JP6155198B2 - メソポーラスシリコン - Google Patents
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Description
メソポーラスシリコン(メソポーラスアモルファスシリコンであってもよい)は、植物材料から得たシリカから形成してよい。このシリカは、陸上植物からのみ、または陸上植物原材料から得たものであってもよい。例えば、シリカは、海生植物を除く植物から得たものであってもよい。例えば、シリカは、珪藻に由来するものを除く、例えば珪藻土を除く供給源から得たものであってもよい。陸上植物に対し、海生植物は典型的には、ある量の結晶シリカを含む。好ましくは、シリカは、アモルファスシリカからなるか、アモルファスシリカから本質的になる。陸上植物は陸地で成長でき、淡水植物、例えば、河床または沼地または湿地の側で成長する植物を指してもよい。有益にも、植物材料は有機植物材料、すなわち、有機条件下で成長した植物材料であってよい。植物は、合成肥料、合成除草剤、および合成農薬の非存在下で成長したものであってよい。植物材料からシリカを回収する方法は既知である。例えば、シリカ含有植物物質からアモルファスシリカを生成させるプロセスが、米国特許出願公開第2006/0222582号およびその参照文献に記載されており、その内容は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用する場合、別段の定めのない限り、「シリコン」という用語は、固体シリコン元素を指す。疑念を避けるために、別段の定めのない限り、シリコンには、シリカ、ケイ酸塩、またはシリコーンのようなシリコン含有化学化合物は含まれないが、シリコンをこれらの物質と組み合わせて用いてよい。この節におけるメソポーラスシリコンへの言及は、メソポーラスアモルファスシリコンを含み、メソポーラスシリカへの言及は、メソポーラスアモルファスシリカを含む。メソポーラスシリコンの純度は、ある程度、メソポーラスシリコンの最終用途によって決めることができる。例えば、メソポーラスシリコンの純度は、約95〜99.99999%、例えば約96〜99.9%、または約98〜99.5%であってよい。メソポーラスシリコン、例えばメソポーラスアモルファスシリコンは、直径が2nm〜50nmの範囲の細孔を含む。メソポーラスシリコンは、表面多孔化、またはより実質的には多孔化されていてよい。メソポーラスシリカ、例えばメソポーラスアモルファスシリカは、直径が2nm〜50nmの範囲の細孔を含む。メソポーラスシリカは、表面多孔化、またはより実質的には多孔化されていてよい。孔径は、窒素BET吸着法によって測定する。窒素BET吸着法は、Brunauer et al.,J.Am.Chem.Soc.,60,p309,1938に記載されている。BET測定は、Tristar 3000 Micrometricsという計器を用いて行う。測定の前に、120℃で16時間、乾燥窒素を流しながら、サンプルを脱気する。
この節におけるメソポーラスシリコンへの言及は、メソポーラスアモルファスシリコンへの言及を含む。この節におけるシリカへの言及は、アモルファスシリカへの言及、およびメソポーラスアモルファスシリカへの言及も含む。メソポーラスシリコンは、複数の工程からなるプロセスの一部として調製してもよい。このプロセスの工程は大まかに、予備調整工程(i)、熱還元工程(ii)、および化学的浸出工程(iii)という3つの工程に分けることができる。予備調整工程(工程(i))は、植物材料からポーラスシリカ、好ましくはメソポーラスシリカを生成することを伴う。典型的には、化学物質を用いて、有機相および不純物を植物材料または植物原材料(粉末状態であってもよい)から除去してから加熱し、シリカ、例えばアモルファスシリカ(メソポーラスであってもよい)を作り出してよい。植物材料からアモルファスシリカを作製する方法は既知である。しかしながら、本発明がなされるまでは、陸上植物に由来するか、または陸上植物から得られるシリカから、ポーラスシリコンを調製することは知られていなかったと本発明者らは考えている。続いて、アモルファスシリカは、還元剤、例えば、マグネシウム、カルシウム、またはアルミニウムのような金属と混合してよい。
この節におけるメソポーラスシリコンへの言及は、メソポーラスアモルファスシリコンへの言及を含む。この節におけるシリカへの言及は、アモルファスシリカへの言及、およびメソポーラスアモルファスシリカへの言及を含む。本発明に従って作製したメソポーラスシリコンは、数多くの用途で用いてよい。用途分野としては、化粧品分野、パーソナルケア分野、口腔衛生分野、医薬分野(例えば、経口薬送達を含む薬物送達分野)、および食品分野が挙げられるが、これらに限らない。その他の用途分野としては、インビボ撮像分野、診断分野、燃料電池分野、電池分野、および爆発物分野が挙げられる。このような材料を用いることができる具体的な製品例としては、チョコレート、チューイングガム、および歯磨粉が挙げられるが、これらに限らない。メソポーラスアモルファスシリコンは、日焼け止めにおいて特定の用途を有している。
Cotswold Health Products(英国、グロスターシア)から入手したツクシ(HT)粉末(Equisetum Arvense)のサンプルを10%塩酸に、100℃で約2時間(または2時間未満)浸漬した。表2では、「30分、補充、90分」は、30分後、HClを新鮮なHClに交換し、サンプルをさらに90分浸漬したことを示す。水ですすぎ、乾燥した後、粉末を空気中で500℃にて2時間(または2時間未満)か焼し、表2に示されている特性を有するポーラスシリカを得た。続いて、このポーラスシリカ粉末をマグネシウム粉末と1:2(SiO2:2Mg)のモル比でブレンドした。次いで、このマグネシウム/ポーラスシリカブレンドを、手で粉砕した塩化ナトリウム粉末と重量比1:1で混合した。ベルト炉を用いて、このブレンドをアルゴン下で600℃にて1時間熱処理し、濃い灰色がかった茶色の還元粉末を得た。この還元粉末を37%HCl中で70℃にて1時間浸出させ、残留マグネシウム相を除去し、表2に示されている特性を有する茶色のメソポーラスアモルファスシリコン粉末を得た。非最適化プロセスフローの質量収率は、工程(i)において34%、工程(ii)後において10%、工程(iii)において5%(推測値)であった。質量収率は、用いる植物原材料のシリカ含有率に大きく左右され、この含有率は、可能な限り高いのが好ましい。XRDによる回折ピークが見られないことは、生成物にシリコンの多結晶性がないことの証明である。続いて、サンプルを800℃で1時間、不活性雰囲気でアニーリングしてよい。多結晶シリコンに関連するピークが見られることは、アニーリング前にアモルファスシリコンが存在することの証拠である。可視領域における光透過性測定値も、典型的に結晶シリコンよりも高い吸収係数と約1.7eVの吸収端を示すアモルファスシリコンの存在を示すことができる。ラマン、HTEM、またはNMR解析が、アモルファスシリコンを多結晶相と区別できるその他の技法である。
タケ抽出物のサンプを処理した。タケ抽出物は、フランスのSoliance Ltdから粉末として市販されているものを得た。タケ抽出物をマグネシウム粉末と1:2のモル比でブレンドした。続いて、得られたブレンドを塩化ナトリウム粉末と1:1の重量比でさらにブレンドした。次いで、タケとマグネシウムと塩化ナトリウム粉末とのブレンドを石英トレイに充填し、2時間超かけてベルト炉に通した。最高温ゾーンは500℃の温度に設定した。
Claims (33)
- アモルファスシリカを還元することを含むメソポーラスアモルファスシリコンを作製する方法であって、
アモルファスシリカを蒸発性還元剤と不活性雰囲気で反応させることを含み、
前記方法は、
(i)アモルファスシリカを還元剤と混合して混合物を形成させることと、
(ii)アモルファスシリカと還元剤との混合物を加熱して、還元剤の少なくとも一部を蒸発させ、シリカをシリコンに還元する反応を開始させることであって、前記反応の持続時間の間、温度を550℃〜650℃の範囲に保つことと、
を含む方法。 - 前記アモルファスシリカがメソポーラスアモルファスシリカである、請求項1に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンが、アモルファスシリコンのみからなるか、アモルファスシリコンを含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンが、アモルファスシリコンを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンが、いくつかのメソポーラス多結晶シリコンまたはメソポーラスシリコンの欠陥相を含む、請求項4に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンが、いくつかのメソポーラス多結晶シリコンも含み、多結晶シリコンの量が40重量%未満である、請求項4または5に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンが、いくつかのメソポーラス多結晶シリコンも含み、多結晶シリコンの量が10重量%未満である、請求項4または5に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンが、いくつかのメソポーラス多結晶シリコンも含み、多結晶シリコンの量が1重量%未満である、請求項4または5に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンが、いくつかのメソポーラス多結晶シリコンも含み、多結晶シリコンの量が0.1重量%超である、請求項4〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンがアモルファスシリコンのみからなる、請求項3または4に記載の方法。
- 前記還元剤をマグネシウム、カルシウム、またはアルミニウムから選択する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記還元剤をマグネシウムから選択する、請求項11に記載の方法。
- メソポーラスアモルファスシリコンから、いずれかのその他の反応生成物を溶出または浸出させることをさらに含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記その他の反応生成物が、酸化マグネシウムおよびケイ酸マグネシウムのうちの少なくとも1つを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記その他の反応生成物の少なくとも一つを塩酸で溶出または浸出させる、請求項13または14に記載の方法。
- 前記シリカを植物材料から得る、請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
- シリカを植物材料から得ることをさらに含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記植物材料をEquisetophyta、Angiosperm、Marchantiophyta、Gymnosperm、Polypodiophytaという植物群のうちの1つ以上から選択する、請求項16または17に記載の方法。
- 前記植物材料が有機的に成長したものである、請求項16〜18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記植物が合成肥料、合成除草剤、および合成農薬の非存在下で成長したものである、請求項19に記載の方法。
- 前記アモルファスシリカを部分的に還元する、請求項1〜20のいずれか一項に記載の方法。
- 生成されたメソポーラスアモルファスシリコンが、メソポーラスアモルファスシリカのコアを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンの酸化物含有率が、1つの酸素単層と、シリコン骨格全体を覆う4.5nm以下の総酸化膜厚との間に相当する、請求項1〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンの酸素のシリコン原子に対する比が0.04〜2.0である、請求項1〜23のいずれか一項に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンの表面積が200m2/g未満である、請求項1〜24のいずれか一項に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンの表面積が150m2/g未満である、請求項25に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンの表面積が2m2/g超である、請求項25または26に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンの細孔体積が0.7ml/g超である、請求項25〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記メソポーラスアモルファスシリコンは、完全生分解性である、請求項25〜28のいずれか一項に記載の方法。
- メソポーラスアモルファスシリコンを作製する方法であって、陸上植物または陸上植物原材料を加熱することでシリカを得ることと、前記シリカを熱還元してメソポーラスアモルファスシリコンを形成させることとを含む方法。
- 前記シリカが、珪藻由来のものを除く供給源から得たものである、請求項30に記載の方法。
- 前記陸上植物を、Equisetophyta、Angiosperm、Fagaceae、Fabaceae、Poaceae、Cyperaceae、Asteraceae、Lamiaceae、Urticeae、Marchantiophyta、Gymnosperm、Polypodiophytaという植物群または植物科のうちの1つ以上から選択する、請求項30または31に記載の方法。
- 前記陸上植物または陸上植物原材料が、乾燥重量ベースで5重量%超のアモルファスシリカを含む、請求項30〜32のいずれか一項に記載の方法。
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