JP4552022B2 - グラファイト酸化物層間への有機金属種の挿入方法、及びそれを用いる含炭素多孔体複合材料の合成 - Google Patents
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しかし、グラファイトが層状粘土と同様に層状構造を有するにもかかわらず、アルカリ金属やハロゲンなどの比較的小さな分子とグラファイト層間化合物しか形成することができず、その比較的大きな表面積を有する多孔体を形成しないのは、層間距離が小さく、しかもグラファイト層間化合物のようにサンドイッチ構造をとっているためと考えられている。このように、グラファイト或いはグラファイト層間化合物は、大きい表面積の多孔体を構成しないし、後続の加熱処理により架橋を形成しようとしても、それが崩壊して安定した孔を形成することは困難であった。
そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、グラファイト酸化物層状体を、より少量の有機金属種又は有機半金属種を用いて、メカニカル的に両者を均一的に混合させることで、効率的に、かつ短時間で有機金属種をグラファイト酸化物の層間に挿入できることを見出した。さらに、この方法で得られた有機金属種挿入グラファイト酸化物は規則的な層状構造を保っており、有機金属種又は有機半金属種の仕込み量の増加に伴い、層間距離が次第に増大する結果となり、従来の方法で得られた生成物とは異なった。また、この方法で得られた有機金属種挿入グラファイト酸化物を炭化等の後処理をすることにより、表面積1000m2/g以上の含炭素多孔体複合材料を恒常的に合成することができることを見出した。
また、本発明は、前記した本発明の方法で製造されたグラファイト酸化物層状体の層間に金属又は半金属酸化物前駆体が導入されたグラファイト酸化物層状体を、不活性雰囲気中で焼成して安定なピラーを含む含炭素多孔質複合材料を製造する方法、及びこの方法により製造され得る含炭素多孔質複合材料に関する。
このようにして製造されたグラファイト酸化物層状体に、よく知られている粘土層間架橋多孔体を製造する方法と同様にして、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム及び鉄の中から選ばれた少なくとも1種の金属又は半金属の化合物からなるピラーを形成させて、多孔質グラファイト複合材料を製造することができる。
[R1−NR2R3R4]+ (1)
(式中、R1は炭素数8〜20の長鎖アルキル基、R2、R3及びR4はそれぞれ炭素数1〜3のアルキル基であって、この中の1個はR1と同じであってもよい。)で表わされる長鎖アルキル基をもつ第四級アンモニウム陽イオンの使用が記載されている。
また、次の一般式(2)
NR5R6R7 (2)
(式中、R5、R6及びR7の中の少なくとも1個は炭素数1〜3のアルキル基又はヒドロキシアルキル基であり、残りは水素原子である。)
で表わされる有機アミンのような分子も同じように層間を拡張するために用いることができることが記載され、このような有機アミンとしては、例えばメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ビリジン、アニリン、N−メチルアニリン、N,N−ジメチルアニリンなどがあることも記載されている。
そして、このような層間拡張用イオン又は分子の導入は、例えばアルカリ水溶液中でグラファイト酸化物層状体にその質量に基づき、8〜36.0倍量の層間拡張用イオン又は分子を加え、室温から90℃までの範囲の温度で15〜60分間反応させることによって行われることが記載されている。
この方法によれば、グラファイト酸化物の炭素の層間距離は、使用する長鎖有機アミンの炭素鎖の長さ、及び濃度に依存して拡大される。また、使用する有機アミンの炭素数が8の場合であっても、層間距離が通常のグラファイト酸化物の層間距離(0.62nm)の2倍以上に拡大される。このように長鎖有機アミンにより簡便にグラファイト酸化物の層間距離を大きく拡大されること、即ち通常の2倍(1.24nm)以上、好ましくは3倍(1.86nm)以上に拡大された新規なグラファイト酸化物層状体を提供することができる。
本発明の方法において、使用される金属又は半金属酸化物前駆体としては、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム及び鉄の中から選ばれた少なくとも1種の金属又は半金属の化合物、すなわち含ケイ素化合物、含アルミニウム化合物、含チタン化合物、含ジルコニウム化合物、含鉄化合物などが挙げられる。これらの化合物の1種又は2種以上を組み合わせて使用することもできるが、通常は1種類を使用するのが好ましい。好ましい例としては、例えば、シリカゾル、アルミナゾル、チタニアゾル、ジルコニアゾルやシリカ−チタニアゾル、シリカ−酸化鉄ゾル、アルミナ−シリカゾルのような混合ゾルなどが挙げられる。また、他の好ましい例としては、ケイ酸、アルミン酸、チタン酸及びジルコン酸の中から選ばれた金属又は半金属の無機多塩基酸と低級アルコールとのエステル、例えば、炭素数1〜4のアルコール、例えばメチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコールとのエステルが挙げられ、より具体的には、例えばケイ酸テトラエチル、アルミン酸トリエチル、チタン酸テトラエチル、ジルコン酸テトラエチルなどが挙げられる。また、所望ならばこの中のアルコキシル基の一部がアルキル基になっている部分エステルも用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、2種以上組み合わせて用いてもよい。
ここで、グラファイト酸化物層状体(GO)のイオン交換容量([H+])は、酸化した後のグラファイトの層状体(GO)における交換可能な水素イオンの容量(モル)であり、例えば、グラファイト酸化物層状体(GO)を水酸化ナトリウムで処理して、ナトリウムイオンに交換にした後、これを塩酸などの酸で滴定して決定することができる。グラファイト酸化物層状体(GO)のイオン交換容量([H+])の値は、使用するグラファイトや酸化方法などにより異なるが、例えば後記する実施例において製造されたグラファイト酸化物層状体(GO)のイオン交換容量([H+])は、4.92mmol/gであった。このグラファイト酸化物層状体(GO)を1000g使用した場合には、そのイオン交換容量([H+])は4.92モルであるから、これに対して4.92×22モル以下の金属又は半金属酸化物前駆体を使用すればよいことになる。
シュタウデンミール(Staudenmier)の方法(L.Staudenmier, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 31, 1481 (1898))により、グラファイト酸化物層状体(GO)(化学組成式: C8O6.0H3.9,イオン交換容量:4.92mmol/g)を製造した。これをヘキサデシルトリメチルアンモニウムを用いて層間を予備拡張したグラファイト酸化物層状体(以下、GOC16という。)を製造した(特許文献1参照)。
これに、テトラエトキシシラン(TEOS)を、GOのイオン交換容量([H+])に対して、モル数で6モル(5mL)になるように加え、直ちに数回機械的に攪拌し混合した。反応時間は1日で目的のTEOSが挿入されたグラファイト酸化物層状体(以下、GOC16Sという。)が得られた。
次の表1に、同様な比表面積値を得るために必要とする消費TEOS量及び合成時間を、従来の方法(従来法)と本発明の方法(本法)を比較して示す。
グラファイト酸化物層状体(GO)は、シュタウデンミール(Staudenmier)の方法(L.Staudenmier, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 31, 1481 (1898))により製造した。製造されたグラファイト酸化物層状体(GO)の化学組成式(吸着水量を含む)は、C8O6.0H3.9であった。
このグラファイト酸化物層状体(GO)の50mgに、10mLの0.1M NaCl及び0.1M NaOHの混合液を加え、25℃で一週間振動させた後、イオン交換されたグラファイト酸化物層状体(GO)を取り出し、脱イオン水で洗浄した後、酸塩基滴定した。その結果、このグラファイト酸化物層状体(GO)のイオン交換容量は、4.92mmol/gであった。
特許文献1に記載の方法にしたがって、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムを用いて層間を予備拡張したグラファイト酸化物層状体(GOC16)を製造した。
実施例1で製造された層間が予備拡張されたグラファイト酸化物層状体(GOC16)1068mgに、テトラエトキシシラン5mL(4.65mg)を入れ([TEOS]/[H+]=6の条件に相当)、直ちに乳鉢で数回攪拌混合した後、1日放置して、ケイ酸テトラエチルが層間に挿入された層間化合物を得た。
比較のためにテトラエトキシシラン63mL(58.6mg(0.281mmol))を用いて反応させた。反応終了までに7日を要した後、生成した固体を遠心分離し、エチルアルコール10mlで1回洗浄したのち、大気中に24時間放置し、さらに空気中60℃で12時間乾燥させることにより、ケイ酸テトラエチルが層間に挿入された層間化合物を得た。
これらの結果をまとめて、表1に示す。この結果、本発明の方法により消費TEOS量が1/10以下減少し、合成時間が1/7以下短縮し、高収率的に多孔性複合体を得られることがわかった。
実施例1に記載の方法により製造したGOC16の40mgを乳鉢中に入れ、これにピペットでテトラエトキシシランモル数(略称:[TEOS])対GOイオン交換容量(略称:[H+])の比が1モル(31.2μL)、3モル(93.6μL)、6モル(187.2μL)、9モル(280.8μL)、9.7(302.6μL)、12モル(374.4μL)、15モル(468μL)、22モル(686.4μL)に等しくなるように、所定容積のTEOSを固体上に加え、直ちに乳鉢で数回攪拌混合して、1日放置して、ケイ酸テトラエチルが層間に挿入されたそれぞれの層間化合物を得た。
得られたTEOS挿入層間化合物(総称:GOC16S)のそれぞれのXRDパターンを図1に示す。
実施例3で製造されたGOC16Sを空気中に一日放置した後、823Kで真空中で焼成したて、多孔性複合体(GOC16S−823K)を得た。
図2に、GOC16S、及びGOC16S−823KのSiO2含有量(重量%)とTEOS仕込み量との関係を示す。また、BET比表面積は約1030m2/gに達していた。
Claims (9)
- 層間が予備拡張されたグラファイト酸化物層状体に、金属又は半金属酸化物前駆体を添加し、これらを機械的に攪拌して反応させて、層間が予備拡張されたグラファイト酸化物層状体に、金属又は半金属酸化物前駆体を導入する方法であって、使用する金属又は半金属酸化物前駆体の量を、グラファイト酸化物層状体(GO)のイオン交換容量([H + ])に対する金属又は半金属酸化物前駆体の量がモル比で22以下となるようにしたことを特徴とするグラファイト酸化物層状体の層間に金属又は半金属酸化物前駆体を導入する方法。
- 使用する金属又は半金属酸化物前駆体の量が、グラファイト酸化物層状体(GO)のイオン交換容量([H + ])に対する金属又は半金属酸化物前駆体の量がモル比で1〜22である請求項1に記載の方法。
- 使用する金属又は半金属酸化物前駆体の量が、グラファイト酸化物層状体(GO)のイオン交換容量([H + ])に対する金属又は半金属酸化物前駆体の量がモル比で5〜22である請求項1又は2に記載の方法。
- 金属又は半金属酸化物前駆体が、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム及び鉄の中から選ばれた少なくとも1種の金属又は半金属の化合物である請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 金属又は半金属酸化物前駆体が、テトラエトキシシランである請求項4に記載の方法。
- 層間が予備拡張されたグラファイト酸化物層状体が、長鎖有機アミン、長鎖界面活性剤、又は長鎖アルコール等を用いて層間を予備拡張したものである請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 層間が予備拡張されたグラファイト酸化物層状体に、金属又は半金属酸化物前駆体を添加し、これらを機械的に攪拌して反応させる方法である請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の方法で製造されたグラファイト酸化物層状体の層間に金属又は半金属酸化物前駆体が導入されたグラファイト酸化物層状体を、不活性雰囲気中で焼成して安定なピラーを含む含炭素多孔質複合材料を製造する方法。
- 焼成温度が、不活性雰囲気中、500〜700℃である請求項8に記載の方法。
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