JP7312393B2 - 炭素素材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、植物性原料を炭素源として、短時間により多くのグラフェンを製造する製造方法及びその方法により製造されたグラフェンに関するものである。

従来からナノカーボンを製造する方法には、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等がある。その中でも量産化される方法として知られているのは化学気相成長法（ＣＶＤ法）の一種であるスーパーグローズ法により、単相のカーボンナノチューブが量産化されている。

例えば、特許文献１には、有機物処理材料を熱分解してタール混入熱分解液を回収する熱分解液回収手段と、回収したタール混入熱分解液からタール分を除去する熱分解液タール分除去手段と、タール分を除去した熱分解液からナノカーボンを生成するナノカーボン生成手段とを有し、有機物処理材料からナノカーボンを製造することを特徴とするナノカーボン製造装置の発明が挙げられる。

例えば、特許文献２には、中心部に貫通孔を有した仕切り板により仕切られた還元雰囲気の熱分解室及びナノカーボン生成室を有する回転ドラムと、ナノカーボン生成室内に配置されたナノカーボン生成板と、回転ドラムの外周部に配置された電気ヒータと、熱分解室にバイオマス原料又は廃棄物を供給する原料供給手段と、ナノカーボン生成板に生成されたナノカーボンを掻き取る掻取り手段とを具備し、熱分解室でバイオマス原料又は廃棄物を熱分解し、炭化水素を含んだ熱分解ガスをナノカーボン生成室へ送り、このナノカーボン生成室内でナノカーボン生成板と熱分解ガスを還元雰囲気で接触させてナノカーボン生成板にナノカーボンを生成して成長させることを特徴とするナノカーボン製造装置の発明が挙げられる。

例えば、特許文献３には、カーボンナノホーンを含む焼結体の製造方法であって、 流体中のアーク放電により製造されたカーボンナノホーンを含む予備成形体を、１０００℃以上の温度に加熱し加圧して焼結する焼結工程、を備える製造方法の発明が挙げられる。

特開２００９－２４２１８０号公報 特開２０１０－０４２９３５号公報 国際公開ＷＯ２０１３／０５８３８２号公報

特許文献３のように化石由来の原料からグラフェンを製造する方法があるが、二酸化炭素低減の観点から、特許文献１及び２は、化石由来の原料を使用せずに、バイオマス材料を使用してグラフェンを得ることが可能である。
バイオマス材料は、グラファイトや炭化水素ガスに比較して低コストであり、安価に原料を調達することも可能である。
しかしながらバイオマス材料にはシリカ等が含まれることが知られており、このシリカの除去について課題が多く存在していた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ナノカーボンの素材であるグラフェンの大量生産に適した製造方法を提供し、及びこの製造方法を使用し高純度なグラフェンを提供することにある。

植物性原料を乾燥し、粉砕して炭素源を得る前処理工程と、
前記炭素源を炭化し炭化物を得る炭化工程と、
前記炭化工程で得られた前記炭化物からシリカを含む不純物を除去する精製工程と、
を含み、
前記炭化工程は、チャンバー内に不活性ガスを供給し、前記チャンバー内の前記炭素源をプラズマ雰囲気において加熱する加熱工程と、
を含むことを特徴とする。

以上の特徴により、本発明は、多量のグラフェンを安価に且つ短時間で効率よく製造することが可能であって、純度の高いグラフェンの製造が可能である。

実施形態の製造工程を示すプロセスフローを示す図である。 実施形態のプラズマ装置の構成を示す概要図である。 実施形態の他の形態のプラズマ装置の構成を示す概要図である。 実施形態の不純物除去装置の構成を示す概要図である。 実施形態の炭化炉装置の構成を示す概要図である。 実施形態の製造工程における炭化源の温度と炭化物の理論収率との関係を示す図である。 本発明の製造装置で得られた炭化物の電子顕微鏡写真である。 本発明の製造装置で得られた炭化物の電子顕微鏡写真である。 本発明の製造装置で得られた炭化物の電子顕微鏡写真である。 本発明の製造装置で得られた炭化物の電子顕微鏡写真である。 鉱物から生成したグラフェンのＳＥＭ像である。 鉱物から生成したグラフェンのＳＥＭ像である。 本発明の製造装置で得られた最終生成物のラマンスペクトルである。 実施形態の炭化物製造装置の構成を示すブロック図である。 実施形態の炭化物製造装置の構成を示す概要図である。 実施形態の炭化物製造装置の一部を現す断面図である。 実施形態の炭化物製造装置の一部を現す概要図である。 実施形態のグラフェンの黒鉛化度と温度の関係を現す概要図である。 本発明の製造装置で得られた炭化物となるグラフェンＢのラマンスペクトルである。 従来の鉱物から得られたグラフェンのラマンスペクトルである。

本発明にかかるグラフェンの製造方法及びその方法により製造されたグラフェンについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態及び図面は、本発明の実施形態の一部を例示するものであり、これらの構成に限定する目的に使用されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。

＜バイオマス材料＞
実施例１から実施例６によりグラフェンを製造するバイオマス原料である植物性原料について説明する。本発明は、食物の残渣や廃棄される植物性原料を使用して最終生成物であるグラフェンを製造する。植物性原料は、植物や木材等を使用するが、特に植物を収穫した際の残渣等の廃棄される植物性原料をグラフェンを製造する原料として使用すれば安価に、原料を入手することが可能である。

表１は、植物性原料の成分表である。表１は、最も左に示す原料を構成する成分の割合を以下右に百分率で示している。例えば、稲わらは、炭素（Ｃ）が３７．４％、窒素（Ｎ）が０．５３％、リン（Ｐ）が０．０６％、リン酸（Ｐ２Ｏ５）が０．１４％、カリウム（Ｋ）が１．７５％、カリ（Ｋ２Ｏ）が２．１１％、カルシウム（Ｃａ）が０．０５％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．１９％及びナトリウム（Ｎａ）が０．１１％となっている。

ここで、植物由来のケイ素含有の多孔質の植物性原料は、低温（３００℃以上且つ１０００℃以下）にて炭化しても実質的な変化がなく、ケイ素を除去することで細孔の配列を維持できる。植物性原料は、細胞が軸に沿って規則正しく配列し、細胞壁にケイ酸が沈積して肥厚している構造のものが多くある。そして、ケイ化細胞列の間には圧縮された狭い細胞列があり、炭素化後ケイ素等を除去することにより高い比表面積を有する炭素材料を得ることが可能である。上述したようにケイ酸が１３％以上且つ３５％以下と多くケイ酸が含まれるものが適している。ケイ酸が多すぎても得られるグラフェンが少なくなるため、２０％程度の範囲の植物性原料が良い。

炭素が多く含まれる植物性原料の例として表１に示しているが、稲わらの他に、小麦わら、大麦わら、米ぬか、もみ殻、そばわら、大豆わら、サツマイモのつる、カブの葉、ニンジンの葉、トウモロコシの稈、サトウキビ梢頭部、ヤシ粕、ピーナッツ殻、みかんの皮、レッド杉のおがくず、カラ松の樹皮及び銀杏の落ち葉がある。その他、残渣ではなく植物そのものを使用しても良い。

例えば、竹は、繊維素がセルロース、ヘミセルロース、リグニンで構成され、ミネラルが鉄、マグネシウム、カルシウム、マンガン、銅、ニッケル等から構成されている。また、竹の葉には焼成すると、シラノール基（Ｓｉ－ＯＨ）が抽出され、焼成の過程でＳｉＯ４となって抽出される。

表２、３は、本発明にて、上述した表１の植物性原料である炭素源９のうち、炭素材料を製造する方法で最も適している植物性原料のもみ殻の成分組成表である。表２は、原料を構成する成分の割合を百分率で示している。例えば、水分が８％～１０％、灰分が１０％～１８％、脂質が０．１％～０．５％、リグニンが１８％～２５％、ヘミセルロースが１６％～２０％、セルロースが３０％～３５％及びその他が５％～１０％である。このように、炭化物１９となる主な成分は、リグニン、ヘミセルロース、セルロースである。

表３は、表２に示す植物性原料である炭素源９の無機質の化学成分である。表２に示す植物性原料である炭素源９は、セルロース等の有機質が８０ｗｔ％であり、無機質は２０ｗｔ％である。表３の無機質の化学成分は、ＳｉＯ２が９２．１４ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３が０．０４ｗｔ％、ＣａＯが０．４８ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３が０．０３ｗｔ％、Ｋ２Ｏが３．２ｗｔ％、ＭｇＯが０．１６ｗｔ％、ＭｎＯが０．１８ｗｔ％、Ｎａ２Ｏが０．０９ｗｔ％となっている。表２に示す植物性原料である炭素源９は、無機質に酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が多く含まれている。

（グラフェン）
実施例１から実施例６により製造した炭化工程Ｓ２で得られた炭化物１９であるグラフェンを図７から図１０に示す。図７は、炭化工程Ｓ２で得られた炭化物１９であるケイ素（Ｓｉ）１４ｗｔ％を含むグラフェンＡの５０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図８は、炭化工程Ｓ２で得られた炭化物１９となるグラフェンＡの１００，０００倍の電子顕微鏡写真である。図９は、炭化工程Ｓ２で得られた炭化物１９となるケイ素（Ｓｉ）２４ｗｔ％を含むグラフェンＢの５０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図１０は、炭化工程Ｓ２で得られた炭化物１９となるグラフェンＢの１００，０００倍の電子顕微鏡写真である。グラフェンＡ又はグラフェンＢの粒子は、１５μｍから２２９μｍの分布の径を示し、分布の積算値の中央値で示すメジアン径で約１１０μｍである。グラフェンＡの比表面積は、１１２８．６（（ｃｍ２）平方センチメートル）/（ｃｍ３）立方センチメートル）であり、グラフェンＢの比表面積は、１６５１．８（（ｃｍ２）平方センチメートル）/（ｃｍ３）立方センチメートル）である。

図９及び図１０にみられるように、精製工程Ｓ３を行っていない炭化工程Ｓ２で得られたグラフェンは、ケイ素を多く含み、不活性ガス中で炭化される場合には、強還元されず、ＳｉＯ２－ｘとなり、芳香族の－ＯＨ基などと－Ｏ－Ｓｉ－Ｏ－Ｒの形で結合し、リグニン多糖複合体になり、Ｃ／ＳｉＯｘの形になりやすいと考えられる。
そのため、炭化工程Ｓ２で得られた炭化物１９は、電池材料の負極材に使用した場合には、サイクル容量が向上するという効果がある。
また、図７又は図８に示すように、炭化物１９は単層のナノレベルの微細な細孔が形成されていることが確認できる。そのため、金属イオン等を吸着しやすくと考えられる。

図１１は、従来の方法により鉱物から生成したグラフェンＣの５０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図１２は、従来の方法により鉱物から生成したグラフェンＣの１００，０００倍の電子顕微鏡写真である。ここで、電子顕微鏡写真の目盛りは、１０刻みでされ、１００，０００倍の電子顕微鏡写真は、１つの目盛りが、５０ｎｍであり、５０，０００倍の電子顕微鏡写真は、１つの目盛りが、０．１μｍである。図１３は、本発明の製造装置で得られた最終生成物のグラフェンのラマンスペクトルである。図１９は、本発明の製造装置で得られた炭化物１９となるグラフェンＢのラマンスペクトルである。図２０は、従来の鉱物から得られたグラフェンのラマンスペクトルである。図１３、図１９及び図２０は、ラマン分光装置により解析し、得られたデータは、横軸を波長（波数（Ｒａｍａｎ ｓｈｉｆｔ（ｃｍ－１）））、縦軸を強度とするラマンスペクトルである。

グラフェンは、炭素原子がｓｐ２混成軌道によるπ結合で、一平面上に六角形状に並ぶシート状の単原子膜である。図１１及び図１２は、鉱物から生成されたグラフェンＣは多層であるのに対し、図７から図１０及び図１３に示す本発明で生成されたグラフェンＡ、Ｂは、単層であって且つ非常に純度が高いグラフェンであることが確認できる。図１３、図１９及び図２０に示すように、グラフェンＡ及びグラフェンＢは、ラマンスペクトル法による波長のピークが緩やかであり、結晶性が低いことを示しており、それに対して従来の鉱物のグラフェンはピークが強く結晶性が高いことを示している。従って、グラフェンＡ及びグラフェンＢは、非結晶性の性質を持っている。

（実施例１）
＜プラズマ装置１＞
本実施例のプラズマ装置１０について図２を参照し説明する。図２は、本実施例のプラズマ装置１０の構成を示す概要図である。プラズマ装置１０は、主に、不活性ガス６、コントロール装置２０、チャンバー１、真空ポンプ３０から構成されている。

ガスボンベに収められる不活性ガス６は、主にアルゴンを使用したが、その他にヘリウム、ネオン、窒素等が挙げられる。不活性ガス６は、導入管７からガス量コントロール装置２１を経由し、チャンバー１に充填が可能である。ガス量コントロール装置２１は、不活性ガス６の流量を調整することが可能である。

チャンバー１は、制御弁２２と接続され、真空ポンプ３０によりチャンバー１内を真空状態に減圧が可能である。チャンバー１に接続され、チャンバー１内に不活性ガス６を導入している。制御弁２２とチャンバー１との間には、チャンバー１内の真空状態を大気圧に開放するリーク弁２３が設けられている。また、チャンバー１内の空気を導入する導出管８と真空ポンプ３０との間にも制御弁１４と、チャンバー１内の真空状態を大気圧に開放するリーク弁１５とが設けられている。

また、温度制御装置２４は、高周波電源４を制御し、チャンバー１内の温度保持や保持時間等を管理している。本実施例のプラズマ装置１０は、真空状態に近い低圧下に、作動ガスとして、不活性ガス６であるアルゴンガスを充填し、電極間であるカソード２及びアノード３間に高電流を流し、アーク放電により熱プラズマを得る方法である。このカソード２及びアノード３間には、カーボン製のるつぼ５が設置され、そのるつぼ５には後述する炭素源９が入っている。炭素源９は、アーク放電による熱プラズマにより３００℃から１０００℃の温度帯の加熱により、１０～３０分程度で炭化される。

（実施例２）
＜プラズマ装置２＞
実施例１のプラズマ装置１００について図３を参照し説明する。図３は、プラズマ装置１０と同じ構成を示す箇所には同じ符号を付し、同じ構成の箇所は説明を省略する。プラズマ装置１００は、主に、不活性ガス６、コントロール装置２０、チャンバー１、真空ポンプ３０から構成されている。主にプラズマ装置１０と異なる箇所は、熱プラズマを得
る方法として、プラズマ用の不活性ガス６を流し、４ＭＨｚの高周波磁場を高周波電源３２から高周波コイル３１に印加することにより、熱プラズマを発生している点である。炭素源９は、熱プラズマにより３００℃から１０００℃の温度帯の加熱により、１０～３０分程度で炭化される。

以上のようなプラズマ装置１０、１００を使用することにより熱分解が困難なリグニンであっても分解が可能である。
尚、上述したプラズマ装置の他にバリヤ放電、コロナ放電、パルス放電、直流放電型により熱プラズマを得る方法がある。

図４は、上述したプラズマ装置１０、１００により炭素源９を炭化した炭化物１９から酸化ケイ素（ケイ素）等の不純物を除去する不純物除去装置４０の例である。
加熱炉４ １ は、炉４２を２０００ ℃ 近くまで加熱することが可能である。大型るつぼ５０には、蓋５１が付いており、壺５２の内部に小型るつぼ６０と活性炭５３が入っている。小型るつぼ６０は、壺６２中に炭化物１９の上方に水酸化カリウム（ＫＯＨ）１８を入れ、蓋６１を設けている。小型るつぼ６０及び大型るつぼ５０は、安定したファインセラミック材料等が考えられ、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３等が使用される。

（実施例３）
実施例１と同じ構成については同様の符号を付して説明を省略する。図５に
実施例１で説明したとおり前処理工程Ｓ１にて植物性原料から生成した炭素源９及び酸化抑制物質７０を釜８３に入れる。ここで、炭素源９は釜８３の容量の１／１０～２／３程度の容量を入れるのが好ましい。前処理工程Ｓ１は、造粒剤を使用せず、ミル等で粉砕するだけでも良い。

ここで、酸化抑制物質７０は、燃焼時に酸化を防ぐため酸素濃度を抑えながら燃焼させる物質であれば良く、ハロゲン化物（ハロン２４０２、ハロン１２１１、ハロン１３０１）のガスや液体を混入させ燃焼させても良い。
その後、燃焼炉８０の路８１内の雰囲気を８０００℃以上にし、炭素源９を２０気圧及び４００℃以上及び９００℃以下の条件で３時間燃焼させる。

（実施例４）
＜プロセスフロー１＞
図１を参照し、上述した実施例２を中心にグラフェンを製造する方法について製造工程を説明する。図１は、実施形態の製造工程を示すプロセスフローを示す図である。
先ず、前処理工程Ｓ１は、上述のように植物性原料を乾燥した後、植物性原料を粉砕し、その粉砕した植物性原料と造粒剤を１０対１の割合に、水を混ぜ合わせて植物性原料を適度な大きさにして練り合わせ、ホットプレート等の乾燥装置の上で１００℃近くに加熱し水分を蒸発させて炭素源９を生成する。ここで、粉砕方法は、ミル、ミキサー、グラインダー等が挙げられる。

次に、炭化工程Ｓ２を説明する。前処理工程Ｓ１で炭素源９を０．８ｇ程度をるつぼ５に入れて金属の網等で覆う。上述したプラズマ装置１０、１００の所定の加熱する位置にるつぼ５を配置する。チャンバー１内の圧を真空ポンプ３０により８０Ｐａまで減圧を行い、不活性ガス６をチャンバー１内に８から１０ｍｌ／分の流量により注入し、チャンバー１内は、１３００から１５００Ｐａの圧力に保たれている。尚、炭化工程Ｓ２は、実施例１及び実施例３を使用しても同様のグラフェンが製造可能である。

出願人は、図６に示すように、熱プラズマにより２００℃から１１００℃の温度の間を１００℃刻みにより炭化工程Ｓ２を行い、炭素源９を炭化する際の温度と収率を求めた。０．８ｇの炭素源９から得られた炭化物１９の重量を割り得られた値を図６に示している。６００℃から７００℃にて３６％と最も大きな収率が測定され、３００℃以上且つ１０００℃以下で比較的大きな収率が得られた。本測定では、稲わら、ぬか、ヤシ殻、もみ殻及びピーナッツ殻等を行ったが、同様の結果が得られた。

次に、精製工程Ｓ３を説明する。上記で得られた炭化物１９を１に対し、水酸化カリウム（ＫＯＨ）１８を５の比率の重量で混合し、図４に示す小型るつぼ６０の壺６２中に入れて蓋６１をする。また小型るつぼ６０は、大型るつぼ５０の中に収容し、周りに活性炭５３を埋設する。小型るつぼ６０内への酸素の侵入を防ぐために活性炭５３が埋設されている。加熱炉４１は、炉４２を９５０℃近くまでの温度にし、２～３時間程度焼成を行った。

ここで水酸化カリウム１８は、ケイ素の除去を促進させるため、グラフェン１１３の収率向上を挙げる観点から使用される。塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属水酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物、酸化ナトリウム、酸化カリウム等のアルカリ金属酸化物、酸化マグネシウム、酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属酸化物、硫化ナトリウム、硫化カリウムなどのアルカリ金属硫化物、硫化マグネシウム、硫化カルシウム等のアルカリ土類金属硫化物などが挙げられる。その他に、炭化しきれなかったリグニンは酸により塩酸、硫酸、ＰＴＳＡ、及び塩化アルミニウムからなる群から選ばれる１種又は２種以上の酸により除去することも考えられる。

水酸化カリウムと反応させた炭化物１９の内、ケイ酸は水酸化カリウム１８と反応し、ケイ酸カリウムとなり、水溶性である残った水酸化カリウム（ＫＯＨ）１８（図４）やケイ酸カリウムを水に溶かし、この混合液を濾紙セットし、真空や減圧した濾過器に通すことにより酸化ケイ素（ケイ素）を除去する。そして、乾燥させた精製工程Ｓ３では、最初の植物性原料を造粒したときと比較して約１／８～１／１０の重量の最終生成物となるグラフェン１１３の生成が可能であった。

（実施例５）
本実施例は、図１４から図１７を参照し、上述した炭化物１９を製造するプラズマ装置１０、１００を元に、更に量産化を進めた炭化物製造装置２００である。
炭化物製造装置２００は、主に量産が可能なように、透視可能な石英管２０３の内部に植物性原料である炭素源９を収容するカーボン又はカーボンの複合材料により形成した複数の収納箱２０５を設けている。

先ず、図１４及び図１５を参照し、炭化物製造装置２００について説明する。左フランジ２３１と右フランジ２３２の間に透明な円柱状の石英管２０３を設けている。左右のフランジ２３１、２３２により、石英管２０３の内部を真空状態や低圧状態に保つことが可能なように密封及び開放が可能である。また、石英管２０３は、左右のフランジ２３１、２３２の開放された一方から脱着可能である。左右のフランジ２３１、２３２は、水冷式の冷却機能を備えている。
尚、石英管２０３は、左右のフランジ２３１、２３２の両側から挟み込むように脱着及び固定する方法であっても良い。

図１４に示すように右フランジ２３２は、不活性ガス２１７や燃焼用ガス２１８の流量を制御する制御弁２２４と接続される配管と接続され、不活性ガス２１７又は燃焼用ガス２１８を石英管２０３の内部に満たすことが可能である。また、右フランジ２３２は、低真空圧力計２１９と接続し、左フランジ２３１は、フィルタ２２１を経由し、圧力制御バルブ２２２や制御弁２２４と接続している。

また、制御弁２２４は、工程に応じ温度条件や燃焼時間に応じて不活性ガス２１７又は燃焼用ガス２１８を切り替えて石英管２０３内に流入することが可能である。
制御装置２１０は、圧力制御バルブ２２２や制御弁２２４と接続したドライポンプ２２３により、石英管２０３の内部の圧力を制御している。

図１４及び図１５に示すように、炭化物製造装置２００は、様々な温度を作り上げることが可能であり、植物性原料である炭素源９から炭素だけでなくシリカの抽出や上述した精製工程でも使用できるように高周波コイル２４０及び電気炉２５０を備えている。
高周波コイル２４０は石英管２０３の周囲を取り囲むように形成され、コイル２４３が支持されるコイル支持具２４２が駆動装置１（２１４）に固定されている。その駆動装置１（２１４）は、レール２３６に沿って、Ｘ、－Ｘ方向へ移動を行う。駆動装置１（２１４）は、モータが使用されている。尚、モータの替わりにリニヤ駆動等であっても良い。

上述した実施例２のプラズマ装置１００と、原理や製造過程は同じであるが、高周波コイル２４０は、Ｘ、－Ｘ方向への移動が可能である点が異なり、一度設置すれば炭素源９を収容する複数の収納箱２０５を順次炭化させることが可能であるため、一度に多くの炭素源９を炭化させることが可能である。主に、製造工程では上述した図１のＳ２の炭化工程で活用が可能である。
また、高周波コイル２４０は、コイル２４３の近傍にコイル２４３から発する電磁波の影響を少なくするため遮蔽板２４１を備えている。

炭化物製造装置２００は、不活性ガス２１７を流し、４ＭＨｚの高周波磁場を高周波電源２１２から高周波コイル２４０に印加することにより、図６に示すように熱プラズマを発生させ３００℃以上且つ１０００℃以下で比較的大きな収率が得られた。
以上のような高周波コイル２４０と不活性ガス２１７を使用することにより熱分解が困難なリグニンであっても分解が可能である。また、製造工程において毒性のある物質等が発生しない点、量産化するには最適である。
尚、上述したプラズマ装置の他にバリヤ放電、コロナ放電、パルス放電及び直流放電型により熱プラズマを得る方法がある。

高周波電源２１２は、コイル２４３や電源を冷却するための水冷の冷却装置２１３が設けられている。また、石英管２０３内にて燃焼時に発生するタール成分等がドライポンプ２２３に影響を及ぼさないために、不織布、綿、紙等で形成したフィルタ２２１を設けている。

また、図１４に示す温度制御装置２１１は、図１５に示しように熱電対２３５が各々の収納箱２０５に近接して設けられている。従って、これら温度制御装置２１１から得られた情報により制御装置２１０は、所望する温度により炭化させることが可能である。特に温度により収率が異なるために温度管理が重要であると共に、炭化物製造装置２００は、温度を制御することにより植物性原料から炭化物１９の抽出だけでなくシリカを多く抽出することも可能である。

電気炉２５０は、石英管２０３の周囲を取り囲むように形成され、駆動装置２（２１６）に固定されている。その駆動装置２（２１６）は、レール２３６に沿って、Ｘ、－Ｘ方向へ移動を行う。駆動装置２（２１６）は、モータが使用されている。尚、モータの替わりにリニヤ駆動等であっても良い。

電気炉２５０は、ジュール熱を利用するような、備えられる発熱体からの熱により２０００℃近くまで温度を上げることが可能であり、燃焼用ガス２１８を供給しながら石英管２０３内を炭素源９や炭化物１９を精錬させる際に燃焼させることが可能である。
また、燃焼用ガス２１８は燃焼の支援用として用いられ、燃焼用ガス２１８は酸素等が考えられる。主に図２２に示す精製工程Ｓ２－１での工程で使用され、１０００℃近くでの燃焼時に使用される。

尚、電気炉２５０は、電磁誘導電流を利用する低周波誘導炉、渦電流を利用する高周波誘導炉、孤高の高熱を利用するアーク炉等でも良い。また、電気炉２５０は、燃焼用ガス２１８である酸素を供給し、燃焼することによりＣＯ２として除去し、本来透明である石英管２０３に付いた炭化物を除去し清掃することが可能である。そうすることにより、高周波コイル２４０による熱プラズマの温度低下を防ぐことが可能である。

次に、図１５から図１７を参照し、石英管２０３及び収納箱２０５について説明する。
図１６及び図１７に示すように、収納箱２０５は、炭素源９や炭化物１９を収納するように上端が開放した箱状に炭素材料により形成されている。特に、炭化物製造装置２００は、上述したプラズマ装置１０、１００に比較して多くの量を炭化できるように収納箱２０５を複数個設けている。

表面に４隅に棒状の片が突出した上端片部２０８と、裏面に両端の上方に突出した片状の下端片部２０７を複数設けた載置台２０６に、収納箱２０５は固定される。収納箱２０５は、下方の上端片部２０８と同じ位置に、上端片部２０８の片が挿入することが可能な穴が設けられ、その穴に上端片部２０８が嵌合し、収納箱２０５は載置台２０６に固定される。

収納箱２０５を固定した載置台２０６は、土台２０２に設けられた溝である土台溝２０４に沿って下端片部２０７を嵌合させ土台２０２に載置される。土台溝２０４は、収納箱２０５をずらして設置できるように、幅方向にＹ１分ずらして複数本設けられている。また、収納箱２０５は、幅方向だけでなく、図１５に示すようにＸ方向に所定間隔Ｘ１離間させて設けられている。

図１５及び図１６に示すようにＹ１方向又はＸ方向に収納箱２０５を離間させることにより、プラズマ熱による炭化の際に、炭化する目標以外の収納箱２０５が影響を受けることを極力防ぐようにしている。また、土台２０２は、温度制御を可能にするため、土台溝２０４の近傍に熱電対が固定できる空間となる熱電対収納スペース２０９を確保している。

図１６に示すように、石英管２０３は、透明な石英で形成した外径が１２５ｍｍ程度の円形の筒状に設けている。また、載置台２０２は、石英管２０３の内部の中心より下方に収納箱２０５を設置できる幅に形成されている。

炭化物製造装置２００は、炭素を得るように構成されているが、温度条件によりバイオマス材料からシリカの抽出を行うことも可能であり、特に非結晶シリカを製造することも可能である。また、上述した炭化工程Ｓ２だけでなく精製工程Ｓ３も電気炉２５０により可能である。そのため、同一の装置で様々な工程を温度管理しながら行うことが可能である。

以上の炭化物製造装置２００は、熱を与える部分である高周波コイル２４０又は電気炉２５０が移動し、収納箱２０５に収められる炭素源９に熱を与えるため、原料が移動するコンベア式と比較し、圧力制御が可能な空間内を容易に作り上げることができる。また、コンベア式は、コンベア等に必要な油分との化学反応が懸念され、不純物が混ざる要因ともなる。また、コンベア式と比較し、炭化物製造装置２００は、不活性ガスの混入等の装置が複雑になる等のコストが掛かる心配もない。炭化物製造装置２００は、石英管２０３の外部に設けられているため、外からの点検、整備作業も容易である。

また、１つの装置で、後述する燃焼工程Ｓ２又は精製工程Ｓ３の工程に使用することも可能である。更に、炭化物製造装置２００は、温度条件を変えれば、グラフェンも製造することも可能である。以上のように炭化物製造装置２００は、多機能な装置であるために生産効率だけでなく多用途にも応用が可能である。

（実施例６）
＜プロセスフロー２＞
図１を参照し、実施例５の炭化物製造装置２００を使用してグラフェンを製造する方法について製造工程を説明する。尚、上述した実施例４のプロセスフロー１内、前処理工程Ｓ１は、同じであるため省略する。

本実施例の図１４から図１７に示す炭化物製造装置２００を使用した場合の燃焼工程Ｓ２を説明する。前処理工程Ｓ１で炭素源９を収納箱２０５内に敷き詰め、ステンレス等の金属の網等で覆う。上述した炭化物製造装置２００の所定の加熱する位置に複数の収納箱２０５をずらして配置する。石英管２０３内の圧をドライポンプ２２３により８０Ｐａまで減圧を行い、不活性ガス２１７を石英管２０３内に８から１０ｍｌ／分の流量により注入し、チャンバー１内は、１３００から１５００Ｐａの圧力に保たれている。

出願人は、図６に示すように、熱プラズマにより２００℃から１１００℃の温度の間を１００℃刻みにより炭化工程Ｓ２を行い、炭素源９を炭化する際の温度と収率を求めた。０．８ｇの炭素源９から得られた炭化物１９の重量を割り得られた値を図６に示している。６００℃から８００℃にて３６％と最も大きな収率が測定され、３００℃以上且つ１０００℃以下で比較的大きな収率が得られた。本測定では、稲わら、ぬか、ヤシ殻、もみ殻及びピーナッツ殻等を行ったが、同様の結果が得られた。

次に、精製工程Ｓ３を説明する。上記で得られた炭化物１９を１に対し、水酸化カリウム（ＫＯＨ）１８を５の比率の重量で混合し、図４に示す小型るつぼ６０の壺６２中に入れて蓋６１をする。また小型るつぼ６０は、図１７に示す収納箱２０５の中に収容し、周りに活性炭５３を埋設する。小型るつぼ６０内への酸素の侵入を防ぐために活性炭５３が埋設されている。電気炉２５０は、石英管２０３内を９５０℃近くまで高温にし、２～３時間程度焼成を行った。

ここで水酸化カリウム１８は、ケイ素の除去を促進させるため、グラフェン１１３の収率向上を挙げる観点から使用される。塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属水酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物、酸化ナトリウム、酸化カリウム等のアルカリ金属酸化物、酸化マグネシウム、酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属酸化物、硫化ナトリウム、硫化カリウムなどのアルカリ金属硫化物、硫化マグネシウム、硫化カルシウム等のアルカリ土類金属硫化物などが挙げられる。その他に、炭化しきれなかったリグニンは酸により塩酸、硫酸、ＰＴＳＡ、及び塩化アルミニウムからなる群から選ばれる１種又は２種以上の酸により除去することも考えられる。

水酸化カリウムと反応させた炭化物１９の内、ケイ酸は水酸化カリウム１８と反応し、ケイ酸カリウムとなり、水溶性である残った水酸化カリウム（ＫＯＨ）１８（図４）やケイ酸カリウムを水に溶かし、この混合液を濾紙セットし、真空や減圧した濾過器に通すことにより酸化ケイ素（ケイ素）を除去する。そして、乾燥させた精製工程Ｓ３では、最初の植物性原料を造粒したときと比較して約１／８～１／１０の重量の最終生成物となるグラフェン１１３の生成が可能であった。

（実施例７）
他の実施形態のグラフェンの製造方法を、図１８を参照し説明する。この製造方法は、上述した製造装置（１０、１００、２００）を使用し、温度条件により精製工程（Ｓ３）を行うことなくグラフェンの製造が可能である。その際、石英管２０３又はチャンバー２０内を覆う外壁及びパッキン類等は、３５００℃近くまで耐える構造とするためタングステンや耐熱の石英の材料等が使用される。

そして、図１８に示すように、窒素やアルゴン等の不活性ガスを充填した雰囲気において、Ａの３００℃から９００℃附近までは低温領域７１はケイ素を多く含む炭化物１９が形成される。次に、Ｂの１０００℃から１８００℃附近までは中温領域７２は、炭化物１９よりも電気伝導度がすぐれ、ケイ素を含まないグラフェンＰが形成される。特に１３００℃附近が最も良い。さらに、Ｃの２５００℃から３５００℃附近までは高温領域７３は、黒鉛化を行う場合の温度管理であり、黒鉛化度がすぐれ、さらに電気伝導度が優れたグラフェンＰが形成される。特に、２８００℃附近が最も良い。

本発明のグラフェンの産業上の利用に関して、電池材料、半導体、放熱材料、透明導電膜、フレシキブル薄膜、フィルター、軽量・高強度複合部材（ゴム等を含む）、トナー及びインク材料等に利用が可能である。

１ チャンバー
２ カソード
３ アノード
４、３２ 高周波電源
５ るつぼ
６ 不活性ガス
７ 導入管
８ 導出管
９ 炭素源
１０、１００ プラズマ装置
１４、２２、２２４ 制御弁
１５、２３ リーク弁
１９ 炭化物
２０ コントロール装置
２１ ガス量コントロール装置
３０ 真空ポンプ
３１、２４０ 高周波コイル
４０ 本体部
４１ 加熱炉
４２、８１ 炉
５０ 大型るつぼ
５１、６１ 蓋
５２、６２ 壺
５３ 活性炭
６０ 小型るつぼ
７０ 酸化抑制物質
７１ 低温領域
７２ 中温領域
７３ 高温領域
８０ 燃焼炉
８３ 釜
２００ 炭化物製造装置
２０２ 土台
２０３ 石英管
２０４ 土台溝
２０５ 収納箱
２０６ 載置台
２０７ 下端片部
２０８ 上端片部
２０９ 収納スペース
２１０ 制御装置
２１１ 温度制御装置
２１２ 高周波電源
２１３ 冷却装置
２１４ 駆動装置１
２１５ 電源制御装置
２１６ 駆動装置２
２１７ 不活性ガス
２１８ 燃焼用ガス
２１９ 真空圧力計
２２１ フィルタ
２２３ ドライポンプ
２３１ 左フランジ
２３２ 右フランジ
２３５ 熱電対
２３６ レール
２４１ 遮蔽板
２４２ コイル支持具
２４３ コイル
２５０ 電気炉
Ｓ１ 前処理工程
Ｓ２ 炭化工程
Ｓ３ 精製工程。

Claims (1)

1. 植物性原料を粉砕して炭素源を得る前処理工程と、
   前記炭素源を炭化し炭化物を得る炭化工程と、
   前記炭化工程で得られた前記炭化物からケイ素を含む不純物を除去する精製工程と、
   を含み、
   前記炭化工程は、チャンバー内に不活性ガスを供給し、前記チャンバー内の前記炭素源をプラズマ雰囲気において加熱する加熱工程と、を含み、
   前記精製工程は、前記炭化物及び不純物除去物質を入れた収容部の周囲をカーボンにより周設し、収容部内に前記炭化物の上方に前記不純物除去物質を配置して加熱することを含むことを特徴とする炭素素材の製造方法。

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