JP5287256B2 - ナノカーボン集合体、及び、その製造方法 - Google Patents
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Description
前記ペタル形状のグラファイトに支持された複数のナノホーンを更に有することを特徴とするナノカーボン集合体を提供する。
実施例1では、ペタル型グラファイト集合体とナノホーンとを含むカーボンナノホーン集合体の作製について説明する。CO 2 レーザーアブレーション法を使ってレーザーパワー密度(15、30、45kW/cm 2 )とターゲット回転数(1〜6rpm)を制御することによって、図3に示される従来のカーボンナノホーンだけではなく、図4に示されるペタル型カーボンナノホーンも合成した。得られた代表的なペタル型カーボンナノホーンにおいて、矢印の部分がグラフェンシート構造であり、グラフェンシートを垂直方向から見たものが図4中の左の矢印であり、面方向からみたものが図4中の右の矢印である。実験の詳細を以下に示す。CO 2 レーザーの出力は、3.5kWで連続的に照射し、合成雰囲気は、室温、Ar中で行った。レーザーパワー密度は、レーザーの集光を行うZeSeレンズの位置を変えることにより、グラファイトターゲットに対する焦点の位置を変化させ制御し、グラファイトターゲットの直径は100mm、全長は500mm(照射有効長435mm)の大型グラファイトターゲットを使用した。その結果、図5に示すように、ペタル含有カーボンナノホーンだけではなく、ダリア型、つぼみ型、Seed(シード)型カーボンナノホーンも作製された。
実施例2では、ペタル含有カーボンナノホーンの酸化処理について説明する。図4に示すように、ペタル含有カーボンナノホーン(40mg)を、100mlの過酸化水素溶液中に分散し、100℃、6時間で酸化処理を行った。フィルターで十分に過酸化水素を洗浄、除去し、真空中で乾燥させた。得られたサンプルの電子顕微鏡写真を図7に示す。図7から分かるように、過酸化水素により適度に酸化された結果、カーボンナノホーン構造がすべて酸化して消失し、ペタル構造のみにすることができた。
実施例3では、グラフェンシートのエッジへのPt触媒の担持について説明する。上記の処理において得られたペタル含有ナノホーン集合体(過酸化水素中で、100℃、6時間処理したペタル含有カーボンナノホーン)は、ヘキサアンミン白金水酸塩エタノール溶液中に分散させ、室温で12時間攪拌した。その後、フィルターを使ってろ過した。ひき続いて、24時間真空乾燥を行い、含まれている溶媒などを蒸発させて完全に取り除いた。その後、水素中で300℃還元を2時間行った。それらのサンプルの透過型電子顕微鏡写真を図1に示す。図1において、黒い点(図中、矢印)がPtであり、グラフェンシート構造のエッジに局所的に吸着しているのが分かる。また、そのサイズは、0.2〜1.5nmであり平均すると1nm以下であり、従来の触媒Pt粒子径よりも微小になっていることがわかる。
実施例4では、触媒特性評価について説明する。上記で作製したグラフェンシートのエッジに担持されたPt触媒の触媒活性を電気化学的手法による酸素還元反応により評価した。測定は回転電極を利用した標準的な3極式セルで行った。作用極の回転電極上に、触媒粉末をのせ、ナフィオン(Nafion、登録商標)溶液を0.2μml添加することで電極上にサンプルを固定した。参照電極はAg/AgClを使用し、対極は白金を使用した。電解質溶液は、0.5M−H 2 SO 4 に調整した。
実施例5では、溶媒分散性及び生体親和性について説明する。ペタル含有カーボンナノホーン(40mg)を、100mlの過酸化水素溶液中に分散し、100℃、6hで酸化処理を行った。その後、フィルターで十分過酸化水素を洗浄し、真空中で乾燥させた。引き続き得られたサンプルをHe中で熱重量分析を行った。温度領域は、室温から600℃、昇温速度は、5℃/minで行った。この結果400℃付近での重量減少が観察され、その結果カルボキシル基などの表面官能基が10%吸着していることが分かった。また、このサンプルを光散乱法で測定した結果、酸化処理ペタル含有カーボンナノホーンの粒子径は、50〜90nmであり、従来のカーボンナノホーンの80〜120nmよりやや小さくなったことを確認した。さらに、これらにポリエチレングリコール(PEG)などを付加し、リン酸緩衝化生理食塩水(PBS)に分散させ、溶媒親和性、生体親和性の向上を確認したところ、上記処理を施していないカーボンナノホーン集合体は凝集沈降したが、処理を施したカーボンナノホーン集合体では親水性が向上し、24時間たってもまったく沈殿現象は観測されなかった。
Claims (21)
- 1層又は複数層のグラフェンシートからなり、全体としてペタルの形状を有するグラファイト集合体から成り、
前記ペタル形状のグラファイトに支持された複数のナノホーンを更に有することを特徴とするナノカーボン集合体。 - 請求項1に記載のナノカーボン集合体において、前記ナノホーンが、ダリア型、つぼみ型、シード型、又は、それらの中間的な構造を有することを特徴とするナノカーボン集合体。
- 請求項1又は2に記載のナノカーボン集合体において、前記ペタル形状のグラファイト集合体のエッジが酸化され、且つ、カルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基が付加されていることを特徴とするナノカーボン集合体。
- 請求項1又は2に記載のナノカーボン集合体において、前記ペタル形状のグラファイト集合体のエッジの酸化は、酸素中加熱、硝酸中加熱、及び、過酸化水素中加熱の少なくとも1つによって行われたものであることを特徴とするナノカーボン集合体。
- 請求項1乃至4の内のいずれか一つに記載のナノカーボン集合体において、少なくとも一部の前記ナノホーンが酸化されて開孔部を形成しており、該開孔部のエッジが酸化され、且つ、カルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基が付加されていることを特徴とするナノカーボン集合体。
- 請求項1乃至5の内のいずれか一つに記載のナノカーボン集合体において、前記少なくとも一部のナノホーンの酸化が、酸素中加熱、硝酸中加熱、及び、過酸化水素中加熱の少なくとも1つによって行われたものである、ナノカーボン集合体。
- 請求項3又は5に記載のナノカーボン集合体において、前記カルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基に化学修飾が施されていることを特徴とするナノカーボン集合体。
- 請求項3又は5に記載のナノカーボン集合体において、前記ペタル形状のグラファイト集合体のカルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基に金属化合物が付加されていることを特徴とするナノカーボン集合体。
- 請求項3又は5に記載のナノカーボン集合体において、前記カルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基に、有機物又は生体分子が付加されて、溶媒分散性、生体親和性の少なくとも1つを含む付加的特性が付与されていることを特徴とするナノカーボン集合体。
- CO2レーザーアブレーションによってペタル形状のグラファイト集合体及び前記ペタル形状のグラファイトに支持されたナノホーンを含むナノカーボン集合体を製造する方法であって、前記CO2レーザーアブレーションでは、グラファイトターゲットの表面を走引するレーザーの走引速度と、前記レーザーの強度と、雰囲気ガスの種類及びその圧力とを制御することにより、前記ペタル形状のグラファイト集合体とナノホーンの含有比率を制御することを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- CO2レーザーアブレーションによってペタル形状のグラファイト集合体及び前記ペタル形状のグラファイトに支持されたナノホーンを含むナノカーボン集合体を製造する方法であって、前記CO2レーザーアブレーション後に得られたナノカーボン集合体を酸化処理し、前記ペタル形状のグラファイト集合体とナノホーンの含有比率を制御することを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項10に記載のナノカーボン集合体の製造方法において、前記酸化処理は、酸素中加熱、硝酸中過熱、及び、過酸化水素中加熱の少なくとも1つを含むことを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項10乃至12の内のいずれか一つに記載のナノカーボン集合体の製造方法において、前記ペタル形状のグラファイト集合体のエッジを酸化し、カルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基を付加することを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項13に記載のナノカーボン集合体の製造方法において、前記ペタル形状のナノカーボン集合体のエッジの酸化は、酸素中加熱、硝酸中加熱、及び、過酸化水素中加熱の少なくとも1つを含むことを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項13又は14に記載のナノカーボン集合体の製造方法において、前記ナノカーボン集合体中のナノホーンを酸化して開孔部を形成し、該開孔部のエッジを酸化し、カルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基を付加することを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項15に記載のナノカーボン集合体の製造方法において、前記ナノホーンの酸化が、酸素中加熱、硝酸中加熱、及び、過酸化水素中加熱の少なくとも1つを含むことを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項13又は15に記載のナノカーボン集合体の製造方法において、前記カルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基に化学修飾を施すことを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項13又は15に記載のナノカーボン集合体の製造方法において、前記ペタル形状のグラファイト集合体中のカルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基に金属化合物を付加することを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項13又は15に記載のナノカーボン集合体の製造方法において、前記カルボニル基、カルボキシル基、及び、水酸基の少なくとも1つを含む置換基に有機物又は生体分子を付加し、溶媒分散性及び生体親和性の少なくとも1つに付加的特性を付与することを特徴とするナノカーボン集合体の製造方法。
- 請求項8に記載のナノカーボン集合体を含むことを特徴とする酸素還元反応又はメタンの水蒸気改質用触媒。
- 請求項18に記載のナノカーボン集合体を含む酸素還元反応又はメタンの水蒸気改質用触媒を製造することを特徴とする触媒の製造方法。
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