JP4530765B2

JP4530765B2 - Adsorbent

Info

Publication number: JP4530765B2
Application number: JP2004250220A
Authority: JP
Inventors: 澄男飯島; 雅子湯田坂; 文夫小海; 邦充高橋; アデレーネニーシャジェイムズ
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; NEC Corp; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; NEC Corp; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP2005021892A

Description

この出願の発明は、吸着材に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、活性化処理が不要で、吸着容量の極めて大きな単層カーボンナノホーンからなる吸着材に関するものである。 The invention of this application relates to an adsorbent. More specifically, the invention of this application relates to an adsorbent made of single-walled carbon nanohorns that require no activation treatment and have a very large adsorption capacity.

最近、この出願の発明者らにより、炭素原子のみからなる新しい炭素同素体である単層カーボンナノホーン（ＳＷＮＨ）が発見された。ＳＷＮＨは、単層カーボンナノチューブの一端が円錐形状を有する管状体であって、各々の円錐部間に働くファンデルワールス力によって、複数のものがチューブ部を中心側にし円錐部が角のように表面部に突き出るような構成で集合し、直径８０ｎｍ程度以下の球状の単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）を形成していることも見出されている。図１（ａ）〜（ｃ）にＳＷＮＨｓのＴＥＭ像を例示した。 Recently, the inventors of this application have discovered a single-walled carbon nanohorn (SWNH), which is a new carbon allotrope composed of only carbon atoms. SWNH is a tubular body in which one end of a single-walled carbon nanotube has a conical shape, and by a van der Waals force acting between each conical part, a plurality of ones have a tube part at the center and a conical part has an angle. It has also been found that the single-walled carbon nanohorn aggregates (SWNHs) having a spherical shape with a diameter of about 80 nm or less are aggregated in a configuration that protrudes to the surface portion. FIG. 1A to FIG. 1C exemplify TEM images of SWNHs.

ＳＷＮＨのチューブ部は、直径約２ｎｍ、長さ３０〜５０ｎｍ程度であり、円錐部は軸断面の頂角が平均２０°程度のものである。ＳＷＮＨｓを構成する隣接した二つのＳＷＮＨの壁間距離は約０．４ｎｍ以下である。 The tube portion of SWNH has a diameter of about 2 nm and a length of about 30 to 50 nm, and the cone portion has an apex angle of an axial section of about 20 ° on average. The distance between the walls of two adjacent SWNHs constituting the SWNHs is about 0.4 nm or less.

このようなＳＷＮＨｓは、フラーレン、カ−ボンナノチュ−ブ等のニューカーボンと同様に、その機能および特性の発見と、化学工業をはじめとする広い分野での応用に大きな期待がよせられている。 Such SWNHs, like new carbons such as fullerenes and carbon nanotubes, are highly expected to find their functions and properties and to be applied in a wide range of fields including the chemical industry.

しかしなから、これまでＳＷＮＨｓの機能および特性に関してはほとんど何も知られていないのが現状である。 However, the current situation is that little is known about the functions and characteristics of SWNHs.

そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、ＳＷＮＨｓの構造を基本とし、これまで未知の新しい機能材として、活性化処理が不要で、吸着容量の極めて大きな単層カーボンナノホーンの吸着材を提供することを課題としている。 Therefore, the invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, and based on the structure of SWNHs, as an unknown new functional material, no activation treatment is required, and the adsorption capacity is extremely large. An object is to provide an adsorbent for a single-walled carbon nanohorn.

そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。 Therefore, the invention of this application provides the following invention as a solution to the above-mentioned problems.

すなわち、まず第１には、この出願の発明は、活性化プロセスを必要とせずにエタノールを吸着する吸着材であって、単層カーボンナノホーンが球状に集合してなる単層カーボンナノホーン集合体により構成されていることを特徴とする吸着材を提供する。 That is, firstly, the invention of this application is an adsorbent that adsorbs ethanol without requiring an activation process, and includes a single-walled carbon nanohorn aggregate formed by collecting single-walled carbon nanohorns in a spherical shape. An adsorbent characterized by being configured is provided.

そして第２には、この出願の発明は、上記第１の発明について、３５０℃〜５５０℃の温度範囲で酸化抵抗性を有することを特徴とする吸着材を提供する。 Secondly, the invention of this application provides an adsorbent characterized by having oxidation resistance in a temperature range of 350 ° C. to 550 ° C. with respect to the first invention.

以上詳しく説明した通り、この発明によって、ＳＷＮＨｓの構造を基本とし、これまで未知の新しい機能材として、活性化処理が不要で、吸着容量の極めて大きな吸着材が提供される。 As described above in detail, according to the present invention, an adsorbent having an extremely large adsorption capacity is provided as an unknown new functional material based on the structure of SWNHs.

この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。 The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.

まず、この出願の発明が提供する吸着材は、活性化プロセスを必要とせずに被吸着物を吸着する吸着材であって、単層カーボンナノホーンが球状に集合してなる単層カーボンナノホーン集合体（以下、単にＳＷＮＨｓと示す）により構成されていることを特徴としている。 First, the adsorbent provided by the invention of this application is an adsorbent that adsorbs an object to be adsorbed without requiring an activation process, and a single-walled carbon nanohorn aggregate formed by collecting single-walled carbon nanohorns in a spherical shape. (Hereinafter, simply referred to as SWNHs).

ＳＷＮＨｓは、チューブの一端が円錐形状の管状体からなる単層カーボンナノチューブの複数のものが、各々のチューブ部を中心側にし、円錐部が角のように表面部に突き出るような構成で球状体を形成したものであることが知られている。このようなＳＷＮＨｓについて、この出願の発明では、これを吸着材としている。ＳＷＮＨｓが吸着材としての機能を有することはこれまで全く知られていないことであって、この出願の発明によってはじめて提示されることになる。 SWNHs are spherical with a structure in which a plurality of single-walled carbon nanotubes each having one end of a tube formed of a conical tubular body are centered on each tube portion, and the conical portion protrudes to the surface portion like a corner. It is known that is formed. Such SWNHs are used as an adsorbent in the invention of this application. It has never been known that SWNHs have a function as an adsorbent, and will be presented for the first time by the invention of this application.

さらに、この出願の発明の吸着材は、驚くべきことに、ＳＷＮＨｓという純粋な炭素材料により構成されているにもかかわらず、いかなる活性化プロセスをも必要とせず、高い吸着活性を示す。例えば従来より吸着材として広く使用されている活性炭材料は、製造過程において、物理的あるいは化学低活性化プロセスが必須とされている。このような活性化プロセスを必要としない高い吸着活性は、ＳＷＮＨｓに独特の新規な化学的特性の発見として画期的である。 Furthermore, the adsorbent of the invention of this application surprisingly does not require any activation process and exhibits a high adsorbing activity despite being composed of a pure carbon material called SWNHs. For example, an activated carbon material that has been widely used as an adsorbent conventionally requires a physical or chemical low activation process in the manufacturing process. The high adsorption activity that does not require such an activation process is epoch-making as the discovery of novel chemical properties unique to SWNHs.

なお、この出願の発明では、ＳＷＮＨｓについては「球状」に単層カーボンナノホーンが集合したものとしているが、この「球状」であることは、真球状であることに限定されることはない。同様に、「円錐」との規定についても真円錐に限られないことは言うまでもない。 In the invention of this application, SWNHs are assumed to be “spherical” in which single-walled carbon nanohorns are aggregated. However, the “spherical” is not limited to being true spherical. Similarly, it goes without saying that the definition of “cone” is not limited to a true cone.

そして、この出願の発明の吸着材は、図２の断面模式図に示したように、ＳＷＮＨｓの表面部に突き出た円錐部の間に形成される空間に、各種の被吸着物を吸着させるようにしている。被吸着物としては、気体、有機物、錯体、生体関連物質等の、各種の物質を考慮することができる。具体的には、たとえば、Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、窒素酸化物、メタン等の有機物ガス等の気体、アルコール、アルデヒド、ケトン、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素等の有機物、金属フタロシアニン等の錯体、汚染水や汚染気流中の有機不純物や生体関連物質等を対象とすることができる。 The adsorbent of the invention of the present application adsorbs various objects to be adsorbed in the space formed between the conical portions protruding from the surface portion of the SWNHs, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. I have to. Various substances such as gases, organic substances, complexes, and biological substances can be considered as the adsorbed substances. Specifically, for example, gases such as O ₂ , N ₂ , CO, CO ₂ , nitrogen oxides, organic gases such as methane, organic substances such as alcohols, aldehydes, ketones, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, Complexes such as metal phthalocyanine, organic impurities in polluted water and polluted airflow, bio-related substances, and the like can be targeted.

たとえば、通常ＳＷＮＨｓの比表面積は１００〜３００ｍ^２／ｇ程度であるが、その吸着容量は、超高比表面積カーボンであるＭＡＣＳＯＲＢ（樹脂ベースのカーボン、賦活：ＫＯＨ活性、平均細孔径：１ｎｍ以下、比表面積：２２９０ｍ^２／ｇ）と比較して、エタノール吸着量で約３．５倍という大きなものとなる。エタノール分子の大きさはおよそ０．６ｎｍ以上であり、図２に示したように、エタノール分子は、ＳＷＮＨｓ吸着材の表面だけではなく、ＳＷＮＨｓを構成する個々の単層カーボンナノホーンの円錐部の相互の間に形成される空間に吸着される。したがって、ＳＷＮＨｓは比表面積が約７〜２３倍程度の超高比表面積カーボンよりも多くの被吸着物質を吸着することができるのである。 For example, the specific surface area of SWNHs is usually about 100 to 300 m ² / g, but its adsorption capacity is MACSORB (resin-based carbon, activation: KOH activity, average pore diameter: 1 nm or less, which is an ultra-high specific surface area carbon, (Specific surface area: 2290 m ² / g), the ethanol adsorption amount is about 3.5 times larger. The size of the ethanol molecule is approximately 0.6 nm or more, and as shown in FIG. 2, the ethanol molecule is not only the surface of the SWNHs adsorbent, but also the conical portions of the individual single-walled carbon nanohorns constituting the SWNHs. It is adsorbed in the space formed between the two. Therefore, SWNHs can adsorb more substances to be adsorbed than ultra-high specific surface area carbon having a specific surface area of about 7 to 23 times.

また、この出願の発明の吸着材は、前記の通りの隣接するチューブ壁により構成される空間に加えて、ＳＷＮＨｓのチューブ部の間に形成される空間（図２において、点線の小さな丸に囲まれた空間）や、さらにはＳＷＮＨｓそのものの内部空間にも被吸着分子を吸着することが可能である。ただし、隣接した二つの単層カーボンナノホーンの管状体の壁間距離は約０．４ｎｍであることから、被吸着分子としては、このような壁間スペースに入り込むことができる程度に小さいものである。被吸着分子が十分に小さい場合には、この出願の発明の吸着材の吸着容量を、さらに大きなものとすることができる。 Further, the adsorbent of the invention of this application is not limited to the space formed by the adjacent tube walls as described above, but also the space formed between the SWNHs tube portions (in FIG. 2, surrounded by a small dotted circle). Adsorbed molecules can also be adsorbed in the internal space of SWNHs itself. However, since the distance between the walls of two adjacent single-walled carbon nanohorn tubular bodies is about 0.4 nm, the adsorbed molecule is small enough to enter such a space between walls. . When the molecules to be adsorbed are sufficiently small, the adsorption capacity of the adsorbent of the invention of this application can be further increased.

加えて、ＳＷＮＨｓ自体が１８００℃以上の真空中で極めて不活性であることは知られていたが、さらには、Ｃ_６０やアモルファスカーボンや活性炭等と比較して３５０〜５５０℃の温度範囲での酸化抵抗が高いことが明らかになった。これにより、この出願の発明の吸着材は、より多様な環境で利用可能となる。 In addition, although SWNHs itself has been known that it is very inert in vacuo at least 1800 ° C., _further, as compared to _{C 60} or amorphous carbon or activated charcoal 3 5 0 temperature of 5 50 ° C. It became clear that the oxidation resistance in the range was high. Thereby, the adsorbent of the invention of this application can be used in more various environments.

なお、この出願の発明におけるＳＷＮＨｓについては、室温、７６０ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中で、触媒無しのグラファイトをターゲットとするＣＯ_２レーザーアブレーション法によって製造することができる。 The SWNHs in the invention of this application can be produced by a CO ₂ laser ablation method using graphite without a catalyst as a target in an Ar atmosphere at room temperature and 760 Torr.

以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings, and embodiments of the present invention will be described in more detail.

（実施例１）
３００ｍｌの９９．５％エタノールにＳＷＮＨｓ１０ｍｇを入れ、一般的な超音波槽を用いて３０分間超音波を照射した。なお、使用したＳＷＮＨｓは、波長１０．６μｍのＣＯ_２レーザーを、反応チャンバー（室温、７６０Ｔｏｒｒ、Ａｒ雰囲気）内で回転しているφ３０×５０ｍｍのグラファイトターゲットにビーム径１０ｍｍで照射して発生させ、収集フィルター上に回収したものであり、その構造は次の通りであった。 Example 1
10 mg of SWNHs was placed in 300 ml of 99.5% ethanol, and ultrasonic waves were irradiated for 30 minutes using a general ultrasonic bath. Incidentally, SWNHs used was a CO ₂ laser with a wavelength of 10.6 [mu] m, the reaction chamber (room temperature, 760 Torr, Ar atmosphere) to a graphite target of 0 30 × 50 mm rotating at a is generated by irradiating a beam diameter 10 mm, It was collected on a collection filter and its structure was as follows.

ＳＷＮＨ：チューブ直径平均２ｎｍ
チューブ長さ３０ｎｍ
円錐部軸断面の頂角平均２０°
ＳＷＮＨｓ：直径平均７０ｎｍ
チューブ壁間距離平均０．３ｎｍ
このようなエタノール処理を施したＳＷＮＨｓ（以下、エタノール処理ＳＷＮＨｓという）は、溶媒を自然蒸発させることで溶液から回収した。超高比表面積を有するＭＡＣＳＯＲＢに対しても、同様なエタノール処理を施した。 SWNH: Tube diameter average 2nm
Tube length 30nm
Average apex angle of the cone section 20 °
SWNHs: Diameter average 70nm
Tube wall distance average 0.3 nm
SWNHs subjected to such ethanol treatment (hereinafter referred to as ethanol-treated SWNHs) were recovered from the solution by spontaneous evaporation of the solvent. The same ethanol treatment was applied to MACSORB having an ultra-high specific surface area.

エタノール処理ＳＷＮＨｓ、未処理ＳＷＮＨｓおよびエタノール処理ＭＡＣＳＯＲＢを試料とし、熱重量分析（ＴＧＡ）を行うことでエタノール吸着量を測定した。測定にはＴＧＡ２９５０を用い、９９．９９９９％のＨｅ雰囲気中で、室温〜６００℃の温度範囲を昇温速度１０℃／ｍｉｎ．で加熱した。Ｈｅガスの流量は、６０ｍｌ／ｍｉｎ．で一定とした。なお、試料室は各々の分析前にＨｅガスでパージし、残留酸素の低減を図った。 The ethanol adsorption amount was measured by performing thermogravimetric analysis (TGA) using ethanol-treated SWNHs, untreated SWNHs, and ethanol-treated MACSORB as samples. TGA2950 was used for the measurement, and the temperature range from room temperature to 600 ° C was set in a 99.9999% He atmosphere at a rate of temperature increase of 10 ° C / min. And heated. The flow rate of He gas is 60 ml / min. And constant. The sample chamber was purged with He gas before each analysis to reduce residual oxygen.

ＴＧＡの結果を、図３に示した。図中のアルファベットａ、ｂはそれぞれエタノール処理ＳＷＮＨｓのＴＧＡ曲線とＤＴＧＡ曲線を、ｃはエタノール処理ＭＡＣＳＯＲＢのＴＧＡ曲線を示している。未処理ＳＷＮＨｓについては、この温度範囲において目立った重量変化が見られなかったことから図示しなかった。このことから、残留酸素による分析への影響はなかったものとした。 The results of TGA are shown in FIG. In the figure, alphabets a and b represent the TGA curve and DTGA curve of ethanol-treated SWNHs, respectively, and c represents the TGA curve of ethanol-treated MACSORB. Untreated SWNHs were not shown because no noticeable weight change was observed in this temperature range. From this, it was assumed that there was no influence on the analysis by residual oxygen.

エタノール処理ＳＷＮＨｓの重量の減少はエタノールの脱離によるものであり、エタノール処理によってＳＷＮＨｓに吸着されたエタノール量に一致する。このことから、ＳＷＮＨｓのエタノール吸着量は約２５重量％であった。また、ＴＧＡ曲線およびＤＴＧＡ曲線から、エタノールの脱離は１００〜５５０℃の範囲で２段階で連続的に生じていることが分かった。一方の曲線ｃから、ＭＡＣＳＯＲＢのエタノール吸着量は７重量％程度であることがわかった。 The decrease in the weight of the ethanol-treated SWNHs is due to the desorption of ethanol and coincides with the amount of ethanol adsorbed on the SWNHs by the ethanol treatment. From this, the ethanol adsorption amount of SWNHs was about 25% by weight. Further, it was found from the TGA curve and the DTGA curve that ethanol desorption occurred continuously in two steps in the range of 100 to 550 ° C. From one curve c, it was found that the ethanol adsorption amount of MACSORB was about 7% by weight.

以上のことから、この出願の発明のＳＷＮＨｓ吸着材は、例えば、超高比表面積カーボンよりもエタノールの吸着容量が約３．５倍というように、吸着容量の大きいことが示された。
（実施例２）
実施例１におけるＳＷＮＨｓと他の炭素材のＯ₂雰囲気における熱安定性をＴＧＡ分析により調べた。炭素材としては、Ｃ_６０、グラファイト、ダイヤモンド、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ）、気相成長カーボンファイバー（ＶＧＣＦ０７５）、活性炭繊維Ａ−２０（比表面積：１８００ｍ^２／ｇ）およびＭＡＣＳＯＲＢ（比表面積：２２９０ｍ^２／ｇ）を用いた。その結果から、図４に、ＳＷＮＨｓと他の炭素材料のＤＴＧＡ曲線を示した。 From the above, it was shown that the SWNHs adsorbent of the invention of this application has a large adsorption capacity, for example, the adsorption capacity of ethanol is about 3.5 times that of ultra-high specific surface area carbon.
(Example 2)
The thermal stability of SWNHs in Example 1 and other carbon materials in an O ₂ atmosphere was examined by TGA analysis. As carbon materials, C ₆₀ , graphite, diamond, amorphous carbon (a-C), vapor grown carbon fiber (VGCF075), activated carbon fiber A-20 (specific surface area: 1800 m ² / g) and MACSORB (specific surface area: 2290 m) ² / g) was used. From the results, FIG. 4 shows DTGA curves of SWNHs and other carbon materials.

ＳＷＮＨｓの酸化は３００℃付近から徐々に始まり、６２０℃付近でピークとなり、７２０℃で終了することがわかった。他の炭素材料と比較して、ＳＷＮＨｓの熱安定性は、ＶＧＣＦ０７、グラファイトおよびダイヤモンドには劣っていた。しかしながら、６１０℃以下で完全に燃焼するＣ_６０、ａ―Ｃや２種の活性炭；Ａ−２０およびＭＡＣＳＯＲＢよりは安定していた。また、これらの材料よりも、３５０〜５５０℃の温度範囲でのＳＷＮＨｓの酸化速度が低いことが注目された。すなわち、ＳＷＮＨｓは、３５０〜５５０℃の温度範囲で、Ｃ₆₀、ａ―Ｃ、Ａ−２０およびＭＡＣＳＯＲＢ等の材料よりも高い酸化抵抗特性を有することがわかった。 It was found that the oxidation of SWNHs started gradually from around 300 ° C., peaked at around 620 ° C., and ended at 720 ° C. Compared to other carbon materials, the thermal stability of SWNHs was inferior to VGCF07, graphite and diamond. However, it was more stable than C ₆₀ , a-C and two types of activated carbon; A-20 and MACSORB, which burn completely at 610 ° C. or lower. It was also noted that the oxidation rate of SWNHs in the temperature range of 350 to 550 ° C. was lower than these materials. That is, it was found that SWNHs has higher oxidation resistance characteristics than materials such as C ₆₀ , aC, A-20, and MACSORB in a temperature range of 350 to 550 ° C.

以上のことから、ＳＷＮＨｓの酸素雰囲気中における熱安定性は高く、Ｃ₆₀、ａ―Ｃ、２種の活性炭と比較して３５０〜５５０℃の温度範囲で高酸化抵抗を示すことはＳＷＮＨｓ自体に付加的な価値を与え、この出願の発明の酸化触媒および触媒担体が広い範囲で利用できることが示された。 From the above, the thermal stability in an oxygen atmosphere at SWNHs is high, to exhibit high oxidation resistance at C _60, a-C, 2 kinds of compared to the activated carbon 3 5 0-5 50 temperature range ℃ is It provided additional value to SWNHs themselves, indicating that the inventive oxidation catalyst and catalyst support of this application can be used in a wide range.

もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。 Of course, the present invention is not limited to the above examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.

ＳＷＮＨｓのＴＥＭ像を例示した図である。（ａ）ＳＷＮＨｓは、直径が８０ｎｍ程度でほぼ均一な大きさの球状体である。（ｂ）それぞれのＳＷＮＨｓは、管状のＳＷＮＨが球状に集合して構成されている。（ｃ）ＳＷＮＨｓの表面部には、２０ｎｍ程度の長さの円錐状の突出物が複数認められる。It is the figure which illustrated the TEM image of SWNHs. (A) SWNHs are spherical bodies having a diameter of about 80 nm and a substantially uniform size. (B) Each SWNHs is formed by collecting tubular SWNHs into a spherical shape. (C) A plurality of conical protrusions having a length of about 20 nm are observed on the surface of SWNHs. 集合体表面に突出しているホーン間の空間に吸着されたエタノール分子（小さい点群）の様子を例示した模式図である。（縮尺等は正確ではない。）It is the schematic diagram which illustrated the mode of the ethanol molecule (small point group) adsorbed in the space between the horns which protruded on the surface of an aggregate. (The scale is not accurate.) ＴＧＡ分析の結果を例示した図であり、ａ、ｂはエタノール処理したＳＷＮＨｓのＴＧＡ曲線とＤＴＧＡ曲線を、また、ｃはエタノール処理したＭＡＣＳＯＲＢのＴＧＡ曲線を示している。It is the figure which illustrated the result of the TGA analysis, a and b show the TGA curve and DTGA curve of SWNHs which carried out ethanol treatment, and c shows the TGA curve of MACSORB which carried out ethanol treatment. 酸素雰囲気中のＳＷＮＨｓおよび各種カーボン材料のＤＴＧＡ曲線を例示した図である。It is the figure which illustrated the DTGA curve of SWNHs and various carbon materials in oxygen atmosphere.

Claims

An adsorbent that adsorbs ethanol without an activation process, and is composed of a single-walled carbon nanohorn aggregate formed by collecting single-walled carbon nanohorns in a spherical shape.

The adsorbent according to claim 1, wherein the adsorbent has oxidation resistance in a temperature range of 350 ° C to 550 ° C.