JP6476759B2 - カーボンナノチューブ配向集合体の製造方法 - Google Patents
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Description
なお、本発明において、「カーボンナノチューブ成長実効面積」とは、成長炉内に搬入された触媒基材または触媒基材の集合体の全表面のうち、成長炉内で実際にカーボンナノチューブを成長させることが可能な表面の面積の合計を指す。従って、「カーボンナノチューブ成長実効面積」には、触媒担持層および触媒層が形成されていない部分の面積や、触媒基材の集合体中で触媒基材同士が接触している部分の面積などは含まれない。
ここで、本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法は、基材上に形成した触媒担持層上にCNT合成用触媒を担持してなる触媒基材上に、化学気相成長法(CVD法)を用いてCNT配向集合体を成長させることによりCNTを製造する方法である。具体的には、本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法では、触媒基材の周囲環境を還元ガス環境とすると共にCNT合成用触媒および/または還元ガスを加熱するフォーメーション工程を任意に実施した後に、触媒基材の周囲環境を原料ガス環境とすると共にCNT合成用触媒および原料ガスの少なくとも一方を加熱して所定の方向に配向したCNTの集合体(CNT配向集合体)を触媒基材上に成長させる成長工程を実施して、CNTを合成する。なお、本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法では、任意に、成長工程の後に触媒基材およびCNTを不活性ガス下で冷却する冷却工程を実施し、成長工程で合成したCNTが酸素存在環境下で酸化するのを防止してもよい。
ここで、本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法では、カーボンナノチューブ配向集合体の製造装置に単一の触媒基材または複数の触媒基材の集合体を導入し、化学気相成長法により触媒基材上にカーボンナノチューブ配向集合体を成長させる。そして、本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法では、触媒基材として、基材と、基材上に形成された窒化アルミニウムからなる触媒担持層と、触媒担持層上に担持されたカーボンナノチューブ合成用触媒からなる触媒層とを有する触媒基材を使用する。
そして、複数の触媒基材を収容する前記容器としては、後述する基材と同様に、特に限定されることなく、500℃以上の高温でも形状を維持できる部材からなるものを用いることができる。前記容器の材質としては、例えば、後述する基材と同様のものが挙げられ、好適態様も基材と同様である。
ここで、触媒基材の基材としては、特に限定されることなく、500℃以上の高温でも形状を維持できる部材を用いることができる。また、基材の材質としては、例えば、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、チタン、アルミニウム、マンガン、コバルト、銅、銀、金、白金、ニオブ、タンタル、鉛、亜鉛、ガリウム、インジウム、ゲルマニウムおよびアンチモンなどの金属、並びにこれらの金属を含む合金および酸化物;シリコン、石英、ガラス、マイカ、グラファイトおよびダイヤモンドなどの非金属;並びにセラミックなどを例示できる。金属は、非金属およびセラミックと比較して低コストであるから好ましく、特に、Fe−Cr(鉄−クロム)合金、Fe−Ni(鉄−ニッケル)合金、Fe−Cr−Ni(鉄−クロム−ニッケル)合金等は好適である。
なお、基材としては、CNTの製造に用いた使用済みの触媒基材を使用(再利用)してもよい。また、基材には、成長工程中の浸炭(基材への炭素成分の浸透)による基材の変形を防止するための浸炭防止層が形成されていてもよい。因みに、本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法では、浸炭防止層を設けることなく、触媒担持層や触媒層を浸炭防止層として機能させてもよい。
そして、基材として用いる平板状基板の形状、大きさに特に制限はないが、形状としては、長方形もしくは正方形のものを用いることができる。基板の一辺の長さに特に制限はないが、CNT成長実効面積を十分に確保してCNTを大量に製造する観点からは、基板の一辺の長さは例えば200mm以上とすることが好ましく、500mm以上とすることがより好ましい。なお、基板の一辺の長さの上限は、通常、1000mm程度である。
基材上に設けられる触媒担持層は、「下地層」とも称されるものであり、CNT合成用触媒が担持される層である。そして、本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法では、触媒担持層の材料として、窒化アルミニウムを用いることを必要とする。このように、触媒担持層の材料として窒化アルミニウムを用いることにより、高品質なCNTの大量生産が可能になる。
触媒基材の触媒層は、触媒担持層上に担持されたCNT合成用触媒により形成されている。そして、触媒層を構成するCNT合成用触媒としては、化学気相成長法によるCNTの合成に用いられる既知の触媒、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、モリブデン、並びに、これらの塩化物および合金を用いることができる。
本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法では、CNTを大量に合成する観点から、上述した基材、触媒担持層および触媒層を有する触媒基材を、CNT成長実効面積が400cm2以上、好ましくは2500cm2以上となるように、カーボンナノチューブ配向集合体の製造装置の成長炉に搬入する。具体的には、例えば、触媒担持層および触媒層が形成された部分の表面積が400cm2以上の一つの触媒基材を成長炉に一度に搬入し、或いは、触媒担持層および触媒層が形成された部分のうち外側に露出している部分の合計表面積が400cm2以上となるように複数の触媒基材を集合させてなる集合体を成長炉に一度に搬入して、成長工程を実施する。
そして、本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法において任意に実施するフォーメーション工程では、上述した触媒基材または触媒基材の集合体のCNT合成用触媒の周囲環境を還元ガス環境とすると共に、CNT合成用触媒および/または還元ガスを加熱する。このフォーメーション工程により、CNT合成用触媒の還元、CNT合成用触媒のCNTの成長に適合した状態である微粒子化の促進、および、CNT合成用触媒の活性向上のうち少なくとも一つの効果が現れる。
また、CNT合成用触媒および/または還元ガスの温度は、好ましくは400℃以上1100℃以下とすることができる。
更に、フォーメーション工程の実施時間は、3分以上30分以下が好ましい。フォーメーション工程の時間がこの範囲であれば、触媒微粒子の粗大化が防止され、後段の成長工程における多層カーボンナノチューブの生成を抑制することができる。
成長工程では、CNT合成用触媒を有する触媒基材または触媒基材の集合体上に、原料ガスと、任意に触媒賦活物質とを供給して触媒基材または触媒基材の集合体の周囲環境を原料ガス環境とすると共に、CNT合成用触媒および原料ガスのうち少なくとも一方を加熱して、触媒基材上にCNTを成長させる。すなわち、成長工程では、例えばフォーメーション工程を行った後の触媒基材または触媒基材の集合体上に、化学気相成長法(CVD)法によりCNTを成長させる。この工程により、基材上にCNT配向集合体が成長する。
なお、成長工程では、CNTの成長反応が行なわれる雰囲気中に触媒賦活物質を存在させることによって、CNTの生産効率や純度をより一層改善することができる。
また、加熱する温度は、CNTの成長が可能な温度であればよいが、好ましくは400℃以上1100℃以下であり、より好ましくは600℃以上900℃以下である。上記温度範囲内であれば、触媒賦活物質の効果を良好に発現させることができ、かつ、触媒賦活物質が生成したCNTと反応することを抑制できる。
更に、成長工程における圧力は、102Pa以上107Pa(100大気圧)以下が好ましく、104Pa以上3×105Pa(3大気圧)以下が更に好ましい。
また、成長工程における原料ガス雰囲気は、高炭素濃度環境であることが好ましい。高炭素濃度環境とは、全流量に対する原料ガスの割合が2〜20%程度であることをいう。特に触媒賦活物質存在下においては、触媒活性が著しく向上するため、高炭素濃度環境化においても、CNT合成用触媒は活性を失わず、長時間のCNTの成長が可能となると共に、成長速度が著しく向上する。
そして、上述した成長工程では、例えば以下に挙げる性状の少なくとも一つを満たすような高品質なCNTの配向集合体が得られる。
CNTは、単層から5層までのカーボンナノチューブであることが好ましく、単層カーボンナノチューブであることがより好ましい。
CNTの平均直径は、0.5nm以上であることが好ましく、1nm以上であることが更に好ましく、また、15nm以下であることが好ましく、10nm以下であることが更に好ましい。
また、CNTは、合成時における構造体の平均長さが100μm以上5000μm以下であることが好ましく、300μm以上2000μm以下であることがより好ましい。
CNTのBET比表面積は、CNTが主として未開口のものにあっては、好ましくは600m2/g以上であり、より好ましくは、800m2/g以上である。BET比表面積が高いほど、金属などの不純物または炭素不純物の量を低く抑えることができる。
CNTのG/D比は、好ましくは1以上20以下である。ここで、G/D比とはCNTの品質を評価するのに一般的に用いられている指標である。ラマン分光装置によって測定されるCNTのラマンスペクトルには、Gバンド(1600cm-1付近)とDバンド(1350cm-1付近)と呼ばれる振動モードが観測される。GバンドはCNTの円筒面であるグラファイトの六方格子構造由来の振動モードであり、Dバンドは非晶箇所に由来する振動モードである。よって、Dバンドピーク強度に対するGバンドピーク強度の比(G/D比)が高いものほど、結晶性の高いCNTと評価できる。
触媒基材の触媒層上のCNT配向集合体の面積密度(触媒層の単位面積当たりの合成量)は、0.4mg/cm2以上10mg/cm2以下であることが好ましい。
CNTの炭素純度は、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましい。
また、CNTは、未開口であり、且つ、吸着等温線から得られるt−プロットが上に凸な形状を示すのが好ましい。ここで、t−プロットは、CNTについて窒素ガス吸着法で測定された吸着等温線において、相対圧を窒素ガス吸着層の平均厚みt(nm)に変換することによって得られる(de Boerらによるt−プロット法)。そして、t−プロットが上に凸な形状であることは、CNTの全比表面積に対する内部比表面積の割合が大きく、CNTの側壁に多数の開口が形成されていることを示す。
更に、上述した形状のt−プロットを示すCNTは、t−プロットの屈曲点が、0.2≦t(nm)≦1.5の範囲にあることがより好ましく、0.45≦t(nm)≦1.5の範囲にあることが更に好ましく、0.55≦t(nm)≦1.0の範囲にあることが特に好ましい。また、CNTの全比表面積S1に対する内部比表面積S2の割合(S2/S1)は、0.05≦S2/S1≦0.30を満たすのが好ましい。
なお、吸着等温線やt−プロットの作成、および、t−プロットの解析に基づく全比表面積S1および内部比表面積S2の算出は、例えば、市販の測定装置である「BELSORP(登録商標)−mini」(日本ベル(株)社製)を用いて行うことができる。
そして、上述した本発明に係るカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法を用いたカーボンナノチューブ配向集合体の製造は、特に限定されることなく、成長工程を実施可能な成長炉を備える既知の製造装置を用いて実施することができる。具体的には、カーボンナノチューブ配向集合体の製造装置としては、例えば、図1に示すような回分式の製造装置や、図2に示すような連続式の製造装置を用いることができる。
ここで、図1に示す製造装置10は、成長炉13、加熱器14、ガス導入口15、および、ガス排出口16を備えている。そして、製造装置10では、CNTを成長させる触媒基材12を成長炉13内に搬入した後、ガス導入口15から必要なガスの供給等を行ないつつ、一つの炉(成長炉13)内でフォーメーション工程および成長工程が実施される。
なお、図1では、カーボンナノチューブ成長実効面積が400cm2以上の平板状の触媒基材12を一枚のみ成長炉13内に搬入した場合を示しているが、製造装置10内にはカーボンナノチューブ成長実効面積が400cm2以上となるように触媒基材の集合体を搬入してもよい。
また、図2に示す製造装置100は、入口パージ部1、フォーメーションユニット2、ガス混入防止手段101〜103、成長ユニット3、冷却ユニット4、出口パージ部5、搬送ユニット6、および、接続部7〜9を備えている。そして、製造装置100では、CNTを成長させる触媒基材20を搬送ユニット6で搬送しつつ、フォーメーションユニット2を通過する触媒基材20に対してフォーメーション工程を実施し、成長ユニット3を通過する触媒基材20に対して成長工程を実施し、冷却ユニット4を通過する触媒基材20に対して冷却工程を実施する。
なお、図2では、カーボンナノチューブ成長実効面積が400cm2以上の平板状の触媒基材20を所定の間隔を空けて断続的に各ユニット内に搬入した場合を示しているが、製造装置100では、カーボンナノチューブ成長実効面積が400cm2以上となるように穴あき容器等に収容した複数の触媒基材の集合体を所定の間隔を空けて断続的に搬入してもよい。
ここで、成長ユニット3では、原料ガス噴射部200から噴射される全ガス流量と、排気フード3cから排気される全ガス流量は、ほぼ同量または同量であることが好ましい。このようにすることで、原料ガスが成長炉3a外へ流出すること、および、成長炉3a外のガスが成長炉3a内に流入することを防止できる。
なお、シールガスは、不活性ガスであることが好ましく、特に安全性、コストなどの点から窒素であることがより好ましい。また、シールガス噴射部101b〜103bから噴射される全ガス流量と排気部101a〜103aから排気される全ガス流量とはほぼ同量であることが好ましい。これによって、ガス混入防止手段101〜103を挟んだ両側の空間からのガスが相互に混入することを防止するとともに、シールガスが両側の空間に流出することも防止することが可能になる。
なお、実施例、比較例および参考例において製造したCNTの性状およびCNTの製造に用いた触媒基材の性状は、以下の方法を使用して評価した。
CNTの比表面積は、測定装置として「BELSORP(登録商標)−mini」(日本ベル(株)製)を使用し、液体窒素温度(77K)での窒素吸脱着等温線を測定してBET法により算出した。
(G/D比)
CNTのG/D比は、顕微レーザラマンシステム(サーモフィッシャーサイエンティフィック(株)製、NicoletAlmega XR)を使用し、触媒基材の中心部付近から採取したCNTを用いて測定した。
(平均直径)
CNTを透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、得られたTEM画像から50本のCNTの直径(外径)を測定した。そして、測定した直径の算術平均値をCNTの平均直径とした。
(炭素純度)
CNTの炭素純度は、熱重量分析装置(TG)を使用し、CNTを空気中で800℃まで1℃/分の速度で昇温して、以下の式より算出した。
炭素純度(質量%)=(800℃に到達するまでに燃えて減少した質量/初期質量)×100
(算術平均粗さ)
基板の算術平均粗さRaは、レーザ顕微鏡(キーエンス製VK−9700)を用いて、対物倍率50倍で測定した。
(触媒微粒子観察および元素分析)
触媒基材上に合成したカーボンナノチューブを剥離して除去した後、触媒基材の表面をエタノールで洗浄して観察用サンプルを調製した。そして、観察用サンプルについて、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて触媒微粒子の観察を行った。また、走査型電子顕微鏡に付属しているエネルギー分散型元素分析装置を使用し、観察用サンプルの表面の元素分析を行った。なお、SEMとしては、カールツァイス社製のULTRA55を用いた。
(カーボンナノチューブ観察)
得られたカーボンナノチューブをエタノール中に入れ、超音波処理を施して分散させた。次に、得られた分散液を透過型電子顕微鏡観察用グリッドに滴下して乾燥させ、観察用サンプルを調製した。そして、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察を行った。なお、TEMとしては、トプコン社製のEM−002Bを用いた。
<触媒基材の調製>
平板状の基材(基板)として、横200mm×縦200mm、厚さ0.6mmのFe−Cr合金(JFEスチール株式会社製、SUS430、Cr:18質量%)の平板を用意した。なお、レーザ顕微鏡を用いて基板の複数個所の表面粗さを測定したところ、算術平均粗さRaは0.063μmであった。
次に、スパッタリング装置に基板を設置し、アルミニウムターゲットを使用し、アルゴンガス30sccmおよび窒素ガス50sccmの混合ガスを導入して圧力0.5Paの雰囲気下で反応性スパッタリング(DC電源5.0kW)を行った。そして、基板上に膜厚40nmの窒化アルミニウム膜(触媒担持層)を形成した。
最後に、窒化アルミニウム膜を形成した基板をスパッタリング装置に設置し、鉄ターゲットを使用し、窒素ガス20sccmを導入して、圧力0.5Paの雰囲気下でスパッタリング(DC電源0.4kW)を行った。これにより、窒化アルミニウム膜(触媒担持層)上に膜厚2nm、面積400cm2の鉄膜(触媒層)が形成された触媒基材を得た。
<CNTの製造>
図2に示すような連続式の製造装置を使用し、上述した触媒基材(CNT成長実効面積:400cm2)に対してフォーメーション工程、成長工程および冷却工程を連続的に行なうことでCNT配向集合体を製造した。なお、メッシュベルトの搬送速度は一定とし、CNT製造時の各部の条件は下記表1の通りに設定した。ここで、表1において、空欄部分は設定していないことを示している。
そして、得られたCNTの性状およびCNTの製造に用いた触媒基材の性状を評価した。また、触媒基材の触媒層の単位面積当たりのCNT合成量を測定した。
<触媒基材の調製>
実施例1と同様の基板をスパッタリング装置に設置し、アルミニウムターゲットを使用し、アルゴンガス30sccmおよび酸素ガス50sccmの混合ガスを導入して、圧力0.5Paの雰囲気下で反応性スパッタリング(DC電源5.0kW)を行った。そして、基板上に膜厚40nmの酸化アルミニウム膜(触媒担持層)を形成した。
続いて、酸化アルミニウム膜を形成した基板をスパッタリング装置に設置し、鉄ターゲットを使用し、窒素ガス20sccmを導入して、圧力0.5Paの雰囲気下でスパッタリング(DC電源0.4kW)を行った。これにより、酸化アルミニウム膜(触媒担持層)上に膜厚2nm、面積400cm2の鉄膜(触媒層)が形成された比較例触媒基材1を得た。
<CNTの製造>
比較例触媒基材1を用いた以外は実施例1と同様にして、CNTを製造し、評価を行った。
実施例1と同様の基板をスパッタリング装置に設置し、酸化アルミニウムターゲットを使用し、アルゴンガス30sccmを導入して、圧力0.5Paの雰囲気下でスパッタリング(RF電源5.0kW)を行った。そして、基板上に膜厚40nmの酸化アルミニウム膜(触媒担持層)を形成した。
続いて、酸化アルミニウム膜を形成した基板をスパッタリング装置に設置し、鉄ターゲットを使用し、窒素ガス20sccmを導入して、圧力0.5Paの雰囲気下でスパッタリング(DC電源0.4kW)を行った。これにより、酸化アルミニウム膜(触媒担持層)上に膜厚2nm、面積400cm2の鉄膜(触媒層)が形成された比較例触媒基材2を得た。
<CNTの製造>
比較例触媒基材2を用いた以外は実施例1と同様にして、CNTを製造し、評価を行った。
なお、比較例2においてはSEMおよびTEMを用いた観察および評価は行わなかった。
<触媒基材の調製>
平板状の基材(基板)として、横40mm×縦40mm、厚さ0.6mmのFe−Cr合金(JFEスチール株式会社製、SUS430、Cr:18質量%)の平板を用いた以外は実施例1と同様にして、窒化アルミニウム膜(触媒担持層)上に膜厚2nm、面積16cm2の鉄膜(触媒層)が形成された参考例触媒基材1を調製した。
<CNTの製造>
図1に示すような回分式の製造装置を使用し、上述した参考例触媒基材1(CNT成長実効面積:16cm2)に対してフォーメーション工程と成長工程とを順次行なうことでCNT配向集合体を製造した。なお、CNT製造時の条件は下記表2の通りに設定した。
なお、参考例1においてはSEMおよびTEMを用いた観察および評価は行わなかった。
<触媒基材の調製>
平板状の基材(基板)として、横40mm×縦40mm、厚さ0.6mmのFe−Cr合金(JFEスチール株式会社製、SUS430、Cr:18質量%)の平板を用いた以外は比較例1と同様にして、酸化アルミニウム膜(触媒担持層)上に膜厚2nm、面積16cm2の鉄膜(触媒層)が形成された参考例触媒基材2を調製した。
<CNTの製造>
上述した参考例触媒基材2を用いた以外は参考例1と同様にして、CNTを製造し、評価を行った。
なお、参考例2においてはSEMおよびTEMを用いた観察および評価は行わなかった。
<触媒基材の調製>
平板状の基材(基板)として、横40mm×縦40mm、厚さ0.6mmのFe−Cr合金(JFEスチール株式会社製、SUS430、Cr:18質量%)の平板を用いた以外は比較例2と同様にして、酸化アルミニウム膜(触媒担持層)上に膜厚2nm、面積16cm2の鉄膜(触媒層)が形成された参考例触媒基材3を調製した。
<CNTの製造>
上述した参考例触媒基材3を用いた以外は参考例1と同様にして、CNTを製造し、評価を行った。
なお、参考例3においてはSEMおよびTEMを用いた観察および評価は行わなかった。
2 フォーメーションユニット
3 成長ユニット
4 冷却ユニット
5 出口パージ部
6 搬送ユニット
7〜9 接続部
10 製造装置
12 基材
13 成長炉
14 加熱器
15 ガス導入口
16 ガス排出口
100 CNT製造装置
101〜103 ガス混入防止手段
Claims (6)
- 平板状の触媒基材または平板状の触媒基材の集合体を成長炉に搬入する工程と、前記成長炉内で化学気相成長法により前記触媒基材上にカーボンナノチューブ配向集合体を成長させる工程とを含むカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法であって、
前記成長炉に搬入される前記触媒基材または触媒基材の集合体は、カーボンナノチューブ成長実効面積が400cm2以上であり、
前記触媒基材は、基材上に形成された窒化アルミニウムからなる触媒担持層と、前記触媒担持層上に担持されたカーボンナノチューブ合成用触媒からなる触媒層とを有する、カーボンナノチューブ配向集合体の製造方法。 - 前記窒化アルミニウムからなる触媒担持層が物理的気相蒸着法または化学気相蒸着法により形成されたものである、請求項1に記載のカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法。
- 前記窒化アルミニウムからなる触媒担持層が反応性スパッタリング法により形成されたものである、請求項2に記載のカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法。
- 前記触媒担持層の厚さが10nm以上100nm以下である、請求項1〜3のいずれかに記載のカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法。
- 前記触媒層の厚さが1nm以上10nm以下である、請求項1〜4のいずれかに記載のカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法。
- 前記成長炉内において、触媒賦活物質の存在下で化学気相成長法により前記触媒基材上にカーボンナノチューブ配向集合体を成長させる、請求項1〜5のいずれかに記載のカーボンナノチューブ配向集合体の製造方法。
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