JP5475457B2 - カーボンナノチューブ合成用大量エアロゾル粉末噴射装置 - Google Patents

Description

本願は、米国特許法第１１９条第ｅ項の下、米国特許仮出願番号第６０/８６７，１４５（出願日：２００６年１１月２４日）に基づいて優先権を主張するものであり、前記出願のすべての記載をここに引用するものである。

本発明は、カーボンナノチューブの製造に関するものであり、特に、単層カーボンナノチューブの大規模な製造方法およびその装置に関する。

エアロゾル発生システムは、空気圧輸送用チューブへの粉末噴射、毒物学や労働衛生上用いられる試験用大気の発生、医薬においてインハレーション経路で患者に微粒子薬物を投与するなど、工業的に用いられている。いくつかのタイプのエアロゾル発生器が市販で入手可能であり、圧縮空気を用いるベンチュリ管式粉末噴射器（非特許文献１、非特許文献２）, 回転スクレーパーを用いるライト式粉塵供給器（非特許文献３）、および送風空気を用いた様々な流動層装置（非特許文献４、非特許文献５）などがある。

一般的に、粉末コンテナまたはホッパーから粉末を吸引し、導出管を通してスプレー装置に送るために、ジェットポンプまたはエジェクタが用いられる（特許文献１）。従来、このようなポンプには、粉末源から運び入れる粉末の流量を計測または制御するために、粉末供給器に気流を制御して噴射する流量調整器が備えられる。この流量調整器の圧力調整によりポンプに流入する粉末と混合する空気量が制御される。その結果、流量調整器による圧力が高まった場合、粉末−空気混合物中の空気量は増加し、正味の粉末流量が減少する。逆に、流量調整器による圧力が低下した場合、粉末−空気混合物中の空気量は減少し、正味の粉末流量は増加する。さらに、特許文献２において、林は別の方法を開示しており、ピストンおよび導入導出バルブを持ったシリンダの内部で、カーボンナノチューブおよび／またはフラーレンを生成する方法を述べている。ノズルを通して炭化水素ガスをシリンダ内に噴射し、急速に内部を圧縮してカーボンナノチューブを製造するものである。

米国特許第５，０５６，７２０号明細書 特開２００４−７５４５３公報 米国特許第６，９７４，４９２号明細書

Ｂｏｈｎｅｔ Ｍ．，Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｇａｓ／ｓｏｌｉｄ ｉｎｊｅｃｔｏｒｓ．Ｐｏｗｄｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３０２−３１３，１９８４； Ｃｈｅｎｇ， Ｙ．， Ｂａｒｒ ｅｔ ａｌ．，"Ａｖｅｎｔｕｒｉ ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ ａｓ ａ ｄｒｙ ｐｏｗｄｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ，"Ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １：３６５−３７１，１９８９； Ｗｒｉｇｈｔ，Ｂ．，"Ａ ｎｅｗ ｄｕｓｔ−ｆｅｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２７：１２−１５，１９５０； Ｄｒｅｗ，Ｒ． ａｎｄ Ｌａｓｋｉｎ，Ｓ．，"Ａ ｎｅｗ ｄｕｓｔ−ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ，"Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ Ｈｙｇｉｅｎｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｊｏｕｒｎａｌ，３２：３２７−３３０，１９７１； Ｅｂｅｎｓ，Ｒ． ａｎｄ Ｖｏｓ， Ｍ．，"Ａ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｄｕｓｔ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ，"Ｓｔａｕｂ−Ｒｅｉｎｈａｌｔ ｄｅｒ Ｌｕｆｔ， ２８（５）：２４−２５，１９７１； Ｃａｒｅｙ ａｎｄ Ｓｕｎｄｂｅｒｇ （１９９２） "Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ３ｒｄ Ｅｄ． "Ｖｏｌｓ． Ａ ａｎｄ Ｂ， Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ； Ｃｏｔｔｅｎ ｅｔ ａｌ．， （１９９９）， "Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ６ｔｈ Ｅｄ．，" Ｗｉｌｅｙ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ．

このような粉末輸送システムの欠点として、正常に排出された粉末でも、標的に均一には流入しないという欠点がある。つまり、輸送粉末に疎の部分と密な部分が周期的に生じ、輸送粉末の密度に周期的な増減が生じる。粉末密度のこうした周期的な増減は、標的に対して粉末が均一に噴射されないという、望ましくない結果を生む。よって、粉末の流量を制御できるということは、粉末をスムースに波や脈動なく輸送するために非常に重要であり、粉末の輸送速度を制御すること、粉末を運ぶ気体がカーボンナノチューブを製造する反応容器などの標的に至る前に、気流中でよく拡散されるようにすることなども重要である。このような理由から、粉末を制御して輸送する方法が必要とされる。

本発明は、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）などのカーボンナノ構造体を、大規模に連続して製造する方法、装置、プロセスを提供するものである。本発明の装置は、その一側面において、単層カーボンナノチューブを連続して大規模に製造するための担持触媒噴射装置として使用される。この噴射装置の利点は、エアロゾル化され凝集していない触媒を、一定の流量で反応容器に輸送でき、かつ大量輸送が可能な乾燥粉末として噴射させる機能を有することである。

また、本発明は別の一側面において、乾燥粉末の噴射装置を提供する。このような乾燥粉末は、制御された粒度および／または粒径をもつ金属粒子や、カーボン非含有粉末状酸化物の担体に担持された金属粒子であってよく、コンテナ内に導入される。このコンテナは、側壁、上端部、および下端部を有し、バーに結合したピストンをコンテナの下端部に取り付け可能であり、コンテナの上端部にはノズルが設置できる。更に、複数の気体導入口をノズルとピストンの間にある側壁に設置することができ、乾燥粉末をピストンの上方かつ気体導入口の下方に配置することができる。この乾燥粉末は、好ましくは、ＳＷＮＴ調製用触媒である。この乾燥粉末あるいは触媒は、粉末状にした酸化物上に担持された金属触媒であってよい。この粉末状酸化物は、０．５μｍから５μｍの粒度をもち、加圧ヘリウムまたはアルゴンを用いてエアロゾルに調製される。また、ある側面では、このエアロゾル化した粉末は、約６００℃から約１２００℃に加熱することが可能である。

また、本発明の別の一側面では、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）の製造方法を提供する。この製造方法は、加熱され、乾燥、還元された触媒粉末のエアロゾルを反応容器に噴射する工程からなり、触媒粉末は担持用基材および触媒基材からなり、エアロゾルは本発明の噴射装置により調製される。さらに、この製造方法は、噴射装置に粉末を導入する工程を有し、この噴射装置は側壁、上端部、および下端部をもつコンテナをもち、この下端部はバーに結合したピストンをもち、上端部はノズル、およびノズルとピストンの間に複数の気体導入口を有する側壁とから構成され、前記乾燥粉末はピストン上方かつ気体導入口下方の位置に導入される。さらにこの製造方法は、バーによってこの粉末を上端部に押し込む工程、気体導入口を通して気体を流し込むことで上端部近くに渦流を発生させる工程を有し、前記粉末はこの渦流に運ばれノズルを通過して噴射される。触媒粉末には、コバルト、鉄、ニッケル、タングステン、モリブデン、またはこれら金属を組み合わせた素材を用いることができ、担体基材には、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ゼオライト、ＭＣＭ−４１、Ｍｇ（Ａｌ）Ｏ、またはこれらを組み合わせた基材を用いることができる。担持触媒は、０．５μｍから５μｍの粒度をもち、高圧ヘリウムまたはアルゴンを用いてエアロゾル化される。ある態様では、エアロゾル化した触媒は約６００℃から約１２００℃に加熱することが可能である。反応容器にエアロゾル化した凝集のない乾燥粉末触媒を、１ｋｇ／ｈ以上で輸送するように、バーおよび気体の流れを制御することができる。従って、約１ｇ／ｈから５ｋｇ／ｈの流量で、好ましくは、約５００ｇ／ｈから４．５ｋｇ／ｈ、更に好ましくは、約６００ｇ／ｈから４ｋｇ／ｈの流量で粉末を噴射するように、バーおよび気体の流れを制御することができる。

以上述べたような本願の側面は、以下の詳細な説明によって明確化されよう。また、より詳細に本発明の手法や構成を説明する様々な参照文献が引用されるが、これら参照した文献の全文を開示に含むものとする。

本発明の噴射装置を示す。（ａ）側面より見た図を示す。（ｂ）上方向より見た図を示す。

（定義）
特に述べない限りは、明細書および請求の範囲を含む本願のなかで用いられる下記の用語を、以下に定義する。ここで、明細書および請求の範囲において用いられる用語は、文脈から複数形を含まないことが明らかな場合を除いて単数形、複数形を含むものとする。一般的な化学用語の定義は、例えば非特許文献６および非特許文献７などの参考文献が参照可能である。

本願において、「有機金属（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ）」または「有機金属（ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ）」の語は、交換可能に用いるものであり、有機化合物と金属、遷移金属または金属ハロゲン化物との配位化合物を意味する。

本願において、「不動態化溶媒（ｐａｓｓｉｖａｔｉｎｇ ｓｏｌｖｅｎｔ）」の語は、金属イオンと配位せず、熱分解反応において使用するのに適した有機溶媒を意味する。

本願において、「ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）」の語は、フッ素、臭素、塩素、および／またはヨウ素を意味する。

本願において、「低級アルコキシ（ｌｏｗｅｒ ａｌｋｏｘｙ）」の語は、低級アルキル基のオキシドを意味する。低級アルキル基の例としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ペンチル、ｎ−ヘキシル、オクチル、ドデシルなどが含まれるが、これらに限定されるものではない。オキシドには、メトキシド、エトキシド、ブトキシドなどが含まれる。

本発明は、固体に担持した触媒など、エアロゾル化した粉末を輸送するための方法、装置、およびプロセスを開示する。

図１に本発明に係る噴射装置を示した。コンテナ内に入れられた触媒粉末は、噴射装置と反応容器とを連結して反応容器に触媒が移動できるようにした開口に向かって移動することができる。この開口付近に、触媒を流動化して運搬する接線渦流を作り出すために、一種類の不活性気体または複数種類の不活性気体が用いられる。コンテナの容量、触媒の移動速度、気体の流速を変えることによって、大量のエアロゾル化した粉末を反応容器内に噴射することができる。このようにして、例えば、担持触媒を垂立する反応容器の上部に導入することが可能となり、担持触媒は反応の原料気体を通って下方へと移動する。固体材料は、反応容器の底部から取り出される。この固体材料には生成物、未反応触媒、および副生成物が含まれるが、これらは、フィルター、遠心またはサイクロン分離機などを用いた方法により分離することが可能であり、回収した未反応触媒はリサイクルできる。

本発明の製造方法は、触媒粉末が曝される反応条件が非常によく制御されるので、特に単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）製造用に設計されている。反応温度および反応試剤の濃度を制御することは、ＳＷＮＴ製造に必要な高選択性を得るために重要である。本発明の製造方法および装置を用いることで、ＳＷＮＴの連続合成が可能となる。本願で述べられるこの製造方法と装置に関しては、反応条件が最適になるまで、触媒粉末がメタンまたは一酸化炭素などの反応気体と接触しないように、触媒を調製および輸送するプロセスがＳＷＮＴを合成する反応容器から離れた所で実施される。ナノチューブの収率は、遷移金属の配合比、担体の種類、金属充填などの触媒処方によって影響を受け、さらに、反応温度、触媒気体圧、および反応時間などの操作パラメーターや、前処理条件によって影響を受ける。

図１に示すように、本発明の噴射装置は、担持触媒粉末５を入れるために用いるコンテナ１０、気体および／または担持触媒を加熱するためのヒーター１５、およびコンテナ内部に置かれたバー２０より構成されるが、コンテナ１０内でバーがクランクシャフトを介してステップモーターに結合される。コンテナ１０内の担持触媒は、ヒーター１５により好適な反応温度にまで加熱されるが、もし静電気がある場合には、静電気を除くことが可能であり、エアロゾル化した触媒を一定の流量で反応容器にノズル５０を経由して輸送することができる。こうして、本発明の噴射装置は、ＳＷＮＴ合成用の触媒粉末を均一かつ一定濃度で提供できるという優れた特徴を有する。本発明の製造方法および装置は高収率でＳＷＮＴを提供する結果、ＳＷＮＴの工業的製造が可能となる。

先ず、一定量の触媒粉末５をコンテナ内に導入する。例えば、図１に示すようなコンテナ１０に導入するが、本発明はこれに限定されるものではない。コンテナ１０は、触媒粉末を保持できる適当な容器であればよく、パイレックス（登録商標）、ガラス、またはスチールなどの非反応性金属からなる。ある側面では、コンテナ１０は、側壁と両端をもつシリンダーなどの従来型のコンテナを含む。コンテナ１０の一方の端には、ステップモーター１８、クランクシャフトを介してステップモーター１８に連結されたバー２０、およびコンテナ１０のシリンダー部にぴったりと密着し、バー２０に一方の端が固定されて結び付けられたピストン２２から構成された、圧搾空気で作動するアセンブリが備えられる。起動されると、オペレーターの決定に従って、このステップモーター１８はピストン２２をコンテナ１０内部において上方に押し出し、または下方に引き戻す。コンテナ１０のもう一方の端には、反応容器に取り付けられたノズル５０が設置されている。触媒粉末は、コンテナ１０から出た後ノズル５０を通って反応容器に入る。

コンテナ１０の端にあるノズル５０の付近には、気体導入口３０が、コンテナ側壁に設けられている。コンテナには１、２、３、４、５、６個、またはそれ以上の気体導入口を設置してもよい。この気体導入口は、コンテナ１０の内部に接線渦流が発生するように取り付けられる。例えば、この気体導入口はノズルから約１０インチ（約２５．４ｃｍ）、または約５インチ（約１２．７ｃｍ）、あるいは約０．１インチ（約０．２５ｃｍ）から約３インチ（約７．６ｃｍ）の長さであってよい。本発明の一側面では、二個の気体導入口が互いに向かい合う位置に設けられている。こうして、不活性気体が、各々の気体導入口を通ってコンテナ内に約０．１Ｌｐｍから約２００Ｌｐｍの割合で流れ込む。前記気体は、Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、または窒素などの不活性気体かこれらの気体の組み合わせであってよく、加圧されて導入される。気体導入口を通ってコンテナ内に入った気体は、コンテナ１０の内部において、バー２２と触媒粉末５の上部に渦流を発生させる。この渦流に、触媒粉末は輸送され、空気の流れの中で浮遊または漂う状態で触媒エアロゾルが生み出され、その結果、流動化粉末が生成する。この流動化粉末はノズル５０を通って噴射され反応容器へと入る。

一般的に、触媒粉末５は、ヒーター１５または当分野で知られる他の任意の手段を用いて加熱できる。その温度は、約４００℃から約８００℃の範囲で、好ましくは約４５０℃から約５５０℃、例えば、５００℃であり、または約６００℃から約１２００℃、好ましくは約７５０℃から約９５０℃である。この加熱は、大気中、減圧下、または減圧した、Ｈ_２、ＮＨ_３、ＣＨ_４、またはこれらの混合気体、および／またはＨｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、またはＮ_２などの気体存在下に行われる。

この加熱された触媒粉末５は、バーにより上方に押し上げられる。同時に、Ａｒなどの加圧気体が、触媒粉末をエアロゾル化するために気体導入口３０からコンテナに送り込まれる。この気流は、エアロゾル化した凝集の無い乾燥粉末触媒を、反応容器内に約１ｋｇ／ｈ以上の割合で輸送するように制御される。すなわち、前記粉末を、約１ｇ／ｈから約５ｋｇ／ｈの割合で、好ましくは約５００ｇ／ｈから約４．５ｋｇ／ｈ、より好ましくは約６００ｇ／ｈから約４ｋｇ／ｈの割合で反応容器内に噴射するようにバーおよび気流が制御される。こうして気流に運ばれエアロゾル化した粉末の濃度は、実験の要件に合わせて制御される。もし、エアロゾル化した触媒粉末上に静電気がある場合には、市販で入手可能な任意の静電気除去器具を用いて取り除くことができる。こうして加熱され、および/または静電気を除いたエアロゾル化した触媒粉末を、ノズル５０を通して反応容器に輸送する。反応容器に輸送されるエアロゾル化した触媒粉末の流れは、担持触媒をエアロゾル化するのに用いた気体の流速と、触媒粉末を渦流に向かって押し出すバー速度とを調整することにより制御される。例えば、所望により、約１ｇ／ｍ^３から約１５０ｇ／ｍ^３の濃度、好ましくは約５ｇ／ｍ^３から約１００ｇ／ｍ^３の濃度、または約２００ｇ／ｍ^３の濃度で輸送する。このように、本発明の噴射装置は、ＳＷＮＴの大規模合成用として、均一かつ一定の触媒粉末の濃度を生み出すことができるという優れた特徴を有する。

（触媒）
本発明の、製造方法、プロセス、および装置は、触媒粉末として担持金属ナノ粒子を用いる。触媒として選ばれる金属または金属の組み合わせは、所望の粒度および粒径分布が得られるように処理することができる。この金属ナノ粒子は、カーボンナノチューブの合成時に、金属成長触媒を用いて担体に適した金属上に担持させて分離することができる。このような金属には、結晶シリコン、ポリシリコン、シリコンナイトライド、タングステン、マグネシウム、アルミニウム、およびこれら金属の酸化物、好ましくは、アルミニウム酸化物、シリコン酸化物、マグネシウム酸化物、チタン酸化物、またはこれらの酸化物の組み合わせを粉末にしたものが挙げられるが、随意他の元素を加えることもでき、担持用粉末として用いられる。この担持用粉末上に担持された金属ナノ粒子を、反応容器にエアロゾルとして噴射する。前記金属触媒は、カーボンナノチューブの成長プロセスにおいて、カーボン前駆体を分解し、カーボンがナノチューブとして配列されて堆積するのを助ける役割を果たす。

前記金属触媒は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａまたはこれら金属の組み合わせなどの第Ｖ族金属、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｕまたはこれら金属の組み合わせなどの第ＶＩ族金属、ＭｎまたはＲｅなどの第ＶＩＩ族、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ，またはこれら金属の組み合わせなどの第ＶＩＩＩ族金属、またはＣｅ、Ｅｕ、Ｅｒ、Ｙｂまたはこれら金属の組み合わせなどのランタニド、またはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａまたはこれら金属の組み合わせなどの遷移金属から選ばれる。触媒混合物の具体例としてはバイメタル触媒などがあるが、本発明で用いられるものとしては、例えば、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｍｏ、Ｒｕ−Ｃｒ、Ｒｕ−Ｗ、Ｒｕ−Ｍｏ、Ｒｈ−Ｃｒ、Ｒｈ−Ｗ，Ｒｈ−Ｍｏ、Ｐｄ−Ｃｒ、Ｐｄ−Ｗ、Ｐｄ−Ｍｏ、Ｉｒ−Ｃｒ、Ｉｒ−Ｗ、Ｉｒ−Ｍｏ、Ｐｔ−Ｃｒ、Ｐｔ−Ｗ、またはＰｔ−Ｍｏなどが挙げられる。好ましくは、前記金属触媒としては、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、またはこれら金属の混合物があり、例えば、Ｆｅ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｍｏ、およびＮｉ−Ｆｅ−Ｍｏなどがある。

金属、バイメタル、または金属を組み合わせたものを、所定の粒度および粒径分布を持つ金属ナノ粒子の製造に使用する。この金属ナノ粒子は、不動態化塩に加えられた対応金属塩の熱分解によって調製することができる。溶媒温度は、前記金属ナノ粒子が得られるように、同一出願人による同時係属の特許文献８に記載されるように、または当分野で知られた任意の方法により調整される。金属ナノ粒子の粒度および粒径分布は、不動態化溶媒中の金属濃度を適当に調整することで制御でき、反応時間を制御することで熱分解温度において反応が進行する。粒度として、約０．１ｎｍから約１００ｎｍの粒度を持つ、好ましくは約１ｎｍから約２０ｎｍｍ、より好ましくは約２ｎｍから約１１ｎｍ、最も好適には約３ｎｍから約７ｎｍの粒度を持つ金属ナノ粒子を調製する。このようにして調製した金属ナノ粒子は、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、または１０ｎｍの粒度を持ち、さらに大きいものでは約２０ｎｍの粒度を有する。また、他の側面では、前記金属ナノ粒子は、粒度がある範囲の幅を持ってもよく、例えば、約３ｎｍから約７ｎｍ、約５ｎｍから約１０ｎｍ、または約８ｎｍから約１６ｎｍの範囲にある粒度を有する。また、前記金属ナノ粒子は、約０．５ｎｍから約２０ｎｍ、好ましくは約１ｎｍから約１５ｎｍ、より好ましくは約１ｎｍから約５ｎｍの粒径分布を随意有してよい。例えば、前記金属ナノ粒子は、約１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、１０ｎｍ、１１ｎｍ、１２ｎｍ、１３ｎｍ、１４ｎｍ、または１５ｎｍの粒径分布を有してよい。

前記金属塩は、前記金属のどのような塩であってもよく、前記金属塩の融点が不動態化溶媒の沸点よりも低温であるような金属塩から選ばれる。例えば、前記金属塩は、金属イオンおよび対イオンからなるが、対イオンとしては、硝酸イオン、ナイトライドイオン、過塩素酸イオン、硫酸イオン、スルフィドイオン、酢酸イオン、ハライドイオン、メトキシドまたはエトキシドなどのオキシドイオン、アセチルアセトネートイオンなどがある。例えば、前記金属塩には、酢酸鉄（ＦｅＡｃ_２）、酢酸ニッケル（ＮｉＡｃ_２）、酢酸パラジウム（ＰｄＡｃ_２）、酢酸モリブデン（ＭｏＡｃ_３）、またはこれら塩の組み合わせがある。また、前記金属塩の融点は、好ましくは、不動態化溶媒の沸点よりも低温の約５℃から約５０℃、より好ましくは不動態化溶媒の沸点よりも低温の約５℃から約２０℃である。

前記金属塩は、不動態化溶媒に溶かして溶液、懸濁液、または分散液とすることができる。この不動態化溶媒は、好ましくは有機溶媒であり、選択された金属塩が比較的溶けて安定である溶媒であり、実験条件化で容易に溶媒留去できるような十分に高い蒸気圧をもつ溶媒が好ましい。この溶媒としては、グリコールエーテル、２−（２−ブトキシエトキシ）エタノール、Ｈ（ＯＣＨ_２ＣＨ_２）_２Ｏ（ＣＨ_２）_３ＣＨ_３（以下、慣用名「ジエチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテル」を用いる）などのエーテル系溶媒とすることができる。

金属塩と不動態化溶媒との相対的な量は、製造するナノ粒子の大きさを制御する因子となる。幅広いモル比の範囲で、すなわち不動態化溶媒１モルに対する金属塩の全モル数をここではいうが、金属ナノ粒子を生成することができる。不動態化溶媒に対する金属塩の一般的なモル比は、約０．０２２２（１：４５）のように低い値か、または約２（２：１）のように高い値か、またはこの範囲に入るどの値でもよい。例えば、約５．７５ｘ１０-^５から約１．７３ｘ１０-^３モル（１０−３００ｍｇ）のＦｅＡｃ_２を、約３ｘ１０-^４から約３ｘ１０-^３モル（５０−５００ｍｌ）のジエチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテルに溶かすことができる。

また、別の側面では、二つ以上の金属で構成される金属ナノ粒子を生成させるために、一つ以上の金属塩を反応容器に加えてよく、このとき対イオンは同じであっても異なっていてもよい。また、各々の金属塩の相対的な量は、生成する金属ナノ粒子の組成を制御する因子となる。バイメタルの場合、第二の金属塩に対する第一の金属塩のモル比は、約１：１０から約１０：１であってよく、好ましくは約２：１から約１：２、より好ましくは約１．５：１から約１：１．５であるか、またはこの値の間にある任意のモル比であってよい。具体的には、酢酸ニッケルに対する酢酸鉄のモル比は、１：２、１：１．５、または１：１である。ここで記載したものとは異なる金属塩の組み合わせや第二の金属塩に対する第一の金属塩のモル比を、様々な組成をもつ金属ナノ粒子の製造に用いることができることを、当業者は理解できよう。

前記不動態化溶媒および前記金属塩を混合し、均一な溶液、懸濁液、分散液とすることができる。この反応溶液は、随意加熱をしながら、通常の実験用撹拌機、混合機、音波振動機などを用いて混合することができる。こうして得られた均一な混合物を、金属ナノ粒子を生成するために熱分解に処することができる。

熱分解反応は、反応容器に入れられた少なくとも一つ以上の金属塩の融点より高い温度に加熱することで開始する。適当な熱源としては、マントルヒーター、ホットプレート、またはブンゼンバーナーなど通常の実験用ヒーターが用いられ、還流下の加熱であってよい。また、熱分解時間の長さは、所望の大きさの金属ナノ粒子が得られるような長さであればよく、一般的には、約１０分から約１２０分、またはこの範囲にある任意の時間でよい。また、反応容器の内容物の温度を金属塩の融点以下に下げることにより、所望の時に熱分解反応を止めることが可能である。

こうして製造された金属ナノ粒子の粒度および粒度分布は、任意の適当な方法によって確認できが、その一つの方法として、透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）がある。好適なモデルとしては、ＦＥＩ社（オレゴン州ヒルズバロ）から市販されているＰｈｉｌｌｉｐｓ社製 ＣＭ３００ＦＥＧ ＴＥＭが挙げられる。金属ナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真を撮影するには、一滴以上の金属ナノ粒子／不動態化溶媒溶液を、炭素膜格子または他のＴＥＭ顕微鏡写真を得るのに適した格子上にのせる。次いで、ＴＥＭ装置を用いて金属ナノ粒子の顕微鏡写真を撮影する。得た写真を用いて、製造された金属ナノ粒子の粒度分布を決めることができる。

上記で詳細に説明した熱分解によって生成した金属ナノ粒子は、固体担体上に担持することができる。この固体担体には、シリカ、アルミナ、ＭＣＭ−４１、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、アルミニウム−安定化マグネシウム酸化物、ゼオライト、または他の当分野で知られた酸化物系担体、またはこれらを組み合わせたものが用いられる。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ハイブリッド担体を用いることも可能である。好ましい担体としては、アルミニウム酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）またはシリカ（ＳｉＯ_２）である。固体担体として用いられる酸化物は、小さな粒度と大きな表面積を持たせるために粉末状にされる。好ましくは、この粉末状にした酸化物は、約０．０１μｍから約１００μｍの粒度を持ち、より好ましくは、約０．１μｍから約１０μｍ、さらに好ましくは、約０．５μｍから約５μｍ、最も好適なものとして約１μｍから約２μｍの粒度を有する。粉末状にした酸化物は、約５０から約１０００ｍ^２／ｇの表面積、より好ましくは約２００から約８００ｍ^２／ｇの表面積を有する。粉末状にした酸化物は、使用前に調製してよく、または市販品を用いてもよい。

また、本発明のある側面では、金属ナノ粒子は２次分散および抽出によって、固体担体上に担持される。ここで、２次分散は、熱分解反応の後で、アルミニウム酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）またはシリカ（ＳｉＯ_２）などの粉末状にした酸化物の粒子を、反応容器に導入することで開始される。１−２μｍの粒度をもち３００−５００ｍ^２／ｇの比表面積をもつ適当なＡｌ_２Ｏ_３粉末は、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ （ウオード ヒル、マサチューセッツ）またはＤｅｇｕｓｓａ（ニュージャージー）より購入可能である。粉末状にした酸化物と、金属ナノ粒子生成に用いた金属の初期の量とが、所望の重量比になるように、粉末状にした酸化物が加えられる。一般的に、この重量比は、約１０：１から約１５：１の間の値である。例えば、もし１００ｍｇの酢酸鉄を出発原料として用いた場合には、約３２０ｍｇから４８０ｍｇの粉末状にした酸化物を溶液の中に導入する。

粉末状にした酸化物と、金属ナノ粒子／不動態化溶媒混合物との混合物を、均一溶液、懸濁液、分散液を生成するために混合する。これら均一溶液、懸濁液、分散液は、ソニケーター、通常の実験用撹拌器、機械的混合器、または他の適当な任意の方法により、随意加熱しながら調製することができる。例えば、金属ナノ粒子、粉末状にした酸化物、および不動態化溶媒の混合物を、先ず約８０℃、２時間ソニケーションにかけ、次に８０℃、３０分間実験用撹拌器で混合して均一溶液を得ることができる。

２次分散を行った後に、分散した金属ナノ粒子および粉末状にした酸化物を不動態化溶媒から抽出する。この抽出操作は、ろ過、遠心分離、減圧下での溶媒留去、大気圧下での溶媒留去などの操作によって行われる。例えば、抽出操作には不動態化溶媒の蒸気圧が著しく高まる温度にまで均一混合物を加熱する操作が含まれる。この温度は、不動態化溶媒が蒸発し、Ａｌ_２Ｏ_３の空孔に金属ナノ粒子が沈殿して残るまで維持される。例えば、不動態化溶媒としてジエチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテルが用いられる場合には、均一分散液は、不動態化溶媒の沸点である２３１℃にまで、窒素気流中加熱される。この温度と窒素気流は、不動態化溶媒が完全に蒸発するまで維持される。こうして不動態化溶媒を留去した後、粉末状にした酸化物および金属ナノ粒子が反応容器の壁面上に、膜または残渣として残される。粉末状にした酸化物がＡｌ_２Ｏ_３の時は、前記膜は一般に黒色である。金属ナノ粒子および粉末状にした酸化物の膜を、反応容器から取り出し、微粉末となるように粉砕され、混合物の有効表面積を増加させる。混合物は、乳棒乳鉢、または市販のメカニカルグラインダによって粉砕されるが、混合物の表面積を増加させる当業者に周知の方法によっても粉砕することができる。

特定の理論によるものではないが、粉末状にした酸化物は抽出操作において２つの役割を果たすといわれている。粉末状にした酸化物は、多孔質であり大きな比表面積を有している。従って、金属ナノ粒子は、２次分散過程において粉末状にした酸化物の孔に定着する。粉末状にした酸化物が孔に定着することにより、金属ナノ粒子はおたがいに物理的に隔てられ、その結果、抽出操作中に金属ナノ粒子が凝集することが防止される。この効果は、使用する粉末状にした酸化物の量によって補完される。上で述べたように、粉末状にした酸化物に対する金属ナノ粒子の重量比は、約１：１０から約１：１５の間とすることができる。比較的多量の粉末状酸化物を用いた場合、この粉末状酸化物は不動態化溶媒が留去されるに従って金属ナノ粒子がさらに効果的に分離または「希釈」されるように作用する。よって、このプロセスにより決められた粒度を持つ金属ナノ粒子が提供される。

当業者に明らかなように、こうして調製された触媒は、後で使用するために保存ができる。また、別の態様においては、前もって金属ナノ粒子を調製し、不動態化溶媒から分離、精製し、前記不動態化溶媒と同じまたは異なる適量の不動態化溶媒中にて、粉末状にした酸化物に加えることができる。金属ナノ粒子および粉末状にした酸化物は、均一に分散され、不動態化溶媒から抽出され、上記で述べたようにその有効表面積を増加させる処理を施すことができる。当業者にとっては、別の方法により金属ナノ粒子および粉末状酸化物を調製できることも明らかであろう。

こうして調製された金属ナノ粒子は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによる、カーボンナノチューブ、ナノファイバー、および他の一次元カーボンナノ構造体合成用の成長触媒として用いることができる。

（カーボン前駆体）
カーボンナノチューブは、炭素含有気体などのカーボン前駆体を用いて合成することができる。一般に、約１０００℃まで熱分解しない炭素含有気体であればどのようなものを用いてもよい。好適な炭素含有気体の例としては、一酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、エチレン、アセチレン、およびプロピレンなどの飽和および不飽和の脂肪族炭化水素、アセトンおよびメタノールなどの酸化炭化水素、ベンゼン、トルエン、およびナフタレンなどの芳香族炭化水素、さらにこれらの混合物、例えば、一酸化炭素−メタン混合物などがある。一般に、アセチレンを用いた場合は、多層カーボンナノチューブの生成が促進され、一方、単層カーボンナノチューブの生成にはＣＯおよびメタンが供給気体として適している。また、炭素含有気体は、水素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、またはこれらの気体の混合気体などの希釈用気体と、随意混合させてもよい。

具体的な反応温度は、触媒の種類および前駆体の種類に依存する。各々の化学反応のエネルギー平衡式を用い、カーボンナノチューブを成長させるのに最適なＣＶＤ反応温度を分析して決めることができる。これによって必要な反応温度の範囲が決定される。また、最適な反応温度は、選定した前駆体および触媒の流量に依存する。一般に、この製造方法では、５００℃から１０００℃のＣＶＤ反応温度が必要であるが、より好ましくは７００℃から９００℃の反応温度を必要とする。

（カーボンナノチューブの合成）
酸化物粉末上に担持された金属ナノ粒子を、上記の噴射装置によってエアロゾル化し、反応容器に導入する。同時に、カーボン前駆体気体を反応容器に導入する。反応容器内のこれら反応原料の流れを、反応容器の壁面に付くカーボン生成物の量を少なくするように制御する。こうして、製造されたカーボンナノチューブを回収し分離することができる。

一般に、ナノチューブの合成は下記のようにして進行する。気流に乗った粉末状触媒は、垂立する反応容器の最上部またはその近くにまで輸送される。メタンまたは他の炭素源気体の気流を、随意に水素と合わせて反応容器に導入する。一般的な流量はアルゴンガスで２７００ｓｃｃｍ、メタンガスで１５００ｓｃｃｍ、Ｈｅガスで５００ｓｃｃｍである。更に、アルゴンガスを２５００ｓｃｃｍにて螺旋流導入口に導入して、反応容器壁面上に炭素生成物が堆積しないようにする。反応中ヒーターを用いて、反応容器を約８００℃から９００℃に加熱する。温度は、８１０℃、８２０℃、８３０℃、８４０℃、８５０℃、８６０℃、８７０℃、８８０℃など、この範囲にあるどの温度でもよいが、この温度は、カーボン前駆体気体の分解温度未満に保たれることが好ましい。例えば、１０００℃を超える温度では、メタンは金属成長触媒とともにカーボンナノ構造体を形成するのではなく、直接、煤となることが知られている。

反応容器で合成されたカーボンナノチューブや他のカーボンナノ構造体は、次にろ過システムで処理される。このろ過システムは、反応容器出口とつながる単一または一連の回収容器から構成される。回収容器は、カーボンナノチューブとその他の生成物を重さによって仕分けする。概して、最も重い反応生成物は第一の回収容器に集められ、第二、第三の回収容器には、概して比較的軽い生成物が集められる。カーボンナノチューブは、生成した多くの煤の粒子に比べて比較的軽いために、この第二および第三の回収容器に集められる。

ここで開示される製造方法および装置を用いることにより、合成した生成物を回収するために反応容器を冷却する必要がなくなるので、大規模に反応容器を連続操業することが可能となる。一方、回収容器を交換してナノチューブを回収することも可能である。反応生成物が反応容器から流れ出るに従い、回収容器は様々な反応生成物を回収し、比較的軽い反応生成物が第二、第三の回収容器に堆積する。また、さらにカーボンナノ構造体の合成を継続中に、反応生成物を回収するために回収容器を交換することもできる。

以下に、本発明を実施する具体的な形態の実施例を説明する。これらの実施例は本発明を例証する目的のためだけに記載されるものであり、いかなる意味においても本発明の範囲を限定するものではない。ここで用いられる量、温度などの数値に関しては正確さを期するようにしたが、多少の実験誤差や偏差はもちろん許容されるべきでる。

（担持触媒の調製）
担体材料を金属塩溶液に含浸させて触媒を調製した。単一金属イオン系触媒用に、メタノールに含ませたＦｅＡｃ_２を、Ｆｅ：Ａｌ_２Ｏ_３＝１：１５のモル比で使用した。窒素雰囲気下、ジエチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテルに、１ｍＭ：２０ｍＭのモル比でＦｅＡｃ_２を加えた。マグネティックスターラーバーを用い、窒素雰囲気下、反応混合物を混合し、９０分間加熱還流した。次に反応混合物を室温にまで冷却し、Ａｌ_２Ｏ_３（１５ｍＭ）を一度に加えた。反応溶液を室温にて１５分間撹拌し、３時間１５０℃にまで加熱した。溶媒を除くために反応混合物の上に窒素気流を流しながら、９０℃にまで冷却した。反応フラスコの壁面上に形成された黒色膜を回収し、メノウ乳鉢にて粉砕して黒色の微粉末を得た。

（カーボンナノチューブの合成）
実施例１で調製したＡｌ_２Ｏ_３担持鉄触媒約１０ｇを、コンテナに入れ、５００℃まで加熱した。加熱した担持触媒を、コンテナにＨ_２／Ｈｅ（１：１ ｖ／ｖ）を流して還元した。こうして得られた還元担持触媒乾燥粉末を、この粉末を流動層噴射装置の多孔質プレート上に運ぶコンベヤーベルトの上に滴下した。流速１５Ｌｐｍでコンテナ底部およびチャンネルを通ってアルゴンガスを流すことにより、触媒粉末をエアロゾル化した。触媒粉末を乗せて運ぶこのアルゴンガスの気流は、約７００℃にまで加熱され、静電気を除去されて反応容器へと輸送される。こうして、担持触媒を、約１５０ｇ／ｍ^３の質量濃度でアルゴンガスに乗せ、カーボンナノチューブを製造するため反応容器に導入する前に、前加熱処理を行った。

ＳＷＮＴ合成は、垂立する反応容器で行った。前加熱処理された触媒を、垂立する反応容器の上端近くにまで輸送した。反応容器を前加熱して８２０℃にした。次に、アルゴンガスを、２５００ｓｃｃｍの流量で螺旋流導入口から反応容器へと噴射した。反応は、１５００ｓｃｃｍの流量で反応容器にＣＨ_４を流入させることで開始した。カーボンナノ構造体を形成するために、温度および気流を１２０分間維持し、生成物分離機を用いて単層カーボンナノチューブを回収した。コンテナ１、コンテナ２、およびトラップに、大量の暗黒色生成物、銀黒色生成物、および明灰色の生成物がそれぞれ集積したことが認められた。フッ化水素酸（ＨＦ）処理により、最終生成物をＡｌ_２Ｏ_３担体粉末から分離した。こうして、９５重量％以上の高純度でカーボンナノチューブを製造した。高分解能透過電子顕微鏡画像（ＴＥＭ）およびラマン分光法により、ＳＷＮＴは平均して約７ｎｍの束の直径を有した。

以上、好ましい実施形態その他種々の実施形態を示しながら本発明を説明してきたが、その形態や詳細における種々の変更が本発明の主旨や範囲を越えることなく可能であろうことを、当業者には理解することができよう。本願において参照された全ての特許文献や非特許文献は、ここに参照して全文を開示に含むものとする。

Claims (9)

1. 単層カーボンナノチューブを連続して製造するための担持触媒噴射装置として使用する粉末噴射装置であって、前記粉末噴射装置は、側壁、上端部、および下端部を有するコンテナと、前記コンテナの前記下端部にあるピストンと、前記ピストンが取り付けられているバーと、前記コンテナの前記上端部にあって単層カーボンナノチューブを合成する反応容器に取り付けられたノズルと、前記ノズルと前記ピストンとの間の前記側壁に設けられた複数の気体導入口とから構成され、
   粉末化した０．５μｍから５μｍの粒度を有する酸化物担体上に担持された金属触媒であって、カーボン前駆体を分解し、生成するカーボンが単層ナノチューブとして配列され堆積するのを助ける役割を有する前記金属触媒から構成される乾燥した粉末を、前記ピストンの上方であって前記気体導入口の下方の位置に導入し、前記ノズルを通して前記反応容器内に噴出させることを特徴とする粉末噴射装置。
2. 単層カーボンナノチューブを連続して製造するために、エアロゾル化した粉末を噴射装置により噴射する方法であって、前記噴射装置は側壁、上端部、および下端部から構成されるコンテナをもち、前記下端部はバーに取り付けられたピストンをもち、前記上端部はノズルをもち、前記側壁には複数の気体導入口を前記ノズルと前記ピストンとの間に有し、
   前記方法は、前記噴射装置に粉末状にした酸化物担体上に担持された金属触媒より構成される乾燥した粉末を、前記ピストンの上方であって前記気体導入口の下方の位置に導入する工程と、
   前記バーにより前記粉末を前記上端部に向けて押し上げる工程と、
   前記気体導入口より気体を流入させることにより前記上端部付近に渦流を発生させ、前記粉末を前記渦流に乗せて前記ノズルを通し、単層カーボンナノチューブ合成を行う反応容器内に噴射する工程と、からなり、
   前記金属触媒はカーボン前駆体を分解し、カーボンが単層ナノチューブとして配列され堆積するのを助ける役割を有することを特徴とするエアロゾル化した粉末の噴射方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記粉末は４００℃から９００℃の間にある温度に加熱されることを特徴とするエアロゾル化した粉末の噴射方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、前記粉末は遷移金属酢酸塩であることを特徴とするエアロゾル化した粉末の噴射方法。
5. 請求項２に記載の方法であって、前記気体はＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ２またはこれら気体の組み合わせからなる群より選ばれることを特徴とするエアロゾル化した粉末の噴射方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記気体はＡｒであることを特徴とするエアロゾル化した粉末の噴射方法。
7. 請求項２に記載の方法であって、前記バーおよび前記気体の流入は、前記粉末１ｇ／ｈから５ｋｇ／ｈの割合で前記粉末を噴射するように制御されることを特徴とするエアロゾル化した粉末の噴射方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、前記バーおよび前記気体の流入は、前記粉末５００ｇ／ｈから４．５ｋｇ／ｈの割合で前記粉末を噴射するように制御されることを特徴とするエアロゾル化した粉末の噴射方法。
9. 請求項２に記載の方法であって、前記バーおよび前記気体の流入は、前記粉末１ｋｇ／ｈよりも大きな割合で前記粉末を噴射するように制御されることを特徴とするエアロゾル化した粉末の噴射方法。

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