JP6308549B2 - Method for producing hollow carbon particles modified with metal oxide nanoparticles - Google Patents
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Description
本発明は内部に複数の微小区画を有し、金属酸化物のナノ粒子で修飾されたカーボン粒子の製造方法に関する。
The present invention have a plurality of micro-compartments therein, a method for manufacturing a modified mosquitoes Bon grain member at nanoparticles metallic oxides.
従来、澱粉等の炭水化物から作製された炭素質材料としては、例えば特許文献1では熱的に生成された炭素材料を熱的活性化または化学的活性化を用いることによって活性化することが報告されている。また、非特許文献1には、液体ベースの、噴霧熱分解合成技法を使用して蔗糖とZn(NO3)2との混合物から比表面積が1106m2/gもの大きさのカーボンナノ粒子を合成したことが報告されている。更に、澱粉ナノ粒子では、あらかじめ形成された天然のサゴ澱粉の炭化により蛍光カーボンナノ粒子を作成したことも非特許文献2で報告されている。更にまた、非特許文献3によれば、カーボン微小球が各種の澱粉材料を使用して、よくある熱水プロセスにより触媒なしで作成された。また、非特許文献4では、カーボン微小球の作成のために麦藁を前駆体として使用し、これを190℃で1時間加水分解した。こうして得られた溶液を炭素源として使用して、カーボン材料を作成した。しかしながら、澱粉や繊維等の炭水化物やタンパク質等の植物の成分を使用して内部に微小区画を有するカーボン微粒子を作製することができるという知見は得られていなかった。 Conventionally, as a carbonaceous material made from carbohydrates such as starch, for example, Patent Document 1 reports that a carbon material generated thermally is activated by using thermal activation or chemical activation. ing. In Non-Patent Document 1, carbon nanoparticles having a specific surface area of 1106 m 2 / g are synthesized from a mixture of sucrose and Zn (NO 3 ) 2 using a liquid-based spray pyrolysis synthesis technique. Has been reported. Furthermore, it has also been reported in Non-Patent Document 2 that, in the case of starch nanoparticles, fluorescent carbon nanoparticles were prepared by carbonization of natural sago starch formed in advance. Furthermore, according to Non-Patent Document 3, carbon microspheres were made without a catalyst by a common hydrothermal process using various starch materials. Moreover, in nonpatent literature 4, wheat straw was used as a precursor for preparation of a carbon microsphere, and this was hydrolyzed at 190 ° C for 1 hour. A carbon material was prepared using the solution thus obtained as a carbon source. However, there has been no knowledge that carbon fine particles having microcompartments inside can be produced using plant components such as carbohydrates and proteins such as starch and fibers.
本発明の課題は、単なるカーボン微粒子ではなく、内部に小区画という構造を有するとともに、金属酸化物のナノ粒子を担持することもできる中空カーボン微粒子をありふれた原料を単純なプロセスで処理することで製造できるようにすることにある。
An object of the present invention is not just a fine carbon particles, which has a structure that small section therein, the hollow carbon microparticles Oa reflation was raw material gold nanoparticles Shokusan product may be supported by a simple process treatment Ru near it to be manufactured by.
本発明の一側面によれば、金属酸化物のナノ粒子で修飾され、内部に互いにカーボン壁で区切られた複数の区画を有するとともに、マイクロポーラス及びメソポーラスの細孔を有する、全体が不規則な形状の中空カーボン粒子の製造方法であって、小麦粉と金属の塩または酢酸塩とを熱分解し、前記金属のナノ粒子で修飾された中空カーボン粒子を得、前記熱分解後に酸素含有雰囲気中で前記金属のナノ粒子を酸化する、中空カーボン粒子の製造方法が与えられる。
ここで、前記中空カーボン粒子の外径が100μm以下であってよい。
また、前記複数の区画の大きさが5μm〜25μmであってよい。
また、表面積が400m2/gから1000m2/gであってよい。
ここで、前記熱分解は不活性雰囲気中で行われてよい。
また、前記不活性雰囲気は窒素、アルゴンまたはヘリウムであってよい。
また、前記熱分解の温度は300℃から2000℃であってよい。
また、前記加熱時間は1分から5時間であってよい。
ここで、前記ナノ粒子の直径は100nm未満であってよい。
前記ナノ粒子の直径は50nm未満であってよい。
また、前記金属は、Ni、Fe、Co、Ag、Au、Pd、Cu及びZnからなる群から選択されてよい。
また、前記金属のナノ粒子の酸化は300℃以下で行われてよい。
According to one aspect of the present invention , the whole is irregular, having a plurality of compartments that are modified with metal oxide nanoparticles and separated from each other by carbon walls, and having microporous and mesoporous pores. A method for producing hollow carbon particles having a shape, wherein pyrolysis of wheat flour and a metal salt or acetate to obtain hollow carbon particles modified with the metal nanoparticles, and after the pyrolysis, in an oxygen-containing atmosphere A method for producing hollow carbon particles is provided that oxidizes the metal nanoparticles.
Here, the outer diameter before Symbol hollow mosquito Bon particles may be at 100μm or less.
The plurality of sections may have a size of 5 μm to 25 μm.
The surface area may be 400 m 2 / g to 1000 m 2 / g .
In here, the pyrolysis may be carried out in an inert atmosphere.
The inert atmosphere may be nitrogen, argon or helium.
The thermal decomposition temperature may be 300 ° C. to 2000 ° C.
The heating time may be 1 minute to 5 hours .
In here, the diameter of the nanoparticles may be less than 100 nm.
The nanoparticle diameter may be less than 50 nm.
The front Symbol metals, Ni, Fe, Co, Ag , Au, Pd, may be selected from the group consisting of Cu and Zn.
Further, oxidation of the previous SL metal nanoparticles may be carried out at 300 ° C. or less.
本発明によれば、独特の構造であって、大きな表面積及び高い電気化学的活性を有する中空カーボン粒子が与えられる。更に、原料組成に金属元素を添加することにより、金属やその酸化物のナノ粒子で修飾された、触媒その他の応用が期待される中空カーボンが得られる。また、製造方法の面では、小麦粉という入手が容易でしかも低価格な材料から、所定条件での焼成という単純なプロセスで容易に製造できるという効果がある。 According to the present invention, hollow carbon particles having a unique structure and having a large surface area and high electrochemical activity are provided. Furthermore, by adding a metal element to the raw material composition, a hollow carbon modified with a metal or its oxide nanoparticles and expected to be used for other applications can be obtained. In addition, in terms of the production method, there is an effect that it can be easily produced by a simple process of baking under a predetermined condition from a material that is easily available as wheat flour and at a low price.
本発明によれば、ユニークなモルフォロジーを有する中空カーボン粒子及び金属およびまたは酸化物ナノ粒子がこの中空カーボン粒子を修飾している金属及び/または酸化物−カーボン複合体材料が与えられる。これらの複合材料はその際立った熱的、電気的、機械的、更にはトライボロジー的な性質により、スーパーキャパシタ、磁気材料、電気材料、触媒、触媒支持体及び水素貯蔵システム等(ただし、これらに限定されない)の多様な先端技術の応用が可能である。 According to the present invention, there is provided a metal and / or oxide-carbon composite material in which hollow carbon particles and metal and / or oxide nanoparticles having a unique morphology modify the hollow carbon particles. These composite materials are distinguished by their outstanding thermal, electrical, mechanical, and tribological properties, including but not limited to supercapacitors, magnetic materials, electrical materials, catalysts, catalyst supports and hydrogen storage systems. Application of a variety of advanced technologies.
本発明を使用すれば、前駆体の濃度を精密に調節することで、カーボン複合材料中への周期表のs、p、d、f−ブロック元素の量及び/または数、従って金属/酸化物:カーボンの比の値を制御することができる。ほとんどの場合、活性化されたカーボンの構造を表すところの、厚いカーボン壁で相互接続された中空の区画を有するカーボン粒子が作製される。各種の元素の塩または酢酸塩を色々な比率で小麦粉と混合して、カーボンホスト−金属/酸化物ゲスト構造が作製される。 By using the present invention, the amount and / or number of s, p, d, f-block elements of the periodic table in the carbon composite material, and thus the metal / oxide, by precisely adjusting the precursor concentration. : Carbon ratio value can be controlled. In most cases, carbon particles are produced having hollow compartments interconnected by thick carbon walls that represent the structure of the activated carbon. Various elemental salts or acetates are mixed with wheat flour in various ratios to produce carbon host-metal / oxide guest structures.
本発明の各種の実施例によれば、本発明の複合材料製造方法によって、金属塩あるいは酢酸塩の安定性に従って、粒子のサイズ、形状またそのカーボン支持体上への堆積密度を変化させることができる。プロセスの温度(300℃〜2000℃)及び時間(1分〜5時間)は、最終的に得られる複合体の組成、モルフォロジー及び結晶構造(特に、その黒鉛秩序(graphitic order))に重要な役割を演じる。 According to various embodiments of the present invention, the composite material manufacturing method of the present invention can vary the size, shape, and deposition density of the particles on the carbon support according to the stability of the metal salt or acetate. it can. The process temperature (300 ° C. to 2000 ° C.) and time (1 minute to 5 hours) play an important role in the composition, morphology and crystal structure of the final composite (particularly its graphitic order). Play.
本発明の方法では、多数のs−ブロック元素(Mg、Ca、Sr等)、p−ブロック元素(Sn、Sb、Ga等)、d−ブロック元素(Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Pt、Pd、Ag、Au、W)及びf−ブロック元素(Sm、Eu、Gd等)でカーボン表面をその場被覆あるいは修飾することで、各種の新規な構造が作製される。そのような被覆/修飾している元素の粒子は通常はその金属の形態で作製されるが、本発明の方法を実行する際の反応チャンバー中の雰囲気を制御することで、金属形態でもあるいは酸化物形態でも作製することが可能である。この金属/酸化物−カーボン複合体は、通常は短時間かつ比較的低温で作製される。すなわち、被覆/修飾している金属ナノ粒子を更に比較的低温(300℃以下)の大気中(あるいはその他の酸素含有雰囲気中)で酸化することができる。この方法の利点は、そのような金属ナノ粒子をカーボン表面に留めた状態で酸化することができることである。 In the method of the present invention, many s-block elements (Mg, Ca, Sr, etc.), p-block elements (Sn, Sb, Ga, etc.), d-block elements (Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni) , Cu, Zn, Ru, Pt, Pd, Ag, Au, W) and f-block elements (Sm, Eu, Gd, etc.) and in situ coating or modifying the carbon surface to produce various new structures Is done. Such coated / modified elemental particles are usually made in their metal form, but can also be in metal form or oxidized by controlling the atmosphere in the reaction chamber when carrying out the method of the invention. It can also be produced in physical form. This metal / oxide-carbon composite is usually produced in a short time and at a relatively low temperature. That is, the coated / modified metal nanoparticles can be oxidized in the air (or other oxygen-containing atmosphere) at a relatively low temperature (300 ° C. or lower). The advantage of this method is that such metal nanoparticles can be oxidized while staying on the carbon surface.
この充填、修飾あるいは被覆しているナノ粒子、プレート、ロッドは、大表面積カーボン粒子の空所、細孔あるいは表面上で、100nmの、通常は1nmから50nmの間の直径を有している。修飾粒子の形状は前駆体及び処理パラメーターに依存する。本発明の方法ではその温度を不活性(N2、Ar、He)あるいは大気(酸素)雰囲気中で300℃から2000℃の間で変化させて、ユニークなカーボン支持構造をもたらす。 The filled, modified or coated nanoparticles, plates and rods have a diameter of 100 nm, usually between 1 nm and 50 nm, on the voids, pores or surface of the large surface area carbon particles. The shape of the modified particles depends on the precursor and processing parameters. In the method of the present invention, the temperature is varied between 300 ° C. and 2000 ° C. in an inert (N 2 , Ar, He) or air (oxygen) atmosphere, resulting in a unique carbon support structure.
以下、実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。これら実施例は本発明を限定するためのものではなく、本発明の理解を助けるために以下で説明されるものであることに注意されたい。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. It should be noted that these examples are not intended to limit the invention, but are described below to assist in understanding the invention.
[実施例1:中空カーボンナノ粒子]
図1aに示すSEM像は、固体粉末原料として全粒小麦を使用して不活性な窒素雰囲気中で600℃で3時間かけて作製された、不規則な形状の5〜100μmの直径を有するカーボン粒子を示す。これらのカーボン粒子には、カーボン壁によって分離されて5〜25μmの微小な区画が形成された開口部がその表面に見える。カーボン粒子及びカーボン壁の滑らかな表面が観察される。大部分滑らかな内部及び外部モルフォロジーを有する多数の表面開口及び区画は、600℃、900℃及び1100℃で作成した試料で観察される。このような構造は炭素科学の分野では珍しくユニークなものである。
[Example 1: Hollow carbon nanoparticles]
The SEM image shown in FIG. 1a is an irregularly shaped carbon having a diameter of 5 to 100 μm, produced over 3 hours at 600 ° C. in an inert nitrogen atmosphere using whole wheat as the solid powder raw material. Showing particles. In these carbon particles, an opening in which minute sections of 5 to 25 μm are formed by being separated by a carbon wall is visible on the surface. Smooth surfaces of carbon particles and carbon walls are observed. A number of surface openings and compartments with mostly smooth internal and external morphologies are observed in samples made at 600 ° C, 900 ° C, and 1100 ° C. Such structures are unusual and unique in the field of carbon science.
図2aは不活性雰囲気中での小麦粉の熱重量分析結果を示す図であり、室温から1000℃までの連続的な重量損失を示している。不活性雰囲気中での小麦粉の熱分解の間にガス状炭化水素が除去され、その後に約40%のカーボン生成物が残った。このことは、この方法は不活性雰囲気中で一般に40%の微小区画付きカーボン微小粒子の生成物をもたらすことを意味する。反応条件、すなわち加熱速度、最終温度及び当該設定された温度の保持時間により変わるが、微小区画付きカーボン微小粒子は使用された最初の原料に対して30〜50%の収率で生産される。 FIG. 2a is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of flour in an inert atmosphere, showing continuous weight loss from room temperature to 1000 ° C. Gaseous hydrocarbons were removed during the pyrolysis of the flour in an inert atmosphere, after which approximately 40% of the carbon product remained. This means that the process yields a product of generally 40% microcompartmented carbon microparticles in an inert atmosphere. Depending on the reaction conditions, i.e. heating rate, final temperature and holding time of the set temperature, the finely-comparted carbon microparticles are produced in a yield of 30-50% based on the initial raw material used.
図2bは小麦粉のFT−IRスペクトルを示すが、ここでいくつかのC−H、C−C、C−O、O−Hの伸縮結合(stretching bond)は固体の小麦粉から明らかである。これらの伸縮結合の多くは900℃で微小区画付きカーボン微小粒子が形成された後は消えてしまい、純粋カーボンの生成物が形成されたこと、及び重量損失の原因となるある炭化水素が放出されたことが確認される。このことから、放出されたガスが固相のカーボンから離脱する際に空洞及び区画を生成して、最終的に微小区画を生成したことがわかる。 FIG. 2b shows the FT-IR spectrum of wheat flour, where some C—H, C—C, C—O, O—H stretching bonds are evident from solid flour. Many of these stretch bonds disappear after the formation of microcompartmented carbon microparticles at 900 ° C., the formation of pure carbon products and the release of hydrocarbons that cause weight loss. It is confirmed that From this, it can be seen that when the released gas is released from the solid-phase carbon, cavities and compartments are generated, and finally microcompartments are generated.
図2cは900℃で作製したカーボン微小粒子のX線回折を示すが、その002及び101回折線により、形成された微小区画付きカーボン微小粒子がほとんどアモルファス性であることが確認できる。このことは更に、図2dのラマンスペクトルが強いD(不規則な)ピーク及び弱い(黒鉛の)結合を示していることからも確認できる。図2e及び図2fは900℃で作製したカーボン粒子を互いに異なる倍率で示すTEM像である。これらの像は、形成されたカーボン粒子は10nm程度の細孔のある多孔質構造を有し、黒鉛としての秩序には乏しいが、結局、大表面積のカーボン生成物が得られたことを示している。 FIG. 2c shows X-ray diffraction of carbon microparticles produced at 900 ° C., and the 002 and 101 diffraction lines confirm that the formed carbon microparticles with microcompartments are almost amorphous. This can be further confirmed from the fact that the Raman spectrum of FIG. 2d shows a strong D (random) peak and a weak (graphite) bond. 2e and 2f are TEM images showing carbon particles produced at 900 ° C. at different magnifications. These images show that the formed carbon particles have a porous structure with pores of about 10 nm and are poor in order as graphite, but eventually a large surface area carbon product was obtained. Yes.
図3aは、典型的な例として、900℃で作製した微小区画付きカーボン微小粒子生成物の窒素吸着−脱着を示す。この等温線は自動吸着測定器(米国のQuantachrome Instrument, Autosorb-1)で記録された。測定に当たって、約20mgの試料を使用し、測定に先立って120℃で24時間ガス抜きを行った。吸着−脱着等温泉は液体窒素温度77.35Kにおいて記録した。この等温線はIII型に近いものである。すなわち本発明の材料はマイクロポーラス(microposour)及びメソポーラス(mesoporous)構造を示す。なお、本願においては、多孔質材料を平均細孔直径の大きさに応じてマイクロポーラス(2nm未満)、メソポーラス(2〜50nm)及びマクロポーラス(50nmよりも大きい)と分類する。低い比圧力領域(P/P0<0.1)において大幅な窒素取り込みが見られるのは、本発明の材料のマイクロポーラス構造を示している。更に、相対圧力が高い方の領域で等温線に小さなヒステリシスループが現れることでメソポア構造が確認される。BJH法に基づいて計算された対応する細孔径の分布(図3b)によりこの事実がさらに確認された。図3bにおいて、dpは粒子の直径、Vpは微細孔の容積であり、また縦軸のdVp/d(dp)は微細孔の容積の粒子直径に対する微分である。微小区画付きカーボン微小粒子の比表面積は約782.5m2/gであった。SEM像の観察及び窒素吸着等温線から判断して、900℃で作製した微小区画付きカーボン微小粒子は二様式細孔モルフォロジー(bimodal pore architecture)を示すと結論付けることができる。これは有機染料の吸着、蒸気検出等の実際の応用に非常に有用である。 FIG. 3a shows nitrogen adsorption-desorption of a microcompartmented carbon microparticle product made at 900 ° C. as a typical example. This isotherm was recorded with an automatic adsorption meter (Quantachrome Instrument, Autosorb-1 in the United States). In the measurement, about 20 mg of a sample was used, and degassing was performed at 120 ° C. for 24 hours prior to the measurement. Adsorption-desorption hot springs were recorded at a liquid nitrogen temperature of 77.35K. This isotherm is close to type III. That is, the material of the present invention exhibits a microposour and mesoporous structure. In the present application, the porous material is classified into microporous (less than 2 nm), mesoporous (2 to 50 nm), and macroporous (greater than 50 nm) according to the average pore diameter. The large nitrogen uptake seen in the low specific pressure region (P / P0 <0.1) is indicative of the microporous structure of the material of the present invention. Furthermore, the mesopore structure is confirmed by the appearance of a small hysteresis loop on the isotherm in the region where the relative pressure is higher. This fact was further confirmed by the corresponding pore size distribution calculated based on the BJH method (FIG. 3b). In FIG. 3b, dp is the particle diameter, Vp is the micropore volume, and dVp / d (dp) on the vertical axis is the derivative of the micropore volume with respect to the particle diameter. The specific surface area of the finely divided carbon microparticles was about 782.5 m 2 / g. Judging from the observation of SEM images and the nitrogen adsorption isotherm, it can be concluded that the microcompartmented carbon microparticles produced at 900 ° C. exhibit a bimodal pore architecture. This is very useful for practical applications such as organic dye adsorption and vapor detection.
大きな表面積を有するマイクロポーラスあるいはメソポーラスのカーボンベース材料は電極材料や電気二重層キャパシタの候補となり得ると考えられている。言うまでもないが、本発明の材料はその優れた表面特性によりスーパーキャパシタへ応用のための良好な候補の一つとなる。この点で、本発明の材料の電気化学的な能力を調べた。図3cは、900℃で作製した微小区画付きカーボン微小粒子に対して、典型的な例として、1M H2SO4水溶液の電解液中において、−0.2〜1.2V vs.Ag/AgCl基準電極の範囲で各種の走査速度(5、10、20、50、80及び100mVs−1)で測定したサイクリックボルタモグラム(CV)を示す。これらのCV曲線はカーボン電気二重層キャパシタの特性を示す。その重量当たりの比キャパシタンスは、走査速度5mVs−1で約122.38F/gであった。表面積1000〜2000m2/gで細孔径分布が2〜5nmの範囲である、商業的に入手可能な活性化されたカーボンは、有機電解液中で100〜120F/gの比キャパシタンスを有することは注目に値する。これに対して、本発明の微小区画付きカーボン微小粒子(表面積が約782.5m2/g)の比キャパシタンスは一般のカーボン材料よりも大きい。このような大きな値は微小区画骨格のマイクロポア及びメソポア二様式モルフォロジーによるものであると考えられる。 It is considered that a microporous or mesoporous carbon base material having a large surface area can be a candidate for an electrode material or an electric double layer capacitor. Needless to say, the material of the present invention is one of the good candidates for supercapacitor application due to its excellent surface properties. In this regard, the electrochemical capability of the material of the present invention was examined. FIG. 3c shows a typical example of finely divided carbon microparticles produced at 900 ° C. in an electrolyte of 1 MH 2 SO 4 aqueous solution at −0.2 to 1.2 V vs. Cyclic voltammograms (CV) measured at various scanning speeds (5, 10, 20, 50, 80 and 100 mVs −1 ) in the range of the Ag / AgCl reference electrode are shown. These CV curves show the characteristics of the carbon electric double layer capacitor. Its specific capacitance per weight was about 122.38 F / g at a scanning speed of 5 mVs −1 . Commercially available activated carbon with a surface area of 1000-2000 m 2 / g and a pore size distribution in the range of 2-5 nm has a specific capacitance of 100-120 F / g in organic electrolytes. It is worth noting. On the other hand, the specific capacitance of the fine carbon particles with a microcompartment (surface area of about 782.5 m 2 / g) of the present invention is larger than that of a general carbon material. Such large values are thought to be due to the micropore and mesopore bimodal morphology of the microcompartmental skeleton.
[実施例2:ナノ粒子で修飾された中空カーボン粒子]
以下で説明するように、本発明の材料に所望の金属や酸化物を付加することで、電気化学的またその他の性能をさらに向上させ、例えば、再生可能エネルギー貯蔵に関する技術の開発に利用できるようになると期待される。
[Example 2: Hollow carbon particles modified with nanoparticles]
As will be described below, the addition of desired metals and oxides to the materials of the present invention can further improve electrochemical and other performance and can be used, for example, in the development of technologies related to renewable energy storage. Expected to be.
Niナノ粒子が充填された微小区画付きカーボン微小粒子の各種の倍率のSEM像を図4a〜図4cに示す。本実施例では、小麦粉とニッケル(ii)硝酸塩六水和物とを2:1の比率で混合してキュービクル中で700℃、3時間の加熱を行ったところ、ワンポット合成の間にナノサイズ(<50nm)の金属Ni粒子がその場形成されて微小区画付きカーボン微小粒子表面上で拘束され、あるいはこの表面を修飾した。金属酢酸塩と小麦粉との間の比を変化させることで、複合体中のニッケルナノ粒子の量が高くも低くもなる。従って、本プロセスは金属粒子量を実際の用途に向けて調節する手法の候補となり得る能力を有する。図4dに示すカーボン−Ni複合体のXRDパターンは、立方晶系のNiの強いピーク及びカーボンの広いアモルファス状態のピークを示した。これにより、純粋なニッケル粒子が形成されてユニークなカーボン構造の表面をその場で被覆したことが確認される。 4a to 4c show SEM images at various magnifications of carbon microparticles with microcompartments filled with Ni nanoparticles. In this example, wheat flour and nickel (ii) nitrate hexahydrate were mixed at a ratio of 2: 1 and heated in a cubicle at 700 ° C. for 3 hours. <50 nm) metal Ni particles were formed in situ and were constrained on the surface of the finely divided carbon microparticles or modified. By changing the ratio between the metal acetate and flour, the amount of nickel nanoparticles in the composite can be high or low. Thus, the process has the potential to be a candidate approach for adjusting the amount of metal particles for actual application. The XRD pattern of the carbon-Ni composite shown in FIG. 4d showed a strong peak of cubic Ni and a peak of a wide amorphous state of carbon. This confirms that pure nickel particles were formed and covered the surface of the unique carbon structure in situ.
同様にして、図5a及び図5bにそれぞれ示すように、コバルトナノ粒子や鉄ナノ粒子のような他の磁性材料をカーボン区画の内側及び外側の壁の上に堆積できる。100nm未満の粒径を有するナノ粒子を大表面積カーボン支持体の内外壁上に被覆することができる。磁性体ナノ粒子がカーボン構造体表面上に強く拘束されている様子がこれからわかるが、これは本構造が磁気デバイスへの応用の可能性があることを示している。 Similarly, other magnetic materials such as cobalt nanoparticles and iron nanoparticles can be deposited on the inner and outer walls of the carbon compartment, as shown in FIGS. 5a and 5b, respectively. Nanoparticles having a particle size of less than 100 nm can be coated on the inner and outer walls of a large surface area carbon support. It can be seen from this that the magnetic nanoparticles are strongly constrained on the surface of the carbon structure, which indicates that this structure has potential for application to magnetic devices.
更には、本発明の方法では、新規な貴金属ナノ粒子−カーボン複合体も、図6aから図6fに示すように、非常にうまく作製できた。これらの複合体は光学的、電子的及び触媒の有益な特性を有する可能性がある。図6aはナノサイズの銀粒子が微小区画付きカーボン微小粒子上を一様に被覆している様子を示すSEM像である。これらの立方晶系の銀が純粋なものであることは、図6bに与えられるXRDパターンにより証明される。このような複合体を得るために、銀(ii)酢酸塩を小麦粉と均質化した。支持体カーボンの表面上を修飾した純粋な金のナノ粒子及びプレート並びにそのXRDパターンをそれぞれ図6c及び図6dに示す。同様に、図6eに示すように、小麦粉をPd(ii)酢酸塩の前駆体と混合して700℃で熱処理する本発明の処理により、ナノサイズのパラジウムの純粋な粒子がカーボン支持体を覆う。そのXRDパターンを図6fに示す。 Furthermore, in the method of the present invention, a novel noble metal nanoparticle-carbon composite could be produced very well as shown in FIGS. 6a to 6f. These composites may have beneficial optical, electronic and catalytic properties. FIG. 6a is an SEM image showing a state in which nano-sized silver particles uniformly coat carbon fine particles with fine compartments. The purity of these cubic silver is evidenced by the XRD pattern given in FIG. 6b. In order to obtain such a complex, silver (ii) acetate was homogenized with flour. The pure gold nanoparticles and plates modified on the surface of the support carbon and their XRD patterns are shown in FIGS. 6c and 6d, respectively. Similarly, as shown in FIG. 6e, the inventive process of mixing flour with a precursor of Pd (ii) acetate and heat treating at 700 ° C. results in pure nanosized palladium particles covering the carbon support. . The XRD pattern is shown in FIG.
本発明の方法を使用することにより、遷移金属またはその酸化物もまた効果的にカーボン表面を修飾する。例えば、図7a及び図7bに示すように、それぞれ銅ナノ粒子及び亜鉛ナノ粒子がカーボン粒子の表面上を修飾することができる。全ての場合に、被覆しているナノ粒子の粒子直径は100nm未満である。 By using the method of the present invention, transition metals or their oxides also effectively modify the carbon surface. For example, as shown in FIGS. 7a and 7b, copper nanoparticles and zinc nanoparticles can modify the surface of the carbon particles, respectively. In all cases, the particle diameter of the coated nanoparticles is less than 100 nm.
まとめれば、本発明の1ステップの製造方法により、大表面積であってカーボン壁で分割され、機能性の金属あるいは酸化物のナノ粒子で充填又は修飾された微小区画を有する中空のカーボン粒子が作製される。商用の全粒小麦粉を炭素源となる原料前駆体として使用することは、これまで論文等で報告されていない。粉末のカーボン前駆体と任意の一つの元素の前駆体(塩または酢酸塩)あるいは複数の元素前駆体(塩または酢酸塩)の組み合わせとの混合物を高温のキュービクル内に収容し、不活性(N2、Ar、He等)雰囲気中で300℃〜2000℃の範囲内で加熱することで、ユニークなカーボン支持構造がもたらされる。この塩または酢酸塩を添加しない場合には、表面積が400〜1000m2/gの範囲の中空の純カーボン支持微小区画付きカーボン微小粒子が作製される。得られた多孔質のカーボンホスト−元素ゲストという構造はマイクロポア及びメソポアを含み、これにより大きな反応速度がもたらされるので、多くの応用が期待される。 In summary, the one-step manufacturing method of the present invention produces hollow carbon particles having a large surface area, divided by carbon walls, and having fine compartments filled or modified with functional metal or oxide nanoparticles. Is done. The use of commercial whole wheat flour as a raw material precursor to be a carbon source has not been reported so far in papers. A mixture of a powdered carbon precursor and any one element precursor (salt or acetate) or a combination of a plurality of element precursors (salt or acetate) is contained in a high-temperature cubicle and inert (N 2 , Ar, He, etc.) Heating in an atmosphere within the range of 300 ° C. to 2000 ° C. results in a unique carbon support structure. When this salt or acetate is not added, hollow pure carbon-supported micro-particulate carbon microparticles having a surface area in the range of 400 to 1000 m 2 / g are produced. The resulting porous carbon host-element guest structure contains micropores and mesopores, which leads to large reaction rates and is expected to be used in many applications.
以上説明したように、本発明の中空カーボン粒子はその内部にカーボン壁で仕切られた複数の区画を有するとともにマクロポーラス及びメソポーラズの二重構造となっているため、大きな表面積を有するとともに、その表面に機能性を有するナノ粒子で修飾を行うことが可能になる。そのため、本発明の中空カーボン粒子は、スーパーキャパシタ、磁気材料、電気材料、触媒、触媒支持体及び水素貯蔵システム等を含む多様な分野への応用が期待される。 As described above, the hollow carbon particles of the present invention have a plurality of sections partitioned by carbon walls and a double structure of macroporous and mesoporous, and thus have a large surface area and the surface thereof. It becomes possible to perform modification with nanoparticles having functionality. Therefore, the hollow carbon particles of the present invention are expected to be applied to various fields including supercapacitors, magnetic materials, electrical materials, catalysts, catalyst supports, hydrogen storage systems, and the like.
Claims (12)
小麦粉と金属の塩または酢酸塩とを熱分解し、前記金属のナノ粒子で修飾された中空カーボン粒子を得、前記熱分解後に酸素含有雰囲気中で前記金属のナノ粒子を酸化する、中空カーボン粒子の製造方法。 Modified with metal oxide nanoparticles, and having a plurality of compartments separated by a carbon wall together with the inner part has pores of microporous and mesoporous entirely empty carbon particles child in irregularly shaped A manufacturing method comprising:
Hollow carbon particles obtained by pyrolyzing wheat flour and a metal salt or acetate to obtain hollow carbon particles modified with the metal nanoparticles, and oxidizing the metal nanoparticles in an oxygen-containing atmosphere after the pyrolysis Manufacturing method.
Oxidation of prior Symbol metal nanoparticles is carried out at 300 ° C. or less, the production method of the hollow carbon particles according to any one of claims 1 to 11.
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