JP3735669B2 - Winding carbon nanotube and method for producing the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な構造を有するカーボンナノチューブとその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、カーボンナノチューブの製造方法としては、カーボン材料に対しアーク放電を行う方法、カーボン材料に対しレーザー照射を行う方法、金属微粒子を触媒として炭化水素ガスをCVDにより分解する方法などが知られている。これらの方法においては、いずれも昇華或いは熱分解によって解離もしくは生成した炭素原子がナノチューブ状に再構成されることにより、カーボンナノチューブが製造されている。
【0003】
従来のカーボンナノチューブの製造方法は、炭素原子の再構成現象を利用しているため、カーボンナノチューブの直径、長さ、形状などは、合成装置、合成条件などの多くの変動要因に依存して定まる。従って、その直径、長さ、形状などを予め設計し或いは構造制御することは非常に困難であり、限定された直径、長さ、形状などを有する製品を経験則に基づいて製造しているのが現状である。
【0004】
本発明者は、先に、「アルカリ金属-黒鉛層間化合物の黒鉛層間に不飽和炭化水素を導入し、アルカリ金属を触媒として不飽和炭化水素の重合を行った後、得られた黒鉛-高分子複合体を熱処理することを特徴とする黒鉛材料の製造方法」を提案した(特許文献1)。しかしながら、この方法により得られた無機-有機複合体中には、高分子が残存しており、かつ黒鉛材料に由来するグラフェンの一部が巻回するにとどまっており、カーボンナノチューブと見なしうる炭素材料の生成には至っていない。
【0005】
【特許文献1】
特開平11-70612号公報
【0006】
【本発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、カーボンナノチューブの設計および構造制御を簡便に行うことができるカーボンナノチューブの製造技術を提供することを主な目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の目的を達成するために研究を進めた結果、炭素原子が平面配列した単原子層(グラフェン)が積層した構造をとっている黒鉛の層間において、不飽和炭化水素を重合させた後、生成した高分子を溶媒により除去するという簡便な化学的手法により、新規な構造を有するカーボンナノチューブを製造することに成功した。
【0008】
すなわち、本発明は、下記の下記のカーボンナノチューブおよびその製造方法を提供するものである:
1.一層のグラフェンが巻回した構造を有する巻回型カーボンナノチューブ。
2.(1)黒鉛材料の黒鉛層間にアルカリ金属をインターカレートさせて黒鉛層間化合物を形成させる工程、
(2)工程(1)で得られた黒鉛層間化合物の黒鉛層間に不飽和炭化水素を導入し、アルカリ金属を触媒とし、不飽和炭化水素を重合させて高分子を形成させる工程、および
(3)工程(2)で形成された高分子を含む黒鉛材料を溶媒に浸漬し、高分子を溶解除去することにより、巻回した単層のグラフェンからなるカーボンナノチューブを形成させる工程
を備えたことを特徴とする巻回型カーボンナノチューブの製造方法。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明においては、公知の手法により(例えば、前記特許文献1参照)、まず黒鉛材料の黒鉛層間にアルカリ金属をインターカレートさせて、黒鉛層間化合物(Graphite Intercalation Compound:以下“GIC”という)を形成させる(図1参照)。この様なGICは、インターカレートさせたアルカリ金属が、例えばカリウムである場合には、カリウム-GIC(あるいはK-GIC)と呼ばれる(図1参照)。他のアルカリ金属をインターカレートさせる場合にも、それぞれの金属について、同様に呼ばれる。或いは、別の観点から、特にインターカレートされたアルカリ金属の種類とその存在量とに着目して、例えば、KC8、KC24、KC36などと呼ばれることもある。本発明で使用するGICにおいては、アルカリ金属の種類とその存在量には、特に制限はないが、以下においては、記述を簡略化するために、“KC8”をもって、アルカリ金属-GICを代表させる。
【0010】
次いで、得られたKC8に対し、減圧下に易重合性の不飽和炭化水素(重合開始剤の存在下に、常温=約25℃、1気圧以下という穏和な条件下に反応する不飽和炭化水素を意味する;例えば、常温大気圧下で液体のスチレン、イソプレンなど、常温大気圧下で液体の1,3-ブタジエンなどが挙げられる)を接触させて、前者の黒鉛層間に不飽和炭化水素を導入する。易重合性の不飽和炭化水素の種類、導入量などにも、有機溶媒により溶解除去できる重合体が形成される限り、特に制限はない。以下においては、記述を簡略化するために、KC8とスチレンとの組み合わせをもって代表させるが、本発明においては、他のアルカリ金属と他の不飽和炭化水素の組み合わせも使用可能であることは言うまでもない。
【0011】
この黒鉛層間への不飽和炭化水素の導入およびその重合は、前述の特許文献1に開示されている手法と同様にして行うことが出来る。例えば、KC8を収容する減圧容器(通常、P≦10-2Torr、より好ましくはP≦10-3Torr)にスチレンモノマーを導入する場合には、KC8の黒鉛層間にスチレンモノマーが侵入して、黒鉛のc軸方向に非常に緩やかに膨張が始まるとともに、Kを重合開始剤としてスチレンモノマーの重合が始まる。一定時間が経過すると、黒鉛-スチレンポリマー複合体が形成される(図1参照)。KC8に対するスチレン導入量は、後述のグラフェンの単離を行いうる程度にKC8を膨張させる量以上であれば良いが、KC8の20〜1000倍程度(重量比)の範囲にある。
【0012】
次いで、得られた黒鉛-高分子複合体を、高分子を溶解することのできる溶媒、例えば、N-メチル-2-ピロリドン、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼンなどに所定時間浸漬することにより、黒鉛層間の高分子成分を溶解除去させる。これらの溶媒中では、高分子成分の溶解能に優れたN-メチル-2-ピロリドンがより好ましい。
【0013】
かくして、黒鉛-高分子複合体の構造中に分散して存在していたグラフェンは、高分子成分の除去により単離される。単離されたグラフェンは、拡がった状態で存在すると表面エネルギーが高いので、Van der Waals結合により、自らと結合して表面エネルギーが低い状態になろうとする。すなわち、単離したグラフェンは巻き上がり、その結果、図1に模式的に示す形態を有する巻回型カーボンナノチューブが形成される。
【0014】
なお、黒鉛-高分子複合体中の高分子を除去する方法ために、加熱による高分子の分解・蒸発除去を行う場合には(特許文献1およびShioyama, J. Mat. Sci. Lett., 20 (2001) 499参照)、グラフェンの剥離を経由したために生じたと考えられる一部グラフェンの巻き上がりは認められるが、大部分のグラフェンは再積層しており、本発明によるカーボンナノチューブを製造することはできない。
【0015】
【発明の効果】
本発明によれば、化学的操作によって、グラフェンが巻き上がった構造をとる新規なカーボンナノチューブが製造できる。この場合、グラフェンが巻き上がることにより、その表面エネルギーは低減する。得られるナノチューブの直径は、この表面エネルギー低減量とグラフェン1枚が曲げられることによるエネルギー増加のバランスによって決定されると考えられる。このエネルギー増加量は、曲げ剛性によって決定されるので、逆にグラフェン1枚の曲げ剛性値は、ナノチューブの直径を測ることにより、見積もることが可能となる。すなわち、本発明によれば、ナノスケール材料の材料力学特性の測定が可能となる。
【0016】
また、巻回生成物の「締め上げ度」(或いは巻回の程度)は、ナノチューブが、化学処理により生成する際の溶媒の種類および温度、高分子の種類などによって変わると想定されるので、本発明方法によれば、処理に使用する溶媒とその温度などを変えることによる直径の制御、巻く-解くという動作をするナノマシン、他物質の巻き込みによる巻きずし状ナノ複合材料、など新しいナノテクノロジーへの展開も可能となる。
【0017】
【実施例】
以下、実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。本発明は、実施例により何ら限定されるものではない。
実施例1
高配向性熱分解黒鉛(HOPG; 米国Advanced Ceramics Corp. 社製)を使用して、2-バルブ法(「新・炭素材料入門」、(株)リアライズ社(1996)、pp159-160参照)により、KC8を合成し、密閉容器に収容し、容器圧力を予め10-3Torr以下の真空にした後、室温(約25℃)で、スチレンの室温での蒸気圧に相当するスチレン蒸気を導入し、反応させた。なお、スチレンは、予めモレキュラーシーブ4Aを用いて脱水した後、真空蒸留により、精製しておいた。
【0018】
反応開始から24時間後に得られた黒鉛-高分子複合体は、黒色で、弾力性があり、膨脹黒鉛様の材料であり、KC8重量を基準として、約400倍量のスチレンが吸蔵された。
【0019】
得られた黒鉛-高分子複合体のうちの50 mgを100 mlのN-メチル-2-ピロリドン中に浸漬し、時々攪拌しながら8週間放置すると、ポリスチレン成分が溶出して、黒色の微粉末が得られた。
得られた黒色の微粉末を透過型電子顕微鏡により観察したところ、図2に示す様に、外径26 nm、内径16 nmの円筒型で、グラフェンが15重に積層しているカーボンナノチューブであることが確認された。
実施例2
高配向性熱分解黒鉛(HOPG; 米国Advanced Ceramics Corp. 社製)を使用して、2-バルブ法(「新・炭素材料入門」、(株)リアライズ社(1996)、pp159-160参照)により、KC24を合成し、密閉容器に収容し、容器圧力を予め10-3Torr以下の真空にした後、室温(約25℃)で、イソプレンの室温での蒸気圧に相当するイソプレン蒸気を導入し、反応させた。なお、イソプレンは、予めモレキュラーシーブ4Aを用いて脱水した後、真空蒸留により、精製しておいた。
【0020】
反応開始から24時間後に得られた黒鉛-高分子複合体は、黒色で、弾力性があり、膨脹黒鉛様の材料であり、KC24重量を基準として、約173倍量のイソプレンが吸蔵された。
【0021】
得られた黒鉛-高分子複合体のうちの50 mgを100 mlのN-メチル-2-ピロリドン中に浸漬し、時々攪拌しながら8週間放置すると、イソプレン成分が溶出して、黒色の微粉末が得られた。
【0022】
得られた黒色の微粉末を透過型電子顕微鏡により観察したところ、カーボンナノチューブであることが確認された。
実施例3
不飽和炭化水素としてボンベ詰めされた気体状の1,3-ブタジエン(純度99.5%以上)を使用し、ブタジエン圧力を500Torrとしたこと以外は実施例2の手法に準じて、黒鉛-高分子複合体を調製した。
【0023】
得られた黒鉛-高分子複合体は、黒色で、弾力性があり、膨脹黒鉛様の材料であり、KC24重量を基準として、約153倍量のスチレンが吸蔵された。
得られた黒鉛-高分子複合体のうちの50 mgを100 mlのN-メチル-2-ピロリドン中に浸漬し、時々攪拌しながら8週間放置すると、ポリブタジエン成分が溶出して、黒色の微粉末が得られた。
【0024】
得られた黒色の微粉末を透過型電子顕微鏡により観察したところ、カーボンナノチューブであることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるカーボンナノチューブの製造方法を模式的に示す図面である。
【図2】本発明方法により得られたカーボンナノチューブの積層構造を示す透過型電子顕微鏡写真である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon nanotube having a novel structure and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a carbon nanotube production method, a method of performing arc discharge on a carbon material, a method of performing laser irradiation on the carbon material, a method of decomposing a hydrocarbon gas by CVD using metal fine particles as a catalyst, and the like are known. . In any of these methods, carbon nanotubes are produced by reconstituting carbon atoms dissociated or generated by sublimation or thermal decomposition into nanotubes.
[0003]
Since the conventional carbon nanotube manufacturing method uses the carbon atom reconstruction phenomenon, the diameter, length, shape, etc. of the carbon nanotube are determined depending on many variable factors such as the synthesis apparatus and synthesis conditions. . Therefore, it is very difficult to design or control the diameter, length, shape, etc. in advance, and products with limited diameter, length, shape, etc. are manufactured based on empirical rules. Is the current situation.
[0004]
The present inventor previously described, “After introducing unsaturated hydrocarbon between graphite layers of an alkali metal-graphite intercalation compound and polymerizing unsaturated hydrocarbon using an alkali metal as a catalyst, the obtained graphite-polymer A method for producing a graphite material characterized by heat-treating the composite was proposed (Patent Document 1). However, in the inorganic-organic composite obtained by this method, a polymer remains, and only part of the graphene derived from the graphite material is wound, and carbon that can be regarded as a carbon nanotube No material has been produced.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-70612 [0006]
[Problems to be solved by the present invention]
Accordingly, the main object of the present invention is to provide a carbon nanotube production technique that allows simple design and structural control of carbon nanotubes.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of conducting research to achieve the above object, the present inventor polymerizes unsaturated hydrocarbons between graphite layers having a structure in which monoatomic layers (graphene) in which carbon atoms are arranged in a plane are stacked. Then, carbon nanotubes having a novel structure were successfully produced by a simple chemical method of removing the produced polymer with a solvent.
[0008]
That is, the present invention provides the following carbon nanotubes and methods for producing the following:
1. A wound carbon nanotube having a structure in which a single layer of graphene is wound.
2. (1) a step of intercalating an alkali metal between graphite layers of a graphite material to form a graphite interlayer compound;
(2) introducing an unsaturated hydrocarbon between graphite layers of the graphite intercalation compound obtained in step (1), using an alkali metal as a catalyst, polymerizing the unsaturated hydrocarbon to form a polymer, and
(3) A step of forming a carbon nanotube made of a wound single-layer graphene by immersing the graphite material containing the polymer formed in step (2) in a solvent and dissolving and removing the polymer A method for producing a wound carbon nanotube, wherein:
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
In the present invention, an alkali metal is first intercalated between graphite layers of a graphite material by a known method (for example, see Patent Document 1), and a graphite intercalation compound (hereinafter referred to as “GIC”) is obtained. Form (see FIG. 1). Such GIC is called potassium-GIC (or K-GIC) when the intercalated alkali metal is, for example, potassium (see FIG. 1). In the case of intercalating other alkali metals, each metal is similarly called. Alternatively, from another point of view, focusing on the kind of the intercalated alkali metal and its abundance, it may be called, for example, KC 8 , KC 24 , KC 36, or the like. In the GIC used in the present invention, there are no particular restrictions on the type of alkali metal and its abundance, but in the following, for the purpose of simplifying the description, “KC 8 ” is used to represent alkali metal-GIC. Let
[0010]
Next, the obtained KC 8 was subjected to an easily polymerizable unsaturated hydrocarbon under reduced pressure (unsaturated carbon that reacts under mild conditions of room temperature = about 25 ° C. and 1 atm or less in the presence of a polymerization initiator). Means hydrogen; for example, styrene, isoprene, etc. which are liquid at normal temperature and atmospheric pressure, and liquid 1,3-butadiene which is liquid at normal temperature and atmospheric pressure are brought into contact with each other, and the unsaturated hydrocarbon is interposed between the graphite layers of the former Is introduced. There are no particular limitations on the type and amount of the easily polymerizable unsaturated hydrocarbon as long as a polymer that can be dissolved and removed by an organic solvent is formed. In the following, in order to simplify the description, it is represented by a combination of KC 8 and styrene, but it goes without saying that combinations of other alkali metals and other unsaturated hydrocarbons can be used in the present invention. Yes.
[0011]
The introduction of unsaturated hydrocarbons between the graphite layers and the polymerization thereof can be performed in the same manner as the method disclosed in Patent Document 1 described above. For example, the decompression container (typically, P ≦ 10 -2 Torr, and more preferably P ≦ 10 -3 Torr) for accommodating the KC 8 when introduced into the styrene monomer, the styrene monomer is inserted between the graphite layers of KC 8 Thus, expansion begins very slowly in the c-axis direction of graphite, and polymerization of styrene monomer begins with K as a polymerization initiator. After a certain period of time, a graphite-styrene polymer composite is formed (see FIG. 1). Styrene introduction amount for KC 8 is may be at least the amount of expanding the KC 8 to the extent that may be carried out in the isolation of graphene will be described later, is in the range of about 20 to 1000 fold (weight ratio) of KC 8.
[0012]
Next, the obtained graphite-polymer composite is immersed in a solvent capable of dissolving the polymer, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, tetrahydrofuran, nitrobenzene, etc. for a predetermined time, whereby a polymer between graphite layers The components are dissolved and removed. In these solvents, N-methyl-2-pyrrolidone having excellent solubility of the polymer component is more preferable.
[0013]
Thus, the graphene that was dispersed in the structure of the graphite-polymer composite is isolated by removing the polymer component. Since isolated graphene has a high surface energy when it exists in a spread state, it tends to bind to itself by a van der Waals bond and become a low surface energy state. That is, the isolated graphene rolls up, and as a result, a wound carbon nanotube having the form schematically shown in FIG. 1 is formed.
[0014]
In the case of decomposing and evaporating and removing the polymer by heating in order to remove the polymer in the graphite-polymer composite (Patent Document 1 and Shioyama, J. Mat. Sci. Lett., 20 (2001) 499), although some graphene rolls that are thought to have occurred due to the exfoliation of graphene are observed, most of the graphene is re-stacked, and the production of carbon nanotubes according to the present invention Can not.
[0015]
【The invention's effect】
According to the present invention, a novel carbon nanotube having a structure in which graphene is rolled up can be produced by a chemical operation. In this case, the surface energy of the graphene is reduced by rolling up the graphene. The diameter of the obtained nanotube is considered to be determined by the balance between the amount of surface energy reduction and the increase in energy caused by bending one graphene. Since the amount of increase in energy is determined by the bending rigidity, conversely, the bending rigidity value of one graphene can be estimated by measuring the diameter of the nanotube. That is, according to the present invention, it is possible to measure the material mechanical properties of the nanoscale material.
[0016]
In addition, the `` clamping degree '' (or the degree of winding) of the wound product is assumed to vary depending on the type and temperature of the solvent and the type of polymer when the nanotube is produced by chemical treatment. According to the method of the present invention, the diameter of the solvent can be controlled by changing the solvent used in the treatment and its temperature, the nanomachine can be wound and unwound, and the nano-composite material can be wound by other substances. Deployment is also possible.
[0017]
【Example】
Hereinafter, examples will be shown to further clarify the features of the present invention. The present invention is not limited in any way by the examples.
Example 1
Using highly oriented pyrolytic graphite (HOPG; manufactured by Advanced Ceramics Corp., USA) by the 2-valve method ("Introduction to New Carbon Materials", Realize Inc. (1996), pp159-160) , KC 8 was synthesized, stored in a sealed container, and after the container pressure was evacuated to 10 -3 Torr or less in advance, styrene vapor corresponding to the vapor pressure of styrene at room temperature was introduced at room temperature (about 25 ° C) And reacted. Styrene was previously dehydrated using molecular sieve 4A and then purified by vacuum distillation.
[0018]
The graphite-polymer composite obtained 24 hours after the start of the reaction is black, elastic, expanded graphite-like material, and occluded about 400 times the amount of styrene based on KC 8 weight. .
[0019]
When 50 mg of the obtained graphite-polymer complex is immersed in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone and left for 8 weeks with occasional stirring, the polystyrene component elutes and a black fine powder was gotten.
When the obtained black fine powder was observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. 2, it was a carbon nanotube having a cylindrical shape with an outer diameter of 26 nm and an inner diameter of 16 nm and 15 layers of graphene laminated thereon. It was confirmed.
Example 2
Using highly oriented pyrolytic graphite (HOPG; manufactured by Advanced Ceramics Corp., USA) by the 2-valve method ("Introduction to New Carbon Materials", Realize Inc. (1996), pp159-160) , KC 24 was synthesized, stored in a sealed container, the container pressure was previously reduced to a vacuum of 10 -3 Torr or less, and isoprene vapor corresponding to the vapor pressure of isoprene at room temperature was introduced at room temperature (about 25 ° C) And reacted. Note that isoprene was dehydrated in advance using molecular sieve 4A and then purified by vacuum distillation.
[0020]
The graphite-polymer composite obtained 24 hours after the start of the reaction is black, elastic, expanded graphite-like material, and about 173 times the amount of isoprene was occluded based on the weight of KC 24 .
[0021]
When 50 mg of the obtained graphite-polymer complex is immersed in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone and left for 8 weeks with occasional stirring, the isoprene component elutes and a black fine powder was gotten.
[0022]
When the obtained black fine powder was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed to be a carbon nanotube.
Example 3
A graphite-polymer composite was used in the same manner as in Example 2 except that gas-filled 1,3-butadiene (purity of 99.5% or more) was used as the unsaturated hydrocarbon, and the butadiene pressure was 500 Torr. The body was prepared.
[0023]
The obtained graphite-polymer composite was a black, elastic, expanded graphite-like material, and occluded about 153 times as much styrene based on 24 weight KC.
When 50 mg of the obtained graphite-polymer composite is immersed in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone and left for 8 weeks with occasional stirring, the polybutadiene component elutes, resulting in a fine black powder. was gotten.
[0024]
When the obtained black fine powder was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed to be a carbon nanotube.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a drawing schematically showing a method for producing carbon nanotubes according to the present invention.
FIG. 2 is a transmission electron micrograph showing the laminated structure of carbon nanotubes obtained by the method of the present invention.

Claims (1)

(1)黒鉛材料の黒鉛層間にアルカリ金属をインターカレートさせて黒鉛層間化合物を形成させる工程、
(2)工程(1)で得られた黒鉛層間化合物の黒鉛層間に不飽和炭化水素を導入し、アルカリ金属を触媒とし、不飽和炭化水素を重合させて高分子を形成させる工程、および
(3)工程(2)で形成された高分子を含む黒鉛材料を溶媒に浸漬し、高分子を溶解除去することにより、巻回した単層のグラフェンからなるカーボンナノチューブを形成させる工程
を備えたことを特徴とする巻回型カーボンナノチューブの製造方法。
(1) a step of intercalating an alkali metal between graphite layers of a graphite material to form a graphite interlayer compound;
(2) introducing an unsaturated hydrocarbon between graphite layers of the graphite intercalation compound obtained in step (1), polymerizing the unsaturated hydrocarbon using an alkali metal as a catalyst, and forming a polymer; and (3 ) A step of forming a carbon nanotube made of a wound single-layer graphene by immersing the graphite material containing the polymer formed in step (2) in a solvent and dissolving and removing the polymer. A method for producing a wound carbon nanotube.
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