JP5903727B2 - カーボンナノ構造体の新規な二次構造物、この集合体及びこれを含む複合材 - Google Patents
カーボンナノ構造体の新規な二次構造物、この集合体及びこれを含む複合材 Download PDFInfo
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Description
200;CNS二次構造物の集合体
301;二次構造物の中心部
302;二次構造物の外郭部
311;CNS二次構造物の触媒表面と接触する一端部
312;CNS二次構造物の外に向かった他の担部
300;CNS二次構造物
400;CNS
表1
[table 1]
このように、本発明によるCNS二次構造物は、有効内径を有し得るチューブ状であるという点で、従来にはなかった新規な二次構造物である。
前記CNS二次構造物の外郭部と中心部におけるCNSの分布密度は、CNS二次構造物の長手方向に垂直な面、すなわちチューブ状の直径方向に単位面積あたりのCNS固体が占有する面積で測定することもできる。単位面積は、例えば、10nm2であり得る。
発明の実施のための形態
以下の実施例は、カーボンナノ構造体(CNS)としてカーボンナノチューブ(CNT)を製造した場合を例に挙げて説明する。
<AlO(OH)の合成>
Al(O-sec-Bu)350gをEtOH25mlと混合して120℃の下で30分間攪拌した後、蒸留水15mlを投入し、常温まで冷却させた。冷却された生成物をガラスフィルタ(glass filter)でろ過して沈殿物を取得し、これをアセトンで数回洗った後、120℃で3時間乾燥させて、AlO(OH)を製造した。
製造されたAlO(OH)をそれぞれジルコニアボールを用いて200〜250rpmの下でボールミリング(ball-milling)した。ミリング加工されたAlO(OH)支持体の粒子サイズ(d50)は0.3μmであった。
Co(NO3)2・6H2O 870mg及び(NH4)6MO7O24 120mgを蒸留水50mLに完全に溶解させ、そこにミリング加工されたAlO(OH)1.0gを加えた後、60℃、85ミリバール(mb)の下で30分間混合した後、10mbの下で30分間混合して、固相の担持触媒前駆体を取得した。取得された担持触媒前駆体を120℃で1時間乾燥させ、粉砕した後、600℃で4時間焼成させて、1.12gの担持触媒を製造した。
製造された担持触媒2mgを実験室規模の固定層装置内55mmの内径を有する石英管の中間部に装着した後、窒素雰囲気で700℃まで昇温して維持させ、窒素(N2)、水素(H2)及びエチレン(C2H4)ガスを体積混合比1:1:1で流しながら1時間合成して、2254%の反応収率でCNS二次構造物及びこれらで構成されたCNT二次構造物の集合体を製造した。
[数学式1]
反応収率(%)=[(反応後の総重量−用いた触媒重量)/用いた触媒重量]×100
前記のように製造されたCNT二次構造物の集合体のSEM写真は、図7に図示した。図7に示したとおり、製造されたCNT二次構造物の集合体は、多数個のCNT二次構造物からなっており、個々のCNT二次構造物は、ポア(pore)である中心部とこれを囲む外郭部とで構成されたチューブ状であることが確認できた。
<支持体の製造>
400℃で熱処理されたAl(OH)3及びgamma-Al2O3をそれぞれジルコニアボールを用いて200〜250rpmでボールミリング(ball-milling)した。ミリング加工されたAl(OH)3支持体とgamma-Al2O3の粒子サイズ(d50)はそれぞれ0.250μm、0.265μmであった。
AlO(OH)の代わりに前記ミリング加工されたAl(OH)3及びgamma-Al2O3をそれぞれ用いたこと(順に実施例2及び3)を除いては、前記実施例1と同じ方法でそれぞれ1.1g及び1.2gの担持触媒を製造した。
担持触媒のみ異なるだけで、前記実施例1と同じ方法でCNTを合成して、それぞれ2280%及び2450%の反応収率でCNT二次構造物の集合体を製造した。
それぞれ、300、400、500、550、625、650、675、700及び750℃で焼成された担持触媒を用いたことを除いては、前記実施例1と同じ方法で合成して、それぞれ1664%、1921%、2245%、2074%、2015%、2065%、2100%、2300%及び2464%の反応収率でCNT二次構造物の集合体を製造した。
担持されたMo金属とCo金属とのモル比(Mo/Co)がそれぞれ1/20、1/10、1/5及び1/2.5である担持触媒を用いたことを除いては、前記実施例1と同じ方法で合成して、それぞれ357%、790%、2029%及び1444%の反応収率でCNT二次構造物の集合体を製造した。
それぞれボールミリングしていないAl(OH)3及びgamma-Al2O3を用いたことを除いては、前記実施例2と同じ方法で合成して、それぞれ1463%及び480%の反応収率でCNT二次構造物の集合体を製造した。それぞれ製造されたCNT二次構造物の集合体のSEM写真は、図11に添付した。
図12a〜12cに示したように、実施例1によるCNT二次構造物において、完全な成長をする以前の成長初期にある、長さが10μm以下のCNT二次構造物においても、中心部にあたるポアが形成されることが確認できた。これから、新たな形態のCNT二次構造物は、中心部にあたるポアが二次構造物の一方の端部から他方の端部までの全区間に亘って空いていることが分かる。
1)CNT二次構造物の集合体やCNT二次構造物の長さや直径(外径)等は、SEM(Scanning Electron Microscope)を用いて測定した。用いられたSEM装置は、FESEM(HITACHI S-4800)であり、SEMの観察条件は加速電圧5kV、Emission current 10μA、Working distance 8mm、Detector SEであった。
2)CNT二次構造物の内径は、マトラボ-イメージプロセシングツールボックス(Matlab-Image Processing Toolbox)を用いて、イメージプロセスソフトウェアの空間分割機能関数を用いて写真の黒色部の中心で任意の半径を有する円を定義し、写真を白黒ピクセルの数としてデジタル化した後、コントラスト比を測定し、コントラスト比90%の時の直径を求めた。
3)支持体の粒径(particle size、d50)は、粒度分析器(Microtrac, Bluewave)のFluid(Water、40%)、超音波処理(40watt、3min)を用いて測定した。
なお、本願明細書に記載の実施形態によれば、以下の構成もまた開示される。
[項目1]
複数のカーボンナノ構造体(carbon nanostructures,CNS)が全体又は部分的にチューブ状をなすように集合して形成されたカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目2]
前記カーボンナノ構造体の二次構造物は、複数のカーボンナノ構造体が互いにもつれて形成された構造物(tangled structure)であることを特徴とする項目1に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目3]
前記カーボンナノ構造体の二次構造物が有するチューブ状は、チューブ直径方向に撮影した電子顕微鏡写真のコントラスト比が90%の時に直径を有効内径とすることを特徴とする項目1または2に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目4]
前記カーボンナノ構造体の二次構造物の有効内径が0.1〜30μmであることを特徴とする項目1から3のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目5]
前記カーボンナノ構造体がカーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、カーボンナノヘア、又はカーボンナノファイバであることを特徴とする項目1から4のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目6]
前記カーボンナノ構造体がカーボンナノチューブであることを特徴とする項目5に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目7]
前記カーボンナノ構造体は、直径0.1〜200nm、長さ1μm〜10mmであることを特徴とする項目1から6のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目8]
前記カーボンナノ構造体の二次構造物は、外径1〜100μm、長さ5〜10000μmのチューブ状であることを特徴とする項目1から7のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目9]
前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、二層カーボンナノチューブ(DWCNT)、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)、またはこれらの混合からなることを特徴とする項目6に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目10]
前記カーボンナノチューブは、二層カーボンナノチューブ(DWCNT)が10重量%以下で含まれたことを特徴とする項目6に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
[項目11]
項目1〜10のいずれか一項の前記二次構造物が集合して三次元形状をなしているカーボンナノ構造体の二次構造物の集合体。
[項目12]
前記二次構造物の集合体の三次元形状は、球状、楕円体状、円柱状、円錐状、又は円錐台状であることを特徴とする項目11に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物の集合体。
[項目13]
項目1〜10のいずれか一項のカーボンナノ構造体の二次構造物を含む複合材。
[項目14]
項目11又は12のカーボンナノ構造体の二次構造物の集合体を含む複合材。
[項目15]
ミリング加工された支持体に触媒金属を浸した後、粉砕及び焼成して得た担持触媒の存在下で炭素源を含む反応ガスを反応させることを含む項目1〜10のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物の製造方法。
[項目16]
前記ミリング加工された支持体の粒径(d 50 )は、0.1〜1.5μmであることを特徴とする項目15に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物の製造方法。
[項目17]
前記ミリング加工された支持体は、アルミニウム系支持体であることを特徴とする項目15または16に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物の製造方法。
[項目18]
前記触媒金属は、コバルト(Co)とモリブデン(Mo)とを含むことを特徴とする項目15から17のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物の製造方法。
Claims (14)
- 複数のカーボンナノ構造体(carbon nanostructures,CNS)が全体又は部分的にチューブ状をなすように集合して形成され、
前記複数のカーボンナノ構造体が互いにもつれて形成された構造物(tangled structure)であり、
前記カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブである
カーボンナノ構造体の二次構造物。 - 前記カーボンナノ構造体の二次構造物は中空チューブ状であり、
前記中空チューブ状は、
前記中空チューブ状内の中心に位置する中空中心部と、
前記中心部を囲み、前記中心部の外側に位置する外郭部と、
前記外郭部の外側境界を規定する外径と、
前記外郭部と前記中心部との間の境界を規定する有効内径と
を有する
請求項1に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。 - 前記カーボンナノ構造体の二次構造物が有するチューブ状は、チューブ直径方向に撮影した電子顕微鏡写真のコントラスト比が90%の時に直径を有効内径とすることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
- 前記カーボンナノ構造体の二次構造物の有効内径が0.1〜30μmであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
- 前記カーボンナノ構造体は、直径0.1〜200nm、長さ1μm〜10mmであることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
- 前記カーボンナノ構造体の二次構造物は、外径1〜100μm、長さ5〜10000μmのチューブ状であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
- 前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、二層カーボンナノチューブ(DWCNT)、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)、またはこれらの混合からなることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
- 前記カーボンナノチューブは、二層カーボンナノチューブ(DWCNT)が10重量%以下で含まれたことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物。
- 請求項1〜8のいずれか一項の前記二次構造物が集合して三次元形状をなしているカーボンナノ構造体の二次構造物の集合体。
- 前記二次構造物の集合体の三次元形状は、球状、楕円体状、円柱状、円錐状、又は円錐台状であることを特徴とする請求項9に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物の集合体。
- 請求項1〜8のいずれか一項のカーボンナノ構造体の二次構造物を含む複合材。
- 請求項9又は10のカーボンナノ構造体の二次構造物の集合体を含む複合材。
- ミリング加工された支持体に触媒金属を浸した後、粉砕及び焼成して得た担持触媒の存在下で炭素源を含む反応ガスを反応させることを含み、
前記ミリング加工された支持体は、アルミニウム系支持体であり、
前記触媒金属は、コバルト(Co)とモリブデン(Mo)とを含む、
請求項1〜8のいずれか一項に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物の製造方法。 - 前記ミリング加工された支持体の粒径(d50)は、0.1〜1.5μmであることを特徴とする請求項13に記載のカーボンナノ構造体の二次構造物の製造方法。
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