JP7114039B2 - METHOD FOR MANUFACTURING METAL NANOPARTICLES - Google Patents
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本発明は、金属ナノ粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles.
金属ナノ粒子は、その粒径を小さくすることにより、高比表面積、高化学活性、高硬度、高強度、低温焼結、新規電子状態など、多くのメリットが見込まれており、特に十nm以下の粒径とした場合には多くの新規応用展開をもたらすと考えられている。例えばZnO(酸化亜鉛)からなる金属ナノ粒子は、紫外線の遮蔽機能に優れており、抗菌性や小修整、高い透明性を持ち合わせている。そのため、医薬品、化粧品、光触媒、プラスティック等の様々な分野で応用されており、今や生活に欠かせない存在となっている。 Metal nanoparticles are expected to have many advantages such as high specific surface area, high chemical activity, high hardness, high strength, low temperature sintering, new electronic state, etc., by reducing the particle size, especially 10 nm or less. It is thought that many new applications will be developed if the particle size is set to For example, metal nanoparticles made of ZnO (zinc oxide) have an excellent ultraviolet shielding function, antibacterial properties, small modifications, and high transparency. Therefore, it is applied in various fields such as pharmaceuticals, cosmetics, photocatalysts, plastics, etc., and is now indispensable to our lives.
従来の金属ナノ粒子の製造は、破砕法、液相法、パルスワイヤ放電法等を用いて行われているが、いずれの方法もデメリットを有している。すなわち、破砕法は、高圧ガスを用いて噴出された物質を、ターゲット部材に衝突させ、これを破砕することによって目的の微粒子を得る方法であるが、得られる微粒子の粒径は3μm程度である。また、液相法は、液体中に存在するイオンや分子を析出させることによって目的の微粒子を得る方法であり、析出させるプロセスは多数存在するが、いずれも複雑であり、電気炉やタンク等の装置を必要とすることから、コストが高くなる。また、パルスワイヤ放電法は、パルス大電流を流して加熱した金属細線を蒸発、プラズマ化させ、冷却することによって、目的の微粒子を得る方法であるが、1回に生成される微粒子の量が少なく、所望の量を生成することによってコストが高くなる。 Conventionally, metal nanoparticles are produced using crushing methods, liquid phase methods, pulsed wire discharge methods, and the like, but all of these methods have demerits. That is, the crushing method is a method in which a substance ejected using a high-pressure gas collides with a target member and is crushed to obtain target fine particles, and the particle size of the obtained fine particles is about 3 μm. . In addition, the liquid phase method is a method of obtaining target fine particles by precipitating ions and molecules present in a liquid. The cost is high due to the equipment required. In addition, the pulse wire discharge method is a method of obtaining target fine particles by evaporating, plasmatizing, and cooling a fine metal wire heated by applying a large pulse current. The cost is high by producing less and desired quantities.
非特許文献1、2では、パルスアーク放電を用いて、粒径が数十nmのZnOの微粒子が得られたいくつかの例について報告されている。ただし、これらの例では、ZnOとともにZnOの前駆体が高い割合で生成されており、それらが混合した状態となっているため、所望の結晶性が得られていない。 Non-Patent Documents 1 and 2 report several examples in which ZnO fine particles with a particle size of several tens of nm were obtained using pulsed arc discharge. However, in these examples, ZnO and ZnO precursors are produced at a high rate, and they are in a mixed state, so that desired crystallinity is not obtained.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、所望の粒径および結晶性を有する金属ナノ粒子を、容易にかつ低コストで製造することを可能とする、金属ナノ粒子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for producing metal nanoparticles that enables easy production of metal nanoparticles having a desired particle size and crystallinity at low cost. intended to
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides the following means.
(1)本発明の一態様に係る金属ナノ粒子の製造方法は、金属元素と非金属元素とからなる金属ナノ粒子の製造方法であって、前記金属元素を含む2つの電極の間に、前記非金属元素を含む雰囲気ガスが導入された状態で、パルスアーク放電を発生させる工程を有し、前記パルスアーク放電において、アーク電流値を100A以上とし、アーク放電発生時間を1μs以下とする。 (1) A method for producing metal nanoparticles according to an aspect of the present invention is a method for producing metal nanoparticles composed of a metal element and a non-metal element, wherein between two electrodes containing the metal element, the A pulsed arc discharge is generated in a state in which the atmosphere gas containing the nonmetallic element is introduced. In the pulsed arc discharge, the arc current value is set to 100 A or more and the arc discharge generation time is set to 1 μs or less.
(2)上記(1)に記載の金属ナノ粒子の製造方法において、前記パルスアーク放電を、ブルームライン放電回路を用いて発生させることが好ましい。 (2) In the method for producing metal nanoparticles according to (1) above, it is preferable that the pulsed arc discharge is generated using a Blumlein discharge circuit.
(3)上記(2)に記載の金属ナノ粒子の製造方法の前記ブルームライン放電回路において、一方の前記電極と前記ブルームライン線路とが、電気抵抗が1kΩ以下の整合抵抗素子を介して接続されていることが好ましい。 (3) In the Blumlein discharge circuit of the method for producing metal nanoparticles according to (2) above, one of the electrodes and the Blumlein line are connected via a matching resistance element having an electrical resistance of 1 kΩ or less. preferably.
(4)上記(2)または(3)のいずれかに記載の金属ナノ粒子の製造方法において、前記ブルームライン放電回路において、ブルームライン線路の長さが0.1m以上であることが好ましい。 (4) In the method for producing metal nanoparticles according to either (2) or (3) above, in the Blumlein discharge circuit, the length of the Blumlein line is preferably 0.1 m or more.
(5)上記(1)~(4)のいずれか一つに記載の金属ナノ粒子の製造方法において、前記雰囲気ガスを、所定の方向に流れ続けるフロー状態とすることが好ましい。 (5) In the method for producing metal nanoparticles according to any one of (1) to (4) above, it is preferable that the ambient gas is in a flow state in which it continues to flow in a predetermined direction.
本発明の金属ナノ粒子の製造方法は、目的物質を含む電極間においてパルスアーク放電を発生させるものであり、高価な試薬を必要とする液相法等の従来の方法に比べて容易なプロセスで行うことができ、製造コストを低く抑えることができる。 The method for producing metal nanoparticles of the present invention generates a pulse arc discharge between electrodes containing a target substance, and is a simple process compared to conventional methods such as liquid phase methods that require expensive reagents. can be carried out and the manufacturing cost can be kept low.
当該パルスアーク放電において、アーク放電形成時間は、生成される金属ナノ粒子の粒径を制御するパラメータであり、本発明では、これを1μs以下とすることによって、従来よりも粒径が小さい金属ナノ粒子を得ることができる。また、当該パルスアーク放電において、アーク電流値は、生成される粒子の結晶性を制御するパラメータであり、本発明では、これを100A以上とすることによって、従来よりも焼成が進み、結晶性の高い金属ナノ粒子を得ることができる。 In the pulsed arc discharge, the arc discharge formation time is a parameter that controls the particle size of the metal nanoparticles generated. particles can be obtained. In the pulsed arc discharge, the arc current value is a parameter for controlling the crystallinity of the particles generated. High metal nanoparticles can be obtained.
このように、本発明の金属ナノ粒子の製造方法によれば、所望の粒径および結晶性を有する金属ナノ粒子を、容易にかつ低コストで製造することが可能となる。 Thus, according to the method for producing metal nanoparticles of the present invention, it is possible to easily produce metal nanoparticles having a desired particle size and crystallinity at low cost.
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following explanation, in order to make it easier to understand the features of the present invention, there are cases where the characteristic parts are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios and the like of each component are different from the actual ones. There is The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be implemented with appropriate changes within the scope of the present invention.
<第一実施形態>
[金属ナノ粒子の製造装置]
本発明は、金属元素と非金属元素とからなる、金属ナノ粒子の製造方法に関するものである。本発明の第一実施形態に係る金属ナノ粒子の製造装置100の構成について、図1、2を用いて説明する。
<First embodiment>
[Device for producing metal nanoparticles]
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles composed of a metal element and a non-metal element. A configuration of a metal
図1は、金属ナノ粒子の製造装置100の概略構成を示す図である。金属ナノ粒子の製造装置100は、密閉された容器(リアクタ)101と、容器101内に配された2つの金属電極102(102A、102B)と、容器101内を調圧する手段(調圧手段)103と、金属電極102A、102B間に雰囲気ガスを供給する手段(ガス供給手段)104と、容器101内の排気を行う手段(不図示)と、容器101内の温度を制御する手段(温度制御手段)105と、金属電極102A、102B間に電圧を印加するパルスパワー発生装置106と、を備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an
容器101としては、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂やポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂、セラミックス等の絶縁材料で構成されるものを用いることができる。容器101は、内部を密閉できるものであればよく、その形状について限定されることはない。
As the
金属電極102A、102Bとしては、それぞれ、目的とする金属ナノ粒子を構成する金属元素を主成分として含むものが用いられる。ここでの金属元素としては、例えば、Zn、Cu(銅)、Ti(チタン)、Li(リチウム)、Be(ベリリウム)、Na(ナトリウム)、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Si(ケイ素)、K(カリウム)、Ca(カルシウム)、Sc(スカンジウム)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Ga(ガリウム)、Rb(ルビジウム)、Sr(ストロンチウム)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Cd(カドミウム)、In(インジウム)、Sn(スズ)、Sb(アンチモン)、Te(テルル)、Ba(バリウム)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Au(金)、Tl(タリウム)、Pb(鉛)、Bi(ビスマス)、Po(ポロニウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジウム)、Nd(ネオジウム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテリビウム)、Lu(ルテチウム)、Ac(アクチニウム)、Th(トリウム)等、およびこれらの金属からなる合金が挙げられる。例えばZnO(酸化亜鉛)の粒子を製造する場合には、当該金属元素としてZnが用いられる。
As the
金属電極102A、102Bはいずれも平板状であり、主面同士が互いに対向するように配されている。実用上は、より多くの金属ナノ粒子を発生させる観点から、金属電極102A、102Bの主面(対向面)の面積は大きいほど好ましい。また、電極の入れ替え頻度を少なくする観点から、金属電極102A、102Bは厚いほど好ましい。
Both of the
ガス供給手段104によって供給する雰囲気ガスは、目的とする金属ナノ粒子を構成する非金属元素を主成分として含むものとする。この場合の非金属元素としては、例えば、O2(酸素)、N2(窒素)、F2(フッ素)、PH3(ホスフィン)、Cl2(塩素)、CO2(二酸化炭素)、CO(一酸化炭素)、H2(水素)、BCl3(三塩化ホウ素)等が挙げられる。例えばZnO(酸化亜鉛)の粒子を製造する場合には、当該非金属元素としてO2が用いられる。 The atmosphere gas supplied by the gas supply means 104 contains, as a main component, a non-metallic element that constitutes the target metal nanoparticles. Examples of nonmetallic elements in this case include O 2 (oxygen), N 2 (nitrogen), F 2 (fluorine), PH 3 (phosphine), Cl 2 (chlorine), CO 2 (carbon dioxide), CO ( carbon monoxide), H 2 (hydrogen), BCl 3 (boron trichloride), and the like. For example, when producing ZnO (zinc oxide) particles, O 2 is used as the nonmetallic element.
図2は、本実施形態で用いるパルスパワー発生装置106に、金属電極102A、102Bの対を含めた具体的な回路構成を示す図である。パルスパワー発生装置106は、ブルームライン線路を利用した放電回路素子であり、主に電源107、スイッチ素子108、2対(合計4本)のブルームライン線路109、充電抵抗素子110、整合抵抗素子111とを備えている。スイッチ素子108としては、サイラトロンスイッチ、自爆型スパークギャップスイッチ、半導体スイッチ等が用いられる。各ブルームライン線路109は、予め充電されているものとする。
FIG. 2 is a diagram showing a specific circuit configuration including a pair of
ブルームライン線路109は、分布定数線路と呼ばれる金属と絶縁体からなる同軸状や平行平板状の線路にて構成される。本実施形態では、2対のブルームライン線路109が同軸状の線路で構成される場合を例示している。2対のブルームライン線路109は、それぞれロッド状の内方導体109Aと、それを囲む円筒状の外方導体109Bと、両導体間を埋める絶縁体(不図示)とからなる。内方導体109A、外方導体109Bとしては、公知の金属材料、例えば銅等からなるものを用いることができる。また、絶縁体としては、架橋ポリエチレン等からなるものを用いることができる。
The
ブルームライン線路109の長さは、0.1m以上100m以下であることが好ましい。ブルームライン線路の長さを伸ばした場合、パルス幅が広がって熱処理時間が増える分、焼成が進み、その結果として前駆体の存在比が低くなる。パルス幅が短い場合には熱処理時間が短くなり、ZnOになりきれない粒子が前駆体として生成されることになる。パルス幅は、金属ナノ粒子のサイズを変えるパラメータとなるため、ブルームライン線路の長さを変えてパルス幅を調整することにより、所望のサイズの金属ナノ粒子を得ることができる。
The length of the
各ブルームライン線路の内方導体109Aには、電源107とスイッチ素子108とが電気的に接続されている。すなわち、4本の内方導体109Aは等電位となっている。2対のうち一方(図2では上側の2本)のブルームライン線路の外方導体109B1と、他方(図2では下側の2本)のブルームライン線路の外方導体109B2とが、金属電極102A、102Bの対を挟んで電気的に接続されている。
A
内方導体109Aと外方導体109Bとは、スイッチ素子108を介して接続されており、スイッチ素子108のオン・オフで両者の導電状態が切り替えられるように構成されている。スイッチ素子をオンにした場合、放電現象により、ブルームライン線路から短時間に大量の電流が流れ、金属電極102A、102B間に高い電圧が印加され、パルスアーク放電が誘起されることになる。
The
ブルームライン線路の外方導体109Bと電源107とは、直流電源を保護する充電抵抗素子110を介して接続されている。充電抵抗素子110としては、使用する直流電源に対応して適切な抵抗値を有するものが選択される。また、ブルームライン線路の外方導体109Bと金属電極102Bとは、整合抵抗素子111を介して接続されている。整合抵抗素子111の抵抗は0.1Ω以上1kΩ以下であることが好ましい。
The
[金属ナノ粒子の製造方法]
図1の金属ナノ粒子の製造装置100を用いて、所望の金属ナノ粒子を製造する手順について説明する。
[Method for producing metal nanoparticles]
A procedure for producing desired metal nanoparticles using the metal
まず、調圧手段103、温度制御手段105を用いて、容器101内を、概ね0.01MPa以上1.0MPa以下の範囲に調圧するとともに、容器101の素材の耐熱温度範囲(セラミックスの場合は0℃以上2000℃以下の範囲)で加熱する。調圧手段103としては、ポンプ等の減圧手段とガスボンベ等の加圧手段とを適宜組み合わせたものが想定される。
First, using the pressure regulating means 103 and the temperature control means 105, the inside of the
次に、ガス供給手段104を用いて、目的の金属ナノ粒子を構成する非金属元素を含む雰囲気ガス(原料ガス)を、容器101内に導入する。導入後の容器101内は、概ね99.9vol.%以上99.99995vol.%以下の濃度の雰囲気ガスで、満たされていることが好ましい。
Next, the gas supply means 104 is used to introduce into the
雰囲気ガスの導入は、パルスアーク放電の工程の前、あるいは、所定のタイミングで断続的に行ってもよいが、雰囲気ガスの量をより一定に保つ観点、雰囲気ガスの量を管理する手間を省く観点等から、所定の方向に流し続けることにより、常時供給するフロー状態にして連続的に行う方が好ましい。 The atmospheric gas may be introduced before the pulse arc discharge process or intermittently at a predetermined timing, but from the viewpoint of keeping the amount of the atmospheric gas more constant, it saves the trouble of managing the amount of the atmospheric gas. From the point of view, etc., it is preferable to keep the liquid flowing continuously in a predetermined direction so as to continuously supply the liquid.
次に、パルスパワー発生装置106を用いて、金属電極102A、102B間に高電圧を印加してアーク放電を発生させる。これにより、アーク放電を担う電子が雰囲気ガス中の非金属元素と衝突し、プラズマ化した非金属元素のイオンが、金属電極102A、102B中のプラズマ化した金属元素のイオンに接触し、そこで両者が反応して金属ナノ粒子が形成される。
Next, using the
より小さい金属ナノ粒子を得る上では、アーク放電を発生させる時間(アーク放電発生時間)は短いほど好ましい。例えばアーク放電発生時間を1μs以下とした場合、粒径が10nm以下の小さい粒子が得られる。 In order to obtain smaller metal nanoparticles, the shorter the arc discharge generation time (arc discharge generation time), the better. For example, if the arc discharge generation time is set to 1 μs or less, small particles having a particle size of 10 nm or less can be obtained.
ただし、アーク放電発生時間を短くした場合には焼成が進まないため、形成される金属ナノ粒子は、結晶化しきれていない状態の粒子(前駆体)を高い割合で含み、十分な結晶性を有していないものとなる。そこで、金属電極102A、102B間に印可する電圧を、アーク放電によって金属電極102A、102B間を流れる電流の値(アーク電流値)が、100A以上となるように調整する。アーク電流値を100A以上とした場合には、結晶化する粒子の割合が高まり、形成される金属ナノ粒子は十分な結晶性を有するものとなる。
However, when the arc discharge generation time is shortened, the sintering does not proceed, so the formed metal nanoparticles contain a high proportion of particles (precursors) that are not completely crystallized, and have sufficient crystallinity. It will be something that has not been done. Therefore, the voltage applied between the
最後に、金属電極102A、102B間への電圧の印加を止め、容器101内の雰囲気ガスを排気した上で、形成された金属ナノ粒子を、刷毛等を用いて回収する。
Finally, the voltage application between the
以上のように、本実施形態に係る金属ナノ粒子の製造方法は、目的物質を含む電極間においてパルスアーク放電を発生させるものであり、高価な試薬を必要とする液相法等の従来の方法に比べて容易なプロセスで行うことができ、製造コストを低く抑えることができる。 As described above, the method for producing metal nanoparticles according to the present embodiment generates a pulsed arc discharge between electrodes containing a target substance, and is a conventional method such as a liquid phase method that requires an expensive reagent. It can be carried out in a simpler process than in , and the manufacturing cost can be kept low.
当該パルスアーク放電において、アーク放電形成時間は、生成される金属ナノ粒子の粒径を制御するパラメータであり、本実施形態では、これを1μs以下とすることによって、従来よりも粒径が小さい金属ナノ粒子を得ることができる。また、当該パルスアーク放電において、アーク電流値は、生成される粒子の結晶性を制御するパラメータであり、本実施形態では、これを100A以上とすることによって、従来よりも焼成が進み、結晶性の高い金属ナノ粒子を得ることができる。 In the pulsed arc discharge, the arc discharge formation time is a parameter that controls the particle size of the metal nanoparticles to be generated. Nanoparticles can be obtained. Further, in the pulsed arc discharge, the arc current value is a parameter for controlling the crystallinity of the particles generated. high metal nanoparticles can be obtained.
このように、本実施形態に係る金属ナノ粒子の製造方法によれば、所望の粒径および結晶性を有する金属ナノ粒子を、容易にかつ低コストで製造することが可能となる。 As described above, according to the method for producing metal nanoparticles according to the present embodiment, it is possible to easily produce metal nanoparticles having a desired particle size and crystallinity at low cost.
<第二実施形態>
本発明の第二実施形態に係る金属ナノ粒子の製造装置および製造方法について説明する。図3は、本実施形態で用いるパルスパワー発生装置126の回路構成を示す図である。パルスパワー発生装置126は、金属電極122Bに整合抵抗素子が接続されていない点のみ、第一実施形態のパルスパワー発生装置106と異なっている。
<Second embodiment>
An apparatus and method for producing metal nanoparticles according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram showing the circuit configuration of the
本実施形態で用いる金属ナノ粒子の製造装置は、パルスパワー発生装置126の構成以外については、第一実施形態の金属ナノ粒子の製造装置100と同様である。また、本実施形態で用いる金属ナノ粒子の製造方法は、パルスパワー発生装置126を用いてパルスアーク放電を発生させる点以外については、第一実施形態の金属ナノ粒子の製造方法と同様である。
The apparatus for producing metal nanoparticles used in this embodiment is the same as the apparatus for producing
本実施形態のパルスパワー発生装置126では、整合抵抗素子が接続されていない分、より多くの電流が金属電極122A、122B間に流れることになり、かつ放電持続時間が長くなり、そこで反応した粒子の焼成が進むため、結晶化する粒子の割合、すなわち結晶性をより高めることができる。
In the
なお、プロセスの簡略化、製造コストの削減、得られる金属ナノ粒子の小型化に関しては、第一実施形態と同等の効果が得られる。 It should be noted that the same effects as in the first embodiment can be obtained in terms of process simplification, production cost reduction, and miniaturization of the obtained metal nanoparticles.
以下、実施例により、本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。 The effects of the present invention will be made clearer by the following examples. It should be noted that the present invention is not limited to the following examples, and can be modified as appropriate without changing the gist of the invention.
(実施例1)
第一実施形態に係る金属ナノ粒子の製造装置および製造方法を用いて、金属ナノ粒子を製造した。
(Example 1)
Metal nanoparticles were produced using the apparatus and method for producing metal nanoparticles according to the first embodiment.
容器101内の圧力(ゲージ圧)、温度を、それぞれ0.05MPa、25℃とし、そこに雰囲気ガスとしてO2(酸素)を99.7%の割合で含むガスを導入した。
The pressure (gauge pressure) and temperature inside the
図3の回路構成を有するパルスパワー発生装置106を用いた。電源127を152Aの定電流源とした。スイッチ素子128としてサイラトロンスイッチを用いた。ブルームライン線路129の長さを10mとし、パルス幅を100nsとした。充電抵抗素子120が有する抵抗を900Ωとした。
A
金属電極122A、122Bとして、Zn(亜鉛)を99.8%の割合で含む平板状の部材を用いた。この金属電極122A、122Bの厚さは10mm、対向面の面積はπ×30×30mm2とした。
A flat member containing 99.8% of Zn (zinc) was used as the
金属電極122A、122B間の距離を1mmとし、電源127の出力電圧、周波数を、それぞれ24kV、500Hzとし、金属電極間にパルスアーク放電を発生させた。このときのアーク電流最大値は350Aであった。アーク放電発生時間を0.5μsとした。
The distance between the
実施例1で得られたサンプルに対し、XRD(X線回折)の分析を行った。図4は、その分析結果を示すグラフである。また、図5は、Inorganic Crystal Structure Databaseに登録されているPDFカード番号:01-080-0074(結晶系: Hexagonal 空間群: P63mc(186))のZnOのX線回折パターンである。それぞれのグラフにおいて、横軸は回折角度を示し、縦軸は回折強度を示している。また、グラフ内の丸印(○)で示すピーク、四角印(◇)で示すピークは、それぞれ、ZnO、Zn5(OH)8(NO3)2(H2O)2に対応している。 The sample obtained in Example 1 was analyzed by XRD (X-ray diffraction). FIG. 4 is a graph showing the analysis results. FIG. 5 is an X-ray diffraction pattern of ZnO of PDF card number: 01-080-0074 (crystal system: hexagonal space group: P63mc(186)) registered in the Inorganic Crystal Structure Database. In each graph, the horizontal axis indicates the diffraction angle, and the vertical axis indicates the diffraction intensity. In addition, the peaks indicated by circles (○) and the peaks indicated by squares (◇) in the graph correspond to ZnO and Zn 5 (OH) 8 (NO 3 ) 2 (H 2 O) 2 , respectively. .
図4のグラフにおいて、図5のグラフと同じ回折角でのピークの分布が見られ、それらのピーク同士の大きさの比率(ピーク比)が、図5のグラフと同程度であることが分かる。つまり、図4のグラフは、図5のグラフで示されるZnOのピークを含んでおり、実施例1においてZnOが生成されていることが分かる。なお、放電発生中の圧力が高い場合には、電極表面もしくは内部にOHやNO3等が存在することにより、ZnOの他に、Zn5(OH)8(NO3)2(H2O)2等の前駆体も生成されることがある。 In the graph of FIG. 4, the distribution of peaks at the same diffraction angles as in the graph of FIG. 5 can be seen, and it can be seen that the ratio of the sizes of those peaks (peak ratio) is about the same as in the graph of FIG. . That is, the graph of FIG. 4 includes the ZnO peak shown in the graph of FIG. In addition, when the pressure during discharge is high, Zn 5 (OH) 8 (NO 3 ) 2 (H 2 O) is added to ZnO due to the presence of OH, NO 3 , etc. on the surface or inside of the electrode. Precursors such as 2 may also be produced.
図6は、実施例1で得たサンプルのFE-SEM(電界放出型の走査型電子顕微鏡)画像である。サンプル中の金属ナノ粒子の一次粒子は粒径10nm以下で、それらが凝集した平均粒径は34nmとなっている。 6 is an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) image of the sample obtained in Example 1. FIG. The primary particles of the metal nanoparticles in the sample have a particle size of 10 nm or less, and the aggregated average particle size is 34 nm.
(比較例1)
パルスパワー発生装置206として、図7に示すコンデンサ放電回路を有するものを用いて、金属ナノ粒子を製造した。パルスパワー発生装置206の構成を変え、アーク放電発生時間を20μsとした以外は、実施例1と同様の条件で行った。
(Comparative example 1)
As the
図7のコンデンサ放電回路は、コンデンサ209A、209Bの充電を行い、サイラトロンスイッチ素子208で極性を反転させることにより、容器201内の金属電極202A、202B間に2倍の電圧が印加されるように構成されている。
The capacitor discharge circuit of FIG. 7 charges the
(比較例2)
容器201内の圧力を0.10MPaとし、それ以外は比較例1と同様の条件で、金属ナノ粒子を製造した。
(Comparative example 2)
Metal nanoparticles were produced under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the pressure in the
比較例1、2で得られたサンプルに対し、XRDの分析を行った。図8、9は、それぞれ比較例1、2に対応する分析結果を示すグラフである。それぞれのグラフの横軸、縦軸については、図4、5と同様である。グラフ内の丸印(○)、四角印(◇)で示すピークは、それぞれ、ZnO、Zn5(OH)8(NO3)2(H2O)2に対応している。 The samples obtained in Comparative Examples 1 and 2 were analyzed by XRD. 8 and 9 are graphs showing analysis results corresponding to Comparative Examples 1 and 2, respectively. The horizontal and vertical axes of each graph are the same as in FIGS. The peaks indicated by circles (○) and squares (◇) in the graph respectively correspond to ZnO and Zn 5 (OH) 8 (NO 3 ) 2 (H 2 O) 2 .
図8、9のグラフにおいても、図5のグラフと同じ回折角でのピークの分布が見られ、それらのピーク比が図5のグラフと同程度であることが分かる。つまり、図8、9のグラフも、図5のグラフで示されるZnOのピークを含んでおり、比較例8、9のいずれにおいてもZnOが生成されていることが分かる。 In the graphs of FIGS. 8 and 9 as well, the distribution of peaks at the same diffraction angles as in the graph of FIG. 5 can be seen, and it can be seen that their peak ratios are approximately the same as in the graph of FIG. That is, the graphs of FIGS. 8 and 9 also include the ZnO peak shown in the graph of FIG.
図10(a)、(b)は、それぞれ比較例1、2で得たサンプルのFE-SEM画像である。 10(a) and (b) are FE-SEM images of the samples obtained in Comparative Examples 1 and 2, respectively.
実施例1~3、比較例1、2で得られたサンプルについて、含有されているZnO粒子の粒径(平均粒径)および存在比(含有比率)を測定した。測定結果を表1に示す。 For the samples obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the particle size (average particle size) and abundance ratio (content ratio) of the ZnO particles contained were measured. Table 1 shows the measurement results.
ブルームライン放電回路を用いた実施例1では、アーク電流値を100A以上とし、かつアーク放電発生時間を1μs以下としたことによって、平均粒径が34nmのZnO粒子を90%以上の割合で含む、結晶性の高いサンプルが得られている。得られたZnO粒子には、粒径10nm以下のものが含まれている。一方、コンデンサ放電回路を用いた比較例1、2では、回路の性質上、アーク放電発生時間が1μAより長くなってしまうため、いずれも結晶性は高いが、平均粒径が実施例1のZnO粒子よりも大きいサンプルが得られている。 In Example 1 using the Blumlein discharge circuit, the arc current value was set to 100 A or more and the arc discharge generation time was set to 1 μs or less, so that ZnO particles having an average particle size of 34 nm were included in a ratio of 90% or more. A highly crystalline sample was obtained. The obtained ZnO particles include those with a particle size of 10 nm or less. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2 using a capacitor discharge circuit, the arc discharge generation time is longer than 1 μA due to the nature of the circuit. Samples larger than particles have been obtained.
100・・・金属ナノ粒子の製造装置
101、121・・・容器
102、102A、102B、122A、122B・・・金属電極
103・・・調圧手段
104・・・ガス供給手段
105・・・温度制御手段
106、126・・・パルスパワー発生装置
107、127・・・電源
108、128・・・スイッチ素子
109、129・・・ブルームライン線路
109A・・・内方導体
109B、109B1、109B2、109B、109B1、109B2・・・外方導体
110、111、120・・・整合抵抗素子
REFERENCE SIGNS
Claims (3)
前記金属元素を含む2つの電極の間に、前記非金属元素を含む雰囲気ガスが導入された状態で、パルスアーク放電を、ブルームライン放電回路を用いて発生させる工程を有し、
前記パルスアーク放電において、アーク電流値を100A以上とし、アーク放電発生時間を1μs以下とし、
前記ブルームライン放電回路において、ブルームライン線路の長さを0.1m以上とし、
前記金属元素を亜鉛とし、前記非金属元素を酸素とし、
前記金属ナノ粒子を酸化亜鉛の粒子であるとし、
前記パルスアーク放電を、圧力を0.01MPa以上0.05MPa以下の範囲に調圧した容器内で発生させることを特徴とする金属ナノ粒子の製造方法。A method for producing metal nanoparticles composed of a metal element and a non-metal element, comprising:
A step of generating a pulsed arc discharge using a Blumlein discharge circuit in a state in which the atmospheric gas containing the non-metallic element is introduced between the two electrodes containing the metallic element;
In the pulse arc discharge, the arc current value is set to 100 A or more, the arc discharge generation time is set to 1 μs or less,
In the Blumlein discharge circuit, the length of the Blumlein line is 0.1 m or more ,
The metallic element is zinc, the non-metallic element is oxygen,
Assuming that the metal nanoparticles are particles of zinc oxide,
A method for producing metal nanoparticles , wherein the pulsed arc discharge is generated in a container in which the pressure is adjusted to a range of 0.01 MPa or more and 0.05 MPa or less .
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