JP2644677B2 - フラーレン類の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、将来の超伝導材料や高
機能材料として期待されているフラーレン類の製造方法
及びその製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フラーレン類はＣ₆₀やＣ₇₀等の球殻状炭
素同素体であり、また、例えばＲｂ，Ｋなどの他種原子
をＣ₆₀に内包させると超伝導性を有するため、将来の超
伝導材料や高機能材料として注目されている。

【０００３】前記フラーレン類の製造方法として、黒鉛
を気化させて炭素原子を含む炭素蒸気を発生させ、これ
を冷却して多量の煤を生成すると、煤中にフラーレン類
が存在することが知られている。黒鉛を気化させる方法
に関しては、アーク放電、レーザ光照射あるいは高周波
誘導加熱などがある。いずれの方法においても、発生し
た炭素蒸気中の炭素原子は密閉容器内の例えばヘリウム
ガス等の不活性ガス雰囲気下においてヘリウムガス分子
との衝突を繰り返すことにより冷却され、他の冷却され
た炭素原子とフラーレン構造として結合する。前述した
冷却過程は前記不活性ガスの圧力に大きく依存してお
り、このガス圧力の大きさがフラーレン類の生成の可否
及び生成量に影響を与える。通常、前記ガス圧力が５０
〜２００Ｔｏｒｒの時、生成効率が最も良いと言われて
いる。

【０００４】しかしながら、前述した製造方法では、冷
却過程中に前記炭素原子が前記炭素蒸気中に含まれる無
定形炭素（煤）と衝突して結合し、フラーレン類が生成
しない場合があるため、前記フラーレン類の生成効率が
低下するという問題点があった。

【０００５】また、前記炭素蒸気が発生して前記容器内
の圧力が前述した範囲を越えると、前記炭素原子と前記
ヘリウム分子との衝突が著しく増加するために前記炭素
原子の平均移動度が小さくなり、炭素原子間での結合機
会が損なわれるため、前記フラーレン類の生成効率が更
に低下するという問題点があった。このため、前述した
方法でフラーレン類を製造する場合には、圧力を前述し
た範囲内に維持する必要があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の問題を
解決するためになされたもので、フラーレン類の生成効
率を向上することが可能なフラーレン類の製造方法及び
その製造装置を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るフラーレン
類の製造方法は、液体窒素温度で冷却された雰囲気中で
炭素質物質をアーク放電させて炭素蒸気を発生させ、こ
の炭素蒸気を前記雰囲気下で冷却することを特徴とする
ものである。

【０００８】前記炭素質物質としては、例えば黒鉛、無
炭煙、石炭コークス、石油コークス、ピッチコークス、
カーボンブラック等を挙げることができる。中でも黒鉛
を用いることが好ましい。

【０００９】前記炭素質物質の気化方法としては、アー
ク放電、例えばレーザ光や電子ビームなどのパワービー
ム照射、高周波誘導加熱などを挙げることができる。中
でも、アーク放電は前記炭素質物質を気化させるのに十
分な１００００Ｋ以上の温度まで加熱することが容易
で、前記フラーレン類の生成効率が向上するため、好ま
しい。

【００１０】本発明に係るフラーレン類の製造装置は、
金属製の密閉容器と、前記容器内に配置された炭素質の
陽極と、前記容器内に前記陽極と対向するように配置さ
れた陰極と、前記容器内に前記陽極及び陰極の周囲に位
置するように配置され、内部を液体窒素が循環されてい
る金属製の液体窒素槽とを具備したことを特徴とするも
のである。

【００１１】以下、本発明に係るフラーレン類の製造装
置を図１を参照して説明する。

【００１２】図１はフラーレン類の製造装置の断面図で
ある。

【００１３】金属製の円筒型密閉容器１内には、陰極を
支持するための金属製の円柱型支持部材２が配置され、
かつその上端は前記容器１の上面を貫通して外部に突出
している。なお、図示しない絶縁リングは前記支持部材
２と前記容器１上面の接触部に介在されている。陰極３
は前記円柱型支持部材２の下端に取付けられている。リ
ング状の冷却器４は、前記円柱型支持部材２の下部周縁
及び前記陰極３の上部周縁を囲むように配置されてい
る。冷却水導入管５及び冷却水排出管６の一端は、前記
リング状の冷却器４の互いに対向する側面にそれぞれ連
結され、かつそれらの他端は前記容器１の上面を貫通し
て外部に延出されている。前記リング状の冷却器４は前
記導入管５からの水の導入及び前記排出管６からの水の
排出によりその内部の水が循環されて前記円柱型支持部
材２の下部周縁及び前記陰極３の上部周縁を冷却してい
る。

【００１４】冷却器を兼ねる金属製の円筒型支持部材７
は、前記容器１の底面を貫通して前記容器１内に突出し
ている。環状絶縁体８は前記容器１内の前記支持部材７
に嵌合されていると共に、前記容器１内の底面に設置さ
れている。なお、図示しない絶縁リングは前記支持部材
７と前記容器１底面の接触部に介在されている。前記支
持部材７は、底部に冷却水供給管９及び側面に冷却水排
出管１０を有し、その内部に水が循環されるようになっ
ている。陽極１１は、前記陰極３と対向するように前記
支持部材７の上部に取付けられると共にその支持部材７
により冷却されるようになっている。

【００１５】金属製のリング状液体窒素槽１２は、前記
陰極３及び前記陽極１１の周囲を囲むように配置されて
いる。液体窒素導入管１３及び液体窒素排出管１４の一
端は前記液体窒素槽１２の上面における前記容器１に対
して点対称の位置にそれぞれ設けられ、かつそれらの他
端は前記容器１の上面を貫通して外部に延出されてい
る。前記液体窒素槽１２の内壁の温度は、前記導入管１
３からの液体窒素の導入及び前記排出管１４からの液体
窒素の排出によりその内部に液体窒素が循環されること
により７７Ｋに保たれている。

【００１６】直流電源１５は、前記円柱型支持部材２及
び前記冷却器を兼ねる円筒型支持部材７に接続されてい
る。前記直流電源１５から前記陰極３及び前記陽極１１
に電圧を印加すると、前記陰極３と前記陽極１１の間に
アークプラズマが発生する。図示しない真空ポンプが連
結された排出管１６及びヘリウムガス導入管１７は前記
容器１の底面に連結されている。

【００１７】前記液体窒素槽１２を形成する金属として
は、例えば銅、アルミニウム等を挙げることができる。
中でも、銅は熱伝導率が大きいため、好ましい。

【００１８】前記陽極１１は、Ｃ₆₀，Ｃ₇₀等を製造する
場合には前述した炭素質物質から形成されるが、他種原
子を内包させたＣ₆₀を製造する場合には前記炭素質物質
と他種原子とを混合させたものから形成される。前記他
種原子としては、例えばＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｌａ，Ｙ，Ｓ
ｃ，Ｒｂ等を挙げることができる。

【００１９】前記陰極３としては、前記炭素質物質の他
に、例えばＷ、Ｃｕ−Ｗ合金などの高融点金属等を用い
ることができる。中でも、前記炭素質物質を用いること
がフラーレン類の生成効率の向上のために好ましい。

【００２０】

【作用】本発明のフラーレン類の製造方法によれば、炭
素質物質から発生した炭素蒸気中の炭素原子を液体窒素
温度で冷却すると、従来法のような冷却過程で使用され
る常温のヘリウムガスに比べておよそ２００Ｋ低く冷却
作用が大きいため、前記炭素原子を雰囲気ガスの圧力に
依存することなく、かつ前記炭素蒸気中の無定形炭素に
衝突させることなく急激に冷却することができる。その
結果、高い生成効率でフラーレン類を製造することがで
きる。

【００２１】更に、前述した方法により他種原子を内包
させたＣ₆₀を製造する場合には、高温状態になった他種
原子を炭素蒸気中の無定形炭素に衝突させることなく急
激に冷却してＣ₆₀結晶構造中に取込むことができるた
め、生成効率を向上することができる。

【００２２】一方、前述した図１に示す本発明のフラー
レン類の製造装置において、陽極１１と陰極３との間に
アークプラズマを発生させ、前記陽極１１の炭素質物質
を気化させると、炭素蒸気が発生して容器１内に拡散す
る。前記陽極１１及び前記陰極３の周囲には液体窒素槽
１２が配置されているため、拡散された炭素蒸気中の炭
素原子は前記炭素蒸気中の無定形炭素に衝突する間もな
くこの液体窒素槽１２の内壁で急激に冷却され、他の冷
却された炭素原子とフラーレン構造として結合する。従
って、前述したような簡単な構造の製造装置によって、
前記容器１内のガス圧力に依存することなく炭素原子を
冷却し、例えば真空状態から大気圧を越える高圧力まで
のアーク放電の可能な広い圧力範囲に亘って高い生成効
率でフラーレン類を製造することができる。

【００２３】また、前述した製造装置に用いられるアー
ク放電は真空中において多量の炭素蒸気を発生させるこ
とができるため、真空状態でのフラーレン類の生成効率
を著しく向上することができる。

【００２４】さらに、前記容器１内を高真空状態にして
宇宙空間状態を作り出すと、宇宙空間では地球上に存在
しない様々な分子が観測されているため、実在が確認さ
れていないドーナツ型フラーレンや、らせん状フラーレ
ンを製造できる可能性がある。

【００２５】また、前記液体窒素槽１２は、前述したよ
うに冷却作用が大きいため、アークプラズマにより加熱
された前記容器１の内壁の冷却も併せて行うことができ
る。

【００２６】

【実施例】次に前述した図１に示すフラーレン類の製造
装置を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

【００２７】実施例１〜７ 前記真空ポンプにより予め真空引きされた容器１内に前
記ヘリウムガス供給手段によりヘリウムガスを充填し、
その圧力を２０Ｔｏｒｒ（０．００２６ＭＰａ），２０
０Ｔｏｒｒ（０．０２６ＭＰａ），４００Ｔｏｒｒ
（０．０５３ＭＰａ），６００Ｔｏｒｒ（０．０７８Ｍ
Ｐａ），７６０Ｔｏｒｒ（０．１ＭＰａ），１１４０Ｔ
ｏｒｒ（０．１５ＭＰａ），１５２０Ｔｏｒｒ（０．２
０ＭＰａ）に設定した。

【００２８】次いで、各圧力下において、前記直流電源
１５によって黒鉛からなり、電極直径が８ｍｍの陰極３
と黒鉛からなり、電極直径が８ｍｍの陽極１１との間に
電圧を印加し、電流値が８０Ａのアークを１０分間連続
して点弧させることにより前記陽極１１から炭素蒸気を
発生させた。これを前記液体窒素槽１２の内壁で急激に
冷却することにより煤として前記液体窒素槽１２の壁面
に付着させた。

【００２９】比較例１〜７ 前記液体窒素槽１２が設けられていない製造装置を用い
た以外、実施例１〜７と同様な方法により容器１の内壁
に煤を付着させた。

【００３０】実施例１〜７及び比較例１〜３の装置によ
り得られた煤の質量を測定した。その結果を下記表１に
示す。各煤をベンゼン溶液に溶解させ、これらの溶液の
変色状況を観察したところ、いずれの煤が溶解されたベ
ンゼン溶液は紫、あるいは茶色に変色した。同様にトル
エン溶液についても観察したところ、いずれの煤が溶解
されたトルエン溶液は茶色に変色した。このことから、
実施例１〜７及び比較例１〜３の煤にはＣ₆₀が存在する
ことが確認された。実施例１〜７及び比較例１〜３の煤
中のＣ₆₀の質量を高速液体クロマトグラフィーによって
測定した。その結果を下記表１に併記する。

【００３１】

【表１】 表１から明らかなように、液体窒素槽を備える製造装置
を用いた実施例１〜７は、２０Ｔｏｒｒ〜１５２０Ｔｏ
ｒｒの広範囲の圧力下でＣ₆₀を多量に製造できることが
わかる。これに対し、液体窒素槽のない製造装置を用
い、容器内のヘリウムガス雰囲気の圧力を２０Ｔｏｒｒ
〜４００Ｔｏｒｒとした比較例１〜３は、Ｃ₆₀は生成す
るもののその生成量が少ないことがわかる。また、容器
内のヘリウムガス雰囲気の圧力が４００Ｔｏｒｒを越え
る比較例４〜７は、Ｃ₆₀が生成しないことがわかる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の製造方法に
よれば、圧力に依存することなく炭素蒸気を冷却するこ
とができ、かつ高い生成効率でフラーレン類を製造する
ことができるという顕著な効果を奏する。

【００３３】また、本発明の製造装置によれば、簡単な
構造で例えば真空状態から大気圧を越える高圧力までの
広い範囲に亘って高い生成効率でフラーレン類を製造す
ることができるという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るフラーレン類の製造装置を示す断
面図。

【符号の説明】

１…密閉容器、３…陰極、１１…陽極、１２…液体窒素
槽。

フロントページの続き (72)発明者 鬼頭 幸生 愛知県名古屋市天白区天白町八事裏山67 −163 (56)参考文献 特開 平５−4810（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−183712（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−211510（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−97204（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体窒素温度で冷却された雰囲気中で炭
   素質物質をアーク放電させて炭素蒸気を発生させ、この
   炭素蒸気を前記雰囲気下で冷却することを特徴とするフ
   ラーレン類の製造方法。
2. 【請求項２】 金属製の密閉容器と、 前記容器内に配置された炭素質の陽極と、 前記容器内に前記陽極と対向するように配置された陰極
   と、 前記容器内に前記陽極及び陰極の周囲に位置するように
   配置され、内部を液体窒素が循環されている金属製の液
   体窒素槽とを具備したことを特徴とするフラーレン類の
   製造装置。