JP5852973B2 - Carbon nanoparticle manufacturing method and manufacturing apparatus thereof - Google Patents

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Description

本発明は、アーク放電によってカーボンナノ粒子を製造する技術に関する。   The present invention relates to a technique for producing carbon nanoparticles by arc discharge.

近年、単層もしくは多層のカーボンナノチューブや、カーボンナノホーン、フラーレン、ナノカプセルといった、ナノメートルスケールの微細構造を有する炭素物質が注目されている。これらの炭素物質は、ナノ構造黒鉛(グラファイト)物質として、新しい電子材料や触媒、光材料等への応用が期待されているものである。特にカーボンナノホーンは、燃料電池の電極材料やガス吸蔵材への実用化に最も近い物質として注目されている。   In recent years, carbon materials having a nanometer-scale microstructure such as single-walled or multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, fullerenes, and nanocapsules have attracted attention. These carbon materials are expected to be applied to new electronic materials, catalysts, optical materials and the like as nanostructured graphite (graphite) materials. In particular, carbon nanohorns are attracting attention as the closest substance to practical use for fuel cell electrode materials and gas storage materials.

従来、こうしたカーボンナノ粒子の製造法には、アーク放電法、化学蒸着(CVD)法、レーザーアブレーション法などが用いられてきた。特に、アーク放電法で製造したナノチューブは、原子配列の欠陥が少ないため、種々のアーク放電によるカーボンナノ粒子の製造方法が開発されている(例えば特許文献1〜5)。これらの方法は、真空中や大気中、もしくは液体窒素中にて炭素を気化させることにより、炭素からカーボンナノ粒子を形成するものである。また、水中アーク放電によって炭素蒸気を発生し、この炭素蒸気を急速に冷却させることにより、カーボンナノホーンを生成する方法が提案されている(例えば非特許文献1)。   Conventionally, arc discharge methods, chemical vapor deposition (CVD) methods, laser ablation methods, and the like have been used as methods for producing such carbon nanoparticles. In particular, since nanotubes manufactured by the arc discharge method have few atomic arrangement defects, methods for manufacturing carbon nanoparticles by various arc discharges have been developed (for example, Patent Documents 1 to 5). In these methods, carbon nanoparticles are formed from carbon by vaporizing carbon in vacuum, in the air, or in liquid nitrogen. In addition, a method of generating carbon nanohorns by generating carbon vapor by underwater arc discharge and rapidly cooling the carbon vapor has been proposed (for example, Non-Patent Document 1).

特開2001−064004号公報JP 2001-064004 A 特開2008−37661号公報JP 2008-37661 A 特開2005−170739号公報JP-A-2005-170739 特開2002−348108号公報JP 2002-348108 A 特許第3044280号公報Japanese Patent No. 3304280

Sano Noriaki et al., Journal of material chemistry 2008, vol.18, P.1555-1560Sano Noriaki et al., Journal of material chemistry 2008, vol.18, P.1555-1560

しかし、上記の方法はいずれも炭素原料の消費量に対するカーボンナノ粒子の収量が非常に少ないという問題がある。また、真空中もしくは液体窒素中においてカーボンナノ粒子を生産するには、真空や低温を保持するための設備投資や維持管理にコストがかかる。さらには、生産されたカーボンナノ粒子の精製と回収に煩雑な操作を必要とする。そのため、連続的にカーボンナノ粒子を効率的に大量生産することができず、コストの面からも産業利用上、実用化には至っていない問題がある。   However, any of the above methods has a problem that the yield of carbon nanoparticles is very small with respect to the consumption of the carbon raw material. Moreover, in order to produce carbon nanoparticles in a vacuum or in liquid nitrogen, there is a cost for capital investment and maintenance for maintaining a vacuum or low temperature. Furthermore, complicated operations are required for purification and recovery of the produced carbon nanoparticles. For this reason, there is a problem that carbon nanoparticles cannot be mass-produced efficiently and continuously, and from the viewpoint of cost, they have not been put into practical use for industrial use.

さらに、水中においてカーボンナノ粒子を生産する場合には、少量の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が生成されるが、単層カーボンナノ粒子、特に単層カーボンナノホーンを安定的に生成することが困難である。   Furthermore, when carbon nanoparticles are produced in water, a small amount of multi-walled fullerene-like carbon nanoparticles and multi-walled carbon nanotubes are produced, but single-walled carbon nanoparticles, particularly single-walled carbon nanohorns, must be stably produced. Is difficult.

本発明は以上の課題に鑑みなされたものであり、低コストかつ効率よく単層もしくは多層のカーボンナノ粒子を連続的に製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for continuously producing single-layer or multi-layer carbon nanoparticles at low cost and efficiently.

本発明者らは、上記の課題に鑑みて、アーク放電法におけるカーボンナノ粒子の収量が低い原因を種々検討した。その結果、アーク放電によって生じた炭素蒸気が急冷されて単層および多層カーボンナノ粒子が生成されると同時に、アーク放電によって単層カーボンナノホーンを含む一部のカーボンナノ粒子が再び蒸発してしまうことが示唆された。そこで本発明者らは、水中アーク放電に不活性気体を導入することによって、アーク放電発生領域のエネルギープロファイルを制御することにより、カーボンナノ粒子が再び蒸発することを防ぐ方法を見出した。こうした知見に基づき以下の手段が提供される。   In view of the above problems, the present inventors have studied various reasons for the low yield of carbon nanoparticles in the arc discharge method. As a result, the carbon vapor generated by the arc discharge is rapidly cooled to generate single-layer and multi-layer carbon nanoparticles, and at the same time, some carbon nanoparticles including the single-layer carbon nanohorns are evaporated again by the arc discharge. Was suggested. Therefore, the present inventors have found a method for preventing carbon nanoparticles from evaporating again by controlling the energy profile of the arc discharge generation region by introducing an inert gas into the underwater arc discharge. Based on these findings, the following means are provided.

本明細書に開示されるカーボンナノ粒子の製造方法によれば、陰極と陽極との間に電圧を印加してこれら電極間に存在する流体にアーク放電発生領域を形成する工程と、前記アーク放電発生領域に準備された炭素材料から炭素蒸気を発生させるとともに前記アーク放電発生領域に不活性気体を導入する工程と、を含むことができる。   According to the method for producing carbon nanoparticles disclosed in the present specification, a step of applying a voltage between a cathode and an anode to form an arc discharge generation region in a fluid existing between the electrodes, and the arc discharge Generating carbon vapor from a carbon material prepared in the generation region and introducing an inert gas into the arc discharge generation region.

本明細書に開示されるカーボンナノ粒子の製造方法によれば、流体中に配置された陰極と陽極との間に電圧を印加してこれら電極間にアーク放電発生領域を形成する工程と、前記流体の加圧下に前記アーク放電発生領域に準備された炭素材料から炭素蒸気を発生させるとともに前記アーク放電発生領域に不活性気体を導入する工程と、を含むことができる。   According to the method for producing carbon nanoparticles disclosed in the present specification, a step of applying a voltage between a cathode and an anode disposed in a fluid to form an arc discharge generation region between these electrodes, A step of generating a carbon vapor from a carbon material prepared in the arc discharge generation region under pressure of a fluid and introducing an inert gas into the arc discharge generation region.

前記陰極は前記陽極に対向して配置されていてもよい。また、前記陽極は黒鉛陽極を用いることができる。   The cathode may be disposed to face the anode. The anode can be a graphite anode.

前記流体は、水を含む前記アーク放電の発生温度以下で撹拌流動性のある媒質液体を用いることができる。   As the fluid, a medium liquid having a stirring fluidity at a temperature lower than the generation temperature of the arc discharge including water can be used.

前記流体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ってもよい。   The carbon nanoparticles suspended in the fluid may be single-walled carbon nanohorns.

前記アーク放電は、電極に直流電圧また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ができる。   The arc discharge can be generated by applying a DC voltage or a DC pulse voltage to the electrodes.

前記アーク放電は、前記陰極の電極断面積が前記黒鉛陽極の電極断面積より大きい状態で電圧を印加することにより発生させることができる。   The arc discharge can be generated by applying a voltage in a state where the electrode cross-sectional area of the cathode is larger than the electrode cross-sectional area of the graphite anode.

前記黒鉛陽極が、添加物を含有もしくは内蔵、または、添加物が表面の一部分もしくは全部に散布、塗布、メッキまたはコートされていてもよい。   The graphite anode may contain or contain an additive, or the additive may be dispersed, applied, plated or coated on a part or all of the surface.

前記黒鉛陰極が、水平方向に回転振動を加える工程をさらに備えることができる。   The graphite cathode may further include a step of applying rotational vibration in the horizontal direction.

上記の製造方法は、前記流体中に送り出されるカーボンナノ粒子を分散させる工程と、前記炭素蒸気を送り出す部位の局部的な流体温度の上昇を防ぐための流体槽の流体を撹拌する工程と、前期流体の温度を一定温度に維持するため前記流体温度を調整する工程と、をさらに備えることができる。   The manufacturing method includes a step of dispersing carbon nanoparticles to be sent out in the fluid, a step of stirring a fluid in a fluid tank for preventing a local increase in fluid temperature at a site to send out the carbon vapor, Adjusting the fluid temperature to maintain the temperature of the fluid at a constant temperature.

前記黒鉛陽極と前記陰極は、重力に対して垂直に対向して配置されていてもよい。   The graphite anode and the cathode may be arranged perpendicularly to gravity.

上記の製造方法は、前記炭素蒸気から生成した前記カーボンナノ粒子を前記流体から回収する工程をさらに備えることができる。   The manufacturing method may further include a step of recovering the carbon nanoparticles generated from the carbon vapor from the fluid.

前記カーボンナノ粒子を回収する工程は、前記カーボンナノ粒子を含む流体を吸引する工程と、ろ過膜によって前記流体から前記カーボンナノ粒子を分離する工程と、分離された前記カーボンナノ粒子を乾燥する工程と、を含んでもよい。   The step of recovering the carbon nanoparticles includes a step of sucking a fluid containing the carbon nanoparticles, a step of separating the carbon nanoparticles from the fluid by a filtration membrane, and a step of drying the separated carbon nanoparticles. And may be included.

前記不活性気体が、窒素、アルゴン、ヘリウムを含む希ガス及びヒドラジンからなる群から選択される1種又は2種以上を含むガスであってもよい。   The inert gas may be a gas including one or more selected from the group consisting of a rare gas including nitrogen, argon, and helium and hydrazine.

本明細書に開示されるカーボンナノ粒子の製造装置は、一部が流体に浸漬される陰極と、前記陰極の前記流体に浸漬される部位に前記流体中において間隔を隔てて配置されている陽極と、前記陰極と前記陽極の間に電圧を印加しアーク放電発生領域を形成する機構と、前記アーク放電発生領域に不活性気体を導入させる機構と、を備えることができる。   An apparatus for producing carbon nanoparticles disclosed in the present specification includes a cathode that is partially immersed in a fluid, and an anode that is disposed in the fluid at a portion of the cathode that is immersed in the fluid at an interval. And a mechanism for applying a voltage between the cathode and the anode to form an arc discharge generation region, and a mechanism for introducing an inert gas into the arc discharge generation region.

前記陽極が黒鉛陽極であり、前期陰極と対向して配置されていてもよい。   The anode may be a graphite anode, and may be disposed to face the previous cathode.

前記黒鉛陽極と前記陰極との隙間が1mm以上2mm以下であってもよい。   The gap between the graphite anode and the cathode may be 1 mm or more and 2 mm or less.

前記陰極が水平方向に回転振動することができる。   The cathode can be oscillated in a horizontal direction.

前記カーボンナノ粒子を回収する機構は、前記カーボンナノ粒子を含む前記流体を吸引する機構と、前記流体から前記カーボンナノ粒子を分離する機構と、分離した前記カーボンナノ粒子を乾燥する機構と、を含んでもよい。   The mechanism for collecting the carbon nanoparticles includes a mechanism for sucking the fluid containing the carbon nanoparticles, a mechanism for separating the carbon nanoparticles from the fluid, and a mechanism for drying the separated carbon nanoparticles. May be included.

前記陰極は、前記不活性気体の導入路を有することができる。   The cathode may have an introduction path for the inert gas.

本発明の装置の一例の概要を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the outline | summary of an example of the apparatus of this invention. 本発明における陰極の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cathode in this invention. 本発明の装置の第2実施例の概要を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the outline | summary of 2nd Example of the apparatus of this invention. 本発明の装置の第3実施例の概要を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the outline | summary of 3rd Example of the apparatus of this invention. 本発明の装置の第4実施例の概要を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the outline | summary of 4th Example of the apparatus of this invention. 実施例のカーボンナノ粒子の粒度分布を示す対数グラフである。It is a logarithm graph which shows the particle size distribution of the carbon nanoparticle of an Example.

本発明は、アーク放電によってカーボンナノ粒子を効率的に製造するための方法に関する。本発明のカーボンナノ粒子の製造方法によれば、流体中でアーク放電を発生させ、このアーク放電発生領域に不活性気体を導入することによって、効率よく黒鉛から炭素蒸気を生成することができる。また、炭素蒸気から単層カーボンナノホーンを含むカーボンナノ粒子を生成することができる。さらに、不活性気体の導入によってアーク放電発生領域の、例えば放電される電子量や、アーク放電による発熱領域、発熱温度や圧力といったエネルギープロファイルを制御することができるため、生成されるカーボンナノ粒子が再び蒸発することを防ぐことができる。さらに、流体を撹拌することで、生成されるカーボンナノ粒子をアーク放電発生領域から遠ざけ、カーボンナノ粒子が再び蒸発することを防ぐだけでなく、カーボンナノ粒子同士が凝集することを防ぐことができる。また、対向する陰極の電極断面積を黒鉛陽極の電極断面積よりも大きくすることによって、アーク放電発生領域のエネルギープロファイルを制御することができるため、効率的に大量のカーボンナノ粒子を生成することができる。   The present invention relates to a method for efficiently producing carbon nanoparticles by arc discharge. According to the method for producing carbon nanoparticles of the present invention, it is possible to efficiently generate carbon vapor from graphite by generating an arc discharge in a fluid and introducing an inert gas into the arc discharge generation region. Moreover, the carbon nanoparticle containing the single layer carbon nanohorn can be produced | generated from carbon vapor. Furthermore, the introduction of an inert gas can control the energy profile of the arc discharge generation region, for example, the amount of electrons discharged, the heat generation region due to arc discharge, the heat generation temperature, and the pressure. It can be prevented from evaporating again. Furthermore, by stirring the fluid, it is possible not only to keep the generated carbon nanoparticles away from the arc discharge generation region and prevent the carbon nanoparticles from evaporating again, but also prevent the carbon nanoparticles from aggregating with each other. . In addition, by making the electrode cross-sectional area of the opposing cathode larger than the electrode cross-sectional area of the graphite anode, the energy profile in the arc discharge generation region can be controlled, so that a large amount of carbon nanoparticles can be generated efficiently. Can do.

さらに、本明細書の開示によれば、大掛かりな装置を必要としないため、設備や維持のためのコストが低く、安価にカーボンナノ粒子を製造することができる。また、アーク放電の発生からカーボンナノ粒子の生成までの工程を流体槽中で実行することができるため、煩雑な工程を必要とせずに、カーボンナノ粒子を製造することができる。   Furthermore, according to the disclosure of the present specification, since a large-scale apparatus is not required, the cost for equipment and maintenance is low, and carbon nanoparticles can be manufactured at low cost. Moreover, since the process from generation | occurrence | production of arc discharge to the production | generation of a carbon nanoparticle can be performed in a fluid tank, a carbon nanoparticle can be manufactured, without requiring a complicated process.

この方法は、種々のカーボンナノ粒子を製造することができるだけでなく、単層カーボンナノ粒子と多層カーボンナノ粒子とを容易に分離することができる。また、アーク放電を停止することなく、生成されたカーボンナノ粒子を回収することができる。これによって、連続的にカーボンナノ粒子を製造および回収することができる。   This method can not only produce various carbon nanoparticles but also easily separate single-wall carbon nanoparticles and multi-wall carbon nanoparticles. Moreover, the produced | generated carbon nanoparticle can be collect | recovered, without stopping arc discharge. Thereby, carbon nanoparticles can be continuously produced and recovered.

なお、本明細書において「カーボンナノ粒子」とは、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、ナノグラフェン、グラフェンナノリボン、ナノグラファイト、ナノダイアモンドを含む全てのカーボン材料を含む。また、単層であっても多層であってもよい。また、ここでいう「ナノ」とは、一般的にはナノメートルスケールのサイズをいうが、実際にはマイクロメートルスケールのサイズにまで膨らんだカーボン材料もカーボンナノ粒子と呼ぶことができる。本明細書に開示されるカーボンナノ粒子の製造方法および装置は、特に多層および単層カーボンナノホーンの製造に好適である。   In the present specification, the “carbon nanoparticles” include all carbon materials including carbon nanotubes, carbon nanohorns, fullerenes, nanographenes, graphene nanoribbons, nanographites, and nanodiamonds. Further, it may be a single layer or a multilayer. In addition, “nano” as used herein generally refers to a nanometer-scale size, but a carbon material that has actually expanded to a micrometer-scale size can also be referred to as a carbon nanoparticle. The carbon nanoparticle production method and apparatus disclosed herein are particularly suitable for the production of multi-layer and single-layer carbon nanohorns.

以下、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら説明する。図1は、本発明のカーボンナノホーンの製造方法に好適な装置の一例を模式的に表す図である。図2は陰極に不活性気体を導入するための導入路を形成した一例を示す図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of an apparatus suitable for the carbon nanohorn manufacturing method of the present invention. FIG. 2 is a view showing an example in which an introduction path for introducing an inert gas into the cathode is formed.

[カーボンナノ粒子を製造する方法]
本明細書に開示されるカーボンナノ粒子の製造方法は、アーク放電を発生させる工程と、不活性気体をアーク放電の発生領域に導入する工程と、を含んでいる。より詳細には、水中アーク放電によって黒鉛陽極から炭素蒸気を生成し、炭素蒸気からカーボンナノホーンを含むカーボンナノ粒子を製造する。それぞれの工程を以下に詳述する。
[Method for producing carbon nanoparticles]
The method for producing carbon nanoparticles disclosed in the present specification includes a step of generating an arc discharge and a step of introducing an inert gas into a region where the arc discharge is generated. More specifically, carbon vapor is generated from a graphite anode by underwater arc discharge, and carbon nanoparticles containing carbon nanohorns are produced from the carbon vapor. Each step will be described in detail below.

(アーク放電を発生させる工程)
本明細書に開示されるアーク放電発生領域を形成する工程は、陰極と陽極との間に電圧を印加してこれら電極間に存在する流体にアーク放電発生領域を形成する工程とすることができる。この工程によれば、アーク放電発生領域に準備された炭素をアーク放電によって蒸発させることによって、カーボンナノ粒子の素となる炭素蒸気を生成させることができる。
(Process to generate arc discharge)
The step of forming the arc discharge generation region disclosed in the present specification can be a step of applying a voltage between the cathode and the anode to form the arc discharge generation region in the fluid existing between these electrodes. . According to this step, carbon vapor that is a source of carbon nanoparticles can be generated by evaporating carbon prepared in the arc discharge generation region by arc discharge.

本工程では、陰極と陽極との間に電圧を印加すると、電極間に放電電流を流してアーク放電を生じさせることができる。アーク放電の発生のための電圧の印加時間は特に限定されないが、短時間であれば、生成されるカーボンナノ粒子が再び蒸発することを防ぐことができるため好ましい。短時間のアーク放電を繰り返し実行することで、大量のカーボンナノ粒子を製造することができる。また、印加する電圧は、直流電圧であっても交流電圧であってもよいが、直流電圧または直流パルス電圧を印加してアーク放電を発生させることが好ましい。印加する電圧は、電圧20Vで電流100A以上であることが好ましい。100A未満ではカーボンナノ粒子の生成量が低下するためである。より好ましくは140A以上の直流電圧が好適である。   In this step, when a voltage is applied between the cathode and the anode, a discharge current can flow between the electrodes to cause arc discharge. The voltage application time for generating the arc discharge is not particularly limited, but a short time is preferable because the generated carbon nanoparticles can be prevented from evaporating again. A large amount of carbon nanoparticles can be produced by repeatedly performing short-time arc discharge. The applied voltage may be a DC voltage or an AC voltage, but it is preferable to apply a DC voltage or a DC pulse voltage to generate arc discharge. The applied voltage is preferably a voltage of 20 V and a current of 100 A or more. This is because if it is less than 100 A, the amount of carbon nanoparticles produced decreases. A DC voltage of 140 A or more is more preferable.

さらに、陽極に黒鉛を含む黒鉛陽極を用いることで、電極と炭素材料を一体化することができるため、装置構成を簡易に設計することができる。またこの場合、アーク放電は、陰極の電極断面積が黒鉛陽極の断面積より大きい状態で電圧を印加することにより発生させることが好ましい。これにより、アーク放電発生領域のエネルギープロファイルを制御し、生成されるカーボンナノ粒子が再び蒸発することを防ぐことができる。陰極の電極断面積が黒鉛陽極の電極断面積の1.5倍以上であるとより好適である。また、黒鉛陽極と陰極の隙間は、1mm以上2mm以下であることが好ましい。隙間がこの範囲であることによって、効率的にアーク放電を発生させることができる。隙間が1mm未満もしくは2mmを超えるとアーク放電が不安定となるためである。黒鉛陽極と陰極の隙間が1mm以上2mm以下を維持するために、陰極を支持する支持部もしくは黒鉛陽極を支持する支持部が駆動可能に設置されていることが好ましい。さらに好適には、自動制御によって黒鉛陽極と陰極の隙間が調整可能であると好ましい。これは、時間とともにアーク放電によって黒鉛陽極が消耗して陰極との隙間が開き、アーク放電が不安定になるためである。   Furthermore, since the electrode and the carbon material can be integrated by using a graphite anode containing graphite as the anode, the device configuration can be designed easily. In this case, the arc discharge is preferably generated by applying a voltage in a state where the electrode cross-sectional area of the cathode is larger than the cross-sectional area of the graphite anode. Thereby, the energy profile of the arc discharge generation region can be controlled, and the generated carbon nanoparticles can be prevented from evaporating again. More preferably, the electrode cross-sectional area of the cathode is 1.5 times or more the electrode cross-sectional area of the graphite anode. The gap between the graphite anode and the cathode is preferably 1 mm or more and 2 mm or less. When the gap is in this range, arc discharge can be generated efficiently. This is because arc discharge becomes unstable when the gap is less than 1 mm or more than 2 mm. In order to maintain the gap between the graphite anode and the cathode at 1 mm or more and 2 mm or less, it is preferable that the support part for supporting the cathode or the support part for supporting the graphite anode is installed to be drivable. More preferably, the gap between the graphite anode and the cathode can be adjusted by automatic control. This is because the graphite anode is consumed by the arc discharge with time and a gap with the cathode is opened, and the arc discharge becomes unstable.

なお、ここでいう「放電」とは、電極間にかかる電位差によって電極間に存在する気体に絶縁破壊が生じ、電子が放出され電流が流れることである。このとき放出される電流を放電電流と呼ぶことができる。放電には、例えば、火花放電、コロナ放電、グロー放電、アーク放電を含んでいる。この中で、アーク放電とは、陰極と陽極間の気体分子が電離してイオン化が起こり、プラズマを生み出しその上を電流が走る現象である。そのため、プラズマアーク放電と呼ぶこともできる。この途中の空間では気体が励起状態になり高温と閃光を伴う。アーク放電は、高電流の状態であれば常温でも発生することができるうえ、真空状態を必ずしも必要としないため、好適である。   Here, “discharge” means that a dielectric breakdown occurs in the gas existing between the electrodes due to a potential difference between the electrodes, electrons are emitted, and a current flows. The current released at this time can be called a discharge current. The discharge includes, for example, spark discharge, corona discharge, glow discharge, and arc discharge. Among them, arc discharge is a phenomenon in which gas molecules between a cathode and an anode are ionized and ionization occurs, generating plasma, and a current runs on it. Therefore, it can also be called plasma arc discharge. In this intermediate space, the gas becomes excited and is accompanied by high temperature and flash. Arc discharge is suitable because it can be generated at room temperature in a high current state and does not necessarily require a vacuum state.

本明細書において「陽極」及び「陰極」とは、電気伝導性を有する可能性のある電極をいう。例えば、電極には金属、セラミックス、炭素を含む材料を用いることができる。また電極は、金属、セラミックス、炭素から選択された1種類もしくは複数の材料から形成されていてもよい。電極表面の一部分もしくは全部に添加物が散布されていてもよいし、塗布されていてもよいし、メッキまたはコートされていてもよい。こうした各種の電極材料は当業者であれば適宜従来技術を参照して取得することができる。好適には、アーク放電による陰極の消耗を防ぐため、電極のうち、少なくとも陰極は金属やセラミックス材料によって形成されることが好ましい。   In this specification, “anode” and “cathode” refer to electrodes that may have electrical conductivity. For example, a material containing metal, ceramics, or carbon can be used for the electrode. The electrode may be formed of one or more materials selected from metals, ceramics, and carbon. Additives may be sprayed on a part or all of the electrode surface, may be applied, or may be plated or coated. Such various electrode materials can be obtained by those skilled in the art with reference to the prior art as appropriate. Preferably, in order to prevent the cathode from being consumed by arc discharge, at least the cathode of the electrodes is preferably formed of a metal or a ceramic material.

本明細書において「黒鉛」とは、炭素を含む材料をいう。本明細書では炭素を含む陽極を黒鉛陽極と呼ぶ。黒鉛陽極はアーク放電を発生させるための電極であると同時に、生成目的のカーボンナノ粒子の原料とすることができる。その場合には、消耗する黒鉛陽極を繰り返し交換できるように設計することが好ましい。また、陽極に黒鉛を用いない場合には、電極とは別に、カーボンナノ粒子の原料としての黒鉛を準備する。電極に黒鉛を含まない場合には、電極の消耗を防ぐことができ、低コストでカーボンナノ粒子を製造することができる。なお、黒鉛は、どのような形態であってもよく、板状等の適切な形状を適宜選択することができる。また、陽極に黒鉛陽極を用いるか、電極とは別の黒鉛を準備するかは、適宜装置の設計に応じて選択することができる。本実施形態では、陽極に黒鉛陽極を用いるものとして説明する。黒鉛は炭素単体でもよいが、添加物を含有もしくは内蔵されていてもよい。または、黒鉛表面の一部分もしくは全部に添加物が散布されていてもよいし、塗布されていてもよいし、メッキまたはコートされていてもよい。例えば、添加物として鉄やニッケルなどの金属を用いた場合、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。こうした各種の炭素を含む材料は当業者であれば適宜従来技術を参照して取得することができる。   In this specification, “graphite” refers to a material containing carbon. In this specification, an anode containing carbon is called a graphite anode. The graphite anode is an electrode for generating arc discharge, and at the same time can be used as a raw material for carbon nanoparticles for generation. In that case, it is preferable to design the graphite anode so that it can be repeatedly replaced. When graphite is not used for the anode, graphite as a raw material for carbon nanoparticles is prepared separately from the electrode. When the electrode does not contain graphite, the electrode can be prevented from being consumed, and the carbon nanoparticles can be produced at a low cost. The graphite may have any form, and an appropriate shape such as a plate shape can be selected as appropriate. Further, whether to use a graphite anode for the anode or to prepare graphite different from the electrode can be appropriately selected according to the design of the apparatus. In the present embodiment, description will be made assuming that a graphite anode is used as the anode. Graphite may be simple carbon, but may contain or contain an additive. Alternatively, the additive may be dispersed on a part or the whole of the graphite surface, may be applied, or may be plated or coated. For example, when a metal such as iron or nickel is used as an additive, carbon nanohorn particles, which are nanoparticles in which metal nanoparticles are encapsulated in carbon nanohorn particles, that is, closed single-walled carbon nanotubes are agglomerated in a spherical shape, are used. It is possible to put metal nanoparticles near the center. Those skilled in the art can acquire such various carbon-containing materials with reference to the prior art as appropriate.

アーク放電は流体中に発生させることが好ましい。あるいは、流体の近傍でアーク放電を発生させることが好ましい。こうすることでアーク放電によって発生する炭素蒸気を速やかに流体で冷却してカーボンナノ粒子を生成させることができる。このためには、対向する電極間の空間が流体内にあるように電極が配置されるほか、こうした空間からアーク放電中に流体あるいはその気化体が完全には排除されないように不活性ガスの導入経路等を構成することが好ましい。また、流体は、生成させたカーボンナノ粒子を搬送することもできる。本明細書において「流体」とは、撹拌流動性を有する物質をいう。特に、アーク放電の発生温度以下で撹拌流動性のある媒質液体であることが好ましい。例えば、アーク放電の発生温度以下で撹拌流動性のある媒質液体であれば、水、又は水を含む混液、シリコーンオイル、油、水溶液、液体ヘリウム、液体窒素等を用いることもできる。その中でも水は安価で、かつ入手も容易であり、取り扱いも容易であるため好適である。さらに、水媒質は、アーク放電下では通常状態の水よりもクラスタ構造が小さくなり、酸化還元電位を高くすることができる。水媒質のクラスタ構造の縮小と酸化還元電位の上昇によって、カーボンナノ粒子の形成を促進することができる。   The arc discharge is preferably generated in the fluid. Alternatively, it is preferable to generate arc discharge in the vicinity of the fluid. By doing so, the carbon vapor generated by the arc discharge can be quickly cooled with a fluid to generate carbon nanoparticles. For this purpose, the electrodes are arranged so that the space between the opposing electrodes is in the fluid, and an inert gas is introduced from these spaces so that the fluid or its vaporized body is not completely excluded during arc discharge. It is preferable to configure a route or the like. The fluid can also carry the generated carbon nanoparticles. As used herein, “fluid” refers to a substance having stirring fluidity. In particular, it is preferable that the medium liquid has a stirring fluidity at a temperature lower than the arc discharge generation temperature. For example, water or a mixed liquid containing water, silicone oil, oil, aqueous solution, liquid helium, liquid nitrogen, or the like may be used as long as it is a medium liquid having a stirring fluidity at a temperature lower than the arc discharge generation temperature. Among them, water is preferable because it is inexpensive, easily available, and easy to handle. Furthermore, the aqueous medium has a cluster structure smaller than that of water in a normal state under arc discharge, and can increase the oxidation-reduction potential. Formation of carbon nanoparticles can be promoted by reducing the cluster structure of the aqueous medium and increasing the redox potential.

図1は、本発明の一実施形態であるカーボンナノ粒子の製造装置、特にカーボンナノホーンの製造に適した製造装置を示す。図1(a)に示すように、流体槽10は、黒鉛陽極12と陰極14とが隙間34を隔てて対向するように備えている。なお、陰極14と黒鉛陽極12の形状と配置は限定しないが、重力に対して垂直に対向して配置されていれば、後述する陰極14の回動による流体の撹拌が容易であるだけでなく、アーク放電が安定するため好適である。また、流体槽10は流体20を保持可能に形成されており、ガラス,セラミックス、金属、樹脂などからなる容器を用いることができる。流体槽10は、断熱構造を有する容器であってもよい。また、流体槽10は、密閉可能であることが好ましい。流体槽を密閉するために、例えば蓋11を備えていてもよい。流体槽が密閉可能であることによって、不活性気体が導入されると流体槽内の圧力が増大し、高圧条件下によってカーボンナノ粒子の生成が促進されるためである。すなわち、流体槽が密閉容器であることによってアーク放電発生領域のエネルギープロファイルを制御することができる。流体槽が密閉可能である場合には、流体槽内の圧力を調節する機構をさらに備えていてもよい。例えば、流体槽内の圧力を調節するための圧力調整弁や圧力調整装置を備えていることが好ましい。これにより、流体槽内の圧力を制御することが可能になり、アーク放電発生領域のエネルギープロファイルを制御することができる。また、黒鉛陽極12を電源22の+極26に接続し、陰極14を電源22の−極24に接続することによって、黒鉛陽極12と陰極14との間に電圧を印加することができる。このときの電極間にかかる電位差によって隙間34に存在する気体もしくは液体に絶縁破壊が生じ、隙間34に電子を流す(放電)ことができる。   FIG. 1 shows a carbon nanoparticle production apparatus according to an embodiment of the present invention, particularly a production apparatus suitable for the production of carbon nanohorns. As shown in FIG. 1A, the fluid tank 10 is provided so that the graphite anode 12 and the cathode 14 face each other with a gap 34 therebetween. The shape and arrangement of the cathode 14 and the graphite anode 12 are not limited. However, if the cathode 14 and the graphite anode 12 are arranged so as to face each other perpendicular to gravity, not only the stirring of the fluid by the rotation of the cathode 14 described later is easy. It is preferable because arc discharge is stabilized. The fluid tank 10 is formed so as to be able to hold the fluid 20, and a container made of glass, ceramics, metal, resin, or the like can be used. The fluid tank 10 may be a container having a heat insulating structure. The fluid tank 10 is preferably sealable. In order to seal the fluid tank, for example, a lid 11 may be provided. This is because when the inert gas is introduced, the pressure inside the fluid tank increases and the production of carbon nanoparticles is promoted under high pressure conditions. That is, the energy profile of the arc discharge generation region can be controlled by the fluid tank being a sealed container. When the fluid tank is sealable, a mechanism for adjusting the pressure in the fluid tank may be further provided. For example, it is preferable that a pressure adjusting valve or a pressure adjusting device for adjusting the pressure in the fluid tank is provided. Thereby, the pressure in the fluid tank can be controlled, and the energy profile in the arc discharge generation region can be controlled. Further, a voltage can be applied between the graphite anode 12 and the cathode 14 by connecting the graphite anode 12 to the positive electrode 26 of the power source 22 and connecting the cathode 14 to the negative electrode 24 of the power source 22. Due to the potential difference between the electrodes at this time, dielectric breakdown occurs in the gas or liquid existing in the gap 34, and electrons can flow (discharge) in the gap 34.

陰極14と黒鉛陽極12とは、対向する端部がいずれも流体20中に露出されていることが好ましい。この端部間に形成される隙間34がアーク放電発生領域となるが、両端部が流体20に露出されている結果、アーク放電発生領域は流体20中に形成されることになる。   It is preferable that the cathode 14 and the graphite anode 12 are both exposed to the fluid 20 at opposite ends. The gap 34 formed between the end portions serves as an arc discharge generation region. As a result of both ends being exposed to the fluid 20, the arc discharge generation region is formed in the fluid 20.

また、図1(b)に示すように、アーク放電発生領域である隙間34を取り囲むように区画を形成する外壁42を設けてもよい。外壁42は、本実施形態では陰極14の外周を包囲する略円筒状となっている。これによって、黒鉛陽極12近傍への放電の指向性を高め、より効果的にアーク放電を発生することができる。また、外壁42は、外壁42の位置を調整可能にするための駆動手段に連結されていてもよい。外壁42の位置が調整可能であることによってアーク放電発生領域である隙間34のエネルギープロファイルを制御することができる。すなわち、カーボンナノ粒子の生成量を制御することができる。なお、外壁42は、例えば金属、セラミック、タングステン、黒鉛等の公知の材料を用いることができるが、好適には導電性を有する黒鉛や鉄、アルミを用いることが好ましい。特に外壁42には電気陰性度の高い黒鉛が最良である。外壁42に、黒鉛を用いることで、電極間に電圧を印加したときに区画内部への電子の放出量が増大し、隙間34の温度が効率的に上昇するためである。また、外壁42の内面に凹凸が施されていると、表面積が増大することによって区画内に放出される電子量が増大し、アーク放電が安定して発生するため好ましい。   Moreover, as shown in FIG.1 (b), you may provide the outer wall 42 which forms a division so that the clearance gap 34 which is an arc discharge generation | occurrence | production area may be surrounded. In this embodiment, the outer wall 42 has a substantially cylindrical shape surrounding the outer periphery of the cathode 14. Thereby, the directivity of discharge to the vicinity of the graphite anode 12 can be improved, and arc discharge can be generated more effectively. Further, the outer wall 42 may be connected to a driving means for making the position of the outer wall 42 adjustable. By adjusting the position of the outer wall 42, the energy profile of the gap 34, which is an arc discharge generation region, can be controlled. That is, the amount of carbon nanoparticles produced can be controlled. The outer wall 42 may be made of a known material such as metal, ceramic, tungsten, or graphite, but is preferably made of conductive graphite, iron, or aluminum. In particular, the outer wall 42 is best made of graphite having a high electronegativity. This is because the use of graphite for the outer wall 42 increases the amount of electrons emitted into the compartment when a voltage is applied between the electrodes, and the temperature of the gap 34 increases efficiently. Further, it is preferable that the inner surface of the outer wall 42 is uneven because the surface area is increased, the amount of electrons emitted into the compartment is increased, and arc discharge is stably generated.

(不活性気体を導入する工程)
本実施形態における不活性気体を導入する工程は、流体中のアーク放電発生領域に不活性気体を導入する工程とすることができる。この工程によれば、陰極からの電子の放出を促進するとともに、アーク放電発生領域で一時的に発生するカーボンナノ粒子の中間体の発生を促進することができる。不活性気体をアーク放電発生領域に導入することによって、不活性気体の一部が解離し、荷電粒子が発生する。この荷電粒子がアーク放電発生領域の導電率を高め、放電を生じやすくすることができる。さらに不活性気体はアーク放電により加熱され、分子振動励起や、解離、電離が進行しプラズマ状態が形成する。こうした活性状態のエネルギープロファイル下で高エンタルピーとなった不活性気体は膨張し、ジュール加熱により推進エネルギーが得られ、陰極からの電子放出が加速することによって、多くの黒鉛蒸気を発生することができる。
(Step of introducing an inert gas)
The step of introducing the inert gas in the present embodiment can be a step of introducing the inert gas into the arc discharge generation region in the fluid. According to this step, the emission of electrons from the cathode can be promoted, and the generation of carbon nanoparticle intermediates temporarily generated in the arc discharge generation region can be promoted. By introducing the inert gas into the arc discharge generation region, a part of the inert gas is dissociated and charged particles are generated. The charged particles can increase the electrical conductivity in the arc discharge generation region, and can easily cause discharge. Further, the inert gas is heated by arc discharge, and molecular vibration excitation, dissociation, and ionization proceed to form a plasma state. An inert gas that has a high enthalpy under such an energy profile in the active state expands, and propulsion energy is obtained by Joule heating, and a large amount of graphite vapor can be generated by accelerating electron emission from the cathode. .

また、流体中の不活性気体をアーク放電発生領域に導入することで、アーク放電によって発生した炭素蒸気を不活性気体に取り込み、アーク放電発生領域外の流体中に拡散することができる。不活性気体がバブル状に水中を拡散すると同時に、不活性気体に含まれた炭素蒸気を流体で急冷して、カーボンナノ粒子を生成させることができる。このとき生成したカーボンナノ粒子は、流体表面付近に浮遊する。アーク放電発生領域に復帰することがないため、再度の炭素蒸気化は免れる。また、アーク放電発生領域で生成したカーボンナノ粒子やその中間体も不活性気体に取り込まれてアーク放電発生領域外の流体へと拡散されてカーボンナノ粒子として流体表面に浮遊されるため、再度の炭素蒸気化が免れている。これらの結果により炭素蒸気から一旦生成したカーボンナノ粒子が再び蒸発して炭素蒸気となることを抑制して、カーボンナノ粒子の収量を高めることができる。   Further, by introducing the inert gas in the fluid into the arc discharge generation region, the carbon vapor generated by the arc discharge can be taken into the inert gas and diffused into the fluid outside the arc discharge generation region. At the same time as the inert gas diffuses in water in the form of bubbles, the carbon vapor contained in the inert gas can be quenched with a fluid to generate carbon nanoparticles. The carbon nanoparticles generated at this time float near the fluid surface. Since it does not return to the arc discharge generation region, carbon vaporization is avoided. In addition, carbon nanoparticles generated in the arc discharge generation region and intermediates thereof are also taken into the inert gas, diffused into the fluid outside the arc discharge generation region, and suspended on the fluid surface as carbon nanoparticles. Carbon vaporization is avoided. From these results, it is possible to suppress the carbon nanoparticles once generated from the carbon vapor from re-evaporating into carbon vapor, thereby increasing the yield of the carbon nanoparticles.

さらに、本明細書の開示によれば、流体の加圧下に前記アーク放電発生領域に準備された炭素材料から炭素蒸気を発生させることが好ましい。流体を加圧するには、例えば、流体槽を密閉状態とするなど、流体が加圧可能な状態と密閉されていれば、流体槽内への不活性気体の導入によって流体槽内の圧力が増大し、高圧条件下とすることができる。こうした流体加圧下においては、炭素蒸気の速やかな冷却と自己組織化の促進により、カーボンナノ粒子を効率的に生成することができる。また、流体の加圧下でのアーク放電によれば、アーク放電発生領域にあるいはその近傍に流体を積極的に存在あるいは近接させることができる。このため、アーク放電発生領域、流体が実質的に存在しえない場合であっても、流体が加圧されていれば、炭素蒸気が速やかに流体に接触して冷却されることになる。   Furthermore, according to the disclosure of the present specification, it is preferable to generate carbon vapor from a carbon material prepared in the arc discharge generation region under pressure of a fluid. In order to pressurize the fluid, for example, when the fluid tank is sealed and the fluid tank can be pressurized, the pressure in the fluid tank increases by introducing an inert gas into the fluid tank. However, it can be under high pressure conditions. Under such fluid pressurization, carbon nanoparticles can be efficiently generated by rapid cooling of carbon vapor and promotion of self-assembly. Moreover, according to the arc discharge under the pressurization of the fluid, the fluid can be actively present or brought close to or near the arc discharge generation region. For this reason, even when the arc discharge generation region and the fluid cannot substantially exist, if the fluid is pressurized, the carbon vapor quickly contacts the fluid and is cooled.

黒鉛陽極には、炭素蒸気が冷却されることによって生成したカーボンナノ粒子が付着堆積する。一部の付着堆積物は、アーク放電から受ける圧力や送り込まれる不活性気体の流圧によって隔壁から剥離され、流体に沈殿堆積され、結果として流体表面に浮遊するカーボンナノ粒子とは分離される。   Carbon nanoparticles generated by cooling the carbon vapor are deposited on the graphite anode. Some of the deposited deposits are separated from the partition walls by the pressure received from the arc discharge and the flow pressure of the inert gas that is sent, and are deposited and deposited on the fluid, resulting in separation from the carbon nanoparticles floating on the fluid surface.

また、アーク放電発生領域に導入する不活性気体の流量や流路を制御することによって、アーク放電発生領域の規模や、アーク放電発生領域のエネルギープロファイル、例えば放電される電子量や圧力を制御することができる。従って、黒鉛陽極近傍に所定流量の不活性気体を導入することによって、アーク放電による発熱領域及び発熱温度を制御することができる。このため、効果的に炭素蒸気を発生させることができる。上記の不活性気体の所定流量は、1分あたり15リットル以上であれば、効率的にカーボンナノ粒子が生成されるため好ましい。さらに、不活性気体の流量は1分あたり20リットル以上25リットル以下であれば、より好適である。20リットル未満であると電極間反応のみでカーボンナノ粒子の収率が低下し、25リットルを超えると窒素ガスが過多となり、気泡にカーボンナノ粒子が混入したまま水面上に浮遊し、大気中に放出されやすくなるためである。   Also, by controlling the flow rate and flow path of the inert gas introduced into the arc discharge generation region, the size of the arc discharge generation region and the energy profile of the arc discharge generation region, for example, the amount of electrons discharged and the pressure are controlled. be able to. Therefore, by introducing an inert gas having a predetermined flow rate in the vicinity of the graphite anode, the heat generation region and the heat generation temperature due to arc discharge can be controlled. For this reason, carbon vapor can be generated effectively. The predetermined flow rate of the inert gas is preferably 15 liters or more per minute because carbon nanoparticles are efficiently generated. Further, the flow rate of the inert gas is more preferably 20 liters or more and 25 liters or less per minute. If it is less than 20 liters, the yield of carbon nanoparticles will be reduced only by the reaction between the electrodes, and if it exceeds 25 liters, nitrogen gas will be excessive, floating on the water surface with carbon nanoparticles mixed in the bubbles, This is because it becomes easy to be released.

図1(a)に示すように、例えばアーク放電発生領域である隙間34に不活性気体を導入する方法としては、不活性気体をボンベ28から、供給路16を経て隙間34に送り込ませる方法を採ることができる。生成した炭素蒸気等を確実にアーク放電発生領域外の流体中に拡散させる、電極への付着物を抑制するには、アーク放電を発生させるのに先立って予め不活性な気体を送り込ませることが好ましい。   As shown in FIG. 1A, for example, as a method of introducing an inert gas into the gap 34 that is an arc discharge generation region, a method of sending the inert gas from the cylinder 28 into the gap 34 through the supply path 16. Can be taken. In order to ensure that the generated carbon vapor and the like are diffused into the fluid outside the arc discharge generation region and to suppress deposits on the electrode, an inert gas is sent in advance prior to the generation of the arc discharge. preferable.

なお、本明細書において「不活性気体」とは、化学反応性に乏しい気体をいう。例えば、不活性気体は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンからなる第18族元素(希ガス)や、ヒドラジン、窒素ガス、炭酸ガス、水素ガス、もしくはこれらの混合ガスを含んでいる。その中でも窒素ガスが安価で、かつ入手も容易であるため好適である。不活性気体は、アーク放電発生領域に気体として導入することができれば、気体として貯蔵していてもよいし、液体から取得してもよいし、固体から取得してもよい。こうした各種の不活性物質は当業者であれば適宜従来技術を参照して取得することができる。   In this specification, “inert gas” refers to a gas having poor chemical reactivity. For example, the inert gas includes a Group 18 element (rare gas) composed of helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon, hydrazine, nitrogen gas, carbon dioxide gas, hydrogen gas, or a mixed gas thereof. . Among them, nitrogen gas is preferable because it is inexpensive and easily available. As long as the inert gas can be introduced into the arc discharge generation region as a gas, it may be stored as a gas, may be obtained from a liquid, or may be obtained from a solid. Such various inert substances can be obtained by those skilled in the art with reference to the prior art as appropriate.

アーク放電によって各電極に付着した不純物を除くために、例えば、陰極の電極断面積が黒鉛陽極の断面積より大きい状態でアーク放電を発生することによって、アーク放電発生領域にローレンツ力としての推進力が得られ、電極の放電発生領域近傍に固着する不純物を噴射によって剥離することができる。さらに、電極に付着した不純物や生成したカーボンナノ粒子を取り除くために、アーク放電発生領域へ導入する不活性気体の流圧を用いてもよいし、黒鉛陽極と陰極のいずれかもしくは両方が回転振動することによって流体を撹拌してもよい。   In order to remove impurities adhering to each electrode due to arc discharge, for example, by generating arc discharge in a state where the electrode cross-sectional area of the cathode is larger than the cross-sectional area of the graphite anode, the propulsive force as the Lorentz force is generated in the arc discharge generation region. Thus, impurities fixed in the vicinity of the discharge generation region of the electrode can be peeled off by jetting. Furthermore, in order to remove impurities adhering to the electrode and generated carbon nanoparticles, the flow pressure of an inert gas introduced into the arc discharge generation region may be used, and either or both of the graphite anode and the cathode rotate and vibrate. By doing so, the fluid may be agitated.

例えば、図1(a)に示すように、陰極14と黒鉛陽極12とがそれぞれ回動可能になるように、それぞれに回転装置36と回転装置38が設置されていてもよい。回転装置36は陰極14を、回転装置38は黒鉛陽極12を連続もしくは周期的に回転することができる。さらに、陰極14及び黒鉛陽極12の角度を調整した状態で回動することもできる。例えば、電極の角度を0.5度あるいは1度傾斜した状態で回転することができるように設置されていてもよい。これにより、電極に振動を伴う回転を与えることができ、効果的にカーボンナノ粒子の堆積防止もしくは堆積したカーボンナノ粒子の除去を行うことができる。なお、電極を傾斜して回転する場合は、アーク放電中よりも、アーク放電後の堆積物除去のために回転運動を実行させるほうが、アーク放電の安定性を阻害しないため好ましい。   For example, as shown in FIG. 1A, a rotating device 36 and a rotating device 38 may be installed in each of the cathode 14 and the graphite anode 12 so that the cathode 14 and the graphite anode 12 can rotate. The rotating device 36 can rotate the cathode 14 and the rotating device 38 can rotate the graphite anode 12 continuously or periodically. Further, the cathode 14 and the graphite anode 12 can be rotated in an adjusted state. For example, you may install so that it can rotate in the state which inclined the angle of the electrode 0.5 degree or 1 degree. Thereby, the rotation accompanied by vibration can be given to the electrode, and the deposition of carbon nanoparticles can be effectively prevented or the deposited carbon nanoparticles can be removed. In the case of rotating the electrode at an inclination, it is preferable to perform the rotational motion for removing deposits after the arc discharge rather than during the arc discharge because the stability of the arc discharge is not hindered.

また、黒鉛陽極や陰極に限らず、撹拌子を用いて流体を撹拌してもよい。好適には、陰極の電極断面積が黒鉛陽極の断面積より大きい状態で、黒鉛陽極と陰極が回転振動するとともに、不活性気体の流圧によって炭素蒸気を流体中に送り出すことが好ましい。さらに、アーク放電を発生させる前から不活性な気体を送り込ませることが好ましい。   Further, the fluid is not limited to the graphite anode and the cathode, and the fluid may be stirred using a stirring bar. Preferably, the graphite anode and the cathode rotate and vibrate in a state where the electrode cross-sectional area of the cathode is larger than the cross-sectional area of the graphite anode, and carbon vapor is preferably sent into the fluid by the flow pressure of the inert gas. Furthermore, it is preferable to send an inert gas before the arc discharge is generated.

なお、生成されるカーボンナノ粒子が再び蒸発することを防ぐために、炭素蒸気を不活性気体と共に流体中に送り出す間はアーク放電を停止してもよい。また、アーク放電を停止した場合でも、電極に付着したカーボンナノ粒子を剥離するために、継続して不活性気体を送り出してもよい。同様に、継続して陰極が回転振動してもよい。これによって、流体中に送り出されるカーボンナノ粒子を分散することができるだけでなく、カーボンナノ粒子同士の凝集や流体槽や電極へのカーボンナノ粒子の付着を防ぐことができ、従って大量のカーボンナノ粒子を得ることができる。   Note that arc discharge may be stopped while the carbon vapor is sent into the fluid together with the inert gas in order to prevent the generated carbon nanoparticles from evaporating again. Further, even when the arc discharge is stopped, an inert gas may be continuously sent out in order to peel off the carbon nanoparticles attached to the electrode. Similarly, the cathode may continuously rotate and vibrate. This not only disperses the carbon nanoparticles delivered into the fluid, but also prevents agglomeration of the carbon nanoparticles and adhesion of the carbon nanoparticles to the fluid tank or electrode, and therefore a large amount of carbon nanoparticles. Can be obtained.

図1(a)に示すように、炭素蒸気を不活性気体と共にアーク放電発生領域以外の流体中に送り出す方法としては、陰極14の電極断面積が黒鉛陽極12の断面積より大きくなるように設計する方法を採ることができる。また、不活性気体をボンベ28から供給路16を経て、アーク放電発生領域である隙間34に送り込ませる方法を採ることができる。陰極14を支持する支持部18は水平方向に回動することができるように設計してもよい。さらに支持部18は、ボンベ28から送り出される不活性気体をアーク放電発生領域である隙間34に供給するための供給路16を支持することができる。すなわち、不活性気体をアーク放電発生領域に供給しながら、不活性気体をアーク放電発生領域外の流体中に拡散することができる。   As shown in FIG. 1A, as a method of sending carbon vapor together with an inert gas into a fluid other than the arc discharge generation region, the electrode 14 has a cross-sectional area larger than that of the graphite anode 12. Can be taken. Further, it is possible to adopt a method in which an inert gas is sent from the cylinder 28 through the supply path 16 into the gap 34 that is an arc discharge generation region. You may design the support part 18 which supports the cathode 14 so that it can rotate to a horizontal direction. Furthermore, the support part 18 can support the supply path 16 for supplying the inert gas sent out from the cylinder 28 to the gap 34 that is an arc discharge generation region. That is, the inert gas can be diffused into the fluid outside the arc discharge generation region while supplying the inert gas to the arc discharge generation region.

図2の(a)に示すように、陰極14の近傍に効率的に不活性気体を導入するために、陰極14の内部を貫通する1又は2以上の導入路40を形成してもよい。図2の(b)に示すように、例えば導入路40の形状は、陰極14の外周側に形成された1又は2以上の通気溝であってもよい。また、それぞれの導入路は図示するように垂直でなくてもよい。例えば、導入路は陰極14の外周に沿うあるいは内部を貫通するらせん状に形成されていてもよい。陰極14が重力に対して垂直で、かつ導入路40がらせん状に形成されていることによって、安定的に不活性気体を渦流としてアーク放電発生領域に導入することができ、アーク放電によるピンチ効果によって、プラズマを渦中心に集約することができるため好ましい。さらに、アーク放電発生領域である隙間34や陰極14、黒鉛陽極12の周囲に壁(反応壁)を設けることは、高温の炭素蒸気による電極の変形を弱めることができるため好ましい。なお、図には陰極14にそれぞれ導入路40として3箇所の溝もしくは孔を図示しているが、導入路40は1個であってもよく、2個又は3個以上であってもよい。なお、導入路40を形成する場合において、陰極14の形状、および、導入路40の形状や数は限定しない。設計事項の範囲で適宜変更することができる。   As shown in FIG. 2A, in order to efficiently introduce an inert gas in the vicinity of the cathode 14, one or more introduction passages 40 penetrating the inside of the cathode 14 may be formed. As shown in FIG. 2B, for example, the shape of the introduction path 40 may be one or two or more ventilation grooves formed on the outer peripheral side of the cathode 14. Further, each introduction path may not be vertical as shown in the figure. For example, the introduction path may be formed in a spiral shape along the outer periphery of the cathode 14 or through the inside thereof. Since the cathode 14 is perpendicular to the gravity and the introduction path 40 is formed in a spiral shape, an inert gas can be stably introduced into the arc discharge generation region as a vortex, and the pinch effect due to the arc discharge Is preferable because the plasma can be concentrated at the center of the vortex. Furthermore, it is preferable to provide a wall (reaction wall) around the gap 34, the cathode 14, and the graphite anode 12 that are arc discharge generation regions, because deformation of the electrode due to high-temperature carbon vapor can be weakened. In the figure, three grooves or holes are shown in the cathode 14 as the introduction path 40, but the number of the introduction paths 40 may be one, two, or three or more. In the case where the introduction path 40 is formed, the shape of the cathode 14 and the shape and number of the introduction paths 40 are not limited. Changes can be made as appropriate within the scope of design matters.

アーク放電の発生を繰り返すことによって高温の炭素蒸気が連続的に発生するため、流体が少ない場合には、流体温度が上昇してしまう可能性がある。流体温度の上昇によって、炭素蒸気を急冷できなくなり、カーボンナノ粒子の生成量が低下、もしくはカーボンナノ粒子の構造に欠陥が生じる可能性がある。そのため、流体温度を調節する工程を備えることが好ましい。例えば、流体の温度を一定温度に維持するために、冷却機構を備えてもよいし、放冷時間を設けてもよいし、流体の補充や入れ替えを行ってもよいし、液体窒素を含む低温の流体を用いてもよい。また、炭素蒸気を送り出す部位の局部的な流体温度の上昇を防ぐために、流体槽中の流体を撹拌する工程を備えてもよい。流体槽中の流体を撹拌する場合には、電極によって撹拌することができるように黒鉛陽極及び陰極を回動可能に設計してもよいし、不活性気体の流圧を用いて撹拌してもよいし、撹拌子を用いてもよい。こうした流体の温度制御方法は当業者であれば適宜従来技術を参照して取得することができる。   Since high-temperature carbon vapor is continuously generated by repeating the generation of arc discharge, the fluid temperature may increase when the amount of fluid is small. Due to the increase in fluid temperature, carbon vapor cannot be rapidly cooled, and the amount of carbon nanoparticles produced may decrease, or the structure of carbon nanoparticles may be defective. Therefore, it is preferable to provide a step of adjusting the fluid temperature. For example, in order to maintain the temperature of the fluid at a constant temperature, a cooling mechanism may be provided, a cooling time may be provided, the fluid may be replenished or replaced, or a low temperature containing liquid nitrogen These fluids may be used. Moreover, in order to prevent the local fluid temperature rise of the site | part which sends out carbon vapor | steam, you may provide the process of stirring the fluid in a fluid tank. When agitating the fluid in the fluid tank, the graphite anode and the cathode may be designed to be rotatable so that they can be agitated by the electrodes, or they may be agitated using the flow pressure of an inert gas. A stir bar may be used. Those skilled in the art can obtain such a fluid temperature control method with reference to the prior art as appropriate.

アーク放電を発生させる工程と、不活性気体をアーク放電の発生領域に導入する工程とによって生成したカーボンナノ粒子を回収する工程を以下に詳述する。   The step of recovering the carbon nanoparticles generated by the step of generating the arc discharge and the step of introducing an inert gas into the arc discharge generation region will be described in detail below.

(カーボンナノ粒子を回収する工程)
本実施形態におけるカーボンナノ粒子を回収する工程は、炭素蒸気が急冷されることによって生成したカーボンナノ粒子を回収するための工程である。本工程では、カーボンナノ粒子の生成後に、全ての流体からカーボンナノ粒子を回収してもよいが、前記流体中のカーボンナノ粒子を含む流体画分を吸引し、固液分離手段によりカーボンナノ粒子と流体とを分離してもよい。ここで流体画分とは、流体の一部分を示す。例えば流体の一部分を吸引してカーボンナノ粒子を回収し、残った流体を再び流体槽に戻すことを繰り返してもよい。上記の方法によれば、流体中のカーボンナノ粒子を含む画分を選択的に吸引するものであるため、流体槽中の全ての流体を取り出す必要がない。すなわち、アーク放電の発生からカーボンナノ粒子の回収までを、連続的に実行することができる。これによって、煩雑な操作を必要とせずにカーボンナノ粒子を大量生産することができる。
(Step of collecting carbon nanoparticles)
The step of recovering the carbon nanoparticles in the present embodiment is a step for recovering the carbon nanoparticles generated by quenching the carbon vapor. In this step, the carbon nanoparticles may be collected from all fluids after the carbon nanoparticles are generated. However, the fluid fraction containing the carbon nanoparticles in the fluid is sucked and the carbon nanoparticles are collected by solid-liquid separation means. And the fluid may be separated. Here, the fluid fraction indicates a part of the fluid. For example, a part of the fluid may be sucked to collect the carbon nanoparticles, and the remaining fluid may be returned to the fluid tank again. According to said method, since the fraction containing the carbon nanoparticle in a fluid is selectively attracted | sucked, it is not necessary to take out all the fluids in a fluid tank. That is, from the generation of arc discharge to the collection of carbon nanoparticles can be continuously performed. This makes it possible to mass-produce carbon nanoparticles without requiring complicated operations.

また、カーボンナノ粒子を含有する流体画分としては、流体表面付近の流体が挙げられる。この流体画分には、浮遊するカーボンナノ粒子を含有し、これらの画分から単層カーボンナノ粒子を得ることができる。また、流体表面と底部の中間の流体画分が挙げられる。この流体画分も浮遊するカーボンナノ粒子を含有しており、単層ナノカーボン粒子を得ることができる。また、流体槽の底部近傍の流体画分も挙げられる。この流体画分には、沈殿堆積したカーボンナノ粒子を含有しており、当該画分から、多層カーボンナノ粒子を得ることができる。すなわち、吸引する流体画分の選択により、換言すれば、流体槽中の吸引する箇所を選択することによって、効率的に単層カーボンナノ粒子と多層カーボンナノ粒子を分離して得ることができる。特に、浮遊するカーボンナノ粒子から単層カーボンナノホーンを得ることができ、沈殿堆積するカーボンナノ粒子から多層カーボンナノホーンを得ることができる。   The fluid fraction containing carbon nanoparticles includes a fluid near the fluid surface. This fluid fraction contains floating carbon nanoparticles, and single-walled carbon nanoparticles can be obtained from these fractions. Further, a fluid fraction intermediate between the fluid surface and the bottom can be mentioned. This fluid fraction also contains floating carbon nanoparticles, and single-walled nanocarbon particles can be obtained. Moreover, the fluid fraction of the bottom part vicinity of a fluid tank is also mentioned. This fluid fraction contains precipitated and deposited carbon nanoparticles, and multilayer carbon nanoparticles can be obtained from the fraction. That is, by selecting the fluid fraction to be sucked, in other words, by selecting the portion to be sucked in the fluid tank, the single-layer carbon nanoparticles and the multilayer carbon nanoparticles can be efficiently separated and obtained. In particular, single-layer carbon nanohorns can be obtained from floating carbon nanoparticles, and multi-layer carbon nanohorns can be obtained from precipitated carbon nanoparticles.

固液分離手段は、特に限定しないで、ろ過、遠心分離等、公知の手段を用いることができる。本方法では、カーボンナノ粒子は、浮遊したり沈降したりしているため、ろ過により固液分離することが好ましい。ろ過の方法としては、ろ過膜を用いる方法であってもよいし、吸着を利用した方法であってもよい。また、流体を蒸発させることによってカーボンナノ粒子を取り出す、熱時ろ過であってもよい。ろ過膜を用いたろ過としては、重力による自然ろ過の他に、減圧ろ過、加圧ろ過、遠心ろ過を用いることができる。また、ろ過膜としては、ろ紙、セルロース、ガラス繊維フィルター、メンブランフィルター、ろ過板、綿栓、砂などを用いることができる。特に、微粒子や不純物で濃縮された流体を連続的に排出することが可能な、限外ろ過膜法(UF法)を用いることが好ましい。さらに、UF法によってカーボンナノ粒子を精製する場合に、粒径に応じた複数のろ過膜(例えば中空糸膜)を用いてもよい。粒径に応じた複数のろ過膜を用いることによって、容易にカーボンナノ粒子を粒径に応じて分画分離し、精製することができる。   The solid-liquid separation means is not particularly limited, and known means such as filtration and centrifugation can be used. In this method, since the carbon nanoparticles float or settle, it is preferable to perform solid-liquid separation by filtration. The filtration method may be a method using a filtration membrane or a method utilizing adsorption. Further, it may be hot filtration in which carbon nanoparticles are taken out by evaporating the fluid. As filtration using a filtration membrane, vacuum filtration, pressure filtration, and centrifugal filtration can be used besides natural filtration by gravity. Further, as the filtration membrane, filter paper, cellulose, glass fiber filter, membrane filter, filter plate, cotton plug, sand and the like can be used. In particular, it is preferable to use an ultrafiltration membrane method (UF method) capable of continuously discharging a fluid concentrated with fine particles and impurities. Furthermore, when purifying carbon nanoparticles by the UF method, a plurality of filtration membranes (for example, hollow fiber membranes) according to the particle size may be used. By using a plurality of filtration membranes according to the particle size, the carbon nanoparticles can be easily fractionated and separated according to the particle size and purified.

さらに、分離されたカーボンナノ粒子を乾燥することによって、カーボンナノ粒子を得ることができる。流体中のカーボンナノ粒子は、固液分離の一工程として乾燥されてもよいし、固液分離後に別に乾燥されてもよい。乾燥方法は特に問わないで、公知の各種方法を採用できる。例えば、高温条件下にて流体を蒸発する方法でもよいし、真空を利用してもよいし、飽和水蒸気量以下の水分を含有する気体中に置いて除水する方法でもよい。また、化学反応によって脱水してもよい。本実施形態では、カーボンナノ粒子を乾燥によって精製するために、熱変性や化学変性を考慮し、スプレードライを用いることが好ましい。   Furthermore, carbon nanoparticles can be obtained by drying the separated carbon nanoparticles. The carbon nanoparticles in the fluid may be dried as one step of solid-liquid separation, or may be dried separately after solid-liquid separation. The drying method is not particularly limited, and various known methods can be employed. For example, a method of evaporating a fluid under high temperature conditions, a vacuum, or a method of removing water by placing it in a gas containing moisture equal to or less than the saturated water vapor amount may be used. Moreover, you may dehydrate by chemical reaction. In this embodiment, in order to purify the carbon nanoparticles by drying, it is preferable to use spray drying in consideration of heat denaturation and chemical denaturation.

図1(a)に示すように、例えば、フィルター30に接続される吸引管32の先端が、流体20に浸るように構成してもよい。吸引管32の先端は流体20の流体中、又は流体面近傍に配することによって、浮遊するカーボンナノ粒子をフィルター30に吸引することができる。また、吸引管32を垂直方向に伸縮可能に設計して、吸引管32の先端を流体槽10の底面近傍に配する事によって、沈殿体積するカーボンナノ粒子を吸引することができるようにしてもよい。吸引されたカーボンナノ粒子は、フィルター30によって流体と分離することができる。次いで、流体から分離したカーボンナノ粒子をスプレードライによって乾燥することによって、精製されたカーボンナノ粒子を得ることができる。 As shown in FIG. 1A, for example, the tip of the suction pipe 32 connected to the filter 30 may be configured to be immersed in the fluid 20. By disposing the tip of the suction tube 32 in the fluid 20 or in the vicinity of the fluid surface, the suspended carbon nanoparticles can be sucked into the filter 30. In addition, the suction pipe 32 is designed to be vertically extendable and the tip of the suction pipe 32 is arranged near the bottom surface of the fluid tank 10 so that the carbon nanoparticles that are precipitated can be sucked. Good. The sucked carbon nanoparticles can be separated from the fluid by the filter 30. Subsequently, the carbon nanoparticles separated from the fluid are dried by spray drying, whereby purified carbon nanoparticles can be obtained.

カーボンナノ粒子の製造装置は、図1に示す実施形態に限定されるものでなく、種々の実施形態を採ることができる。図3には、別の実施形態のカーボンナノ粒子の製造装置を示す。この実施形態では、図1における陰極14の周辺に、外壁42aを形成したものであり、図1で示されるのと同一部材については説明を省略する。図3に示す装置は、陰極14を支持する支持部18の外側に間隔を隔てて外壁42aを有しており、支持部18と外壁42aの間には不活性気体を導入するための供給路16bが形成されている。外壁42aは、本実施形態では、陰極14の外周を包囲する略円筒状となっており、外壁42aの内側の供給路16bを外壁42aの外部と遮断して、供給路16bにのみ不活性気体を流通させるようになっている。供給路16bには、不活性気体が導入されるようになっている。外壁42aを備えて不活性気体の流通を流体内において規制することで、アーク放電の発生中に供給路16bに導入された不活性気体の黒鉛陽極12近傍への指向性を高め、より効果的に不活性気体を黒鉛陽極12近傍へ到達させることができるようになる。この結果、気泡の意図しないあるいはランダムな分散や拡散を抑えることができ、液面への気泡の上昇によるカーボンナノ粒子の拡散を回避して、カーボンナノ粒子の回収を容易化又は回収率を向上させることができる。また、外壁42aの下部、すなわち、不活性気体の出口近傍の形状を電極等の形状や配置に応じて適宜変更することで、不活性気体の電極近傍への指向性や到達状態を調節することもできる。例えば、出口近傍部分を出口側に広がるように形成することもできるし、鉛直下方を指向するように形成することもできる。出口近傍部分の形状を必要に応じて適宜変更可能に形成することもできる。このように、外壁42aを備えることで、不活性気体の流通状態を調節して、黒鉛陽極12等に対する指向性、到達状態、ひいてはカーボンナノ粒子の生成量や収率を最適化できるようになる。   The apparatus for producing carbon nanoparticles is not limited to the embodiment shown in FIG. 1, and various embodiments can be adopted. In FIG. 3, the manufacturing apparatus of the carbon nanoparticle of another embodiment is shown. In this embodiment, an outer wall 42a is formed around the cathode 14 in FIG. 1, and the description of the same members as shown in FIG. 1 is omitted. The apparatus shown in FIG. 3 has an outer wall 42a spaced outside the support portion 18 that supports the cathode 14, and a supply path for introducing an inert gas between the support portion 18 and the outer wall 42a. 16b is formed. In this embodiment, the outer wall 42a has a substantially cylindrical shape surrounding the outer periphery of the cathode 14, and the supply path 16b on the inner side of the outer wall 42a is blocked from the outside of the outer wall 42a, so that the inert gas is supplied only to the supply path 16b. Is now in circulation. An inert gas is introduced into the supply path 16b. By providing the outer wall 42a and restricting the flow of the inert gas in the fluid, the directivity of the inert gas introduced into the supply path 16b during the occurrence of the arc discharge to the vicinity of the graphite anode 12 is improved and more effective. Then, the inert gas can reach the vicinity of the graphite anode 12. As a result, unintentional or random dispersion and diffusion of bubbles can be suppressed, and the diffusion of carbon nanoparticles due to the rise of bubbles to the liquid surface can be avoided to facilitate the collection of carbon nanoparticles or improve the collection rate. Can be made. In addition, the directivity and the arrival state of the inert gas near the electrode can be adjusted by appropriately changing the shape of the lower portion of the outer wall 42a, that is, the vicinity of the inert gas outlet according to the shape and arrangement of the electrode and the like. You can also. For example, the exit vicinity can be formed so as to spread toward the exit, or can be formed so as to be directed vertically downward. The shape of the vicinity of the outlet can be appropriately changed as necessary. Thus, by providing the outer wall 42a, it becomes possible to adjust the flow state of the inert gas and to optimize the directivity, the arrival state, and consequently the generation amount and yield of the carbon nanoparticles with respect to the graphite anode 12 and the like. .

図4には、さらに他の実施形態のカーボンナノ粒子の製造装置を示す。本実施形態では、図1における陰極14から黒鉛陽極12の先端部までを取り囲むように、外壁42bを形成したものである。図1において示されるのと同一部材については説明を省略する。図4に示す装置は、陰極14を支持する支持部18の外側に間隔を隔てて外壁42bを有しており、支持部18と外壁42bの間には不活性気体を導入するための供給路16cが形成されている。供給路16cには、不活性気体が導入されるようになっている。また、外壁42bの不活性気体の出口側は任意の高さに設置することができるが、その下部(出口側端縁)が黒鉛陽極12の先端を取り囲むように延びていてもよい。例えば、図4に示す実施形態では、外壁42bはアーク放電発生領域たる隙間34を取り囲むように配されている。さらに、外壁42bの形状は下部に向かうほど包囲される内部形状が小さくなるように、中空の切頭円錐形状を有している。また、外壁42bの少なくとも内部がらせん状に溝加工されていてもよい。したがって、例えば、外壁42b自体をジャバラ状に形成することで内部にらせん状の溝部を備えるようになっていてもよい。アーク放電の発生中に、不活性気体がらせん状に供給路16cを流通しかつ噴射されることにより、不活性気体の回転気流効果によって回転磁場を発生することができる。回転磁場は、さらに、既に説明したように電極を回転させることによってより容易に発生させることができる。このとき、不活性気体の供給量や電極回転数によって回転磁場を制御することができ、プラズマの形状を可変制御することができる。これによって、アーク放電発生領域のエネルギープロファイルを制御することができ、より効率的にカーボンナノ粒子を合成することができる。   FIG. 4 shows a carbon nanoparticle production apparatus according to still another embodiment. In the present embodiment, the outer wall 42b is formed so as to surround the cathode 14 to the tip of the graphite anode 12 in FIG. Description of the same members as those shown in FIG. 1 is omitted. The apparatus shown in FIG. 4 has an outer wall 42b spaced apart outside the support portion 18 that supports the cathode 14, and a supply path for introducing an inert gas between the support portion 18 and the outer wall 42b. 16c is formed. An inert gas is introduced into the supply path 16c. The inert gas outlet side of the outer wall 42b can be installed at an arbitrary height, but the lower portion (exit side edge) may extend so as to surround the tip of the graphite anode 12. For example, in the embodiment shown in FIG. 4, the outer wall 42 b is disposed so as to surround the gap 34 that is an arc discharge generation region. Furthermore, the shape of the outer wall 42b has a hollow truncated conical shape so that the inner shape surrounded becomes smaller toward the lower part. Further, at least the inside of the outer wall 42b may be grooved in a spiral shape. Therefore, for example, the outer wall 42b itself may be formed in a bellows shape so that a spiral groove portion is provided inside. While the arc discharge is generated, the inert gas flows through the supply path 16c spirally and is jetted, so that a rotating magnetic field can be generated by the rotating airflow effect of the inert gas. The rotating magnetic field can also be more easily generated by rotating the electrode as already described. At this time, the rotating magnetic field can be controlled by the supply amount of the inert gas and the electrode rotation speed, and the shape of the plasma can be variably controlled. Thereby, the energy profile of the arc discharge generation region can be controlled, and the carbon nanoparticles can be synthesized more efficiently.

図5には、さらに他の実施形態のカーボンナノ粒子の製造装置を示す。本実施形態の装置は、黒鉛陽極を使用せずにカーボンナノ粒子を製造するものである。例えば、両電極はタングステンやセラミック、モリブデン等の電極材料を用いることができる。図5に示すように、本実施形態の装置は、陽極50と、陽極50を取り囲むとともに、陽極50の先端(下端)のやや先の領域を指向して先細り状に収束するノズル部を有する陰極52とを備えている。なお、陽極50の先端のやや先の領域は、アーク放電発生領域となることが意図されている。陽極50とそれを包囲する陰極52との間には不活性気体の供給路58が形成されている。また、陰極52の周囲を取り囲むように外壁54が形成されていてもよい。さらに、外壁54と陰極52の間には不活性気体の供給路60が形成されていてもよい。   FIG. 5 shows a carbon nanoparticle production apparatus according to still another embodiment. The apparatus of this embodiment is for producing carbon nanoparticles without using a graphite anode. For example, an electrode material such as tungsten, ceramic, or molybdenum can be used for both electrodes. As shown in FIG. 5, the apparatus according to the present embodiment includes an anode 50 and a cathode that surrounds the anode 50 and has a nozzle portion that converges in a tapered manner toward a slightly distal region of the tip (lower end) of the anode 50. 52. It should be noted that the area slightly ahead of the tip of the anode 50 is intended to be an arc discharge generation area. An inert gas supply path 58 is formed between the anode 50 and the cathode 52 surrounding it. An outer wall 54 may be formed so as to surround the periphery of the cathode 52. Further, an inert gas supply path 60 may be formed between the outer wall 54 and the cathode 52.

こうした電極50、52の下部には、所定距離を隔てて黒鉛板56を配置させる。電極50、52と黒鉛板56の隙間34bはアーク放電発生領域とされている。黒鉛板56と陽極50の距離は、陽極50と陰極52に電圧を印加して炭素蒸気を形成可能な範囲であればよく、特に限定されないが、例えば、5mm程度とすることができる。本実施形態の装置によれば、黒鉛陽極を用いた場合よりも電極の消耗や電極に堆積する不純物によるアーク放電不良が軽減し、より安定した大量のカーボンナノ粒子を合成することができる。また、安価な黒鉛板を用いることで、カーボンナノ粒子の生成に係るコストを低下することができる。なお、本実施形態の陽極50と陰極52は、重力に対し垂直方向に対向されていなくてもよく、種々の方向性で備えられる。   Below these electrodes 50 and 52, a graphite plate 56 is disposed at a predetermined distance. A gap 34b between the electrodes 50 and 52 and the graphite plate 56 is an arc discharge generation region. The distance between the graphite plate 56 and the anode 50 is not particularly limited as long as it is within a range in which a voltage can be applied to the anode 50 and the cathode 52 to form carbon vapor, and can be, for example, about 5 mm. According to the apparatus of the present embodiment, the consumption of the electrode and the arc discharge failure due to impurities deposited on the electrode are reduced as compared with the case of using the graphite anode, and a more stable large amount of carbon nanoparticles can be synthesized. Moreover, the cost concerning the production | generation of a carbon nanoparticle can be reduced by using an inexpensive graphite plate. In addition, the anode 50 and the cathode 52 of this embodiment do not need to be opposed to the direction perpendicular to gravity, and are provided in various directions.

以下、本発明を、実施例を挙げて具体的に説明するが、以下の実施例は本発明を限定するものではない。以下の実施例では、本発明の製造方法によるカーボンナノホーンの製造を説明する。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, a following example does not limit this invention. In the following examples, the production of carbon nanohorns by the production method of the present invention will be described.

本実施例は、図1の装置に好適な例として説明する。水深約30cmの流体槽に黒鉛陽極と陰極を1mm離した状態で重力に対して垂直に対向するように設置する。黒鉛陽極は直径3mm、長さ100mmの円筒形状で、炭素純度99.999%で1.5グラムのカーボンロッドを用いた。流体槽に20リットルの水溶液を満たしたのち、流体槽に蓋をして密閉した。黒鉛陽極と陰極に20V、60Aの直流電圧を印加し、陰極内の導入路に規定値(20〜25リットル/分)の窒素ガスを導入し、粒子を生成した。この間、黒鉛陽極と陰極の間が1mmを維持するように、陰極を支持する支持部を自動制御することによって調整した。流体槽中の水面付近の水をポンプにて経時的に吸引し、UFろ過膜を通して、水と粒子をろ別した。ろ別した粒子をスプレードライにて乾燥し、精製された粒子を得た。粒子を電子顕微鏡にて観察し、単層カーボンナノホーンが多く含まれることを確認した。カーボンロッドが80%消費する時間はおよそ30秒程度であり、1分あたり1.4グラム程度のカーボンナノホーンが得られた。   This embodiment will be described as an example suitable for the apparatus of FIG. It is installed in a fluid tank having a water depth of about 30 cm so that the graphite anode and the cathode are 1 mm apart and face each other perpendicular to gravity. The graphite anode was a cylindrical shape having a diameter of 3 mm and a length of 100 mm, and a carbon rod having a carbon purity of 99.999% and 1.5 grams was used. After the fluid tank was filled with 20 liters of aqueous solution, the fluid tank was covered and sealed. A DC voltage of 20 V and 60 A was applied to the graphite anode and cathode, and nitrogen gas of a specified value (20 to 25 liters / minute) was introduced into the introduction path in the cathode to produce particles. During this time, adjustment was performed by automatically controlling the support portion supporting the cathode so that the distance between the graphite anode and the cathode was maintained at 1 mm. Water near the water surface in the fluid tank was sucked with a pump over time, and water and particles were filtered through a UF filtration membrane. The filtered particles were dried by spray drying to obtain purified particles. The particles were observed with an electron microscope, and it was confirmed that many single-walled carbon nanohorns were contained. The carbon rod consumes 80% of about 30 seconds, and about 1.4 grams of carbon nanohorn per minute was obtained.

得られたカーボンナノホーンの粒度分布を測定した。図6には、非イオン界面活性剤であるニューコール740(60%濃度)を用いてカーボンナノ粒子を分散させたときの、粒度分布の測定結果を示す。粒径の分散は正規分布として表される。本実施例で得られたカーボンナノホーンの粒子分布は、10%累積径は0.0712μm、90%累積径は0.4675μmであり、累積中位径(50%)は0.1539μm、平均径0.0834μm、標準偏差0.1357であった。一方、界面活性剤を用いない場合には、正規分布に従わず、10%累積径は0.1227μm、90%累積径は4.9431μmであり、累積中位径(50%)は0.3493μm、平均径0.1093μm、標準偏差0.5373であった。   The particle size distribution of the obtained carbon nanohorn was measured. FIG. 6 shows the measurement result of the particle size distribution when carbon nanoparticles are dispersed using Newcol 740 (60% concentration) which is a nonionic surfactant. The dispersion of the particle size is expressed as a normal distribution. The particle distribution of the carbon nanohorn obtained in this example is 10% cumulative diameter is 0.0712 μm, 90% cumulative diameter is 0.4675 μm, cumulative median diameter (50%) is 0.1539 μm, and average diameter is 0. 0.034 μm and standard deviation 0.1357. On the other hand, when the surfactant is not used, the normal distribution does not follow, the 10% cumulative diameter is 0.1227 μm, the 90% cumulative diameter is 4.9431 μm, and the cumulative median diameter (50%) is 0.3493 μm. The average diameter was 0.1093 μm and the standard deviation was 0.5373.

以上のように、従来のアーク放電によるカーボンナノ粒子の製造方法に比べて、1台の装置で大量(20〜100倍以上)のカーボンナノ粒子を得ることができた。さらに、大型の設備が必要とせず、1台の装置当たり0.25m2と省スペース化を図ることができる。すなわち、低コストかつ効率よくカーボンナノ粒子を製造することができる。また、粒度分布が正規分布に従った、粒径の揃ったカーボンナノ粒子を製造することができる。   As described above, a large amount (20 to 100 times or more) of carbon nanoparticles could be obtained with one apparatus, compared with the conventional method for producing carbon nanoparticles by arc discharge. Furthermore, a large facility is not required, and a space saving of 0.25 m 2 per apparatus can be achieved. That is, carbon nanoparticles can be produced efficiently at low cost. In addition, carbon nanoparticles having a uniform particle size can be produced in accordance with a normal particle size distribution.

本実施例は、第1実施例とは異なるサイズの黒鉛陽極を用いてカーボンナノ粒子を製造した。同一の部材及び操作については説明を省略する。本実施例では、黒鉛陽極は、直径6.8mm、長さ100mmの円筒形状で、炭素純度99.999%のカーボンロッドを用いた。陰極には、窒素ガスの導入路を形成した、直径12.3mmのカーボンロッドを用いた。流体槽に黒鉛陽極と陰極を1mm離した状態で対向して設置し、純水を満たした後、窒素ガス導入下(20〜25リットル/分)で140Aの直流電圧を印加してカーボンナノ粒子を生成した。生成したカーボンナノ粒子をろ別した結果、第1実施例の3〜4倍程度のカーボンナノホーンが得られた。   In this example, carbon nanoparticles were produced using a graphite anode having a size different from that of the first example. The description of the same members and operations is omitted. In this example, the graphite anode used was a carbon rod having a diameter of 6.8 mm and a length of 100 mm and having a carbon purity of 99.999%. As the cathode, a carbon rod having a diameter of 12.3 mm and having an introduction path for nitrogen gas was used. The graphite anode and cathode are placed facing each other in a fluid tank with a distance of 1 mm, filled with pure water, and then applied with a DC voltage of 140 A under introduction of nitrogen gas (20 to 25 liters / minute) to form carbon nanoparticles. Was generated. As a result of filtering out the produced carbon nanoparticles, carbon nanohorns of about 3 to 4 times that of the first example were obtained.

以上のように、陰極と陽極の両方に黒鉛を含んでいてもカーボンナノ粒子を製造することができる。さらに印加する電流量によって、アーク放電発生領域のエネルギープロファイルを制御することができる。これによって、カーボンナノ粒子を効率的に大量に合成することができる。   As described above, carbon nanoparticles can be produced even if both the cathode and the anode contain graphite. Furthermore, the energy profile of the arc discharge generation region can be controlled by the amount of current applied. Thereby, carbon nanoparticles can be efficiently synthesized in large quantities.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

2 装置、10 流体槽、11 蓋、12 黒鉛陽極、14,52 陰極、16,16b,16c,58,60 供給路、18 支持部、20 流体、22 電源、24 −極、26 +極、28 ボンベ、30 フィルター、32 吸引管、34,34b 隙間、36,38 回転装置、40 導入路、42,42a,42b,54 外壁、50 陽極、56黒鉛板   2 apparatus, 10 fluid tank, 11 lid, 12 graphite anode, 14,52 cathode, 16, 16b, 16c, 58, 60 supply path, 18 support section, 20 fluid, 22 power supply, 24-pole, 26 + pole, 28 Cylinder, 30 filter, 32 suction pipe, 34, 34b gap, 36, 38 rotating device, 40 introduction path, 42, 42a, 42b, 54 outer wall, 50 anode, 56 graphite plate

Claims (19)

カーボンナノ粒子の製造方法であって、
陰極と陽極との隙間であってアーク放電の発生温度以下の温度で撹拌流動性のある水溶液又は水である流体中に配置されるようにした前記隙間に電圧を印加して前記隙間に存在する前記流体中にアーク放電発生領域を形成する工程と、
前記アーク放電発生領域に準備された炭素材料から炭素蒸気を発生させるとともに前記アーク放電発生領域から前記炭素蒸気を前記流体に拡散可能に前記アーク放電発生領域に不活性気体を導入する工程と、
を備え、
前記陰極及び/又は前記陽極に、回転振動を付与する、製造方法。
A method for producing carbon nanoparticles, comprising:
A gap is applied between the cathode and the anode and is present in the gap by applying a voltage to the gap which is arranged in a fluid which is an aqueous solution or water having a stirring fluidity at a temperature equal to or lower than the arc discharge temperature. Forming an arc discharge generation region in the fluid;
Introducing an inert gas into the arc discharge generation region to generate carbon vapor from the carbon material prepared in the arc discharge generation region and diffusing the carbon vapor from the arc discharge generation region into the fluid;
With
A manufacturing method for applying rotational vibration to the cathode and / or the anode.
前記不活性気体の流量を15l/分以上25l/分以下とする、請求項1に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, wherein the flow rate of the inert gas is 15 l / min or more and 25 l / min or less. 前記不活性気体を、前記陰極内を貫通する導入路又は前記陰極の外周に設けた通気溝を介して前記アーク放電発生領域に導入する、請求項1又は2に記載の製造方法。 The manufacturing method of Claim 1 or 2 which introduce | transduces the said inert gas into the said arc discharge generation | occurrence | production area | region through the introduction path which penetrates the inside of the said cathode, or the ventilation groove provided in the outer periphery of the said cathode . 前記不活性気体を前記アーク放電発生領域から前記流体が完全に排除されないように前記アーク放電発生領域に導入する、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the inert gas is introduced into the arc discharge generation region so that the fluid is not completely excluded from the arc discharge generation region. 前記隙間を取り囲む隔壁を備えていない、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method in any one of Claims 1-4 which is not provided with the partition surrounding the said clearance gap. 前記陽極が、添加物を含有もしくは内蔵、又は、添加物が表面の一部分もしくは全部に散布、塗布、メッキ又はコートされている黒鉛であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。 6. The anode according to any one of claims 1 to 5, wherein the anode contains or contains an additive, or is graphite in which the additive is dispersed, coated, plated or coated on a part or all of the surface. Manufacturing method. 前記陰極は、前記導入路を有している、請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。 The cathode has the introduction passage, the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6. 前記陰極水平方向に回転振動を加える工程をさらに備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。 The process according to any one of claims 1 to 7, further comprising the step of adding a rotational vibration in a horizontal direction to the cathode. 前記流体中に送り出されるカーボンナノ粒子を分散させる工程と、
前記炭素蒸気を送り出す部位の局部的な前記流体の温度の上昇を防ぐための流体槽の前記流体を撹拌する工程と、
前記流体の温度を一定温度に維持するため前記流体の温度を調整する工程と、
をさらに備える請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。
Dispersing the carbon nanoparticles delivered into the fluid;
Agitating the fluid in a fluid tank to prevent a local increase in temperature of the fluid at a site for delivering the carbon vapor;
Adjusting the temperature of the fluid to maintain the temperature of the fluid at a constant temperature;
The manufacturing method according to any one of claims 1 to 8 , further comprising:
前記陽極と前記陰極は、重力に対して垂直に対向して配置されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the anode and the cathode are arranged so as to face each other perpendicular to gravity. さらに、前記カーボンナノ粒子を回収する工程を備え、当該工程は、
前記カーボンナノ粒子を含む前記流体を吸引する工程と、
ろ過膜によって前記流体から前記カーボンナノ粒子を分離する工程と、
分離された前記カーボンナノ粒子を乾燥する工程と、
を含む請求項1〜10のいずれかに記載の製造方法。
Further, the method includes a step of recovering the carbon nanoparticles,
Aspirating the fluid containing the carbon nanoparticles;
Separating the carbon nanoparticles from the fluid by a filtration membrane;
Drying the separated carbon nanoparticles;
The manufacturing method in any one of Claims 1-10 containing these .
前記不活性気体が、窒素、アルゴン、ヘリウムを含む希ガス及びヒドラジンからなる群から選択される1種又は2種以上を含むガスであることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の製造方法。 Wherein said inert gas is nitrogen, argon, any of the preceding claims, characterized in that one or gases containing two or more selected from the group consisting of noble gases and hydrazine containing helium Manufacturing method. 一部がアーク放電の発生温度以下の温度で撹拌流動性のある水溶液又は水である流体に浸漬される陰極と、
前記陰極の前記流体に浸漬される部位に前記流体中において隙間を隔てて配置されている陽極と、
前記陰極と前記陽極の間に電圧を印加し前記隙間に存在する前記流体中に直接アーク放電発生領域を形成する機構と、
不活性気体を前記アーク放電発生領域から炭素蒸気を前記流体に拡散可能であって前記アーク放電発生領域から前記水溶液又は水が完全に排除されないように前記アーク放電発生領域に導入する機構と、
前記陰極及び/又は前記陽極に、回転振動を付与する機構と、
を備える、カーボンナノ粒子の製造装置。
A cathode that is partially immersed in a fluid that is an aqueous solution or water having a stirring fluidity at a temperature equal to or lower than the temperature at which arc discharge occurs;
An anode disposed in the fluid with a gap in a portion of the cathode immersed in the fluid;
A mechanism for applying a voltage between the cathode and the anode to directly form an arc discharge generation region in the fluid existing in the gap;
A mechanism for introducing an inert gas into the arc discharge generation region so that carbon vapor can diffuse into the fluid from the arc discharge generation region and the aqueous solution or water is not completely excluded from the arc discharge generation region;
A mechanism for applying rotational vibration to the cathode and / or the anode;
An apparatus for producing carbon nanoparticles, comprising:
前記不活性気体を導入する前記機構は、前記不活性気体の流量を15l/分以上25l/分以下に調節可能に構成されている、請求項13に記載の製造装置。The manufacturing apparatus according to claim 13, wherein the mechanism for introducing the inert gas is configured to be able to adjust a flow rate of the inert gas to 15 l / min or more and 25 l / min or less. 前記陰極は、前記陰極内を貫通する導入路又は前記陰極の外周に設けた通気溝を備えており、
前記不活性気体を、前記導入路又は前記溝を介して前記アーク放電発生領域に導入されるように構成されている、請求項13又は14に記載の製造装置。
The cathode is provided with a ventilation groove provided on the outer periphery of the introduction path or the cathode penetrating the inside of the cathode,
The manufacturing apparatus of Claim 13 or 14 comprised so that the said inert gas may be introduce | transduced into the said arc discharge generation | occurrence | production area | region through the said introduction path or the said groove | channel .
前記陽極が黒鉛陽極であり、前記陰極と対向していることを特徴とする請求項13〜15のいずれかに記載の製造装置。 The manufacturing apparatus according to claim 13, wherein the anode is a graphite anode and faces the cathode. 前記陽極と前記陰極との隙間が1mm以上2mm以下であることを特徴とする請求項13〜16のいずれかに記載の製造装置。 The gap between the said anode and the said cathode is 1 mm or more and 2 mm or less, The manufacturing apparatus in any one of Claims 13-16 characterized by the above-mentioned. 前記陰極が水平方向に回転振動することを特徴とする請求項13〜17のいずれかに記載の製造装置。 The manufacturing apparatus according to claim 13, wherein the cathode vibrates in the horizontal direction. さらに、前記カーボンナノ粒子を回収する機構を備えており、当該機構は、
前記カーボンナノ粒子を含む前記流体を吸引する機構と、
前記流体から前記カーボンナノ粒子を分離する機構と、
分離した前記カーボンナノ粒子を乾燥する機構と、
を含む請求項13〜18のいずれかに記載の製造装置。
Furthermore, it has a mechanism for collecting the carbon nanoparticles , the mechanism ,
A mechanism for sucking the fluid containing the carbon nanoparticles;
A mechanism for separating the carbon nanoparticles from the fluid;
A mechanism for drying the separated carbon nanoparticles;
The manufacturing apparatus in any one of Claims 13-18 containing.
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