JP5922126B2 - 化学蒸着によって生成するカーボンナノ構造体およびネットワーク - Google Patents

Description

[発明の分野]
本発明は、カーボンのナノ構造体、たとえば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレンおよびグラフェンに関する。より詳細には、本発明は、カーボンナノ構造体のネットワーク、特定のＣＮＴネットワーク、その生成、および複合材料におけるかかるネットワークの使用に関する。本発明はまた、ナノ構造体ネットワークの生成で使用するのに適した組成物に関する。

[発明の背景]
カーボンナノチューブは、グラフェンの１以上の層によって形成される管状構造体である。９０年代の初めにカーボンナノチューブを作製するための合成法が発見されて以来、その優れた電気、熱および機械的特性ならびに大きな比表面積故にＣＮＴに対して多くの注目が寄せられてきた。それに基づき、マイクロエレクトロニクス用コンポーネント、ディスプレイ、ラジオ通信から燃料電池にいたる範囲にわたり、あらゆる種類の用途が示唆されてきた。

グラファイトロッドの電気アーク放電、カーボンのレーザーアブレーション、および炭化水素の化学蒸着を含めて、シングルおよびマルチウォールカーボンナノチューブを合成するために主な手法が３種存在する。しかし、カーボンナノチューブを合成するための最も費用効果の高い方法は、化学蒸着（ＣＶＤ）に基づいている。金属触媒によるサーマルＣＶＤは、一般的には、安価な原料を使用し比較的低エネルギー要件であるので、バルク合成のための関心を集めてきた。ＣＶＤ法では、カーボン含有ガスが高温で、微粉砕された触媒（通常、鉄、ニッケル、コバルトもしくは他の遷移金属または合金）の影響下で分解され、カーボン原子が結合してＣＮＴを形成する。触媒粒子は、有機金属化合物の分解によってｉｎ ｓｉｔｕで製造してもよく、または固定基材上でＣＶＤ炉内に挿入してもよい。

欧州特許第１９５２４６７号は、ナノワイヤ構造体およびそうした構造体を含む相互連結された多孔質ナノワイヤネットワークを対象とする。ナノワイヤは、カーボンネットワークを成長させるためのテンプレート用の芯材として働く。たとえば燃料電池用途において触媒可触性および利用性を最大にするために、欧州特許第’４６７号は、ナノワイヤ表面上に金属触媒の薄い膜または層を堆積させることを教示している。しかし、ナノワイヤ支持体とその上に堆積した触媒粒子の間の緊密な結合は、触媒効率および導電特性を限定する。さらには、カーボン構造体のトップに位置する触媒粒子は、より脱着しやすくなる。また、こうして取得されたナノ構造体は、非晶質であり、このことのためにこうした構造体を多数の用途に対して適切性がより劣るようにすると思われる。欧州特許第’４６７号の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

ＣＶＤは、一般的には、他の理由に加えて、触媒特性に対する制御がほとんどないために大量の不純物をもたらすことが当技術分野で広く認められている。米国特許出願公開第２００６／０１０４８８９号は、他の方法では合成が困難である、径の分布が狭く、平均粒径が小さい触媒を教示している。米国特許出願公開第’８８９号は、粒子対支持体の重量比１：１〜１：５０で粉末酸化物上に支持された径１〜５０ｎｍを有する触媒粒子を提案している。米国特許出願公開第’８８９号の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

欧州特許第１３３４０６４号はカーボンナノチューブを調製するための方法を開示し、これは気相中にナノメートル径の微細金属粒子を懸濁させることを含む。その方法によってカーボンナノチューブの形状および構造を制御することが可能になる。金属ナノ粒子は、数ナノメートル〜数百ナノメートル程度の平均径を有する。界面活性剤（これは、コロイダル金属粒子の凝集を防止するはずである）の使用を介してＣＮＴの純度を制御することが試みられている。欧州特許第’０６４号の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

欧州特許第２１２３６０２号は、タンパク質のＳ層を基材上に生成し、その上に無機ナノ粒子が対応する金属塩溶液の定温放置および還元を介して堆積するマスクとして使用される、ＣＶＤ法を使用して成長するナノチューブを開示している。それは、構造体間の化学的相互連結の全くない、図１および２の個別ナノ構造体の物理的アセンブリを示唆する。欧州特許第２１２３６０２号の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

しかし、当技術分野で適用されている狭い径分布の金属触媒粒子、たとえば、上記のものは、低密度においてのみ供給することができる。金属粒子を安定化するためにマイクロエマルションを利用しても、金属粒子濃度は、一般的には、約数ｍＭであり、少し間違えば解体することになる。欧州特許第１３３４０６４号における特定の例では、金属粒子の最大濃度は１０ｍＭである。しかし、これまでは、こうした種類の濃度で、カーボンナノ構造体のネットワークは当技術分野では認められたことがなかった。

また、ＣＶＤにおいて粒径を制御するための上記の試みに拘らず、Ｔａｋｅｎａｋａら、「Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｐｔ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ−ｃｏａｔｅｄ Ｐｔ ｃａｔａｌｙｓｔｓ」Ｃａｒｂｏｎ ４７（２００９）１２５１〜１２５７頁は、任意の予防手段がない場合、金属粒子は実際のカーボン分解中に激しく凝集するので、金属粒子径が当初は制御されていても、成功の保証は全くないことを示している。

故に、当業界は触媒凝集のより良好な制御、したがってカーボンナノ構造体の純度および均一性を求めて努力している。化学的に相互連結したカーボンナノ構造体ネットワークを生成するための簡単なＣＶＤ系の方法に対する必要性も存在している。

[発明の概要]
本発明者らは、単分散分布のナノサイズ金属粒子の周囲にナノ構造体を形成および成長させることによってカーボンナノ構造体（たとえば、ＣＮＴ）を製造するための費用効果の高い方法を見出した。詳細には、化学的に相互連結したカーボンナノ構造体のネットワークは、先例のない本方法によって合成することができる。ネットワークは、複合材中の賦形剤として使用される場合、従来技術において先例のない電気特性、機械的強度、熱特性および耐薬品性を与える。こうした特性の一部の例は添付の実施例で与えられる。

両連続マイクロエマルション中で成長する高密度および狭い径分布の径を制御した金属粒子を提供する、カーボンナノ構造体の分野以外の国際公開第２０１０／０４１９３７号で開示された技術を利用する。国際公開第’９３７号の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。マイクロエマルションの特性によって粒径および単分散性の良好な制御が可能になる。本発明者らの洞察力によって、実質上任意のナノ構造体の成長を可能にしつつ、ＣＶＤ中の不純物を大幅に低減することが可能になる。触媒の堆積は防止される。

本発明の方法の秘訣は、ナノ構造体が、両連続(bicontinuous）マイクロエマルション中で調製された触媒粒子の周囲に成長することである。驚くべきことには、両連続マイクロエマルション特性は高い温度のＣＶＤ環境で喪失するが、金属粒径は維持され、凝集が、他の安定系のための技術分野とは異なり、より少ししか起きないように思われる。本発明者らは、如何なる理論にも束縛されることを望まないが、その理由は、マイクロエマルションが７７０Ｋ超で粒子の周囲で炭化し、そのためにカーボン分解中における粒子の焼結が防止されることにあると考えられる。

さらには、金属粒子を製造するための両連続マイクロエマルションの使用によって、液滴型（油中水、Ｌ２相）マイクロエマルション、たとえば、国際公開第８１／０２６８８号で開示されたものを含めた任意の他の系の場合より高い粒子濃度に到達することが可能である。本分野では「Ｌ２」という用語は、連続油相中の水界面活性剤の小さい凝集体からなるエマルションに相当する。完全を期すために、たとえば、欧州特許第２１２３６０２号のＣＶＤ法におけるＬ２型マイクロエマルションの使用は如何なるネットワークももたらさないことが添付の実施例で確認されている。しかし、国際公開第’６８８号自体は、カーボンナノチューブ分野以外であり、ＣＶＤ法に対する如何なる指針も持たないことに留意されたい。

本発明者らは、如何なる理論にも束縛されることを望まないが、本発明者らの考えでは、粒子濃度の増加は、両連続マイクロエマルションの複雑なナノ構造体を介した前駆体原子、核そして続いての粒子の生成の動力学の制御に帰することができる。加えて、両連続マイクロエマルション中で利用できる界面活性剤の高濃度は、多数の小粒子によって創成される巨大な表面を安定化する。それによって、液滴型のマイクロエマルションより金属粒子濃度を数桁増加させることが可能である。本著者らは、触媒ナノ粒子が高濃度であることによって数個の核発生中心が創成され、それらがさらに成長してカーボンナノチューブネットワークの基礎を形成する分枝を形成すると仮定する。当技術は、このようなネットワークについては言及していない。

生成物に関しては、こうして取得されたカーボンナノ構造体およびそのネットワークは、構造および空隙率の点のみならず、従来の分光学的な技法（たとえば、誘電分光法）を使用して当業者によって不当な重荷なしで容易に検証することができるその化学的、電気および機械的特性（たとえば、伝導率および透過率）の点でも、従来技術に従って生成したナノ構造体と区別可能である。こうした特性は、たとえば、触媒作用（たとえば、不均一、電気的触媒作用）、金属部門（たとえば、アルミニウム生成用のアノード）、エレクトロニクス（たとえば、記憶デバイス、プロセッサー）、センサー（たとえば、生体分子、水中の毒性イオン用）および実用品用のフレームワーク（たとえば、航空機または自動車部品、スポーツ用品）における用途に役立つことができる。こうした特性に関する詳細は添付の実施例で議論される。

[図面のリスト]
（ａ）液滴型マイクロエマルション（「Ｌ２」）および（ｂ）両連続マイクロエマルションを使用して生成した白金ナノ粒子を比較する写真の一つである。図１ａは、液滴型マイクロエマルション（「Ｌ２」）を使用して生成した白金ナノ粒子を示す写真である。 （ａ）液滴型マイクロエマルション（「Ｌ２」）および（ｂ）両連続マイクロエマルションを使用して生成した白金ナノ粒子を比較する写真の一つである。図１ｂは、両連続マイクロエマルションを使用して生成した白金ナノ粒子を示す写真である。 動的光散乱によって測定された、両連続マイクロエマルション中で生成したナノ粒子の粒径分布を示すグラフ。この特定のバッチは例１の処方に対応する５ｎｍ粒子を含む。 カーボンナノチューブネットワークの透過電子顕微鏡法の画像を示す写真。より厚くより長い構造体は、より小さいナノチューブの集合である。 カーボンナノチューブが例示された重層によってノードでネットワークを作っており、そのノードを強調する写真。 ナノチューブが化学的に相互連結されていることを示す写真。黒い点は、チューブを成長させるのに使用されたナノ粒子触媒である。 封止端を有するマルチウォールカーボンナノチューブを示す写真。ナノチューブの暗い芯の周囲のより明るい殻は、非晶質層による、またはナノチューブの曲率のための収差によると思われる。 最新式のナノチューブ（ｂ）と本発明によるＣＮＴネットワーク（ａ）との間の形状および構造の相違を示す写真の一つである。図６ａは、本発明による「スポンジ様の」化学的に結合したＣＮＴネットワークを示す。 最新式のナノチューブ（ｂ）と本発明によるＣＮＴネットワーク（ａ）との間の形状および構造の相違を示す写真の一つである。図６ｂは、塊中で不規則である、典型的な市販のＣＮＴを例示する。 (ａ〜ｄ)本発明による化学的に結合したＣＮＴを有するＣＮＴネットワークの新規な型の接合を示す写真。 （ａ）鉄および（ｂ）銀触媒ナノ粒子を使用して成長したカーボンナノチューブネットワークを示す写真の一つである。図８ａは、鉄触媒ナノ粒子を使用して成長したカーボンナノチューブネットワークを示す写真である。 （ａ）鉄および（ｂ）銀触媒ナノ粒子を使用して成長したカーボンナノチューブネットワークを示す写真の一つである。図８ｂは、銀触媒ナノ粒子を使用して成長したカーボンナノチューブネットワークを示す写真である。 （ａ）ポリメチルメタクリレート、およびＣＮＴネットワークとＰＭＭＡとを含む複合材の電気伝導度を示す図である。 （ｂ）ポリイミド、およびＣＮＴネットワークとＰＩポリイミドとを含む複合材の貯蔵弾性率(storage modulus) を示す図である。 （ｃ）ポリエチレン、およびＣＮＴネットワークとＰＥとを含む複合材の貯蔵弾性率およびタンデルタを示す図である。 （ｄ）エポキシ、およびＣＮＴネットワークとエポキシとを含む複合材の貯蔵弾性率およびタンデルタを示す図である。 （ａ）マルチウォールカーボンナノチューブおよび（ｂ）ＣＮＴネットワークのラマンスペクトルを比較するグラフの一つである。図１０ａは、マルチウォールカーボンナノチューブのラマンスペクトルのグラフである。 （ａ）マルチウォールカーボンナノチューブおよび（ｂ）ＣＮＴネットワークのラマンスペクトルを比較するグラフの一つである。図１０ｂは、ＣＮＴネットワークのラマンスペクトルのグラフである。 （ａ）マルチウォールカーボンナノチューブおよび（ｂ）ＣＮＴネットワークの空隙率を比較するグラフの一つである。図１１ａは、マルチウォールカーボンナノチューブの空隙率のグラフである。 （ａ）マルチウォールカーボンナノチューブおよび（ｂ）ＣＮＴネットワークの空隙率を比較するグラフの一つである。図１１ｂは、ＣＮＴネットワークの空隙率のグラフである。 電極としてカーボンナノチューブネットワークおよび電解質としてナフィオン（登録商標）を用いて構築された燃料電池の分極曲線を示すグラフ。

[詳細な説明]
一態様によれば、本発明は、結晶性カーボンナノ構造体、好ましくは、ナノチューブを製造するための方法に関し、（ｉ）平均粒径１〜１００ｎｍを有する金属ナノ粒子を含有する両連続マイクロエマルションを供給することと、（ｉｉ）前記両連続マイクロエマルションを基材に接触させることと、（ｉｉｉ）前記金属ナノ粒子およびガス状カーボン源を化学蒸着に暴露することによって結晶性カーボンナノ構造体を形成することとを含む。

有利には、金属粒子の均一性は、その水相が究極的に金属粒子に還元され得る金属錯体塩を含有する第一の両連続マイクロエマルションと、その水相が前記金属錯体塩を還元し得る還元剤を含有する第二の両連続マイクロエマルションとを混合することによって、前記両連続マイクロエマルション中で制御される；混合すると、金属錯体は還元され、それによって金属粒子が形成される。

制御された両連続性環境は、焼結またはオストワルド熟成を受けないように粒子を安定化させる。触媒粒子の径、濃度および耐久性は容易に制御される。たとえば、金属前駆体対還元剤のモル比を修正することによって上記の範囲内に金属の平均粒径を調整することは、決まりきった実験であるとみなされている。還元剤の相対量を増加することによってより小さい粒子が得られる。このようにして取得された金属粒子は、単分散性であり、平均粒径からの偏差は、好ましくは１０％以内、より好ましくは５％以内である。

また、本技術は、還元され得るのであれば、実際の金属前駆体への制限は全くない。当技術分野とは異なり、活性触媒材料層をこうして形成された金属粒子上にさらに続いて堆積する必要性は存在しない。触媒的なＣＶＤでは、公知の有効な触媒種は、貴金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ）、鉄族元素（Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ）、Ｒｕ、およびＣｕである。適切な金属錯体は、限定されないが、（ｉ）白金前駆体、たとえば、Ｈ₂ＰｔＣｌ₆、Ｈ₂ＰｔＣｌ₆・ｘＨ₂Ｏ、Ｋ₂ＰｔＣｌ₄、Ｋ₂ＰｔＣｌ₄・ｘＨ₂Ｏ、Ｐｔ（ＮＨ₃）₄（ＮＯ₃）₂、Ｐｔ（Ｃ₅Ｈ₇Ｏ₂）₂、（ｉｉ）ルテニウム前駆体、たとえば、Ｒｕ（ＮＯ）（ＮＯ₃）₃、Ｒｕ（ｄｉｐ）₃Ｃｌ₂［ｄｉｐ＝４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン］、ＲｕＣｌ₃、または（ｉｉｉ）パラジウム前駆体、たとえば、Ｐｄ（ＮＯ₃）₂、または（ｉｖ）ニッケル前駆体、たとえば、ＮｉＣｌ₂もしくはＮｉＣｌ₂・ｘＨ₂Ｏ、Ｎｉ（ＮＯ₃）₂、Ｎｉ（ＮＯ₃）₂・ｘＨ₂Ｏ、Ｎｉ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂、Ｎｉ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・ｘＨ₂Ｏ、Ｎｉ（ＡＯＴ）₂［ＡＯＴ＝ビス（２−エチルヘキシル）スルホスクシネート］である。

非限定的で適切な還元剤は、水素ガス、水素化ホウ素ナトリウム、重硫酸ナトリウム、ヒドラジンまたはヒドラジン水和物、エチレングリコール、メタノールおよびエタノールである。クエン酸およびドデシルアミンも適している。

添付の実施例で証明されているように、金属前駆体の種類は本発明の本質的な部分ではない。一態様では、両連続マイクロエマルションの粒子の金属は、好ましくは、究極的に形成されるカーボンナノチューブネットワークの形態を制御するためにＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＲｕおよびＣｕからなる群から選択される。

「カーボンナノ構造体」という用語は、結晶性のｓｐ２系カーボン同素体、すなわち、グラフェン、フラーレンおよびカーボンナノチューブを含めた、カーボン原子が六角形パターンで隣接のカーボン原子３個と結合している物質を含むと理解されている。有利には、両連続マイクロエマルションの使用およびそれと共に均一で高い金属粒子濃度を提供する能力を介して当業者は、適用される実際の金属粒子径および密度に応じて所望の任意の結晶性カーボンナノ構造体を調製することができる。

カーボンナノチューブは、好ましいナノ構造体、すなわち、数オングストロームから数ナノメートルの範囲の直径を有する円筒形カーボン分子であり、その長さは直径の数十倍から数千倍の範囲である。本発明では、ナノチューブの壁を作り上げるカーボン層の数に応じてシングルウォールとマルチウォール（たとえば、ダブルウォール）の両方のＣＮＴを生成することが可能である。

本発明の方法は、多重カーボンナノ構造体の結晶性カーボンナノ構造体ネットワークの成長を可能にし、これらはＹ−およびＨ−接合を含めてあらゆる種類の接合を介して化学的に相互連結されている（図７を参照されたい）。

化学蒸着を使用してカーボンナノチューブを形成するための本発明の反応法は、従来の技術で説明されている。したがって、本発明では特に限定されずに、本発明を実施するための方法パラメーター、たとえば、温度、時間および圧力は、当業者によって従来技術から容易に決定することができる。単なるガイドラインとして、カーボンナノチューブを形成するためのカーボン累積反応を触媒するために支持体または担体上に堆積する活性金属触媒を使用するステップ（ｉｉｉ）の反応条件は、高温および圧力１〜５バールで１〜３６０分の反応時間で不活性ガス（たとえば、Ｈｅ、ＡｒまたはＮ₂）、水素およびカーボン源ガスを反応器内に導入することを含む。高温環境は、７５０〜１１００Ｋの範囲、好ましくは８００Ｋ以上、より好ましくは少なくとも８５０Ｋ、特に少なくとも９００Ｋである。反応が完了すると、カーボンナノチューブを回収するために支持体は除去される。

この方法は、好ましくは、バッチ法であり、カーボン含有ガスおよび金属性触媒粒子は、反応器セル内に配置され、反応期間の間その中に保持される。あるいは、この方法は、連続的であってもよく、金属性触媒粒子およびカーボン含有ガスは、連続的に供給され、反応器内で混合される。

ガス状カーボン源として、飽和と不飽和の両方の脂肪族炭化水素、たとえば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ヘキサン、エチレン、アセチレンおよびプロピレン；一酸化炭素、酸素添加炭化水素、たとえば、アセトンおよびメタノール；芳香族炭化水素、たとえば、トルエン、ベンゼンおよびナフタレン；ならびに上記の混合物、たとえば、一酸化炭素とメタンが挙げられる。アセチレンの使用は、マルチウォールカーボンナノチューブの形成を促進するが一方、ＣＯおよびメタンは、シングルウォールカーボンナノチューブを形成するための好ましいガスである。ガス状カーボン源は、任意選択で、希釈ガス、たとえば、窒素、ヘリウム、アルゴンまたは水素と混合することができる。

支持体は、加熱プロセス中に活性金属触媒と不注意に反応しないように選択され、その結果活性金属触媒が所望通りにカーボンナノチューブの合成反応を触媒できる。支持体は、好ましくは、チタン、銅、ステンレス鋼、モリブデン、および不活性酸化物、たとえばシリカ（ガラス、石英）、セラミックスならびに珍しい材料、たとえばダイアモンドから選択される。優れた構造体は、支持体としてゼオライトを用いて取得される。両連続エマルション系金属触媒粒子に関して、支持体の種類は、成長したナノ構造体に対して如何なる有害な影響も及ぼさなかった。

本発明による方法の結果として、金属ナノ粒子が内部に埋め込まれ、こうした粒子の周囲に形成および成長するカーボンナノ構造体に物理的に付着している均一な結晶性ナノ構造体が取得される。分析すると、ＣＶＤ中の金属の凝集が最小であり、単独特性が維持されていることが判明する。

一態様では、本発明は、上に詳述した方法によって取得される、または取得可能である、化学的に結合した、すなわち、共有結合したカーボンナノ構造体、好ましくは、ＣＮＴのネットワークに関する。ネットワークが形成される金属粒子の最小濃度は、当業者によってすべて容易に制御されるパラメーターの範囲によって決まる。金属粒子の密度は、明白な因子であるが、他の寄与パラメーターは、有機相および界面活性剤を含む両連続エマルションの種類、およびそれらの相対量である。例が添付の実施例において提供される。ネットワーク形成を可能にするのに十分な金属粒子密度を提供することは当業者の領域内とみなされ、両連続エマルションの使用は、有利には、本方法に対して如何なる制限も課さない。

しかし、ナノ構造体ネットワークに到達するために、少なくとも１５ｍＭ、より好ましくは少なくとも２０ｍＭ、詳細には少なくとも２５ｍＭ、特に３０ｍＭの活性金属濃度で両連続マイクロエマルション中の金属粒子をＣＶＤ法に暴露することが好ましい。優れたネットワークは、４０ｍＭ超の濃度で取得される。これらは、両連続マイクロエマルション中の水相の量に対する触媒の濃度である。高い触媒粒子密度では、カーボンナノチューブが化学的に結合しているカーボンナノチューブネットワークが取得される（図３）。これらの相対量は、好ましくは、寄与する金属粒子の和に基づく。本態様では、このようにして形成されたカーボンナノ構造体は、従来技術より優れている。

これはまた、カーボンナノ構造体ネットワークの特性においても反映されており、この特性は、ノンカーボンネットワークで知られている挙動には対応していない。化学的に結合していない従来技術のカーボンナノ構造体は、全く異なる挙動を示す。一態様によれば、こうしたネットワークは、１０００〜２０００ｃｍ^-1の波長領域での２種の部分的にオーバーラップする信号（しかし区別は可能である）および１８００〜３５００ｃｍ^-1の波長領域での広い第３の信号を示すラマン分光法によって特徴付けることができる；信号は、一般的には、少なくとも５、より好ましくは少なくとも１０、より好ましくは少なくとも２０の信号対ノイズ比を有することによって同定される。広い信号は、少なくとも１００ｃｍ^-1、好ましくは１００〜８００ｃｍ^-1、より好ましくは１００〜４００ｃｍ^-1の１／２高さにおける信号幅を有すると特徴付けることができる。一態様では、１／２高さにおける信号幅は、少なくとも３００ｃｍ^-1、好ましくは最大１０００ｃｍ^-1である。ＣＮＴとＣＮＴネットワークの区別の例は、図１０に示されている。

追加的にまたは代替的に、本発明の態様によれば、カーボンナノ構造体ネットワークまたはＣＮＴネットワークは、１６０℃超、好ましくは１７５℃超の温度における（第２の）転移によって、組織化されておらず、相互に化学的に結合していないＣＮＴと区別することができる。第２の転移状態の存在は、個別のチューブではなくてネットワークを示すものである。例は図９ｃに示されている。

本発明はまた、本発明によるカーボンナノチューブネットワークを含み、さらにポリマーを含む、たとえば、前記ポリマー系複合材に機械的強度を追加するための複合材組成物にも関する。したがって、ポリマーは任意の量、複合材中の全ポリマー重量に対して、たとえば、０．１〜１０重量％、より好ましくは０．５〜８重量％、さらにより好ましくは少なくとも１重量％で添加することができる。

本発明はまた、１〜１００ｎｍの平均粒径を有する金属ナノ粒子を含有する両連続マイクロエマルションであって、平均粒径からの粒径の偏差が１０％未満、好ましくは５％未満である両連続マイクロエマルションに関する。金属粒子の濃度は、好ましくは、上述したのと同様であり、その結果、マイクロエマルションが結晶性ナノ構造体ネットワークを提供するのに適したものになる。本発明はまた、本明細書中、上記で詳細に説明したように、カーボンナノ構造体およびそのネットワークを製造する際の両連続マイクロエマルションの使用に関する。

［実施例］
例１
ＣＶＤによる白金ナノ粒子上のカーボンナノチューブ合成
例１ａ
白金ナノ触媒の合成 フルオロカーボン界面活性剤［ペルフルオロ（４−メチル−３，６−ジオキサオクタン）スルホネート］とｎ−ヘキサノールの混合物を水溶液に添加した後に２種のマイクロエマルションを調製した。第１のマイクロエマルションは、白金前駆体ヘキサクロロ白金酸を含有していた。第２のマイクロエマルションに還元剤ヒドラジンを添加した。混合の際に完全に還元を行うために、還元剤の量を白金錯体の１０倍の濃度に設定した。等量の２種のマイクロエマルションを混合することによってナノ粒子の合成を実施した：

透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）および動的光散乱法（ＤＬＳ）を使用して白金ナノ粒子を特徴付けた。電子源として３００ｋＶで操作される六ホウ素化ランタン（ＬａＢ６）フィラメントを備えたＰｈｉｌｉｐｓ ＣＭ３０Ｔ電子顕微鏡を使用して透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）を実施した。グリッド上に試料懸濁液を滴下することによって、試料を銅グリッド上に支持されたＱｕａｎｔｉｆｏｉｌ（登録商標）マイクログリッドカーボンポリマー上に載せた。図１ｂおよび２に示すように、粒子は平均粒径約５ｎｍを示した。径の変動を、平均径の１０％以内であると分析した。

比較例１ａ．１
Ｌ２−相マイクロエマルション
図１ａはＬ２−相マイクロエマルションの例を示す。図はＤ．−Ｈ．Ｃｈｅｎ、Ｊ．−Ｊ．ＹｅｈおよびＴ．−Ｃ．Ｈｕａｎｇ、Ｊ．Ｃｏｌｌ．Ｉｎｔ．Ｓｃｉ．、２１５、（１９９９）、１５９〜１６６頁からコピーしている。それは国際公開第８１／０２６８８号で応用されたマイクロエマルションに対するモデルを表す。液滴型のマイクロエマルションで生成した図１ａのナノ粒子は、径約９ｎｍであり、相互に非常にうまく分離していた。

明らかに、図１ｂに示した両連続マイクロエマルションは、図１ａのＬ２−相マイクロエマルションより高密度の径および形状が均一なナノ粒子を有している。両連続マイクロエマルションでは、ナノ粒子は液だまり状に集合しているように思われ、液だまりはナノ粒子を含有するチャネルによって連結し、おそらくは両連続性構造体のモチーフの結果であると思われるが、その両連続性構造体のモチーフは背景とのコントラストがないので見ることができない。ＣＶＤ法では、高密度の触媒ナノ粒子がカーボンナノチューブネットワークに対する高度の分枝をもたらし、それによって化学的に結合したネットワーク構造体を形成すると考えられる。

例１ｂ
カーボンナノチューブの合成
１０ｍＭのＰｔ沈殿を含有するマイクロエマルションを銅グリッド（これは反応器の底部に置かれている）上に注いだ。１００ｍｌ／分の窒素流下で温度を９７３Ｋ（１０Ｋ／分）まで上昇させた後、エチレンガス（Ｃ₂Ｈ₄）を１０ｍｌ／分で反応器内に導入した。ガス混合物を一定温度９７３Ｋで３０分間反応器内のナノ粒子上を通した。滞留段階が終了すると、合成ガス流を停止し、反応器を１００ｍｌ／分の窒素流下で室温まで冷却した。

こうして取得したカーボンナノチューブを、電子顕微鏡法（図３〜８）、エネルギー分散型Ｘ線分光法、誘電分光法（図９ａ）、機械的分光法（図９ｂ）、ラマン分光法（図１０）および窒素収着（図１１）を使用して特徴付けた。

直径５〜５０ｎｍおよび長さ１００ｎｍ〜３ミクロンを有するようにチューブを調整することができた。それぞれの実験は、電子顕微鏡法下で観察されるように長さおよび直径が均一なナノチューブをもたらした（図３）。変動は直径で１８％、長さで７％であった。

例２
カーボンナノチューブネットワーク
例１を反復したが、１００ｍＭという高い触媒濃度を使用した点が相違する。生じたナノチューブネットワークを例１で述べたのと同じ技法によって特徴付けた。ネットワークは、５０μｍ〜１ｍｍの寸法を有した（図６）。

例３
吸収分光法
２０ｍＷ Ａｒレーザー（５１４ｎｍ）を備えたＲｅｎｉｓｈａｗラマンイメージング顕微鏡、系２０００を使用して本発明によるナノチューブネットワークについてラマン分光法を実施した。シリコンウエハを使用してＲａｍａｓｃｏｐｅを較正した。その結果をＦ．Ｉｎｏｕｅ、Ａ．Ｒ．ＡｎｄｏおよびＰ．Ｃｏｒｉｏ、Ｊ．Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．、４２、（２０１１）、１３７９〜１３８３頁から取得したカーボンナノチューブに対するグラフから取得したものと比較した。

マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノチューブネットワークのラマン吸収スペクトルを図１０に示す。カーボンナノチューブに対するＩ_D／Ｉ_Gは、ナノチューブネットワークのものより大きい０．９２であり、これは、おそらく、ナノチューブ生成中の欠陥がより多いためであると思われる。２Ｄバンドは、ナノチューブネットワークの方が広く、これは多重層またはウォールであることを示唆している。

例４
窒素収着
Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ Ａｕｔｏｓｏｒｂ−１ｃ装置を本発明によるナノチューブネットワークについて実施された窒素吸着実験のために使用した。すべての試料を真空中１７時間３５０℃で脱気した。結果をＭ．Ｃｈｅｎ、Ｈ．−Ｗ．Ｙｕ、Ｊ．−Ｈ．ＣｈｅｎおよびＨ．−Ｓ．Ｋｏｏ、Ｄｉａｍｏｎｄ＆Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、１６、（２００７）、１１１０〜１１１５頁から取得したカーボンナノチューブについてのグラフから取得したものと比較した。

図１１に示されたマルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノチューブネットワークについての窒素収着によって取得された比表面積は、ナノチューブネットワークがより活性であることを証明している。ナノチューブおよびナノチューブネットワークの平均細孔径は、同等であるが、ネットワークは、粒子間の空隙のために広い分布を有する。

例５
機械的強度
他の材料に添加された場合に、カーボンナノチューブとカーボンナノチューブネットワークの間の明白な相違が観察される。ポリイミド（ＰＩ）との複合材では、ナノチューブネットワークは、図９ｂで示されるようにカーボンナノチューブより平均してより大きな機械的剛性を与える。カーボンナノチューブに対するグラフを、Ｘ．Ｊｉａｎｇ、Ｙ．ＢｉｎおよびＭ．Ｍａｔｓｕｏ、Ｐｏｌｙｍｅｒ、４６、（２００５）、７４１８〜７４２４頁から取得した。

超高分子量ポリエチレンの場合では、カーボンナノチューブネットワークは、１５０℃における第１の転移後に貯蔵弾性率のより長い水平域をもたらしたのみでなく、１９０℃において新規な転移（これは後により長い水平域をさらにもたらした）をも与える強度を与えた。すべてを図９ｃにプロットする。

２重量％のカーボンナノチューブネットワークをエポキシポリマーに添加することにより、強度をほぼ３倍良好にしたが、これは５０〜２００℃という広い加熱範囲にわたり維持された：図９ｄ。

Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ製のＰｙｒｉｓ Ｄｉａｍｏｎｄ ＤＭＴＡを動的機械解析のために使用した。曲げモードでそれぞれの試料に対して３種の異なる周波数０．１、１および１０Ｈｚで調査した。

例６
電気特性
図９ａに示すように、カーボンナノチューブネットワークを含むポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）複合材の電気伝導度は、濃度に拘らず周波数に依存しないことを示し、これは、浸透を示すものである。この挙動は、純粋またはニートなＰＭＭＡでは見られない。文献：Ｄ．Ｏ．Ｋｉｍら、Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、９、（２００８）、１〜１３頁では、３重量％のカーボンナノチューブを複合化したＰＭＭＡが、ナノチューブネットワークを複合化したＰＭＭＡに対するよりも２桁低い伝導度０．０１Ｓｃｍ^-1を有することが知られている。

ＨＰ ４２８４Ａ精密ＬＣＲメーターを備えたＮｏｖｏｃｏｎｔｒｏｌ ＧｍｂＨ製のブロードバンド誘電分光計を誘電分析を実施するために使用した。最大印加電圧は０．９Ｖであった。

例７
熱特性
２重量％でシリコンポリマーと混合すると、ＣＮＴネットワークは、２９８Ｋで０．６４〜０．７Ｗｍ^-1Ｋ^-1に熱伝導率を向上させた。

Ｉｓｏｍｅｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＩｓｏｍｅｔモデル１０４を熱伝導率を求めるために使用した。すべての試料を測定中断熱マット上に置いた。報告された伝導率は、試料の頂部および底部表面の平均値である。

例８
触媒特性
カーボンナノチューブネットワーク系の電極は、水素および酸素をそれぞれ燃料および酸化剤として使用してピーク電力出力１０ｍＷｃｍ^-2を与えた。電力曲線を図１２に示す。

電極面積７ｃｍ²を使用した。Ｈ₂：Ｏ₂圧力比は、１．５：１であり、双方のガスの流速は５０ｍｌ／分であった。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７メンブレンを電解質として使用した。

例９
他の金属
両連続マイクロエマルションを創成するために組み合わされる様々な種類の界面活性剤、油および金属前駆体は、カーボンナノチューブネットワークを形成するのに必要とされる触媒粒子の最小濃度に対する様々な値をもたらすことになる。

本明細書の以下の表で、多様な濃度の金属粒子を組み込む多様な両連続マイクロエマルションのリストを記載するが、それぞれおよびすべての場合においてカーボンナノ構造体ネットワークを取得した。

示された触媒濃度は、マイクロエマルションの水相の量に対するものである。

本発明による方法を使用して、カーボンナノチューブネットワークを両連続マイクロエマルション中の触媒材料に依存せずに取得した。しかし、触媒材料の種類が、カーボンナノチューブネットワークの形態に影響を及ぼすことができる。たとえば、鉄触媒ナノ粒子は、図８ａに見られるようにその分枝が波形である、束状化度のより大きいナノチューブネットワークをもたらすが、銀触媒ナノ粒子は、より直線状でより厚い分枝をもたらす（図８ｂ）。
以下に、本発明の態様を付記する。
１． 結晶性カーボンナノ構造体および／または結晶性カーボンナノ構造体のネットワークを製造するための方法であって、
（ｉ）平均粒径１〜１００ｎｍを有する金属ナノ粒子を含有する両連続マイクロエマルションを供給し、前記平均粒径からの粒径の偏差が１０％未満であることと、
（ｉｉ）前記両連続マイクロエマルションを基材に接触させることと、
（ｉｉｉ）前記金属ナノ粒子およびガス状カーボン源を化学蒸着に暴露することによってカーボンナノ構造体および／またはカーボンナノ構造体のネットワークを形成することと
を含む、方法。
２． 前記両連続マイクロエマルションが水相に対して計算された少なくとも１５ｍＭの金属ナノ粒子を含有する、１に記載の方法。
３． または２に記載の方法によって取得可能な、化学的に相互連結した結晶性カーボンナノ構造体ネットワーク。
４． 平均径１〜１００ｎｍを有する金属ナノ粒子が前記ネットワーク中に埋め込まれている、３に記載のネットワーク。
５． カーボンナノチューブネットワークである、３から４のいずれか一項に記載のネットワーク。
６． 平均粒径１〜１００ｎｍを有する金属ナノ粒子を含有する両連続マイクロエマルションであって、平均粒径からの粒径偏差が１０％未満である、両連続マイクロエマルション。
７． 少なくとも１５ｍＭの金属ナノ粒子を含有する、６に記載の両連続マイクロエマルション。
８． カーボンナノ構造体、好ましくは、カーボンナノチューブを製造するための、６または７に記載の両連続マイクロエマルションの使用。

Claims (10)

1. カーボンナノ構造体のネットワークを製造するための方法であって、
   （ｉ）平均粒径１〜１００ｎｍを有する金属ナノ粒子を含有する両連続マイクロエマルションを供給し、前記平均粒径からの粒径の偏差が１０％未満であることと、
   （ｉｉ）前記両連続マイクロエマルションを基材に接触させることと、
   （ｉｉｉ）前記金属ナノ粒子およびガス状カーボン源を化学蒸着に暴露することによってカーボンナノ構造体のネットワークを形成することと
   を含む、方法。
2. 前記両連続マイクロエマルションが水相に対して計算された少なくとも１５ｍＭの金属ナノ粒子を含有する、請求項１に記載の方法。
3. 請求項１または２に記載の方法によって取得可能な、金属ナノ粒子が内部に埋め込まれ、こうした粒子の周囲に形成および成長するカーボンナノ構造体に物理的に付着している均一な化学的に相互連結したカーボンナノ構造体ネットワーク。
4. 平均径１〜１００ｎｍを有する金属ナノ粒子が前記ネットワーク中に埋め込まれている、請求項３に記載のネットワーク。
5. カーボンナノチューブネットワークである、請求項３から４のいずれか一項に記載のネットワーク。
6. 平均粒径１〜１００ｎｍを有する金属ナノ粒子を含有する両連続マイクロエマルションの使用であって、平均粒径からの粒径偏差が１０％未満である、両連続マイクロエマルションのカーボンナノ構造体を製造するための使用。
7. 少なくとも１５ｍＭの金属ナノ粒子を含有する、請求項６に記載の両連続マイクロエマルションの使用。
8. カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブである、請求項６または７に記載の使用。
9. さらにポリマーを含む、請求項３、４または５記載の化学的に相互連結したカーボンナノ構造体ネットワークを含む複合材組成物。
10. 前記ネットワークは、複合材組成物中の全ポリマー重量に対して０．１〜１０重量％、のポリマーを添加される、請求項９に記載の複合材組成物。

Images