JP7301300B1 - 多孔質炭素材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡便な方法で多孔質炭素材料前躯体中のケイ素やケイ素酸化物を十分に除去することにより、より細孔が発達した多孔質炭素材料及びその製造方法並びに吸着剤を提供する。【解決手段】植物由来の材料を不活性ガス雰囲気中で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を、３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理することにより製造される、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料に関する。【選択図】図１
Description
本発明は、多孔質炭素材料の製造方法に関する。
多孔質炭素材料は、吸着剤（活性炭）として利用されているが、吸着性能をより高めることが望まれている。多孔質炭素材料には、様々な大きさの細孔が形成されているが、一般に、マクロ孔（直径５０ｎｍ以上） 、メソ孔（直径２ｎｍ～５０ｎｍ）、マイクロ孔（直径２ｎｍ以下）に分類される。
とりわけ、メソ孔（直径が２～５０ｎｍ）が発達することが望ましいと考えられる。植物由来の材料を熱処理により炭素化して多孔質炭素材料を調整し、吸着剤に用いことが行われている。植物由来の材料には、ケイ素（Ｓｉ）が５重量％以上含まれており、ケイ素成分を取り除くことにより、細孔の形成が促進され、とりわけメソ孔が形成されることが示されている（特許文献１）。
特許文献１では、植物由来の材料を８００℃～１４００℃にて炭素化するが、炭素化の際に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などのケイ素酸化物が形成されるので、酸又はアルカリで処理してケイ素酸化物を除去し、その多孔質炭素材料が商品化されている。
通常の活性炭等の吸着剤では、微細なマイクロ孔が多いため、高分子物質やタンパク質やウイルスを吸着する性能が十分ではないが、上記の商品「トリポーラス」（登録商標）では、マイクロ孔よりも大きなメソ孔が多数存在しているため、高分子物質やタンパク質やウイルスを吸着する性能に優れている。
特許文献２には、植物由来の有機物を炭素化する前にタールやその他の揮発分を予め除去し、その後不活性ガス雰囲気中又は減圧下で３００℃～８００℃で予備焼成して炭素前躯体を製作し、その炭素前躯体を不活性ガス雰囲気中で７００℃～１５００℃の温度で炭素化して電極用炭素質材料にする技術が開示されている。
しかし、特許文献１のように、熱処理した後に酸又はアルカリで処理してケイ素酸化物を除去する方法では、ケイ素酸化物が存在する細孔内に酸又はアルカリが十分に充填され難いため、ケイ素酸化物を十分に除去できず、ある程度残ってしまうという傾向にあった。しかも、８００℃～１４００℃にて炭素化するため、融点が１７１０℃のＳｉＯ２を蒸発させて除去することもできない。その結果、細孔の形成が十分に行われないという問題があった。
特許文献２の技術では、炭素前駆体を不活性ガス雰囲気中で７００℃～１５００℃の温度で炭素化するため、二酸化ケイ素等の蒸発が起こらないため、細孔の形成が十分に行われないという問題があった。
本発明の目的は、簡便な方法で多孔質炭素材料前躯体中のケイ素やケイ素酸化物を十分に除去することにより、より細孔が発達した多孔質炭素材料の製造方法を提供することである。
請求項１の多孔質炭素材料の製造方法は、植物由来の材料を不活性ガス雰囲気中で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を、３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理し、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料を製造することを特徴としている。
上記の構成によれば、多孔質炭素材料前躯体を３００Ｐａ以下の減圧下においてケイ素酸化物の融点（１７１０℃）に近い１７００℃以上の温度で加熱処理するため、細孔内のケイ素酸化物が溶融して蒸発が促進されて、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料が得られる。その結果、空またはほぼ空の細孔の細孔容積が拡大するうえ細孔の数を著しく増加させることができる。
多孔質炭素材料前躯体から多孔質炭素材料を製造する製造工程を簡便にしつつケイ素酸化物を十分に除去することにより、細孔容積と数の面でより細孔が発達した多孔質炭素材料を製造することができる。
このような多孔質炭素材料は、カーボンナノチューブ、フラーレンの回収、種々の物質の吸着、ウイルスの捕獲などに活用できる吸着剤しても活用することができる。
このような多孔質炭素材料は、カーボンナノチューブ、フラーレンの回収、種々の物質の吸着、ウイルスの捕獲などに活用できる吸着剤しても活用することができる。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明に係る多孔質炭素材料は、植物由来の材料を不活性ガス雰囲気中で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を、３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理することにより、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料にしたものである。
本発明に係る多孔質炭素材料は、植物由来の材料を不活性ガス雰囲気中で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を、３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理することにより、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料にしたものである。
本発明に係る吸着剤は、上記の多孔質炭素材料を主成分とするものである。
本発明に係る多孔質炭素材料の製造方法は、植物由来の材料を不活性ガス雰囲気中で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を、３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理し、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料を製造する方法である。
本発明に係る多孔質炭素材料の製造方法は、植物由来の材料を不活性ガス雰囲気中で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を、３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理し、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料を製造する方法である。
前記多孔質炭素材料前躯体の製造方法は、特許第４６１８３０８号公報等に記載されている方法と同様の周知技術であるので簡単に説明する。
粉砕した籾殻又は藁を不活性ガス雰囲気中で３００℃～１０００℃で３時間加熱処理して炭化物にする。この炭素化処理によりタール成分をほぼ除去することができる。
次に、上記の炭化物をＣＯ２ 又はＨ２Ｏ雰囲気中で７００℃～９００℃で３時間不活化処理することで多孔質炭素材料前躯体を得ることができる。
粉砕した籾殻又は藁を不活性ガス雰囲気中で３００℃～１０００℃で３時間加熱処理して炭化物にする。この炭素化処理によりタール成分をほぼ除去することができる。
次に、上記の炭化物をＣＯ２ 又はＨ２Ｏ雰囲気中で７００℃～９００℃で３時間不活化処理することで多孔質炭素材料前躯体を得ることができる。
上記の多孔質炭素材料前躯体には、多数のマイクロ孔と多数のメソ孔（直径が２ｎｍ～５０ｎｍ）が形成されており、それらの細孔から単体のＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＣ等が完全には除去されず、それらが残留した状態になっている。当該多孔質炭素材料前躯体の細孔容積は、約０．６８ｃｍ３／ｇであった。
そこで、上記の多孔質炭素材料前躯体を３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理することにより製造される多孔質炭素材料における単体のＳｉとＳｉＯ２を蒸発にて減少させ、細孔のＳｉＯ２の含有量を１．０質量％以下にし、細孔容積を０．７ｃｍ３／ｇ以上に増大させることができる。
尚、上記の多孔質炭素材料前躯体を製造する方法は一例を示すものであり、その他の公知の種々の方法で製作することができる。
尚、上記の多孔質炭素材料前躯体を製造する方法は一例を示すものであり、その他の公知の種々の方法で製作することができる。
次に、多孔質炭素材料及びその製造方法の実施例について説明する。
内径５０ｍｍ、高さが２０ｍｍの円筒形状の人造黒鉛製の坩堝に、上記の多孔質炭素材料前躯体を約１０ｇ入れた。
その後、坩堝の上端は人造黒鉛製の円板で蓋をした。次に、内部に上記の多孔質炭素材料前駆体を入れた坩堝を真空加熱電気炉内に配置した。
次に、２０～１００Ｐａの中真空下に１８００℃で１時間加熱処理し、多孔質炭素材料を製造した。前記の多孔質炭素材料前躯体（使用材料）と、それを加熱処理して得られた多孔質炭素材料に含まれるシリコン（Ｓｉ）とその化合物に関する化学分析結果は表１のとおりである。
内径５０ｍｍ、高さが２０ｍｍの円筒形状の人造黒鉛製の坩堝に、上記の多孔質炭素材料前躯体を約１０ｇ入れた。
その後、坩堝の上端は人造黒鉛製の円板で蓋をした。次に、内部に上記の多孔質炭素材料前駆体を入れた坩堝を真空加熱電気炉内に配置した。
次に、２０～１００Ｐａの中真空下に１８００℃で１時間加熱処理し、多孔質炭素材料を製造した。前記の多孔質炭素材料前躯体（使用材料）と、それを加熱処理して得られた多孔質炭素材料に含まれるシリコン（Ｓｉ）とその化合物に関する化学分析結果は表１のとおりである。
図１は、表１の内容をグラフ化した図である。
多孔質炭素材料前躯体と多孔質炭素材料を化学分析したところ、全シリコン（Ｓｉ）は、１．９７重量％から１．０６重量％に減少した。ＳｉＯ２が３．７４重量％から０．３９重量％に顕著に低減した。
しかし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は若干増加した。これは、基材が炭素であるがために、ＳｉＯ２がＳｉＣへ還元、炭化されたためと推定される。このＳｉＣは大多数のメソ孔を含む細孔の壁面近傍に堆積しているものと推定される。
多孔質炭素材料前躯体と多孔質炭素材料を化学分析したところ、全シリコン（Ｓｉ）は、１．９７重量％から１．０６重量％に減少した。ＳｉＯ２が３．７４重量％から０．３９重量％に顕著に低減した。
しかし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は若干増加した。これは、基材が炭素であるがために、ＳｉＯ２がＳｉＣへ還元、炭化されたためと推定される。このＳｉＣは大多数のメソ孔を含む細孔の壁面近傍に堆積しているものと推定される。
ここで、上記の化学分析及び細孔の測定について簡単に説明する。。
多孔質炭素材料前躯体に含まれる単体Ｓｉ、ＳｉＣ及びＳｉＯ２ について定量分析した。
上記の３者に含まれる全Ｓｉについては、ＩＣＰ発光分光分析装置（株式会社 島津製作所製 ＩＣＰ―９０００）を用いて測定した。単体Ｓｉについては、水素発生－ガス容量法装置を用いて、水素ガス発生量をＪＩＳ Ｒ ２０１１に準拠して測定することで求めた。ＳｉＣについては、燃焼炎を赤外線吸収法（ＪＩＳ Ｒ ２０１１に準拠）にて測定した。ＳｉＯ２ については、全Ｓｉから（ＳｉＣ＋単体Ｓｉ）を減算することで求めた。
多孔質炭素材料前躯体に含まれる単体Ｓｉ、ＳｉＣ及びＳｉＯ２ について定量分析した。
上記の３者に含まれる全Ｓｉについては、ＩＣＰ発光分光分析装置（株式会社 島津製作所製 ＩＣＰ―９０００）を用いて測定した。単体Ｓｉについては、水素発生－ガス容量法装置を用いて、水素ガス発生量をＪＩＳ Ｒ ２０１１に準拠して測定することで求めた。ＳｉＣについては、燃焼炎を赤外線吸収法（ＪＩＳ Ｒ ２０１１に準拠）にて測定した。ＳｉＯ２ については、全Ｓｉから（ＳｉＣ＋単体Ｓｉ）を減算することで求めた。
細孔の測定は、ガス吸着試験装置（Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 Ａｕｔｏｓｏｒｂ ｉＱ―ＸＲ－ＸＲ（２ Ｓｔａｔ．）Ｖｉｔｏｎを用いて行った。測定サンプル、約０．０３～０．０７ｇをサンプル管に入れた。
先ず、測定前処理として、測定サンプルを約１２０℃で数時間かけて加熱及び脱気した。測定は液体窒素で７７Ｋとし、窒素ガスを吸着ガスとして用いて常法に従って行った。細孔容積はＢＥＴ法によって求めた。
先ず、測定前処理として、測定サンプルを約１２０℃で数時間かけて加熱及び脱気した。測定は液体窒素で７７Ｋとし、窒素ガスを吸着ガスとして用いて常法に従って行った。細孔容積はＢＥＴ法によって求めた。
図２は、上記の加熱処理のタイムチャートを示す。
加熱処理前の多孔質炭素材料前躯体のメソ孔には単体Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２ などが残留しており、中真空中において１８００℃で１時間加熱処理することで、融点が１７１０℃のＳｉＯ２の大部分が融解して蒸発する。また、融点が１４１０℃の単体のＳｉの大部分も融解して蒸発する。
加熱処理前の多孔質炭素材料前躯体のメソ孔には単体Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２ などが残留しており、中真空中において１８００℃で１時間加熱処理することで、融点が１７１０℃のＳｉＯ２の大部分が融解して蒸発する。また、融点が１４１０℃の単体のＳｉの大部分も融解して蒸発する。
上記の加熱処理により形成されるＳｉＣ、ＣＯ２、ＳｉＯ２の反応式と、反応熱を次の表２に示す。ΔＧは、１０００℃におけるギブスの自由エネルギーである。値が大きくなると反応しにくい。ＳｉＣが最も形成されにくく、次いでＣＯ２でありＳｉＯ２が最も形成されやすい。ＳｉＣが最も形成されにくいので、ＳｉＯ２の全量が容易にＳｉＣになったとは考えにくく、一部がＳｉＣとなり残りのＳｉＯ２が蒸発したものと考えられる。
図３は、加熱処理の為に３０℃／ｍｉｎの加熱速度で昇温する時の坩堝内の真空度を示すものである。坩堝内温度が８００℃から１８００℃まで変化する間に、真空度が、２０Ｐａから１００Ｐａまで徐々に悪くなり、その後再び１０Ｐａまで真空度は高くなった。上記の真空度の変化は、主にＳｉＯ２
と単体のＳｉの蒸発によるものである。
図４は、多孔質炭素材料前躯体（原料）と多孔質炭素材料の細孔直径に対する細孔分布の変化（細孔度数）を定性的に示すものである。
図４の丸印１は、多孔質炭素材料ではメソ孔（孔径２ｎｍ～５０ｎｍ）の容積が増加することを示している。これは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、メソ孔を含む細孔に残留していたＳｉＯ２の蒸発・除去によるものと推定される。
図４の丸印２は、多孔質炭素材料前躯体には殆ど存在しなかったメソ孔が多数形成されることを示すものである。これは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、原料のメソ孔を含む細孔に部分充填又は満充填していたＳｉＯ２の蒸発・除去によるものと推定される。
図４の丸印１は、多孔質炭素材料ではメソ孔（孔径２ｎｍ～５０ｎｍ）の容積が増加することを示している。これは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、メソ孔を含む細孔に残留していたＳｉＯ２の蒸発・除去によるものと推定される。
図４の丸印２は、多孔質炭素材料前躯体には殆ど存在しなかったメソ孔が多数形成されることを示すものである。これは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、原料のメソ孔を含む細孔に部分充填又は満充填していたＳｉＯ２の蒸発・除去によるものと推定される。
図６に示すように、細孔の壁面近傍にＳｉＣが堆積し、細孔直径がＤからｄへ減少することが推定される。細孔内で融解したＳｉＯ２は、その濡れ性（表面張力）により細孔の壁面近傍に堆積してＳｉＣに変化するもの推定される。これによって、気孔直径は全体的に小さくなる可能性がある。
以上の多孔質炭素材料前躯体に施した減圧加熱処理（１８００℃、１時間、中真空）の作用効果について、次のように結論付けることができる。
（ａ）熱処理中の真空度は、１０００℃～１７００℃の範囲で低下した。これは、この温度域でガスが発生していることを示している。
（ｂ）化学分析の結果、ＳｉＯ２は大きく減少した。これは、ＳｉＯ２ が蒸発により減少したためである。ＳｉＣは若干の増加を示した。これは、基材が炭素であるが故にＳｉＯ２ がＳｉＣに還元・炭化されたためと推定される。
（ａ）熱処理中の真空度は、１０００℃～１７００℃の範囲で低下した。これは、この温度域でガスが発生していることを示している。
（ｂ）化学分析の結果、ＳｉＯ２は大きく減少した。これは、ＳｉＯ２ が蒸発により減少したためである。ＳｉＣは若干の増加を示した。これは、基材が炭素であるが故にＳｉＯ２ がＳｉＣに還元・炭化されたためと推定される。
（ｃ）図４に示すように、熱処理後には新たなサイズの細孔が出現すると考えられる。これは、多孔質炭素材料前躯体に残留していた単体ＳｉとＳｉＯ２
が除去されたためと考えられる。
（ｄ）細孔の壁面近傍へのＳｉＣの形成による細孔直径の減少により、細孔直径は全体的に小さくなる可能性がある。
（ｄ）細孔の壁面近傍へのＳｉＣの形成による細孔直径の減少により、細孔直径は全体的に小さくなる可能性がある。
以上説明した多孔質炭素材料は、植物由来の材料を８００℃～１４００℃で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を、３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理することにより、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料にしたものである。
この多孔質炭素材料では、細孔に占めるメソ孔の割合が多いため、種々の高分子物質や種々のタンパク質の吸着、種々のウイルスの捕獲、カーボンナノチューブやフラーレンの回収等に利用できる材料（吸着剤）として有用である。
上記の多孔質炭素材料の製造方法は、植物由来の材料を８００℃～１４００℃で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理し、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料を製造するものであり、多孔質炭素材料前躯体を減圧下に加熱処理することで多孔質炭素材料を製造することができるため、簡単な低コストの方法で多孔質炭素材料を製造することができる。
次に、前記実施形態を変更する変更例について説明する。
（１）前記多孔質炭素材料前躯体を製造する方法は、前記の方法に限るものではなく、既存の種々の方法で製造することができる。
また、多孔質炭素材料前躯体の原料も、籾殻や藁に限らず、セルロースを含有する種々の植物由来の材料（例えば、野菜、穀物、材木、果実殻等）を利用することができる。
（１）前記多孔質炭素材料前躯体を製造する方法は、前記の方法に限るものではなく、既存の種々の方法で製造することができる。
また、多孔質炭素材料前躯体の原料も、籾殻や藁に限らず、セルロースを含有する種々の植物由来の材料（例えば、野菜、穀物、材木、果実殻等）を利用することができる。
（２）前記多孔質炭素材料は、種々の有機物や無機物、タンパク質、細菌、ウイルス、
種々のガス分子等を吸着する吸着剤として利用できるものであり、特にクライオポンプのガス吸着用の吸着剤として有用なものである。
種々のガス分子等を吸着する吸着剤として利用できるものであり、特にクライオポンプのガス吸着用の吸着剤として有用なものである。
Claims (1)
- 植物由来の材料を不活性ガス雰囲気中で炭素化して得られる多孔質炭素材料前躯体を、３００Ｐａ以下の減圧下において１７００℃以上の温度で加熱処理し、二酸化ケイ素の含有量が１．０質量％以下の多孔質炭素材料を製造することを特徴とする多孔質炭素材料の製造方法。
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