JP4572319B2 - Carbon nanohorn manufacturing method and manufacturing apparatus - Google Patents

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本発明は、カーボンナノ粒子の製造方法及びその方法を用いる製造装置に関するものであり、特に、カーボンナノホーンの製造方法及び装置に好適なものである。   The present invention relates to a carbon nanoparticle production method and a production apparatus using the method, and is particularly suitable for a carbon nanohorn production method and apparatus.

従来、カーボンナノホーン粒子の製造方法には、レーザーアブレーション法、不活性ガス中の黒鉛電極間のアーク放電法、液体窒素中の黒鉛電極間のアーク放電法などがある。ここで、アーク放電法で製造したカーボンナノ粒子は、原子配列の欠陥が少なく、電界電子放出源や燃料電池材料に適していることが知られている(特許文献1、特許文献2、特許文献3)。   Conventional methods for producing carbon nanohorn particles include a laser ablation method, an arc discharge method between graphite electrodes in an inert gas, and an arc discharge method between graphite electrodes in liquid nitrogen. Here, it is known that carbon nanoparticles produced by the arc discharge method have few atomic arrangement defects and are suitable for field electron emission sources and fuel cell materials (Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document). 3).

不活性ガス中の黒鉛電極間のアーク放電法は、二つの黒鉛電極を容器内に対向して配置し、その容器にアルゴンやヘリウムなどの希ガス(不活性ガス)を充填し、炭素電極間に電圧を印加してアークプラズマを発生させ、アークの陽極表面から発生する炭素蒸気(すす)を冷却することにより、カーボンナノホーン粒子を生成するというものである。生成されたカーボンナノホーン粒子は、陰極表面に堆積したり、容器内面に付着したりしており、これを回収するものである。ここで、炭素蒸気を冷却する方法としては、容器から炭素蒸気を吸い上げ水で冷却する方法や、アークプラズマを電磁石によって圧縮、拡散させることにより冷却する方法などが知られている(非特許文献1,非特許文献2)。   In the arc discharge method between graphite electrodes in an inert gas, two graphite electrodes are placed facing each other in a container, and the container is filled with a rare gas (inert gas) such as argon or helium, between the carbon electrodes. A voltage is applied to the electrode to generate arc plasma, and carbon nanohorn particles are generated by cooling carbon vapor (soot) generated from the anode surface of the arc. The produced carbon nanohorn particles are deposited on the cathode surface or attached to the inner surface of the container, and are collected. Here, as a method of cooling the carbon vapor, a method of sucking up the carbon vapor from the container and cooling it with water, a method of cooling the arc plasma by compressing and diffusing it with an electromagnet, etc. are known (Non-Patent Document 1). Non-patent document 2).

また、液体窒素中の黒鉛電極間のアーク放電法は、液体窒素の中で炭素電極間に電圧を印加してアークプラズマを発生させ、アークの陽極表面から発生する炭素蒸気を液体窒素で冷却することにより、カーボンナノホーン粒子を生成するというものである。   Also, the arc discharge method between graphite electrodes in liquid nitrogen is to apply a voltage between carbon electrodes in liquid nitrogen to generate arc plasma, and to cool the carbon vapor generated from the anode surface of the arc with liquid nitrogen Thus, carbon nanohorn particles are generated.

また、不活性ガス中でなく、水中において炭素電極でアーク放電を発生させ、カーボンナノ粒子を生成する方法も開発されているが、この方法によって生成できるものはカーボンナノ粒子の一種であるカーボンナノオニオン(多層フラーレン状ナノ粒子)である(非特許文献3)。この他、最近の報告で、水中において炭素電極でアーク放電を発生させると、多層カーボンナノチューブができることも知られている(非特許文献4)。   In addition, a method of generating carbon nanoparticles by generating an arc discharge at a carbon electrode in water instead of in an inert gas has been developed, but what can be generated by this method is a type of carbon nano-particles. Onion (multilayer fullerene-like nanoparticles) (Non-patent Document 3). In addition, according to a recent report, it is also known that multi-walled carbon nanotubes are formed when arc discharge is generated at a carbon electrode in water (Non-patent Document 4).

特開2002−348108号公報JP 2002-348108 A 特開2001−064004号公報JP 2001-064004 A 特開2003−020215号公報JP 2003-020215 A 日経産業新聞(2003年1月24日朝刊1面) 「カーボンナノホーン 生成能力、倍に エイアールブイ 装置を共同開発」Nikkei Sangyo Shimbun (January 24, 2003, morning edition) “Carbon nanohorn production capacity, double the joint development of an IR buoy device” 日本経済新聞(2003年2月13日朝刊37面) 「カーボンナノホーン 生成量、従来の倍 エイアールブイと豊橋技科大助教授 新装置を開発」Nihon Keizai Shimbun (37 pages of morning editions on February 13, 2003) “Carbon nanohorn production amount, double the conventional amount. Proceedings of the Seventh Applied Diamond Conference/Third Frontier Carbon Technology Joint Conference(ADC/FCT2003) 「Large-scale synthesis of single-walled carbon nanohorns using the arc in liquid method」Proceedings of the Seventh Applied Diamond Conference / Third Frontier Carbon Technology Joint Conference (ADC / FCT2003) `` Large-scale synthesis of single-walled carbon nanohorns using the arc in liquid method '' N. Sano, H. Wang, I. Alexandrou, M. Chhowalla, K. B. K. Teo, G. A.J. Amaratunga, K. Iimura,「Properties of nano carbon particles produced by an arc discharge in water」Journal of Applied Physics, vol 92, pp. 2783-2788, year 2002.N. Sano, H. Wang, I. Alexandrou, M. Chhowalla, KBK Teo, GAJ Amaratunga, K. Iimura, `` Properties of nano carbon particles produced by an arc discharge in water '' Journal of Applied Physics, vol 92, pp. 2783-2788, year 2002.

上述した従来のカーボンナノホーンの製造方法は、いずれも炭素を気化させて比較的不活性な気体中で、急速に冷却させるとカーボンナノホーンができるという現象を利用している。
しかし、レーザーアブレーション法は、炭素を気化させるためにCOパルスレーザを使用するので設備に要するコストが高くなるといった問題がある。
All of the conventional methods for producing carbon nanohorns described above utilize the phenomenon that carbon nanohorns can be formed when carbon is vaporized and rapidly cooled in a relatively inert gas.
However, the laser ablation method has a problem that the cost required for the equipment increases because a CO 2 pulse laser is used to vaporize carbon.

また、液体窒素中のアーク放電法は、液体窒素中で炭素電極間を放電するだけの簡単な方法であり、設備に要するコストは低いという利点がある一方で、液体窒素が早く消耗するためランニングコストが高くなるという問題に加え、カーボンナノ粒子を大量生産する場合には補充用の液体窒素用タンクを必要とするといった問題がある。   In addition, the arc discharge method in liquid nitrogen is a simple method that only discharges between carbon electrodes in liquid nitrogen, and has the advantage that the cost required for equipment is low, while running because liquid nitrogen is consumed quickly. In addition to the problem of high cost, there is a problem that a replenishment liquid nitrogen tank is required for mass production of carbon nanoparticles.

また、不活性ガス中のアーク放電法は、真空容器、真空排気装置などが必要となるため設備に要するコストが高いのに加え、カーボンナノ粒子を生成する毎に排気・大気解放を繰り返さなければならず、また、容器の内壁や陰極に付着堆積したカーボンナノ粒子を回収するといった工程が必要であり、製造工程が煩雑となることから連続大量生産には適していないという問題がある。また、このアーク放電法では、回収したカーボンナノ粒子から、生成目的のもの、例えば、カーボンナノホーンをカーボン粒子から単離させ、選別して回収するなどの工程が必要となるという問題がある。   In addition, the arc discharge method in an inert gas requires a vacuum vessel, a vacuum exhaust device, etc., so that the cost required for the equipment is high, and in addition, it is necessary to repeatedly exhaust and release the atmosphere every time carbon nanoparticles are generated. In addition, there is a problem in that it is not suitable for continuous mass production because it requires a process of collecting the carbon nanoparticles deposited and deposited on the inner wall of the container and the cathode, and the manufacturing process becomes complicated. In addition, this arc discharge method has a problem that a process for producing a product, for example, carbon nanohorn, is isolated from the carbon particles, sorted and collected from the collected carbon nanoparticles.

さらに、水中におけるアーク放電によるカーボンナノ粒子の生成方法では、生成されるカーボンナノ粒子はナノオニオン(多層フラーレン状カーボンナノ粒子)や多層カーボンナノチューブであり、単層カーボンナノホーンを生成することは困難であった。   Furthermore, in the method for producing carbon nanoparticles by arc discharge in water, the produced carbon nanoparticles are nano-onions (multi-walled fullerene-like carbon nanoparticles) and multi-walled carbon nanotubes, and it is difficult to produce single-walled carbon nanohorns. there were.

本発明に係るカーボンナノホーンの製造方法は、液体窒素中で炭素電極間を放電する方法におけるランニングコストの問題を解決し、従来の既知の製造方法と比較して、製造設備のコスト及びランニングコストを大幅に低減することを目的とする。   The carbon nanohorn manufacturing method according to the present invention solves the problem of running cost in a method of discharging between carbon electrodes in liquid nitrogen, and reduces the cost of manufacturing equipment and running cost as compared with the conventional known manufacturing method. The purpose is to greatly reduce.

また、アーク放電法における真空容器、真空排気装置などの設備を不要とし、装置コストを大幅低減すると共に、カーボンナノホーンを生成する毎に必要とされていた排気・大気解放を繰り返す工程と、容器の内壁や陰極に付着堆積したカーボンナノホーンを回収するといった煩雑な回収工程を無くすことを目的とする。   In addition, it eliminates the need for facilities such as a vacuum vessel and a vacuum evacuation device in the arc discharge method, greatly reduces the device cost, and repeats the exhaust and atmosphere release required every time the carbon nanohorn is generated, The object is to eliminate a complicated recovery step of recovering the carbon nanohorn deposited and deposited on the inner wall or the cathode.

また、生成されるカーボンナノホーンから単層カーボンナノホーンと多層カーボンナノチューブやナノ粒子を容易に分別回収できることを目的とする。
さらに、単層カーボンナノホーンを高い回収率で回収し、単層カーボンナノホーンの生成能力を従来の製造方法と比較して向上させ、大量生産可能な生成能力を確保することを目的とする。
Another object of the present invention is to easily separate and collect single-walled carbon nanohorns, multi-walled carbon nanotubes, and nanoparticles from the produced carbon nanohorns.
Furthermore, it aims at recovering single-walled carbon nanohorns at a high recovery rate, improving the production capacity of single-walled carbon nanohorns compared to conventional manufacturing methods, and ensuring production capacity capable of mass production.

本発明者は、カーボンナノホーンの製造方法について鋭意研究及び実験を重ねた結果、アークプラズマ中に水蒸気が入って来ない条件で、水中におけるアーク放電場に窒素などの比較的不活性な気体を送り込むことにより、カーボンナノホーンが生成できることを知見し、本発明を完成した。以下、上述の課題を解決するための手段について説明する。   As a result of intensive research and experiments on the production method of carbon nanohorn, the present inventor sends a relatively inert gas such as nitrogen into an arc discharge field in water under the condition that water vapor does not enter the arc plasma. As a result, it was found that carbon nanohorns could be generated, and the present invention was completed. Hereinafter, means for solving the above-described problems will be described.

第1の解決手段は、黒鉛陰極と黒鉛陽極との間に電圧を印加しアーク放電を発生させる工程と、不活性な気体をアーク放電の発生領域に導入する工程と、アーク放電の発生領域を覆う隔壁の中を通して、アーク放電により生成された炭素蒸気を不活性な気体と共に水中に送り出す工程と、水面もしくは水中で浮遊或いは堆積するカーボンナノ粒子を回収する工程とを備えるカーボンナノ粒子の製造方法である。
ここでの第1の特徴は、アーク放電によるカーボンナノ粒子の生成方法において、気体をアーク放電場に導入するという手段を用いた点である。この不活性な気体(例えば窒素ガス)をアーク放電場に導入することにより、液体窒素中でのアーク放電と同様な条件を作り出すことを可能とし、カーボンナノ粒子の生成工程において液体窒素や補充用液体窒素タンクを不要とすることができると共に、製造設備コストや製造ランニングコストを大幅に低減できることである。
The first solving means includes a step of applying a voltage between the graphite cathode and the graphite anode to generate arc discharge, a step of introducing an inert gas into the arc discharge generation region, and an arc discharge generation region. A method for producing carbon nanoparticles, comprising: a step of sending carbon vapor generated by arc discharge into water together with an inert gas through a partition wall to be covered; and a step of recovering carbon nanoparticles floating or deposited in the water surface or in water It is.
The first feature here is that, in the method for producing carbon nanoparticles by arc discharge, means for introducing a gas into the arc discharge field is used. By introducing this inert gas (for example, nitrogen gas) into the arc discharge field, it is possible to create the same conditions as arc discharge in liquid nitrogen. A liquid nitrogen tank can be made unnecessary, and manufacturing equipment costs and manufacturing running costs can be significantly reduced.

次に第2の特徴は、前記アーク放電の発生領域を覆う隔壁を設けることにより、アークプラズマ中に水蒸気や空気が入って来ないようにした点である。空気や水蒸気を遮断することによりカーボンナノホーンの中間体がガスと反応して消失することを抑制でき、工業生産に拡張できる十分な単層のカーボンナノホーン粒子を生成することができる。仮に、アーク放電の発生領域を覆う隔壁を設けないで、単純に不活性ガスをノズルなどを用いてアークプラズマ中に吹き込んでも、単層カーボンナノホーン粒子は生成されないことを確認している。また、隔壁の長さによって、カーボンナノホーン粒子の生成速度が変化することを確認しており、この点については後述の実施例にて詳細に説明する。   A second feature is that water vapor and air are prevented from entering the arc plasma by providing a partition wall that covers the arc discharge generation region. By blocking air and water vapor, it is possible to suppress the disappearance of the carbon nanohorn intermediate by reacting with the gas, and it is possible to generate sufficient single-layer carbon nanohorn particles that can be expanded to industrial production. It has been confirmed that single-walled carbon nanohorn particles are not generated even if an inert gas is simply blown into the arc plasma using a nozzle or the like without providing a partition wall that covers the arc discharge generation region. In addition, it has been confirmed that the generation rate of the carbon nanohorn particles varies depending on the length of the partition wall, and this point will be described in detail in Examples described later.

ここで、単層カーボンナノホーン粒子の製造過程を説明する。先ず、アーク放電により生成された炭素蒸気が、不活性な気体と共に隔壁を移動拡散する。この時に多層カーボンナノチューブやサイズの大きいカーボン粒子は、隔壁に付着堆積する。炭素蒸気が隔壁から水中に送り出されることにより、急激に冷却され、炭素蒸気から単層カーボンナノホーン粒子が生成される。単層カーボンナノホーン粒子は、水面付近に浮遊するため、これを回収し、乾燥させる。これらの一連の工程によって、単層カーボンナノホーン粒子を製造することができるのである。   Here, the manufacturing process of the single-walled carbon nanohorn particles will be described. First, carbon vapor generated by arc discharge moves and diffuses along the partition wall together with an inert gas. At this time, multi-walled carbon nanotubes and large-sized carbon particles are deposited on the partition walls. When carbon vapor is sent out into the water from the partition wall, it is cooled rapidly and single-walled carbon nanohorn particles are generated from the carbon vapor. Since single-walled carbon nanohorn particles float near the water surface, they are collected and dried. Single-walled carbon nanohorn particles can be produced by a series of these steps.

上記の第1の解決手段は、カーボンナノ粒子の製造において、水と不活性な気体を用いるといったものであり、従来の既知の製造方法と比較し、製造設備のコスト及びランニングコストを大幅に低減でき、また、アーク放電法における真空容器、真空排気装置などの設備を不要とし、装置コストを低減できる。また、カーボンナノホーンを生成する毎に必要とされていた排気・大気解放を繰り返す工程と、容器の内壁や陰極に付着堆積したカーボンナノホーン粒子を回収するといった煩雑な回収工程を無くすことができると共に、生成物から単層カーボンナノホーンと多層カーボンナノチューブやナノ粒子の分別回収ができるのである。   The first solution described above is to use water and inert gas in the production of carbon nanoparticles, and greatly reduce the cost and running cost of production equipment as compared with the conventional known production methods. In addition, equipment such as a vacuum vessel and a vacuum exhaust device in the arc discharge method is not required, and the device cost can be reduced. In addition, it is possible to eliminate the process of repeating the exhaust and air release required every time the carbon nanohorn is generated and the complicated recovery process of recovering the carbon nanohorn particles deposited and deposited on the inner wall and the cathode of the container, Single-walled carbon nanohorns, multi-walled carbon nanotubes and nanoparticles can be separated and recovered from the product.

第2の解決手段は、上述の第1の解決手段の構成要素である黒鉛陰極と黒鉛陽極を工夫した点が特徴である。具体的には、黒鉛陰極1が、一端の内部に空洞化部位5を有し、他の一端に空洞化部位5まで貫通する通気孔6を有し、黒鉛陽極2が空洞化部位5に遊挿され、前記不活性な気体が通気孔6を通してアーク放電場に導入され、前記炭素蒸気が空洞化部位5を導路管として不活性な気体と共に水中に送り出されることを特徴とするものである。   The second solution is characterized in that the graphite cathode and the graphite anode, which are constituent elements of the first solution, are devised. Specifically, the graphite cathode 1 has a hollow portion 5 inside one end, and has a vent hole 6 penetrating to the hollow portion 5 at the other end. The inert gas is introduced into the arc discharge field through the vent hole 6, and the carbon vapor is sent into the water together with the inert gas through the hollow portion 5 as a conduit. .

ここで、黒鉛陰極1の一端の内部を空洞化することにより、アーク放電の発生領域を覆う隔壁を容易に設けることができるのである。すなわち、空洞化部位5の穴底と黒鉛陰極2の先端との間にアーク放電の隙間(以下、「アークギャップ」と称する)を保持して、黒鉛陽極2が非接触で挿入されるので、黒鉛陰極と黒鉛陽極の間でアーク放電が生じると、この空洞化部位5の側面部分が隔壁となってアーク放電の発生領域を覆うことができる。   Here, by making the inside of one end of the graphite cathode 1 hollow, it is possible to easily provide a partition wall that covers an arc discharge generation region. That is, the graphite anode 2 is inserted in a non-contact manner while holding a gap for arc discharge (hereinafter referred to as “arc gap”) between the hole bottom of the hollow portion 5 and the tip of the graphite cathode 2. When an arc discharge is generated between the graphite cathode and the graphite anode, the side surface portion of the hollowed portion 5 can serve as a partition wall to cover the arc discharge generation region.

また、黒鉛陰極1の空洞化部位5の側面部分の隔壁と、黒鉛陽極2の側面部分との距離を調整し、アーク放電が生じやすい距離にすることで、黒鉛陽極の先端部分のみならず、側面部分でもアーク放電が生じさせることができ、アーク放電の発生領域を大きくすることができる作用がある。アーク放電領域が大きくなることで、黒鉛陽極から発生する炭素蒸気の量が増え、ナノカーボン粒子の発生速度を向上させることができるのである。   Also, by adjusting the distance between the partition wall of the side surface portion of the hollow portion 5 of the graphite cathode 1 and the side surface portion of the graphite anode 2 so as to easily cause arc discharge, not only the tip portion of the graphite anode, Arc discharge can also be generated at the side surface portion, and there is an effect that the arc discharge generation region can be enlarged. By increasing the arc discharge region, the amount of carbon vapor generated from the graphite anode increases, and the generation rate of nanocarbon particles can be improved.

次に、黒鉛陰極1に、空洞化部位5まで貫通する通気孔6を設けるのは、不活性な気体をアーク放電の発生領域に導入させるためである。前述した如く、アーク放電の発生領域を覆う隔壁を設けないで、単純に不活性な気体をノズルなどを用いてアークプラズマ中に吹き込んでも、単層カーボンナノホーン粒子は生成されない。この通気孔6を通して、黒鉛陰極1の空洞化部位5に不活性な気体を送り込むことで、アーク放電発生領域を覆う隔壁を設けた状態で、不活性な気体を導入させることができるのである。   Next, the ventilation hole 6 penetrating to the hollow portion 5 is provided in the graphite cathode 1 in order to introduce an inert gas into the arc discharge generation region. As described above, the single-walled carbon nanohorn particles are not generated even if an inert gas is simply blown into the arc plasma using a nozzle or the like without providing a partition wall that covers the arc discharge generation region. By sending an inert gas through the vent hole 6 to the hollow portion 5 of the graphite cathode 1, the inert gas can be introduced in a state where a partition wall covering the arc discharge generation region is provided.

さらに、アーク放電により発生した炭素蒸気は、黒鉛陰極1の空洞化部位5を導路管として、不活性な気体と共に水中に送り出されるのである。この時、多層カーボンナノチューブやサイズの大きいカーボン粒子は、黒鉛陰極1の空洞化部位5の側面に付着堆積する。炭素蒸気が空洞化した部分から水中に送り出されることにより、急激に冷却され、炭素蒸気から単層カーボンナノホーン粒子が生成されるのは上述のとおりである。   Further, the carbon vapor generated by the arc discharge is sent out into the water together with an inert gas using the hollow portion 5 of the graphite cathode 1 as a conduit tube. At this time, multi-walled carbon nanotubes and large-sized carbon particles are deposited and deposited on the side surfaces of the hollow portion 5 of the graphite cathode 1. As described above, the carbon vapor is rapidly cooled by being sent out into the water from the hollowed portion, and single-walled carbon nanohorn particles are generated from the carbon vapor.

ここで、前述の第1の解決手段および第2の解決手段において、炭素蒸気を急速に冷却する液体としては水を採用しているが、この代わりに、アーク放電発生温度以下で流動性ある液体を用いたとしても、同様の作用が生じる。   Here, in the first solution and the second solution described above, water is used as the liquid for rapidly cooling the carbon vapor, but instead, a liquid that is fluid at or below the arc discharge generation temperature. Even if is used, the same effect occurs.

また、前述の第1の解決手段および第2の解決手段において、不活性な気体を、窒素ガス以外に他の反応性の低いガス成分,例えばAr,Heなどの希ガス,若しくはこれらの混合ガスとしても、同様の作用が生じる。なお、反応性のあるガスが少し導入ガスに混ざっていても濃度が低く混合ガスの反応活性が十分に低ければ問題ないことは勿論のことである。   In the first and second solving means described above, the inert gas may be a gas component other than nitrogen gas, such as a rare gas such as Ar or He, or a mixed gas thereof. However, the same effect occurs. It goes without saying that even if a reactive gas is mixed in the introduced gas, there is no problem if the concentration is low and the reaction activity of the mixed gas is sufficiently low.

また、前述の第1の解決手段および第2の解決手段において、生成されるカーボンナノ粒子のうち、水面に浮遊するのは単層カーボンナノホーンであることが特徴であるが、同時に、多層カーボンナノチューブやサイズの大きいカーボン粒子は、黒鉛陰極1の空洞化部位5の側面に付着堆積し、それらは、アークプラズマから受ける圧力や送り込まれる不活性な気体の流圧によって、剥離され水底に沈殿堆積する。従来のアーク放電の場合と異なり、水面に浮遊するものと水底に沈殿堆積するものとで、生成されるカーボンナノ粒子の性状が異なり、自然に分別ができる点が特徴である。また、生成されたカーボンナノホーン粒子は水により捕獲されるため、従来のアーク放電の場合と異なり、容器の側面に付着したものを回収するといった煩雑な回収作業が不要であるのとともに、水で完全に捕獲され、大気中に放出されるといったことがなく、カーボンナノ粒子の回収率がほぼ100%近くになり、従来の場合よりも回収率が大幅に向上する。
なお、水底に沈殿堆積する多層カーボンナノチューブやサイズの大きいカーボン粒子に混じって、ごく微量の単層カーボンナノホーンが含まれていることを顕微鏡観察により確認しているが、単層カーボンナノホーンの回収の効率性の観点からは、水面に浮遊する単層カーボンナノホーンを回収していく方が有利と考えている。
In the first and second solving means described above, among the generated carbon nanoparticles, it is a feature that the single-walled carbon nanohorn is floating on the water surface. The carbon particles having a large size adhere to and deposit on the side surface of the hollow portion 5 of the graphite cathode 1, and they are separated and deposited on the bottom of the water by the pressure received from the arc plasma or the flow pressure of the inert gas sent. . Unlike the case of conventional arc discharge, the characteristics of the generated carbon nanoparticles differ depending on whether they float on the water surface or deposit on the bottom of the water. In addition, since the generated carbon nanohorn particles are captured by water, unlike the case of conventional arc discharge, a complicated recovery operation such as recovery of the particles adhering to the side surface of the container is unnecessary, and the carbon nanohorn particles are completely removed with water. In other words, the carbon nanoparticle recovery rate is almost 100%, and the recovery rate is greatly improved as compared with the conventional case.
In addition, it is confirmed by microscopic observation that a very small amount of single-walled carbon nanohorns are mixed with multi-walled carbon nanotubes and large-sized carbon particles that are deposited on the bottom of the water. From the viewpoint of efficiency, it is considered more advantageous to collect the single-walled carbon nanohorn floating on the water surface.

また、前述の第1の解決手段および第2の解決手段において、電極に直流電圧を印加することによりアーク放電を発生させているが、直流パルス電圧でも同様の作用が生じるのは勿論のことである。また、電極に交流電圧又は交流パルス電圧を印加することによりアーク放電を発生させた場合には、黒鉛陰極、黒鉛陽極が交互に入れ替わるため、双方の電極から炭素蒸気が発生し、双方の電極が消耗していくことになるが、同様にカーボンナノ粒子が生成される。   In the first and second solutions described above, arc discharge is generated by applying a DC voltage to the electrodes, but it goes without saying that the same effect occurs even with a DC pulse voltage. is there. In addition, when an arc discharge is generated by applying an AC voltage or an AC pulse voltage to the electrodes, the graphite cathode and the graphite anode are alternately switched, so that carbon vapor is generated from both electrodes, and both electrodes are Although it will be consumed, carbon nanoparticles are similarly generated.

次に、前述の第1の解決手段および第2の解決手段において、黒鉛電極(前記黒鉛陽極若しくは黒鉛陰極のいずれか一方又は双方)に代えて、金属を含有若しくは内蔵している黒鉛電極、または、金属が表面の一部分若しくは全部に散布,塗布,メッキ又はコートされている黒鉛電極を用いた場合においても、同様にカーボンナノホーン粒子を生成することができる。また、例えば、添加物として鉄やニッケルなどの金属を用いて生成反応を起こした場合、カーボンナノホーン粒子に金属ナノ粒子を内包、すなわち、閉じた短い単層カーボンナノチューブが球状に凝集しているナノ粒子であるカーボンナノホーン粒子の中心付近に、金属ナノ粒子を入れることが可能である。 Next, in the first and second solving means described above, instead of the graphite electrode (either the graphite anode or the graphite cathode or both), a graphite electrode containing or containing a metal , or In the case of using a graphite electrode in which a metal is dispersed, coated, plated or coated on a part or all of the surface, carbon nanohorn particles can be similarly produced. Also, for example, when a generation reaction is caused using a metal such as iron or nickel as an additive , carbon nanohorn particles include metal nanoparticles, that is, nano particles in which closed short single-walled carbon nanotubes are aggregated in a spherical shape. It is possible to put metal nanoparticles near the center of the carbon nanohorn particles that are particles.

ここで、黒鉛陰極や黒鉛陽極の炭素電極には、アーク放電が起こる程度の伝導性を有する黒鉛化度または純度を有する炭素電極を含む。例えば、アーク放電が起こる程度の伝導性を持つアモルファスカーボンや活性炭を、黒鉛電極の代わりに、電極に用いることは可能である。   Here, the carbon electrode of the graphite cathode or the graphite anode includes a carbon electrode having a degree of graphitization or purity having conductivity to the extent that arc discharge occurs. For example, amorphous carbon or activated carbon having conductivity sufficient to cause arc discharge can be used for the electrode instead of the graphite electrode.

次に、前述の第1の解決手段および第2の解決手段であるカーボンナノホーンの製造方法を用いた製造装置に必要なコンポーネント機構を以下に列挙する。
1)一端の内部に空洞化部位5と、他の一端に空洞化部位5まで貫通する通気孔6を有する第1の電極
2)空洞化部位5に遊挿された第2の電極
3)電極間に電圧を印加しアーク放電を発生させる機構
4)通気孔6を通してアーク放電場に不活性な気体を導入させる機構
5)アーク放電により生成された炭素蒸気を空洞化部位5を導路管として不活性な気体と共に流体4中に送り出させる機構
6)流体4に浮遊するカーボンナノ粒子を回収する機構
ここで、第1の電極および第2の電極の電極径や、アーク放電における放電電流値、不活性な気体の流速、空洞化部位5の穴の深さとの相関関係、最適値などについては、具体例を示しながら、実施例において詳細に説明することとする。
Next, component mechanisms necessary for a manufacturing apparatus using the carbon nanohorn manufacturing method as the first and second solving means described above are listed below.
1) A first electrode having a hollow portion 5 inside one end and a vent hole 6 penetrating to the hollow portion 5 at the other end 2) a second electrode 3) inserted loosely in the hollow portion 5 A mechanism for generating an arc discharge by applying a voltage between them 4) A mechanism for introducing an inert gas into the arc discharge field through the vent hole 5) A carbon vapor generated by the arc discharge with the cavity 5 as a conduit tube A mechanism for sending the carbon nanoparticle floating in the fluid 4 together with an inert gas. 6) A mechanism for collecting the carbon nanoparticles floating in the fluid 4. Here, the electrode diameters of the first electrode and the second electrode, the discharge current value in the arc discharge, The correlation between the flow rate of the inert gas, the depth of the hole in the hollow portion 5, the optimum value, and the like will be described in detail in the examples while showing specific examples.

次に、均一なカーボンナノ粒子を持続的に安定して得る量産化を考慮した製造方法について説明する。上述のカーボンナノ粒子の製造方法において、水中に炭素蒸気が送り出されることにより生成されるカーボンナノ粒子を超音波振動子等により水面を振動させて分散させる工程と、炭素蒸気を送り出す部位の局部的な水温の上昇を防ぐため水漕の水を攪拌する工程と、水の温度を一定温度に維持するため水温を調整する工程を備えることにより、より均一なカーボンナノ粒子を持続的に安定して得ることができる。これらの工程は、生成工程において常時おこなうか、周期的に行うことが望ましい。
ここで、本発明により生成されたカーボンナノホーン粒子は、水面に浮いて集まるので、水が滞留する場合は、アーク放電操作中にナノホーン粒子の凝集を防ぐことは困難であるが、水が流水となって移動する場合に、超音波振動子などにより、水面を振動させることにより、カーボンナノ粒子を分散させる効果がある。
また、超音波振動子により、黒鉛陰極の空洞化部位の隔壁に沈着する粒子の固まりを防ぐことができるというメリットがある。なお、隔壁に沈着する粒子の固まりを防ぐ方法としては、放電にパルス放電を用いてもよい。通常の水中アーク放電を行う場合、連続放電と比較してパルス放電は、衝撃波を生じるために、隔壁の沈着物が形成されないからである。
その他の方法として、カーボンナノホーン粒子は、表面が疎水性なので界面活性剤などを水に添加すると水面での大きな凝集は防げるというメリットがあるが、反面、カーボンナノホーン粒子は水面に浮遊しなくなり水中で分散するために回収が困難になるというデメリットがある。

Next, a description will be given of a production method that takes into account mass production to obtain uniform carbon nanoparticles continuously and stably. In the above-described method for producing carbon nanoparticles, a step of dispersing the carbon nanoparticles generated by sending carbon vapor into water by vibrating the water surface with an ultrasonic vibrator or the like, The process of stirring the water in the elutriation to prevent a rise in water temperature and the process of adjusting the water temperature to maintain the temperature of the water at a constant temperature ensure more uniform carbon nanoparticles in a continuous and stable manner. Obtainable. These steps are desirably performed constantly or periodically in the generation step.
Here, since the carbon nanohorn particles generated by the present invention float and collect on the water surface, it is difficult to prevent aggregation of the nanohorn particles during the arc discharge operation when the water stays, When moving in such a manner, there is an effect of dispersing the carbon nanoparticles by vibrating the water surface with an ultrasonic vibrator or the like.
In addition, there is an advantage that the ultrasonic vibrator can prevent the particles from being deposited on the partition walls of the hollow portion of the graphite cathode from being agglomerated. Note that pulse discharge may be used for discharge as a method for preventing the aggregation of particles deposited on the partition walls. This is because, when normal underwater arc discharge is performed, shock discharge is generated in pulse discharge as compared with continuous discharge, so that deposits on the partition walls are not formed.
As another method, since carbon nanohorn particles have a hydrophobic surface, adding a surfactant or the like to water has the advantage of preventing large aggregation on the water surface, but on the other hand, carbon nanohorn particles do not float on the water surface and do not float in water. There is a demerit that collection becomes difficult due to dispersion.

また、炭素蒸気を送り出す部位の局部的な水温上昇を防ぐために水漕の水を攪拌する工程を設けること、及び、水の温度を一定温度に維持するため水温を調整する工程を設けることにより、より均一なカーボンナノ粒子を持続的に安定して得ることができる。なお、水の攪拌については、不活性な気体を送り込むことによるバブリングによる攪拌で代用することも可能である。水温の変化は、アークの温度(4000度程度)と水温(0〜100度)との温度差と比較すると、カーボンナノホーン粒子の生成反応に大きな影響をもたらすものではないが、持続的に量産を続ける場合には、水温の調整も重要な生成パラメータとなってくると考える。   In addition, by providing a step of stirring the water in the elutriation in order to prevent a local water temperature rise at the site where the carbon vapor is sent out, and by providing a step of adjusting the water temperature to maintain the temperature of the water at a constant temperature, More uniform carbon nanoparticles can be obtained continuously and stably. In addition, about stirring of water, it is also possible to substitute by stirring by bubbling by sending inactive gas. The change in the water temperature does not have a large effect on the carbon nanohorn particle formation reaction compared to the temperature difference between the arc temperature (about 4000 degrees) and the water temperature (0 to 100 degrees), but the mass production is sustained. If we continue, the adjustment of water temperature will be an important generation parameter.

本発明に係るカーボンナノホーンの製造方法は、上述の手段を用いることにより、液体窒素中で炭素電極間を放電するに類似した状態を作り出し、液体窒素中でのアーク放電法におけるランニングコストの問題を解決し、従来の既知の製造方法と比較して、製造設備のコスト及びランニングコストを大幅に低減する効果を有する。   The method for producing a carbon nanohorn according to the present invention creates a state similar to discharging between carbon electrodes in liquid nitrogen by using the above-mentioned means, and solves the problem of running cost in the arc discharge method in liquid nitrogen. It has the effect of significantly reducing the cost and running cost of the manufacturing equipment as compared with the conventional known manufacturing method.

また、水中でアーク放電することにより、生成したカーボン粒子を水で100%近く回収できることから、真空容器、真空排気装置などの設備を不要とし、装置コストを低減すると共に、カーボンナノホーンを生成する毎に必要とされていた排気・大気解放を繰り返す工程と、容器の内壁や陰極に付着堆積したカーボンナノホーン粒子を回収するといった煩雑な回収工程を無くす効果を有すると共に、単層カーボンナノホーン粒子を高い回収率で回収し、単層カーボンナノホーン粒子の生成能力を従来の製造方法と比較して向上させ、大量生産可能な生成能力を確保できるという効果を有する。   Moreover, since the generated carbon particles can be recovered almost 100% with water by performing arc discharge in water, equipment such as a vacuum vessel and a vacuum exhaust device is not required, the device cost is reduced, and carbon nanohorns are generated each time. In addition to eliminating the troublesome recovery process of collecting the carbon nanohorn particles deposited and deposited on the inner wall of the container and the cathode, and the high recovery of single-walled carbon nanohorn particles. The production capacity of single-walled carbon nanohorn particles is improved as compared with the conventional production method, and the production capacity capable of mass production can be secured.

さらに、生成される単層カーボンナノホーン粒子は、水に浮遊するため、単層カーボンナノホーン粒子と、多層カーボンナノチューブやカーボン粒子を簡単に分別回収できるという効果を有する。   Furthermore, since the produced single-walled carbon nanohorn particles float in water, the single-walled carbon nanohorn particles and the multi-walled carbon nanotubes and carbon particles can be easily separated and collected.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は図示の構成に限定されるわけでない。あるガス流速、電極径、放電電流値の条件において、図示の寸法に最適値があり、また、図示する製造装置の構成においても様々な設計変更が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the illustrated configuration. In the conditions of a certain gas flow rate, electrode diameter, and discharge current value, there are optimum values for the dimensions shown in the figure, and various design changes can be made in the configuration of the manufacturing apparatus shown in the figure.

図1は、本発明の一実施形態であるカーボンナノホーン粒子の製造装置である。本実施形態におけるカーボンナノホーンの生成過程について以下に詳細に説明する。先ず、黒鉛陰極1と黒鉛陽極2との間に直流電源8を用い、黒鉛陰極1と黒鉛陽極2に放電電流を流して、アーク放電を例えば短時間発生させ、黒鉛陽極2に含有されている炭素を蒸発させて、炭素蒸気を生成させる。この際、窒素などの比較的不活性な気体3をガスボンベ7から、アーク放電場10に送り込ませる。なお、製造過程においては、アーク放電を発生させる前から、不活性な気体3を送り込ませることとしている。アーク放電場10は隔壁で囲まれており、この隔壁を通して、アーク放電により生成された炭素蒸気は、不活性な気体と共に水4に送り出される。隔壁を通り抜けたあとは、不活性な気体がバブル状に水中を拡散すると同時に、不活性な気体に含まれた炭素蒸気が水で急冷され、カーボンナノ粒子が生成され、水面付近に浮遊する。また、隔壁にも、アーク放電による炭素蒸気が冷却されカーボンナノ粒子となり付着堆積する。一部の付着堆積物は、アークプラズマから受ける圧力や送り込まれる不活性な気体の流圧によって隔壁から剥離され、水底に沈殿堆積する。
ここで、水面付近に浮遊ものを乾燥させることで、単層カーボンナノホーン粒子を得ることができる。また、水底に沈殿堆積したものを乾燥させると、多層カーボンナノチューブおよびカーボン粒子を得ることができる。
FIG. 1 is an apparatus for producing carbon nanohorn particles according to an embodiment of the present invention. The generation process of the carbon nanohorn in the present embodiment will be described in detail below. First, a DC power source 8 is used between the graphite cathode 1 and the graphite anode 2, and a discharge current is passed through the graphite cathode 1 and the graphite anode 2 to generate an arc discharge for a short time, for example, and is contained in the graphite anode 2. Carbon is evaporated to produce carbon vapor. At this time, a relatively inert gas 3 such as nitrogen is sent from the gas cylinder 7 to the arc discharge field 10. In the manufacturing process, the inert gas 3 is fed before the arc discharge is generated. The arc discharge field 10 is surrounded by a partition wall, and the carbon vapor generated by the arc discharge is sent to the water 4 through the partition wall together with an inert gas. After passing through the partition walls, the inert gas diffuses in the water in a bubble shape, and at the same time, the carbon vapor contained in the inert gas is quenched with water, generating carbon nanoparticles and floating near the water surface. Also, carbon vapor generated by arc discharge is cooled and deposited on the partition walls as carbon nanoparticles. Some of the deposited deposits are separated from the partition walls by the pressure received from the arc plasma or the flow pressure of the inert gas that is sent, and are deposited on the bottom of the water.
Here, the single-walled carbon nanohorn particles can be obtained by drying the suspended matter near the water surface. Moreover, when the sediment deposited on the water bottom is dried, multi-walled carbon nanotubes and carbon particles can be obtained.

図2に、黒鉛陰極の模式図を示す。図2を用いて、上記の実施例の黒鉛陰極の構造を工夫した点を以下に説明する。具体的には、黒鉛陰極1の一端に、内部を空洞化した空洞化部位5と、他の一端に空洞化部位5まで貫通する通気孔6を有している構造である。
黒鉛陰極1の一端の内部を空洞化することにより、アーク放電の発生領域を覆う隔壁を黒鉛陰極自体で設けることができるのである。また、黒鉛陰極1の通気孔6は、不活性なガスをアーク放電の発生領域に導入するために設けるものである。図2では、穴を2個設けているが、この通気孔は1個でも3個以上にしても良い。
FIG. 2 shows a schematic diagram of a graphite cathode. The point which devised the structure of the graphite cathode of said Example using FIG. 2 is demonstrated below. More specifically, the graphite cathode 1 has a structure having a hollow portion 5 having a hollow inside at one end and a vent hole 6 penetrating to the hollow portion 5 at the other end.
By making the inside of one end of the graphite cathode 1 hollow, it is possible to provide a partition wall covering the arc discharge generation region by the graphite cathode itself. Further, the vent hole 6 of the graphite cathode 1 is provided for introducing an inert gas into a region where arc discharge is generated. Although two holes are provided in FIG. 2, the number of the vent holes may be one or three or more.

図3は、黒鉛陰極1と黒鉛陽極2の間のアーク放電部分の配置図を示している。黒鉛陽極2が黒鉛陰極1の空洞化部位5に遊挿され、不活性な気体が通気孔6を通してアーク放電場に導入され、アーク放電により発生した炭素蒸気が空洞化部位5を導路管として不活性な気体と共に送り出されることができる電極の構造及び配置となっている。ここで、空洞化部位5の穴底と黒鉛陰極2の先端との間にアーク放電の隙間Dを保持して、黒鉛陽極2が非接触で挿入される。黒鉛陰極1と黒鉛陽極2の間でアーク放電が生じると、この空洞化部位5の側面部分が隔壁となってアーク放電の発生領域を覆い、アーク放電を閉じ込めることができる。黒鉛陰極1の空洞化部位5の側面部分の隔壁と、黒鉛陽極2の側面部分との距離Eを調整し、アーク放電が生じやすい距離にすることで、黒鉛陽極2の先端部分のみならず、側面部分でもアーク放電が生じさせることができ、アーク放電の発生領域を大きくすることができる。   FIG. 3 shows a layout diagram of an arc discharge portion between the graphite cathode 1 and the graphite anode 2. The graphite anode 2 is loosely inserted into the hollow portion 5 of the graphite cathode 1, an inert gas is introduced into the arc discharge field through the vent hole 6, and the carbon vapor generated by the arc discharge uses the hollow portion 5 as a conduit tube. It has an electrode structure and arrangement that can be delivered with an inert gas. Here, the gap A for arc discharge is maintained between the hole bottom of the hollow portion 5 and the tip of the graphite cathode 2, and the graphite anode 2 is inserted without contact. When an arc discharge is generated between the graphite cathode 1 and the graphite anode 2, the side surface portion of the hollow portion 5 serves as a partition wall to cover the generation area of the arc discharge, and the arc discharge can be confined. By adjusting the distance E between the partition wall of the side surface portion of the hollow portion 5 of the graphite cathode 1 and the side surface portion of the graphite anode 2 and making it easy to cause arc discharge, not only the tip portion of the graphite anode 2, Arc discharge can also be generated at the side portion, and the area where arc discharge occurs can be enlarged.

ここで、黒鉛陰極の穴底と黒鉛陽極の先端との間のアーク放電ギャップDは、1〜2mmの距離が良く、アーク放電の発生に好適である。また、黒鉛陰極の側面と黒鉛陽極の側面との間のアーク放電ギャップEは、1〜2mmの距離が良く、アーク放電の発生領域の拡大に好適である。   Here, the arc discharge gap D between the hole bottom of the graphite cathode and the tip of the graphite anode has a good distance of 1 to 2 mm, and is suitable for generation of arc discharge. Moreover, the arc discharge gap E between the side surface of the graphite cathode and the side surface of the graphite anode has a good distance of 1 to 2 mm, and is suitable for expanding the arc discharge generation region.

また、隔壁の長さFは、放電電流の値、電極径、不活性な気体の流速の条件により、異なる最適値が存在する。例えば、黒鉛陰極径Aが3mmで、黒鉛陰極径Bが9mmで、空洞化部位の隔壁の厚みCが1mmで、黒鉛陰極の穴底と黒鉛陽極の先端との間のアーク放電ギャップDが2mm、黒鉛陰極の側面と黒鉛陽極の側面との間のアーク放電ギャップEが2mmの場合において、カーボンナノホーンの生成速度、反応率、放電電流、隔壁の長さとの関係を測定した結果を以下に説明する。   Further, the optimum length F of the partition wall varies depending on the discharge current value, the electrode diameter, and the flow rate of the inert gas. For example, the graphite cathode diameter A is 3 mm, the graphite cathode diameter B is 9 mm, the partition wall thickness C is 1 mm, and the arc discharge gap D between the bottom of the graphite cathode hole and the tip of the graphite anode is 2 mm. In the case where the arc discharge gap E between the side surface of the graphite cathode and the side surface of the graphite anode is 2 mm, the results of measuring the relationship between the generation rate of carbon nanohorn, the reaction rate, the discharge current, and the length of the partition wall are described below. To do.

図6は、放電電流を変化させた場合において、放電時間および放電後のカーボンナノホーン粒子を含む水面に浮遊する粉末の重量を測定し、カーボンナノホーン粒子の生成速度の電流依存性を求めた結果を示している。図6から、放電電流を増加させることによりカーボンナノホーン粒子の生成速度が増加することがわかる。また、図6から放電電流値が65A以上では、増加率も急激に上がることがわかる。
ここで、放電電流を大きくすることで、生成速度を上げることが可能である。しかしながら、黒鉛陽極径が小さい場合には、あまりに放電電流を大きくすると、黒鉛陽極の消耗が早すぎて不安定になってしまう。黒鉛陽極径を大きくすることで放電電流をさらに大きくすることが可能であり、そのような設計変更を行うことで、1バッチの製造工程あたりのカーボンナノホーン粒子の生成量を増やすことが可能である。
FIG. 6 shows the results of measuring the current dependency of the generation rate of carbon nanohorn particles by measuring the discharge time and the weight of the powder floating on the water surface containing the carbon nanohorn particles after discharge when the discharge current is changed. Show. FIG. 6 shows that the generation rate of the carbon nanohorn particles is increased by increasing the discharge current. Further, it can be seen from FIG. 6 that when the discharge current value is 65 A or more, the increase rate increases rapidly.
Here, the generation rate can be increased by increasing the discharge current. However, when the graphite anode diameter is small, if the discharge current is too large, the graphite anode is consumed too quickly and becomes unstable. It is possible to further increase the discharge current by increasing the graphite anode diameter, and by making such a design change, it is possible to increase the amount of carbon nanohorn particles produced per batch manufacturing process. .

図7は、図6で放電電流を変化させた場合において、黒鉛陽極の消耗(重量の減少)を測定し、消耗した黒鉛陽極の重量あたりのカーボンナノホーン粒子の反応率を求めた結果を示している。図7からわかることは、カーボンナノホーン粒子の反応率は放電電流にあまり影響を受けないことである。   FIG. 7 shows the results of measuring the consumption (reduction in weight) of the graphite anode and determining the reaction rate of the carbon nanohorn particles per weight of the consumed graphite anode when the discharge current is changed in FIG. Yes. It can be seen from FIG. 7 that the reaction rate of the carbon nanohorn particles is not significantly affected by the discharge current.

図8は、放電電流を50(A)に固定して、隔壁の長さ(陰極穴の深さ)を変化させたときのカーボンナノホーン粒子の生成速度(g/h)を測定した結果を示している。図8から、黒鉛陰極の空洞化部分による隔壁の長さが20mmのとき、生成速度が最も速いことがわかる。この隔壁は、アーク放電場を広くする効果があると考えるが、図8の結果が示すように、隔壁の長さを、例えば、30mmに長くしたとしても、生成速度は増加せず、むしろ減少している。この理由としては、隔壁が長くなりすぎると炭素蒸気が隔壁に付着堆積する割合が大きくなり、不活性な気体と共に水中に追い出される炭素蒸気が減少することと、また、隔壁の長さを大きくしてもアーク放電電流が一定の条件では、アーク放電場の広がりに限界があるからである。   FIG. 8 shows the results of measuring the generation rate (g / h) of carbon nanohorn particles when the discharge current is fixed at 50 (A) and the length of the barrier rib (the depth of the cathode hole) is changed. ing. FIG. 8 shows that the generation rate is the fastest when the length of the partition wall due to the hollow portion of the graphite cathode is 20 mm. Although this barrier rib is considered to have an effect of widening the arc discharge field, as shown in the results of FIG. 8, even if the length of the barrier rib is increased to, for example, 30 mm, the generation rate does not increase but rather decreases. is doing. The reason for this is that if the partition wall becomes too long, the rate at which carbon vapor adheres to and accumulates on the partition wall increases, reducing the amount of carbon vapor expelled into the water together with the inert gas, and increasing the partition wall length. This is because there is a limit to the spread of the arc discharge field under the condition that the arc discharge current is constant.

図9は、黒鉛陽極の消耗を測定し、消耗した黒鉛陽極の重量あたりのカーボンナノホーン粒子の反応率を求めた結果を示している。図9に示すように、隔壁の長さが5mmでは、その反応率は低い。隔壁の長さが15mmになると、反応率が5mmと比較し高くなっている。また、隔壁の長さが15mm、20mm、30mmと変化させた場合、隔壁の長さを長くなっても、反応率はほぼ横ばいで変化せず、むしろ隔壁の長さが長くなるとわずかに反応率が低下している。   FIG. 9 shows the results of measuring the consumption of the graphite anode and determining the reaction rate of the carbon nanohorn particles per weight of the consumed graphite anode. As shown in FIG. 9, when the partition wall length is 5 mm, the reaction rate is low. When the length of the partition wall is 15 mm, the reaction rate is higher than that of 5 mm. In addition, when the length of the partition wall was changed to 15 mm, 20 mm, and 30 mm, the reaction rate did not change even when the length of the partition wall was increased, but rather the reaction rate slightly increased when the length of the partition wall was increased. Has fallen.

図10は、電流50A,陰極穴深さ15mmで生成したカーボンナノホーン粒子を超音波でトルエン中に分散させた状態にした時の粒子径分布を動的光散乱によって求めた結果を示している。図10の分布では30nm程度から大きい径へ分布があり,数の比では70nm付近にピークを持っている。透過顕微鏡による観察においても、約70nmの粒子径を持つカーボンナノホーン粒子がよく観察できる。   FIG. 10 shows the result of obtaining the particle size distribution by dynamic light scattering when carbon nanohorn particles generated at a current of 50 A and a cathode hole depth of 15 mm are dispersed in toluene by ultrasonic waves. In the distribution of FIG. 10, there is a distribution from about 30 nm to a large diameter, and the number ratio has a peak in the vicinity of 70 nm. Also in observation with a transmission microscope, carbon nanohorn particles having a particle diameter of about 70 nm can be observed well.

窒素ガス吸着による粉末の比表面積の測定を行った結果を表1に示す。
結果として130m2/g程度の値が示されているが,レーザー蒸発法で生成したカーボンナノホーン粒子凝集体の値が約300m2/g程度と報告されている(K. Murata et al. / Chemical Physics Letters, vol. 331, pp.14-20 (2000))。この値と比較すると表1で示す非表面積の値は低い値である。これは、同条件で合成した粉末に、カーボンナノホーン粒子よりも高密度でサイズの大きい不純物が混入していたと想定している。
Table 1 shows the results of measuring the specific surface area of the powder by nitrogen gas adsorption.
As a result, a value of about 130 m 2 / g is shown, but the value of carbon nanohorn particle aggregates produced by laser evaporation is reported to be about 300 m 2 / g (K. Murata et al. / Chemical Physics Letters, vol. 331, pp. 14-20 (2000)). Compared with this value, the value of the non-surface area shown in Table 1 is a low value. This assumes that the powder synthesized under the same conditions was mixed with impurities having a higher density and larger size than the carbon nanohorn particles.

次に、消耗する黒鉛陽極を繰り返し交換しながら同じ空洞化部位を有する黒鉛陰極を使用したときのその連続使用に関するデータを示す。陰極穴径7mm、深さ15mmの黒鉛陰極の空洞化部位に3mm径の黒鉛陽極を挿入して50Aで放電を行った場合、約60秒はカソードの空洞化部位の側面にできる沈着物が剥離して吐き出されながら放電が継続して進むが,それ以上の時間を放電しようとすると、残留してくる沈着物が蓄積されてきて黒鉛陰極の空洞化部位の放電を持続できなくなる。この対処策としては、長時間放電においては、黒鉛陰極の空洞化部位の側面に沈着物が蓄積することを抑制するよう、ガス流量、黒鉛陰極の空洞化部位の長さ、黒鉛陽極とのアークギャップ距離を調整するか、または、黒鉛陰極に超音波などの振動を与えることによりアーク放電の時間を延ばすことができる。   Next, the data regarding the continuous use when using the graphite cathode which has the same hollowing part, replacing | exchanging the graphite anode to wear repeatedly are shown. When a graphite anode with a diameter of 3 mm is inserted into a hollow portion of a graphite cathode having a cathode hole diameter of 7 mm and a depth of 15 mm and discharging is performed at 50 A, deposits formed on the side surfaces of the hollow portion of the cathode are peeled off for about 60 seconds. However, if the discharge is continued for a longer time, the remaining deposits are accumulated and the discharge of the hollow portion of the graphite cathode cannot be sustained. As countermeasures against this, in a long-time discharge, the gas flow rate, the length of the hollow portion of the graphite cathode, the arc with the graphite anode are controlled so as to suppress the accumulation of deposits on the side surface of the hollow portion of the graphite cathode. The arc discharge time can be extended by adjusting the gap distance or applying vibration such as ultrasonic waves to the graphite cathode.

図11と図12に、本発明にかかる製造装置を用いて、生成した単層カーボンナノホーンの透過顕微鏡画像を示す。図11の高倍率透過顕微鏡画像から、生成したものが単層カーボンナノホーンであることがわかる。   11 and 12 show transmission microscope images of single-walled carbon nanohorns generated using the manufacturing apparatus according to the present invention. It can be seen from the high-magnification transmission microscope image of FIG. 11 that the generated single-walled carbon nanohorn.

図4は、黒鉛陽極と黒鉛陰極間のアーク放電を水中ではなく、水面上で放電を生じさせた場合の製造装置の構成図を示している。図4に示すように、水面上でアーク放電を行う場合においても、黒鉛陰極の空洞化部位の隔壁の存在と、不活性な気体をアーク放電場に導入する工程により、実施例1の水中の場合と同様に、空気や水蒸気を遮断することができる。このため、実施例2の水面上の場合でも、カーボンナノホーンの中間体がガスと反応して消失することを抑制でき、同様にカーボンナノホーンが生成できるのできる。この場合は、水中に炭素電極が入らないため、大量生産において炭素電極を交換する場合の工程が簡単になるという効果がある。   FIG. 4 shows a configuration diagram of a manufacturing apparatus when arc discharge between a graphite anode and a graphite cathode is generated not on water but on the water surface. As shown in FIG. 4, even when arc discharge is performed on the water surface, the presence of the partition wall in the hollow portion of the graphite cathode and the step of introducing an inert gas into the arc discharge field cause the As in the case, air and water vapor can be blocked. For this reason, even when it is on the water surface of Example 2, it can suppress that the intermediate body of carbon nanohorn reacts with gas and lose | disappears, and can produce | generate carbon nanohorn similarly. In this case, since the carbon electrode does not enter the water, there is an effect that the process for replacing the carbon electrode in mass production is simplified.

しかしながら、この場合、電極の冷却が空冷になるため、水冷と比べて冷却効率が悪いために、電極温度が簡単に高くなり、単純な装置では連続操作が難しくなるというデメリットがある。すなわち、電極を支える部品やガスラインを工夫しないと熱で破損しやすくなる。また,隔壁自体の温度も簡単に高温になり,隔壁自体が空気に酸化されてガス化し、消耗してしまうことにより長時間もたなくなる。
このため、実施例1の如く水中でアーク放電を行うことの方が、隔壁を含む電極を効率良く冷却できるため、隔壁の温度上昇を抑制することができ、耐久性が向上するメリットがある。
However, in this case, since the cooling of the electrode is air cooling, the cooling efficiency is lower than that of water cooling, so that the electrode temperature is easily increased, and there is a demerit that continuous operation is difficult with a simple apparatus. That is, if the parts and gas lines that support the electrodes are not devised, they are easily damaged by heat. Further, the temperature of the partition wall itself easily becomes high, and the partition wall itself is oxidized and gasified by air, so that it is consumed for a long time.
For this reason, performing arc discharge in water as in Example 1 can efficiently cool the electrodes including the partition walls, so that an increase in the temperature of the partition walls can be suppressed and the durability can be improved.

図5は、黒鉛陰極の別の模式図を示している。図2と比較して、通気孔を側面から設けることで、通気孔の作成を容易にできるという効果がある。   FIG. 5 shows another schematic view of a graphite cathode. Compared to FIG. 2, providing the air holes from the side surface has an effect that the air holes can be easily created.

本発明に係るカーボンナノ粒子の製造方法にて製造された単層カーボンナノホーン、多層カーボンナノチューブなどは、FED(Field Emission Display)などの電子放出源、燃料電池、水素吸蔵材などに利用できる。
ここで、燃料電池については、ナノホーン粒子の構造が、比表面積が大きく触媒微粒子を安定に付着させやすい構造であるため、白金などの触媒を担持した電極に使用に適している。
また、水素吸蔵材については、ナノホーン粒子の比表面積が大きいことに加え、熱処理により単層ナノホーンの構造に穴を開けることが可能であり、その効果によりナノホーン粒子に空けた穴を通して水素など小さいガス分子をナノホーンの内部に吸蔵させることができること、また、水素だけでなくメタンなど他の燃料ガスを吸着により保持することができることが知られている。
Single-walled carbon nanohorns, multi-walled carbon nanotubes and the like produced by the carbon nanoparticle production method according to the present invention can be used for electron emission sources such as FED (Field Emission Display), fuel cells, hydrogen storage materials and the like.
Here, the fuel cell is suitable for use in an electrode carrying a catalyst such as platinum because the structure of the nanohorn particles has a large specific surface area and allows the catalyst fine particles to be stably attached.
As for the hydrogen storage material, in addition to the large specific surface area of the nanohorn particles, it is possible to make holes in the structure of the single-layer nanohorn by heat treatment, and as a result, a small gas such as hydrogen passes through the holes made in the nanohorn particles. It is known that molecules can be occluded inside the nanohorn, and that other fuel gases such as methane can be retained by adsorption as well as hydrogen.

カーボンナノホーン粒子の製造装置の構成図(1)Configuration of carbon nanohorn particle manufacturing equipment (1) 黒鉛陰極の模式図(1)Schematic diagram of graphite cathode (1) 黒鉛陰極と黒鉛陽極の間のアーク放電部分の配置図Arrangement of arc discharge part between graphite cathode and graphite anode カーボンナノホーン粒子の製造装置の構成図(2)Configuration diagram of carbon nanohorn particle manufacturing equipment (2) 黒鉛陰極の模式図(2)Schematic diagram of graphite cathode (2) カーボンナノホーン粒子の含有粉末の生成速度グラフ図Graph of production rate of powder containing carbon nanohorn particles 黒鉛陽極の消耗重量と生成カーボンナノホーン粒子の含有粉末重量とを比較した反応率グラフ図Graph of reaction rate comparing the consumption weight of the graphite anode and the weight of the powder containing the generated carbon nanohorn particles カーボンナノホーン粒子の含有粉末の生成速度と黒鉛陰極の空洞化部位の穴深さとの相関グラフ図Correlation graph between the generation rate of powder containing carbon nanohorn particles and the hole depth at the cavity of graphite cathode 黒鉛陽極の消耗重量と生成カーボンナノホーン粒子の含有粉末重量とを比較した反応率と黒鉛陰極の空洞化部位の穴深さとの相関グラフ図Correlation graph between the reaction rate comparing the consumption weight of the graphite anode and the weight of the powder containing the generated carbon nanohorn particles and the hole depth of the hollow portion of the graphite cathode 動的光散乱法によるカーボンナノホーン粒子径分布の測定図Measurement diagram of carbon nanohorn particle size distribution by dynamic light scattering method 凝集したカーボンナノホーン粒子の高倍率透過顕微鏡画像High magnification transmission microscope image of aggregated carbon nanohorn particles 凝集したカーボンナノホーン粒子の低倍率透過顕微鏡画像Low magnification transmission microscope image of aggregated carbon nanohorn particles

符号の説明Explanation of symbols

1 黒鉛陰極
2 黒鉛陽極
3 不活性な気体
4 流体
5 空洞化部位
6 通気孔
7 ガスボンベ
8 直流電源
9 バルブ
10 アーク放電場
11 単層カーボンナノホーン粒子を含有する浮遊物
12 多層カーボンナノチューブおよびカーボン粒子を含有する沈殿堆積物
A 黒鉛陽極径
B 黒鉛陰極径
C 空洞化部位の隔壁の厚み
D 黒鉛陰極の穴底と黒鉛陽極の先端との間のアーク放電ギャップ
E 黒鉛陰極の側面と黒鉛陽極の側面との間のアーク放電ギャップ
F 隔壁の長さ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Graphite cathode 2 Graphite anode 3 Inert gas 4 Fluid 5 Cavity part 6 Vent 7 Gas cylinder 8 DC power supply 9 Valve 10 Arc discharge field 11 Floating substance containing single-walled carbon nanohorn particle 12 Multi-walled carbon nanotube and carbon particle Precipitates to be contained A Graphite anode diameter B Graphite cathode diameter C Cavity thickness of partition wall D Arc discharge gap between graphite cathode hole bottom and graphite anode tip E Side surface of graphite cathode and side surface of graphite anode Arc discharge gap between F

Claims (14)

アーク放電によるカーボンナノ粒子の製造方法において、黒鉛陰極(1)と黒鉛陽極(2)との間に電圧を印加しアーク放電を発生させる工程と、不活性な気体を前記アーク放電の発生領域に導入する工程と、前記アーク放電の発生領域を覆う隔壁の中を通して、生成された炭素蒸気を不活性な気体と共に水中に送り出す工程と、水面もしくは水中で浮遊或いは堆積するカーボンナノ粒子を回収する工程とを備えたことを特徴とするカーボンナノ粒子の製造方法。 In the method for producing carbon nanoparticles by arc discharge, a step of generating an arc discharge by applying a voltage between the graphite cathode (1) and the graphite anode (2), and an inert gas in the arc discharge generation region. A step of introducing, a step of sending the generated carbon vapor into the water together with an inert gas through the partition covering the region where the arc discharge is generated, and a step of recovering the carbon nanoparticles suspended or deposited in the water surface or in the water A method for producing carbon nanoparticles, comprising: 黒鉛陰極(1)が、一端の内部に空洞化部位(5)を有し、他の一端に空洞化部位(5)まで貫通する通気孔(6)を有し、黒鉛陽極(2)が空洞化部位(5)に遊挿され、前記不活性な気体が通気孔(6)を通してアーク放電場に導入され、前記炭素蒸気が空洞化部位(5)を導路管として不活性な気体と共に水中に送り出されることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノ粒子の製造方法。   The graphite cathode (1) has a hollow portion (5) inside one end, and has a vent (6) penetrating to the hollow portion (5) at the other end, and the graphite anode (2) is hollow. The inert gas is introduced into the arc discharge field through the vent hole (6), and the carbon vapor is submerged with the inert gas together with the inert gas using the hollow portion (5) as a conduit. The carbon nanoparticle production method according to claim 1, wherein the carbon nanoparticle production method is performed. 前記水に代えて、アーク放電発生温度以下で流動性ある液体を用いることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノ粒子の製造方法。   The method for producing carbon nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein a liquid that is fluid at a temperature equal to or lower than an arc discharge temperature is used instead of the water. 前記不活性な気体が、Ar,Heなどの希ガスや窒素ガスから選ばれる反応性の低いガス成分、若しくはこれらの混合ガスであることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノ粒子の製造方法。 The carbon nanoparticle according to claim 1 or 2, wherein the inert gas is a gas component having low reactivity selected from rare gases such as Ar and He and nitrogen gas, or a mixed gas thereof. Manufacturing method. 水面に浮遊するカーボンナノ粒子が、単層カーボンナノホーンであることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノ粒子の製造方法。 The method for producing carbon nanoparticles according to claim 1, wherein the carbon nanoparticles floating on the water surface are single-walled carbon nanohorns. 前記黒鉛陰極(1)の空洞化部位(5)の内面に堆積し、プラズマからの圧力および不活性な気体の流圧により剥離され、水底に沈殿堆積するカーボンナノ粒子が、多層のカーボンナノチューブ又は多層のカーボン粒子若しくはこれらの混合粒子であることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノ粒子の製造方法。   The carbon nanoparticles deposited on the inner surface of the hollow portion (5) of the graphite cathode (1), separated by the pressure from the plasma and the inert gas flow pressure, and precipitated and deposited on the bottom of the water are multi-walled carbon nanotubes or The method for producing carbon nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein the carbon nanoparticles are multi-layered carbon particles or mixed particles thereof. 前記アーク放電は、電極に直流電圧又は直流パルス電圧を印加することにより発生させることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノ粒子の製造方法。   The method for producing carbon nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein the arc discharge is generated by applying a DC voltage or a DC pulse voltage to the electrode. 前記アーク放電は、電極に交流電圧又は交流パルス電圧を印加することにより発生させることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノ粒子の製造方法。   The method for producing carbon nanoparticles according to claim 1, wherein the arc discharge is generated by applying an AC voltage or an AC pulse voltage to the electrode. 請求項1または2に記載のカーボンナノ粒子の製造方法において、黒鉛電極(前記黒鉛陽極若しくは黒鉛陰極のいずれか一方又は双方)に代えて、金属を含有若しくは内蔵している黒鉛電極、又は、金属が表面の一部分若しくは全部に散布,塗布,メッキ又はコートされている黒鉛電極を用いることを特徴とするカーボンナノ粒子の製造方法。 The method for producing carbon nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein a graphite electrode containing or containing a metal instead of a graphite electrode (either the graphite anode or the graphite cathode or both), or a metal A method for producing carbon nanoparticles, characterized by using a graphite electrode that is sprayed, coated, plated or coated on a part or all of the surface. 一端の内部に空洞化部位を有し、他の一端に空洞化部位(5)まで貫通する通気孔(6)を有する第1の電極と、空洞化部位(5)に遊挿された第2の電極と、電極間に電圧を印加しアーク放電を発生させる機構と、通気孔(6)を通してアーク放電場に不活性な気体(3)を導入させる機構と、アーク放電により生成された炭素蒸気を空洞化部位(5)を導路管として不活性な気体と共に流体中(4)に送り出させる機構と、流体(4)に浮遊或いは堆積するカーボンナノ粒子を回収する機構とを備えたことを特徴とするカーボンナノ粒子の製造装置。   A first electrode having a hollow portion at one end and a vent hole (6) penetrating to the hollow portion (5) at the other end, and a second electrode loosely inserted into the hollow portion (5) Electrodes, a mechanism for generating an arc discharge by applying a voltage between the electrodes, a mechanism for introducing an inert gas (3) into the arc discharge field through the vent hole (6), and a carbon vapor generated by the arc discharge And a mechanism for sending the carbon nano-particles floating or deposited in the fluid (4) to the fluid (4) and a mechanism for sending out the hollow portion (5) to the fluid (4) together with an inert gas. An apparatus for producing carbon nano-characteristics. 前記空洞化部位(5)の深さが、10〜30ミリメートルであることを特徴とする請求項10に記載のカーボンナノ粒子の製造装置。   11. The carbon nanoparticle production apparatus according to claim 10, wherein a depth of the hollowed portion (5) is 10 to 30 mm. 前記黒鉛陰極(1)と、空洞化部位(5)に遊挿された黒鉛陽極(2)との隙間(空洞化部位の底と黒鉛陽極の先端部との間および空洞化部位の側面と黒鉛陽極の側面との間)が1〜2ミリメートルであることを特徴とする請求項10または11に記載のカーボンナノ粒子の製造装置。   The gap between the graphite cathode (1) and the graphite anode (2) loosely inserted into the hollow portion (5) (between the bottom of the hollow portion and the tip of the graphite anode and the side surface of the hollow portion and the graphite) The apparatus for producing carbon nanoparticles according to claim 10 or 11, wherein the distance between the anode and the side surface is 1 to 2 millimeters. 前記黒鉛陰極(1)に超音波などの振動を加える工程を付加したことを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノ粒子の製造方法。   The method for producing carbon nanoparticles according to claim 1 or 2, further comprising a step of applying vibration such as ultrasonic waves to the graphite cathode (1). 請求項1に記載のカーボンナノ粒子の製造方法において、水中に炭素蒸気が送り出されることにより生成されるカーボンナノ粒子を超音波振動子等により水面を振動させて分散させる工程と、炭素蒸気を送り出す部位の局部的な水温の上昇を防ぐため水漕の水を攪拌する工程と、水の温度を一定温度に維持するため水温を調整する工程とを備えて均一なカーボンナノ粒子を持続的に安定して得ることを特徴とするカーボンナノ粒子の製造方法。 Oite the production method of carbon nano particles according to claim 1, comprising the steps of dispersing carbon nano-particles produced by vibrating the water surface by ultrasonic oscillator or the like by the carbon vapor is fed into the water, carbon vapor Sustained uniform carbon nanoparticles with a step of stirring the water in the elutriation to prevent a local rise in water temperature at the site where the water is delivered and a step of adjusting the water temperature to maintain the water temperature at a constant temperature A method for producing carbon nanoparticles, characterized by being obtained stably.
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