JP3782041B2 - Method for producing carbon nanotube - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異常グロー放電でプラズマを発生させると共に、触媒を用いることによって、カーボンナノチューブを合成させるカーボンナノチューブの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、中空構造をもつ炭素物質であるフラーレンのうち、チューブ状フラーレンであるカーボンナノチューブは、六角形の炭素原子が螺旋状に連なって中空の細い筒を形成しており、直径1〜数10nm、長さ数μmの炭素繊維である。また、カーボンナノチューブは電気化学的特性、機械的特性、ガス吸蔵特性、および光学的特性において特異な物性を有しており、今後の幅広い応用が期待されている材料である。
【0003】
カーボンナノチューブには、カーボン層の構造により単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブがあり、単層カーボンナノチューブは前述した各種物性において優れているが耐久性に難があり、多層カーボンナノチューブは耐久性に優れているが各種物性はあまり高くない。そして、カーボン層を二層だけ重ねた二層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブとほぼ変わらない物性を示し、さらに単層カーボンナノチューブより耐久性が高くなる。
【0004】
カーボンナノチューブの合成法としては、アーク放電法、レーザー蒸発法、および化学気相成長法(CVD法)が知られている。アーク放電法においては、欠陥の少ない高品質なカーボンナノチューブが得られるが、大量合成するための手法が確立されていない合成法である。また、レーザー蒸発法は比較的純度の高い単層カーボンナノチューブが得られるが、大量合成が難しい合成法である。また、CVD法は得られるカーボンナノチューブに欠陥が多いが、大量合成に向いている合成法である。このように、各合成法において一長一短があると言われている。
【0005】
従来より知られている、アーク放電法によるカーボンナノチューブの合成法は、高温状態の反応ガスの雰囲気中において炭素棒間に電圧20V,電流50A程度のアーク放電を行うことによって、陰極電極と陽極電極の間のプラズマが発生した空間にカーボンナノチューブが合成されるという方法である。また、CVD法によるカーボンナノチューブの合成法は、炭素源となる炭素化合物を500〜1000℃で触媒金属微粒子と接触させることによりカーボンナノチューブが合成されるという方法である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記アーク放電法においては、放電によって発生するプラズマ空間が狭いので、合成されるカーボンナノチューブの量が少ないという問題があった。また、反応ガスが高温状態になることから、合成中の冷却作業が困難であるという問題があった。また、CVD法においては、欠陥の多いカーボンナノチューブが合成されてしまうので、カーボンナノチューブの特性を十分に発揮することができないと言う問題があった。たとえば、高機能材料への補強材、燃料電池の水素吸蔵材、および高電気伝導性材などは、欠陥の無いカーボンナノチューブを用いることで、その特性を完全に発揮することができるのである。また、このような特性に優れ、耐久性の高い二層カーボンナノチューブを容易に合成できる製造方法が求められていた。
【0007】
本発明は、このような背景の下になされたものであって、アーク放電法より低温状態でカーボンナノチューブを大量合成して製造効率を向上させると共に、欠陥の少ないカーボンナノチューブの製造方法、単層および二層カーボンナノチューブを容易に合成できる製造方法を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項1に係る発明は、反応ガスの導入される反応室に配置された陽極部と陰極部との間に発生したプラズマによってカーボンナノチューブを合成させるカーボンナノチューブの製造方法であって、異常グロー放電でプラズマを発生させると共に、触媒を用いることによって、カーボンナノチューブを合成させることを特徴とする。
【0009】
この発明に係るカーボンナノチューブの製造方法によれば、陽極部と陰極部との間に異常グロー放電によってプラズマが発生させられるので、アーク放電よりも広い陽極部と陰極部との間の空間にプラズマが発生させられる。つまり、プラズマ空間中でカーボンナノチューブが合成されるので、カーボンナノチューブが合成される領域が広いということは、カーボンナノチューブを大量に合成することができるということである。また、アーク放電よりも低温度の反応ガスにおいてカーボンナノチューブが合成されるので、合成中の冷却作業が容易に行われる。
【0010】
加えて、触媒を用いることによってカーボンナノチューブの合成速度が速められ、かつ触媒の選定により単層および二層カーボンナノチューブの合成が容易になる。また、放電を用いて合成することによって、CVD法による合成より欠陥の少ないカーボンナノチューブを合成することができる。これにより、低温度の反応ガスにおいて、大量に欠陥の少ないカーボンナノチューブを製造することができる。
【0011】
請求項2に係る発明は、反応ガスの導入される反応室に配置された陽極部と陰極部との間に発生したプラズマによってカーボンナノチューブを合成させるカーボンナノチューブの製造方法であって、放電電流が0.5から50Aの電流値、かつ印加電圧が350V以上の電圧値の放電でプラズマを発生させると共に、触媒を用いることによって、カーボンナノチューブを合成させることを特徴とする。
【0012】
この発明に係るカーボンナノチューブの製造方法によれば、プラズマを発生させる放電の放電電流を0.5から50A、より好ましくは1から10Aとし、かつ印加電圧を350V以上とするので、アーク放電よりも陰極電極と陽極電極の間の広い領域に高密度なプラズマが発生する。また、触媒を用いることでカーボンナノチューブの合成速度を速くすることができ、かつ触媒の選定により単層および二層カーボンナノチューブの合成が容易になる。また、放電による合成方法なのでCVD法より欠陥の少ないカーボンナノチューブを合成することができる。これにより、大量に欠陥の少ないカーボンナノチューブを製造することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
まず、図1を用いて異常グロー放電について説明する。反応室内での陽極部と陰極部との間に直流の電圧を印加した場合の電流と電圧との関係は、概念的に図中の曲線のように示される。横軸に示された電流値を制御することにより、縦軸に示された電圧値が変化すると共に、各電流値および電圧値において異なった状態で放電が行われる。放電状態の領域はD〜Hの破線によって区分され、破線Fから破線Hまでの領域が異常グロー放電領域とされている。
【0014】
異常グロー放電領域において、陰極部全面から放電が行われ、放電電流の増加に伴い電流密度が増加すると共に、放電電圧が上昇することになる。たとえば、異常グロー放電領域において、放電電圧は350V以上で放電電流は0.5〜50A、より好ましくは1〜10Aとされ、反応ガス温度は1000〜10000℃とされている。
【0015】
また、破線Eから破線Fまでの領域は正規グロー放電領域とされ、放電電流を増加しても放電電圧が一定に保たれる領域で、放電面積が広く電流密度が低い放電状態である。たとえば、正規グロー放電領域において、放電電圧は100V〜350Vで放電電流は0.5A以下とされている。
【0016】
また、破線H以降の領域はアーク放電領域とされ、放電電流を増加することにより陰極部の温度が上昇することで大量の熱電子が放出され、これにより放電電圧が低下する領域で、放電面積が狭く電流密度が高い放電状態である。たとえば、アーク放電領域において、放電電圧は10V〜100Vで放電電流は50A以上とされ、反応ガス温度は3000℃〜20000℃とされている。
上述したように、異常グロー放電においては、アーク放電よりも陰極部の広範囲で高密度なプラズマが発生する。
【0017】
つぎに、図2を用いて本実施の形態のカーボンナノチューブの製造方法が用いられるカーボンナノチューブ製造装置について説明する。
カーボンナノチューブ製造装置1は、陽極部3、陰極部4、および基板台9を内部に設置した反応室2と、陽極部3と陰極部4との間に電圧を印加する第1電源部5aと、陽極部3と基板台9との間に電圧を印加する第2電源部5bとを備えて構成されている。反応室2には、反応ガスを導入するための反応ガス導入部6と、内部のガスを排気するための排気部7とが設けられている。反応室2の内部は、反応ガス導入部6から水素、メタンなどの反応ガスが導入されることにより反応ガスの雰囲気とされる。また、排気部7には真空ポンプ(図示せず)などの排気手段が接続されており、反応室2の内部を減圧雰囲気とすることが可能となっている。
【0018】
陽極部3は平板状に構成されており、第1電源部5aおよび第2電源部5bの正極側に接続されている。陰極部4は、第1電源部5aの負極側に接続される端子部4aと、端子部4aに隣接する棒状の放電部4bとを備えて構成されており、その長手方向が陽極部3の電極面に対してほぼ垂直方向に一致するように配置されている。また、放電部4bは、高融点金属であるW(タングステン)、Ta(タンタル)、およびMo(モリブデン)などにより形成されている。基板台9は、平板状に構成されており、第2電源部5bの負極側に接続され、陰極部4に近接する位置に設置されている。そして、基板台9には、カーボンナノチューブの成長する基体を塗布した基板8が固定されている。また、基板台9は陽極部3と陰極部4との間に発生するプラズマ空間に接する位置に設置されていればよく、プラズマが高濃度となる空間に設置することが好ましい。
【0019】
基板8は、触媒金属および触媒助剤金属を含有する粉体状の基体が、板状のシリコンなどに塗布されて形成されている。基体は、不純物が0.05%以下、好ましくは0.01%以下の粉体状の高純度アルミナを、触媒金属および触媒助剤金属が可溶性塩の形態で溶解された溶液に浸漬することで、高純度アルミナに触媒金属および触媒助剤金属を含有させて形成されている。このように基体を形成することで、微細な粒径とされた触媒金属および触媒助剤金属を高純度アルミナに分散して含有させられる。
【0020】
触媒金属には、Pb,Cr,Co,Ni,Cuのうちの少なくとも1種類以上の金属が用いられ、触媒助剤金属にはMoが用いられている。また、溶液には水、有機溶媒、または水と水溶性有機溶媒の混合液のいずれかが用いられ、溶解された触媒金属および触媒助剤金属の濃度は0.01〜0.05%とされている。また、浸漬時の温度は室温〜80℃、好ましくは50〜60℃とされている。また、形成された基体は、1〜20%、好ましくは5〜10%の触媒金属を含有し、0.1〜1.5%、好ましくは0.3〜0.8%の触媒助剤金属を含有している。このように形成された粉体状の基体を板状に形成されたSiまたはSiOに、100〜250cm/g、好ましくは200〜250cm/gで塗布し、乾燥させて基板8が形成されている。
【0021】
上述したようなカーボンナノチューブ製造装置1を用いてカーボンナノチューブを製造する方法について説明する。
カーボンナノチューブ製造装置1の反応室2の内部を反応ガスの雰囲気とし、0.5〜500Torrの圧力とし、異常グロー放電領域である0.5〜50A、より好ましくは1〜10Aの放電電流とする。このような条件で放電を開始すると、まず放電部4bの加熱が開始され、陰極部4の温度が上昇するにつれて放電部4bのほぼ全面から熱電子が放出される。そして、異常グロー放電の条件において熱電子が放出されることで安定したプラズマが形成され、このプラズマを用いることで基板台9に固定された基板8にカーボンナノチューブが合成される。
【0022】
また、陰極部4のほぼ全面と陽極部3のほぼ全面との間の領域で高密度なプラズマが発生するので、アーク放電によるカーボンナノチューブの合成方法より広い領域でカーボンナノチューブが合成される。また、アーク放電より低温の反応ガスでカーボンナノチューブを合成することができるので、合成中の冷却が容易に行われる。また、アーク放電より低い放電電流で放電を行うので、アーク放電に用いられる装置構成と比較して小規模な装置構成とすることができる。また、放電によりカーボンナノチューブを合成するので、CVD法より欠陥が少なく、不純物の混入も少ないカーボンナノチューブが合成される。
【0023】
また、触媒金属および触媒助剤金属を用いることによって、合成速度が速くなる。さらに、触媒金属および触媒助剤金属の粒径が微細となるように基体を形成したので、単層および二層カーボンナノチューブが容易に合成される。たとえば、触媒金属を直接的にシリコン板などに塗布し、上記触媒金属より大きな粒径の触媒金属を用いた場合、その粒径に応じた多層カーボンナノチューブが合成される。つまり、触媒金属の粒径を選定することで合成されるカーボンナノチューブの層構造を選定するのである。
【0024】
これより、異常グロー放電を用いると共に、触媒を用いてカーボンナノチューブを合成する製造方法は、アーク放電法より速く大量に単層および二層カーボンナノチューブを合成することができると共に、CVD法より欠陥の少ないカーボンナノチューブを合成することができる。つまり、高品質なカーボンナノチューブを低コストで製造することができるということである。
【0025】
【実施例】
つぎに、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
カーボンナノチューブ製造装置1の反応室2の内部に導入される反応ガスとして水素とメタンの混合ガスを用い、ガスの供給量は水素を500sccm、メタンを10sccmとした。また、反応室2の内部の圧力は70Torrとした。また、陰極部4は直径12mm、長さ100mmのTaよりなる棒状の放電部4bと、放電部4bの基端側に設けられた第1電源部5aに接続するための端子部4aとを備えて構成されている。
【0026】
また、基板台9に固定される基板8は、触媒金属および触媒助剤金属を溶解した溶液中に、アルミナ粉末を30分間浸し、さらに3時間超音波処理により分散させて得られた溶液をSi板材に塗布し、空気中において120℃で1時間乾燥させて得られる。アルミナ粉末には、ナトリウム含有量が0.01%以下で、かつ純度が99.95%以上である高純度γ―アルミナ粉末1.0gが用いられる。また、触媒金属および触媒助剤金属を溶解した溶液は、硝酸鉄0.2gと酸化モリブデンアセチルアセトナート0.01gとをメタノール35mlに溶解させて調製される。このように、基板8を形成することで、アルミナ粉末に鉄、モリブデンが高分散に坦持される。
【0027】
上記陰極部4および基板8を反応室2に設置して、反応室2の内部を上記反応ガスの雰囲気とした後、第1電源部5aおよび第2電源部5bにより、陽極部3と陰極部4との間および陽極部3と基板台9との間に直流の電圧を印加して、放電電流が2.5Aで一定となるように放電電圧を制御した。たとえば、電圧印加開始時に電流値を300mAとし、1000Vで電圧を印加することにより陰極部4から熱電子が放出され、陰極部4と陽極部3との間で放電が開始される。このとき、基板台9からは熱電子が放出されていない。そして、放電により陰極部4の温度が上昇し1800℃以上となると、熱電子放出特性が上昇することにより、放電電流が流れやすくなる。このとき、電流一定制御を行っているので放電電圧が低下され、さらに放電によって陰極部4の温度が2000℃まで上昇すると、放電電圧は400Vまで低下し、正規グロー放電状態となる。
【0028】
さらに放電電流を増加させると、放電電流の密度が上昇するに伴い放電電圧が上昇し正規グロー放電状態から異常グロー放電状態となり、陰極部4の温度が2300℃とされ、放電電流が2.5A、放電電圧が700Vとなった。このとき、反応ガス温度は3000℃とされ、基板8の全面が放電により発生しているプラズマに接触する状態となり、この状態で10分間の放電を行った。このようにカーボンナノチューブを合成することで基板8のほぼ全面において単層および二層カーボンナノチューブが合成された。
【0029】
図3、4に合成されたカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡(TEM)による像を示す。図において、右下に示されている目盛りが5nmで、図の中央付近に略棒状にカーボンナノチューブA,Bが映し出されている。図3に示されているカーボンナノチューブAは、直径が約1nmの単層カーボンナノチューブで、図4に示されているカーボンナノチューブBは、2層カーボンナノチューブである。また、多層カーボンナノチューブは観察されなかった。
【0030】
また、RAMAN分光分析を用いて、2層カーボンナノチューブの内層および外層の直径の測定を行った。RAMAN分光分析とは、カーボンナノチューブの試料に励起光を照射し、それによるRAMAN散乱のシフトを測定する方法で、カーボンナノチューブの直径の逆数に比例してRAMAN強度にピークが現れることが知られている。図5に、合成された2層カーボンナノチューブの共鳴ラマン散乱の測定結果を示す。図において、横軸にRAMANシフト、縦軸にRAMAN強度が示されており、RAMANシフトの4ポイントにおいてRAMAN強度のピークが観測されていることが分かる。それぞれのピークの示すカーボンナノチューブの直径は、0.699nm、1.115nm、1.236nm、および1.527nmである。また、主たる2層カーボンナノチューブ内層および外層の直径の組み合わせは、内径0.699nmと外径1.236nmとの組み合わせであることが分かる。
【0031】
なお、本実施の形態において、カーボンナノチューブの成長する基体に用いられるアルミナの形状としては、粉体状以外にペレット状または板状でもよく、アルミナと金属溶液との接触方法としては、浸漬法以外にスプレー法でもよい。また、アルミナに含有させる金属の形態は、金属酸化物または金属水酸化物の形態でもよく、カーボンナノチューブの生成を促進させる形態であればよい。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に係る発明によれば、カーボンナノチューブを合成させるためのプラズマを異常グロー放電によって発生させるので、陰極電極と陽極電極の間の広い領域にわたって高密度のプラズマを発生させることができ、大量にカーボンナノチューブを合成することができる。また、アーク放電よりも低温度の反応ガスにおいてカーボンナノチューブが合成されるので、冷却作業を容易に行うことができる。また、触媒を用いることでカーボンナノチューブの合成速度を速くすることができ、かつ触媒の選定により単層および二層のカーボンナノチューブの合成が容易になる。また、放電によりカーボンナノチューブを合成するので、CVD法より欠陥の少ないカーボンナノチューブを合成することができる。これにより、高品質なカーボンナノチューブを高効率で製造することができる。
【0033】
また、請求項2に係る発明によれば、プラズマを発生させる放電の放電電流が0.5から50Aの電流値で、印加電圧が350V以上の電圧値であるので、請求項1と同じ効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態における異常グロー放電領域を説明する電圧―電流の関係図である。
【図2】 本発明の一実施形態におけるカーボンナノチューブ製造装置の概略構成図である。
【図3】 カーボンナノチューブのTEM像である。
【図4】 カーボンナノチューブのTEM像である。
【図5】 2層カーボンナノチューブの共鳴ラマン散乱の測定結果である。
【符号の説明】
1 カーボンナノチューブ製造装置
2 反応室
3 陽極部
4 陰極部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing carbon nanotubes, in which plasma is generated by abnormal glow discharge and carbon nanotubes are synthesized by using a catalyst.
[0002]
[Prior art]
In general, among the fullerenes that are carbon materials having a hollow structure, the carbon nanotubes that are tubular fullerenes form a hollow thin tube in which hexagonal carbon atoms are connected in a spiral, with a diameter of 1 to several tens of nm. It is a carbon fiber having a length of several μm. Carbon nanotubes have unique physical properties in terms of electrochemical properties, mechanical properties, gas storage properties, and optical properties, and are expected to be widely used in the future.
[0003]
Carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes depending on the structure of the carbon layer. Single-walled carbon nanotubes are excellent in various physical properties as described above, but they are difficult to durability. Multi-walled carbon nanotubes are excellent in durability. However, various physical properties are not so high. The double-walled carbon nanotube in which only two carbon layers are overlapped exhibits physical properties almost the same as those of the single-walled carbon nanotube, and is more durable than the single-walled carbon nanotube.
[0004]
As a carbon nanotube synthesis method, an arc discharge method, a laser evaporation method, and a chemical vapor deposition method (CVD method) are known. The arc discharge method is a synthesis method in which high-quality carbon nanotubes with few defects can be obtained, but a method for mass synthesis is not established. The laser evaporation method is a synthesis method in which single-walled carbon nanotubes with relatively high purity can be obtained, but mass synthesis is difficult. The CVD method is a synthesis method suitable for mass synthesis, although the obtained carbon nanotubes have many defects. Thus, it is said that each synthesis method has advantages and disadvantages.
[0005]
A conventionally known method for synthesizing carbon nanotubes by an arc discharge method is that a cathode electrode and an anode electrode are formed by performing arc discharge at a voltage of about 20 V and a current of about 50 A between carbon rods in an atmosphere of a reaction gas in a high temperature state. This is a method in which carbon nanotubes are synthesized in a space where plasma is generated between the two. Moreover, the carbon nanotube synthesis method by the CVD method is a method in which carbon nanotubes are synthesized by bringing a carbon compound serving as a carbon source into contact with catalytic metal fine particles at 500 to 1000 ° C.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the arc discharge method has a problem that the amount of carbon nanotubes to be synthesized is small because the plasma space generated by the discharge is narrow. Further, since the reaction gas is in a high temperature state, there is a problem that it is difficult to perform a cooling operation during the synthesis. Further, the CVD method has a problem that carbon nanotubes with many defects are synthesized, so that the characteristics of the carbon nanotubes cannot be exhibited sufficiently. For example, a reinforcing material for a high-performance material, a hydrogen storage material for a fuel cell, a highly electrical conductive material, and the like can fully exhibit their characteristics by using carbon nanotubes having no defects. In addition, a production method capable of easily synthesizing double-walled carbon nanotubes having excellent characteristics and high durability has been demanded.
[0007]
The present invention has been made under such a background, and it is possible to improve the production efficiency by synthesizing a large amount of carbon nanotubes at a lower temperature than in the arc discharge method. And it aims at providing the manufacturing method which can synthesize | combine a double-walled carbon nanotube easily.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The invention according to claim 1 is a carbon nanotube manufacturing method for synthesizing carbon nanotubes by plasma generated between an anode portion and a cathode portion arranged in a reaction chamber into which a reaction gas is introduced, and an abnormal glow discharge The carbon nanotubes are synthesized by generating plasma and using a catalyst.
[0009]
According to the carbon nanotube manufacturing method of the present invention, plasma is generated by an abnormal glow discharge between the anode part and the cathode part, so that plasma is generated in the space between the anode part and the cathode part wider than the arc discharge. Is generated. In other words, since carbon nanotubes are synthesized in the plasma space, the wide area in which carbon nanotubes are synthesized means that carbon nanotubes can be synthesized in large quantities. Further, since the carbon nanotubes are synthesized in a reaction gas having a temperature lower than that of arc discharge, the cooling operation during the synthesis is easily performed.
[0010]
In addition, the synthesis rate of carbon nanotubes can be increased by using a catalyst, and the synthesis of single-walled and double-walled carbon nanotubes can be facilitated by selecting the catalyst. In addition, carbon nanotubes with fewer defects than those synthesized by CVD can be synthesized by synthesizing using discharge. Thereby, a carbon nanotube with few defects can be manufactured in large quantities in the low temperature reaction gas.
[0011]
The invention according to claim 2 is a carbon nanotube manufacturing method in which carbon nanotubes are synthesized by plasma generated between an anode portion and a cathode portion arranged in a reaction chamber into which a reaction gas is introduced, and a discharge current is generated. Plasma is generated by discharge with a current value of 0.5 to 50 A and an applied voltage of 350 V or more, and carbon nanotubes are synthesized by using a catalyst.
[0012]
According to the method of manufacturing a carbon nanotube according to the present invention, the discharge current for generating the plasma is 0.5 to 50 A, more preferably 1 to 10 A, and the applied voltage is 350 V or more. High-density plasma is generated in a wide area between the cathode electrode and the anode electrode. Moreover, the synthesis rate of carbon nanotubes can be increased by using a catalyst, and the synthesis of single-walled and double-walled carbon nanotubes can be facilitated by selecting the catalyst. Further, since the synthesis method is based on discharge, it is possible to synthesize carbon nanotubes with fewer defects than the CVD method. Thereby, carbon nanotubes with few defects can be produced in large quantities.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, the abnormal glow discharge will be described with reference to FIG. The relationship between current and voltage when a DC voltage is applied between the anode and cathode in the reaction chamber is conceptually shown as a curve in the figure. By controlling the current value shown on the horizontal axis, the voltage value shown on the vertical axis changes, and discharge is performed in different states at each current value and voltage value. The region in the discharge state is divided by broken lines D to H, and the region from the broken line F to the broken line H is an abnormal glow discharge region.
[0014]
In the abnormal glow discharge region, discharge is performed from the entire surface of the cathode portion, and as the discharge current increases, the current density increases and the discharge voltage increases. For example, in the abnormal glow discharge region, the discharge voltage is 350 V or more, the discharge current is 0.5 to 50 A, more preferably 1 to 10 A, and the reaction gas temperature is 1000 to 10,000 ° C.
[0015]
The region from the broken line E to the broken line F is a normal glow discharge region, which is a region where the discharge voltage is kept constant even when the discharge current is increased, and is a discharge state with a large discharge area and a low current density. For example, in the normal glow discharge region, the discharge voltage is 100 V to 350 V and the discharge current is 0.5 A or less.
[0016]
Further, the area after the broken line H is an arc discharge area, and a large amount of thermoelectrons are emitted when the temperature of the cathode portion increases by increasing the discharge current, thereby reducing the discharge voltage. The discharge state is narrow and the current density is high. For example, in the arc discharge region, the discharge voltage is 10 V to 100 V, the discharge current is 50 A or more, and the reaction gas temperature is 3000 ° C. to 20000 ° C.
As described above, in abnormal glow discharge, high-density plasma is generated in a wider area in the cathode portion than in arc discharge.
[0017]
Next, a carbon nanotube production apparatus using the carbon nanotube production method of the present embodiment will be described with reference to FIG.
The carbon nanotube production apparatus 1 includes a reaction chamber 2 in which an anode unit 3, a cathode unit 4, and a substrate base 9 are installed, and a first power supply unit 5 a that applies a voltage between the anode unit 3 and the cathode unit 4. The second power supply unit 5b for applying a voltage between the anode unit 3 and the substrate base 9 is provided. The reaction chamber 2 is provided with a reaction gas introduction part 6 for introducing a reaction gas and an exhaust part 7 for exhausting the internal gas. The reaction chamber 2 is filled with a reaction gas atmosphere by introducing a reaction gas such as hydrogen or methane from the reaction gas introduction unit 6. Further, exhaust means such as a vacuum pump (not shown) is connected to the exhaust part 7 so that the inside of the reaction chamber 2 can be in a reduced pressure atmosphere.
[0018]
The anode part 3 is configured in a flat plate shape, and is connected to the positive electrode side of the first power supply part 5a and the second power supply part 5b. The cathode part 4 includes a terminal part 4a connected to the negative electrode side of the first power supply part 5a, and a rod-shaped discharge part 4b adjacent to the terminal part 4a. They are arranged so as to be substantially perpendicular to the electrode surface. Moreover, the discharge part 4b is formed with W (tungsten), Ta (tantalum), Mo (molybdenum), etc. which are high melting point metals. The substrate base 9 is configured in a flat plate shape, and is connected to the negative electrode side of the second power supply unit 5 b and is installed at a position close to the cathode unit 4. A substrate 8 coated with a substrate on which carbon nanotubes grow is fixed to the substrate table 9. Further, the substrate table 9 only needs to be installed at a position in contact with the plasma space generated between the anode unit 3 and the cathode unit 4, and is preferably installed in a space where the plasma has a high concentration.
[0019]
The substrate 8 is formed by applying a powdery substrate containing a catalyst metal and a catalyst auxiliary metal to plate-like silicon or the like. The substrate is obtained by immersing powdery high-purity alumina having impurities of 0.05% or less, preferably 0.01% or less, in a solution in which the catalyst metal and the catalyst auxiliary metal are dissolved in the form of a soluble salt. It is formed by adding a catalyst metal and a catalyst auxiliary metal to high-purity alumina. By forming the substrate in this manner, the catalyst metal and catalyst auxiliary metal having a fine particle size can be dispersed and contained in high-purity alumina.
[0020]
At least one of Pb, Cr, Co, Ni, and Cu is used as the catalyst metal, and Mo is used as the catalyst auxiliary metal. In addition, water, an organic solvent, or a mixture of water and a water-soluble organic solvent is used for the solution, and the concentration of the dissolved catalyst metal and catalyst auxiliary metal is set to 0.01 to 0.05%. ing. Moreover, the temperature at the time of immersion shall be room temperature-80 degreeC, Preferably it is 50-60 degreeC. Further, the formed substrate contains 1 to 20%, preferably 5 to 10% of catalyst metal, and 0.1 to 1.5%, preferably 0.3 to 0.8% of catalyst auxiliary metal. Contains. The powdery substrate thus formed is applied to Si or SiO 2 formed into a plate shape at 100 to 250 cm 2 / g, preferably 200 to 250 cm 2 / g, and dried to form a substrate 8. Has been.
[0021]
A method for producing carbon nanotubes using the carbon nanotube production apparatus 1 as described above will be described.
The inside of the reaction chamber 2 of the carbon nanotube production apparatus 1 is set to a reaction gas atmosphere, a pressure of 0.5 to 500 Torr, and a discharge current of 0.5 to 50 A, more preferably 1 to 10 A, which is an abnormal glow discharge region. . When the discharge is started under such conditions, heating of the discharge part 4b is started first, and thermoelectrons are emitted from almost the entire surface of the discharge part 4b as the temperature of the cathode part 4 rises. A stable plasma is formed by emitting thermoelectrons under abnormal glow discharge conditions, and carbon nanotubes are synthesized on the substrate 8 fixed to the substrate table 9 by using this plasma.
[0022]
In addition, since high-density plasma is generated in a region between almost the entire surface of the cathode portion 4 and almost the entire surface of the anode portion 3, carbon nanotubes are synthesized in a wider region than the method of synthesizing carbon nanotubes by arc discharge. Moreover, since carbon nanotubes can be synthesized with a reaction gas at a temperature lower than that of arc discharge, cooling during synthesis is easily performed. In addition, since the discharge is performed with a discharge current lower than that of the arc discharge, the apparatus configuration can be made smaller than the apparatus configuration used for the arc discharge. In addition, since carbon nanotubes are synthesized by electric discharge, carbon nanotubes with fewer defects and fewer impurities are synthesized than with the CVD method.
[0023]
In addition, the synthesis rate is increased by using a catalyst metal and a catalyst auxiliary metal. Furthermore, since the substrate is formed so that the particle diameters of the catalyst metal and the catalyst auxiliary metal are fine, single-walled and double-walled carbon nanotubes are easily synthesized. For example, when a catalyst metal is applied directly to a silicon plate or the like and a catalyst metal having a particle size larger than that of the catalyst metal is used, multi-walled carbon nanotubes corresponding to the particle size are synthesized. That is, the layer structure of the carbon nanotube synthesized by selecting the particle size of the catalyst metal is selected.
[0024]
As a result, the production method that uses an abnormal glow discharge and synthesizes carbon nanotubes using a catalyst can synthesize single-walled and double-walled carbon nanotubes in large quantities faster than the arc discharge method. Fewer carbon nanotubes can be synthesized. That is, it is possible to produce high-quality carbon nanotubes at a low cost.
[0025]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
A mixed gas of hydrogen and methane was used as a reaction gas introduced into the reaction chamber 2 of the carbon nanotube production apparatus 1, and the gas supply amount was 500 sccm for hydrogen and 10 sccm for methane. The pressure inside the reaction chamber 2 was 70 Torr. The cathode part 4 includes a rod-like discharge part 4b made of Ta having a diameter of 12 mm and a length of 100 mm, and a terminal part 4a for connection to the first power supply part 5a provided on the base end side of the discharge part 4b. Configured.
[0026]
Further, the substrate 8 fixed to the substrate base 9 is prepared by immersing alumina powder in a solution in which the catalyst metal and the catalyst auxiliary metal are dissolved for 30 minutes and dispersing the solution by ultrasonic treatment for 3 hours. It is obtained by applying to a plate material and drying in air at 120 ° C. for 1 hour. As the alumina powder, 1.0 g of high-purity γ-alumina powder having a sodium content of 0.01% or less and a purity of 99.95% or more is used. The solution in which the catalyst metal and the catalyst auxiliary metal are dissolved is prepared by dissolving 0.2 g of iron nitrate and 0.01 g of molybdenum oxide acetylacetonate in 35 ml of methanol. Thus, by forming the substrate 8, iron and molybdenum are supported on the alumina powder in a highly dispersed manner.
[0027]
After the cathode part 4 and the substrate 8 are installed in the reaction chamber 2 and the inside of the reaction chamber 2 is made the atmosphere of the reaction gas, the anode part 3 and the cathode part are formed by the first power supply part 5a and the second power supply part 5b. 4 and between the anode part 3 and the substrate base 9, a DC voltage was applied to control the discharge voltage so that the discharge current was constant at 2.5 A. For example, by setting the current value to 300 mA at the start of voltage application and applying a voltage of 1000 V, thermoelectrons are emitted from the cathode part 4 and discharge is started between the cathode part 4 and the anode part 3. At this time, thermoelectrons are not emitted from the substrate base 9. When the temperature of the cathode portion 4 rises to 1800 ° C. or higher due to the discharge, the thermoelectron emission characteristics are increased, so that a discharge current easily flows. At this time, since the constant current control is performed, the discharge voltage is lowered, and when the temperature of the cathode portion 4 rises to 2000 ° C. due to the discharge, the discharge voltage is lowered to 400 V and a normal glow discharge state is achieved.
[0028]
When the discharge current is further increased, the discharge voltage increases as the density of the discharge current increases, so that the normal glow discharge state is changed to the abnormal glow discharge state, the temperature of the cathode portion 4 is set to 2300 ° C., and the discharge current is 2.5 A. The discharge voltage was 700V. At this time, the reaction gas temperature was set to 3000 ° C., and the entire surface of the substrate 8 was brought into contact with the plasma generated by the discharge, and in this state, discharge was performed for 10 minutes. By synthesizing the carbon nanotubes in this way, single-walled and double-walled carbon nanotubes were synthesized on almost the entire surface of the substrate 8.
[0029]
FIGS. 3 and 4 show images of the synthesized carbon nanotubes by a transmission electron microscope (TEM). In the figure, the scale shown in the lower right is 5 nm, and the carbon nanotubes A and B are projected in a substantially rod shape near the center of the figure. A carbon nanotube A shown in FIG. 3 is a single-walled carbon nanotube having a diameter of about 1 nm, and a carbon nanotube B shown in FIG. 4 is a double-walled carbon nanotube. Multi-walled carbon nanotubes were not observed.
[0030]
Moreover, the diameter of the inner layer and outer layer of a double-walled carbon nanotube was measured using RAMAN spectroscopy. RAMAN spectroscopic analysis is a method of irradiating a sample of carbon nanotubes with excitation light and measuring the shift of RAMAN scattering, and it is known that a peak appears in the RAMAN intensity in proportion to the inverse of the diameter of the carbon nanotubes. Yes. FIG. 5 shows the measurement result of resonance Raman scattering of the synthesized double-walled carbon nanotube. In the figure, the RAMAN shift is shown on the horizontal axis and the RAMAN intensity is shown on the vertical axis, and it can be seen that the peaks of the RAMAN intensity are observed at the four points of the RAMAN shift. The diameters of the carbon nanotubes indicated by the respective peaks are 0.699 nm, 1.115 nm, 1.236 nm, and 1.527 nm. Moreover, it turns out that the combination of the diameter of the main double-walled carbon nanotube inner layer and outer layer is a combination of an inner diameter of 0.699 nm and an outer diameter of 1.236 nm.
[0031]
In this embodiment, the shape of the alumina used for the substrate on which the carbon nanotubes grow may be a pellet or a plate in addition to the powder, and the contact method between the alumina and the metal solution may be other than the dipping method. Alternatively, the spray method may be used. Moreover, the form of the metal contained in alumina may be a form of metal oxide or metal hydroxide as long as it promotes the generation of carbon nanotubes.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the plasma for synthesizing the carbon nanotubes is generated by abnormal glow discharge, so that high-density plasma is generated over a wide region between the cathode electrode and the anode electrode. And carbon nanotubes can be synthesized in large quantities. In addition, since the carbon nanotubes are synthesized in the reaction gas at a temperature lower than that of the arc discharge, the cooling operation can be easily performed. Moreover, the synthesis rate of carbon nanotubes can be increased by using a catalyst, and single-walled and double-walled carbon nanotubes can be easily synthesized by selecting a catalyst. In addition, since carbon nanotubes are synthesized by discharge, carbon nanotubes with fewer defects than CVD methods can be synthesized. Thereby, a high quality carbon nanotube can be manufactured with high efficiency.
[0033]
According to the invention of claim 2, since the discharge current of the discharge for generating plasma is a current value of 0.5 to 50 A and the applied voltage is a voltage value of 350 V or more, the same effect as in claim 1 is obtained. Obtainable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a voltage-current relationship diagram illustrating an abnormal glow discharge region in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a carbon nanotube production apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a TEM image of carbon nanotubes.
FIG. 4 is a TEM image of carbon nanotubes.
FIG. 5 is a measurement result of resonance Raman scattering of a double-walled carbon nanotube.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon nanotube manufacturing apparatus 2 Reaction chamber 3 Anode part 4 Cathode part

Claims (2)

反応ガスの導入される反応室に配置された陽極部と陰極部との間に発生したプラズマによってカーボンナノチューブを合成させるカーボンナノチューブの製造方法であって、
異常グロー放電でプラズマを発生させると共に、触媒を用いることによって、カーボンナノチューブを合成させることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A method for producing carbon nanotubes, comprising synthesizing carbon nanotubes by plasma generated between an anode part and a cathode part arranged in a reaction chamber into which a reaction gas is introduced,
A method for producing carbon nanotubes, characterized in that carbon nanotubes are synthesized by generating plasma with abnormal glow discharge and using a catalyst.
反応ガスの導入される反応室に配置された陽極部と陰極部との間に発生したプラズマによってカーボンナノチューブを合成させるカーボンナノチューブの製造方法であって、
放電電流が0.5から50Aの電流値、かつ印加電圧が350V以上の電圧値の放電でプラズマを発生させると共に、触媒を用いることによって、カーボンナノチューブを合成させることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A method for producing carbon nanotubes, comprising synthesizing carbon nanotubes by plasma generated between an anode part and a cathode part arranged in a reaction chamber into which a reaction gas is introduced,
Production of carbon nanotubes characterized in that plasma is generated by discharge with a discharge current of 0.5 to 50 A and an applied voltage of 350 V or more, and carbon nanotubes are synthesized by using a catalyst. Method.
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