JP2015089969A - Ni-Si ALLOY FINE PARTICLE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Ｎｉ−Ｓｉ合金微粒子及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、結晶性が高く、かつ、一次粒子径の小さなＮｉ−Ｓｉ合金微粒子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to Ni—Si alloy fine particles and a method for producing the same, and more particularly relates to Ni—Si alloy fine particles having a high crystallinity and a small primary particle diameter and a method for producing the same.
金属シリサイドは、Ｓｉを多量に含んでいるため、一般に、耐酸化性や耐食性に優れている。また、金属シリサイドの中には、半導体特性や高温における機械的特性に優れたものも知られている。そのため、金属シリサイドは、熱電材料、発熱体、耐酸化コーティング材料、高温構造材料、半導体などへの応用が期待されている。特に、Ｎｉ2Ｓｉ、ＮｉＳｉなどのある種のニッケルシリサイドは、金属相の性質を示し、かつ、耐酸化性も高い。そのため、高比表面積のニッケルシリサイドは、例えば、燃料電池用の触媒担体などへの応用が期待されている。 Since metal silicide contains a large amount of Si, it is generally excellent in oxidation resistance and corrosion resistance. Among metal silicides, those having excellent semiconductor characteristics and mechanical characteristics at high temperatures are also known. Therefore, metal silicide is expected to be applied to thermoelectric materials, heating elements, oxidation resistant coating materials, high temperature structural materials, semiconductors, and the like. In particular, certain nickel silicide such as Ni 2 Si, NiSi indicates the nature of the metal phase, and oxidation resistance is high. Therefore, nickel silicide having a high specific surface area is expected to be applied to, for example, a catalyst carrier for fuel cells.
このような金属シリサイドの製造方法に関し、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、ＣａＳｉ2と遷移金属の塩化物とを反応させ、遷移金属シリサイドとＳｉの複合微粒子を合成する方法が開示されている。
非特許文献１には、ＮｉとＣｏの複合酸化物とＳｉＨ4とを反応させ、二元金属ニッケル−コバルトシリサイド（Ｎｉ1-xＣｏxＳｉ2）を合成する方法が開示されている。
Various proposals have hitherto been made regarding methods for producing such metal silicides.
For example, Patent Document 1 discloses a method of synthesizing composite fine particles of transition metal silicide and Si by reacting CaSi 2 with a transition metal chloride.
Non-Patent Document 1 discloses a method of synthesizing a binary metal nickel-cobalt silicide (Ni 1-x Co x Si 2 ) by reacting a complex oxide of Ni and Co with SiH 4 .
非特許文献２には、ＮｉＣｌ2、ＳｉＣｌ4及びＮａをオートクレーブ中で６００℃で１６時間加熱し、δ−Ｎｉ2Ｓｉナノワイヤーを合成する方法が開示されている。
非特許文献３には、石英管内にＮｉホイルを置き、石英管内にシラン（１０％シラン、残部Ｈｅ）を流しながら３２０〜４２０℃で加熱し、Ｎｉ表面においてシランを分解させ、ニッケルシリサイドナノワイヤーを合成する方法が開示されている。
Non-Patent Document 2 discloses a method of synthesizing δ-Ni 2 Si nanowires by heating NiCl 2 , SiCl 4 and Na in an autoclave at 600 ° C. for 16 hours.
In Non-Patent Document 3, Ni foil is placed in a quartz tube, heated at 320 to 420 ° C. while flowing silane (10% silane, balance He) in the quartz tube, silane is decomposed on the Ni surface, and nickel silicide nanowires A method of synthesizing is disclosed.
非特許文献４には、Ｓｉ粉末とＮｉ粉末とを鋼製容器に入れ、ボールミル処理し、ナノ結晶ＮｉＳｉ合金を得る方法が開示されている。
非特許文献５には、メカニカルアロイング法を用いて、Ｎｉ−Ｓｉアモルファス粉末を合成する方法が開示されている。
さらに、特許文献２及び非特許文献６には、Ｆｅ粉末、Ｓｉ粉末及び金属ＮａをＢＮ坩堝に入れ、７７３〜１０７３Ｋで１．５〜２４ｈ加熱し、β−ＦｅＳｉ2を合成する方法が開示されている
Non-Patent
Non-Patent
Furthermore, Patent Document 2 and Non-Patent Document 6 disclose a method of synthesizing β-FeSi 2 by putting Fe powder, Si powder, and metal Na into a BN crucible and heating them at 773-1073 K for 1.5-24 h. ing
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、Ｓｉを含む複合微粒子を合成することはできるが、Ｎｉシリサイドの単相粒子を合成することはできない。
非特許文献１には、ｘ＝０であるニッケル−コバルトシリサイド（すなわち、ＮｉＳｉ2）の単相粒子は報告されているが、Ｎｉ2ＳｉやＮｉＳｉの単相粒子の合成例は記載されていない。
However, the method described in Patent Document 1 can synthesize composite fine particles containing Si, but cannot synthesize Ni silicide single-phase particles.
Non-Patent Document 1 reports nickel-cobalt silicide (ie, NiSi 2 ) single-phase particles where x = 0, but does not describe a synthesis example of Ni 2 Si or NiSi single-phase particles. .
非特許文献２、３に記載の方法では、ナノワイヤー状のＮｉ2Ｓｉを合成することはできるが、粒状のＮｉ2Ｓｉを合成することはできない。
非特許文献４、５に記載の方法はで、結晶性の低いアモルファス粒子を合成することはできるが、結晶性の高いニッケルシリサイド粒子を合成することはできない。また、非特許文献４には、ＮｉＳｉ単相と記載されているが、元素分析の結果は示されていない。
In the methods described in Non-Patent Documents 2 and 3, nanowire-like Ni 2 Si can be synthesized, but granular Ni 2 Si cannot be synthesized.
Although the methods described in
これに対し、特許文献２及び非特許文献６に記載の方法を用いると、結晶性が高く、一次粒子径が８０〜２００ｎｍ程度の粒状で、かつ、単相のβ−ＦｅＳｉ2を合成することができる。
しかしながら、結晶性が高く、微細な一次粒子径を有し、粒状で、かつ、単相のＮｉxＳｉ微粒子（０．５＜ｘ≦３．０）を合成した例は、従来にはない。
On the other hand, when the methods described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 6 are used, a single-phase β-FeSi 2 having a high crystallinity and a primary particle diameter of about 80 to 200 nm is synthesized. Can do.
However, there has never been an example of synthesizing single-phase NixSi fine particles (0.5 <x ≦ 3.0) having high crystallinity, a fine primary particle diameter, and a granular shape.
本発明が解決しようとする課題は、結晶性が高く、微細な粒状であり、しかも不純物量の少ないＮｉ−Ｓｉ合金微粒子及びその製造方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide Ni-Si alloy fine particles having high crystallinity, fine particles and a small amount of impurities, and a method for producing the same.
上記課題を解決するために本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子は、
組成式：ＮｉxＳｉ（０．５＜ｘ≦３）で表されるニッケルシリサイド相の単相からなり、
一次粒子の粒径が１．５μｍ以下であり、
前記一次粒子のアスペクト比が２．０以下である
ことを要旨とする。
In order to solve the above problems, Ni—Si alloy fine particles according to the present invention are:
Composition formula: Ni x Si (0.5 <x ≦ 3), which consists of a single phase of a nickel silicide phase,
The primary particles have a particle size of 1.5 μm or less,
The gist is that the primary particles have an aspect ratio of 2.0 or less.
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子の製造方法は、
Ｎｉ、Ｓｉ及びＮａを含み、０．５＜Ｎｉ／Ｓｉ比（モル比）≦３．０、かつ、１．５＜Ｎａ／Ｓｉ比（モル比）≦１５．０である原料を調製する原料調製工程と、
前記原料を不活性雰囲気下で加熱し、本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子を生成させる反応工程と、
前記反応工程で得られた反応物からＮａを除去する除去工程と
を備えていることを要旨とする。
The method for producing Ni—Si alloy fine particles according to the present invention includes:
Raw material for preparing a raw material containing Ni, Si and Na, where 0.5 <Ni / Si ratio (molar ratio) ≦ 3.0 and 1.5 <Na / Si ratio (molar ratio) ≦ 15.0 A preparation process;
A reaction step of heating the raw material in an inert atmosphere to produce Ni-Si alloy fine particles according to the present invention;
And a removal step of removing Na from the reaction product obtained in the reaction step.
Ｎｉ／Ｓｉ比＝０．５となるように、Ｎｉ、Ｓｉ及びＮａを含む原料を調製し、これを不活性雰囲気下で加熱しても、結晶性が高く、かつ、微細な粒状のＮｉ0.5Ｓｉ（ＮｉＳｉ2）微粒子を合成することはできない。
これに対し、０．５＜Ｎｉ／Ｓｉ比≦３．０となるように、Ｎｉ、Ｓｉ及びＮａを含む原料を調製し、これを不活性雰囲気下で加熱すると、結晶性が高く、かつ、微細な粒状のＮｉ−Ｓｉ合金微粒子を合成することができる。
Even if a raw material containing Ni, Si and Na is prepared so that the Ni / Si ratio = 0.5, and this is heated in an inert atmosphere, the crystallinity is high and fine granular Ni 0.5 Si (NiSi 2 ) fine particles cannot be synthesized.
On the other hand, when a raw material containing Ni, Si and Na is prepared so that 0.5 <Ni / Si ratio ≦ 3.0, and this is heated in an inert atmosphere, the crystallinity is high, and Fine granular Ni—Si alloy fine particles can be synthesized.
以下に本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． Ｎｉ−Ｓｉ合金微粒子］
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子は、
組成式：ＮｉxＳｉ（０．５＜ｘ≦３）で表されるニッケルシリサイド相の単相からなり、
一次粒子の粒径が１．５μｍ以下であり、
前記一次粒子のアスペクト比が２．０以下である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Ni-Si alloy fine particles]
The Ni—Si alloy fine particles according to the present invention are:
Composition formula: Ni x Si (0.5 <x ≦ 3), which consists of a single phase of a nickel silicide phase,
The primary particles have a particle size of 1.5 μm or less,
The aspect ratio of the primary particles is 2.0 or less.
［１．１． 組成］
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子は、組成式：ＮｉxＳｉ（０．５＜ｘ≦３）で表される。
上記組成式で表されるニッケルシリサイド相としては、具体的には、Ｎｉ3Ｓｉ、Ｎｉ3Ｓｉ2、Ｎｉ5Ｓｉ2、Ｎｉ2Ｓｉ、ＮｉＳｉなどがある。
これらの中でも、ニッケルシリサイド相は、Ｎｉ2Ｓｉ又はＮｉＳｉが好ましい。これは、電気伝導度が高く、かつ、耐酸化性も優れているためである。
[1.1. composition]
The Ni—Si alloy fine particles according to the present invention are represented by the composition formula: Ni x Si (0.5 <x ≦ 3).
Specific examples of the nickel silicide phase represented by the above composition formula include Ni 3 Si, Ni 3 Si 2 , Ni 5 Si 2 , Ni 2 Si, and NiSi.
Among these, the nickel silicide phase is preferably Ni 2 Si or NiSi. This is because of high electrical conductivity and excellent oxidation resistance.
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子は、このようなニッケルシリサイド相の単相からなる。
「単相」とは、上述したニッケルシリサイド相のいずれか１つを含み、着目しているニッケルシリサイド相（主相）以外のニッケルシリサイド相（副相）や、ニッケルシリサイド相以外の相（異相）を実質的に含まないことをいう。
より具体的には、「単相」とは、（１）式で定義される結晶相のモル比（副相及び異相のモル比）が５％未満であることをいう。
結晶相のモル比＝ΣＩi×１００／(Ｉ0＋ΣＩi) ・・・（１）
但し、
ΣＩiは、個々の副相又は異相の最強線ピークの強度（Ｉi）の総和、
Ｉ0は、主相の最強線ピークの強度。
The Ni—Si alloy fine particles according to the present invention are composed of a single phase of such a nickel silicide phase.
“Single phase” includes any one of the above-described nickel silicide phases, a nickel silicide phase (subphase) other than the nickel silicide phase (main phase) of interest, and a phase other than the nickel silicide phase (different phase) ) Is not substantially included.
More specifically, “single phase” means that the molar ratio of the crystal phase defined by the formula (1) (the molar ratio of the subphase and the different phase) is less than 5%.
Molar ratio of crystal phase = ΣI i × 100 / (I 0 + ΣI i ) (1)
However,
ΣI i is the sum of the intensities (I i ) of the strongest peak of each subphase or heterophase,
I 0 is the intensity of the strongest peak of the main phase.
換言すれば、「単相」とは、（２）式で定義される結晶相のモル比（主相のモル比）が９５％以上であることをいう。
結晶相のモル比＝Ｉ0×１００／(Ｉ0＋ΣＩi) ・・・（２）
ニッケルシリサイド相の単相からなる微粒子は、合成時におけるＮｉ／Ｓｉ比（モル比）を制御することにより合成することができる。
In other words, “single phase” means that the molar ratio of the crystal phase defined by the formula (2) (the molar ratio of the main phase) is 95% or more.
Molar ratio of crystal phase = I 0 × 100 / (I 0 + ΣI i ) (2)
Fine particles comprising a single phase of a nickel silicide phase can be synthesized by controlling the Ni / Si ratio (molar ratio) during synthesis.
［１．２． 一次粒子径］
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子は、一次粒子径が１．５μｍ以下である。後述するように、Ｎａ融液共存下でＮｉとＳｉとを反応させると、このような微細な一次粒子径を持つＮｉ−Ｓｉ合金微粒子が得られる。
「一次粒子」とは、外観上、ひとつの単結晶に見える領域をいう。
「一次粒子径」とは、一次粒子の最大サイズ方向の長さ（長径：ｄ1）をいう。
得られた微粒子は、このような一次粒子の凝集体（二次粒子）からなる。二次粒子の大きさは、製造条件にもよるが、通常、１．５μｍ〜２０μｍ程度である。
[1.2. Primary particle size]
The Ni—Si alloy fine particles according to the present invention have a primary particle size of 1.5 μm or less. As will be described later, when Ni and Si are reacted in the presence of Na melt, Ni—Si alloy fine particles having such a fine primary particle diameter are obtained.
“Primary particles” refer to regions that appear as a single crystal in appearance.
The “primary particle diameter” refers to the length (major diameter: d 1 ) in the maximum size direction of the primary particles.
The obtained fine particles are composed of aggregates (secondary particles) of such primary particles. The size of the secondary particles is usually about 1.5 μm to 20 μm although it depends on the production conditions.
［１．３． アスペクト比］
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子は、一次粒子のアスペクト比が２．０以下である。後述するように、Ｎａ融液共存下でＮｉとＳｉとを反応させると、一次粒子の形状がナノワイヤー状ではなく、粒状のＮｉ−Ｓｉ合金微粒子が得られる。
「アスペクト比」とは、一次粒子の最大サイズ方向に対して垂直方向の長さ（短径：ｄ2）に対する、一次粒子の最大サイズ方向の長さ（長径：ｄ1）の比（＝ｄ1／ｄ2）をいう。
[1.3. aspect ratio]
In the Ni—Si alloy fine particles according to the present invention, the aspect ratio of the primary particles is 2.0 or less. As will be described later, when Ni and Si are reacted in the presence of Na melt, the shape of the primary particles is not nanowires, but granular Ni—Si alloy fine particles are obtained.
“Aspect ratio” is the ratio of the length (major axis: d 1 ) in the maximum size direction of primary particles to the length (minor axis: d 2 ) in the direction perpendicular to the maximum size direction of primary particles (= d 1 / d 2 ).
［１．４． 結晶性］
後述する方法を用いると、結晶性の高いＮｉ−Ｓｉ合金微粒子が得られる。結晶性の程度は、ＸＲＤパターンにおける最強ピークの半値幅（半値全幅）により評価することができる。
製造条件を最適化すると、最強ピークの半値幅（半値全幅）が１．０°以下、０．５°以下、あるいは、０．２°以下であるＮｉ−Ｓｉ合金微粒子が得られる。
[1.4. crystalline]
When a method described later is used, Ni—Si alloy fine particles having high crystallinity can be obtained. The degree of crystallinity can be evaluated by the full width at half maximum (full width at half maximum) of the strongest peak in the XRD pattern.
When the manufacturing conditions are optimized, Ni—Si alloy fine particles having a half-width (full width at half maximum) of the strongest peak of 1.0 ° or less, 0.5 ° or less, or 0.2 ° or less are obtained.
［１．５． 比表面積］
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子は、Ｎａ融液共存下で反応させた後、Ｎａを除去することにより得られる。そのため、製造条件を最適化すると、高い比表面積を有するＮｉ−Ｓｉ合金微粒子が得られる。
[1.5. Specific surface area]
The Ni—Si alloy fine particles according to the present invention can be obtained by removing Na after reacting in the presence of Na melt. Therefore, when the manufacturing conditions are optimized, Ni—Si alloy fine particles having a high specific surface area can be obtained.
［２． Ｎｉ−Ｓｉ合金微粒子の製造方法］
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子の製造方法は、
Ｎｉ、Ｓｉ及びＮａを含み、０．５＜Ｎｉ／Ｓｉ比（モル比）≦３．０、かつ、１．５＜Ｎａ／Ｓｉ比（モル比）≦１５．０である原料を調製する原料調製工程と、
前記原料を不活性雰囲気下で加熱し、本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子を生成させる反応工程と、
前記反応工程で得られた反応物からＮａを除去する除去工程と
を備えている。
[2. Method for producing Ni-Si alloy fine particles]
The method for producing Ni—Si alloy fine particles according to the present invention includes:
Raw material for preparing a raw material containing Ni, Si and Na, where 0.5 <Ni / Si ratio (molar ratio) ≦ 3.0 and 1.5 <Na / Si ratio (molar ratio) ≦ 15.0 A preparation process;
A reaction step of heating the raw material in an inert atmosphere to produce Ni-Si alloy fine particles according to the present invention;
A removal step of removing Na from the reaction product obtained in the reaction step.
［２．１． 原料調製工程］
まず、Ｎｉ、Ｓｉ及びＮａを含み、０．５＜Ｎｉ／Ｓｉ比（モル比）≦３．０、かつ、１．５＜Ｎａ／Ｓｉ比（モル比）≦１５．０である原料を調製する（原料調製工程）。
[2.1. Raw material preparation process]
First, a raw material containing Ni, Si, and Na and having 0.5 <Ni / Si ratio (molar ratio) ≦ 3.0 and 1.5 <Na / Si ratio (molar ratio) ≦ 15.0 is prepared. (Raw material preparation step).
［２．１．１． 原料］
原料には、基本的には、純Ｎｉ、純Ｓｉ、及び、純Ｎａを用いる。また、原料として、Ｎｉ、Ｓｉ及びＮａのいずれか２以上を含む合金（金属間化合物を含む）を用いることもできる。
Ｎａ及びＳｉを含む原料としては、例えば、Ｎａ−Ｓｉ系化合物がある。
「Ｎａ−Ｓｉ系化合物」とは、ＮａとＳｉから構成される化合物をいう。Ｎａ−Ｓｉ系化合物としては、ＮａＳｉ、Ｎａクラスレート（Ｎａ8Ｓｉ46、ＮａxＳｉ136（１．５＜ｘ＜２４））などがある。
[2.1.1. material]
Basically, pure Ni, pure Si, and pure Na are used as raw materials. In addition, an alloy (including an intermetallic compound) containing any two or more of Ni, Si, and Na can be used as a raw material.
As a raw material containing Na and Si, for example, there is a Na-Si compound.
“Na—Si compound” refers to a compound composed of Na and Si. Na-Si compounds include NaSi and Na clathrate (Na 8 Si 46 , Na x Si 136 (1.5 <x <24)).
［２．１．２． Ｎｉ／Ｓｉ比（モル比）］
Ｎｉ／Ｓｉ比は、目的とする主相が得られるように最適な値を選択する。後述する方法を用いると、仕込み組成にほぼ対応する組成を有するＮｉ−Ｓｉ合金微粒子が得られる。
但し、後述する方法を用いて、Ｎｉ0.5Ｓｉ（ＮｉＳｉ2）を合成することはできない。従って、Ｎｉ／Ｓｉ比は、０．５超とする必要がある。
一方、Ｎｉ−Ｓｉ系においてＮｉ量が最大のニッケルシリサイド相は、Ｎｉ3Ｓｉである。従って、Ｎｉ／Ｓｉ比は、３．０以下とする必要がある。
[2.1.2. Ni / Si ratio (molar ratio)]
As the Ni / Si ratio, an optimal value is selected so that the intended main phase can be obtained. When a method described later is used, Ni—Si alloy fine particles having a composition substantially corresponding to the charged composition can be obtained.
However, Ni 0.5 Si (NiSi 2 ) cannot be synthesized using the method described later. Therefore, the Ni / Si ratio needs to exceed 0.5.
On the other hand, the nickel silicide phase with the maximum amount of Ni in the Ni—Si system is Ni 3 Si. Therefore, the Ni / Si ratio needs to be 3.0 or less.
［２．１．３． Ｎａ／Ｓｉ比（モル比）］
本発明に係る方法を用いてＮｉ−Ｓｉ合金微粒子を合成するためには、反応系内に所定量のＮａが存在している必要がある。
Ｓｉに対してＮａが少なすぎると、反応中に微粒子を生成させるのに必要な量のＮａ融液が生成しない。その結果、反応物中にＳｉが残留する場合がある。従って、Ｎａ／Ｓｉ比は、１．５超である必要がある。Ｎａ／Ｓｉ比は、さらに好ましくは、２．０以上、さらに好ましくは、３．０以上である。
[2.1.3. Na / Si ratio (molar ratio)]
In order to synthesize Ni—Si alloy fine particles using the method according to the present invention, a predetermined amount of Na needs to be present in the reaction system.
When there is too little Na with respect to Si, the amount of Na melt required to produce fine particles during the reaction will not be produced. As a result, Si may remain in the reaction product. Therefore, the Na / Si ratio needs to be greater than 1.5. The Na / Si ratio is more preferably 2.0 or more, and still more preferably 3.0 or more.
一方、Ｓｉに対してＮａが過剰であっても、Ｎｉ−Ｓｉ微粒子を合成することができる。また、過剰のＮａは、比較的容易に除去することができる。しかしながら、Ｎａが大過剰になると、洗浄に用いる溶媒量が増加する、除去に要する時間が増加するという問題がある。従って、Ｎａ／Ｓｉ比は、１５．０以下である必要がある。Ｎａ／Ｓｉ比は、さらに好ましくは、１０．０以下、さらに好ましくは、５．０以下である。 On the other hand, even if Na is excessive with respect to Si, Ni—Si fine particles can be synthesized. Excess Na can be removed relatively easily. However, when Na is excessively large, there is a problem that the amount of solvent used for washing increases and the time required for removal increases. Therefore, the Na / Si ratio needs to be 15.0 or less. The Na / Si ratio is more preferably 10.0 or less, and still more preferably 5.0 or less.
［２．２． 反応工程］
次に、前記原料を不活性雰囲気下で加熱し、本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子を生成させる（反応工程）。
[2.2. Reaction process]
Next, the raw material is heated in an inert atmosphere to generate Ni—Si alloy fine particles according to the present invention (reaction process).
反応は、不活性雰囲気下で行う必要がある。「不活性雰囲気」とは、酸素及び水分のない雰囲気をいう。酸素及び／又は水分が存在する雰囲気下で原料の加熱を行うと、Ｎａが酸化され、不純物の少ない単相のＮｉ−Ｓｉ合金微粒子を得ることはできない。 The reaction needs to be performed under an inert atmosphere. “Inert atmosphere” refers to an atmosphere free of oxygen and moisture. When the raw material is heated in an atmosphere containing oxygen and / or moisture, Na is oxidized, and single-phase Ni—Si alloy fine particles with few impurities cannot be obtained.
反応温度は、原料混合物からＮａ融液が生成し、かつ、Ｎｉ−Ｓｉ合金微粒子の生成反応が進行する温度であればよい。最適な温度は、出発原料の種類や原料の組成により異なる。
例えば、出発原料として、純Ｎｉ、純Ｓｉ、及び、純Ｎａを用いる場合、加熱温度は、３００℃以上が好ましい。加熱温度は、さらに好ましくは、５００℃以上である。
一方、加熱温度が高すぎると、Ｎｉ−Ｓｉ合金微粒子が粗大化する。従って、加熱温度は、６５０℃以下が好ましい。
The reaction temperature may be a temperature at which Na melt is generated from the raw material mixture and the formation reaction of the Ni—Si alloy fine particles proceeds. The optimum temperature depends on the type of starting material and the composition of the starting material.
For example, when pure Ni, pure Si, and pure Na are used as starting materials, the heating temperature is preferably 300 ° C. or higher. The heating temperature is more preferably 500 ° C. or higher.
On the other hand, when the heating temperature is too high, the Ni—Si alloy fine particles become coarse. Therefore, the heating temperature is preferably 650 ° C. or less.
加熱時間は、特に限定されるものではなく、加熱温度に応じて最適な時間を選択する。一般に、加熱温度が高くなるほど、短時間で反応を完了させることができる。反応時間は、通常、５〜２０時間程度である。反応終了後、反応物を冷却する。 The heating time is not particularly limited, and an optimal time is selected according to the heating temperature. In general, the higher the heating temperature, the faster the reaction can be completed. The reaction time is usually about 5 to 20 hours. After the reaction is complete, the reaction is cooled.
［２．３． 除去工程］
次に、前記反応工程で得られた反応物からＮａを除去する（除去工程）。
Ｎａを除去する方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。Ｎａを除去する方法としては、例えば、
（１）Ｎａを溶解可能な溶媒を用いて、反応物を洗浄する方法、
（２）反応物を減圧下で加熱し、Ｎａを蒸発除去する方法、
などがある。
[2.3. Removal process]
Next, Na is removed from the reaction product obtained in the reaction step (removal step).
The method for removing Na is not particularly limited, and various methods can be used. As a method of removing Na, for example,
(1) A method of washing a reaction product using a solvent capable of dissolving Na,
(2) A method of heating the reaction product under reduced pressure to evaporate and remove Na,
and so on.
系内のＮａは、Ｎｉ−Ｓｉ相の生成を促進するが、生成粒子内には存在していない。そのため、Ｎａを溶解可能な溶媒で洗浄し、あるいは反応物を減圧下で加熱することで、Ｎａを除去することが可能である。
Ｎａを溶解可能な溶媒としては、例えば、２−プロパノール、エタノールなどのアルコール類、液化アンモニア、水などがある。
なお、ＮａＳｉを原料にした場合には、未反応のＮａＳｉが残存する場合がある。ＮａＳｉは、ある種の溶媒（例えば、２−プロパノール、エタノールなどのアルコール類）に溶解する。そのため、ＮａＳｉを溶解可能な溶媒を用いて洗浄することにより、未反応のＮａＳｉを除去することが可能である。
Na in the system promotes the formation of the Ni—Si phase, but is not present in the generated particles. Therefore, it is possible to remove Na by washing with a solvent capable of dissolving Na or heating the reaction under reduced pressure.
Examples of the solvent that can dissolve Na include alcohols such as 2-propanol and ethanol, liquefied ammonia, and water.
When NaSi is used as a raw material, unreacted NaSi may remain. NaSi is dissolved in a certain solvent (for example, alcohols such as 2-propanol and ethanol). Therefore, unreacted NaSi can be removed by washing with a solvent capable of dissolving NaSi.
［３． 作用］
Ｎｉ／Ｓｉ比＝０．５となるように、Ｎｉ、Ｓｉ及びＮａを含む原料を調製し、これを不活性雰囲気下で加熱しても、結晶性が高く、かつ、微細な粒状のＮｉ0.5Ｓｉ（ＮｉＳｉ2）微粒子を合成することはできない。
これに対し、０．５＜Ｎｉ／Ｓｉ比≦３．０となるように、Ｎｉ、Ｓｉ及びＮａを含む原料を調製し、これを不活性雰囲気下で加熱すると、結晶性が高く、かつ、微細な粒状のＮｉ−Ｓｉ合金微粒子を合成することができる。
[3. Action]
Even if a raw material containing Ni, Si and Na is prepared so that the Ni / Si ratio = 0.5, and this is heated in an inert atmosphere, the crystallinity is high and fine granular Ni 0.5 Si (NiSi 2 ) fine particles cannot be synthesized.
On the other hand, when a raw material containing Ni, Si and Na is prepared so that 0.5 <Ni / Si ratio ≦ 3.0, and this is heated in an inert atmosphere, the crystallinity is high, and Fine granular Ni—Si alloy fine particles can be synthesized.
本発明に係る方法により、単相のＮｉＳｉ2を合成できない理由は不明であるが、結晶性の高いＮｉ−Ｓｉ合金微粒子が得られるのは、以下の理由によると考えられる。
すなわち、Ｎｉやニッケルシリサイド（Ｎｉ−Ｓｉ合金）は、Ｎａへの溶解度が低い。そのため、Ｎａ融液が存在する環境下でＮｉとＳｉとを加熱すると、まず、Ｎａ融液にＳｉが溶け込む。次いで、このＳｉがＮｉに作用してニッケルシリサイドが生成する。すなわち、Ｎａは、ニッケルシリサイドを粒成長させることなく、ニッケルシリサイドの生成反応を促進させる作用がある。その結果、ニッケルシリサイドが、自形が発達した微粒子の形で生成すると考えられる。
さらに、Ｎａ融液が存在する環境下で合成が行われるため、酸化物（多くの場合、絶縁体）の生成も抑制される。
The reason why single-phase NiSi 2 cannot be synthesized by the method according to the present invention is unknown, but the reason why Ni—Si alloy fine particles with high crystallinity are obtained is considered to be as follows.
That is, Ni and nickel silicide (Ni—Si alloy) have low solubility in Na. Therefore, when Ni and Si are heated in an environment where Na melt is present, first, Si dissolves in the Na melt. Next, this Si acts on Ni to produce nickel silicide. That is, Na has the effect of promoting the nickel silicide formation reaction without causing nickel silicide grains to grow. As a result, it is considered that nickel silicide is generated in the form of fine particles with self-developed shape.
Furthermore, since the synthesis is performed in an environment where Na melt is present, generation of an oxide (in many cases, an insulator) is also suppressed.
（実施例１−１〜２−５、比較例１〜５）
［１． 試料の作製］
Ａｒ雰囲気中で所定量のＮｉ粉末、Ｓｉ粉末、ＮａＳｉ粉末、及び、ＮａをＢＮるつぼに入れ、このＢＮるつぼをさらにＳＵＳ管内に封入した。次いで、ＳＵＳ管を６００℃で５時間加熱した。冷却後、ＳＵＳ管から反応物を取り出した。さらに、反応物を大気中においてアルコール洗浄し、得られた生成物を回収した。表１及び表２に、各試料の合成条件を示す。
(Examples 1-1 to 2-5, Comparative Examples 1 to 5)
[1. Preparation of sample]
A predetermined amount of Ni powder, Si powder, NaSi powder, and Na were placed in a BN crucible in an Ar atmosphere, and the BN crucible was further sealed in a SUS tube. The SUS tube was then heated at 600 ° C. for 5 hours. After cooling, the reaction product was taken out from the SUS tube. Further, the reaction product was washed with alcohol in the air, and the resulting product was recovered. Tables 1 and 2 show the synthesis conditions for each sample.
［２． 試験方法］
［２．１． ＸＲＤ測定］
得られた粉末について、ＸＲＤパターンを測定した。各相の最強線ピーク強度、並びに、上述した（１）式及び（２）を用いて、主相及び主相以外の結晶相のモル比を算出した。
[2. Test method]
[2.1. XRD measurement]
The XRD pattern was measured about the obtained powder. The molar ratio of the main phase and the crystal phase other than the main phase was calculated using the strongest peak intensity of each phase and the above-described equations (1) and (2).
［２．２． ＳＥＭ観察］
得られた粉末について、ＳＥＭ観察を行った。外見上、１つの粒子に見える領域を一次粒子と見なした。一つの二次粒子の中に含まれる１０個以上の一次粒子について、最大サイズ方向の長さ（長径：ｄ1）を計測した。ｄ1の平均値を、一次粒子径と定義した。計測方法の一例を、図３の下図に示す。
同様に、ＳＥＭ像の中からランダムに選んだ１０個以上の二次粒子について、最大サイズ方向の長さを計測し、その平均値を二次粒子径と定義した。
[2.2. SEM observation]
SEM observation was performed about the obtained powder. In appearance, the region that appeared to be one particle was considered as the primary particle. The length (major axis: d 1 ) in the maximum size direction was measured for 10 or more primary particles contained in one secondary particle. the average value of d 1, was defined as the primary particle diameter. An example of the measurement method is shown in the lower diagram of FIG.
Similarly, the length in the maximum size direction was measured for 10 or more secondary particles randomly selected from the SEM image, and the average value was defined as the secondary particle diameter.
［２．３． ＴＥＭ観察］
得られた粉末について、ＴＥＭ観察を行った。
[2.3. TEM observation]
TEM observation was performed about the obtained powder.
［３． 結果］
［３．１． Ｎｉ2Ｓｉ相の生成を狙った合成］
［３．１．１． 実施例１−１、１−２］
実施例１−１及び１−２の合成条件（原料：Ｎｉ粉末、Ｓｉ粉末、及びＮａ）では、ＮｉとＳｉの仕込み比どおり、ほぼ単相のＮｉ2Ｓｉが生成することがわかった（表３、図１参照）。Ｎｉ2Ｓｉの含有量（主相のモル比）は、いずれも９５％以上であった。
また、一次粒子径は１．４μｍ以下、一次粒子のアスペクト比は１．４以下、二次粒子径は１０μｍ以下であった（表３、図２、及び図３参照）
さらに、実施例１−２の試料では、Ｎｉ2Ｓｉ相に対応する明瞭なＴＥＭ−電子線回折図形が得られた（図４参照）。試料中の一次粒子は、結晶性の高い粒子と考えられる。
[3. result]
[3.1. Synthesis aimed at generating Ni 2 Si phase]
[3.1.1. Example 1-1, 1-2]
Under the synthesis conditions of Examples 1-1 and 1-2 (raw materials: Ni powder, Si powder, and Na), it was found that almost single-phase Ni 2 Si was formed according to the charging ratio of Ni and Si (Table). 3, see FIG. The Ni 2 Si content (molar ratio of the main phase) was 95% or more.
Further, the primary particle size was 1.4 μm or less, the primary particle aspect ratio was 1.4 or less, and the secondary particle size was 10 μm or less (see Table 3, FIG. 2 and FIG. 3).
Furthermore, in the sample of Example 1-2, a clear TEM-electron beam diffraction pattern corresponding to the Ni 2 Si phase was obtained (see FIG. 4). The primary particles in the sample are considered to be highly crystalline particles.
［３．１．２． 比較例１、４］
比較例１（原料：Ｎｉ粉末、及びＳｉ粉末）では、Ｎｉ2Ｓｉの生成反応が全く進まなかった（表４、図１３参照）。
比較例４（原料：Ｎｉ粉末、Ｓｉ粉末、及びＮａ）においても、Ｎｉ2Ｓｉの生成反応がほとんど進まなかった（表４、図１４参照）。
[3.1.2. Comparative Examples 1 and 4]
In Comparative Example 1 (raw materials: Ni powder and Si powder), the Ni 2 Si production reaction did not proceed at all (see Table 4 and FIG. 13).
In Comparative Example 4 (raw materials: Ni powder, Si powder, and Na), the Ni 2 Si production reaction hardly proceeded (see Table 4 and FIG. 14).
実施例１−１及び１−２では、Ｎａ添加量が２≦Ｎａ／Ｓｉ（モル比）であったのに対し、比較例１及び４では、Ｎａ／Ｓｉ比（モル比）が、それぞれ、０及び１．５であった。合成温度６００℃では、Ｎａは融液となっているが、Ｎａ中にＮｉはほとんど溶解しないのに対し、Ｎａ中にＳｉは数％オーダーで溶解することが知られている（Ｎａ−Ｓｉ二元系の相図：H. Morito, T. Yamada, T. Ikeda, H. Yamane, Journal of Alloys and Compounds, 480, 723 (2009)）。 In Examples 1-1 and 1-2, the amount of Na added was 2 ≦ Na / Si (molar ratio), whereas in Comparative Examples 1 and 4, the Na / Si ratio (molar ratio) was 0 and 1.5. At a synthesis temperature of 600 ° C., Na is melted, but Ni is hardly dissolved in Na, whereas Si is known to be dissolved in Na on the order of several percent (Na—Si 2). Phase diagram of the original system: H. Morito, T. Yamada, T. Ikeda, H. Yamane, Journal of Alloys and Compounds, 480, 723 (2009)).
つまり、Ｎａ融液中に溶解したＳｉがＮｉと反応するためにＮｉ−Ｓｉ合金が生成すると考えられる。また、均一な反応の進行には、ある一定量以上のＮａ添加が必要であるために、添加量によって生成相が変化したと考えられる。さらに、Ｎｉを解砕しながらＮｉ2Ｓｉ粒子が生成し、かつ、生成したＮｉ2Ｓｉ粒子はＮａ融液に溶解しないために、Ｎｉ−Ｓｉ相の微粒子が生成したものと推定される。 That is, it is considered that a Ni—Si alloy is formed because Si dissolved in the Na melt reacts with Ni. Moreover, since a certain amount or more of Na needs to be added for the progress of the uniform reaction, the generated phase is considered to have changed depending on the amount added. Furthermore, Ni 2 Si particles are generated while crushing Ni, and since the generated Ni 2 Si particles are not dissolved in the Na melt, it is presumed that Ni—Si phase fine particles were generated.
［３．２． ＮｉＳｉ相の生成を狙った合成］
［３．２．１． 実施例２−１〜２−５］
実施例２−１〜実施例２−２の合成条件（原料：Ｎｉ粉末、Ｓｉ粉末、及びＮａ、Ｎａ量：２≦Ｎａ／Ｓｉ（モル比））、並びに、実施例２−３〜実施例２−５の条件（原料：Ｎｉ粉末、ＮａＳｉ粉末、及びＮａ、Ｎａ量：２≦Ｎａ／Ｓｉ（モル比））のいずれにおいても、ＮｉとＳｉの仕込み比どおり、ほぼ単相のＮｉＳｉが生成することがわかった（表３、図５〜図１２参照）。
[3.2. Synthesis aiming at generation of NiSi phase]
[3.2.1. Examples 2-1 to 2-5]
Synthesis conditions of Example 2-1 to Example 2-2 (raw materials: Ni powder, Si powder, and Na, Na amount: 2 ≦ Na / Si (molar ratio)), and Examples 2-3 to Examples Under any of the conditions 2-5 (raw materials: Ni powder, NaSi powder, and Na, Na amount: 2 ≦ Na / Si (molar ratio)), almost single-phase NiSi is produced according to the charging ratio of Ni and Si. (See Table 3, FIGS. 5 to 12).
前者は、Ｓｉ源にＳｉ粉末を用いているのに対し、後者は、ＮａＳｉ粉末を用いている。ＮａＳｉ粉末を原料に用いた場合においても、Ｎａ−Ｓｉ二元系の相図に従って、Ｓｉを融解したＮａ融液が発生すると考えられる。上述のＮｉ2Ｓｉの合成と同様に、ある一定量以上のＮａが系内に存在していれば、Ｓｉ粉末及びＮａＳｉ粉末を用いたいずれの合成条件においても、単相のＮｉＳｉが生成可能であると考えられる。
また、これらの実施例についても、一次粒子径は１．０μｍ以下、一次粒子のアスペクト比は１．４以下であり、二次粒子径は１２μｍ以下であった（表３参照）。
The former uses Si powder as the Si source, while the latter uses NaSi powder. Even when NaSi powder is used as a raw material, it is considered that a Na melt obtained by melting Si is generated according to the phase diagram of the Na—Si binary system. Similar to the above-described synthesis of Ni 2 Si, single-phase NiSi can be generated under any synthesis condition using Si powder and NaSi powder if a certain amount or more of Na is present in the system. It is believed that there is.
Also in these examples, the primary particle diameter was 1.0 μm or less, the primary particle aspect ratio was 1.4 or less, and the secondary particle diameter was 12 μm or less (see Table 3).
［３．２．２． 比較例２］
比較例２（原料：Ｎｉ粉末、及びＳｉ粉末）では、ＮｉＳｉの生成反応が全く進まなかった（表４、図１３参照）。これは、上述と同様に、系内にＮａが存在しないためと考えられる。
[3.2.2. Comparative Example 2]
In Comparative Example 2 (raw materials: Ni powder and Si powder), the NiSi formation reaction did not proceed at all (see Table 4 and FIG. 13). This is considered to be because Na does not exist in the system as described above.
［３．３． ＮｉＳｉ2の生成を狙った合成］
［３．３．１． 比較例３］
比較例３（原料：Ｎｉ粉末、及びＳｉ粉末）では、ＮｉＳｉ2の生成反応が全く進まなかった（表４、図１３参照）。これは、上述と同様に、系内にＮａが存在しないためと考えられる。
[3.3. Synthesis aimed at producing NiSi 2 ]
[3.3.1. Comparative Example 3]
In Comparative Example 3 (raw materials: Ni powder and Si powder), the NiSi 2 production reaction did not proceed at all (see Table 4 and FIG. 13). This is considered to be because Na does not exist in the system as described above.
［３．３．２． 比較例５］
比較例５（原料：Ｎｉ粉末、ＮａＳｉ粉末、及びＮａ、Ｎａ量：Ｎａ／Ｓｉ（モル比）＝４）においては、仕込みのＮｉ／Ｓｉ比（モル比）を１／２としたにも関わらず、ＮｉＳｉ2ではなく、ＮｉＳｉが生成した（図１４参照）。
これに対して、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｎａを用いた反応系では、β−ＦｅＳｉ2（Ｆｅ／Ｓｉ＝１／２）の合成例が報告されている（特許文献２、非特許文献６参照）。つまり、同様の反応系であっても、生成可能な結晶相は一義的には定まらず、金属種や仕込み組成によって変わることが示唆された。
[3.3.2. Comparative Example 5]
In Comparative Example 5 (raw materials: Ni powder, NaSi powder, and Na, Na amount: Na / Si (molar ratio) = 4), although the Ni / Si ratio (molar ratio) of charging was set to 1/2, Instead, NiSi was generated instead of NiSi 2 (see FIG. 14).
On the other hand, in a reaction system using Fe, Si, and Na, a synthesis example of β-FeSi 2 (Fe / Si = 1/2) has been reported (see Patent Document 2 and Non-Patent Document 6). In other words, it was suggested that even in the same reaction system, the crystal phase that can be generated is not uniquely determined and changes depending on the metal species and the charged composition.
［３．４． 合成粒子の結晶性］
非特許文献４には、ＮｉとＳｉとをメカニカルミリングすることにより、ＮｉＳｉ単相微粒子が得られたと報告されている。非特許文献４に報告がある材料については、ＮｉＳｉ相の１０１面に帰属するＸＲＤピークの半値全幅は、２θ＝１．３８°であった。
これに対し、実施例２−１で得られた試料のＸＲＤピークの半値全幅は、２θ＝０．１８５°であった。これは、非特許文献４ではメカニカルミリングしているために、本発明と比較して、一次粒子がより細かい結晶子の集合体からなっていること、つまり、本発明と比較して結晶性が低いと考えられた。
[3.4. Crystallinity of synthetic particles]
On the other hand, the full width at half maximum of the XRD peak of the sample obtained in Example 2-1 was 2θ = 0.185 °. This is because
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係るＮｉ−Ｓｉ合金微粒子は、燃料電池の触媒担体、メタン生成反応（メタネーション反応）やカーボンナノチューブ生成反応の触媒又は触媒担体などに使用することができる。 The Ni—Si alloy fine particles according to the present invention can be used as a catalyst support for a fuel cell, a catalyst for a methane formation reaction (methanation reaction) or a carbon nanotube formation reaction, or a catalyst support.
Claims (4)
一次粒子の粒径が１．５μｍ以下であり、
前記一次粒子のアスペクト比が２．０以下である
Ｎｉ−Ｓｉ合金微粒子。 Composition formula: Ni x Si (0.5 <x ≦ 3), which consists of a single phase of a nickel silicide phase,
The primary particles have a particle size of 1.5 μm or less,
Ni-Si alloy fine particles in which the primary particles have an aspect ratio of 2.0 or less.
前記原料を不活性雰囲気下で加熱し、請求項１に記載のＮｉ−Ｓｉ合金微粒子を生成させる反応工程と、
前記反応工程で得られた反応物からＮａを除去する除去工程と
を備えたＮｉ−Ｓｉ合金微粒子の製造方法。 Raw material for preparing a raw material containing Ni, Si and Na, where 0.5 <Ni / Si ratio (molar ratio) ≦ 3.0 and 1.5 <Na / Si ratio (molar ratio) ≦ 15.0 A preparation process;
A reaction step of heating the raw material under an inert atmosphere to generate Ni-Si alloy fine particles according to claim 1,
And a removal step of removing Na from the reaction product obtained in the reaction step.
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