JP6089032B2 - 遷移金属窒化物および遷移金属窒化物の合成方法 - Google Patents
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Description
本願は、「SYNTHESIS METHOD FOR TRANSITION METAL NITRIDE AND TRANSITION METAL NITRIDE」と題された、橋本忠朗を発明者とする、2011年6月27日に出願された米国仮特許出願第61/501,656号、および「ULTRA CAPACITORS USING VANADIUM NITRIDE−CONTAINING ELECTRODE AND SYNTHESIS METHOD OF TRANSITION METAL NITRIDE AND TRANSITION METAL NITRIDE」と題された、橋本忠朗を発明者とする、2011年7月8日に出願された米国仮特許出願第61/505,758号への優先権を主張する。これらの特許出願の内容は、あたかも以下ですべてが示されるように、本明細書中に参考として援用される。
本発明は、遷移金属窒化物および合成方法に関する。遷移金属窒化物が取り得る形態には、薄膜層、マイクロメートルサイズの粒子、およびナノメートルサイズの粒子が含まれる。用途には、摩耗保護層としての薄膜、ウルトラキャパシタのための粒子、触媒の粒子、耐摩耗コーティングの添加剤としての粒子、および磁石が含まれる。
遷移金属窒化物は、その強力な機械的および熱的性質によって、耐摩耗コーティングおよびサーマルバリアとして使用されてきた。構造工学および機械工学の発展と共に、コーティングおよびバリアは、複雑および微細な構造をカバーすることが必要とされている。すなわち、その体積に対する表面積は、近年大きくなりつつある。
上記の難題を克服するために、本発明は、コスト競争力がある遷移金属窒化物の合成方法を達成する新規なアプローチを提供する。本発明は、遷移金属を窒化するために超臨界アンモニアを利用する。遷移金属を含有する原料物質を、アンモニアおよび鉱化剤と一緒に高圧反応器に供給する。還元剤として作用する鉱化剤は、アルカリ金属、アルカリ土類金属またはアルミニウムから選択される。次いで、反応器を132℃または132℃超で加熱し、アンモニアの超臨界状態を達成する。反応器は、加熱によってアンモニアの自己加圧を達成するために典型的には密封される。しかし、供給源、鉱化剤またはアンモニアのさらなる給送を可能とする半開放の反応器がまた使用可能である。鉱化した超臨界アンモニアの高い反応性は、通常の方法より低い温度にて遷移金属を窒化するのに非常に有効であり、したがって、例えば、より高温で粒子を焼結する工程より小さな粒径の触媒粒子を生成する。
本発明の好ましい実施形態において、例えば以下の項目が提供される。
(項目1)
遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法であって、
(a)反応器において1つまたは複数の遷移金属を含有する1つまたは複数の原料物質を供給することと、
(b)前記反応器においてアンモニアを供給することと、
(c)前記原料物質と前記アンモニアとの間の反応を増強させる鉱化剤を任意選択で供給することと、
(d)前記反応器を加熱し、前記アンモニアの超臨界状態を達成することと
を含む、遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法。
(項目2)
前記鉱化剤が、Li、Na、K、Ca、MgおよびAlから選択される少なくとも1つを含有する、項目1に記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法。
(項目3)
前記反応器が、Ni−Crベースの合金から作製されたものである、項目1または項目2に記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法。
(項目4)
前記反応器を、132℃または132℃より高い温度に加熱する、項目1から3のいずれかに記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法。
(項目5)
前記反応器が、密封され、加熱したアンモニアにより自己加圧されるバッチ反応器である、項目1から4のいずれかに記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法。
(項目6)
前記反応器が、合成の間に前記原料物質、前記アンモニア、もしくは前記鉱化剤の供給またはガス、生成物、もしくは副生成物の排出を可能とするセミバッチ反応器である、項目1から4のいずれかに記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法。
(項目7)
前記遷移金属が、Vである、項目1から6のいずれかに記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法。
(項目8)
前記原料物質が、金属バナジウム、酸化バナジウム、五酸化バナジウム、メタバナジウム酸アンモニウム、またはその1つもしくは複数の混合物である、項目1から7のいずれかに記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物を合成する方法。
(項目9)
前記遷移金属窒化物が、実質的な量の前記鉱化剤を前記遷移金属窒化物中に組み込まない、項目1から8のいずれかに記載の方法。
(項目10)
粒径が10nm未満である、項目1から9のいずれかに記載の方法によって合成された窒化バナジウム粒子。
(項目11)
比表面積が、10m 2 /g超である、項目10に記載の窒化バナジウム粒子、または項目1から9のいずれかに記載の方法によって合成された窒化バナジウム粒子。
(項目12)
表面が酸化されている、項目10から11のいずれかに記載の窒化バナジウム粒子。
(項目13)
ハロゲン不純物を含有しない、項目10から12のいずれかに記載の窒化バナジウム粒子。
(項目14)
粒径が10nm未満である、項目1から9のいずれかに記載の方法によって合成された遷移金属または遷移金属合金の窒化物粒子。
(項目15)
比表面積が、10m 2 /g超である、項目14に記載の窒化物粒子、または項目1から9のいずれかに記載の方法によって合成された窒化物粒子。
(項目16)
表面が酸化されている、項目14から15のいずれかに記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物粒子。
(項目17)
ハロゲン不純物を含有しない、項目14から16のいずれかに記載の遷移金属または遷移金属合金の窒化物粒子。
(項目18)
項目10から17のいずれかに記載の粒子、または項目1から9のいずれかに記載の方法によって作製された粒子を有する化合物であって、前記化合物は、単一の遷移金属の窒化物を含み、1つの化合物として一緒となった非遷移元素および遷移金属元素の窒化物を含まない、化合物。
下記の好ましい実施形態の説明において、本明細書の一部を形成する添付図面について参照し、ここでは例示として、本発明を実施し得る特定の実施形態を示す。他の実施形態を利用してもよく、本発明の範囲から逸脱することなく構造上の変更を行ってもよいことが理解されるべきである。
本発明における遷移金属窒化物の合成の方法は、超臨界アンモニアを利用し得る。132.4℃および11.28MPaの臨界点を超えて、アンモニアは超臨界状態となり、これは液体と気体との間の状態である。任意選択で、しかし望ましくは、強力な還元性鉱化剤、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属またはアルミニウムを有する超臨界アンモニアは、遷移金属窒化物を形成することができることを本発明者らは見出した。
概ね直径13mmのバナジウム箔および2.6gのNaを、グローブボックスにおいて127ccの内部体積を有する高圧反応器中に置いたが、その中で酸素および水分濃度を0.1ppm未満にレギュレートする。次いで、高圧反応器を密封し、反応器中の窒素を、ガス吸入ポートを通してターボ分子ポンプによって排除した。反応器を10−6ミリバール未満にポンピングした後、液体窒素中に反応器を浸すことによって反応器を冷却し、ガス吸入ポートを通してガス状無水アンモニアを反応器中に導入した。概ね43.7gの液体無水アンモニアを反応器中で濃縮した。次いで、密封した反応器を炉に移し、530〜535℃で5日間加熱した。このように得られた圧力は、167MPa(24,170psi)であった。工程の後、バナジウム箔は、金色がかった色を示したが、これはバナジウム箔の表面が窒化されたことを示す。黄色がかったV2O5粉末を箔の代わりに使用したとき、黒みがかった粉末(VNであると予測される)が得られた。
実施例1と同様の実験を、モリブデンおよびチタンについて行い、これらの金属において色の変化を確認した。
実施例1と同様の実験を、ガス吸入ポートおよび高圧バルブを有する高圧反応器で行う。工程の間に、加圧アンモニアを供給し、工程の間に消費されたアンモニアを補充する。
同様の高圧反応器を使用して、バナジウムを含有するツールまたはパーツを、金属の表面を窒化することによって遷移金属窒化物でコーティングする。また、これらのツールまたはパーツを、アモノサーマルプロセスの前に金属バナジウムでコーティングし、遷移金属窒化物のより厚い保護層を形成する。
高圧反応器は、逐次的に鉱化剤およびアンモニアと共にその中に置かれた下記の粒子を有する。ニオブ、スズ、インジウム、白金、タンタル、ジルコニウム、銅、鉄、タングステン、クロム、モリブデン、ハフニウム、チタン、バナジウム、コバルト、マンガン、セリウム、水銀、プルトニウム、金、銀、イリジウム、パラジウム、イットリウム、ルテニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムおよびニッケル。反応器を加熱し、アンモニアを、高圧反応器内で超臨界状態に置く。それぞれの窒化ニオブ、窒化スズ、窒化インジウム、窒化白金、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化銅、窒化鉄、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化ハフニウム、窒化チタン、窒化バナジウム、窒化コバルト、窒化マンガン、窒化セリウム、窒化水銀、窒化プルトニウム、窒化金、窒化銀、窒化イリジウム、窒化パラジウム、窒化イットリウム、窒化ルテニウム、窒化ランタン、窒化セリウム、窒化プラセオジム、窒化ネオジム、窒化プロメチウム、窒化サマリウム、窒化ユウロピウム、窒化ガドリニウム、窒化テルビウム、窒化ジスプロシウム、窒化ホルミウム、窒化エルビウム、窒化ツリウム、窒化イッテルビウム、窒化ルテチウムおよび窒化ニッケルのナノ粒子を得る。工程温度、圧力、時間などを調節することによって、窒化鉄の所望の相、例えば、Fe16N2(磁石用途に有用である)を得ることができた。
本発明は、下記の利点の1つまたは複数を有する遷移金属窒化物を生成する新規な方法を開示する。
1)閉鎖した反応器システムによって高度にコスト競争力がある。
2)超臨界アンモニアの高い反応性によって、複雑な構造の表面上に窒化物層を形成することができる。
3)超臨界アンモニアの高い反応性によって、窒化物粒子を形成することができる。
4)好ましくない不純物、例えば、ハロゲンが存在しない。
5)他の高温工程において得ることが困難である、所望の相、特に、低温相を選択することができる。
出願において考察した全ての参照文献は、参照により本明細書において組み込まれている。
[1]D. Choi、G.E. BlomgrenおよびP.N. Kumta、Advanced Materials、18巻(2006年)1178頁。
これで、本発明の好ましい実施形態の記載を終了する。下記は、本発明を達成するためのいくつかの代替の実施形態を記載する。
Claims (6)
- 遷移金属の窒化物を合成する方法であって、
(a)反応器において1つまたは複数の遷移金属を含有する1つまたは複数の原料物質を供給することと、
(b)前記反応器においてアンモニアを供給することと、
(c)前記原料物質と前記アンモニアとの間の反応を反応条件下で増強させる鉱化剤であって、ここで、前記鉱化剤が、Li、Na、K、Ca、MgおよびAlから選択される少なくとも1つを含有する、鉱化剤を供給することと、
(d)前記反応器を加熱し、前記アンモニアの超臨界状態を達成して、遷移金属窒化物を形成することであって、ここで、前記反応器を132℃または132℃より高い温度に加熱する、ことと
を含む、遷移金属の窒化物を合成する方法。 - 前記反応器が、Ni−Crベースの合金から作製されたものである、請求項1に記載の遷移金属の窒化物を合成する方法。
- 前記反応器が、密封され、加熱したアンモニアにより自己加圧されるバッチ反応器である、請求項1または請求項2に記載の遷移金属の窒化物を合成する方法。
- 前記反応器が、合成の間に前記原料物質、前記アンモニア、もしくは前記鉱化剤の供給またはガス、生成物、もしくは副生成物の排出を可能とするセミバッチ反応器である、請求項1または請求項2に記載の遷移金属の窒化物を合成する方法。
- 前記遷移金属が、Vである、請求項1から4のいずれかに記載の遷移金属の窒化物を合成する方法。
- 前記原料物質が、金属バナジウム、酸化バナジウム、五酸化バナジウム、メタバナジウム酸アンモニウム、またはその1つもしくは複数の混合物を含む、請求項1から5のいずれかに記載の遷移金属の窒化物を合成する方法。
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