JP3044280B2 - 超微細カーボンチューブの合成方法及びそれに用いる触媒 - Google Patents

超微細カーボンチューブの合成方法及びそれに用いる触媒

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JP3044280B2 JP10267318A JP26731898A JP3044280B2 JP 3044280 B2 JP3044280 B2 JP 3044280B2 JP 10267318 A JP10267318 A JP 10267318A JP 26731898 A JP26731898 A JP 26731898A JP 3044280 B2 JP3044280 B2 JP 3044280B2
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哲 大嶋
守雄 湯村
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文和 伊ヶ崎
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富士夫 水上
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工業技術院長
哲 大嶋
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富士夫 水上
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、カーボンナノチュ
ーブ等と呼ばれている超微細カーボンチューブの製造方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】超微細カーボンチューブは黒鉛等のアー
ク放電により生成する陰極堆積物中に存在することが知
られており、回転陰極法などアーク放電による製造方法
が開発されている。また、鉄、コバルト及びニッケルを
触媒とする気相成長法によるカーボンナノチューブの製
造方法も開発されている。しかしながら、アーク法は温
度のコントロールが困難であるため不純物のグラファイ
ト等からなる超微粒子を多量に含む。しかも、その製造
能力は陰極のグラファイトの単位断面積当たりの消費電
力と相関されるため、大型化が困難であり、単位時間当
たりの生産量は少ない。一方、気相成長法での生産量
は、反応容器の大きさと触媒量及び原料の供給量で決ま
るため、超微細カーボンチューブの大量製造方法として
優れている。気相成長法による製造方法の重要な因子は
触媒であり、より有効な触媒の開発を目指して多くの研
究が行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記した従
来の気相成長法による超微細カーボンチューブの製造方
法において、低温で超微細カーボンチューブを高収率化
で合成する方法及びそれに用いる触媒を提供することを
その課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成する
に至った。即ち、本発明によれば、多孔性無機担体と該
担体に担持された金属触媒上において、シアヌル酸、イ
ソシアヌル酸及びそれらの誘導体の中から選ばれる少な
くとも1種の熱分解促進剤の存在下で炭化水素を熱分解
させることを特徴とする超微細カーボンチューブの合成
方法が提供される。また、本発明によれば、金属含有物
からなる触媒を含有する炭化水素油をシアヌル酸、イソ
シアヌル酸及びそれらの誘導体の中から選ばれる少なく
とも1種の熱分解促進剤の存在下で高温に保持された反
応器内に噴出させ、該炭化水素を分解させることを特徴
とする超微細カーボンチューブの製造方法が提供され
る。さらに、本発明によれば、炭化水素を熱分解して超
微細カーボンチューブを合成する際に用いる触媒であっ
て、(i)多孔性無機担体と(ii)金属と(iii)シアヌル酸、
イソシアヌル酸及びそれらの誘導体の中から選ばれる少
なくとも1種の熱分解促進剤とからなり、該金属及び熱
分解促進剤は該担体に担持されていることを特徴とする
前記触媒が提供される。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明の方法は、多孔性無機担体
と該担体に担持された金属とからなる触媒上において、
シアヌル酸、イソシアヌル酸及びそれらの誘導体の中か
ら選ばれる少なくとも1種の熱分解促進剤の存在下で炭
化水素を熱分解することによって実施される。この場
合、炭化水素としては、ベンゼン、トルエン、キシレ
ン、ナフタレン等の芳香族炭化水素が挙げられるが、好
ましくはベンゼンが用いられる。また、脂肪族系炭化水
素、例えば、ナフサや軽油等であってもよい。
【0006】前記シアヌル酸誘導体には、シアヌル酸骨
格を有するもので、その少なくとも1つの水酸基の水素
原子が他の基で置換されている構造のものが包含され
る。このようなものとしては、シアヌル酸アミドやシア
ヌル酸エステル等が挙げられる。シアヌル酸アミドに
は、モノアミド、ジアミド及びトリアミドが包含され
る。シアヌル酸エステルには、モノエステル、ジエステ
ル及びトリエステルが包含される。また、これらのエス
テルは、メチルエステル、エチルエステル、フェニルエ
ステル等の脂肪族系及び芳香族系エステルであることが
できる。
【0007】前記イソシアヌル酸誘導体には、イソシア
ヌル酸骨格を有するもので、窒素原子に結合する少なく
とも1つの水素原子が他の基で置換されている構造のも
のが包含される。このようなものとしては、イソシアヌ
ル酸エステル等が挙げられる。イソシアヌル酸エステル
には、モノエステル、ジエステル及びトリエステルが包
含される。また、これらのエステルは、メチルエステ
ル、エチルエステル、フェニルエステル等の脂肪族系及
び芳香族系エステルであることができる。
【0008】前記金属としては、炭素化活性を有するも
のが用いられる。このようなものとしては、コバルト、
モリブデン、ニッケル等が挙げられるが、好ましくはコ
バルトが用いられる。
【0009】前記多孔質無機担体としては、従来公知の
各種のものが用いられる。このようなものには、アルミ
ナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、シリ
カ−アルミナ、シリカ−マグネシア、アルミナ−チタニ
ア、ゼオライト、セピオライト等が包含される。
【0010】前記熱分解促進剤は、原料炭化水素に混入
して用いることもできるが、あらかじめ担体に担持させ
て用いるのが好ましい。この熱分解促進剤は、炭化水素
の熱分解反応のイニシエータとして作用し、その熱分解
反応温度を大幅に低下させる。反応温度は、前記分解促
進剤が熱分解する温度であればよく、通常、400℃以
上である。反応温度としては、通常、400〜1000
℃、好ましくは420〜600℃程度の温度が用いられ
る。
【0011】本発明の触媒を好ましく製造するには、コ
バルト等の金属化合物(例えば、カルボン酸塩、キレー
ト化合物、水酸化物等)の水溶液又は有機溶媒溶液を担
体に含浸させた後、乾燥した後、水素雰囲気下で300
〜600℃、好ましくは350〜500℃で加熱する。
これにより担体上に金属が担持された触媒が得られる。
この場合の金属の担持量は、担体に対して、1重量%以
上、好ましくは5重量%以上、より好ましくは10重量
%以上であり、その上限値は、特に制約されないが、3
0重量%程度である。次に、この金属を含有する担体に
分解促進剤を含浸させる。シアヌル酸の含浸量は特に制
約されないが、5重量%以上、好ましくは10重量%以
上、より好ましくは20重量%以上である。その上限値
は特に制約されないが、通常、50重量%程度である。
【0012】前記金属含有担体は、脱硫触媒として販売
されている各種の金属含有触媒を、水素処理し、担体上
の触媒金属酸化物を金属状態に還元することによっても
得ることができる。本発明触媒の形状は、特に制約され
ず、各種の形状であることができる。このような触媒形
状としては、粉体状、ペレット状、球状、板体状等の形
状を挙げることができる。
【0013】本発明の方法を好ましく実施するには、触
媒を含む反応器内において、原料炭化水素を高温で分解
して触媒上に超微細カーボンチューブを堆積する炭化水
素熱分解工程と、反応器から超微細カーボンチューブが
堆積した触媒を排出する触媒排出工程からなる一連の工
程で実施するのが好ましい。本発明をこのような工程で
実施するときには、超微細カーボンチューブの連続的生
産が可能となる。このような方法の実施に適した触媒床
としては、移動床や流動床、固定床等が挙げられる。移
動床の場合には、触媒は、反応を継続させながら反応器
から抜出すことができる。流動床や固定床の場合には、
反応をいったん停止した後、反応器から抜出すことがで
きる。これらの触媒床に用いられる触媒の寸法は、その
最も大きい長さ(長軸の長さ)で、1〜20mmであ
る。
【0014】本発明を実施する場合の他の好ましい態様
は、触媒を含む炭化水素油を、高温に加熱した反応器内
に噴出して、その炭化水素を触媒上で分解する方法であ
る。この方法によれば、チューブの堆積した触媒が反応
器の底部や壁部に付着する。反応終了後、この触媒を反
応器内から取り出すことにより回収することができる。
この方法において用いる触媒は、炭化水素油に溶解又は
分散し得るものであればどのようなものでもよい。この
ようなものとしては、平均粒径が5〜50nmの金属粒
子や、平均粒径が5〜100μmの金属含有無機物、油
溶性金属キレート化合物等が挙げられる。
【0015】触媒からそれに堆積した超微細カーボンチ
ューブの分離は、化学的方法、物理的方法あるいはそれ
らの結合法により行うことができる。このような方法と
しては、金属は硝酸等の酸に溶解するのに対し、超微細
カーボンチューブは酸に非溶解性であることを利用し
て、触媒として金属を用い、超微細カーボンチューブの
堆積した触媒を酸と接触させてその金属のみを溶出する
方法を示すことができる。また、他の方法として、触媒
に振動等の外力を加えて触媒上に堆積する超微細カーボ
ンチューブを剥離させる方法や、この方法において、触
媒からの超微細カーボンチューブの剥離を容易するため
に、あらかじめ、触媒に加熱と冷却のヒートサイクルを
付加したり、触媒を硝酸等の酸と接触させた後、外力を
付加する方法等を挙げることができる。
【0016】
【実施例】次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明
する。
【0017】実施例1 市販触媒であるアルミナに担持したコバルト触媒を水素
還元した後、これにシアヌル酸を含浸させて触媒を作っ
た。次に、この触媒をアルミナ皿に乗せて反応容器にセ
ットした。この場合の反応容器としては、石英管(内径
24mm、長さ100mm)を用い、その両端には水冷
ジャケットを接続し、また、その前端にはガス導入管及
びその後端にはガス排出管を接続した。次に、この反応
管を約400℃で加熱するとともに、ベンゼン/窒素混
合物を流通させて熱分解した。反応を停止し、触媒を取
出してその表面をSEMで観察したところ、カーボンナ
ノチューブが確認された。
【0018】実施例2 実施例1に示した反応容器を縦にして、その反応容器内
に、コバルト含有有機物であるコバルトアセチルアセト
ネート1gとシアヌル酸0.5gをベンゼン1Lに溶か
した溶液を予め1450℃に設定されたその反応器に1
cc/分の送入速度で供給した。約10分後に排気管か
らススが流出し始めたので反応を中止し、反応管を冷却
した。反応器を開放してみると反応器壁に多量のスス状
の生成物が蓄積していた。回収した生成物を走査型電子
顕微鏡(SEM)で観察したところ、カーボンナノチュ
ーブが確認された。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、高品質の超微細カーボ
ンチューブを収率よく製造することができ、その産業的
意義は多大である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 597045550 栗木 安則 茨城県つくば市並木2−142−102 (73)特許権者 599028696 丹羽 修一 茨城県つくば市小野崎945−8 (73)特許権者 599028700 水上 富士夫 茨城県牛久市刈谷5−8−21 (73)特許権者 599028711 鳥羽 誠 茨城県つくば市並木2−115−102 (74)上記8名の代理人 100074505 弁理士 池浦 敏明 (72)発明者 大嶋 哲 茨城県我孫子市並木5−2−17 (72)発明者 湯村 守雄 茨城県つくば市竹園3−411−4 (72)発明者 内田 邦夫 茨城県つくば市吾妻2−805−1207 (72)発明者 伊ヶ崎 文和 茨城県つくば市松代5−629−2 (72)発明者 栗木 安則 茨城県つくば市並木2−142−102 (72)発明者 丹波 修一 茨城県つくば市小野崎945−8 (72)発明者 水上 富士夫 茨城県牛久市刈谷5−8−21 (72)発明者 鳥羽 誠 茨城県つくば市並木2−115−102 審査官 安齋 美佐子 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 31/02 101 CA(STN)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多孔性無機担体と該担体に担持された金
    属触媒上において、シアヌル酸、イソシアヌル酸及びそ
    れらの誘導体の中から選ばれる少なくとも1種の熱分解
    促進剤の存在下で炭化水素を熱分解させることを特徴と
    する超微細カーボンチューブの合成方法。
  2. 【請求項2】 該炭化水素がベンゼンである請求項1の
    方法。
  3. 【請求項3】 該熱分解促進剤が、金属とともに多孔質
    無機物担体に担持されている請求項1又は2の方法。
  4. 【請求項4】 金属含有物からなる触媒を含有する炭化
    水素油をシアヌル酸、イソシアヌル酸及びそれらの誘導
    体の中から選ばれる少なくとも1種の熱分解促進剤の存
    在下で高温に保持された反応器内に噴出させ、該炭化水
    素を分解させることを特徴とする超微細カーボンチュー
    ブの製造方法。
  5. 【請求項5】 炭化水素を熱分解して超微細カーボンチ
    ューブを合成する際に用いる触媒であって、(i)多孔性
    無機担体と(ii)金属と(iii)シアヌル酸、イソシアヌル
    酸及びそれらの誘導体の中から選ばれる少なくとも1種
    の熱分解促進剤とからなり、該金属及び熱分解促進剤は
    該担体に担持されていることを特徴とする前記触媒。
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