JP4735485B2 - 水素吸着材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単層カーボンナノチューブと水素吸蔵合金とを含む水素吸着材料の製造方法に関する。

近年、燃料電池車における水素貯蔵タンクへの応用が期待されるガス吸蔵材として、炭素を頂点とする六角形を隙間なく敷き詰めてできる二次元構造（グラフェン）で構成されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、特には単層のカーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）が注目されており、他の文献等でもその可能性が示唆されている。カーボンナノチューブは、様々な方法、例えば、アーク放電法、レーザ蒸着法、化学気相成長法によって合成することができるが、現在、市販されているカーボンナノチューブは、それを合成する際に使用される触媒金属、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの不純物を製品中に含んでおり、その含有量は約１０〜３０ｗｔ％にも及ぶ場合がある。これらの触媒金属はガスの吸蔵にほとんど寄与しないので、カーボンナノチューブのガス吸蔵材としての性能を高めるためには、カーボンナノチューブ中に含まれるこのような不純物の除去又は低減が一般に課題とされている。

また、合成後のカーボンナノチューブは一般にその先端が閉じたキャップ構造を有しており、そのままでは水素などのガスがチューブ内に入ることができない。したがって、カーボンナノチューブをガス吸蔵材として使用する場合には、部分酸化などによってこのキャップ構造を開放する必要がある。この部分酸化プロセスは、通常、カーボンナノチューブを酸化雰囲気下４００〜５００℃の温度で熱処理することにより行われている。しかしながら、このような高温処理によってカーボンナノチューブ自体も同時に燃焼する場合があり、さらには、このような燃焼によってグラファイトなどの新たな不純物が生成するという問題がある。

特許文献１では、（ａ）ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと（ｂ）ニッケル又はニッケル合金とからなるニッケル又はニッケル合金内包炭素複合体であって、カーボンチューブ内空間部の１０〜９０％にニッケル又はニッケル合金が充填されていることを特徴とするニッケル又はニッケル合金内包炭素複合体が記載されている。

特許文献２では、Ｎｉなどの金属触媒を用いてアーク放電法により製造された原料カーボンナノチューブを、圧力１．３〜６．７Ｐａ、酸素濃度０．０１〜０．２％の不活性ガス雰囲気において温度９００〜１５００℃で８〜３０時間加熱することにより、不純物のアモルファスカーボンやグラファイト等が除去されるとともに、金属触媒の酸化物をカーボンナノチューブ上に高分散に担持させることができると記載されている。
特開２００３−０７３１０８号公報 特開２００６−１２４２２５号公報

特許文献１及び２は、一般にカーボンナノチューブ製品中の不純物とされる合成用触媒金属であるＮｉ等の金属又は金属酸化物を、カーボンナノチューブ中に内包させるか又はカーボンナノチューブ上に担持することにより利用し、導電体や電子放出体としての材料を生成することを記載している。しかしながら、これらの文献では、カーボンナノチューブ中に含まれる合成用触媒金属を水素吸蔵材料として利用すること、及び当該水素吸蔵材料の性質を利用して単層カーボンナノチューブのキャップ構造を開放することについては示されていない。

本発明の目的は、単層カーボンナノチューブ中に本質的に含まれる合成用触媒金属を水素吸蔵材料として利用することにより、水素吸蔵能力をさらに高めた水素吸着材料を提供することである。

上記課題を解決する本発明は下記にある。
（１）単層カーボンナノチューブと、当該単層カーボンナノチューブの合成用触媒金属と第２金属からなる水素吸蔵合金とを含む水素吸着材料の製造方法であって、端部に合成用触媒金属を含む単層カーボンナノチューブに第２金属を蒸着して、合成用触媒金属と第２金属からなる水素吸蔵合金を形成し、当該単層カーボンナノチューブを水素で加圧及び減圧して当該水素吸蔵合金を膨張及び収縮させることにより、当該単層カーボンナノチューブから当該水素吸蔵合金を脱離させるとともに、当該単層カーボンナノチューブのキャップ構造を開放し、当該単層カーボンナノチューブと当該水素吸蔵合金を含む水素吸着材料を形成することを特徴とする、水素吸着材料の製造方法。
（２）前記合成用触媒金属が、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選択されることを特徴とする、上記（１）に記載の方法。
（３）前記第２金属が、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ及びそれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載の方法。

本発明によれば、単層カーボンナノチューブ中に本質的に含まれる合成用触媒金属を水素吸蔵材料として利用することができ、さらにはその性質を利用して単層カーボンナノチューブのキャップ構造を当該単層カーボンナノチューブの消失なしに開放することができ、したがって、水素吸蔵能力をより高めた水素吸着材料を得ることができる。

本発明によれば、水素吸着材料は、単層カーボンナノチューブと、当該単層カーボンナノチューブの合成用触媒金属と第２金属からなる水素吸蔵合金とを含む。

本発明によれば、使用される単層カーボンナノチューブとしては、１〜３ｎｍのチューブ径を有するものが好ましい。チューブ径が１ｎｍよりも小さい場合には吸着効果はあるもののその吸着量が少なく、また、チューブ径が３ｎｍよりも大きくなると、逆に単層カーボンナノチューブのガス吸着能が低下してしまう。また、上記範囲のチューブ径を有する単層カーボンナノチューブを得るために、不活性ガス雰囲気下又は高真空下で単層カーボンナノチューブを高温処理することにより、単層カーボンナノチューブを融合させてそのチューブ径を拡大することもできる。単層カーボンナノチューブとしては、触媒金属を用いた当業者に公知の任意の方法により製造された単層カーボンナノチューブを使用することができる。

本発明によれば、単層カーボンナノチューブ中に含まれる触媒金属（第１金属）は、単層カーボンナノチューブの合成に一般に用いられる各種の触媒金属であることができ、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ又はＣｏなどを挙げることができる。

カーボンナノチューブは、一般にＮｉ、Ｆｅ又はＣｏなどの触媒金属を用いて種々の方法、例えば、アーク放電法、レーザ蒸着法、又は化学気相成長法によって合成される。しかしながら、合成されたカーボンナノチューブ中には、これらの触媒金属が１０〜３０ｗｔ％の割合で不純物として存在している。これらの不純物にはガス吸着能がほとんどないため、これらの不純物がカーボンナノチューブ中に多量に存在する場合には、カーボンナノチューブのガス吸着能が低下する。これらの触媒金属は、塩酸や硫酸などの酸処理によって除去することができるが、この処理によっても触媒金属を完全には除去することができず、数％の触媒金属が除去されないで残る。

本発明は、これらの触媒金属、すなわち、第１金属に追加の第２金属を真空蒸着することにより、一般に単層カーボンナノチューブ中の不純物とされる触媒金属を水素吸蔵材料として利用することを特徴としている。

本発明によれば、第２金属としては、触媒金属（第１金属）との合金化により水素吸蔵能を発現させることができる任意の金属を選択することができる。例示的なものとしては、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ又はそれらの混合物を挙げることができる。さらに具体的には、例えば、第１金属がＮｉの場合には、第２金属としてＭｇを、第１金属がＦｅの場合には、第２金属としてＴｉを使用することができる。また、例えば、第１金属としてＮｉ、第２金属としてＴｉ、Ｃｒ及びＭｎを使用することにより、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｒ−Ｍｎ系合金のような多元系合金を形成することもできる。

本発明において用いられる「合金」という語は、１種類の金属元素に１種類以上の金属又は非金属元素を添加したものを意味し、これらの各金属又は非金属元素が均一に分散したもの及び不均一に分散したものすべてを包含することを意図するものである。さらに、本発明において用いられる「水素吸蔵合金」及び「水素吸蔵能を有する合金」という語は、いわゆる水素吸蔵合金として公知の金属間化合物だけでなく、水素ガスを吸蔵及び放出することのできる任意の金属又は合金も包含することを意図するものである。

本発明によれば、これらの第２金属は、単層カーボンナノチューブの合成用触媒金属である第１金属の上に真空蒸着によって堆積させることができる。例えば、単層カーボンナノチューブを触媒金属を用いて製造する場合、単層カーボンナノチューブは、この触媒金属を起点として生成及び成長するため、第１金属は、一般に単層カーボンナノチューブ先端の閉じたキャップ部分に多く存在している。また、このような単層カーボンナノチューブに第２金属としてＭｇ、Ｔｉ、Ｃｒ又はＭｎ等を真空蒸着すると、これらの第２金属は、単層カーボンナノチューブよりも合成用触媒金属である第１金属に選択的に蒸着する。これは、金属が相互作用のより強いものに蒸着する傾向があり、一般的に質量のより大きなものに相互作用が強く働くと考えられるためである。真空蒸着については、従来公知の方法によって実施することができるが、一般的には、１．０×１０^-2〜１．０×１０⁵Ｐａの真空下において、蒸着される金属の融点よりも数十〜１００℃程度高い温度で１〜５時間実施することが好ましい。

先に記載したとおり、第２金属として第１金属との合金化により水素吸蔵能を発現させることができる金属を選択することで、水素吸蔵能を有する合金が形成され、単層カーボンナノチューブが本来有する水素吸蔵能と、このような第１金属と第２金属からなる合金によって得られる水素吸蔵能を組み合わせることにより、単層カーボンナノチューブの水素吸蔵能をさらに高めることができる。

第２金属の蒸着量は、単層カーボンナノチューブの合成に用いられる第１金属に応じて変化し、例えば、第１金属としてＮｉが用いられる場合には、第２金属としてＭｇが用いられ、Ｍｇ₂Ｎｉとして公知の水素吸蔵合金を形成するように、Ｍｇ：Ｎｉ＝２：１の比でＭｇを真空蒸着することが好ましい。同様に、例えば、第１金属としてＦｅが用いられる場合には、第２金属としてＴｉが用いられ、ＴｉＦｅとして公知の水素吸蔵合金を形成するように、Ｔｉ：Ｆｅ＝１：１の比でＴｉを真空蒸着することが好ましい。上記のように、第２金属は、高い水素吸蔵能を有することが知られている合金を形成するような化学量論的組成比率で以って第１金属に対し真空蒸着されることが望ましいが、このような化学量論的組成比率でない場合においても、第１金属と第２金属によって形成される合金は、その組み合わせにより公知の水素吸蔵合金と同様の特性を有することができ、これらの合金を水素で加圧及び減圧することにより水素を吸蔵及び放出することができる。

さらに本発明においては、上記のように触媒金属と合金化して水素吸蔵能を発現させることができる金属を蒸着することにより、単層カーボンナノチューブのキャップ構造を開放することができる。すなわち、本発明においては、端部に触媒金属を含む単層カーボンナノチューブに第２金属を蒸着して、触媒金属と第２金属からなる水素吸蔵合金を形成し、当該単層カーボンナノチューブを水素で加圧及び減圧して当該水素吸蔵合金を膨張及び収縮させることにより、当該単層カーボンナノチューブから当該水素吸蔵合金を脱離させるとともに、当該単層カーボンナノチューブのキャップ構造を開放することができる。

本発明において用いられる単層カーボンナノチューブは、一般にその先端が閉じたキャップ構造を有しており、そのままではガスがチューブ内に入ることができない。したがって、単層カーボンナノチューブをガス吸蔵材として使用する場合には、一般に部分酸化によってこのキャップ構造が開放される。この部分酸化プロセスは、通常、単層カーボンナノチューブを酸化雰囲気下において４００〜５００℃の温度で熱処理することにより行われている。しかしながら、このような高温処理によって単層カーボンナノチューブ自体も同時に燃焼する場合があり、さらには、このような燃焼によってグラファイトなどの新たな不純物が生成してしまう恐れがある。また、より低い温度で部分酸化処理を行った場合には、単層カーボンナノチューブの燃焼は抑制されるが、キャップ構造の開放が不十分となり、水素の吸蔵に必要な単層カーボンナノチューブの比表面積を十分に得ることができない。

単層カーボンナノチューブの場合、その先端のキャップ構造がすべて開放され、単層カーボンナノチューブの内側と外側のすべての面が水素吸蔵に利用できるとすると、理論値で２７００ｍ²／ｇの比表面積が得られる。しかしながら、従来の部分酸化によるキャップ開放処理では、多くてもその半分程度の比表面積しか得ることができない。これは、上記のように、部分酸化処理によって単層カーボンナノチューブ自体の燃焼が起こり、単層カーボンナノチューブに本質的に含まれる合成用触媒金属の占める割合が増加し、さらには、このような燃焼によって水素の吸蔵に寄与しないグラファイトなどの新たな不純物が生成することに起因すると考えられる。

本発明者らは、単層カーボンナノチューブの先端に付着した第１金属と第２金属からなる合金に水素を吸蔵させることにより、上記のような酸化雰囲気下での熱処理によらないで単層カーボンナノチューブのキャップ構造が開放されることを見出した。より詳しくは、このような第１金属と第２金属からなる合金は、いわゆる水素吸蔵合金の場合と同様に、水素で加圧及び減圧することにより水素化物の形成と水素放出を繰り返し、すなわち、このような水素の吸蔵及び放出によってその体積が膨張及び収縮する。この特性を利用して、その先端に第１金属と第２金属からなる合金が付着した単層カーボンナノチューブを水素で加圧及び減圧する。このようにすることで、単層カーボンナノチューブの先端に付着した第１金属と第２金属からなる合金が膨張及び収縮し、この操作を複数回繰り返すことで単層カーボンナノチューブ先端のキャップ部分が脱離される。キャップ部分が脱離することにより、それに付着していた第１金属と第２金属からなる合金も同時に単層カーボンナノチューブから脱離される。しかしながら、脱離された合金は、単層カーボンナノチューブの側面に付着した状態で残っているか又は脱離された合金どうしが凝集した状態にあると考えられ、単層カーボンナノチューブと複合化された材料を形成し、脱離された後も水素吸蔵能を有する合金として水素の吸蔵に寄与することができる。したがって、このような単層カーボンナノチューブの複合体では、単層カーボンナノチューブ単独の場合と比べて、その水素吸蔵能をさらに高めることができる。

水素による加圧及び減圧は、単層カーボンナノチューブ先端のキャップ構造を開放するのに十分な第１金属と第２金属からなる合金の膨張及び収縮が得られる圧力であればよく、一般的には１０ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲で実施されることが好ましい。

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
本実施例では、本発明の方法によって単層カーボンナノチューブのキャップ構造を開放して当該単層カーボンナノチューブを含む水素吸着材料を製造し、その水素吸蔵特性について調べた。

キャップ開放処理されるカーボンナノチューブとしては、名城ナノカーボン製のアーク放電法によって合成された１〜２ｎｍのチューブ径を有する単層カーボンナノチューブを使用した。このカーボンナノチューブ中に本質的に含まれる合成用触媒金属（第１金属）、具体的にはＮｉの量は２０〜３０ｗｔ％であった。

このカーボンナノチューブに温度３００℃及び圧力６．７×１０²〜１．３×１０³Ｐａの条件下で第２金属としてＭｇを真空蒸着した。ＭｇとＮｉの組成比率は１：１〜４：１であった。

この試料を成型し、ＮｉとＭｇからなる合金を有する嵩密度０．７ｇ／ｃｃの複合カーボンナノチューブを得た。この複合カーボンナノチューブを室温で１０〜２０ＭＰａの水素圧により加圧及び減圧し、水素の吸蔵及び放出を繰り返し行った。数回の繰り返しにより、水素の吸蔵量が増加して４〜１０サイクルで安定し、最終的に、カーボンナノチューブに関し水素圧３０ＭＰａ及び室温（２５℃）で１．９ｍａｓｓ％の水素吸蔵量を得た。さらに、ＮｉとＭｇからなる合金に関し、水素圧３０ＭＰａ及び室温（２５℃）で０．７ｍａｓｓ％の水素吸蔵量を得た。したがって、複合カーボンナノチューブとして約２．６ｍａｓｓ％の水素吸蔵量を得ることができた（除く圧縮水素分）。また、本試料のＢＥＴ法による比表面積は１９００〜２２００ｍ²／ｇであった。

比較例として、部分酸化処理によりキャップ構造を開放した単層カーボンナノチューブについて、その水素吸蔵特性を調べた。

実施例１と同じ単層カーボンナノチューブを酸化雰囲気下３００〜６００℃の温度で部分酸化処理してそのキャップ構造を開放した。この試料を実施例１の場合と同様に成型し、嵩密度０．７ｇ／ｃｃの単層カーボンナノチューブを得た。しかしながら、本例では、部分酸化により単層カーボンナノチューブ自体も１５〜３０％燃焼してしまった。その結果、本試料の水素吸蔵量は水素圧３０ＭＰａ及び室温（２５℃）で１．６〜１．８ｍａｓｓ％、ＢＥＴ法による比表面積は１３００〜１８００ｍ²／ｇであった。

Claims (3)

1. 単層カーボンナノチューブと、当該単層カーボンナノチューブの合成用触媒金属と第２金属からなる水素吸蔵合金とを含む水素吸着材料の製造方法であって、
   端部に合成用触媒金属を含む単層カーボンナノチューブに第２金属を蒸着して、合成用触媒金属と第２金属からなる水素吸蔵合金を形成し、当該単層カーボンナノチューブを水素で加圧及び減圧して当該水素吸蔵合金を膨張及び収縮させることにより、当該単層カーボンナノチューブから当該水素吸蔵合金を脱離させるとともに、当該単層カーボンナノチューブのキャップ構造を開放し、当該単層カーボンナノチューブと当該水素吸蔵合金を含む水素吸着材料を形成することを特徴とする、水素吸着材料の製造方法。
2. 前記合成用触媒金属が、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２金属が、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ及びそれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。