JP3815421B2 - Method for producing carbon nanotube - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉容器等を用いずに、大気圧下・大気雰囲気中すなわち開放空間においてアーク放電法により多層あるいは単層のカーボンナノチューブの合成比率(純度)および収量の高い生成物を製造できるカーボンナノチューブの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
カーボンナノチューブ(CNT)は、2つの炭素材料の間にてアーク放電を行うことにより得られるもので、炭素原子が6角形に規則正しく並んだグラフェンシートが円筒形に丸まったものがカーボンナノチューブ(CNT)であり、グラフェンシートの筒が一重のものが単層カーボンナノチューブ(SWCNT)で、その直径は1〜数nmである。また、グラフェンシートの筒が同心状に何重も重なっているものが多層カーボンナノチューブ(MWCNT)で、その直径は数nm〜数十nmである。単層カーボンナノチューブは、従来は触媒金属を含有したカーボン電極を用いるかもしくは触媒金属を陽極電極に埋め込んで、アーク放電することによって合成している。なお、ここでいう炭素材料とは、炭素を主成分とする非晶質または黒鉛質の導電性材料である(以下同じ)。
【0003】
いずれにせよ、従来より2つの炭素材料の間にてアーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブ(CNT)を合成する技術が種々提案されている。例えば、密閉容器内にヘリウムまたはアルゴンを満たし、密閉容器内の圧力を200Torr以上としてカーボン直流アーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブを製造する技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。
【0004】
また、密閉容器内にヘリウムを満たし、密閉容器内を加熱し、その内部温度を1000〜4000℃にするとともに、その温度を制御した中で炭素棒からなる放電電極間で直流アーク放電を行うことによって、長さと直径の分布のそろったカーボンナノチューブを製造する技術が提案されている(例えば特許文献2参照)。
【0005】
また、不活性ガスで満たされた密閉容器内に水平方向に配置された対向する電極間でアーク放電を行うとともに、電極を相対的にかつ連続的または間欠的に回転又は往復移動させることによってカーボンナノチューブを製造する技術が提案されている(例えば特許文献3参照)。
【0006】
また、密閉容器内に配置された対向する陽極と陰極の炭素電極の周囲をヒータによって加熱してから、両電極間で直流アーク放電を行うことにより、生成されるカーボンナノチューブの純度および収量を増加させる技術が提案されている(例えば特許文献4参照)。
【0007】
また、密閉容器内に配置された炭素電極からなる陽極の先端部分を加熱手段によって加熱した後、アーク放電を行うことにより、均一な大きさ、品質のカーボンナノチューブを効率よく生成できるようにした技術が提案されている(例えば特許文献5参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開平6−280116号公報
【特許文献2】
特開平6−157016号公報
【特許文献3】
特開平7−216660号公報
【特許文献4】
特開2000−203820
【特許文献5】
特開2000−344505
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カーボンナノチューブは、アーク放電が行われている部分の陰極側のカーボン電極に堆積する炭素原子からなる物質内もしくはアーク周辺部に付着した煤の一部に生成される。しかしながら、前記従来のカーボンナノチューブの製造方法によれば、生成物中にカーボンナノチューブ以外の黒鉛、非晶質カーボンなどが混在するのを避けられず、カーボンナノチューブそのものの割合は低いものであった。
【0010】
すなわち、一般のアーク放電では、その陰極点は電子放出能の高い個所に選択的に発生する。しかし陰極点がしばらく発生するとその個所の電子放出能が弱まるため、より電子放出能の高い別の個所に陰極点が移動する。このように一般のアーク放電では、陰極点が激しく不規則に移動しながらアーク放電が行われる。さらに、場合によっては、陰極点が陽極対向位置から大きくずれ、電源の負荷電圧容量を上回り、アークが消弧してしまうこともある。このように、陰極点が激しく不規則に移動するアーク放電では、陰極のある一点を見た場合、その温度および炭素蒸気密度などの化学的因子が時間的に大きく変動することになる。このため、ある期間はカーボンナノチューブが合成されやすい条件となるが、別の期間ではカーボンナノチューブが合成されにくい条件となるか、カーボンナノチューブが分解されやすい条件となり、結果として不純物を多く含むカーボンナノチューブが陰極点発生位置全体に合成されることになる。ここで、カーボンナノチューブが分解とは、カーボンナノチューブの生成機構自体が未だ不明な点が多く、断定できないが、ある温度範囲では、炭素がカーボンナノチューブの構造でいるより、グラファイトやアモルファスカーボンの形でいる方が安定な場合、カーボンナノチューブがグラファイトやアモルファスカーボンに構造変化を起こす現象や、かなりの高温下では、生成したカーボンナノチューブを構成している炭素原子の一郡(クラスタ)が放出されて、カーボンナノチューブが崩壊していく現象をいう。なお、カーボンナノチューブの生成過程自体も高温で行われるので、この生成過程においても前記のようなクラスタ放出が起きているものと考えられるが、カーボンナノチューブの生成に最適な温度では、カーボンナノチューブの生成速度が崩壊速度(クラスタ放出速度)を上回り、カーボンナノチューブが合成されるものと推察される。
【0011】
したがって、従来は、アークの安定とカーボンナノチューブの合成割合を増加させるために、前記のようにアーク放電装置を密閉容器内に設け、密閉容器内の雰囲気ガス種および圧力や密閉容器内の電極周りの温度を適正に選定、制御する手法が取られていた。
【0012】
しかしながら、密閉容器内の雰囲気ガス種および圧力や密閉容器内の電極周りの温度の調整のみでは、アークの陰極点を完全に固定することは難しく、依然として多くの不純物とカーボンナノチューブの混合体である陰極堆積物もしくは煤状物質としてしか回収することができなかった。そのため、結果的にカーボンナノチューブの収率が低下するとともに、カーボンナノチューブの純度を高めるために複雑な精製作業を行わなければならず、カーボンナノチューブの製造コストを増加させる原因となっていた。さらに、装置が大型化し、設備費用がかさむとともに、アーク放電によるカーボンナノチューブの大量合成を難しいものとしていた。
【0013】
本発明の技術的課題は、密閉容器等を用いなくても、大気雰囲気中にてアーク放電法により多層あるいは単層の高純度カーボンナノチューブを高い収率で生成できるようにすることにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明の請求項1に係るカーボンナノチューブの製造方法は、陽極電極と炭素材料からなる陰極電極との間でアーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブを合成する際に、陽極電極に中空電極を用い、中空電極の中空部から陰極電極に向けて雰囲気ガスよりも電離能率の高い不活性ガスもしくはこの不活性ガスを含む混合ガスを吹付け、この吹付けた不活性ガスもしくは混合ガスの流れに沿ってアーク発生経路を形成させることで、アーク発生経路を拘束することを特徴としている。
【0017】
請求項の発明のように、陽極電極に中空電極を用い、中空電極の中空部から陰極電極に向けて例えばアルゴンガス等の不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスを吹付けながらその間にアーク放電を行わせると、ガスの電離度が高くなってガス噴出経路にアークが発生しやすい条件が形成される。また、不活性ガスを含むガスと接している陽極電極表面が安定した陽極点を形成せしめるものと考えられる。このため、アーク発生経路が拘束され、陰極電極上のアークの陰極点の不規則な移動が防止される。その結果、この固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)でカーボンナノチューブを優先的に合成することができ、この固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)で高純度の多層カーボンナノチューブの合成物を製造することができる。
【0018】
また、請求項2に係るカーボンナノチューブの製造方法は、前記不活性ガスもしくは前記混合ガスが、触媒となる金属粉末または金属化合物粉末を含有することを特徴としている。
【0020】
請求項2の発明のように、陽極電極から陰極電極に向けてアルゴンガス等の不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスを、触媒となる金属粉末または金属化合物粉末と共に吹付けると、ガスの電離度が高くなってガス噴出経路にアークが発生しやすい条件が形成される。また、不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスと接している陽極電極表面に陽極点が安定して形成される。これにより、アーク発生経路が拘束されて、陰極電極上のアークの陰極点の不規則な移動が防止されそしてこの固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)でカーボンナノチューブを優先的に合成することができる。ここまでは前記請求項1の発明と同様である。しかし、請求項1の発明では電極のみでのアーク放電となっているため、多層のカーボンナノチューブのみしか合成できないのに対し、請求項2の発明では陽極電極から陰極電極に向けて吹付ける前記不活性ガスもしくは前記混合ガスが、触媒となる金属粉末または金属化合物粉末を含有しているため、触媒がアーク熱により超微粒化し、それが核となり、そこから単層のカーボンナノチューブが成長していく。つまり、固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)に効率的に触媒金属を導入することが可能となり、アークの中心部またはアーク周辺部に高純度の単層カーボンナノチューブの合成物を製造することができる。なお、触媒となる金属粉末の粒子はできる限り細粒化することが望ましい。
【0022】
アーク放電を起こすためには、電極間空間を電離する必要がある。原子の電離には、種々の過程があるが、アーク放電においては、電子との衝突による電離過程が支配的である。一般に、原子番号の小さいHe、Neは除き、Ar、Kr、Xeなどの不活性ガスは、電子との衝突による電離能率が高く、アークを発生しやすい空間を提供する。Ar、Kr、Xeなどの不活性ガスは、酸素、窒素等に比べ電離能率が高いので、大気雰囲気中にて陽極電極から陰極電極に向けて、これらの不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスを供給しながらアーク放電を行うと、アークをガス流路に沿って集中して発生させることができる。つまり、陽極電極から陰極電極に向けて供給する不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスをプラズマガスとして用いることにより、アークを集中させ、陰極点を安定化させることができる。
また、大気雰囲気中では、アーク放電部に酸素を巻き込むため、炭素の酸化・燃焼が起こる。この際、生成されたカーボンナノチューブもいくぶん酸化するが、より燃焼温度の低い非晶質炭素や多結晶黒鉛粉などの不純物が優先的に酸化・燃焼し、結果として生成物中のカーボンナノチューブ純度を向上させる効果がある。
【0023】
また、請求項3に係るカーボンナノチューブの製造方法は、中空電極の中空部から陰極電極に向けて吹付ける前記不活性ガスもしくは前記混合ガスの流量を、中空電極の孔の断面積1mm2 当り10〜400ml/分としたことを特徴としている。
【0024】
中空電極の孔から供給する前記不活性ガスもしくは前記混合ガスの流量が少なすぎては、プラズマガスとして十分に機能せず、また流量が多すぎると電極周辺部までプラズマガスの濃度が増加し、中央部だけでなく、周辺部でもアーク放電が起こりやすい条件となり、アークを集中させることができなくなる。そこで、請求項3の発明のように中空電極の孔から供給する前記不活性ガスもしくは前記混合ガスの流量を、中空電極の孔の断面積1mm2 当り10〜400ml/分とすることにより、プラズマガスとして機能させつつ、陽極電極中央部のみが周辺部に比べアーク放電しやすい条件をつくり出すことができる。その結果、陰極点を集中させることができ、純度の高いカーボンナノチューブを収率良く生成することができる。
【0025】
また、請求項4に係るカーボンナノチューブの製造方法は、前記不活性ガスもしくは前記混合ガスとして、アルゴンもしくはアルゴンと水素ガスの混合ガスを用いることを特徴としている。
【0026】
Ar以上の原子番号を有するAr、Kr、Xeなどの不活性ガスは、電子との衝突による電離能率が高く、アークを発生しやすい空間を提供する。特にArは最も安価で工業的に利用しやすいガスであるため、カーボンナノチューブの製造コストを低減することができる。また、混合ガスとして、ArにH2 を数%〜数十%混ぜることにより、アークの安定性を損なうことなく、カーボンナノチューブの収量を増加することができる。これは、H2 に陽極電極上で昇華した炭素がクラスタとして成長するのを防止する効果があり、陰極電極上でカーボンナノチューブが合成されやすい条件となるためであると考えられる。
【0027】
また、請求項5に係るカーボンナノチューブの製造方法は、アーク放電に際し、陰極電極を予め500〜2000℃に加熱しておくことを特徴としている。
【0028】
一般的な炭素電極、つまり電気抵抗率(=固有抵抗)が500〜2000μΩ・cmの炭素電極を用いた場合、陰極電極を予め500〜2000℃に加熱しておいてからアーク放電を行うと、陰極点部の温度は予熱がない場合に比べ高い温度にでき、純度の高いカーボンナノチューブが合成できる。予熱温度が500℃以下では、予熱の効果はあまりなく、2000℃を超えると、陰極炭素の蒸発が激しくなり、カーボンナノチューブの収量も低下する。
【0029】
また、請求項6に係るカーボンナノチューブの製造方法は、陰極電極として、電気抵抗率が4000μΩ・cm以上もしくは熱伝導率が40W/m・K以下の炭素材料を用いることを特徴としている。
【0030】
高い純度と収量のカーボンナノチューブを合成するためには、陰極材料のアーク陰極点の温度をある程度高くすることが有利である。通常電極として使用されている炭素電極の電気抵抗率(=固有抵抗)は既述したように500〜2000μΩ・cm程度の範囲であるが、4000μΩ・cm以上の電気抵抗率を有する炭素材料を陰極材料として使用すると、陰極材料の陰極点近傍では、アーク放電時に高い電流密度となるので、電気抵抗発熱のため陰極点近傍が高温度となる。そのため、陰極を予熱したのと同様な効果が得られ、収量ならびに純度の高いカーボンナノチューブを生成することができる。
また、通常電極として使用されている炭素電極の熱伝導率は50〜200W/m・Kの範囲であり、炭素材料における電気抵抗率と熱伝導率はほぼ負の相関関係が有る。つまり、電気抵抗率が大きいものは、熱伝導率が低く熱を伝えにくいので、より陰極点近傍が高温度となる。電気抵抗率4000μΩ・cm以上の炭素材料の熱伝導率は、ほぼ40W/m・K以下に相当する。
【0031】
【発明の実施の形態】
実施形態1.
以下、本発明の第1の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法について説明する。
【0032】
図9は大気圧下、アルゴンガス雰囲気中での炭素材料電極相互のアーク放電状況(一般放電)を模式的に示した図で、陽極1に棒状の炭素材料を、陰極2に平板状の炭素材料を用いている。図9のように大気圧下、アルゴンガス雰囲気中では、アークの発生する位置は大きく動き回り、陰極点の位置も陰極板(平板状炭素材料2)上で激しく不規則に移動する(図9では時間の異なる2つのアーク3a,3bを重ねて図示している)。4は陰極ジェットであり、陰極の炭素が蒸発し、一部の炭素原子が電離を起こしている部分である。このようなアークの激しく不規則な移動は、大気圧下、アルゴンガス雰囲気中では特に顕著であるが、低圧力下のヘリウムガスや水素ガス雰囲気中でも、同様な動きが観察される。
【0033】
図10は前記図9の一般放電によりアークを短時間発生させた場合の陰極点を観察した結果を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真であり、(a)は陰極点の中心部とその周辺部を示すSEM写真、(b)は陰極点中心部の拡大SEM写真、(c)は陰極点周辺部の拡大SEM写真である。これらのSEM写真から明らかなように、陰極点の中心部はカーボンナノチューブが密集して生成されているのに対し、陰極点の周辺部においては、非晶質カーボン(アモルファスカーボン)の塊が堆積しているのみである。つまり、アークの陰極点ではカーボンナノチューブが合成される条件が整っているのに対し、その周辺部は、カーボンナノチューブが合成されない条件となっていることが分かる。これらの結果から、陰極点が激しく不規則に移動する一般のアーク放電形態では、陰極電極上でカーボンナノチューブが合成される条件とカーボンナノチューブが合成されない条件が交互に繰り返されるために、非晶質カーボン等の不純物を多く含んだ陰極堆積物しか回収できないものと考えられる。
【0034】
そこで、図1のように炭素材料からなる陽極として軸心部に孔11aを有する中空電極11を用い、開放空間(大気圧下・大気雰囲気中)にて中空電極11内部の孔11aからアーク3に向けて少量のアルゴンガスを送給したところ、アーク3がガス流経路に沿って発生し、その陰極点も常にガス噴出口に対向する位置に発生するアーク形態となることが分かった。これは、アーク放電による高温下で、アルゴンガスの電離度が上がり、導電性が周辺部に比し大きくなったためにアルゴンガス流経路に沿ってアークが発生するためであると考えられる。また、中空電極内面は不活性ガスと接しているため、陽極点が安定して形成しやすくなるためであると考えられる。また、既述したようにアルゴンなどの不活性ガスは、電子との衝突による電離能率が高く、アークを発生しやすい空間を提供する。したがって、中空電極11内部の孔11aから陰極2に向けてアルゴンガスの送給を開始してからアーク3を発生させるようにすれば、アーク発生初期からアーク発生経路を拘束することができて陰極2上のアークの陰極点の不規則な移動を防止することができる。その結果、アーク発生初期から固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)でカーボンナノチューブを優先的に合成することができ、この固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)で高純度の多層カーボンナノチューブの合成物を製造することができる。
この中空電極11による静止アーク放電で得られた陰極堆積物を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、その中心部である陰極点位置では、長時間アークにおいても高純度のカーボンナノチューブが合成されていることが判明した。中空電極11による静止アーク放電では、前述の図9で説明したような陰極ジェットは観察されず、陰極2から発生した炭素蒸気はアーク柱と重なる位置に噴出しているものと考えられ、アーク中での炭素原子の濃度を上昇させることによって、カーボンナノチューブの合成効率をも向上させているものと推察された。
【0035】
なお、中空の陽極電極は炭素材料に限らず、水冷銅電極などの非消耗電極を用いても良い。
【0036】
また、陽極から陰極へ向けて流す不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスは、例えば図2に示すように棒状陽極111を用い、棒状陽極111に沿わせて別途配置したガスノズル112より、陽極側面に沿うように陰極電極に向けてガスを流しても良い。このようにしても、ガス流が十分に層流であれば、ガス流に沿ってアークが発生し、陰極点が固定化される。このことは後述する他の実施形態でも同様である。
【0037】
なお、中空電極11内部の孔11aから送給するガスは、純アルゴンもしくは20%程度の水素ガスやヘリウムガスを混入したアルゴンガスを用いてもアーク形態に大きな変化は見られなかった。特にアルゴンに水素ガスを数%〜数十%混ぜると、アークの安定性を損なうことなく、カーボンナノチューブの収量を増加することができた。これは、水素ガスに陽極電極上で昇華した炭素がクラスタとして成長するのを防止する効果があり、陰極電極上でカーボンナノチューブが合成されやすい条件となるためであると考えられた。適正ガス流量は、中空電極11の孔11aの断面積に影響され、孔11aの断面積1mm2 当り10〜400ml/分であった。
【0038】
図5は中空電極孔断面積と内部に流すガス流量とアーク発生形態との関係を示す実験結果のグラフである。図5から明らかなように、中空電極11の孔11aから供給する純アルゴンもしくは20%程度の水素ガスやヘリウムガスを混入したアルゴンガスの流量が孔11aの断面積1mm2 当り10ml/分よりも少なすぎると、プラズマガスとして十分に機能せず、また流量が孔11aの断面積1mm2 当り400ml/分よりも多すぎると、電極周辺部までプラズマガスの濃度が増加し、中央部だけでなく、周辺部でもアーク放電が起こりやすい条件となり、アークを集中させることができなくなる。
本実施形態のように中空電極11の孔11aから供給するガス流量を、中空電極11の孔11aの断面積1mm2 当り10〜400ml/分とすることにより、プラズマガスとして機能させつつ、陽極電極中央部のみが周辺部に比べアーク放電しやすい条件をつくり出すことができる。その結果、陰極点を集中させることができて、純度の高いカーボンナノチューブを収率良く生成することができる。
【0039】
実施例
陽極電極として、外径36mm、内径10mmの中空電極を用い、開放空間(大気圧下・大気雰囲気中)にて中空電極内部の孔から陰極電極に向けて3%の水素を含むアルゴンガスを10リットル/分の流量送給しながら電流500A、電圧35V(アーク長約5mm)にて1分間アーク放電を行った。
【0040】
図3はこの中空電極による1分間の静止アーク放電で得られた陰極堆積物の中心部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。このSEM写真からも明らかなように、陰極堆積物の中心部に高純度の多層カーボンナノチューブが合成されていることが分かる。この1分間の静止アーク放電により数10mgの高純度の多層カーボンナノチューブが得られた。
【0041】
実施形態2.
図4は本発明の第2の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法の説明図であり、図中、前述の第1実施形態の図1と同一部分には同一符号を付してある。
【0042】
本実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法は、炭素材料からなる陽極として前述の第1実施形態の陽極と同様の軸心部に孔11aを有する中空電極11を用いるとともに、触媒となる金属粉末または金属化合物粉末21を収容した触媒混入容器22内と中空電極11の孔11aとを接続し、開放空間(大気圧下・大気雰囲気中)にて、触媒混入容器22を介して中空電極11内部の孔11aから陰極2に向けて少量のアルゴンガス等の不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスを吹付けるとともに、このガス流に乗せて触媒金属粉末または金属化合物粉末21を注入するようにし、その間にアーク3を発生させるようにしている点に特徴を有している。
【0043】
本実施形態においても中空電極11内部の孔11aから送給するガスとして、純アルゴンもしくは20%程度の水素ガスやヘリウムガスを混入したアルゴンガスを用いた。特にアルゴンに水素ガスを数%〜数十%混ぜると、アークの安定性を損なうことなく、カーボンナノチューブの収量を増加することができた。これは既述したように水素ガスに陽極電極上で昇華した炭素がクラスタとして成長するのを防止する効果があり、陰極電極上でカーボンナノチューブが合成されやすい条件となるためであると考えられる。
【0044】
また、本実施形態においても適正ガス流量は、前述の第1実施形態と同様、中空電極11の孔11aの断面積に影響され、孔11aの断面積1mm2 当り10〜400ml/分であり、この適正ガス流量とすることで、プラズマガスとして機能させつつ、陽極電極中央部のみが周辺部に比べアーク放電しやすい条件をつくり出すことができる。その結果、陰極点を集中させることができ、純度の高いカーボンナノチューブを収率良く生成することができる。
【0045】
なお、使用される金属粉末または金属化合物粉末の種類は、触媒機能のあるものなら何でも良いが、ここではFe 、Ni 、Co 、FeS 等の単体もしくはそれらの混合体を使用した。
【0046】
本実施形態においても中空電極11内部の孔11aから陰極2に向けて不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスを吹付けているので、アーク放電による高温下で、不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスの電離度が上がり、導電性が周辺部に比し大きくなる。また、中空電極内面に陽極点が安定して形成されるため、ガス流経路に沿ってアークが発生する拘束アーク形態となる。
【0047】
さらに、本実施形態では、ガス流に乗せて触媒金属粉末または金属化合物粉末21を注入しているので、触媒がアーク熱により超微粒化し、それが核となり、そこから単層のカーボンナノチューブが成長していく。つまり、固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)およびその周辺部で高純度の単層カーボンナノチューブの合成物を製造することができる。
【0048】
実施形態3.
図6及び図7は本発明の第3の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を説明するための陰極予熱温度によるカーボンナノチューブの生成状況を示す陰極点部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【0049】
アーク放電によるカーボンナノチューブの合成では、主として陽極炭素電極から発生した炭素蒸気および炭素イオンが陰極側に拡散し、陽極より温度の低い陰極電極表面にて凝縮することによりカーボンナノチューブ(特に多層カーボンナノチューブ)が合成されるものと考えられている。そのため、陰極の温度は低い方がカーボンナノチューブの成長速度が速く、陰極材料は耐熱性導電材料であれば炭素材料である必要もないとされている。
【0050】
しかしながら、陽極の炭素蒸気および炭素イオンのみを増加させてもカーボンナノチューブの合成比率は低いものしか生成できず、カーボンナノチューブが生成される陰極の温度を適正な温度範囲に保つことが純度の高いカーボンナノチューブを生成する上で重要であることが本発明者等による実験の結果明らかとなった。すなわち、前述の第1又は第2実施形態と同様の電極構成および条件下で、陰極電極を予め500〜2000℃に加熱しておいてからアーク放電を行うと、陰極点部の温度は予熱がない場合に比べ高い温度にでき、かつ純度の高いカーボンナノチューブを合成できることが確認された。
【0051】
すなわち、予熱なし(図6(a))では、カーボンナノチューブが生成しておらず、予熱温度が500℃(図6(b))では、カーボンナノチューブが少し生成しているだけで、予熱の効果はあまりなく、2000℃(図7(a))では、カーボンナノチューブが多量に生成しており、2500℃(図7(b))では、陰極炭素の蒸発が激しくなり、カーボンナノチューブの収量も低下していることが分かった。
【0052】
実施形態4.
図8は本発明の第4の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を説明するための各種炭素材料によるカーボンナノチューブの合成結果を示す説明図である。
【0053】
高い純度と収量のカーボンナノチューブを合成するためには、前述の第3実施形態で説明したように陰極材料のアーク陰極点の温度をある程度高くすることが有利である。通常電極として使用されている炭素電極の電気抵抗率(=固有抵抗)は500〜2000μΩ・cm程度の範囲であるが、4000μΩ・cm以上の電気抵抗率を有する炭素材料を陰極材料として使用すると、陰極材料の陰極点近傍では、アーク放電時に高い電流密度となるので、電気抵抗発熱のため陰極点近傍が高温度となる。そのため、陰極を予熱したのと同様な効果が得られ、収量ならびに純度の高いカーボンナノチューブを生成することができる。
【0054】
また、通常電極として使用されている炭素電極の熱伝導率は50〜200W/m・Kの範囲であり、炭素材料における電気抵抗率と熱伝導率はほぼ負の相関関係が有る。つまり、電気抵抗率が大きいものは、熱伝導率が低く熱を伝えにくいので、より陰極点近傍が高温度となる。電気抵抗率4000μΩ・cm以上の炭素材料の熱伝導率は、ほぼ40W/m・K以下に相当する。
【0055】
図8では炭素質、黒鉛質、炭素質+黒鉛質などからなる各種の炭素材料A〜Gを用い、前述の第1又は第2実施形態と同様の電極構成および条件下でアーク放電を行なって、得られたカーボンナノチューブの収量および純度を、3段階(○:良い,△:ふつう,×:悪い)で評価している。図8から明らかなように通常電極、つまり電気抵抗率(=固有抵抗)が500〜2000μΩ・cm程度で、熱伝導率が40W/m・K以上の炭素材料B,C,Dは、いずれもカーボンナノチューブの純度が悪く、収量も炭素材料Bは悪く、炭素材料C,Dはふつうであった。また、電気抵抗率(=固有抵抗)が2000μΩ・cmを超えていても、4000μΩ・cmには満たないで、熱伝導率も40W/m・K以上の炭素材料Eは、カーボンナノチューブの収量および純度がいずれもふつうであった。
【0056】
これに対し、電気抵抗率(=固有抵抗)が4000μΩ・cm以上で熱伝導率が40W/m・K以下の炭素材料A,F,Gは、カーボンナノチューブの収量および純度のいずれも良い結果が得られた。
【0057】
なお、前述の各実施形態ではアーク放電を開放空間(大気圧下・大気雰囲気中)にて行なわせるようにしたものを例に挙げて説明したが、容器内で行なわせることも可能である。すなわち、容器内空間をリリーフ弁を介して外部に開放するとともに、リリーフ弁によって容器内空間を大気圧よりも高い一定気圧に設定し、容器内空間に大気を強制導入して大気雰囲気とし、容器内に配置した中空電極の中空部から陰極電極に向けてアルゴンガス等の不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスを吹付けながらその間にアーク放電を行わせるようにしてもよい。また逆に大気圧よりも低い容器内空間でアーク放電を行わせるようにしてもよい。
【0058】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、陽極電極に中空電極を用い、中空電極の中空部から陰極電極に向けて雰囲気ガスよりも電離能率の高い不活性ガスもしくはこの不活性ガスを含む混合ガスを吹付け、この吹付けた不活性ガスもしくは混合ガスの流れに沿ってアーク発生経路を形成させることで、アーク発生経路を拘束するようにしたので、アーク発生経路を拘束できて、陰極点の移動を防止することができた。その結果、この固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)でカーボンナノチューブを優先的に合成することができ、この固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)で高純度の多層カーボンナノチューブの合成物を製造することができた。
【0059】
また、前記不活性ガスもしくは前記混合ガスが、触媒となる金属粉末または金属化合物粉末を含有するので、触媒がアーク熱により超微粒化し、それが核となり、そこから単層のカーボンナノチューブを成長させることが可能となり、固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)およびその周辺部で高純度の単層カーボンナノチューブの合成物を製造することができた。
【0061】
また、中空電極の内部から陰極電極に向けて吹付ける不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスの流量を、中空電極の孔の断面積1mm2 当り10〜400ml/分としたので、プラズマガスとして機能させつつ、陽極電極中央部のみが周辺部に比べアーク放電しやすい条件をつくり出すことができた。その結果、陰極点を集中させることができ、純度の高いカーボンナノチューブを収率良く生成することができた。
【0062】
また、不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスとして、電子との衝突による電離能率が高く、安価で工業的に利用しやすいアルゴンもしくはアルゴンと水素ガスの混合ガスを用いるようにしたので、カーボンナノチューブの製造コストを低減することができた。さらに混合ガスとしてアルゴンに水素ガスを混ぜることにより、陽極電極上で昇華した炭素がクラスタとして成長するのを防止することができて、アークの安定性を損なうことなく、カーボンナノチューブの収量を増加することができた。
【0063】
また、アーク放電に際し、陰極電極を予め500〜2000℃に加熱しておくようにしたので、より純度の高いカーボンナノチューブを合成することができた。
【0064】
また、陰極電極として、電気抵抗率が4000μΩ・cm以上もしくは熱伝導率が40W/m・K以下の炭素材料を用いるようにしたので、アーク放電時に陰極点近傍を高温度にすることができて、陰極を予熱したのと同様な効果が得られ、収量ならびに純度の高いカーボンナノチューブを生成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法による炭素材料電極相互のアーク放電状況を模式的に示す図である。
【図2】第1実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法による陽極電極の変形例を模式的に示す図である。
【図3】第1実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法により得られた陰極堆積物の中心部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法による炭素材料電極相互のアーク放電状況を模式的に示す図である。
【図5】中空電極孔断面積と内部に流すガス流量とアーク発生形態との関係を示す実験結果のグラフである。
【図6】本発明の第3の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を説明するための陰極予熱温度によるカーボンナノチューブの生成状況を示す陰極点部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を説明するための陰極予熱温度によるカーボンナノチューブの生成状況を示す陰極点部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【図8】本発明の第4の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を説明するための各種炭素材料によるカーボンナノチューブの合成結果を示す説明図である。
【図9】大気圧下、アルゴンガス雰囲気中での炭素材料電極相互のアーク放電状況(一般放電)を模式的に示す図である。
【図10】一般放電によりアークを短時間発生させた場合の陰極点を観察した結果を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【符号の説明】
2 陰極電極
3 アーク
11 中空電極(陽極電極)
11a 孔(中空電極の内部)
21 触媒金属粉末または金属化合物粉末
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a carbon which can produce a product having a high synthesis ratio (purity) and yield of multi-walled or single-walled carbon nanotubes by an arc discharge method in an atmospheric pressure / atmosphere atmosphere, that is, in an open space, without using an airtight container. The present invention relates to a method for producing a nanotube.
[0002]
[Prior art]
A carbon nanotube (CNT) is obtained by performing an arc discharge between two carbon materials. A carbon nanotube (CNT) is a graphene sheet in which carbon atoms are regularly arranged in a hexagon and is rounded into a cylindrical shape. The single graphene sheet tube is a single-walled carbon nanotube (SWCNT), and its diameter is 1 to several nm. Further, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in which the graphene sheet cylinders are concentrically overlapped with each other have a diameter of several nanometers to several tens of nanometers. Single-walled carbon nanotubes are conventionally synthesized by using a carbon electrode containing a catalytic metal or embedding the catalytic metal in an anode electrode and performing arc discharge. The carbon material here is an amorphous or graphitic conductive material containing carbon as a main component (hereinafter the same).
[0003]
In any case, various techniques for synthesizing carbon nanotubes (CNT) by arc discharge between two carbon materials have been proposed. For example, a technique has been proposed in which carbon nanotubes are produced by filling a sealed container with helium or argon and performing a carbon direct current arc discharge with the pressure in the sealed container being 200 Torr or higher (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
In addition, helium is filled in a sealed container, the inside of the sealed container is heated, the internal temperature is set to 1000 to 4000 ° C., and a DC arc discharge is performed between the discharge electrodes made of carbon rods while the temperature is controlled. Has proposed a technique for producing carbon nanotubes having a uniform length and diameter distribution (see, for example, Patent Document 2).
[0005]
In addition, arc discharge is performed between opposed electrodes arranged in a horizontal direction in a sealed container filled with an inert gas, and the electrodes are relatively or continuously or intermittently rotated or reciprocated. A technique for producing a nanotube has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
[0006]
In addition, the surroundings of the opposed anode and cathode carbon electrodes placed in a sealed container are heated by a heater, and then DC arc discharge is performed between both electrodes, thereby increasing the purity and yield of the produced carbon nanotubes. The technique to make is proposed (for example, refer patent document 4).
[0007]
Also, a technology that enables efficient generation of carbon nanotubes of uniform size and quality by heating the tip of the anode consisting of carbon electrodes arranged in a sealed container with a heating means and then performing arc discharge. Has been proposed (see, for example, Patent Document 5).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-6-280116
[Patent Document 2]
JP-A-6-157016
[Patent Document 3]
JP-A-7-216660
[Patent Document 4]
JP 2000-203820
[Patent Document 5]
JP 2000-344505 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, carbon nanotubes are generated in a substance made of carbon atoms deposited on a carbon electrode on the cathode side of a portion where arc discharge is performed, or in a part of soot attached to the arc periphery. However, according to the conventional method for producing carbon nanotubes, it is inevitable that graphite other than carbon nanotubes, amorphous carbon, and the like are mixed in the product, and the ratio of carbon nanotubes itself is low.
[0010]
That is, in general arc discharge, the cathode spot is selectively generated at a location where the electron emission ability is high. However, if the cathode spot is generated for a while, the electron emission capability at that location is weakened, and the cathode spot moves to another location with higher electron emission capability. Thus, in general arc discharge, arc discharge is performed while the cathode spot moves violently and irregularly. Further, in some cases, the cathode spot is greatly deviated from the anode facing position, exceeding the load voltage capacity of the power source, and the arc may be extinguished. As described above, in arc discharge in which the cathode spot moves violently and irregularly, when one spot of the cathode is seen, the chemical factors such as the temperature and the carbon vapor density greatly vary with time. For this reason, the conditions are such that the carbon nanotubes are easily synthesized for a certain period, but the conditions are such that the carbon nanotubes are difficult to be synthesized in another period, or the carbon nanotubes are easily decomposed. It is synthesized at the entire cathode spot generation position. Here, the decomposition of carbon nanotubes means that the generation mechanism of carbon nanotubes itself is still unclear and cannot be determined. However, in a certain temperature range, carbon is in the form of graphite or amorphous carbon rather than carbon nanotube structure. When carbon nanotubes are more stable, the phenomenon that carbon nanotubes cause structural changes in graphite and amorphous carbon, and at a considerably high temperature, a group of carbon atoms that make up the generated carbon nanotubes is released, A phenomenon in which carbon nanotubes collapse. In addition, since the carbon nanotube production process itself is performed at a high temperature, it is considered that the cluster emission is also occurring in this production process. However, at the optimum temperature for the carbon nanotube production, the carbon nanotube production is performed. It is inferred that the rate exceeds the decay rate (cluster emission rate) and carbon nanotubes are synthesized.
[0011]
Therefore, conventionally, in order to increase the stability of the arc and the synthesis rate of the carbon nanotube, the arc discharge device is provided in the sealed container as described above, and the ambient gas type and pressure in the sealed container and the surroundings of the electrode in the sealed container The method of appropriately selecting and controlling the temperature of was taken.
[0012]
However, it is difficult to completely fix the cathode spot of the arc only by adjusting the atmospheric gas species and pressure in the sealed container and the temperature around the electrode in the sealed container, and it is still a mixture of many impurities and carbon nanotubes. It could only be recovered as cathode deposits or soot. Therefore, as a result, the yield of carbon nanotubes decreases, and complicated purification work must be performed to increase the purity of the carbon nanotubes, which increases the manufacturing cost of the carbon nanotubes. In addition, the apparatus becomes large and equipment costs increase, and it is difficult to synthesize a large amount of carbon nanotubes by arc discharge.
[0013]
The technical problem of the present invention is to enable the production of multi-layer or single-walled high-purity carbon nanotubes with high yield by an arc discharge method in an air atmosphere without using a sealed container or the like.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
[0015]
The method for producing a carbon nanotube according to claim 1 of the present invention includes: When carbon nanotubes are synthesized by performing arc discharge between the anode electrode and the cathode electrode made of a carbon material, a hollow electrode is used as the anode electrode, and the atmosphere gas is directed from the hollow portion of the hollow electrode toward the cathode electrode. The arc generation path is constrained by blowing an inert gas with high ionization efficiency or a mixed gas containing this inert gas and forming an arc generation path along the flow of the sprayed inert gas or mixed gas. Do It is characterized by that.
[0017]
Claim 1 As in the invention, the anode electrode The hollow part of the hollow electrode If an arc discharge is performed while an inert gas such as argon gas or a mixed gas containing an inert gas is sprayed from the cathode to the cathode electrode, an ionization degree of the gas increases and an arc is generated in the gas ejection path. Easy-to-use conditions are formed. Further, it is considered that the anode electrode surface in contact with the gas containing the inert gas forms a stable anode point. For this reason, the arc generation path is restricted, and irregular movement of the cathode spot of the arc on the cathode electrode is prevented. As a result, carbon nanotubes can be preferentially synthesized at the position where the fixed cathode spot is generated (the center of the arc), and high purity is produced at the position where the fixed cathode spot is generated (the center of the arc). A composite of multi-walled carbon nanotubes can be produced.
[0018]
Claim 2 The carbon nanotube production method according to The inert gas or the mixed gas is Metal powder or metal compound powder used as catalyst Contains It is characterized by that.
[0020]
Claim 2 As in the invention, when an inert gas such as argon gas or a mixed gas containing an inert gas is sprayed from the anode electrode to the cathode electrode together with the metal powder or metal compound powder serving as a catalyst, the ionization degree of the gas is increased. Thus, a condition that an arc is likely to be generated in the gas ejection path is formed. In addition, the anode spot is stably formed on the surface of the anode electrode in contact with the inert gas or the mixed gas containing the inert gas. As a result, the arc generation path is constrained and irregular movement of the cathode spot of the arc on the cathode electrode is prevented. , The carbon nanotubes can be preferentially synthesized at the fixed cathode spot generation position (the center of the arc). Until here Claim 1 This is the same as the present invention. But, Claim 1 In the invention of the present invention, since it is an arc discharge only with an electrode, only multi-walled carbon nanotubes can be synthesized, Claim 2 In the invention, spraying from the anode electrode to the cathode electrode Said Inert gas or Said Gas mixture But, Metal powder or metal compound powder used as catalyst Contains For this reason, the catalyst is atomized by arc heat and becomes a nucleus, from which single-walled carbon nanotubes grow. In other words, it becomes possible to efficiently introduce a catalytic metal into the position where the fixed cathode spot is generated (the center of the arc), and a high-purity single-walled carbon nanotube composite is formed in the center of the arc or around the arc. Can be manufactured. In addition, it is desirable to make the metal powder particles as a catalyst as fine as possible.
[0022]
In order to cause arc discharge, it is necessary to ionize the space between the electrodes. There are various processes for ionization of atoms. In arc discharge, the ionization process by collision with electrons is dominant. In general, except for He and Ne having a small atomic number, inert gases such as Ar, Kr, and Xe have a high ionization efficiency due to collision with electrons and provide a space in which an arc is easily generated. Inert gases such as Ar, Kr, and Xe have higher ionization efficiency than oxygen and nitrogen. And big When arc discharge is performed while supplying an inert gas or a mixed gas containing an inert gas from the anode electrode to the cathode electrode in an air atmosphere, the arc is concentratedly generated along the gas flow path. be able to. That is, by using an inert gas or a mixed gas containing an inert gas supplied from the anode electrode toward the cathode electrode as the plasma gas, the arc can be concentrated and the cathode spot can be stabilized.
Further, in the atmosphere, carbon is oxidized and burned because oxygen is involved in the arc discharge part. At this time, the produced carbon nanotubes are also somewhat oxidized, but impurities such as amorphous carbon and polycrystalline graphite powder having a lower combustion temperature are preferentially oxidized and burned, resulting in the purity of the carbon nanotubes in the product. There is an effect to improve.
[0023]
Also, Claim 3 The carbon nanotube manufacturing method according to Hollow part Spray toward the cathode electrode Said Inert gas or Said Adjust the flow rate of the mixed gas to 1 mm of the cross-sectional area of the hole of the hollow electrode 2 It is characterized by being 10 to 400 ml / min.
[0024]
Supply from the hole of the hollow electrode Said Inert gas or Said If the flow rate of the mixed gas is too small, it will not function sufficiently as a plasma gas. If the flow rate is too high, the concentration of the plasma gas will increase to the periphery of the electrode, causing arc discharge not only in the center but also in the periphery. It becomes an easy condition, and it becomes impossible to concentrate the arc. Therefore, Claim 3 Supplied from the hole of the hollow electrode as in the invention of Said Inert gas or Said Adjust the flow rate of the mixed gas to 1 mm of the cross-sectional area of the hole of the hollow electrode 2 By setting it to 10 to 400 ml / min per unit, it is possible to create a condition in which only the central portion of the anode electrode is more likely to arc discharge than the peripheral portion while functioning as a plasma gas. As a result, the cathode spots can be concentrated, and high-purity carbon nanotubes can be produced with high yield.
[0025]
Also, Claim 4 The carbon nanotube production method according to Said Inert gas or Said As a mixed gas, argon or a mixed gas of argon and hydrogen gas is used.
[0026]
An inert gas such as Ar, Kr, or Xe having an atomic number equal to or higher than Ar has a high ionization efficiency due to collision with electrons, and provides a space where an arc is easily generated. In particular, since Ar is the cheapest and industrially easy to use gas, the production cost of carbon nanotubes can be reduced. As a mixed gas, H is added to Ar. 2 By mixing several percent to several tens percent, the yield of carbon nanotubes can be increased without impairing the stability of the arc. This is H 2 This is because the carbon sublimation on the anode electrode is prevented from growing as a cluster, and the carbon nanotubes are easily synthesized on the cathode electrode.
[0027]
Also, Claim 5 The carbon nanotube manufacturing method according to the present invention is characterized in that the cathode electrode is preheated to 500 to 2000 ° C. during arc discharge.
[0028]
When a general carbon electrode, that is, a carbon electrode having an electric resistivity (= specific resistance) of 500 to 2000 μΩ · cm is used, arc discharge after heating the cathode electrode to 500 to 2000 ° C. in advance, The temperature of the cathode spot can be made higher than when there is no preheating, and high purity carbon nanotubes can be synthesized. When the preheating temperature is 500 ° C. or less, the effect of preheating is not so great. When the preheating temperature exceeds 2000 ° C., the cathode carbon evaporates violently, and the yield of carbon nanotubes also decreases.
[0029]
Also, Claim 6 The carbon nanotube manufacturing method according to the present invention is characterized in that a carbon material having an electrical resistivity of 4000 μΩ · cm or more or a thermal conductivity of 40 W / m · K or less is used as the cathode electrode.
[0030]
In order to synthesize carbon nanotubes with high purity and yield, it is advantageous to raise the temperature of the arc cathode spot of the cathode material to some extent. The electric resistivity (= specific resistance) of the carbon electrode used as a normal electrode is in the range of about 500 to 2000 μΩ · cm as described above, but a carbon material having an electric resistivity of 4000 μΩ · cm or more is used as the cathode. When used as a material, a high current density is obtained in the vicinity of the cathode spot of the cathode material during arc discharge. Therefore, the vicinity of the cathode spot becomes a high temperature due to electric resistance heat generation. Therefore, the same effect as that obtained by preheating the cathode can be obtained, and carbon nanotubes with high yield and purity can be generated.
Moreover, the thermal conductivity of the carbon electrode normally used as an electrode is in the range of 50 to 200 W / m · K, and the electrical resistivity and the thermal conductivity in the carbon material have a substantially negative correlation. In other words, a material having a high electrical resistivity has a low thermal conductivity and is difficult to transfer heat, so that the temperature near the cathode spot becomes higher. The thermal conductivity of a carbon material having an electrical resistivity of 4000 μΩ · cm or more corresponds to approximately 40 W / m · K or less.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1. FIG.
Hereinafter, the manufacturing method of the carbon nanotube which concerns on the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
[0032]
FIG. 9 is a diagram schematically showing the state of arc discharge (general discharge) between carbon material electrodes in an argon gas atmosphere under atmospheric pressure. A rod-like carbon material is used for the anode 1 and a plate-like carbon is used for the cathode 2. Material is used. As shown in FIG. 9, in an argon gas atmosphere at atmospheric pressure, the position where the arc is generated moves greatly, and the position of the cathode spot also moves violently and irregularly on the cathode plate (flat carbon material 2) (in FIG. 9). Two arcs 3a and 3b having different times are shown in an overlapping manner). Reference numeral 4 denotes a cathode jet, which is a portion where carbon of the cathode is evaporated and some carbon atoms are ionized. Such intense and irregular movement of the arc is particularly remarkable in an argon gas atmosphere at atmospheric pressure, but the same movement is observed even in a helium gas or hydrogen gas atmosphere under a low pressure.
[0033]
FIG. 10 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the result of observing the cathode spot when the arc is generated for a short time by the general discharge of FIG. 9, and (a) is the central part of the cathode spot and its periphery. (B) is an enlarged SEM photograph of the central part of the cathode spot, and (c) is an enlarged SEM photograph of the peripheral part of the cathode spot. As can be seen from these SEM photographs, the center of the cathode spot is formed by dense carbon nanotubes, whereas in the periphery of the cathode spot, a lump of amorphous carbon (amorphous carbon) is deposited. It is only doing. That is, it can be seen that the conditions for synthesizing the carbon nanotubes are prepared at the cathode spot of the arc, whereas the conditions for the carbon nanotubes not being synthesized in the peripheral portion thereof. From these results, in a general arc discharge mode in which the cathode spot moves violently and irregularly, the conditions for synthesizing carbon nanotubes on the cathode electrode and the conditions for not synthesizing carbon nanotubes are alternately repeated, so that amorphous It is considered that only the cathode deposit containing a large amount of impurities such as carbon can be recovered.
[0034]
Therefore, as shown in FIG. 1, a hollow electrode 11 having a hole 11a in the axial center is used as an anode made of a carbon material, and an arc 3 is formed from the hole 11a inside the hollow electrode 11 in an open space (under atmospheric pressure and in an atmospheric atmosphere). When a small amount of argon gas was fed to the arc, it was found that the arc 3 was generated along the gas flow path, and the cathode spot was always generated at a position opposite to the gas outlet. This is considered to be because the arc is generated along the argon gas flow path because the degree of ionization of the argon gas is increased and the conductivity is larger than that of the peripheral portion at a high temperature due to arc discharge. Further, it is considered that the inner surface of the hollow electrode is in contact with the inert gas, so that the anode point is easily formed stably. Further, as described above, an inert gas such as argon has a high ionization efficiency due to collision with electrons, and provides a space where an arc is easily generated. Therefore, if the arc 3 is generated after the supply of argon gas from the hole 11a in the hollow electrode 11 to the cathode 2 is started, the arc generation path can be constrained from the beginning of the arc generation, and the cathode can be restrained. Irregular movement of the cathode spot of the arc on 2 can be prevented. As a result, carbon nanotubes can be preferentially synthesized at the cathode spot generation position (arc center) fixed from the beginning of the arc, and at this fixed cathode spot generation position (arc center). A composite of multi-walled carbon nanotubes with high purity can be produced.
When the cathode deposit obtained by the static arc discharge with the hollow electrode 11 was observed with a scanning electron microscope (SEM), high-purity carbon nanotubes were synthesized even in a long-time arc at the cathode spot, which is the center of the cathode deposit. Turned out to be. In the static arc discharge by the hollow electrode 11, the cathode jet as described above with reference to FIG. 9 is not observed, and it is considered that the carbon vapor generated from the cathode 2 is ejected at a position overlapping the arc column. It was inferred that the carbon nanotube synthesis efficiency was also improved by increasing the concentration of carbon atoms at.
[0035]
The hollow anode electrode is not limited to a carbon material, and a non-consumable electrode such as a water-cooled copper electrode may be used.
[0036]
The inert gas or the mixed gas containing the inert gas flowing from the anode to the cathode uses, for example, a rod-shaped anode 111 as shown in FIG. A gas may flow toward the cathode electrode along the side surface. Even in this case, if the gas flow is sufficiently laminar, an arc is generated along the gas flow and the cathode spot is fixed. The same applies to other embodiments described later.
[0037]
In addition, even if the gas delivered from the hole 11a inside the hollow electrode 11 was pure argon or argon gas mixed with about 20% hydrogen gas or helium gas, there was no significant change in the arc form. In particular, when hydrogen gas was mixed with several percent to several tens of percent in argon, the yield of carbon nanotubes could be increased without impairing arc stability. This is considered to be because hydrogen gas has an effect of preventing the carbon sublimated on the anode electrode from growing as a cluster, and the carbon nanotubes are easily synthesized on the cathode electrode. The appropriate gas flow rate is affected by the cross-sectional area of the hole 11a of the hollow electrode 11, and the cross-sectional area of the hole 11a is 1 mm. 2 10 to 400 ml / min per unit.
[0038]
FIG. 5 is a graph of experimental results showing the relationship between the cross-sectional area of the hollow electrode hole, the gas flow rate flowing inside, and the arc generation mode. As is apparent from FIG. 5, the flow rate of pure argon supplied from the hole 11a of the hollow electrode 11 or argon gas mixed with about 20% hydrogen gas or helium gas has a cross-sectional area of 1 mm. 2 If it is less than 10 ml / min, the plasma gas will not function sufficiently and the cross-sectional area of the hole 11a is 1 mm. 2 If it is more than 400 ml / min, the plasma gas concentration increases up to the periphery of the electrode, and arc discharge is likely to occur not only in the center but also in the periphery, making it impossible to concentrate the arc.
As in this embodiment, the gas flow rate supplied from the hole 11a of the hollow electrode 11 is set to 1 mm in cross-sectional area of the hole 11a of the hollow electrode 11. 2 By setting it to 10 to 400 ml / min per unit, it is possible to create a condition in which only the central portion of the anode electrode is more likely to arc discharge than the peripheral portion while functioning as a plasma gas. As a result, the cathode spots can be concentrated, and high-purity carbon nanotubes can be produced with high yield.
[0039]
Example
A hollow electrode having an outer diameter of 36 mm and an inner diameter of 10 mm is used as the anode electrode, and 10% of argon gas containing 3% hydrogen is directed from the hole in the hollow electrode toward the cathode electrode in an open space (under atmospheric pressure and in atmospheric air). Arc discharge was performed for 1 minute at a current of 500 A and a voltage of 35 V (arc length of about 5 mm) while feeding a flow rate of liters / minute.
[0040]
FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the central part of the cathode deposit obtained by a 1-minute static arc discharge with this hollow electrode. As is apparent from this SEM photograph, it can be seen that high-purity multi-walled carbon nanotubes are synthesized at the center of the cathode deposit. This static arc discharge for 1 minute yielded several tens mg of highly pure multi-walled carbon nanotubes.
[0041]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a carbon nanotube manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
[0042]
The carbon nanotube manufacturing method according to the present embodiment uses a hollow electrode 11 having a hole 11a at the axial center similar to the anode of the first embodiment described above as an anode made of a carbon material, and a metal powder or catalyst used as a catalyst. The inside of the catalyst mixing container 22 containing the metal compound powder 21 and the hole 11a of the hollow electrode 11 are connected, and the inside of the hollow electrode 11 is passed through the catalyst mixing container 22 in an open space (under atmospheric pressure and in the atmospheric atmosphere). A small amount of an inert gas such as argon gas or a mixed gas containing an inert gas is sprayed from the hole 11a toward the cathode 2, and the catalyst metal powder or the metal compound powder 21 is injected on the gas flow. It is characterized in that the arc 3 is generated in the meantime.
[0043]
Also in this embodiment, pure argon or argon gas mixed with about 20% hydrogen gas or helium gas is used as the gas fed from the hole 11a inside the hollow electrode 11. In particular, when hydrogen gas was mixed with several percent to several tens of percent in argon, the yield of carbon nanotubes could be increased without impairing arc stability. This is considered to be because, as described above, there is an effect of preventing carbon sublimated on the anode electrode from growing as a cluster in hydrogen gas, and it becomes a condition that carbon nanotubes are easily synthesized on the cathode electrode.
[0044]
Also in the present embodiment, the appropriate gas flow rate is affected by the cross-sectional area of the hole 11a of the hollow electrode 11 as in the first embodiment, and the cross-sectional area of the hole 11a is 1 mm. 2 By setting the gas flow rate to 10 to 400 ml / min, it is possible to create a condition in which only the central portion of the anode electrode is more likely to arc discharge than the peripheral portion while functioning as a plasma gas. As a result, the cathode spots can be concentrated, and high-purity carbon nanotubes can be produced with high yield.
[0045]
The metal powder or metal compound powder to be used may be of any type as long as it has a catalytic function, but here, a simple substance such as Fe, Ni, Co, or FeS or a mixture thereof was used.
[0046]
Also in this embodiment, since the inert gas or the mixed gas containing the inert gas is sprayed from the hole 11a inside the hollow electrode 11 toward the cathode 2, the inert gas or the inert gas at a high temperature by arc discharge. The ionization degree of the mixed gas containing increases, and the conductivity becomes larger than that of the peripheral portion. In addition, since the anode point is stably formed on the inner surface of the hollow electrode, a constrained arc is formed in which an arc is generated along the gas flow path.
[0047]
Furthermore, in this embodiment, since the catalyst metal powder or the metal compound powder 21 is injected in a gas flow, the catalyst is atomized by arc heat and becomes a nucleus, from which single-walled carbon nanotubes grow. I will do it. In other words, a high-purity single-walled carbon nanotube composite can be produced at the position where the fixed cathode spot is generated (at the center of the arc) and its periphery.
[0048]
Embodiment 3. FIG.
FIG. 6 and FIG. 7 are scanning electron microscope (SEM) photographs of the cathode spot portion showing the production state of carbon nanotubes by the cathode preheating temperature for explaining the carbon nanotube manufacturing method according to the third embodiment of the present invention. is there.
[0049]
In the synthesis of carbon nanotubes by arc discharge, carbon nanotubes and carbon ions generated mainly from the anode carbon electrode diffuse to the cathode side and condense on the cathode electrode surface at a temperature lower than that of the anode, thereby carbon nanotubes (particularly multi-walled carbon nanotubes). Is considered to be synthesized. Therefore, it is said that the lower the temperature of the cathode, the faster the growth rate of carbon nanotubes, and the cathode material need not be a carbon material if it is a heat-resistant conductive material.
[0050]
However, even if only the carbon vapor and carbon ions of the anode are increased, only a low carbon nanotube synthesis ratio can be generated, and high purity carbon can maintain the temperature of the cathode where the carbon nanotubes are generated within an appropriate temperature range. As a result of experiments by the present inventors, it has become clear that it is important in producing nanotubes. That is, under the same electrode configuration and conditions as in the first or second embodiment described above, when arc discharge is performed after the cathode electrode is heated to 500 to 2000 ° C. in advance, the temperature of the cathode spot is preheated. It was confirmed that high-purity carbon nanotubes could be synthesized at a higher temperature than in the case where there was not.
[0051]
That is, without preheating (FIG. 6 (a)), no carbon nanotubes were formed, and when the preheating temperature was 500 ° C. (FIG. 6 (b)), only a small amount of carbon nanotubes were formed, and the preheating effect was obtained. At 2000 ° C. (FIG. 7 (a)), a large amount of carbon nanotubes are formed, and at 2500 ° C. (FIG. 7 (b)), the cathode carbon evaporates violently and the yield of carbon nanotubes decreases. I found out that
[0052]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 is an explanatory view showing the result of synthesizing carbon nanotubes with various carbon materials for explaining the carbon nanotube production method according to the fourth embodiment of the present invention.
[0053]
In order to synthesize carbon nanotubes with high purity and yield, it is advantageous to raise the temperature of the arc cathode spot of the cathode material to some extent as described in the third embodiment. The electrical resistivity (= specific resistance) of the carbon electrode that is normally used as an electrode is in the range of about 500 to 2000 μΩ · cm, but when a carbon material having an electrical resistivity of 4000 μΩ · cm or more is used as the cathode material, In the vicinity of the cathode spot of the cathode material, a high current density is obtained during arc discharge, and therefore the temperature near the cathode spot becomes high due to electric resistance heat generation. Therefore, the same effect as that obtained by preheating the cathode can be obtained, and carbon nanotubes with high yield and purity can be generated.
[0054]
Moreover, the thermal conductivity of the carbon electrode normally used as an electrode is in the range of 50 to 200 W / m · K, and the electrical resistivity and the thermal conductivity in the carbon material have a substantially negative correlation. In other words, a material having a high electrical resistivity has a low thermal conductivity and is difficult to transfer heat, so that the temperature near the cathode spot becomes higher. The thermal conductivity of a carbon material having an electrical resistivity of 4000 μΩ · cm or more corresponds to approximately 40 W / m · K or less.
[0055]
In FIG. 8, various carbon materials A to G made of carbonaceous, graphite, carbonaceous + graphitic, etc. are used, and arc discharge is performed under the same electrode configuration and conditions as in the first or second embodiment. The yield and purity of the obtained carbon nanotubes are evaluated in three stages (◯: good, Δ: normal, ×: bad). As is clear from FIG. 8, the carbon materials B, C, and D having normal electrodes, that is, electrical resistivity (= specific resistance) of about 500 to 2000 μΩ · cm and thermal conductivity of 40 W / m · K or more are all used. The purity of the carbon nanotube was poor, the yield was also poor for the carbon material B, and the carbon materials C and D were normal. In addition, even if the electrical resistivity (= specific resistance) exceeds 2000 μΩ · cm, the carbon material E having a thermal conductivity of 40 W / m · K or more is not less than 4000 μΩ · cm, The purity was normal.
[0056]
In contrast, the carbon materials A, F, and G having an electrical resistivity (= specific resistance) of 4000 μΩ · cm or more and a thermal conductivity of 40 W / m · K or less have good results in both the yield and purity of the carbon nanotubes. Obtained.
[0057]
In each of the above-described embodiments, the arc discharge is performed in an open space (under atmospheric pressure / air atmosphere) as an example. However, it is also possible to perform the discharge in a container. That is, the internal space of the container is opened to the outside through the relief valve, the internal space of the container is set to a constant pressure higher than the atmospheric pressure by the relief valve, and the atmosphere is forcedly introduced into the internal space of the container to form an atmospheric atmosphere. Of hollow electrodes placed inside Hollow part Alternatively, an arc discharge may be performed while spraying an inert gas such as argon gas or a mixed gas containing an inert gas toward the cathode electrode. Conversely, in a container that is lower than atmospheric pressure In space Arc discharge may be performed.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a hollow electrode is used as the anode electrode, Hollow part From the cathode electrode Generate an arc by spraying an inert gas or a mixed gas containing this inert gas, which has a higher ionization efficiency than the atmospheric gas, and forming an arc generation path along the flow of the sprayed inert gas or mixed gas Constrain the path As a result, the arc generation path could be constrained and the cathode spot could be prevented from moving. As a result, carbon nanotubes can be preferentially synthesized at the position where the fixed cathode spot is generated (the center of the arc), and high purity is produced at the position where the fixed cathode spot is generated (the center of the arc). A composite of multi-walled carbon nanotubes could be produced.
[0059]
Also, Since the inert gas or the mixed gas contains a metal powder or metal compound powder serving as a catalyst, The catalyst is atomized by arc heat and becomes a nucleus, from which single-walled carbon nanotubes can be grown. High purity at the location of the fixed cathode spot (arc center) and its periphery Of single-walled carbon nanotubes could be produced.
[0061]
In addition, the flow rate of the inert gas or the mixed gas containing the inert gas sprayed from the inside of the hollow electrode toward the cathode electrode is set so that the cross-sectional area of the hole of the hollow electrode is 1 mm. 2 Since it was 10 to 400 ml / min per minute, it was possible to create a condition in which only the central portion of the anode electrode was more likely to arc discharge than the peripheral portion while functioning as a plasma gas. As a result, the cathode spots could be concentrated, and high purity carbon nanotubes could be produced with good yield.
[0062]
In addition, as an inert gas or a mixed gas containing an inert gas, argon or a mixed gas of argon and hydrogen gas, which has a high ionization efficiency due to collision with electrons, is inexpensive, and can be used industrially, is used. The manufacturing cost of the nanotube could be reduced. Furthermore, by mixing hydrogen gas with argon as a mixed gas, it is possible to prevent carbon sublimated on the anode electrode from growing as a cluster, and to increase the yield of carbon nanotubes without impairing arc stability. I was able to.
[0063]
In addition, since the cathode electrode was previously heated to 500 to 2000 ° C. during arc discharge, carbon nanotubes with higher purity could be synthesized.
[0064]
In addition, since a carbon material having an electrical resistivity of 4000 μΩ · cm or more or a thermal conductivity of 40 W / m · K or less is used as the cathode electrode, the temperature near the cathode spot can be raised during arc discharge. The same effect as that obtained when the cathode was preheated was obtained, and carbon nanotubes with high yield and purity could be produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an arc discharge state between carbon material electrodes by a carbon nanotube manufacturing method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view schematically showing a modified example of the anode electrode by the carbon nanotube manufacturing method according to the first embodiment.
FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the central part of the cathode deposit obtained by the carbon nanotube manufacturing method according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram schematically showing the state of arc discharge between carbon material electrodes by the carbon nanotube production method according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph of experimental results showing the relationship between the cross-sectional area of the hollow electrode hole, the gas flow rate flowing inside, and the arc generation mode.
FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cathode spot portion showing a state of carbon nanotube generation at a cathode preheating temperature for explaining a carbon nanotube production method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cathode spot portion showing a state of carbon nanotube production at a cathode preheating temperature for explaining a carbon nanotube production method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory view showing a result of carbon nanotube synthesis using various carbon materials for explaining a carbon nanotube production method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram schematically showing the state of arc discharge (general discharge) between carbon material electrodes in an argon gas atmosphere under atmospheric pressure.
FIG. 10 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a result of observing a cathode spot when an arc is generated by a general discharge for a short time.
[Explanation of symbols]
2 Cathode electrode
3 Arc
11 Hollow electrode (anode electrode)
11a hole (inside of hollow electrode)
21 Catalyst metal powder or metal compound powder

Claims (6)

陽極電極と炭素材料からなる陰極電極との間でアーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブを合成する際に、前記陽極電極に中空電極を用い、該中空電極の中空部から前記陰極電極に向けて雰囲気ガスよりも電離能率の高い不活性ガスもしくは該不活性ガスを含む混合ガスを吹付け、この吹付けた不活性ガスもしくは混合ガスの流れに沿ってアーク発生経路を形成させることで、アーク発生経路を拘束することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。 When a carbon nanotube is synthesized by performing arc discharge between an anode electrode and a cathode electrode made of a carbon material, a hollow electrode is used for the anode electrode, and the hollow portion of the hollow electrode is directed toward the cathode electrode. Generate an arc by spraying an inert gas or a mixed gas containing the inert gas, which has a higher ionization efficiency than the atmospheric gas, and forming an arc generation path along the flow of the sprayed inert gas or mixed gas A method for producing a carbon nanotube, characterized by constraining a path . 前記不活性ガスもしくは前記混合ガスが、触媒となる金属粉末または金属化合物粉末を含有することを特徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブの製造方法。 The method for producing carbon nanotubes according to claim 1 , wherein the inert gas or the mixed gas contains a metal powder or a metal compound powder serving as a catalyst . 中空電極の中空部から陰極電極に向けて吹付ける前記不活性ガスもしくは前記混合ガスの流量を、中空電極の孔の断面積1mm2 当り10〜400ml/分としたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載のカーボンナノチューブの製造方法。Claim that the hollow portion of the hollow electrode the flow rate of the inert gas or the mixed gas blown toward the cathode electrode, characterized in that a 2 per 10 to 400 / min cross-sectional area of the hollow electrode apertures 1 mm 1 Or the manufacturing method of the carbon nanotube of Claim 2 . 前記不活性ガスもしくは前記混合ガスとして、アルゴンもしくはアルゴンと水素ガスの混合ガスを用いることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。 The method for producing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 3 , wherein argon or a mixed gas of argon and hydrogen gas is used as the inert gas or the mixed gas. アーク放電に際し、陰極電極を予め500〜2000℃に加熱しておくことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。The method for producing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 4 , wherein the cathode electrode is preheated to 500 to 2000 ° C during arc discharge. 陰極電極として、電気抵抗率が4000μΩ・cm以上もしくは熱伝導率が40W/m・K以下の炭素材料を用いることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。The carbon nanotube production according to any one of claims 1 to 5 , wherein a carbon material having an electrical resistivity of 4000 µΩ · cm or more or a thermal conductivity of 40 W / m · K or less is used as the cathode electrode. Method.
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