JP4745569B2 - 炭素材料への水素吸蔵方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素材料への水素吸蔵方法に関する。吸蔵などの方法により水素が容易に得られれば、このような水素は、化石燃料を用いる場合に発生が不可避なＣＯ2ガスやＣＯガスのゼロエミッションを実現でき、クリーンエネルギーとして有望な燃料電池に使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭素材料への水素吸蔵方法として、数１０〜数１００気圧の高圧の負荷状態にして炭素材料に水素を吸蔵させる高圧法や、アルカリ金属を水素のドープ剤として用いるアルカリ金属ドープ法が知られている。アルカリ金属ドープ法では、水素をドーピングしたリチウム金属によりグラファイト層間を拡大し、この層間に水素を吸蔵させて、グラファイト中に約２０重量％の水素を吸蔵することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の高圧法は、高温・高圧条件の実現のため大型で複雑な吸蔵装置が必要となり、特に水素の大量生産の実現可能性という点で実用的ではない。また、アルカリ金属ドープ法は、これに用いるリチウムなどのアルカリ金属が高イオン化傾向を有するなど反応性が高く、水素の吸蔵過程中に確実に化学的安定性を保つことが難しい。さらに、このようなドープ剤が必要であるためグラファイト単独による吸蔵方法に比べ工程が複雑になり実用的でない。
【０００４】
上記問題点に鑑み、本発明は、簡易で実用性の高い方法により、炭素材料に対して水素を吸蔵させることを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、純水中に浸漬させた炭素材料に超音波を照射することにより炭素材料に水素を吸蔵させている。純水中に浸漬させた炭素材料に超音波を照射すると無数の気泡が生じて炭素材料の周囲が局所的に高温・高圧環境となる。そして、このような環境下で励起されてラジカル化した水素が生じ、炭素材料に対して吸蔵され易くなるのである。
【０００６】
この場合、照射に用いる超音波の周波数は２０ｋＨｚ以上であることが望ましい。高周波数であるほど水素の活性化が向上するのである。
【０００７】
さらに、これらの場合、水素を吸蔵させる炭素材料の形状は、焼結グラファイト棒、焼結グラファイト板、パウダー状カーボンナノチューブ、パウダー状グラファイトナノファイバ、棒状グラファイトナノファイバまたは板状グラファイトナノファイバなどが好ましい。特に、カーボンナノチューブは、炭素６員環を主構造としたらせん構造で形成された内部が空洞の円筒形状をもち、極めて微細な、同心円状に円筒が配置された多重構造の黒鉛繊維から成り、近年生成機構が解明されつつあり、その生成を特定長さに制御すれば水素の吸蔵度も制御し得るものである。また、グラファイトナノファイバは、グラフェンシートが小さな断片に切れて積層した中実であり、例えば、截頭円錐形状を有する結晶が積層されてなる円柱状構造を有し、その中心に貫通空隙が存在する構造である。
【０００８】
また、上記のようにして炭素材料に吸蔵される水素を、水を起源として由来するものとすれば、炭素材料に対する水素吸蔵を低コストで実現できるのでこのような方法は高い実用性が期待できる。
【０００９】
また、さらに、上記の炭素材料に対する水素吸蔵は、簡易な超音波照射により行われ、常温常圧条件下の反応を実現することが可能である。なお、この常温常圧条件とは、０〜３０℃及び１気圧のものとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
炭素材料を種々の形態で用意し、純水中に浸漬させた状態で通常の超音波発生装置により所定の周波数の超音波を一定時間照射する。
【００１１】
この場合に用いる炭素材料は、焼結グラファイト棒、焼結グラファイト板、パウダー状カーボンナノチューブ、パウダー状グラファイトナノファイバ、棒状グラファイトナノファイバまたは板状グラファイトナノファイバなどである。また、上記の炭素材料に対する水素の吸蔵を顕著に得るために、照射する超音波の周波数は２０ＫＨｚ以上であることが望ましい。
【００１２】
超音波照射後の炭素材料への水素の吸蔵量は、昇温脱離法（ＴＤＳ）、熱重量測定法（ＴＧ）、示差熱分析（ＤＴＡ）、燃焼法などの方法による測定により評価でき、これにより、下記［実施例］に示すように、常温常圧条件下の超音波照射により種々の炭素材料サンプルに一定量以上の水素を吸蔵していることがわかる。
【００１３】
【実施例】
［実施例１］パウダー状のグラファイトナノファイバ（以下、ＧＮＦとも言う。）を約１０００℃のアニール温度で約１時間真空アニール処理を行った後、純水に浸漬した状態で、超音波発生装置により４２０ＫＨｚの超音波を常温常圧条件下で３時間照射した。
【００１４】
その後、このパウダー状ＧＮＦサンプルとして５．１６８ｍｇを熱重量測定器（ＤＴＧ６０Ｈ）により、キャリアガスにアルゴンガスを用い、加熱速度１０℃／ｍｉｎ、ホールド温度１０００℃条件で測定したところ、図１のグラフに示す測定結果が得られた。図外の標準アルゴンガスと比較分析したところ、パウダー状ＧＮＦサンプル中に水素が含まれていることが判明した。この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。なお、図１のグラフでは、左縦軸は熱重量測定値、右縦軸は示差熱分析値を示し、示差熱分析を併用した。
【００１５】
また、上記のパウダー状ＧＮＦサンプルを昇温脱離法により測定したところ、図２に示す測定結果が得られた。図外の標準と比較分析したところ、パウダー状ＧＮＦサンプル中に水素が含まれていることが判明した。この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。
【００１６】
また、上記のパウダー状ＧＮＦサンプルとして８ｍｇを燃焼法により測定したところ、図３に示す測定結果が得られた。この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。また図３の水素含有量の積分値より上記サンプル中に水素が約２．６重量％含有されていることがわかる。
【００１７】
［実施例２］焼結グラファイト板を純水に浸漬した状態で、超音波発生装置により４２０ＫＨｚの超音波を常温常圧条件下で３時間照射した。その後、この焼結グラファイト板サンプルとして所定量を燃焼法により測定したところ下記［表１］に示す結果が得られた。
【００１８】
【表１】
【００１９】
この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。
【００２０】
［実施例３］グラファイトナノファイバ（以下、ＧＮＦとも言う。）を純水に浸漬した状態で、超音波発生装置により２０ＫＨｚの超音波を常温常圧条件下で３時間照射した。その後、このＧＮＦサンプルとして所定量を燃焼法により測定したところ下記［表２］に示す結果が得られた。
【００２１】
【表２】
【００２２】
この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。
【００２３】
［実施例２］と［実施例３］とを比較すると、照射する超音波の周波数が小さくてもＧＮＦ形状の炭素材料の方が水素の吸蔵量が大きく、グラファイトナノファイバが水素吸蔵材料として高い実用性を有していることがわかる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明方法を用いて、常温常圧条件下で純水中に浸漬させた状態のグラファイトナノファイバなどの炭素材料に超音波を照射することにより、炭素材料のみを用いて簡便に水素を吸蔵させることができる。
大重量の炭素材料を用いれば、この炭素材料に吸蔵される水素は一定量以上となり水素吸蔵法として実用的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱重量測定法によるパウダー状ＧＮＦサンプル中の水素含有を示すグラフ
【図２】昇温脱離法によるパウダー状ＧＮＦサンプル中の水素含有を示すグラフ
【図３】燃焼法によるパウダー状ＧＮＦサンプル中の水素含有を示すグラフ
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素材料への水素吸蔵方法に関する。吸蔵などの方法により水素が容易に得られれば、このような水素は、化石燃料を用いる場合に発生が不可避なＣＯ2ガスやＣＯガスのゼロエミッションを実現でき、クリーンエネルギーとして有望な燃料電池に使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭素材料への水素吸蔵方法として、数１０〜数１００気圧の高圧の負荷状態にして炭素材料に水素を吸蔵させる高圧法や、アルカリ金属を水素のドープ剤として用いるアルカリ金属ドープ法が知られている。アルカリ金属ドープ法では、水素をドーピングしたリチウム金属によりグラファイト層間を拡大し、この層間に水素を吸蔵させて、グラファイト中に約２０重量％の水素を吸蔵することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の高圧法は、高温・高圧条件の実現のため大型で複雑な吸蔵装置が必要となり、特に水素の大量生産の実現可能性という点で実用的ではない。また、アルカリ金属ドープ法は、これに用いるリチウムなどのアルカリ金属が高イオン化傾向を有するなど反応性が高く、水素の吸蔵過程中に確実に化学的安定性を保つことが難しい。さらに、このようなドープ剤が必要であるためグラファイト単独による吸蔵方法に比べ工程が複雑になり実用的でない。
【０００４】
上記問題点に鑑み、本発明は、簡易で実用性の高い方法により、炭素材料に対して水素を吸蔵させることを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、純水中に浸漬させた炭素材料に超音波を照射することにより炭素材料に水素を吸蔵させている。純水中に浸漬させた炭素材料に超音波を照射すると無数の気泡が生じて炭素材料の周囲が局所的に高温・高圧環境となる。そして、このような環境下で励起されてラジカル化した水素が生じ、炭素材料に対して吸蔵され易くなるのである。
【０００６】
この場合、照射に用いる超音波の周波数は２０ｋＨｚ以上であることが望ましい。高周波数であるほど水素の活性化が向上するのである。
【０００７】
さらに、これらの場合、水素を吸蔵させる炭素材料の形状は、焼結グラファイト棒、焼結グラファイト板、パウダー状カーボンナノチューブ、パウダー状グラファイトナノファイバ、棒状グラファイトナノファイバまたは板状グラファイトナノファイバなどが好ましい。特に、カーボンナノチューブは、炭素６員環を主構造としたらせん構造で形成された内部が空洞の円筒形状をもち、極めて微細な、同心円状に円筒が配置された多重構造の黒鉛繊維から成り、近年生成機構が解明されつつあり、その生成を特定長さに制御すれば水素の吸蔵度も制御し得るものである。また、グラファイトナノファイバは、グラフェンシートが小さな断片に切れて積層した中実であり、例えば、截頭円錐形状を有する結晶が積層されてなる円柱状構造を有し、その中心に貫通空隙が存在する構造である。
【０００８】
また、上記のようにして炭素材料に吸蔵される水素を、水を起源として由来するものとすれば、炭素材料に対する水素吸蔵を低コストで実現できるのでこのような方法は高い実用性が期待できる。
【０００９】
また、さらに、上記の炭素材料に対する水素吸蔵は、簡易な超音波照射により行われ、常温常圧条件下の反応を実現することが可能である。なお、この常温常圧条件とは、０〜３０℃及び１気圧のものとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
炭素材料を種々の形態で用意し、純水中に浸漬させた状態で通常の超音波発生装置により所定の周波数の超音波を一定時間照射する。
【００１１】
この場合に用いる炭素材料は、焼結グラファイト棒、焼結グラファイト板、パウダー状カーボンナノチューブ、パウダー状グラファイトナノファイバ、棒状グラファイトナノファイバまたは板状グラファイトナノファイバなどである。また、上記の炭素材料に対する水素の吸蔵を顕著に得るために、照射する超音波の周波数は２０ＫＨｚ以上であることが望ましい。
【００１２】
超音波照射後の炭素材料への水素の吸蔵量は、昇温脱離法（ＴＤＳ）、熱重量測定法（ＴＧ）、示差熱分析（ＤＴＡ）、燃焼法などの方法による測定により評価でき、これにより、下記［実施例］に示すように、常温常圧条件下の超音波照射により種々の炭素材料サンプルに一定量以上の水素を吸蔵していることがわかる。
【００１３】
【実施例】
［実施例１］パウダー状のグラファイトナノファイバ（以下、ＧＮＦとも言う。）を約１０００℃のアニール温度で約１時間真空アニール処理を行った後、純水に浸漬した状態で、超音波発生装置により４２０ＫＨｚの超音波を常温常圧条件下で３時間照射した。
【００１４】
その後、このパウダー状ＧＮＦサンプルとして５．１６８ｍｇを熱重量測定器（ＤＴＧ６０Ｈ）により、キャリアガスにアルゴンガスを用い、加熱速度１０℃／ｍｉｎ、ホールド温度１０００℃条件で測定したところ、図１のグラフに示す測定結果が得られた。図外の標準アルゴンガスと比較分析したところ、パウダー状ＧＮＦサンプル中に水素が含まれていることが判明した。この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。なお、図１のグラフでは、左縦軸は熱重量測定値、右縦軸は示差熱分析値を示し、示差熱分析を併用した。
【００１５】
また、上記のパウダー状ＧＮＦサンプルを昇温脱離法により測定したところ、図２に示す測定結果が得られた。図外の標準と比較分析したところ、パウダー状ＧＮＦサンプル中に水素が含まれていることが判明した。この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。
【００１６】
また、上記のパウダー状ＧＮＦサンプルとして８ｍｇを燃焼法により測定したところ、図３に示す測定結果が得られた。この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。また図３の水素含有量の積分値より上記サンプル中に水素が約２．６重量％含有されていることがわかる。
【００１７】
［実施例２］焼結グラファイト板を純水に浸漬した状態で、超音波発生装置により４２０ＫＨｚの超音波を常温常圧条件下で３時間照射した。その後、この焼結グラファイト板サンプルとして所定量を燃焼法により測定したところ下記［表１］に示す結果が得られた。
【００１８】
【表１】
この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。
【００２０】
［実施例３］グラファイトナノファイバ（以下、ＧＮＦとも言う。）を純水に浸漬した状態で、超音波発生装置により２０ＫＨｚの超音波を常温常圧条件下で３時間照射した。その後、このＧＮＦサンプルとして所定量を燃焼法により測定したところ下記［表２］に示す結果が得られた。
【００２１】
【表２】
この水素は、上記の超音波照射時に吸蔵されたものである。
【００２３】
［実施例２］と［実施例３］とを比較すると、照射する超音波の周波数が小さくてもＧＮＦ形状の炭素材料の方が水素の吸蔵量が大きく、グラファイトナノファイバが水素吸蔵材料として高い実用性を有していることがわかる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明方法を用いて、常温常圧条件下で純水中に浸漬させた状態のグラファイトナノファイバなどの炭素材料に超音波を照射することにより、炭素材料のみを用いて簡便に水素を吸蔵させることができる。
大重量の炭素材料を用いれば、この炭素材料に吸蔵される水素は一定量以上となり水素吸蔵法として実用的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱重量測定法によるパウダー状ＧＮＦサンプル中の水素含有を示すグラフ
【図２】昇温脱離法によるパウダー状ＧＮＦサンプル中の水素含有を示すグラフ
【図３】燃焼法によるパウダー状ＧＮＦサンプル中の水素含有を示すグラフ
Claims (5)
- 純水中に浸漬させた炭素材料に超音波を照射して該炭素材料に水素を吸蔵させることを特徴とする炭素材料への水素吸蔵方法。
- 前記超音波は２０ｋＨｚ以上の周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の炭素材料への水素吸蔵方法。
- 前記炭素材料は、焼結グラファイト棒、焼結グラファイト板、パウダー状カーボンナノチューブ、パウダー状グラファイトナノファイバ、棒状グラファイトナノファイバまたは板状グラファイトナノファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素材料への水素吸蔵方法。
- 前記炭素材料に吸蔵される水素は、前記炭素材料を浸漬させた純水を起源として由来することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の炭素材料への水素吸蔵方法。
- 前記水素の吸蔵は、０〜３０℃及び１気圧の条件下で行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の炭素材料への水素吸蔵方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001290764A JP4745569B2 (ja) | 2001-09-25 | 2001-09-25 | 炭素材料への水素吸蔵方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001290764A JP4745569B2 (ja) | 2001-09-25 | 2001-09-25 | 炭素材料への水素吸蔵方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003095601A JP2003095601A (ja) | 2003-04-03 |
| JP4745569B2 true JP4745569B2 (ja) | 2011-08-10 |
Family
ID=19113020
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001290764A Expired - Fee Related JP4745569B2 (ja) | 2001-09-25 | 2001-09-25 | 炭素材料への水素吸蔵方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP4710048B2 (ja) * | 2003-04-21 | 2011-06-29 | 国立大学法人愛媛大学 | 水素発生装置および水素発生方法 |
Citations (7)
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| JPH0368791A (ja) * | 1989-08-04 | 1991-03-25 | Canon Inc | 水素貯蔵体への水素吸蔵方法および装置 |
| JPH05245470A (ja) * | 1992-03-06 | 1993-09-24 | Rikagaku Kenkyusho | 水和電子の生成方法 |
| JPH1149505A (ja) * | 1997-07-28 | 1999-02-23 | Itai Chikuro Kk | 炭材の超音波活性化方法 |
| JP2001009462A (ja) * | 1990-08-01 | 2001-01-16 | Ryoda Sato | アーク処理装置及びアーク処理した水 |
| JP2001074723A (ja) * | 1999-08-31 | 2001-03-23 | Toyota Motor Corp | 固体材料表面の水素分布可視化方法 |
| JP2001200383A (ja) * | 2000-01-18 | 2001-07-24 | Toichi Chikuma | 水素吸蔵装置 |
| JP2001220101A (ja) * | 2000-02-09 | 2001-08-14 | Toyota Motor Corp | 水素吸蔵方法及び水素吸蔵装置 |
-
2001
- 2001-09-25 JP JP2001290764A patent/JP4745569B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2001200383A (ja) * | 2000-01-18 | 2001-07-24 | Toichi Chikuma | 水素吸蔵装置 |
| JP2001220101A (ja) * | 2000-02-09 | 2001-08-14 | Toyota Motor Corp | 水素吸蔵方法及び水素吸蔵装置 |
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|---|---|
| JP2003095601A (ja) | 2003-04-03 |
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