって形成されており、フレーム構造510は、マクロ細孔520を有することが確認された。マクロ細孔520間のフレーム構造510の厚さ(壁厚)は80nmであり、薄膜1450の膜厚は約300nmであった。 According to FIGS. 5A and 5B, it was confirmed that the thin film 1 450 is formed by the frame structure 510, and the frame structure 510 has the macropores 520. The thickness (wall thickness) of the frame structure 510 between the macropores 520 was 80 nm, and the thickness of the thin film 1450 was about 300 nm.

また、図5(A)によれば、マクロ細孔520は、薄膜1450の表面方向に規則的に配列しており、マクロ細孔テンプレート310の最密充填様のコロイド結晶の粒子の配列と同一であった。さらに、図5(A)によれば、マクロ細孔520は、薄膜1450の最表面において開口部を有していた。マクロ細孔520の細孔径は、470nmであり、製造に用いたマクロ細孔テンプレート310の粒子の粒径(476nm)に一致した。 Further, according to FIG. 5A, the macropores 520 are regularly arranged in the surface direction of the thin film 1450 , and the arrangement of the colloidal crystal particles of the close-packed-like macropore template 310 is as follows. It was the same. Furthermore, according to FIG. 5A, the macropores 520 had an opening on the outermost surface of the thin film 1450 . The pore diameter of the macropores 520 was 470 nm, which coincided with the particle diameter (476 nm) of the macropore template 310 used for production.

図6は、実施例1による薄膜1450のTEM像を示す図である。 FIG. 6 is a view showing a TEM image of the thin film 1450 according to the first embodiment.

図6は、マクロ細孔520の細部を示す。図6(A)および(B)によれば、マクロ細孔520は湾曲したフレーム構造の壁面を有する半球状になっていることが確認された。また、図6(B)によれば、マクロ細孔520の半球状の壁面に同心円状のチャネル610が確認された。チャネル610は、メソ細孔(図1の130)であり、テンプレートに用いたP123の形状をよく反映していることが分かった。   FIG. 6 shows details of the macropores 520. According to FIGS. 6A and 6B, it was confirmed that the macropores 520 are hemispherical having curved wall surfaces. Further, according to FIG. 6B, concentric channels 610 were confirmed on the hemispherical wall surface of the macropore 520. The channel 610 was a mesopore (130 in FIG. 1) and was found to reflect well the shape of P123 used for the template.

図示しないが、薄膜1500、薄膜1550および薄膜1600についても同様の結果が得られた。 Although not shown, similar results were obtained for the thin film 1 500 , the thin film 1 550, and the thin film 1 600 .

以上より、本発明の方法を採用すれば、粒子の配置および大きさを反映したマクロ細孔と、ブロック共重合体の形状を反映したメソ細孔とを有するフレーム構造からなるバイモーダルな多孔性薄膜が得られることが示された。このことは、本発明の多孔性薄膜は、マクロ細孔およびメソ細孔を有するので、大きな表面積および大きな孔容積を有し、触媒、吸着剤、フィルタへの利用が可能であることを示唆する。   From the above, if the method of the present invention is adopted, bimodal porosity comprising a frame structure having macropores reflecting the arrangement and size of particles and mesopores reflecting the shape of the block copolymer A thin film was shown to be obtained. This suggests that since the porous thin film of the present invention has macropores and mesopores, it has a large surface area and a large pore volume, and can be used for catalysts, adsorbents, and filters. .

図7は、実施例2および3による薄膜2および3のSEM像を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing SEM images of thin films 2 and 3 according to Examples 2 and 3.

図7(a)および(b)は薄膜2のSEM像であり、図7(c)および(d)は薄膜3のSEM像である。図7によれば、薄膜2および3のいずれも、薄膜1と同様の様態であった。薄膜2のマクロ細孔710の細孔径は、約200nmであり、薄膜3のマクロ細孔720の細孔径は、約1000nm(1μm)であった。これらの細孔径は、それぞれ、マクロ細孔テンプレートに用いた粒子の粒径に一致した。図示しないが、薄膜2および3についてもメソ細孔を有することをTEMにより確認した。また、薄膜2および3の膜厚は、それぞれ、選択された粒子の粒径よりもわずかに小さいが、粒径と同様の大きさであった。   7A and 7B are SEM images of the thin film 2, and FIGS. 7C and 7D are SEM images of the thin film 3. According to FIG. 7, both the thin films 2 and 3 were in the same manner as the thin film 1. The pore diameter of the macropore 710 of the thin film 2 was about 200 nm, and the pore diameter of the macropore 720 of the thin film 3 was about 1000 nm (1 μm). Each of these pore sizes matched the particle size of the particles used in the macropore template. Although not shown, it was confirmed by TEM that the thin films 2 and 3 also have mesopores. The film thicknesses of the thin films 2 and 3 were each slightly smaller than the particle size of the selected particles, but were the same size as the particle size.

以上より、マクロ細孔テンプレートの粒子の粒径を変化することによって、得られるマクロ細孔の細孔径を制御した多孔性薄膜が得られることが示された。   From the above, it has been shown that a porous thin film in which the pore diameter of the obtained macropores is controlled can be obtained by changing the particle size of the macropore template particles.

図8は、実施例1による薄膜1450のXRDパターンを示す図である。 FIG. 8 is a view showing an XRD pattern of the thin film 1450 according to the first embodiment.

図8によれば、薄膜1450は、格子面間隔0.342nmに相当する25.8°(2θ)に反射を示した。この反射は、グラフェン層における炭素原子と窒素原子との乱層配列に起因し、グラファイト状材料の(002)に指数付けされた。このことは、薄膜1450が、グラファイト状窒化炭素であることを示唆する。図示しないが、薄膜1500、薄膜1550および薄膜1600についても同様の結果が得られた。 According to FIG. 8, the thin film 1 450 showed reflection at 25.8 ° (2θ) corresponding to a lattice spacing of 0.342 nm. This reflection was attributed to the (002) of the graphite-like material due to the turbulent arrangement of carbon and nitrogen atoms in the graphene layer. This suggests that thin film 1 450 is graphitic carbon nitride. Although not shown, similar results were obtained for the thin film 1 500 , the thin film 1 550, and the thin film 1 600 .

図9は、実施例1による薄膜1450のEELSマッピング像を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing an EELS mapping image of the thin film 1450 according to the first embodiment.

図9(a)は明視野像であり、図9(b)は炭素原子のマッピング像であり、図9(c)は窒素原子のマッピング像であり、図9(d)はEELSスペクトルである。   9A is a bright field image, FIG. 9B is a mapping image of carbon atoms, FIG. 9C is a mapping image of nitrogen atoms, and FIG. 9D is an EELS spectrum. .

図9(a)は、図5および図6と同様に、マクロ細孔を有するフレーム構造を示す。図9(b)および(c)において、コントラストの明るく示される箇所が炭素原子および窒素原子を示す。薄膜1450における炭素原子および窒素原子パターンは、いずれも、図9(a)、図5および図6と同様のモルフォロジであった。このことから、薄膜1450の外部および内部のいずれにおいても、炭素原子および窒素原子が均一に分布していることが分かった。本発明の方法における窒化炭素前駆体として、液相である単一のポリエチレンイミンをマクロ・メソ細孔テンプレートに付与する効果と考えられる。 FIG. 9A shows a frame structure having macropores as in FIGS. In FIGS. 9B and 9C, the bright portions of contrast indicate carbon atoms and nitrogen atoms. The carbon atom and nitrogen atom patterns in the thin film 1 450 all had the same morphology as that in FIGS. 9 (a), 5 and 6. From this, it was found that carbon atoms and nitrogen atoms were uniformly distributed both outside and inside the thin film 1450 . This is considered to be an effect of imparting a single polyethyleneimine, which is a liquid phase, to the macro mesopore template as a carbon nitride precursor in the method of the present invention.

図9(d)によれば、薄膜1450は、C−Kエッジである284eV、および、N−Kエッジである401eVにピークを示した。284eVのピークは、1s−π*電子遷移によるものであり、窒素原子に結合したsp2ハイブリッド炭素に起因する。これは、炭素原子における電子密度を低減させる、窒素の高い電気陰性度によって生じる。 According to FIG. 9D, the thin film 1 450 showed peaks at 284 eV that is the CK edge and 401 eV that is the NK edge. The peak at 284 eV is due to 1s-π * electron transition and is due to sp2 hybrid carbon bonded to the nitrogen atom. This is caused by the high electronegativity of nitrogen, which reduces the electron density at the carbon atom.

N−Kエッジのピークの状態は、C−Kエッジのそれと同様であった。このこともまた、窒素原子が、炭素原子とsp2ハイブリッドを形成することを示唆する。   The state of the peak at the NK edge was the same as that at the CK edge. This also suggests that the nitrogen atom forms an sp2 hybrid with the carbon atom.

図9(d)より炭素原子と窒素原子とからN/(C+N)比(原子%)を求めたところ、約23%であった。図示しないが、薄膜1500、薄膜1550および薄膜1600についてもN/(C+N)比は異なるものの同様のEELSスペクトルが得られた。 The N / (C + N) ratio (atomic%) was determined from carbon atoms and nitrogen atoms from FIG. 9 (d), and was about 23%. Although not shown, similar EELS spectra were obtained for the thin film 1 500 , the thin film 1 550 and the thin film 1 600 although the N / (C + N) ratio was different.

以上より、本発明の方法を採用すれば、マクロ細孔とメソ細孔とを有するフレーム構造であって、フレーム構造が窒化炭素からなる、多孔性窒化炭素膜が得られることが示された。   From the above, it was shown that if the method of the present invention is adopted, a porous carbon nitride film having a frame structure having macropores and mesopores, the frame structure being made of carbon nitride, can be obtained.

図10は、実施例1による薄膜1450のXPSスペクトルを示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing an XPS spectrum of the thin film 1450 according to Example 1.

図10(a)はC1sスペクトルであり、図10(b)はN1sスペクトルである。図10(a)によれば、薄膜1450は、284.2eV、285.4eVおよび288.1eVにピークを示し、3種類の炭素原子が存在することが分かった。284.2eVにおけるピークは、アモルファス窒化炭素における純粋なグラファイトサイトに起因する。285.4eVにおけるピークは、芳香族構造内にある窒素原子に結合したsp2炭素原子に起因する。288.1eVにおけるピークは、NH基に結合した芳香環におけるsp2ハイブリッド炭素原子に起因する。 FIG. 10A shows the C1s spectrum, and FIG. 10B shows the N1s spectrum. According to FIG. 10A, the thin film 1 450 has peaks at 284.2 eV, 285.4 eV, and 288.1 eV, and it was found that three types of carbon atoms exist. The peak at 284.2 eV is due to pure graphite sites in amorphous carbon nitride. The peak at 285.4 eV is attributed to the sp2 carbon atom bonded to the nitrogen atom in the aromatic structure. The peak at 288.1 eV is due to the sp2 hybrid carbon atom in the aromatic ring attached to the NH 2 group.

図10(b)によれば、薄膜1450は、398.0eVおよび400.1eVにピークを示し、C−N結合において異なる窒素結合状態が存在することが分かった。398.0eVにおけるピークは、炭素原子にsp2結合した窒素原子、より詳細には、C=N−C基における窒素原子に起因する。400.1eVにおけるピークは、アモルファスC−Nネットワークにおける、すべてのsp2炭素原子、または、2つのsp2炭素原子に三方に結合した窒素原子に起因する。これらの結果は、図10(a)のC1sスペクトルの結果と良好に一致した。 According to FIG. 10B, the thin film 1 450 has peaks at 398.0 eV and 400.1 eV, and it was found that different nitrogen bonding states exist in the C—N bond. The peak at 398.0 eV is attributed to the nitrogen atom sp 2 bonded to the carbon atom, more specifically the nitrogen atom in the C═N—C group. The peak at 400.1 eV is attributed to all sp2 carbon atoms or nitrogen atoms bonded in three directions to two sp2 carbon atoms in the amorphous CN network. These results agreed well with the results of the C1s spectrum shown in FIG.

以上より、本発明の方法を採用すれば、アモルファス窒化炭素である多孔性窒化炭素膜が得られることが示された。図示しないが、薄膜1500、薄膜1550および薄膜1600についても同様の結果が得られた。また、図10から算出される薄膜1450中の炭素原子および窒素原子に対する窒素原子比(N/(C+N))(原子%)は約23%であり、EELSで求めた値に一致した。 From the above, it was shown that if the method of the present invention is employed, a porous carbon nitride film that is amorphous carbon nitride can be obtained. Although not shown, similar results were obtained for the thin film 1 500 , the thin film 1 550, and the thin film 1 600 . Further, the nitrogen atom ratio (N / (C + N)) (atomic%) to carbon atoms and nitrogen atoms in the thin film 1450 calculated from FIG. 10 was about 23%, which coincided with the value obtained by EELS.

図11は、実施例1による薄膜1450のFTIRスペクトルを示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing an FTIR spectrum of the thin film 1450 according to Example 1.

図11に示されるFTIRスペクトルは、他の窒化炭素材料と同様のスペクトルであった。詳細には、波数500cm−1と波数950cm−1との間における吸収は、ネットワークに窒素原子を取り込んだことによりIR活性となる、グラファイト状のsp2ドメインの面外変角モードに起因する。波数1436m−1における吸収は、芳香族C−N伸縮モードに起因する。波数1620m−1における吸収は、C=N伸縮モードに起因する。波数3150m−1〜3500cm−1におけるブロードな吸収は、芳香族におけるNH基またはNH基の伸縮モードに起因する。波数約2200cm−1における微小な吸収は、C≡N伸縮モードに起因する。主要なIRに特徴的な吸収帯は、他のアモルファス窒化炭素材料の一般的な吸収帯に一致した。 The FTIR spectrum shown in FIG. 11 was the same spectrum as other carbon nitride materials. In particular, the absorption between the wave number 500 cm -1 and a wavenumber 950 cm -1 becomes IR activity by incorporating a nitrogen atom in the network, due to out-of-plane deformation mode of graphitic sp2 domain. Absorption at wavenumber 1436m −1 is due to the aromatic C—N stretching mode. Absorption at wave number 1620m −1 is due to the C = N stretching mode. The broad absorption at wave numbers 3150 m −1 to 3500 cm −1 is attributed to the NH 2 group or NH group stretching mode in aromatics. The minute absorption at a wave number of about 2200 cm −1 is due to the C≡N stretching mode. The absorption band characteristic of the main IR coincided with the general absorption band of other amorphous carbon nitride materials.

図示しないが、薄膜1500、薄膜1550および薄膜1600についても同様の結果が得られた。このことからも、本発明の方法によって得られた多孔性薄膜は、窒化炭素からなることが確認された。 Although not shown, similar results were obtained for the thin film 1 500 , the thin film 1 550, and the thin film 1 600 . From this, it was confirmed that the porous thin film obtained by the method of the present invention was made of carbon nitride.

図12は、実施例1による薄膜1のN/(C+N)比の加熱温度依存性を示す図である。   FIG. 12 is a graph showing the heating temperature dependence of the N / (C + N) ratio of the thin film 1 according to Example 1.

図12において加熱温度は、図2のステップS250における炭化温度である。薄膜1中の窒素原子および炭素原子に対する窒素原子の比(原子%)は、EELSのスペクトルから算出した。   In FIG. 12, the heating temperature is the carbonization temperature in step S250 of FIG. The ratio (atomic%) of nitrogen atoms to nitrogen atoms and carbon atoms in the thin film 1 was calculated from the spectrum of EELS.

図12によれば、炭化温度が低いほど窒素含有量が高く、炭化温度が高いほど窒素含有量が低いことが分かる。具体的には、N/(C+N)は、炭化温度が450℃から600℃へと増大させると、22から12へと変化した。窒素含有量の減少は、炭化温度の上昇に伴う、図2のステップS240で得た重合された窒化炭素前駆体からの窒素原子の焼失に起因すると予想される。   As can be seen from FIG. 12, the lower the carbonization temperature, the higher the nitrogen content, and the higher the carbonization temperature, the lower the nitrogen content. Specifically, N / (C + N) changed from 22 to 12 when the carbonization temperature was increased from 450 ° C to 600 ° C. The decrease in nitrogen content is expected to result from the burning out of nitrogen atoms from the polymerized carbon nitride precursor obtained in step S240 of FIG. 2 with increasing carbonization temperature.

以上より、炭化温度を400℃〜600℃の温度範囲内で制御することにより、得られる多孔性窒化炭素膜中の窒素量を制御できることが確認された。   From the above, it was confirmed that the amount of nitrogen in the obtained porous carbon nitride film can be controlled by controlling the carbonization temperature within a temperature range of 400 ° C. to 600 ° C.

図13は、実施例1による薄膜1450のアニリンおよび酢酸に対するQCM周波数シフト量の時間依存性を示す図である。 FIG. 13 is a diagram showing the time dependency of the QCM frequency shift amount for aniline and acetic acid of the thin film 1 450 according to Example 1. FIG.

図13においてプロファイルaおよびbは、それぞれ、アニリンおよび酢酸に対するQCM周波数変化(シフト量)を示す。いずれのプロファイルも、時間の経過に伴い、QCM周波数変化を示した。このことから、薄膜1450は、芳香族炭化水素および酸性溶媒を吸着できることが確認された。 In FIG. 13, profiles a and b show QCM frequency changes (shift amounts) for aniline and acetic acid, respectively. All profiles showed QCM frequency changes over time. From this, it was confirmed that the thin film 1450 can adsorb | suck an aromatic hydrocarbon and an acidic solvent.

より詳細には、薄膜1450は、酢酸に対してより高い吸着能を有し、その吸着能は、アニリンの約6倍であった。これは、本発明による多孔性窒化炭素膜におけるフレーム構造が、炭素原子に結合したNH、NHまたはN等の炭素フレーム構造内に基本となる窒素族元素が取り込まれた構造であることに起因すると考えられる。 More specifically, thin film 1 450 had a higher adsorption capacity for acetic acid, which was about 6 times that of aniline. This is because the frame structure in the porous carbon nitride film according to the present invention is a structure in which a basic nitrogen group element is incorporated in a carbon frame structure such as NH, NH 2 or N bonded to a carbon atom. I think that.

このことから、本発明の多孔性窒化炭素膜が、特定の物質をセンシングするためのセンサとなり得、好ましくは芳香族炭化水素または酸性溶媒、より好ましくは酢酸をセンシングするためのセンサになり得ることが示された。   From this, the porous carbon nitride film of the present invention can be a sensor for sensing a specific substance, preferably an aromatic hydrocarbon or an acidic solvent, more preferably a sensor for sensing acetic acid. It has been shown.

図14は、実施例1によるオゾン処理前後(処理時間15分)の薄膜1450のアニリンおよび酢酸に対するQCM周波数シフト量を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing the QCM frequency shift amount with respect to aniline and acetic acid of the thin film 1450 before and after the ozone treatment according to Example 1 (treatment time 15 minutes).

図14のオゾン処理前のQCM周波数シフト量は、図13の結果に基づく。図14によれば、オゾン処理後の薄膜1450は、アニリン次いで酢酸の順に吸着能を有した。この吸着能の順番は、オゾン処理前のそれと逆転した。 The QCM frequency shift amount before ozone treatment in FIG. 14 is based on the results in FIG. According to FIG. 14, the thin film 1 450 after the ozone treatment had adsorption ability in the order of aniline and then acetic acid. This order of adsorption capacity was reversed from that before ozone treatment.

オゾン処理により吸着能を変化させる、すなわちセンシングする物質を制御することができるので、本発明の多孔性窒化炭素膜を光学スイッチとして利用してもよい。   Since the adsorption ability can be changed by the ozone treatment, that is, the sensing substance can be controlled, the porous carbon nitride film of the present invention may be used as an optical switch.

また、図13および図14に示す吸着実験を複数回繰り返し行ったが、吸着量に実質的な変化は見られなかった。このことから、本発明の多孔性窒化炭素膜が、高い安定性を有しており、商業的に有利であることが確認された。   Further, the adsorption experiment shown in FIGS. 13 and 14 was repeated a plurality of times, but no substantial change was observed in the adsorption amount. From this, it was confirmed that the porous carbon nitride film of the present invention has high stability and is commercially advantageous.

本発明の多孔性窒化炭素膜は、マクロ細孔およびメソ細孔を有するので、触媒、吸着剤、フィルタ等に利用され得る。本発明の多孔性窒化炭素膜は、所定の物質に対して選択的な吸着能を有するため、センサあるいは光学スイッチに好適である。また、本発明の多孔性窒化炭素膜を、既存の多孔性材料と同様に、上述の用途に加えて、ガス分離、クロマトグラフィ、エネルギー貯蔵に用いてもよい。   Since the porous carbon nitride film of the present invention has macropores and mesopores, it can be used for catalysts, adsorbents, filters, and the like. Since the porous carbon nitride film of the present invention has a selective adsorption ability for a predetermined substance, it is suitable for a sensor or an optical switch. Further, the porous carbon nitride film of the present invention may be used for gas separation, chromatography, and energy storage, in addition to the above-mentioned applications, similarly to the existing porous materials.

100 多孔性窒化炭素膜
110、510 フレーム構造
120、312、520、710、720 マクロ細孔
130、314 メソ細孔
140 開口部
300 粒子
310 マクロ細孔テンプレート
320 基板
330 シリカ源
340 ブロック共重合体
350 メソ細孔テンプレート
360 マクロ・メソ細孔テンプレート
370 第2の溶液
380 窒化炭素前駆体
390 窒化炭素
313 メソ細孔を伴うシリカ
400 フィルタ
410 有害物質を含有するガス
420 有害物質が除去されたガス
610 チャネル
100 Porous carbon nitride film 110, 510 Frame structure 120, 312, 520, 710, 720 Macropore 130, 314 Mesopore 140 Opening 300 Particle 310 Macropore template 320 Substrate 330 Silica source 340 Block copolymer 350 Mesopore template 360 Macro mesopore template 370 Second solution 380 Carbon nitride precursor 390 Carbon nitride 313 Silica with mesopores 400 Filter 410 Gas containing harmful substance 420 Gas from which harmful substance has been removed 610 Channel

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Claims (20)

窒化炭素からなるフレーム構造によって形成される多孔性窒化炭素膜であって、
前記フレーム構造は、
マクロ細孔と、
前記マクロ細孔の細孔径よりも小さな細孔径を有するメソ細孔と
を有し、
前記マクロ細孔は、前記多孔性窒化炭素膜の表面方向に規則的に配列しており、
前記マクロ細孔は、前記多孔性窒化炭素膜の表面に開口部を有する、多孔性窒化炭素膜。
A porous carbon nitride film formed by a frame structure made of carbon nitride,
The frame structure is
Macropores,
And mesopores having a pore size smaller than the pore size of the macropores,
The macropores are regularly arranged in the surface direction of the porous carbon nitride film,
The macropores are porous carbon nitride films having openings on the surface of the porous carbon nitride film.
前記マクロ細孔の細孔径は、50nm〜15μmの範囲である、請求項1に記載の多孔性窒化炭素膜。   The porous carbon nitride film according to claim 1, wherein a pore diameter of the macropores is in a range of 50 nm to 15 μm. 前記メソ細孔の細孔径は、5nm〜20nmの範囲である、請求項1に記載の多孔性窒化炭素膜。   The porous carbon nitride film according to claim 1, wherein a pore diameter of the mesopores is in a range of 5 nm to 20 nm. 前記窒化炭素は、Al、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Pd、Ag、Ta、W、PtおよびAuからなる群から選択される金属元素および/またはランタノイド元素を含有する、請求項1に記載の多孔性窒化炭素膜。   The carbon nitride contains a metal element and / or a lanthanoid element selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Ag, Ta, W, Pt, and Au. The porous carbon nitride film according to claim 1. 前記窒化炭素は、アモルファス窒化炭素である、請求項1に記載の多孔性窒化炭素膜。   The porous carbon nitride film according to claim 1, wherein the carbon nitride is amorphous carbon nitride. 前記窒化炭素における窒素原子Nおよび炭素原子CによるN/(C+N)比(原子%)は、10%〜25%の範囲である、請求項1に記載の多孔性窒化炭素膜。   2. The porous carbon nitride film according to claim 1, wherein an N / (C + N) ratio (atomic%) of nitrogen atoms N and carbon atoms C in the carbon nitride is in a range of 10% to 25%. 請求項1に記載の多孔性窒化炭素膜を製造する方法であって、
シリカ源とブロック共重合体と含有する第1の溶液を粒子からなるマクロ細孔テンプレートに付与するステップと、
前記第1の溶液が付与された前記マクロ細孔テンプレートを加熱し、前記シリカ源からシリカを生成し、前記マクロ細孔テンプレートと、前記ブロック共重合体および前記シリカからなるメソ細孔テンプレートとを有するマクロ・メソ細孔テンプレートを形成するステップと、
窒化炭素前駆体を含有する第2の溶液を、前記マクロ・メソ細孔テンプレートに付与するステップと、
前記第2の溶液が付与された前記マクロ・メソ細孔テンプレートを加熱し、前記窒化炭素前駆体を重合するステップと、
前記重合された前記窒化炭素前駆体を有する前記マクロ・メソ細孔テンプレートを加熱し、前記重合された前記窒化炭素前駆体を炭化し、かつ、前記マクロ・メソ細孔テンプレートから前記粒子および前記ブロック共重合体を除去するステップと、
前記粒子および前記ブロック共重合体が除去され、前記炭化された前記窒化炭素前駆体および前記シリカからなる生成物を酸またはアルカリ処理し、前記シリカを除去するステップと
を包含する、方法。
A method for producing the porous carbon nitride film according to claim 1, comprising:
Applying a first solution containing a silica source and a block copolymer to a macroporous template comprising particles;
Heating the macropore template to which the first solution has been applied to produce silica from the silica source; and the macropore template, and the mesopore template comprising the block copolymer and the silica. Forming a macro mesopore template having:
Applying a second solution containing a carbon nitride precursor to the macro mesopore template;
Heating the macro mesopore template provided with the second solution to polymerize the carbon nitride precursor;
Heating the macro mesopore template having the polymerized carbon nitride precursor, carbonizing the polymerized carbon nitride precursor, and from the macro mesopore template, the particles and the blocks Removing the copolymer;
Removing the particles, the block copolymer, treating the carbonized carbon nitride precursor and the product comprising the silica with an acid or alkali, and removing the silica.
前記シリカ源は、テトラエトキシシラン(TEOS)またはケイ酸ナトリウムである、請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, wherein the silica source is tetraethoxysilane (TEOS) or sodium silicate. 前記ブロック共重合体は、P104、P123、F108およびF127からなる群から選択される、請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, wherein the block copolymer is selected from the group consisting of P104, P123, F108 and F127. 前記窒化炭素前駆体は、ポリエチレンイミン、アニリン、メラミンおよびエチレンジアミンからなる群から選択される、請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, wherein the carbon nitride precursor is selected from the group consisting of polyethyleneimine, aniline, melamine and ethylenediamine. 前記第2の溶液は、Al、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Pd、Ag、Ta、W、PtおよびAuからなる群から選択される金属イオンおよび/またはランタノイドイオンを含有する、請求項7に記載の方法。   The second solution contains metal ions and / or lanthanoid ions selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Ag, Ta, W, Pt, and Au. The method of claim 7. 前記粒子の粒径は、50nm〜15μmの範囲である、請求項7に記載の方法。   The method according to claim 7, wherein the particle size is in the range of 50 nm to 15 μm. 前記シリカを生成するステップは、前記第1の溶液が付与された前記マクロ細孔テンプレートを、80℃〜150℃の温度範囲で、12時間〜36時間加熱する、請求項7に記載の方法。   The method according to claim 7, wherein the step of generating silica heats the macroporous template to which the first solution has been applied in a temperature range of 80 ° C. to 150 ° C. for 12 hours to 36 hours. 前記窒化炭素前駆体を重合するステップは、前記第2の溶液が付与された前記マクロ・メソ細孔テンプレートを、50℃〜100℃の第1の温度範囲で2時間〜6時間、次いで、前記第1の温度範囲より高い160℃〜200℃の温度範囲で2時間〜6時間加熱する、請求項7に記載の方法。   The step of polymerizing the carbon nitride precursor comprises subjecting the macro mesopore template provided with the second solution to a first temperature range of 50 ° C. to 100 ° C. for 2 hours to 6 hours, The method according to claim 7, wherein the heating is performed at a temperature range of 160C to 200C higher than the first temperature range for 2 hours to 6 hours. 前記炭化および除去するステップは、前記重合された前記窒化炭素前駆体を有する前記マクロ・メソ細孔テンプレートを、不活性雰囲気中で400℃〜600℃の温度範囲で2時間〜6時間加熱する、請求項7に記載の方法。   The carbonizing and removing step comprises heating the macro mesopore template having the polymerized carbon nitride precursor in a temperature range of 400 ° C. to 600 ° C. for 2 hours to 6 hours in an inert atmosphere. The method of claim 7. 前記酸またはアルカリ処理は、フッ酸または水酸化ナトリウムを用いる、請求項7に記載の方法。   The method according to claim 7, wherein the acid or alkali treatment uses hydrofluoric acid or sodium hydroxide. 前記マクロ細孔テンプレートは、コロイド結晶である、請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, wherein the macropore template is a colloidal crystal. 前記シリカを除去するステップに続いて、前記多孔性窒化炭素膜をオゾン処理するステップをさらに包含する、請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, further comprising the step of ozone treating the porous carbon nitride film following the step of removing the silica. 請求項1〜6のいずれかに記載の多孔性窒化炭素膜を備えたセンサ。   A sensor comprising the porous carbon nitride film according to claim 1. 請求項1〜6のいずれかに記載の多孔性窒化炭素膜を備えたフィルタ。   A filter comprising the porous carbon nitride film according to claim 1.
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