JP2013133262A - Carbon nanofiber structure, carbon nanofiber electrode, and method for manufacturing the carbon nanofiber structure - Google Patents

Carbon nanofiber structure, carbon nanofiber electrode, and method for manufacturing the carbon nanofiber structure Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon nanofiber structure which enables formation of a carbon nanofiber electrode capable of imparting excellent electrochemical performance to an electrochemical element, a carbon nanofiber electrode, and a method for manufacturing the carbon nanofiber structure.SOLUTION: The carbon nanofiber structure 100 comprises a substrate 10 and a carbon nanofiber assembly layer 50 disposed on one surface 10a side of the substrate 10 and formed by assembling a plurality of carbon nanofibers 51 oriented along a direction away from the one surface 10a. Holes 52 having a hole diameter of 0.3-7 μm are formed in the carbon nanofiber assembly layer 50 by the plurality of carbon nanofibers 51, and the total area of the holes 52 is 1 to <40% of the apparent area of an end face 50a of the carbon nanofiber assembly layer 50 on the side opposite to the substrate 10.

Description

本発明は、カーボンナノファイバ構造体、カーボンナノファイバ電極及びカーボンナノファイバ構造体の製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon nanofiber structure, a carbon nanofiber electrode, and a method for producing a carbon nanofiber structure.

色素増感太陽電池、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ、燃料電池などの電極や電線として、優れた導電性を有することから、カーボンナノチューブ電極が注目されている。   Carbon nanotube electrodes have attracted attention because they have excellent conductivity as electrodes and wires for dye-sensitized solar cells, lithium ion secondary batteries, lithium ion capacitors, electric double layer capacitors, fuel cells and the like.

特に色素増感太陽電池においては、カーボンナノチューブ電極は白金電極に匹敵する性能を発揮することから期待が高まってきている。   In particular, in a dye-sensitized solar cell, the carbon nanotube electrode has been expected to exhibit performance comparable to that of a platinum electrode.

このようなカーボンナノチューブ電極として、例えば特許文献1に記載のものが知られている。特許文献1には、基板上の複数の領域に金属触媒をパターニングし、それらの金属触媒上に複数のカーボンナノチューブを化学気相成長させてなるカーボンナノチューブ・バルク構造体が開示されている。   As such a carbon nanotube electrode, for example, the one described in Patent Document 1 is known. Patent Document 1 discloses a carbon nanotube bulk structure obtained by patterning a metal catalyst in a plurality of regions on a substrate and chemical vapor deposition of the plurality of carbon nanotubes on the metal catalyst.

国際公開第2006/011655号International Publication No. 2006/011655

しかし、特許文献1に記載のカーボンナノチューブ・バルク構造体は以下に示す課題を有していた。   However, the carbon nanotube bulk structure described in Patent Document 1 has the following problems.

すなわち、特許文献1に記載のカーボンナノチューブ・バルク構造体において複数のカーボンナノチューブを集合させてなる層(以下、「カーボンナノチューブ集合層」と言う)は、電気化学素子の電極に適用した場合に、必ずしも電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することができるものではなかった。   That is, a layer formed by collecting a plurality of carbon nanotubes in the carbon nanotube bulk structure described in Patent Document 1 (hereinafter referred to as “carbon nanotube assembly layer”) is applied to an electrode of an electrochemical element. It was not always possible to impart excellent electrochemical performance to the electrochemical element.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能なカーボンナノファイバ電極を形成できるカーボンナノファイバ構造体、カーボンナノファイバ電極及びカーボンナノファイバ構造体の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, a carbon nanofiber structure capable of forming a carbon nanofiber electrode capable of imparting excellent electrochemical performance to an electrochemical element, a carbon nanofiber electrode, and It aims at providing the manufacturing method of a carbon nanofiber structure.

本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、上記特許文献1に記載のカーボンナノチューブ・バルク構造体を構成するカーボンナノチューブ集合層では、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能なカーボンナノファイバ電極を形成できない理由について、上記特許文献1に記載のカーボンナノチューブ集合層では、電解質が内部に十分に輸送されないためではないかと考えた。そこで、本発明者は、特許文献1記載のカーボンナノチューブ集合層にカーボンナノチューブの配向方向に沿った孔を形成することを考えた。しかし、孔を形成しただけでは、必ずしも電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することができなかった。例えば大きい孔を形成すれば、電解質が内部に十分に輸送するように考えられるが、実際には、大きい孔を形成すると、電解質の内部拡散がかえって悪くなるという結果が得られた。そこで、本発明者はさら鋭意研究を重ねた結果、カーボンナノファイバ集合層に特定の孔径を有する孔を特定の面積比率で形成することによって上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventor of the present invention has excellent electrochemical performance with respect to electrochemical devices in the carbon nanotube aggregate layer constituting the carbon nanotube bulk structure described in Patent Document 1. Regarding the reason why a carbon nanofiber electrode capable of imparting a carbon atom cannot be formed, the carbon nanotube aggregate layer described in Patent Document 1 considered that the electrolyte was not sufficiently transported inside. Therefore, the present inventor has considered to form holes in the carbon nanotube assembly layer described in Patent Document 1 along the orientation direction of the carbon nanotubes. However, it was not always possible to impart excellent electrochemical performance to the electrochemical element simply by forming the holes. For example, if a large hole is formed, the electrolyte is considered to be sufficiently transported to the inside. However, in fact, when a large hole is formed, the internal diffusion of the electrolyte is rather deteriorated. Therefore, as a result of further earnest research, the present inventor found that the above problem can be solved by forming holes having a specific hole diameter in the carbon nanofiber assembly layer with a specific area ratio, and completed the present invention. It came to do.

すなわち本発明は、基材と、前記基材の一面側に設けられ、前記一面から離れる方向に沿って配向する複数本のカーボンナノファイバを集合させてなるカーボンナノファイバ集合層とを備え、前記複数本のカーボンナノファイバに包囲されることによって0.3〜7μmの孔径を有する孔が形成されており、前記カーボンナノファイバ集合層において、前記孔の総面積が前記カーボンナノファイバ集合層のうち前記基材と反対側の端面の見かけの面積に対して1%以上40%未満である、カーボンナノファイバ構造体である。   That is, the present invention comprises a base material, and a carbon nanofiber assembly layer formed by assembling a plurality of carbon nanofibers provided on one surface side of the base material and oriented along a direction away from the one surface, A hole having a hole diameter of 0.3 to 7 μm is formed by being surrounded by a plurality of carbon nanofibers, and in the carbon nanofiber assembly layer, the total area of the holes is within the carbon nanofiber assembly layer. It is a carbon nanofiber structure which is 1% or more and less than 40% with respect to the apparent area of the end surface opposite to the substrate.

このカーボンナノファイバ構造体によれば、基材の一面側に設けられるカーボンナノファイバ集合層において、0.3〜7μmの孔径を有する孔が複数本のカーボンナノファイバに包囲されることによって適度に形成されている。このため、例えば当該カーボンナノファイバ構造体から、電解質を含む電気化学素子の電極を形成した場合に、電解質を、孔を通してカーボンナノファイバ集合層内部まで容易にかつ効果的に輸送させることが可能となる。従って、本発明のカーボンナノファイバ構造体は、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能なカーボンナノファイバ電極を形成できる。また本発明のカーボンナノファイバ構造体は、複数本のカーボンナノファイバが集合してなるカーボンナノファイバ集合層を基材の一面側に有し、このカーボンナノファイバ集合層において、複数本のカーボンナノファイバに包囲されることによって孔が形成されている。すなわち、この孔は、カーボンナノファイバ集合層を分離するものとはなっていない。このため、カーボンナノファイバ集合層から、複数本のカーボンナノファイバを連続に結合してなるカーボン糸を引き出すと、より長いカーボン糸を得ることができる。   According to this carbon nanofiber structure, in the carbon nanofiber assembly layer provided on the one surface side of the base material, a hole having a hole diameter of 0.3 to 7 μm is surrounded by a plurality of carbon nanofibers. Is formed. For this reason, for example, when an electrode of an electrochemical element including an electrolyte is formed from the carbon nanofiber structure, the electrolyte can be easily and effectively transported into the carbon nanofiber assembly layer through the holes. Become. Therefore, the carbon nanofiber structure of the present invention can form a carbon nanofiber electrode capable of imparting excellent electrochemical performance to the electrochemical element. Further, the carbon nanofiber structure of the present invention has a carbon nanofiber assembly layer formed by aggregating a plurality of carbon nanofibers on one surface side of the substrate, and the carbon nanofiber assembly layer includes a plurality of carbon nanofibers. A hole is formed by being surrounded by the fiber. That is, this hole does not separate the carbon nanofiber assembly layer. For this reason, a longer carbon yarn can be obtained by extracting a carbon yarn formed by continuously bonding a plurality of carbon nanofibers from the carbon nanofiber assembly layer.

上記カーボンナノファイバ構造体は、前記孔の前記孔径の最大値よりも前記カーボンナノファイバの長さが大きい場合に有用である。   The carbon nanofiber structure is useful when the length of the carbon nanofiber is larger than the maximum value of the hole diameter of the hole.

これは、カーボンナノファイバの配向方向に沿った長さが、孔の孔径の最大値よりも大きいほど、電気化学素子の電気化学性能を向上させるために、電解質をカーボンナノファイバ集合層の内部まで輸送させる必要性が高まるためである。   This is because, as the length along the orientation direction of the carbon nanofiber is larger than the maximum value of the pore diameter, the electrolyte is moved to the inside of the carbon nanofiber assembly layer in order to improve the electrochemical performance of the electrochemical device. This is because the need for transportation increases.

上記カーボンナノファイバ構造体においては、前記孔が貫通孔であることが好ましい。この場合、本発明のカーボンナノファイバ構造体を電気化学素子の電極に適用した場合に、孔が貫通孔でない場合に比べて、電解質をより十分にカーボンナノファイバ集合層の内部まで輸送させることが可能となる。その結果、電気化学素子に対してより優れた電気化学性能を付与することが可能となる。   In the carbon nanofiber structure, the hole is preferably a through hole. In this case, when the carbon nanofiber structure of the present invention is applied to an electrode of an electrochemical device, the electrolyte can be transported more sufficiently to the inside of the carbon nanofiber assembly layer than when the hole is not a through hole. It becomes possible. As a result, it is possible to impart more excellent electrochemical performance to the electrochemical element.

また本発明は、上述したカーボンナノファイバ構造体を備えるカーボンナノファイバ電極である。   Moreover, this invention is a carbon nanofiber electrode provided with the carbon nanofiber structure mentioned above.

また本発明は、上述したカーボンナノファイバ構造体の前記カーボンナノファイバ集合層を導電性基板に転写することにより得られるカーボンナノファイバ電極であってもよい。   The present invention may also be a carbon nanofiber electrode obtained by transferring the carbon nanofiber assembly layer of the carbon nanofiber structure described above onto a conductive substrate.

これらのカーボンナノファイバ電極によれば、当該カーボンナノファイバ電極を、電解質を含む電気化学素子の電極として使用した場合に、電解質を、孔を通してカーボンナノファイバ集合層内部まで容易にかつ効果的に輸送させることが可能となる。従って、本発明のカーボンナノファイバ電極は、電気化学素子の電極に適用した場合に、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能となる。   According to these carbon nanofiber electrodes, when the carbon nanofiber electrode is used as an electrode of an electrochemical element including an electrolyte, the electrolyte is easily and effectively transported to the inside of the carbon nanofiber assembly layer through the holes. It becomes possible to make it. Therefore, when the carbon nanofiber electrode of the present invention is applied to an electrode of an electrochemical element, it is possible to impart excellent electrochemical performance to the electrochemical element.

さらに本発明は、基材の一面上に金属触媒を設けてなるカーボンナノファイバ形成用構造体を準備する準備工程と、前記カーボンナノファイバ形成用構造体の前記金属触媒の上に、化学気相成長法により、炭素を含む原料ガスを前記金属触媒に供給し、前記基材の一面から離れる方向に沿って複数本のカーボンナノファイバを配向させて、前記複数本のカーボンナノファイバを集合させてなるカーボンナノファイバ集合層を有するカーボンナノファイバ構造体を形成するカーボンナノファイバ成長工程とを含み、前記カーボンナノファイバ形成用構造体のうち前記金属触媒側に形成され、0.3〜7μmの穴径を有する穴の総面積が、前記金属触媒を設けた触媒担持面の面積に対して1%以上40%未満である、カーボンナノファイバ構造体の製造方法である。   Furthermore, the present invention provides a preparatory step of preparing a structure for forming a carbon nanofiber formed by providing a metal catalyst on one surface of a substrate, and a chemical vapor phase on the metal catalyst of the structure for forming carbon nanofiber. By supplying a source gas containing carbon to the metal catalyst by a growth method, orienting a plurality of carbon nanofibers along a direction away from one surface of the substrate, and assembling the plurality of carbon nanofibers. A carbon nanofiber growth process for forming a carbon nanofiber structure having a carbon nanofiber assembly layer, wherein the hole is formed on the metal catalyst side of the carbon nanofiber formation structure, and has a diameter of 0.3 to 7 μm. A carbon nanofiber structure in which the total area of the holes having a diameter is 1% or more and less than 40% with respect to the area of the catalyst supporting surface provided with the metal catalyst It is a manufacturing method.

この製造方法によれば、カーボンナノファイバ成長工程において化学気相成長法(以下、「CVD法」と呼ぶことがある)によりカーボンナノファイバを成長させる際、炭素を含有する原料ガスが金属触媒に供給される。このとき、原料ガスが金属触媒中に拡散して触媒表面からカーボンナノファイバが析出する。触媒の活性が維持されている間は、この拡散と析出が連続で起きてカーボンナノファイバが成長する。このとき、一般には、カーボンナノチューブが成長するにつれて、基材の一面上に成長するカーボンナノファイバがガスの拡散を阻害し、金属触媒へのガス供給を困難にする。その結果、金属触媒のうち、原料ガスに対して露出している露出部分と、カーボンナノファイバによって被覆された被覆部分とでは原料ガスの供給量に差が生じる。すなわち金属触媒に対するガス供給量の点で不均一が生じる。このため、露出部分と被覆部分とでカーボンナノファイバの成長速度に差が生じる。このことは、カーボンナノファイバ集合層の体積が大型化するにつれて顕著になる。   According to this manufacturing method, when carbon nanofibers are grown by chemical vapor deposition (hereinafter sometimes referred to as “CVD method”) in the carbon nanofiber growth step, the raw material gas containing carbon is used as a metal catalyst. Supplied. At this time, the raw material gas diffuses into the metal catalyst, and carbon nanofibers are deposited from the catalyst surface. While the activity of the catalyst is maintained, this diffusion and precipitation occur continuously, and carbon nanofibers grow. At this time, generally, as the carbon nanotubes grow, the carbon nanofibers grown on one surface of the substrate inhibit gas diffusion, making it difficult to supply the gas to the metal catalyst. As a result, there is a difference in the supply amount of the raw material gas between the exposed portion of the metal catalyst exposed to the raw material gas and the coated portion covered with the carbon nanofibers. That is, nonuniformity occurs in terms of the amount of gas supplied to the metal catalyst. For this reason, a difference occurs in the growth rate of the carbon nanofibers between the exposed portion and the coated portion. This becomes remarkable as the volume of the carbon nanofiber assembly layer increases.

その点、本発明の製造方法では、カーボンナノファイバ形成用構造体のうち金属触媒側に形成され、0.3〜7μmの穴径を有する穴の総面積が、金属触媒を設けた触媒担持面の面積に対して1%以上40%未満の面積比率で形成されている。その結果、以下の作用効果が奏される。   In that respect, in the production method of the present invention, the total area of the holes formed on the metal catalyst side of the carbon nanofiber forming structure and having a hole diameter of 0.3 to 7 μm is the catalyst supporting surface provided with the metal catalyst. The area ratio is 1% or more and less than 40%. As a result, the following effects are exhibited.

すなわち、まずカーボンナノファイバは金属触媒上で基材の一面から離れる方向に向かって成長する。別言すると、カーボンナノファイバは、基材の一面のうち金属触媒が形成されていない領域を除く領域上に、基材の一面から離れる方向に向かって成長する。こうして、成長する複数本のカーボンナノファイバを集合させてなるカーボンナノファイバ集合層が形成される。このとき、複数本のカーボンナノファイバに包囲されることによって孔径0.3〜7μmの孔が、カーボンナノファイバ形成用構造体のうち金属触媒側に形成された穴の面積比率と同じ面積比率で形成される。すなわち、カーボンナノファイバ集合層において0.3〜7μmの孔径を有する孔の総面積が、カーボンナノファイバ集合層のうち基材と反対側の端面の見かけの面積に対して1%以上40%未満で形成される。そして、原料ガスは、上記孔を通ってカーボンナノファイバ集合層の内部に拡散することが可能となり、金属触媒に到達しやすくなる。その結果、金属触媒のうち、露出部分と被覆部分とで原料ガスの供給量の差を小さくすることが可能となり、両部分でカーボンナノファイバの成長速度の差を小さくすることが可能となる。   That is, first, carbon nanofibers grow on the metal catalyst in a direction away from one surface of the substrate. In other words, the carbon nanofibers grow in a direction away from one surface of the substrate on a region other than the region where the metal catalyst is not formed on one surface of the substrate. Thus, a carbon nanofiber assembly layer is formed by assembling a plurality of growing carbon nanofibers. At this time, by being surrounded by a plurality of carbon nanofibers, holes having a pore diameter of 0.3 to 7 μm have the same area ratio as the area ratio of the holes formed on the metal catalyst side in the carbon nanofiber forming structure. It is formed. That is, the total area of pores having a pore diameter of 0.3 to 7 μm in the carbon nanofiber aggregate layer is 1% or more and less than 40% with respect to the apparent area of the end surface on the opposite side of the carbon nanofiber aggregate layer. Formed with. The source gas can diffuse into the carbon nanofiber assembly layer through the holes, and can easily reach the metal catalyst. As a result, in the metal catalyst, it is possible to reduce the difference in the supply amount of the raw material gas between the exposed portion and the coated portion, and it is possible to reduce the difference in the growth rate of the carbon nanofibers in both portions.

こうしてカーボンナノファイバを成長させると、カーボンナノファイバが長尺状に成長しても、カーボンナノファイバが湾曲することを十分に抑制することが可能となる。また成長する複数のカーボンナノファイバ同士が互いの成長を阻害することも十分に抑制されるため、カーボンナノファイバの生産性を十分に向上させることができる。   When the carbon nanofibers are grown in this way, even if the carbon nanofibers are elongated, it is possible to sufficiently suppress the carbon nanofibers from being bent. In addition, since the growth of the plurality of carbon nanofibers is sufficiently suppressed from inhibiting each other's growth, the productivity of the carbon nanofibers can be sufficiently improved.

さらに、本発明の製造方法によって得られるカーボンナノファイバ構造体は、基材の一面側に設けられるカーボンナノファイバ集合層において、0.3〜7μmの孔径を有する孔が複数本のカーボンナノファイバに包囲されることによって適度に形成されることになる。このため、例えば当該カーボンナノファイバ構造体から、電解質を含む電気化学素子の電極を形成した場合に、電解質を、孔を通してカーボンナノファイバ集合層内部まで容易にかつ効果的に輸送させることが可能となる。従って、本発明の製造方法により得られるカーボンナノファイバ構造体は、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能なカーボンナノファイバ電極を形成できる。   Furthermore, in the carbon nanofiber structure obtained by the production method of the present invention, the carbon nanofiber assembly layer provided on one surface side of the substrate has a plurality of holes having a hole diameter of 0.3 to 7 μm. It is formed moderately by being surrounded. For this reason, for example, when an electrode of an electrochemical element including an electrolyte is formed from the carbon nanofiber structure, the electrolyte can be easily and effectively transported into the carbon nanofiber assembly layer through the holes. Become. Therefore, the carbon nanofiber structure obtained by the production method of the present invention can form a carbon nanofiber electrode capable of imparting excellent electrochemical performance to the electrochemical element.

さらに本発明の製造方法によって得られるカーボンナノファイバ構造体は、複数本のカーボンナノファイバが集合してなるカーボンナノファイバ集合層を基材の一面側に有し、このカーボンナノファイバ集合層において、複数本のカーボンナノファイバに包囲されることによって孔が形成されている。すなわち、この孔は、カーボンナノファイバ集合層を分離するものとはなっていない。このため、カーボンナノファイバ集合層から、複数本のカーボンナノファイバを連続に結合してなるカーボン糸を引き出すと、より長いカーボン糸を得ることができる。   Furthermore, the carbon nanofiber structure obtained by the production method of the present invention has a carbon nanofiber assembly layer formed by aggregating a plurality of carbon nanofibers on one surface side of the base material. In this carbon nanofiber assembly layer, A hole is formed by being surrounded by a plurality of carbon nanofibers. That is, this hole does not separate the carbon nanofiber assembly layer. For this reason, a longer carbon yarn can be obtained by extracting a carbon yarn formed by continuously bonding a plurality of carbon nanofibers from the carbon nanofiber assembly layer.

上記製造方法においては、前記基材が酸素イオン伝導性基板であることが好ましい。   In the said manufacturing method, it is preferable that the said base material is an oxygen ion conductive substrate.

カーボンナノファイバ形成用構造体の金属触媒上にCVD法によりカーボンナノファイバを成長させる際、炭素を含有する原料ガスが金属触媒に供給される。このとき、基材が、酸素イオン伝導性基板であるため、基材中の酸素イオンが基材を伝導して金属触媒に到達する。このため、炭素を含有する原料ガスによって金属触媒に浸炭が起こったり、原料ガスの副次的な反応物によって金属触媒の表面に炭素物質が堆積したりしようとしても、金属触媒に到達した酸素イオンがこれらの炭素と反応し、CO等になることで、浸炭や、炭素物質の堆積を十分に抑制することができる。従って、金属触媒の触媒担持機能の低下を十分に抑制することが可能となり、カーボンナノファイバをより十分に成長させることができる。 When carbon nanofibers are grown on the metal catalyst of the structure for forming carbon nanofibers by a CVD method, a raw material gas containing carbon is supplied to the metal catalyst. At this time, since the base material is an oxygen ion conductive substrate, oxygen ions in the base material are conducted through the base material and reach the metal catalyst. For this reason, even if carburization occurs in the metal catalyst due to the raw material gas containing carbon or carbon material is deposited on the surface of the metal catalyst due to a secondary reaction product of the raw material gas, oxygen ions that have reached the metal catalyst Reacts with these carbons to become CO 2 or the like, so that carburization and deposition of carbon materials can be sufficiently suppressed. Accordingly, it is possible to sufficiently suppress the decrease in the catalyst supporting function of the metal catalyst, and it is possible to grow the carbon nanofibers more sufficiently.

上記製造方法においては、前記カーボンナノファイバ形成用構造体が、前記基板と前記金属触媒との間に設けられる金属酸化物層を更に備え、前記金属酸化物層の厚さが0.5〜10nmであることが好ましい。   In the manufacturing method, the carbon nanofiber-forming structure further includes a metal oxide layer provided between the substrate and the metal catalyst, and the thickness of the metal oxide layer is 0.5 to 10 nm. It is preferable that

この場合、金属酸化物層の厚さが上記範囲を外れる場合に比べて、カーボンナノファイバを成長させる際に、カーボンナノファイバをより効果的に成長させることができる。   In this case, compared with the case where the thickness of a metal oxide layer remove | deviates from the said range, when growing a carbon nanofiber, a carbon nanofiber can be grown more effectively.

上記製造方法においては、前記カーボンナノファイバ形成用構造体において、前記穴が、前記基材の前記一面に開口部を形成し、前記基材の前記一面のうち前記開口部を除く領域上に前記金属触媒を形成することによって得られてもよい。   In the manufacturing method, in the structure for forming carbon nanofibers, the hole forms an opening in the one surface of the base material, and the region on the surface of the base material excluding the opening portion has the hole. It may be obtained by forming a metal catalyst.

なお、本発明において、「カーボンナノファイバ」とは、カーボンで構成され、太さが50nm以下である中空状又は中実状の繊維状体を言う。   In the present invention, “carbon nanofiber” refers to a hollow or solid fibrous body made of carbon and having a thickness of 50 nm or less.

また本発明において、「孔径」又は「穴径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)で孔又は穴を観察したときの2次元画像の面積Sを求め、その面積Sを円の面積に等しいと考え、その面積から下記式:
R=2×(S/π)1/2
に基づいて算出したRの値を言うものとする。
Further, in the present invention, “hole diameter” or “hole diameter” refers to the area S of a two-dimensional image when a hole or hole is observed with a scanning electron microscope (SEM), and the area S is equal to the area of a circle. From the area, the following formula:
R = 2 × (S / π) 1/2
The value of R calculated based on

本発明によれば、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能なカーボンナノファイバ電極を形成できるカーボンナノファイバ構造体、カーボンナノファイバ電極及びカーボンナノファイバ構造体の製造方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the carbon nanofiber structure which can form the carbon nanofiber electrode which can provide the electrochemical performance outstanding with respect to the electrochemical element, the carbon nanofiber electrode, and the manufacturing method of a carbon nanofiber structure Is provided.

本発明に係るカーボンナノファイバ構造体の一実施形態を示す切断面端面図である。It is a cut surface end elevation showing one embodiment of a carbon nanofiber structure concerning the present invention. 図1のカーボンナノファイバ構造体を示す部分平面図である。It is a fragmentary top view which shows the carbon nanofiber structure of FIG. 図1のカーボンナノファイバ形成用構造体を示す切断面端面図である。It is a cut surface end view which shows the structure for carbon nanofiber formation of FIG. 図1のカーボンナノファイバ構造体を製造する際に使用する基材を示す切断面端面図である。It is a cut surface end view which shows the base material used when manufacturing the carbon nanofiber structure of FIG. 図4の基材の一面上にマスク粒子が配置されている状態を示す切断面端面図である。It is a cut surface end view which shows the state by which the mask particle is arrange | positioned on one surface of the base material of FIG. 図4の基材の一面上にマスク粒子及び金属触媒膜が形成されている状態を示す切断面端面図である。FIG. 5 is a cross-sectional end view showing a state where mask particles and a metal catalyst film are formed on one surface of the base material in FIG. 4. 本発明に係るカーボンナノファイバ構造体の他の実施形態を示す切断面端面図である。It is a cut surface end view which shows other embodiment of the carbon nanofiber structure based on this invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1は、本発明のカーボンナノファイバ構造体の第1実施形態を示す切断面端面図、図2は、図1のカーボンナノファイバ構造体を示す部分平面図である。図1に示すように、カーボンナノファイバ構造体100は、カーボンナノファイバ形成用構造体40と、カーボンナノファイバ形成用構造体40の上に設けられるカーボンナノファイバ集合層50とを備えている。カーボンナノファイバ集合層50は、複数本のカーボンナノファイバ51を集合させてなるものである。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a sectional end view showing a first embodiment of the carbon nanofiber structure of the present invention, and FIG. 2 is a partial plan view showing the carbon nanofiber structure of FIG. As shown in FIG. 1, the carbon nanofiber structure 100 includes a carbon nanofiber forming structure 40 and a carbon nanofiber assembly layer 50 provided on the carbon nanofiber forming structure 40. The carbon nanofiber assembly layer 50 is formed by assembling a plurality of carbon nanofibers 51.

カーボンナノファイバ形成用構造体40は、基材10と、基材10の一面10aに担持され、カーボンナノファイバ51を形成する際に触媒として作用する粒状の金属触媒30とを備えている。またカーボンナノファイバ形成用構造体40は、粒状の金属触媒30の間に形成される穴11を有している。   The carbon nanofiber forming structure 40 includes a base material 10 and a granular metal catalyst 30 supported on one surface 10a of the base material 10 and acting as a catalyst when the carbon nanofiber 51 is formed. The carbon nanofiber forming structure 40 has holes 11 formed between the granular metal catalysts 30.

カーボンナノファイバ集合層50において、カーボンナノファイバ51は、金属触媒30から基材10と離れる方向に沿って配向している。カーボンナノファイバ51は単層カーボンナノファイバでも多層カーボンナノファイバでもよい。   In the carbon nanofiber assembly layer 50, the carbon nanofibers 51 are oriented along the direction away from the base material 10 from the metal catalyst 30. The carbon nanofiber 51 may be a single-layer carbon nanofiber or a multilayer carbon nanofiber.

カーボンナノファイバ集合層50は、図2にも示すように、孔52を有しており、孔52は、複数本のカーボンナノファイバ51に包囲されることによって形成されている。カーボンナノファイバ集合層50において、孔52は貫通孔となっており、粒状の金属触媒30同士間に形成される穴11と連通している。孔52は、0.3〜7μmの孔径を有しており、カーボンナノファイバ集合層50において、孔52の総面積は、カーボンナノファイバ集合層50のうち基材10と反対側の端面(以下、「上端面」と呼ぶ)50aの見かけの面積に対して1%以上40%未満となっている。ここで、孔52の総面積は、基材10の一面10aに直交する方向からカーボンナノファイバ集合層50の孔52を観察して算出されるものである。また上端面50aの見かけの面積は、基材10の一面10aに直交する方向からカーボンナノファイバ集合層50の上端面50aを観察して算出されるものである。なお、見かけの面積とは、孔52のみならず、孔52以外の部分をも含む面積を言うものとする。   As shown in FIG. 2, the carbon nanofiber assembly layer 50 has a hole 52, and the hole 52 is formed by being surrounded by a plurality of carbon nanofibers 51. In the carbon nanofiber assembly layer 50, the hole 52 is a through hole and communicates with the hole 11 formed between the granular metal catalysts 30. The hole 52 has a hole diameter of 0.3 to 7 μm. In the carbon nanofiber assembly layer 50, the total area of the holes 52 is an end surface of the carbon nanofiber assembly layer 50 on the side opposite to the base material 10 (hereinafter referred to as “hole”). , Referred to as “upper end surface”), which is 1% or more and less than 40% with respect to the apparent area of 50a. Here, the total area of the holes 52 is calculated by observing the holes 52 of the carbon nanofiber assembly layer 50 from the direction orthogonal to the one surface 10a of the substrate 10. The apparent area of the upper end surface 50a is calculated by observing the upper end surface 50a of the carbon nanofiber assembly layer 50 from the direction orthogonal to the one surface 10a of the base material 10. The apparent area means an area including not only the hole 52 but also a part other than the hole 52.

このカーボンナノファイバ構造体100によれば、基材10の一面10a側に設けられるカーボンナノファイバ集合層50において、0.3〜7μmの孔径を有する孔52が複数本のカーボンナノファイバ51に包囲されることによって適度に形成されている。このため、例えば当該カーボンナノファイバ構造体100から、電解質を含む電気化学素子の電極を形成した場合に、電解質を、孔52を通してカーボンナノファイバ集合層50内部まで容易にかつ効果的に輸送させることが可能となる。従って、カーボンナノファイバ構造体100は、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能なカーボンナノファイバ電極を形成できる。またカーボンナノファイバ構造体100は、複数本のカーボンナノファイバ51が集合してなるカーボンナノファイバ集合層50を基材10の一面10a側に有し、このカーボンナノファイバ集合層50において、孔52が複数本のカーボンナノファイバ51に包囲されることによって形成されている。すなわち、この孔52は、カーボンナノファイバ集合層50を分離するものとはなっていない。このため、カーボンナノファイバ集合層50から、複数本のカーボンナノファイバ51を連続に結合してなるカーボン糸を引き出すと、より長いカーボン糸を得ることができる。   According to the carbon nanofiber structure 100, in the carbon nanofiber assembly layer 50 provided on the one surface 10 a side of the substrate 10, the holes 52 having a hole diameter of 0.3 to 7 μm are surrounded by the plurality of carbon nanofibers 51. Is formed appropriately. For this reason, for example, when an electrode of an electrochemical element including an electrolyte is formed from the carbon nanofiber structure 100, the electrolyte is easily and effectively transported into the carbon nanofiber assembly layer 50 through the holes 52. Is possible. Therefore, the carbon nanofiber structure 100 can form a carbon nanofiber electrode capable of imparting excellent electrochemical performance to the electrochemical element. Further, the carbon nanofiber structure 100 has a carbon nanofiber assembly layer 50 formed by aggregating a plurality of carbon nanofibers 51 on the one surface 10a side of the base material 10, and in the carbon nanofiber assembly layer 50, holes 52 Is formed by being surrounded by a plurality of carbon nanofibers 51. That is, the holes 52 do not separate the carbon nanofiber assembly layer 50. For this reason, when a carbon yarn formed by continuously bonding a plurality of carbon nanofibers 51 is drawn out from the carbon nanofiber assembly layer 50, a longer carbon yarn can be obtained.

また本実施形態では、孔52が貫通孔となっているため、カーボンナノファイバ構造体100を電気化学素子の電極に適用した場合に、孔52が貫通孔でない場合に比べて、電解質をより十分にカーボンナノファイバ集合層50の内部まで輸送させることが可能となる。その結果、電気化学素子に対してより優れた電気化学性能を付与することが可能となる。   Moreover, in this embodiment, since the hole 52 is a through-hole, when the carbon nanofiber structure 100 is applied to an electrode of an electrochemical element, the electrolyte is more sufficiently used than when the hole 52 is not a through-hole. It is possible to transport to the inside of the carbon nanofiber assembly layer 50. As a result, it is possible to impart more excellent electrochemical performance to the electrochemical element.

ここで、カーボンナノファイバ集合層50について詳細に説明する。   Here, the carbon nanofiber assembly layer 50 will be described in detail.

カーボンナノファイバ集合層50において、孔52の孔径は0.3〜7μmとすればよいが、好ましくは0.3〜6μmであり、より好ましくは0.3〜5μmである。   In the carbon nanofiber assembly layer 50, the hole 52 may have a hole diameter of 0.3 to 7 μm, preferably 0.3 to 6 μm, and more preferably 0.3 to 5 μm.

また孔52の総面積は、カーボンナノファイバ集合層50の上端面50aの見かけの面積に対して1%以上40%未満とすればよいが、好ましくは1%以上30%未満であり、より好ましくは1%以上20%未満である。   The total area of the holes 52 may be 1% or more and less than 40% with respect to the apparent area of the upper end surface 50a of the carbon nanofiber assembly layer 50, but is preferably 1% or more and less than 30%, more preferably. Is 1% or more and less than 20%.

カーボンナノファイバ51の配向方向に沿った長さは孔52の孔径の最大値以下であっても孔径の最大値より大きくてもよいが、本実施形態のカーボンナノファイバ構造体100は、カーボンナノファイバ51の配向方向に沿った長さが孔52の孔径の最大値よりも大きい場合に有用である。これは、カーボンナノファイバ51の配向方向に沿った長さが孔52の孔径の最大値よりも大きいほど、電気化学素子の電気化学性能を向上させるために、電解質をカーボンナノファイバ集合層50に輸送させる必要性が高まるためである。具体的には、カーボンナノファイバ51の配向方向に沿った長さが孔52の孔径の最大値の10〜100倍である場合に、カーボンナノファイバ構造体100が特に有用である。   The length along the orientation direction of the carbon nanofiber 51 may be equal to or smaller than the maximum value of the hole diameter of the hole 52 or may be larger than the maximum value of the hole diameter. This is useful when the length along the orientation direction of the fiber 51 is larger than the maximum value of the hole diameter of the hole 52. This is because as the length along the orientation direction of the carbon nanofiber 51 is larger than the maximum value of the hole diameter of the hole 52, the electrolyte is added to the carbon nanofiber assembly layer 50 in order to improve the electrochemical performance of the electrochemical element. This is because the need for transportation increases. Specifically, the carbon nanofiber structure 100 is particularly useful when the length along the orientation direction of the carbon nanofiber 51 is 10 to 100 times the maximum value of the hole diameter of the hole 52.

次に、カーボンナノファイバ構造体100の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the carbon nanofiber structure 100 will be described.

<準備工程>
まず基材10の一面10a上に金属触媒30を設けてなるカーボンナノファイバ形成用構造体40を準備する(図3参照)。カーボンナノファイバ形成用構造体40は、例えば以下のようにして形成される。
<Preparation process>
First, a carbon nanofiber forming structure 40 is prepared in which a metal catalyst 30 is provided on one surface 10a of the substrate 10 (see FIG. 3). The carbon nanofiber forming structure 40 is formed as follows, for example.

はじめに、図4に示すように、基材10を準備する。基材10としては、例えばアルミナ、シリコン、チタンなどの金属が用いられる。   First, as shown in FIG. 4, the base material 10 is prepared. As the base material 10, for example, a metal such as alumina, silicon, or titanium is used.

基材10の厚さは通常は100〜10000μmであるが、500〜5000μmであることが好ましい。この場合、500〜5000μmの範囲を外れた場合に比べて、基材10に、より十分な強度が備わる。   The thickness of the base material 10 is usually 100 to 10,000 μm, but preferably 500 to 5000 μm. In this case, the base material 10 is provided with sufficient strength as compared with the case where it is out of the range of 500 to 5000 μm.

次に、図5に示すように、例えばアルミナ粒子等のマスクとなるマスク粒子20を基材10の一面10a上に配置する。このとき、マスク粒子20の平均粒径は、形成しようとする穴11の穴径に応じて適宜調整される。例えば0.3〜7μmの穴径を有する穴11を形成しようとする場合には、マスク粒子20の粒径は例えば1μm程度で、適度にマスク粒子20が凝集する濃度で配置すればよい。   Next, as shown in FIG. 5, for example, mask particles 20 serving as a mask such as alumina particles are arranged on one surface 10 a of the substrate 10. At this time, the average particle diameter of the mask particles 20 is appropriately adjusted according to the hole diameter of the hole 11 to be formed. For example, when the hole 11 having a hole diameter of 0.3 to 7 μm is to be formed, the particle diameter of the mask particles 20 is, for example, about 1 μm, and the mask particles 20 may be disposed at a concentration that moderately aggregates.

(触媒担持工程)
次に、図6に示すように、基材10の触媒担持面である一面10aに金属触媒膜30Aを担持させる。
(Catalyst loading process)
Next, as shown in FIG. 6, the metal catalyst film 30 </ b> A is supported on the one surface 10 a that is the catalyst supporting surface of the base material 10.

金属触媒膜30Aを構成する金属触媒としては、カーボンナノファイバを成長させるのに使用される公知の金属触媒が使用可能である。このような金属触媒としては、例えばV、Mo、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru、W、Al、Au、Tiなどが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて使用することが可能である。中でも、カーボンナノファイバをより効果的に成長させることができるという点から、V、Mo、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru、Wが好ましい。   As the metal catalyst constituting the metal catalyst film 30A, a known metal catalyst used for growing carbon nanofibers can be used. Examples of such metal catalysts include V, Mo, Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, W, Al, Au, and Ti. These can be used alone or in combination of two or more. Among these, V, Mo, Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, and W are preferable because carbon nanofibers can be more effectively grown.

金属触媒膜30Aの厚さは、例えば0.5〜10nmとすればよい。   The thickness of the metal catalyst film 30A may be, for example, 0.5 to 10 nm.

次に、マスク粒子20を除去する。マスク粒子20の除去は、例えばアルコールを供給することによって行うことができる。   Next, the mask particles 20 are removed. The removal of the mask particles 20 can be performed by supplying alcohol, for example.

その後、金属触媒膜30Aを還元雰囲気下で加熱することによって粒子状の金属触媒30を形成する。   Then, the particulate metal catalyst 30 is formed by heating the metal catalyst film 30A in a reducing atmosphere.

粒子状の金属触媒30の平均粒径は通常は1〜50nmであるが、2〜25nmであることが好ましい。この場合、2〜25nmの範囲を外れた場合に比べてカーボンナノファイバ51をより効果的に成長させることができる。   The average particle diameter of the particulate metal catalyst 30 is usually 1 to 50 nm, but preferably 2 to 25 nm. In this case, it is possible to grow the carbon nanofiber 51 more effectively than when the range of 2 to 25 nm is exceeded.

こうして、金属触媒30側の一面に穴11が形成されたカーボンナノファイバ形成用構造体40が得られる。   In this way, the carbon nanofiber forming structure 40 in which the hole 11 is formed on one surface of the metal catalyst 30 side is obtained.

ここで、穴11の穴径は0.3〜7μmとすればよいが、好ましくは0.3〜6μmであり、より好ましくは0.3〜5μmである。   Here, although the hole diameter of the hole 11 should just be 0.3-7 micrometers, Preferably it is 0.3-6 micrometers, More preferably, it is 0.3-5 micrometers.

また穴11の総面積は、金属触媒30を設けた触媒担持面である一面10aの面積に対して1%以上40%未満とすればよいが、好ましくは1%以上30%未満であり、より好ましくは1%以上20%未満である。   Further, the total area of the holes 11 may be 1% or more and less than 40%, preferably 1% or more and less than 30%, with respect to the area of the one surface 10a that is the catalyst supporting surface provided with the metal catalyst 30. Preferably it is 1% or more and less than 20%.

<カーボンナノファイバ成長工程>
次に、CVD法により、炭素を含む原料ガスを金属触媒30に供給し、カーボンナノファイバ形成用構造体40の金属触媒30の上にカーボンナノファイバ51を成長させる。
<Carbon nanofiber growth process>
Next, a raw material gas containing carbon is supplied to the metal catalyst 30 by CVD, and the carbon nanofibers 51 are grown on the metal catalyst 30 of the carbon nanofiber forming structure 40.

ここで、炭素を含有する原料ガスとしては、適当な触媒の存在下で、カーボンナノファイバ51を生じさせるものであればいかなるものでも良く、例えば、メタン、エタン、プロパンなどの飽和炭化水素化合物、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの不飽和炭化水素化合物、ベンゼン、トルエンなどの芳香族炭化水素化合物などが挙げられる。これらのうち、メタン、エチレン、プロピレン、アセチレンが好ましい。該炭素含有化合物の導入形態としては、ガス状のまま導入しても良いし、アルゴンのような不活性ガスと混合して導入しても良いし、水素ガスと混合して導入しても良いし、あるいは不活性ガス中の飽和蒸気として導入しても良い。   Here, the raw material gas containing carbon may be any material as long as it generates the carbon nanofiber 51 in the presence of a suitable catalyst, for example, a saturated hydrocarbon compound such as methane, ethane, propane, Examples thereof include unsaturated hydrocarbon compounds such as ethylene, propylene and acetylene, and aromatic hydrocarbon compounds such as benzene and toluene. Of these, methane, ethylene, propylene, and acetylene are preferable. As a form of introducing the carbon-containing compound, it may be introduced in a gaseous state, mixed with an inert gas such as argon, or mixed with hydrogen gas and introduced. Alternatively, it may be introduced as a saturated vapor in an inert gas.

このとき、原料ガスには、酸素を含有する酸素含有ガスを混入させてもよい。この場合、カーボンナノファイバ51を形成する際、炭素を含有する原料ガスによって金属触媒30に浸炭が起こったり、原料ガスの副次的な反応物によって金属触媒30の表面に炭素物質が堆積したりしようとしても、金属触媒30に供給される酸素含有ガスがこれらの炭素と反応し、CO等になることで、浸炭や、炭素物質の堆積を抑制することができる。 At this time, an oxygen-containing gas containing oxygen may be mixed into the source gas. In this case, when the carbon nanofiber 51 is formed, the metal catalyst 30 is carburized by the raw material gas containing carbon, or a carbon substance is deposited on the surface of the metal catalyst 30 by a secondary reaction product of the raw material gas. Even when trying to do so, the oxygen-containing gas supplied to the metal catalyst 30 reacts with these carbons to become CO 2 or the like, so that carburization and deposition of carbon substances can be suppressed.

ここで、酸素を含有する酸素含有ガスは、適当な温度で、金属触媒30へ酸素を供給できるものであればいかなるものでも良く、このような酸素含有ガスとしては、例えば、純酸素ガス、大気などの酸素分子含有ガスが挙げられる。あるいは、酸素含有ガスとして、水や、一酸化炭素や、メタノール、エタノール、アセトンなどの含酸素炭化水素化合物からなる酸素分子非含有ガスを用いることもできる。これらのうち、含酸素炭化水素化合物は、原料ガスを兼ねることができる。   Here, the oxygen-containing gas containing oxygen may be any gas that can supply oxygen to the metal catalyst 30 at an appropriate temperature. Examples of such oxygen-containing gas include pure oxygen gas, atmospheric air, and the like. And oxygen molecule-containing gas. Alternatively, as the oxygen-containing gas, an oxygen molecule-free gas composed of water, carbon monoxide, an oxygen-containing hydrocarbon compound such as methanol, ethanol, or acetone can be used. Of these, the oxygen-containing hydrocarbon compound can also serve as the source gas.

該酸素含有ガスの供給形態としては、それ単独で供給しても良いし、アルゴンのような不活性ガスと混合して供給しても良いし、あるいは不活性ガス中の飽和蒸気として供給しても良い。なお、カーボンナノファイバ51を形成する際の酸素含有ガスを供給した雰囲気中の酸素濃度は酸素分子濃度に換算して、好ましくは0.003〜0.03体積%である。酸素分子濃度が上記範囲内にあると、上記範囲を外れた場合に比べて、より効果的にカーボンナノファイバ51を成長させることができる。   The oxygen-containing gas may be supplied by itself, mixed with an inert gas such as argon, or supplied as a saturated vapor in the inert gas. Also good. The oxygen concentration in the atmosphere supplied with the oxygen-containing gas when forming the carbon nanofiber 51 is preferably 0.003 to 0.03% by volume in terms of oxygen molecule concentration. When the oxygen molecular concentration is within the above range, the carbon nanofibers 51 can be grown more effectively than when the oxygen molecule concentration is outside the above range.

またCVD法においては、熱又はプラズマ等がエネルギー源とされる。   In the CVD method, heat or plasma is used as an energy source.

このとき、カーボンナノファイバ51を成長させる際の圧力は通常、100〜150000Paであり、好ましくは1000〜122000Paである。またカーボンナノファイバ51を成長させる際の温度は通常、500〜900℃であり、好ましくは550〜800℃である。   At this time, the pressure at which the carbon nanofibers 51 are grown is usually 100 to 150,000 Pa, preferably 1000 to 122000 Pa. Moreover, the temperature at the time of growing the carbon nanofiber 51 is 500-900 degreeC normally, Preferably it is 550-800 degreeC.

こうして、0.3〜7μmの孔径を有する孔52が形成され、孔52の総面積は、カーボンナノファイバ集合層50の上端面50aの見かけの面積に対して1%以上40%未満であるカーボンナノファイバ集合層50を備えたカーボンナノファイバ構造体100が得られる(図1)。   Thus, holes 52 having a hole diameter of 0.3 to 7 μm are formed, and the total area of the holes 52 is 1% or more and less than 40% with respect to the apparent area of the upper end surface 50a of the carbon nanofiber assembly layer 50. The carbon nanofiber structure 100 provided with the nanofiber assembly layer 50 is obtained (FIG. 1).

上記のようにしてカーボンナノファイバ構造体100を製造すると、カーボンナノファイバ成長工程においてCVD法によりカーボンナノファイバ51を成長させる際、炭素を含有する原料ガスが金属触媒30に供給される。このとき、原料ガスが金属触媒30中に拡散して金属触媒30の表面からカーボンナノファイバ51が析出する。金属触媒30の活性が維持されている間は、この拡散と析出が連続で起きてカーボンナノファイバ51が成長する。このとき、一般には、カーボンナノチューブ51が成長するにつれて、基材10の一面10a上に成長するカーボンナノファイバ51がガスの拡散を阻害し、金属触媒30へのガス供給を困難にする。その結果、金属触媒30のうち、原料ガスに対して露出している露出部分と、カーボンナノファイバ51によって被覆された被覆部分とでは原料ガスの供給量に差が生じる。すなわち金属触媒30に対するガス供給量の点で不均一が生じる。このため、露出部分と被覆部分とでカーボンナノファイバ51の成長速度に差が生じる。このことは、カーボンナノファイバ集合層50の表面積が大型化するにつれて顕著になる。   When the carbon nanofiber structure 100 is manufactured as described above, a raw material gas containing carbon is supplied to the metal catalyst 30 when the carbon nanofiber 51 is grown by the CVD method in the carbon nanofiber growth step. At this time, the raw material gas diffuses into the metal catalyst 30 and the carbon nanofibers 51 are deposited from the surface of the metal catalyst 30. While the activity of the metal catalyst 30 is maintained, this diffusion and precipitation occur continuously, and the carbon nanofibers 51 grow. At this time, generally, as the carbon nanotubes 51 grow, the carbon nanofibers 51 grown on the one surface 10a of the base material 10 inhibit gas diffusion, making it difficult to supply the gas to the metal catalyst 30. As a result, a difference occurs in the supply amount of the raw material gas between the exposed portion of the metal catalyst 30 exposed to the raw material gas and the covered portion covered with the carbon nanofibers 51. That is, nonuniformity occurs in terms of the amount of gas supplied to the metal catalyst 30. For this reason, a difference occurs in the growth rate of the carbon nanofiber 51 between the exposed portion and the coated portion. This becomes remarkable as the surface area of the carbon nanofiber assembly layer 50 increases.

その点、上述したカーボンナノファイバ構造体100の製造方法では、カーボンナノファイバ形成用構造体40の金属触媒30側に形成され、0.3〜7μmの穴径を有する穴の総面積は、金属触媒30を設けた触媒担持面である一面10aの面積に対して1%以上40%未満の面積比率で形成されている。その結果、以下の作用効果が奏される。   In that respect, in the method of manufacturing the carbon nanofiber structure 100 described above, the total area of the holes formed on the metal catalyst 30 side of the carbon nanofiber forming structure 40 and having a hole diameter of 0.3 to 7 μm is metal. It is formed in an area ratio of 1% or more and less than 40% with respect to the area of the one surface 10a which is the catalyst supporting surface on which the catalyst 30 is provided. As a result, the following effects are exhibited.

すなわち、まずカーボンナノファイバ51は金属触媒30上で基材10の一面10aから離れる方向に向かって成長する。別言すると、カーボンナノファイバ51は、基材10の一面10aのうち金属触媒30が形成されていない領域を除く領域上に、基材10の一面10aから離れる方向に向かって成長する。そして、成長する複数本のカーボンナノファイバ51を集合させてなるカーボンナノファイバ集合層50が形成される。このとき、複数本のカーボンナノファイバ51によって孔径0.0.3〜7μmの孔52が、カーボンナノファイバ形成用構造体40の金属触媒30側に形成された穴11の面積比率と同じ面積比率で形成される。すなわち、カーボンナノファイバ集合層50において0.3〜7μmの孔径を有する孔52の総面積が、カーボンナノファイバ集合層50の上端面50aの見かけの面積に対して1%以上40%未満となるように形成される。そして、原料ガスは、上記孔52を通ってカーボンナノファイバ集合層50の内部に拡散することが可能となり、金属触媒30に到達しやすくなる。その結果、金属触媒30のうち、露出部分と被覆部分とで原料ガスの供給量の差を小さくすることが可能となり、両部分でカーボンナノファイバ51の成長速度の差を小さくすることが可能となる。   That is, first, the carbon nanofibers 51 grow on the metal catalyst 30 in a direction away from the one surface 10a of the substrate 10. In other words, the carbon nanofibers 51 grow in a direction away from the one surface 10a of the substrate 10 on a region other than the region where the metal catalyst 30 is not formed on the one surface 10a of the substrate 10. Then, a carbon nanofiber assembly layer 50 is formed by assembling a plurality of growing carbon nanofibers 51. At this time, the holes 52 having a hole diameter of 0.03 to 7 μm by the plurality of carbon nanofibers 51 have the same area ratio as the area ratio of the holes 11 formed on the metal catalyst 30 side of the carbon nanofiber forming structure 40. Formed with. That is, the total area of the holes 52 having a hole diameter of 0.3 to 7 μm in the carbon nanofiber assembly layer 50 is 1% or more and less than 40% with respect to the apparent area of the upper end surface 50a of the carbon nanofiber assembly layer 50. Formed as follows. The source gas can diffuse into the carbon nanofiber assembly layer 50 through the holes 52 and can easily reach the metal catalyst 30. As a result, in the metal catalyst 30, it is possible to reduce the difference in the supply amount of the raw material gas between the exposed portion and the covered portion, and it is possible to reduce the difference in the growth rate of the carbon nanofiber 51 in both portions. Become.

このため、カーボンナノファイバ51が長尺に成長しても、カーボンナノファイバ51が湾曲することを十分に抑制することが可能となる。また成長する複数のカーボンナノファイバ51同士が互いの成長を阻害することも十分に抑制されるため、カーボンナノファイバ51の生産性を十分に向上させることができる。   For this reason, even if the carbon nanofiber 51 grows long, it becomes possible to sufficiently suppress the carbon nanofiber 51 from being bent. In addition, since the growth of the plurality of carbon nanofibers 51 is sufficiently suppressed from inhibiting each other's growth, the productivity of the carbon nanofibers 51 can be sufficiently improved.

さらに、得られるカーボンナノファイバ構造体100は、基材10の一面10a側に設けられるカーボンナノファイバ集合層50において、0.3〜7μmの孔径を有する孔52が複数本のカーボンナノファイバ51に包囲されることによって適度に形成されることになる。このため、例えば当該カーボンナノファイバ構造体100から、電解質を含む電気化学素子の電極を形成した場合に、電解質を、孔52を通してカーボンナノファイバ集合層50内部まで容易にかつ効果的に輸送させることが可能となる。従って、上記のようにして得られるカーボンナノファイバ構造体100は、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能なカーボンナノファイバ電極を形成できる。   Further, in the obtained carbon nanofiber structure 100, in the carbon nanofiber assembly layer 50 provided on the one surface 10a side of the base material 10, a plurality of holes 52 having a hole diameter of 0.3 to 7 μm are formed in the plurality of carbon nanofibers 51. It is formed moderately by being surrounded. For this reason, for example, when an electrode of an electrochemical element including an electrolyte is formed from the carbon nanofiber structure 100, the electrolyte is easily and effectively transported into the carbon nanofiber assembly layer 50 through the holes 52. Is possible. Therefore, the carbon nanofiber structure 100 obtained as described above can form a carbon nanofiber electrode capable of imparting excellent electrochemical performance to the electrochemical element.

さらに上記のようにして得られるカーボンナノファイバ構造体100は、複数本のカーボンナノファイバ51が集合してなるカーボンナノファイバ集合層50を基材10の一面10a側に有し、このカーボンナノファイバ集合層50において、孔52が複数本のカーボンナノファイバ51に包囲されることによって形成されている。すなわち、この孔52は、カーボンナノファイバ集合層50を分離するものとはなっていない。このため、カーボンナノファイバ集合層50から、複数本のカーボンナノファイバ51を連続に結合してなるカーボン糸を引き出すと、より長いカーボン糸を得ることができる。   Further, the carbon nanofiber structure 100 obtained as described above has a carbon nanofiber assembly layer 50 formed by aggregating a plurality of carbon nanofibers 51 on the one surface 10a side of the base material 10, and this carbon nanofiber. In the aggregate layer 50, the holes 52 are formed by being surrounded by a plurality of carbon nanofibers 51. That is, the holes 52 do not separate the carbon nanofiber assembly layer 50. For this reason, when a carbon yarn formed by continuously bonding a plurality of carbon nanofibers 51 is drawn out from the carbon nanofiber assembly layer 50, a longer carbon yarn can be obtained.

こうして形成されたカーボンナノファイバ構造体100を用いてカーボンナノファイバ電極を形成する場合、カーボンナノファイバ電極は、電極用の導電性基板に、カーボンナノファイバ構造体100のカーボンナノファイバ集合層50を転写することによって形成することができる。電極用の導電性基板へのカーボンナノファイバ集合層50の転写は、例えば、電極用の導電性基板との間に、導電性粘着フィルムを挟んで圧着するようにして行えばよい。電極用の導電性基板としては、例えばチタン基板などが挙げられる。なお、基材10として、導電性材料を使用する場合には、カーボンナノファイバ構造体100によりそのままカーボンナノファイバ電極が形成される。   When a carbon nanofiber electrode is formed using the carbon nanofiber structure 100 formed in this manner, the carbon nanofiber electrode is formed by applying the carbon nanofiber assembly layer 50 of the carbon nanofiber structure 100 to a conductive substrate for the electrode. It can be formed by transferring. The carbon nanofiber assembly layer 50 may be transferred to the electrode conductive substrate by, for example, pressing the conductive adhesive film between the electrode conductive substrate and the conductive substrate. Examples of the conductive substrate for the electrode include a titanium substrate. When a conductive material is used as the base material 10, a carbon nanofiber electrode is formed as it is by the carbon nanofiber structure 100.

[第2実施形態]
次に、本発明のカーボンナノファイバ構造体の第2実施形態について図7を用いて説明する。図7は、本発明のカーボンナノファイバ構造体の第2実施形態を示す切断面端面図である。図7に示すように、本実施形態のカーボンナノファイバ構造体200は、基材10の一面10aと金属触媒30との間にさらに金属酸化物層220を有し、金属酸化物層220が0.5〜10nmの厚さを有する点で第1実施形態のカーボンナノファイバ構造体100と相違する。
[Second Embodiment]
Next, 2nd Embodiment of the carbon nanofiber structure of this invention is described using FIG. FIG. 7 is a cross-sectional end view showing a second embodiment of the carbon nanofiber structure of the present invention. As shown in FIG. 7, the carbon nanofiber structure 200 of the present embodiment further includes a metal oxide layer 220 between the one surface 10a of the base material 10 and the metal catalyst 30, and the metal oxide layer 220 is 0. . Different from the carbon nanofiber structure 100 of the first embodiment in that it has a thickness of 5 to 10 nm.

本実施形態のカーボンナノファイバ構造体200によれば、当該カーボンナノファイバ形成用構造体210の金属触媒30上にCVD法によりカーボンナノファイバ51を成長させる際、金属酸化物層220に、カーボンナノファイバ51を十分に成長させることができる。   According to the carbon nanofiber structure 200 of the present embodiment, when the carbon nanofibers 51 are grown on the metal catalyst 30 of the carbon nanofiber formation structure 210 by the CVD method, the carbon nanofibers are formed on the metal oxide layer 220. The fiber 51 can be grown sufficiently.

金属酸化物層220は金属酸化物からなる。金属酸化物は、金属の酸化物であればよいが、II族又はIII族の金属の酸化物であることが、還元雰囲気下での熱力学安定性の点から好ましい。中でも、III族の金属の酸化物であることが触媒担持機能の点からより好ましい。III族の金属の酸化物としては、例えば酸化アルミニウム、アルミン酸マグネシウム、酸化セリウムなどが挙げられるが、酸化アルミニウムが最も好ましい。この場合、金属酸化物が酸化アルミニウム以外の金属酸化物である場合に比べてより十分にカーボンナノファイバ51を成長させることができる。   The metal oxide layer 220 is made of a metal oxide. The metal oxide may be a metal oxide, but is preferably a Group II or Group III metal oxide from the viewpoint of thermodynamic stability in a reducing atmosphere. Among these, a Group III metal oxide is more preferable from the viewpoint of the catalyst supporting function. Examples of Group III metal oxides include aluminum oxide, magnesium aluminate, and cerium oxide, with aluminum oxide being most preferred. In this case, the carbon nanofibers 51 can be grown more sufficiently than when the metal oxide is a metal oxide other than aluminum oxide.

本実施形態では、金属酸化物層220の厚さは1〜8nmであることが好ましい。この場合、金属酸化物層220の厚さが1〜8nmの範囲を外れる場合に比べてカーボンナノファイバ51をより効果的に成長させることができる。   In the present embodiment, the thickness of the metal oxide layer 220 is preferably 1 to 8 nm. In this case, the carbon nanofibers 51 can be grown more effectively than when the thickness of the metal oxide layer 220 is outside the range of 1 to 8 nm.

金属酸化物層220は、例えばスパッタリング法によって形成することができる。このとき、ターゲットは金属単体でも金属酸化物でもどちらでも良いが、ターゲットの種類によって適当な濃度の酸素ガスを供給する必要がある。このとき、基材10の温度は、金属酸化物層220との密着性を向上させるという理由から、20〜300℃とすることが好ましい。   The metal oxide layer 220 can be formed by, for example, a sputtering method. At this time, the target may be either a single metal or a metal oxide, but it is necessary to supply an oxygen gas having an appropriate concentration depending on the type of the target. At this time, the temperature of the base material 10 is preferably set to 20 to 300 ° C. for the purpose of improving the adhesion with the metal oxide layer 220.

本発明は、上述した第1及び第2実施形態に限定されるものではない。例えば上記第1及び第2実施形態では、基材10として、アルミナ、シリコン、チタンなどの金属が用いられているが、基材10としては、酸素イオン伝導性酸化物を用いることもできる。この場合、カーボンナノファイバ形成用構造体40の金属触媒30上にCVD法によりカーボンナノファイバ51を成長させる際、基材10が、酸素イオンが移動できる程度に加熱されるため、基材10中の酸素イオンが基材10を伝導して金属触媒30又は金属酸化物層220に到達する。このため、炭素を含有する原料ガスによって金属触媒30又は金属酸化物層220に浸炭が起こったり、原料ガスの副次的な反応物によって金属触媒30又は金属酸化物層220の表面に炭素物質が堆積したりしようとしても、金属触媒30又は金属酸化物層220に到達した酸素イオンがこれらの炭素と反応し、CO等になることで、浸炭や、炭素物質の堆積を抑制することができる。さらに酸素含有ガスを基材10の面10a側から供給することで、より効果的に浸炭や炭素物質の堆積を抑制することが可能となる。 The present invention is not limited to the first and second embodiments described above. For example, in the first and second embodiments, a metal such as alumina, silicon, or titanium is used as the base material 10, but an oxygen ion conductive oxide can also be used as the base material 10. In this case, when the carbon nanofibers 51 are grown on the metal catalyst 30 of the carbon nanofiber forming structure 40 by the CVD method, the base material 10 is heated to such an extent that oxygen ions can move. Oxygen ions are conducted through the substrate 10 and reach the metal catalyst 30 or the metal oxide layer 220. For this reason, carburization occurs in the metal catalyst 30 or the metal oxide layer 220 by the raw material gas containing carbon, or a carbon substance is formed on the surface of the metal catalyst 30 or the metal oxide layer 220 by a secondary reaction product of the raw material gas. Even if it is to be deposited, oxygen ions that have reached the metal catalyst 30 or the metal oxide layer 220 react with these carbons to become CO 2 or the like, thereby suppressing carburization and deposition of carbon substances. . Furthermore, by supplying the oxygen-containing gas from the surface 10a side of the base material 10, it becomes possible to more effectively suppress carburization and carbon material deposition.

上記酸素イオン伝導性酸化物は、酸素イオンを伝導させることができる酸化物であればよいが、CVD法では基材10が500℃以上の高温とされる。このため、酸素イオン伝導性酸化物は、500℃以上の高温で酸素イオンを伝導することが可能な高温酸素イオン伝導性酸化物であることが好ましい。高温酸素イオン伝導性酸化物としては、例えばジルコニアを酸化物によって安定化させてなる安定化ジルコニアが使用可能である。ジルコニア等の高温酸素イオン伝導性酸化物の全部または一部を安定化する酸化物としては、例えばスカンジア、イットリア、ランタニア、セリア、カルシア及びマグネシアなどが挙げられ、これらの酸化物は、高温酸素イオン伝導性酸化物中に2〜13モル%の範囲の濃度で含有されていることが好ましい。また、高温酸素イオン伝導性酸化物としては、酸素欠陥を有するペロブスカイト型酸化物も使用可能である。ペロブスカイト型酸化物としては、例えばチタン酸ストロンチウム、鉄酸カルシウムなどが挙げられる。   Although the said oxygen ion conductive oxide should just be an oxide which can conduct oxygen ion, the base material 10 shall be 500 degreeC or more high temperature by CVD method. For this reason, the oxygen ion conductive oxide is preferably a high temperature oxygen ion conductive oxide capable of conducting oxygen ions at a high temperature of 500 ° C. or higher. As the high-temperature oxygen ion conductive oxide, for example, stabilized zirconia obtained by stabilizing zirconia with an oxide can be used. Examples of the oxide that stabilizes all or part of the high-temperature oxygen ion conductive oxide such as zirconia include scandia, yttria, lanthania, ceria, calcia, and magnesia, and these oxides include high-temperature oxygen ions. The conductive oxide is preferably contained at a concentration in the range of 2 to 13 mol%. Further, as the high temperature oxygen ion conductive oxide, a perovskite oxide having oxygen defects can be used. Examples of the perovskite oxide include strontium titanate and calcium ferrate.

また上記第1実施形態では、カーボンナノファイバ形成用構造体40の金属触媒30側の一面10aに穴11を形成する方法として、基材10の一面10a上にマスク粒子20を配置し、金属触媒膜30Aを形成した後、マスク粒子20を除去することにより穴11を形成しているが、穴11は他の方法によって形成することも可能である。すなわち、リソグラフィーで基材10の一面10a上にマスクを形成してから、金属触媒30を担持した後、マスクを除去する方法、担持した金属触媒30の一部をレーザで除去することにより穴11を形成する方法、担持した金属触媒30の一部を、超音波のキャビテーションで除去する方法、基材10の一面10aに開口部を形成し、基材10の一面10aのうちこの開口部を除く領域上に金属触媒30を形成することによって穴11を形成する方法、および、焼結体の表面を研磨して凹部を形成した後、凹部が形成されていない領域上に金属触媒30を担持させることによって穴11を形成する方法が挙げられる。   In the first embodiment, as a method for forming the hole 11 in the one surface 10a on the metal catalyst 30 side of the carbon nanofiber forming structure 40, the mask particles 20 are arranged on the one surface 10a of the base material 10, and the metal catalyst is formed. Although the hole 11 is formed by removing the mask particle 20 after forming the film 30A, the hole 11 can also be formed by other methods. That is, after forming a mask on one surface 10a of the base material 10 by lithography and supporting the metal catalyst 30, a method of removing the mask, and removing the part of the supported metal catalyst 30 with a laser to remove the holes 11 , A method of removing a part of the supported metal catalyst 30 by ultrasonic cavitation, an opening is formed on one surface 10a of the substrate 10, and the opening is removed from the one surface 10a of the substrate 10. A method of forming the hole 11 by forming the metal catalyst 30 on the region, and after forming the recess by polishing the surface of the sintered body, the metal catalyst 30 is supported on the region where the recess is not formed. The method of forming the hole 11 by this is mentioned.

さらに上記第1及び第2実施形態では、孔52がカーボンナノファイバ集合層50において貫通孔となっているが、孔52は必ずしもカーボンナノファイバ集合層50において貫通孔となっていなくてもよい。   Further, in the first and second embodiments, the hole 52 is a through hole in the carbon nanofiber assembly layer 50, but the hole 52 does not necessarily have to be a through hole in the carbon nanofiber assembly layer 50.

以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the content of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
基材となる厚さ1000μmのアルミナ基板を準備した。そして、アルミナ基板の表面に、直径1μmのアルミナ微粒子を分散させた。そして、このアルミナ基板の表面に、スパッタリング法を用いて、触媒となる厚さ2nmの鉄の薄膜を形成した。その後、アルコールでアルミナ微粒子を除去し、アルミナ基板を乾燥させた。こうして、アルミナ基板及び鉄薄膜で構成される積層体を得た。このとき、鉄薄膜には、穴径0.7〜5μmの分布を持った穴が分散して形成されていた。
Example 1
An alumina substrate having a thickness of 1000 μm serving as a base material was prepared. Then, alumina fine particles having a diameter of 1 μm were dispersed on the surface of the alumina substrate. Then, a 2 nm thick iron thin film serving as a catalyst was formed on the surface of the alumina substrate using a sputtering method. Thereafter, the alumina fine particles were removed with alcohol, and the alumina substrate was dried. Thus, a laminate composed of the alumina substrate and the iron thin film was obtained. At this time, holes having a hole diameter distribution of 0.7 to 5 μm were dispersed and formed in the iron thin film.

次に、この積層体を、800℃の温度に設定した電気炉に収容した。このとき、電気炉には大気圧のアルゴンガスを500sccmの流量で供給した。   Next, this laminated body was accommodated in the electric furnace set to the temperature of 800 degreeC. At this time, argon gas at atmospheric pressure was supplied to the electric furnace at a flow rate of 500 sccm.

そして、アルミナ基板の温度が安定した後、アルゴンガス中に2.5体積%となるように水素ガスを混合し、鉄の薄膜を還元してアルミナ基板の表面上に平均粒径5nmの触媒粒子を形成した。こうしてカーボンナノファイバ形成用構造体を得た。このとき、比較例1の触媒の担持面積を基準とした触媒の担持面積の比は0.92であった。   Then, after the temperature of the alumina substrate is stabilized, hydrogen gas is mixed in the argon gas so as to be 2.5% by volume, the iron thin film is reduced, and catalyst particles having an average particle diameter of 5 nm are formed on the surface of the alumina substrate. Formed. Thus, a carbon nanofiber forming structure was obtained. At this time, the ratio of the catalyst supporting area based on the catalyst supporting area of Comparative Example 1 was 0.92.

次に、電気炉内に供給するアルゴンガス中に、2.5体積%となるようにアセチレンガスを供給した。   Next, acetylene gas was supplied so that it might become 2.5 volume% in argon gas supplied in an electric furnace.

こうしてカーボンナノファイバを触媒粒子から離れる方向に向かって10分間にわたって成長させ、カーボンナノファイバ集合層を形成した。こうしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.7〜5μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の上端の見かけの面積(以下、「見かけの上端面積」と呼ぶ)の8%であった。またカーボンナノファイバ(CNF)の長さは200μmであった。   In this way, the carbon nanofibers were grown for 10 minutes in the direction away from the catalyst particles to form a carbon nanofiber assembly layer. Thus, a carbon nanofiber structure was obtained. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore diameter distribution of 0.7 to 5 μm are dispersed and formed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 8% of the apparent area of the upper end of the body (hereinafter referred to as “apparent upper area”). The length of the carbon nanofiber (CNF) was 200 μm.

(実施例2)
アルミナ基板の表面に、直径1μmのアルミナ微粒子を分散させ、鉄薄膜に、穴径0.7〜3μmの分布を持った穴を分散して形成すると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.7〜3μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の1%であった。またカーボンナノファイバの長さは120μmであった。
(Example 2)
Alumina fine particles having a diameter of 1 μm are dispersed on the surface of the alumina substrate, holes having a hole diameter distribution of 0.7 to 3 μm are dispersed in the iron thin film, and the catalyst supporting area of Comparative Example 1 is used as a reference. A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 1, except that the ratio of the supported catalyst area was as shown in Table 1. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore size distribution of 0.7 to 3 μm are dispersed and formed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 1% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 120 μm.

(実施例3)
アルミナ基板の表面に、直径1μmのアルミナ微粒子を分散させ、鉄薄膜に、穴径2〜7μmの分布を持った穴を分散して形成すると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径2〜7μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の39%であった。またカーボンナノファイバの長さは200μmであった。
(Example 3)
Alumina fine particles having a diameter of 1 μm are dispersed on the surface of the alumina substrate, holes having a distribution of hole diameters of 2 to 7 μm are dispersed in the iron thin film, and a catalyst based on the catalyst supporting area of Comparative Example 1 A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ratio of the supported areas was as shown in Table 1. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore diameter distribution of 2 to 7 μm are dispersed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the same as that of the carbon nanofiber structure. It was 39% of the apparent upper end area. The length of the carbon nanofiber was 200 μm.

(実施例4)
カーボンナノファイバを5分間にわたって成長させたこと以外は実施例1と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.7〜5μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の8%であった。またカーボンナノファイバの長さは100μmであった。
Example 4
A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carbon nanofiber was grown for 5 minutes. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore diameter distribution of 0.7 to 5 μm are dispersed and formed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 8% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 100 μm.

(実施例5)
カーボンナノファイバを8分間にわたって成長させたこと以外は実施例2と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.7〜3μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の1%であった。またカーボンナノファイバの長さは100μmであった。
(Example 5)
A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that the carbon nanofibers were grown for 8 minutes. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore size distribution of 0.7 to 3 μm are dispersed and formed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 1% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 100 μm.

(実施例6)
カーボンナノファイバを5分間にわたって成長させたこと以外は実施例3と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径3〜7μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の39%であった。またカーボンナノファイバの長さは100μmであった。
(Example 6)
A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 3 except that the carbon nanofiber was grown for 5 minutes. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore diameter distribution of 3 to 7 μm are dispersed and formed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the same as that of the carbon nanofiber structure. It was 39% of the apparent upper end area. The length of the carbon nanofiber was 100 μm.

(実施例7)
基材となる厚さ1000μmの板状のイットリア安定化ジルコニア基材(イットリア10モル%含有)を準備したこと以外は実施例2と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.7〜3μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の1%であった。またカーボンナノファイバの長さは110μmであった。
(Example 7)
A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 2 except that a plate-like yttria-stabilized zirconia base material (containing 10 mol% of yttria) having a thickness of 1000 μm was prepared. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore size distribution of 0.7 to 3 μm are dispersed and formed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 1% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 110 μm.

(実施例8)
基材となる厚さ1000μmの板状のイットリア安定化ジルコニア基材(イットリア10モル%含有)を準備した。そして、基材表面を研磨して穴径0.3〜4μmの分布を持った凹部を形成した後、スパッタリングによって厚さ2nmの酸化アルミニウム層(AlO)を形成した。このとき、ターゲットは酸化アルミニウム(99.99%)単体とし、スパッタリングはアルゴンを19sccm、酸素を1sccmの流量で供給し、圧力0.007Torrで行った。
(Example 8)
A plate-like yttria-stabilized zirconia base material (containing 10 mol% of yttria) having a thickness of 1000 μm was prepared. Then, after forming a recess having a distribution of hole diameter 0.3~4μm by polishing the substrate surface to form an aluminum oxide layer having a thickness of 2nm by sputtering (AlO X). At this time, the target was aluminum oxide (99.99%) alone, and sputtering was performed at a pressure of 0.007 Torr while supplying argon at a flow rate of 19 sccm and oxygen at 1 sccm.

次いで、酸化アルミニウム層の表面に、スパッタリング法によって、触媒となる厚さ2nmの鉄の薄膜を形成した。こうして、基材、酸化アルミニウム層及び鉄薄膜で構成される積層体に穴径0.3〜4μmの分布を持った穴を分散して形成すると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.3〜4μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の10%であった。またカーボンナノファイバの長さは300μmであった。   Next, an iron thin film having a thickness of 2 nm serving as a catalyst was formed on the surface of the aluminum oxide layer by sputtering. Thus, holes having a distribution of hole diameters of 0.3 to 4 μm were dispersed and formed in the laminate composed of the base material, the aluminum oxide layer and the iron thin film, and the catalyst supporting area of Comparative Example 1 was used as a reference. A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ratio of the catalyst supporting area was as shown in Table 1. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore size distribution of 0.3 to 4 μm are dispersed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 10% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 300 μm.

(実施例9)
酸化アルミニウム層を、厚さが4nmとなるように形成すると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は実施例8と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.3〜4μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の12%であった。またカーボンナノファイバの長さは250μmであった。
Example 9
The aluminum oxide layer was formed to have a thickness of 4 nm, and the ratio of the catalyst supporting area based on the catalyst supporting area of Comparative Example 1 was set as shown in Table 1, and the same as in Example 8. Thus, a carbon nanofiber structure was obtained. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore size distribution of 0.3 to 4 μm are dispersed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 12% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 250 μm.

(実施例10)
酸化アルミニウム層を、厚さが8nmとなるように形成すると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は実施例8と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.3〜4μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の11%であった。またカーボンナノファイバの長さは150μmであった。
(Example 10)
The aluminum oxide layer was formed so as to have a thickness of 8 nm, and the ratio of the catalyst supporting area based on the catalyst supporting area of Comparative Example 1 was set as shown in Table 1 in the same manner as in Example 8. Thus, a carbon nanofiber structure was obtained. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore size distribution of 0.3 to 4 μm are dispersed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 11% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 150 μm.

(実施例11)
酸化アルミニウム層を、厚さが12nmとなるように形成すると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は実施例8と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.3〜4μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の10%であった。またカーボンナノファイバの長さは110μmであった。
(Example 11)
The aluminum oxide layer was formed so as to have a thickness of 12 nm, and the ratio of the catalyst supporting area based on the catalyst supporting area of Comparative Example 1 was set as shown in Table 1 in the same manner as in Example 8. Thus, a carbon nanofiber structure was obtained. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore size distribution of 0.3 to 4 μm are dispersed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 10% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 110 μm.

(実施例12)
酸化アルミニウム層を、厚さが0.3nmとなるように形成すると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は実施例8と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径0.3〜4μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の10%であった。またカーボンナノファイバの長さは110μmであった。
(Example 12)
The aluminum oxide layer was formed so as to have a thickness of 0.3 nm, and the ratio of the catalyst supporting area based on the catalyst supporting area of Comparative Example 1 was as shown in Table 1 except for that shown in Table 1. Similarly, a carbon nanofiber structure was obtained. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore size distribution of 0.3 to 4 μm are dispersed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the carbon nanofiber structure. It was 10% of the apparent upper end area of the body. The length of the carbon nanofiber was 110 μm.

(比較例1)
アルミナ基板の表面にアルミニウム微粒子を分散させず、スパッタリング法を用いて鉄の薄膜を形成したこと以外は実施例1と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔は形成されていなかった。カーボンナノファイバの長さは100μmであった。
(Comparative Example 1)
A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the aluminum fine particles were not dispersed on the surface of the alumina substrate and an iron thin film was formed by sputtering. In the obtained carbon nanofiber structure, no holes were formed in the carbon nanofiber assembly layer. The length of the carbon nanofiber was 100 μm.

(比較例2)
アルミナ基板の表面に、直径1μmのアルミナ微粒子を分散させ、鉄薄膜に、穴径5〜12μmの分布を持った穴を分散して形成すると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径5〜12μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の55%であった。またカーボンナノファイバの長さは200μmであった。
(Comparative Example 2)
Alumina fine particles having a diameter of 1 μm are dispersed on the surface of the alumina substrate, holes having a hole diameter distribution of 5 to 12 μm are dispersed in the iron thin film, and a catalyst based on the catalyst carrying area of Comparative Example 1 is used as a reference. A carbon nanofiber structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ratio of the supported areas was as shown in Table 1. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore diameter distribution of 5 to 12 μm are dispersed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the same as that of the carbon nanofiber structure. It was 55% of the apparent upper end area. The length of the carbon nanofiber was 200 μm.

(比較例3)
カーボンナノファイバを5分間にわたって成長させると共に、比較例1の触媒担持面積を基準とした触媒担持面積の比を表1に示す通りとしたこと以外は比較例2と同様にしてカーボンナノファイバ構造体を得た。得られたカーボンナノファイバ構造体では、カーボンナノファイバ集合層に、孔径5〜12μmの分布を持った孔が分散して形成されており、このとき、孔の総面積はカーボンナノファイバ構造体の見かけの上端面積の55%であった。またカーボンナノファイバの長さは100μmであった。
(Comparative Example 3)
A carbon nanofiber structure was produced in the same manner as in Comparative Example 2 except that carbon nanofibers were grown for 5 minutes and the ratio of the catalyst carrying area based on the catalyst carrying area of Comparative Example 1 was as shown in Table 1. Got. In the obtained carbon nanofiber structure, pores having a pore diameter distribution of 5 to 12 μm are dispersed in the carbon nanofiber assembly layer. At this time, the total area of the pores is the same as that of the carbon nanofiber structure. It was 55% of the apparent upper end area. The length of the carbon nanofiber was 100 μm.

[評価]
(電気化学特性1−還元特性)
実施例1〜12及び比較例1〜3のカーボンナノチューブ構造体をチタンメッシュで挟んで作用極とし、白金線を対極とし、アセトニトリル中の銀/硝酸銀対を参照電極として用いた電気化学特性測定用セルを作製した。また電解液として、5mMのヨウ化1,2−ジメチル−3−n−プロピルイミダゾリウム、2mMのヨウ素、100mMのテトラフルオロホウ酸テトラ−n−ブチルアンモニウムを3−メトキシプロピオニトリルに溶かしたものを用意し、この電解液をセルに満たした。そして、上記電気化学特性測定用セルについて、室温大気条件の下でヨウ化物イオンのサイクリックボルタンメトリーの測定を行い、還元特性を評価した。具体的には、ヨウ化物イオン還元ピーク電流量を測定した。結果を表1に示す。なお、表1においては、カーボンナノファイバ(CNF)の重量あたりのヨウ化物イオン還元ピーク電流量を、比較例1のCNFの重量あたりのヨウ化物イオン還元ピーク電流量を1とした相対値として表示した。
[Evaluation]
(Electrochemical characteristics 1-Reduction characteristics)
For electrochemical property measurement using the carbon nanotube structures of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 as a working electrode sandwiched between titanium meshes, a platinum wire as a counter electrode, and a silver / silver nitrate pair in acetonitrile as a reference electrode A cell was produced. Also, 5mM 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide, 2mM iodine, 100mM tetra-n-butylammonium tetrafluoroborate dissolved in 3-methoxypropionitrile as the electrolyte Was prepared, and this electrolytic solution was filled in the cell. And about the said electrochemical characteristic measurement cell, the cyclic voltammetry measurement of the iodide ion was performed under room temperature atmospheric conditions, and the reduction | restoration characteristic was evaluated. Specifically, the amount of iodide ion reduction peak current was measured. The results are shown in Table 1. In Table 1, the iodide ion reduction peak current amount per weight of carbon nanofiber (CNF) is displayed as a relative value with the iodide ion reduction peak current amount per weight of CNF in Comparative Example 1 being 1. did.

(電気化学特性2−静電容量)
実施例1〜12及び比較例1〜3の2枚のカーボンナノチューブ構造体でセパレータを挟んで積層体とし、この積層体をチタンメッシュで挟んだものをさらに2枚のガラス板で挟んで固定し、電気二重層容量測定用の二極式セルを作製した。そして、このセルを、プロピレンカーボネート(PC)中に四フッ化ホウ酸テトラエチルアンモニウム(EtNBF)を溶解させてなる1mol/Lの脱水電解液(商品名:キャパソルブ−CPG−00005、キシダ化学社製)に浸し、静電容量を測定した。結果を表1に示す。なお、表1においては、カーボンナノファイバ(CNF)の重量あたりの静電容量を、比較例1のCNFの重量あたりの静電容量を1とした相対値として表示した。
(Electrochemical characteristics 2-capacitance)
A separator is sandwiched between two carbon nanotube structures of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3, and a laminate sandwiched between titanium meshes is sandwiched between two glass plates and fixed. A bipolar cell for measuring electric double layer capacity was prepared. And this cell is a 1 mol / L dehydrating electrolytic solution (trade name: Capasolve-CPG-00005, Kida Chemical Co., Ltd.) obtained by dissolving tetraethylammonium tetrafluoroborate (Et 4 NBF 4 ) in propylene carbonate (PC). And the capacitance was measured. The results are shown in Table 1. In Table 1, the capacitance per weight of the carbon nanofiber (CNF) is displayed as a relative value with the capacitance per weight of the CNF of Comparative Example 1 being 1.

Figure 2013133262
Figure 2013133262

表1に示す結果より、実施例1〜12に係る電気化学特性測定用セルは、比較例1〜3に係る電気化学特性測定用セルに比べて、還元電位に大きな変化は見られなかったものの、使用したカーボンナノファイバの重量あたりの還元ピーク電流量が十分に増加することが分かった。   From the results shown in Table 1, although the electrochemical property measurement cells according to Examples 1 to 12 showed no significant change in the reduction potential as compared with the electrochemical property measurement cells according to Comparative Examples 1 to 3. It was found that the reduction peak current amount per weight of the carbon nanofiber used was sufficiently increased.

これは、カーボンナノファイバ集合層に孔を適度に形成したことによって電解液のカーボンナノファイバ集合層内部への輸送が改善されたことによって、カーボンナノファイバ集合層の表層だけでなく内部まで還元反応が起こりやすくなり還元ピーク電流が改善したためではないかと考えられる。なお、比較例2のように、大きい孔径を有する孔を形成すると、カーボンナノファイバの重量あたりの還元ピーク電流量は低くなり、電解液の内部拡散がかえって悪くなるという結果が得られた。これは、カーボンナノファイバの密度が低下し、カーボンナノファイバ集合層の強度が不十分となり、カーボンナノファイバがつぶれたためではないかと推察される。   This is because the transport of electrolyte to the inside of the carbon nanofiber assembly layer has been improved by appropriately forming pores in the carbon nanofiber assembly layer, so that not only the surface layer but also the inside of the carbon nanofiber assembly layer has a reduction reaction. This is probably because the reduction peak current has improved. In addition, when the hole which has a big hole diameter was formed like the comparative example 2, the amount of reduction | restoration peak electric current per weight of carbon nanofiber became low, and the result that internal diffusion of electrolyte solution became worse on the contrary was obtained. This is presumably because the density of the carbon nanofibers decreased, the strength of the carbon nanofiber assembly layer became insufficient, and the carbon nanofibers were crushed.

また実施例1〜12に係る電気二重層容量測定用の二極式セルは、比較例1〜3に係る電気二重層容量測定用の二極式セルに比べて、カーボンナノファイバの重量あたりの静電容量が十分に大きくなることが分かった。   Moreover, the bipolar cell for electric double layer capacity | capacitance measurement which concerns on Examples 1-12 is compared with the bipolar cell for electric double layer capacity | capacitance measurement which concerns on Comparative Examples 1-3 per weight of a carbon nanofiber. It was found that the capacitance was sufficiently large.

これは、カーボンナノファイバ集合層に孔を適度に形成したことによって電解液の層内部への輸送が改善されたことによって、カーボンナノファイバ集合層の最外層だけでなく内部まで有効利用できるようになったためではないかと考えられる。   This is because the transport of electrolyte to the inside of the carbon nanofiber assembly layer has been improved by appropriately forming holes in the carbon nanofiber assembly layer, so that not only the outermost layer of the carbon nanofiber assembly layer but also the inside can be used effectively. It is thought that it was because it became.

以上より、本発明のカーボンナノファイバ構造体によれば、電気化学素子に対して優れた電気化学性能を付与することが可能なカーボンナノファイバ電極を形成できることが確認された。   From the above, according to the carbon nanofiber structure of the present invention, it was confirmed that a carbon nanofiber electrode capable of imparting excellent electrochemical performance to an electrochemical element can be formed.

10…基材
10a…一面(触媒担持面)
11…穴
30…金属触媒
40…カーボンナノファイバ形成用構造体
50…カーボンナノファイバ集合層
50a…端面
51…カーボンナノファイバ
52…孔
100,200…カーボンナノファイバ構造体
220…金属酸化物層
10 ... Base material 10a ... One side (catalyst carrying surface)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Hole 30 ... Metal catalyst 40 ... Carbon nanofiber formation structure 50 ... Carbon nanofiber assembly layer 50a ... End face 51 ... Carbon nanofiber 52 ... Hole 100,200 ... Carbon nanofiber structure 220 ... Metal oxide layer

Claims (9)

基材と、
前記基材の一面側に設けられ、前記一面から離れる方向に沿って配向する複数本のカーボンナノファイバを集合させてなるカーボンナノファイバ集合層とを備え、
前記複数本のカーボンナノファイバに包囲されることによって0.3〜7μmの孔径を有する孔が形成されており、
前記カーボンナノファイバ集合層において、前記孔の総面積が、前記カーボンナノファイバ集合層のうち前記基材と反対側の端面の見かけの面積に対して1%以上40%未満である、カーボンナノファイバ構造体。
A substrate;
A carbon nanofiber assembly layer formed by assembling a plurality of carbon nanofibers provided on one side of the base material and oriented along a direction away from the one surface;
A hole having a hole diameter of 0.3 to 7 μm is formed by being surrounded by the plurality of carbon nanofibers,
In the carbon nanofiber assembly layer, the total area of the pores is 1% or more and less than 40% with respect to the apparent area of the end surface opposite to the substrate in the carbon nanofiber assembly layer Structure.
前記孔の前記孔径の最大値よりも前記カーボンナノファイバの長さが大きい、請求項1に記載のカーボンナノファイバ構造体。   The carbon nanofiber structure according to claim 1, wherein a length of the carbon nanofiber is larger than a maximum value of the hole diameter of the hole. 前記孔が貫通孔である、請求項1又は2に記載のカーボンナノファイバ構造体。   The carbon nanofiber structure according to claim 1 or 2, wherein the hole is a through hole. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のカーボンナノファイバ構造体を備えるカーボンナノファイバ電極。   A carbon nanofiber electrode comprising the carbon nanofiber structure according to claim 1. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のカーボンナノファイバ構造体の前記カーボンナノファイバ集合層を導電性基板に転写することにより得られるカーボンナノファイバ電極。   A carbon nanofiber electrode obtained by transferring the carbon nanofiber assembly layer of the carbon nanofiber structure according to any one of claims 1 to 3 to a conductive substrate. 基材の一面上に金属触媒を設けてなるカーボンナノファイバ形成用構造体を準備する準備工程と、
前記カーボンナノファイバ形成用構造体の前記金属触媒の上に、化学気相成長法により、炭素を含む原料ガスを前記金属触媒に供給し、前記基材の一面から離れる方向に沿って複数本のカーボンナノファイバを配向させて、前記複数本のカーボンナノファイバを集合させてなるカーボンナノファイバ集合層を有するカーボンナノファイバ構造体を形成するカーボンナノファイバ成長工程とを含み、
前記カーボンナノファイバ形成用構造体のうち前記金属触媒側に形成され、0.3〜7μmの穴径を有する穴の総面積が、前記金属触媒を設けた触媒担持面の面積に対して1%以上40%未満で形成されている、
カーボンナノファイバ構造体の製造方法。
A preparation step of preparing a carbon nanofiber forming structure in which a metal catalyst is provided on one surface of a substrate;
A source gas containing carbon is supplied to the metal catalyst by chemical vapor deposition on the metal catalyst of the structure for forming the carbon nanofiber, and a plurality of gas is provided along a direction away from one surface of the substrate. A carbon nanofiber growth step of orienting carbon nanofibers to form a carbon nanofiber structure having a carbon nanofiber assembly layer formed by assembling the plurality of carbon nanofibers,
The total area of holes formed on the metal catalyst side of the carbon nanofiber forming structure and having a hole diameter of 0.3 to 7 μm is 1% with respect to the area of the catalyst support surface on which the metal catalyst is provided. It is formed with less than 40%,
A method for producing a carbon nanofiber structure.
前記基材が酸素イオン伝導性基板である請求項6に記載のカーボンナノファイバ構造体の製造方法。   The method for producing a carbon nanofiber structure according to claim 6, wherein the base material is an oxygen ion conductive substrate. 前記カーボンナノファイバ形成用構造体が、前記基材と前記金属触媒との間に設けられる金属酸化物層を更に有し、前記金属酸化物層の厚さが0.5〜10nmの厚さを有する請求項6又は7に記載のカーボンナノファイバ構造体の製造方法。   The carbon nanofiber forming structure further includes a metal oxide layer provided between the base material and the metal catalyst, and the metal oxide layer has a thickness of 0.5 to 10 nm. The manufacturing method of the carbon nanofiber structure of Claim 6 or 7. 前記カーボンナノファイバ形成用構造体において、前記穴が、前記基材の前記一面に開口部を形成し、前記基材の前記一面のうち前記開口部を除く領域上に前記金属触媒を形成することによって得られる、請求項6〜8のいずれか一項に記載のカーボンナノファイバ構造体の製造方法。   In the carbon nanofiber forming structure, the hole forms an opening in the one surface of the base material, and forms the metal catalyst on a region of the one surface of the base material excluding the opening portion. The manufacturing method of the carbon nanofiber structure as described in any one of Claims 6-8 obtained by these.
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