JP3409126B2 - 金属ナノワイヤー及び金属ナノパーティクル - Google Patents
金属ナノワイヤー及び金属ナノパーティクルInfo
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Description
ー、金属ナノパーティクル及びそれらの製造法に関す
る。
やカーボンナノチューブのテンプレートとして使用され
ることが知られている。従来、金属ナノワイヤーは、カ
ーボンナノチューブ内、シリカの細溝内、フィルム上で
製造されるため、必然的に、カーボンナノチューブ、シ
リカ、フィルムを鋳型とした形態のナノワイヤーしか製
造できなかった。例えば、AgNO3を含有するEtO
H−H2O溶液中に、ナノスケールの溝を有するシリカ
の粉末を懸濁、撹拌し、熱処理をすることにより銀ナノ
ワイヤーが得られるが、このワイヤーの形態はシリカの
有する溝の形態に依存していた。また、微細加工技術を
利用した金ナノワイヤーも知られているが、ナノ単位の
金を加工するには加工条件の設定が難しく、本発明のよ
うに容易にナノワイヤーを製造することが困難である。
微細加工技術を使用することなく、金属ナノワイヤー、
金属ナノパーティクル及びそれらの製造法を提供するこ
とを目的とする。
術の問題点に鑑み鋭意検討を重ねた結果、金属イオン担
持体に電子線を照射することにより、鋳型を必要とする
ことなく、金属ナノワイヤー及び金属ナノパーティクル
が得られることを見出した。
ヤー、金属ナノパーティクル及びそれらの製造法を提供
するものである。 項1.一端が担持体で支持された金属ナノワイヤー。 項2.金属ナノワイヤーが銀ナノワイヤーである項1に
記載のナノワイヤー。 項3.金属イオン担持体に電子線を照射する、金属ナノ
ワイヤー及び/又は金属ナノパーティクルの製造法。 項4.銀イオン担持体に電子線を照射して銀ナノワイヤ
ー及び/又は銀ナノパーティクルを製造する項3に記載
の製造法。 項5.銀イオン担持体が、一般式〔1〕: AgaBcDeSifPgOh 〔1〕 [Bは、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、
銅、亜鉛、水素およびアンモニウムから選ばれる少なく
とも1種であり、Dは、3〜5価の金属イオンになりう
る金属元素のうちから選択される少なくとも1種であ
る。また式中の添字は、0<a、0≦c、1<a+c≦
4、1≦e≦2、0≦f≦3、0≦g<3、10≦h≦
15を満たす数である。]で示される化合物である項4
に記載の製造法。
電子線を照射することにより、金属ナノワイヤー及び金
属ナノパーティクルを製造する。その作用機序は、金属
イオン担持体に担持された金属イオンが電子線の照射に
より還元されて金属になり、その金属が担持体から外界
に出て伸長することによって、金属ナノワイヤー及び/
又は金属ナノパーティクルが生成するものと推測される
が、本発明はこの推測に限定されるものではない。
限されないが、銀、パラジウム、ニッケル、金等が挙げ
られる。
体によって支持されたナノワイヤーである。電子線照射
によりナノワイヤーが伸長する際に、ナノワイヤーが担
持体に接触することがあるが、この接触は前記「支持さ
れた」に該当しない。
方法によって、ワイヤー部分と担持体部分とに分離され
得る。分離方法としては、例えば、比重を利用する方法
(遠心分離等)、振動を与えるなどの物理的な分離方法
などが挙げられる。
強度、照射角度、金属イオン担持体の形状(細孔構造、
結晶構造等)や組成を適宜組み合わせることにより制御
可能である。
を担体に担持させたものをいう。
あり、必要に応じて、担持体合成時に予め金属イオンを
担持させてもよい。
ヤーやパーティクルとして成長する際に、ワイヤーやパ
ーティクルの支持体としての役割を果たすものである。
担持体としては、例えば、NASICON型構造を有す
る化合物などが挙げられる。
持体、パラジウムイオン担持体、ニッケルイオン担持
体、金イオン担持体等である。さらに好ましいのは、一
般式〔1〕: AgaBcDeSifPgOh 〔1〕 [Bは、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、
銅、亜鉛、水素およびアンモニウムから選ばれる少なく
とも1種であり、Dは、3〜5価の金属イオンになりう
る金属元素のうちから選択される少なくとも1種であ
る。また式中の添字は、0<a、0≦c、1<a+c≦
4、1≦e≦2、0≦f≦3、0≦g<3、10≦h≦
15を満たす数である。]で示される化合物等である。
る。好ましいaは、一般式〔1〕で示される化合物中の
Agの含有率が0.36モル%以上となる値である。
リ金属元素、アルカリ土類金属元素、銅、亜鉛、水素お
よびアンモニウムから選ばれる少なくとも1種である。
例えば、リチウム、ナトリウムおよびカリウム等のアル
カリ金属元素、マグネシウムまたはカルシウム等のアル
カリ土類金属元素、銅、亜鉛がある。これらの中では、
化合物の安定性および安価に入手できる点から、銅、亜
鉛、リチウム、ナトリウム、カリウム、水素およびアン
モニウムが好ましい。
4であるが、好ましくは1.5≦a+c≦4であり、よ
り好ましくは2≦a+c≦4である。
価の金属イオンになりうる金属元素からなる群から選択
される少なくとも1種の金属元素であり、2種以上の金
属元素を使用するときは、各金属元素の合計量がe(1
≦e≦2)となるよう適宜組み合わせて使用することが
できる。3価金属元素としてはクロム、アルミニウム、
鉄等が、4価金属元素としてはチタン、ジルコニウム、
ゲルマニウム、錫、ハフニウム等が、5価金属元素とし
てはニオブ、タンタル等が挙げられる。好ましい具体例
には、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、錫、ニオ
ブ等が挙げられ、化合物の安全性を考慮すると、鉄、ジ
ルコニウムまたはチタンが特に好ましい。
あるが、好ましくはe=2である。
あるが、好ましくは0.5≦f≦3であり、より好まし
くは1≦f≦2.5である。
あるが、好ましくは0<g≦2.5であり、より好まし
くは0.5≦g≦2である。
g、B、D、SiおよびPの量に応じて適宜決まる。好
ましくは10≦h≦15であり、より好ましくは11≦
h≦13である。
ン担持体に電子を供給できるものであれば特に制限され
ない。例としては、電子銃が挙げられる。電子銃として
は、熱電子銃、電界放射型電子銃をはじめとして種々の
型の電子銃が使用できる。好ましいのは、熱電子銃及び
電界放射型電子銃である。
に応じて、電子レンズ、偏向電極又は偏向電磁石、エネ
ルギーをそろえるための速度選別器を通過させたのちに
標的に衝突させる。加速電圧は、真空度にも左右される
が、1kV以上である。好ましくは5kV以上であり、
さらに好ましくは30〜300kVである。また、真空
度は、加速電圧にも左右されるが、1×10-4Pa以上
である。好ましくは1×10-6〜5×10-5Paであ
り、さらに好ましくは1×10-6〜2×10-5Paであ
る。
ては、電子顕微鏡、X線マイクロアナライザー(EPM
A)、光電子分光装置(ESCA)、サイクロトロンな
どが使用できる。好ましくは、電子顕微鏡である。これ
らの装置を使用する場合にも上述の加速電圧及び真空度
が適用されることが好ましい。電子顕微鏡としては、透
過型電子顕微鏡(TEM)、走査型電子顕微鏡(SE
M)、走査型透過電子顕微鏡(STEM)などが使用で
きる。好ましいのは、透過型電子顕微鏡である。
表面に亀裂を生じ、その亀裂から金属ナノワイヤー及び
/又は金属ナノパーティクルが伸長する。電子線の照射
条件や金属イオン担持体の組成等を調節することによ
り、金属ナノワイヤーと金属ナノパーティクルの両者を
同時に製造することもできるし、別々に製造することも
できる。例えば、銀イオン担持体に電子線を照射した場
合、銀イオン担持体中に含まれる銀イオン含有量が0.
36モル%以上だと銀ナノワイヤーの製造に有利であ
り、0.36モル%未満だと銀ナノパーティクルの製造
に有利となる。
は、10以上であり、好ましくは、100〜10000
0である。
500nm、好ましくは5〜50nmである。また、金
属ナノワイヤーの長さは、金属イオン担持体中に含まれ
る金属イオンの含有量及び電子線を照射する条件(照射
時間、加速電圧、真空度等)により調整可能である。好
ましくは、20nm〜1mm、さらに好ましくは50n
m〜0.5mmである。
2〜100nm、好ましくは5〜80nmである。
ーティクルは、その大きな表面積、電気伝導率及び熱伝
導率を利用することにより、様々な分野で使用できる。
例えば、電子デバイス材料、触媒、カーボンナノチュー
ブのテンプレート、合金材料、などに使用できる。好ま
しくは、触媒、電子デバイス材料などに使用できる。
する方法には、固相法、湿式法および水熱法等があり、
特に限定されるものではないが、例えば以下のようにし
て容易に得ることができる。
元素またはアルカリ土類金属元素を含有する化合物、ケ
イ素を含有する化合物、3〜5価の金属イオンになりう
る金属元素を含有する化合物およびリン酸を含有する化
合物を適当な混合比で混合し、これを1000〜130
0℃で焼成することにより、下記一般式〔2〕で示され
る化合物を製造する。
素からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、D、
a、c、e、f、gおよびhは、上記のとおりであ
る。] 固相法による上記一般式〔2〕の化合物の製造におい
て、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を含
有する化合物としては、アルカリ金属またはアルカリ土
類金属炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物、硝酸塩、窒化物
等が例示される。好ましくは炭酸塩、炭酸水素塩および
硝酸塩であり、より好ましいのは炭酸ナトリウム、炭酸
カリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸
塩類、および硝酸ナトリウムである。
製造において、ケイ素を含有する化合物としては、二酸
化ケイ素、ケイ酸塩等が例示される。好ましくは二酸化
ケイ素、ケイ酸ナトリウム、コロイダルシリカであり、
より好ましくは二酸化ケイ素である。
製造において、3〜5価の金属イオンになりうる金属元
素を含有する化合物としては、3〜5価の金属酸化物、
金属水酸化物、炭酸塩等が例示される。好ましくは酸化
ジルコニウム、酸化チタン、酸化錫、含水酸化ジルコニ
ウム、含水酸化チタン、酸化ニオブ、酸化クロム、硝酸
クロム、酸化アルミニウム等であり、より好ましくは酸
化ジルコニウム、酸化チタンである。
製造において、リン酸を含有する化合物としては、リン
酸塩、リン酸水素塩等が例示される。好ましくはリン酸
ナトリウム、リン酸ジルコニウム、リン酸チタン、リン
酸カリウム、リン酸水素ナトリウム、リン酸水素カリウ
ム、リン酸水素アンモニウム等であり、より好ましくは
リン酸ナトリウム、リン酸ジルコニウム、リン酸チタ
ン、リン酸水素アンモニウムである。
属元素またはアルカリ土類金属元素を含有する化合物、
ケイ素を含有する化合物、3〜5価の金属イオンになり
うる金属元素を含有する化合物およびリン酸を含有する
化合物を適当な混合比で混合し、混合物と水を耐圧容器
に封入し、好ましくは300℃にて10〜30時間、好
ましくは20時間水熱条件下で反応させることにより上
記一般式〔2〕で示される化合物を得ることができる。
製造において、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金
属元素を含有する化合物としては、アルカリ金属または
アルカリ土類金属水酸化物、炭酸塩、炭酸水素塩、硝酸
塩等が例示される。好ましくは炭酸塩および硝酸塩であ
り、より好ましいのはケイ酸ナトリウム、炭酸ナトリウ
ム、硝酸ナトリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウ
ム等である。
製造において、ケイ素を含有する化合物としては、ケイ
酸塩類、二酸化ケイ素等が例示される。好ましくはケイ
酸ナトリウム、コロイダルシリカであり、より好ましく
はケイ酸ナトリウムである。
製造において、3〜5価の金属イオンになりうる金属元
素を含有する化合物としては、3〜5価の金属塩類、リ
ン酸塩類、塩化物、硝酸塩等が例示される。好ましくは
リン酸ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、塩化チ
タン、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化錫、
塩化タンタル等であり、より好ましくはα型−リン酸ジ
ルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、塩化チタンであ
る。
製造において、リン酸を含有する化合物としては、リン
酸、リン酸塩類、リン酸水素塩等が例示される。好まし
くはリン酸ジルコニウム、リン酸チタン、リン酸ナトリ
ウムであり、より好ましくはリン酸ジルコニウム、リン
酸ナトリウムである。
の化合物の製造において、これら化合物の混合比は、目
的とする一般式〔2〕の化合物に従い適宜選択される。
例えば、固相法において、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、
二酸化ケイ素(SiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)およ
びα型−リン酸ジルコニウム(Zr(HPO4)2・H2O)を、
1.25:1.5:1.25:0.75のモル比となる
よう混合し、これを1000〜1300℃で焼成するこ
とにより、好ましくは室温から徐々に加温し1000〜
1300℃で焼成することにより、下記一般式〔3〕の
化合物を得ることができる。
る化合物を、室温〜100℃の温度条件下、所定の酸濃
度、例えば0.1〜3Nに調整した酸性溶液で、例えば
2〜7日間処理し、プロトン型化合物とした後、続いて
所定の銀イオン濃度、例えば0.1〜3Nに調整した銀
イオン含有水溶液に例えば2〜7日間浸漬して、イオン
交換することにより、一般式〔1〕で示される化合物を
得ることができる。この際用いる酸性溶液としては、塩
酸、硝酸等が挙げられ、より好ましくは塩酸が挙げられ
る。また、銀イオン含有水溶液としては硝酸銀水溶液が
好適である。
られた一般式〔2〕で示される化合物の酸性溶液処理を
省略し、当該化合物を銀イオン含有水溶液に浸漬するこ
とによっても一般式〔1〕で示される化合物を得ること
ができる。
イオン濃度、例えば0.1〜3N程度に調整した銅イオ
ン含有水溶液に添加し、1〜10時間程度撹拌すること
で銅イオンを担持した後、引き続き0.01〜3N程度
に調整した銀イオン含有水溶液中で1〜10時間程度撹
拌処理することで、銀・銅型の一般式〔1〕で示される
化合物を得ることができる。この際用いる銅イオン含有
水溶液としては、硝酸銅、塩化銅等が上げられ、銀イオ
ン含有水溶液としては硝酸銀水溶液が好適である。
ン含有水溶液、鉄イオン含有水溶液等を適宜用いること
により、亜鉛型、銀・亜鉛型、鉄型または銀・鉄型の一
般式〔1〕で示される化合物を調整する際にも適用が可
能であり、この際用いる亜鉛イオン含有水溶液として
は、塩化亜鉛、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛等が挙げられ、鉄イ
オン含有水溶液としては、硝酸鉄、塩化第二鉄等が挙げ
られる。
とにより、鋳型または微細加工技術を用いずに、金属ナ
ノワイヤー及び/又は金属ナノパーティクルを製造する
ことが可能となる。
液中に、オキシ塩化ジルコニウム(ZrOCl2・8H2O)と、
ケイ酸ナトリウム(Na2O・3SiO2)及び水酸化ナトリウ
ム(NaOH)混合液とを、Zr:Si:P=2:1.5:
1.5となるモル比で同時滴下を行い、生じた反応物を
水洗、乾燥させた後、1200℃で焼成することによ
り、Na2.5 Zr2 Si1.5 P1.5 O12で表されるナト
リウム型の試料(以下、NCC-Naと称する)を得た。
化を行った。即ち、3gのNCC-Naと1000mlの1N−HCl
とを混合し、室温で3時間撹拌した。撹拌後、ろ過、洗
浄、乾燥により、H2.5 Zr2 Si1.5 P1.5 O12で表
されるプロトン型の試料(以下、NCC-Hと称する)を得
た。
銀溶液300mlに添加し、室温で3時間撹拌した。撹拌
後、ろ過、洗浄、乾燥により、Ag2.3 Na0.2 Zr2
Si1.5P1.5 O12で表される銀型の試料を得た。銀イ
オンは、原子吸光分光光度法により定量し、銀イオンの
初期濃度とイオン交換後の平衡濃度との差から、担持体
1g当たりの銀イオン交換量として算出した。
P1.5 O12で表されるプロトン型の試料)を得た。
に添加し、室温で3時間撹拌した後、1.0μmメンブラ
ンフィルターを用いて、ろ過、水洗、乾燥を経て、銅担
持試料を調製した。
水溶液200ml中に添加し、室温で30分間撹拌した後、
1.0μmメンブランフィルターを用いて、ろ過、水洗、
乾燥を経て、Ag0.587 Cu0.141H1.772 Zr2 Si
1.5 P1.5 O12で表される銀・銅型の試料を得た。
P1.5 O12で表されるプロトン型の試料)を得た。
ml中に添加し、室温で3時間撹拌した後、1.0μmメン
ブランフィルターを用いて、ろ過、水洗、乾燥を経て、
鉄担持試料を調製した。
水溶液200ml中に添加し、室温で30分間撹拌した後、
1.0μmメンブランフィルターを用いて、ろ過、水洗、
乾燥を経て、Ag0.688 Fe1.276H0.536 Zr2 Si
1.5 P1.5 O12で表される銀・鉄型の試料を得た。
試料(Ag含有量:3.20mmol/g)に、下記の
条件で電子線を照射し、銀ナノワイヤーを得た(図
1)。得られた銀ナノワイヤーの直径は約50nm、長
さは約10μmであった。 加速電圧:300kV 真空度:1〜3×10-5Pa 照射時間:約10秒 実施例2 実施例1で得られた銀ナノワイヤー部分及び担持体部分
の定量分析を行った。定量分析には、透過型電子顕微鏡
に取り付けられたエネルギー分散型X線分光器を用い
た。定量分析の結果、銀ナノワイヤー中のAg含有量は
99.35モル%であり、担持体中のAg含有量は6.
69モル%であった。
試料(Ag含有量:3.20mmol/g)に、下記の
条件で電子線を照射し、銀ナノワイヤーを得た(図
2)。得られた銀ナノワイヤーの直径は約10nm、長
さは約1μmであった。 加速電圧:5kV 真空度:1×10-5Pa 照射時間:約30秒 実施例4 走査型電子顕微鏡を用いて、製造例で得られた銀型の化
合物(Ag含有量:3.20mmol/g)に、下記の
条件で電子線を照射し、銀ナノワイヤー及び銀ナノパー
ティクルを得た(図3及び図4)。得られた銀ナノワイ
ヤーの直径は約40nm、長さは約50μmであった。
また、得られた銀ナノパーティクルの粒径は5〜80n
mであった。 加速電圧:30kV 真空度:1×10-5Pa 照射時間:約30秒
を示す電子顕微鏡写真である。
を示す電子顕微鏡写真である。
を示す電子顕微鏡写真である。
持体を示す電子顕微鏡写真である。
Claims (5)
- 【請求項1】金属イオン担持体に電子線を照射し、該金
属イオン担持体に担持された金属イオンが電子線の照射
により還元されて金属になり、金属ナノワイヤー及び/
又は金属ナノパーティクルを形成することを特徴とす
る、金属ナノワイヤー及び/又は金属ナノパーティクル
の製造法。 - 【請求項2】銀イオン担持体に電子線を照射して銀ナノ
ワイヤー及び/又は銀ナノパーティクルを製造する請求
項1に記載の製造法。 - 【請求項3】銀イオン担持体が、一般式〔1〕: AgaBcDeSifPgOh 〔1〕 [Bは、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、
銅、亜鉛、水素およびアンモニウムから選ばれる少なく
とも1種であり、Dは、3〜5価の金属イオンになりう
る金属元素のうちから選択される少なくとも1種であ
る。また式中の添字は、0<a、0≦c、1<a+c≦
4、1≦e≦2、0≦f≦3、0≦g<3、10≦h≦
15を満たす数である。]で示される化合物である請求
項2に記載の製造法。 - 【請求項4】請求項1に記載の製造法により製造された
金属ナノワイヤー。 - 【請求項5】請求項2又は3に記載の製造法により製造
された銀ナノワイヤー。
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