JPWO2014129545A1 - 多孔質部材および触媒部材 - Google Patents
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Abstract
多孔質部材は、ベース部材（５）とカーボンナノ構造体（１０）とを備える。ベース部材（５）は、気孔率が８０％以上である多孔質体を含む。カーボンナノ構造体（１０）は、ベース部材（５）の表面に形成され、幅が１００ｎｍ以下である。触媒部材は、カーボンナノ構造体の表面に配置された触媒を備える。
Description
本発明は、多孔質部材および触媒部材に関し、より特定的には、単位体積当たりの表面積を増大させた多孔質部材およびカーボンナノ構造体を用いた触媒部材に関する。
従来、ニッケルやアルミニウムなどの金属からなる金属多孔体が知られている（特開平８−１７０１２６号公報および特開２０１３−６０６０９号公報参照）。また、このような金属多孔体の応用例として、金属多孔体の表面にカーボンナノ構造体を形成したプラズマ発生用電極が提案されている（特開２００８−１９８４６９号公報参照）。特開２００８−１９８４６９号公報には、電極基板に対してプラズマをほぼ均一に発生させるため多方向に電子を放出させることが可能な電極を実現するため、金属多孔体の表面に不規則に配列されたカーボンナノ構造体が記載されている。
また、従来、カーボンナノチューブなどのカーボンナノ構造体の表面に白金などの触媒金属を配置した触媒部材が知られている（たとえば、特開２００７−１２６３３８号公報参照）。特開２００７−１２６３３８号公報では、カーボンナノ構造体の表面に触媒として作用する金属微粒子を配置することが開示されている。
特開平８−１７０１２６号公報および特開２０１３−６０６０９号公報には、金属多孔体の表面積をさらに増大させる方法については特に記載されていない。また、特開２００８−１９８４６９号公報には、フィルタや二次電池の電極といった、大きな表面積が求められる他の用途に金属多孔体を適用することについては特に記載されておらず、またそのような用途に用いる場合の金属多孔体の最適な構成などについて開示も示唆もしていない。
また、上述した触媒部材では、当該触媒部材の性能（たとえば触媒反応の効率）を高める観点から単位体積当たりの触媒の密度を高めることが求められている。上記特開２００７−１２６３３８号公報では、カーボンナノ構造体の表面状態を改善して金属微粒子の担持能力を高めることにより、当該触媒部材の性能を高めることが開示されている。しかし、触媒部材についてはさらなる性能の向上が望まれている。
本発明の１つの目的は、フィルタや二次電池の電極など、様々な用途に適用可能な、表面積を増大させた多孔質部材を提供することである。
本発明の他の目的は、従来よりも性能の向上を図ることが可能な触媒部材を提供することである。
本発明の多孔質部材は、ベース部材とカーボンナノ構造体とを備える。ベース部材は、気孔率が８０％以上である多孔質体を含む。カーボンナノ構造体は、ベース部材の表面に形成され、幅が１００ｎｍ以下である。
この発明に従った触媒部材は、多孔質体からなるベース部材と、ベース部材の表面に形成されたカーボンナノ構造体と、カーボンナノ構造体の表面に配置された触媒と、を備える。
このようにすれば、多孔質体からなるベース部材の表面には複数の孔（たとえば細孔）が存在しているため、当該ベース部材の単位体積当たりの表面積は通常のバルク体より極めて大きくなっている。そのため、ベース部材の単位体積当たりに形成されるカーボンナノ構造体の数も、単なるバルク体の表面にカーボンナノ構造体を形成した場合より多くできる。したがって、カーボンナノ構造体の表面に配置される触媒の密度が一定である場合には、触媒部材の単位体積当たりの触媒の密度を高めることができる。この結果、高い密度で触媒反応を起こすことが可能となる高性能の触媒部材を実現できる。
本発明によれば、様々な用途に適用することが可能な、表面積を増大させた多孔質部材を提供することができる。また、高い性能を示す触媒部材を得ることができる。
[本願発明の実施形態の説明]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
（実施の形態１）
本実施形態１に従った多孔質部材１は、ベース部材５とカーボンナノ構造体（１０、２０）とを備える。ベース部材５は、気孔率が８０％以上である多孔質体を含む。カーボンナノ構造体（１０、２０）は、ベース部材５の表面に形成され、幅が１００ｎｍ以下である。
本実施形態１に従った多孔質部材１は、ベース部材５とカーボンナノ構造体（１０、２０）とを備える。ベース部材５は、気孔率が８０％以上である多孔質体を含む。カーボンナノ構造体（１０、２０）は、ベース部材５の表面に形成され、幅が１００ｎｍ以下である。
このようにすれば、気孔率が８０％以上とした多孔質体をベース部材５として用い、さらに当該ベース部材５の表面に幅が１００ｎｍ以下のカーボンナノ構造体を形成することで、多孔質部材の表面積を極めて大きくすることができる。このため、フィルタや触媒、または電池の電極といった用途に適用することで優れた特性を得ることができる。また、ベース体の気孔率を８０％以上とすることで、多孔質部材１における通気抵抗を十分低くすることができ、フィルタや触媒（たとえばカーボンナノ構造体の表面に触媒を配置したような触媒部材）に多孔質部材１を適用することで、処理する流体（たとえば気体）の圧力損失を抑制することができる。
なお、ここで気孔率（％）とは、（１−（多孔質体の見かけ比重）／（多孔質体を構成する材料の真比重））×１００と規定され、ベース体中の細孔の割合が高いほど気孔率の値は大きくなる。
上記多孔質部材１において、ベース部材５の表面には複数の細孔が形成されていてもよい。ベース部材５では、表面から、当該表面より内側に位置する細孔の側壁にまでカーボンナノ構造体（１０、２０）が形成されていてもよい。この場合、カーボンナノ構造体（１０、２０）を形成する領域の面積を広げることになるので、結果的に多孔質部材１の表面積をより増大させることができる。
上記多孔質部材１において、ベース部材５を構成する材料は金属を含んでいてもよい。この場合、多孔質部材１について十分高い強度をえることができる。また、ベース部材５の材料として導電体である金属を用いることで、多孔質部材１に電流を流すことができ、当該多孔質部材１を２次電池の電極といった用途に容易に適用できる。
上記多孔質部材１において、ベース部材５を構成する材料はセラミックスを含んでいてもよい。この場合、ベース部材５として一般的な金属を用いる場合より、多孔質部材１の耐熱温度を高めることができる。そのため、たとえば触媒などに多孔質部材１を適用する場合、当該触媒の使用温度を十分高い温度域に設定することができる。
上記多孔質部材１において、当該多孔質部材１の厚みを１０ｍｍとし、測定風圧を２ｍ／ｓとしたときの圧力損失が１０００Ｐａ以下であってもよい。この場合、多孔質部材１の圧損（通気抵抗）は十分低い状態であるため、気体などの流体を、多孔質部材１を通過するように流通させる場合の圧力損失を十分低く維持することができる。
[本願発明の実施形態の詳細]
（多孔質部材の構造）
図１〜図５を参照して、本発明の実施形態である多孔質部材１を説明する。多孔質部材１は、平板状、柱状、筒状など任意の形状を採用することができる。
（多孔質部材の構造）
図１〜図５を参照して、本発明の実施形態である多孔質部材１を説明する。多孔質部材１は、平板状、柱状、筒状など任意の形状を採用することができる。
多孔質部材１は、多孔質体を含むベース部材５と、ベース部材５の表面に形成されたカーボンナノ構造体の一例であるカーボンナノチューブ１０とを備える。ベース部材５は、図２に示すように三次元網目構造を有している。異なる点からいえば、ベース部材５と、当該ベース部材５の表面に形成されたカーボンナノチューブ１０とを含む網目構造部３は、図２に示すように三次元網目構造を有している。カーボンナノチューブ１０は、多孔質部材１の最表面から内側に延びる細孔の内部にまで形成されている。なお、ベース部材５の表面に形成されたカーボンナノチューブ１０に代えて、他のカーボンナノ構造体としてのカーボンナノウォール２０（図４および図５を参照）が形成されていてもよい。または、ベース部材５の表面には、カーボンナノチューブ１０およびカーボンナノウォール２０（図４および図５参照）の両方が形成されていてもよい。また、このようなベース部材５の表面に形成されるカーボンナノ構造体としては、他にもグラファイトテーブルなど、幅が１００ｎｍ以下であり炭素から構成される微細構造体が形成されていてもよい。
ここで、カーボンナノチューブ１０とは、炭素によって構成されるグラフェンシートが単層または多層の同軸管状になっている構造体を言う。また、カーボンナノウォール２０とは、基材（ベース部材５）の表面から突出し、グラフェンシートの単層または多層からなる帯状の構造体を言う。また、異なる観点から言えば、カーボンナノウォール２０とは、厚みＴを５０ｎｍ以下、高さＨを５０ｎｍ以上、ベース部材５の表面に沿った方向における長さを１００ｎｍ以上としたウォール状構造を言う。
ベース部材５としては、たとえば多孔質の金属部材を用いることができる。金属部材としては、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケルクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などめっき法により薄膜を形成することが可能な金属であればベース部材５を構成する材料として適用できる。また、ベース部材５を構成する金属材料としてはステンレス鋼、または当該金属を粉末状にした上で、スラリーに含有させ、このスラリーをスポンジや不織布などの多孔質体に塗布することが可能であるような金属を用いることができる。
また、ベース部材５の材料としては、たとえば無機材料を用いることもできる。無機材料としてはたとえば、石英ガラス（ＳｉＯ２）を用いることができる。石英ガラスを用いる場合には、ゾルゲル法により石英ガラスを含むベース部材５を形成することができる。また、ベース部材５を構成する材料として、その他の多成分ガラス（たとえばＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ５など）を用いることができる。この場合、たとえば多成分ガラスの原料を含むスラリーをスポンジや不織布などに塗布し、焼成することで多成分ガラスを含むベース部材５を形成することができる。
また、ベース部材５を構成する材料としてセラミックスを用いることもできる。セラミックスとしては、たとえばＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＣなどの単成分系のセラミックス、またはムライト（Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）やコーディエライト（ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）などの多成分系のセラミックスを用いることができる。この場合も、上述したガラス材料などと同様に、ゾルゲル法や原料を含むスラリーを利用することで、ベース部材５を作製できる。
ベース部材５の表面に形成されるカーボンナノ構造体の一例であるカーボンナノチューブ１０は、たとえばその直径を０．３４ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。また、カーボンナノチューブ１０の長さはたとえば１０μｍ以下とすることができる。また、図４および図５に示すカーボンナノウォール２０の厚みＴはたとえば０．３４ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすることができる。また、カーボンナノウォール２０の高さＨは、６０ｎｍ以上７μｍ以下とすることができる。また、隣接するカーボンナノウォール２０の間の距離はたとえば５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。
上述した多孔質部材１では、多孔質体を含むベース部材５の表面に、さらにカーボンナノ構造体が形成されていることから、単純な多孔質体に対してその表面積を増大させることができる。この結果、単位体積当たりの表面積のきわめて大きな部材を得ることができる。したがって、たとえば本発明による多孔質部材１を触媒の担持体として用いる場合（たとえばカーボンナノ構造体の表面に職版を配置する場合）には、単位体積当たりの触媒の量を増大させることができ、高い性能を有する触媒を実現できる。
また、多孔質部材１を熱交換器の冷媒と接触する部位に適用することにより、冷媒（熱媒体）との熱交換の効率を向上させることができる。また、上述した多孔質部材１をたとえばフィルタに適用すれば、従来の多孔質体を用いる場合よりもベース部材５の表面に形成されたカーボンナノ構造体によってより微細な凹凸が形成されていることから、従来のフィルタでは捕集することができなかった径の小さな微粒子を補足することができる。この結果、より効率的に集塵することができる。また、多孔質部材１では単位体積当たりの表面積を極めて大きくすることができることから、大きな表面積が求められる電池の電極材料などにも多孔質部材１を適用することが可能である。
（多孔質部材の製造方法）
図１〜図５に示した多孔質部材１の製造方法を説明する。まず、材料準備工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、多孔質体であるベース部材５を準備する。たとえばベース部材５としてニッケルを含む多孔質体を準備してもよい。なお、ベース部材５を構成する材料としては、他の任意の金属（たとえば銅や金など）、もしくはガラスなどの無機材料、またはセラミックスを用いることができる。
図１〜図５に示した多孔質部材１の製造方法を説明する。まず、材料準備工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、多孔質体であるベース部材５を準備する。たとえばベース部材５としてニッケルを含む多孔質体を準備してもよい。なお、ベース部材５を構成する材料としては、他の任意の金属（たとえば銅や金など）、もしくはガラスなどの無機材料、またはセラミックスを用いることができる。
また、ベース部材５の製造方法としては、以下のような方法を用いることができる。たとえば連通気孔を有する多孔体（発泡樹脂成形体）の表面に金属層を形成する。形成方法としては、電気めっき、無電解めっきなの液相法、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相法を用いることができる。その後、当該多孔体を熱処理することによって、多孔体を分解し、さらに熱処理後の金属層が酸化している場合には当該金属層に対して還元処理を行なう、といった方法を用いてもよい。
また、ベース部材５の製造方法として、ベース部材５を構成するべき材料（たとえば金属など）を含むスラリーを上述した発泡樹脂成形体の表面に塗布し、熱処理を行なうことによって成形体を分解するとともにスラリー中の上記材料から膜を形成する、といった方法を用いることもできる。
次に、ベース部材５の表面に、カーボンナノ構造体（たとえばカーボンナノチューブ１０）を形成するための触媒となるナノ粒子を配置する。当該ナノ粒子の材質としては、たとえば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）などを用いることができる。これらのナノ粒子は、従来周知の任意の方法によりベース部材５の表面に形成することができる。たとえば、触媒となる金属ナノ粒子を分散した溶液にベース部材５を浸漬したあと当該ベース部材５を乾燥させる、といった方法を用いてナノ粒子を形成することができる。なお、ベース部材５の材質がカーボンナノ構造体を形成するための触媒として作用する場合、上記ナノ粒子を配置しなくてもよい。また、カーボンナノ構造体としてカーボンナノウォール２０を形成する場合には、上記のようにベース部材５の表面に金属ナノ粒子を分散配置しなくてもよい。
次に、カーボンナノ構造体を成長させる工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、任意の方法によりカーボンナノ構造体（１０、２０）を形成できるが、好ましくは化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いることができる。このようにして、図１〜図５に示した多孔質部材１を得ることができる。
（多孔質部材の特性）
多孔質部材１の気孔率は、たとえば５０％以上９８％以下とすることができる。当該気孔率は、好ましくは８０％以上９８％以下、より好ましくは９０％以上９８％以下である。また、多孔質部材１の孔について、単位長さ（１ｃｍ）当たりの孔の数は、ベース部材５を形成するときに用いる発泡樹脂成形体の構造を調整することにより、たとえば２個以上６０個以下の範囲で任意に調整することができる。なお、単位長さ当たりの孔の数は、多孔質部材１のサンプル表面において、任意の５か所について単位長さの直線を設定し、当該直線により横切られる孔の数を計測したうえで、当該計測値の平均値を算出することにより特定できる。
多孔質部材１の気孔率は、たとえば５０％以上９８％以下とすることができる。当該気孔率は、好ましくは８０％以上９８％以下、より好ましくは９０％以上９８％以下である。また、多孔質部材１の孔について、単位長さ（１ｃｍ）当たりの孔の数は、ベース部材５を形成するときに用いる発泡樹脂成形体の構造を調整することにより、たとえば２個以上６０個以下の範囲で任意に調整することができる。なお、単位長さ当たりの孔の数は、多孔質部材１のサンプル表面において、任意の５か所について単位長さの直線を設定し、当該直線により横切られる孔の数を計測したうえで、当該計測値の平均値を算出することにより特定できる。
また、多孔質部材１の圧力損失は、たとえば測定風速を２ｍ／ｓ、サンプルである多孔質部材の厚みを１０ｍｍとしたときに１０００Ｐａ以下とすることができる。また、当該圧力損失は、好ましくは５００Ｐａ以下、より好ましくは１５０Ｐａ以下である。なお、圧力損失の測定方法は、従来周知の任意の方法で測定することができるが、たとえば以下のような方法を用いることができる。まず、測定ダクト内にサンプルである多孔質部材を配置し、当該多孔質部材の上流側と下流側とのそれぞれの測定ダクト内部とつながるようにＵ字管マノメータを配置する。この状態で、上流側から気体を測定ダクト内に流し、多孔質部材の上流側の圧力（入口圧力）と下流側の圧力（出口圧力）とを上記Ｕ字管マノメータによって測定する。圧力損失は、入口圧力（上流側静圧）−出口圧力（下流側静圧）という式で表わされ、上記Ｕ字管マノメータにおける液体（水）の液面高さの差として測定することができる。
（多孔質部材の適用例）
図６を参照して、本実施形態に従った多孔質部材を用いた電池３０は、本発明による多孔質部材１により構成される正極３１と、負極３２と、セパレータ３３と、電解液３４と、容器３５とを主に備えている。容器３５の内部には、上述した本実施形態による多孔質部材１により構成された正極３１が配置されている。この正極３１と対向するように負極３２が配置されている。正極３１と負極３２との間にはセパレータ３３が配置されている。そして、この容器３５の内部に電解液３４が充填されている。正極３１および負極３２からはそれぞれ端子が容器３５の外部にまで延びるように接続されている。
図６を参照して、本実施形態に従った多孔質部材を用いた電池３０は、本発明による多孔質部材１により構成される正極３１と、負極３２と、セパレータ３３と、電解液３４と、容器３５とを主に備えている。容器３５の内部には、上述した本実施形態による多孔質部材１により構成された正極３１が配置されている。この正極３１と対向するように負極３２が配置されている。正極３１と負極３２との間にはセパレータ３３が配置されている。そして、この容器３５の内部に電解液３４が充填されている。正極３１および負極３２からはそれぞれ端子が容器３５の外部にまで延びるように接続されている。
正極３１としては、ベース部材５として金属を用いることができる。当該ベース部材５を構成する金属としては、たとえばアルミニウムなどを用いてもよい。このように正極３１に本実施形態による多孔質部材１を適用することにより、正極３１の単位体積当たりの表面積を大きくすることができる。この結果、電池の性能を向上させることができる。なお、電池３０の構造は、図６に示した構造に限定されない。たとえば、正極３１とセパレータ３３と負極３２との積層体をコイル状に巻き取ってから容器３５の内部に配置する、あるいは正極３１とセパレータ３３と負極３２とからなる積層体を複数準備し、その複数の積層体を容器３５の内部に配置してもよい。
図７を参照して、本実施形態に従った多孔質部材１をフィルタとして用いたフィルタリング装置４０を説明する。フィルタリング装置４０は、たとえばオイルミストコレクタなどであり、筺体４３の内部に本実施形態に従った多孔質部材１を適用したフィルタ４１が配置され、さらに筺体４３にはファン４２が設置されている。フィルタ４１と対向する筺体４３の部分にはフィルタリングを行なう対象の気体を導入するための開口部４４が形成されている。フィルタ４１を構成する多孔質部材１において、ベース部材５の材料としてはたとえばステンレス鋼、ニッケルクロム合金、ニッケルなどの金属を用いることができる。ベース部材５の材料としてステンレス鋼を用いる場合、比較的フィルタ４１の製造コストを低減できるとともに、フィルタ４１の耐熱性および耐酸化性を向上させることができる。また、ニッケルクロム合金をベース部材５の材料として用いる場合、ステンレス鋼を用いる場合より製造コストは高くなるが、フィルタ４１の耐熱性を向上させることができる。
フィルタリング装置４０では、ファン４２を作動させることにより、矢印に示すように開口部４４からフィルタリング対象の気体が筺体４３の内部に吸い込まれる。当該気体がフィルタ４１を通過するときに、フィルタ４１を構成する多孔質部材１の表面（カーボンナノ構造体が形成された表面）に気体が接触することにより、当該気体に含有されているフィルタリング対象物（たとえばオイルや微粒子など）をフィルタ４１において捕捉することができる。このようにオイルや微粒子などのフィルタリング対象物が捕捉された後、気体は矢印に示すように筺体４３中を流れ、ファン４２により筺体４３の外部へと排出される。
なお、フィルタ４１は、本実施形態に従った多孔質部材１のみにより構成してもよいが、当該多孔質部材１の上流側（開口部４４に近い側）に他の不織布やその他の部材から構成された他のフィルタを配置してもよい。
このようにすれば、従来よりもよりサイズの小さなフィルタリング対象物の捕捉率を向上させることができる。
図８を参照して、本実施形態に従った多孔質部材１を適用した放熱部材５０を説明する。図８を参照して、放熱部材５０は、金属などを含むベース体５２と、このベース体５２に接続された放熱体５１とを主に備える。放熱体５１は、上述した本実施形態に従った多孔質部材１により構成されている。また、この放熱体５１の表面には突起状のフィンが複数形成されている。なお、放熱体５１の形状は図８に示したような構造に限られることなく、他の任意の構造を採用してもよい。
このように、放熱体５１に本実施形態に従った多孔質部材１を用いることで、放熱体５１の表面積を増大させることができるので、この放熱体５１に接触する冷却媒体（たとえば空気や冷却水など）と放熱体５１との接触面積を増大させることができる。この結果、放熱部材５０における法熱効率をより高めることができる。
図９を参照して、本実施形態に従った多孔質部材１を適用したヒートパイプ６０を説明する。ヒートパイプ６０は、筒状の筺体６２と、この筺体６２の内部の一方端に配置された蒸発器６１と、この筺体６２内部に封入されている作動液体６７とを主に備えている。なお、筺体６２内部は実質的に真空状態になるまで減圧されている。蒸発器６１に、上述した本実施形態に従った多孔質部材１を適用する。
次に、ヒートパイプ６０の動作を簡単に説明する。筺体６２において、蒸発器６１が設置された一方端部を加熱し、反対側の端部を冷却する。その結果、加熱された側の一方端部（蒸発器６１が設置された端部）では、作動液体６７が蒸発して当該液体の蒸気が発生する。そして、この蒸気が矢印６４に示すように筺体６２内部を流通し、筐体６２の他方端部において冷却されることにより当該作動液体が凝縮して液体に戻る。液体に戻った作動液体６７は、矢印６６に示すように筺体６２内を流れ、蒸発器６１側へと流通する。この結果、矢印６３に示すようにヒートパイプ６０の一方端部が加熱されると、他方端部においては矢印６５に示すように気化していた作動液体６７の凝縮に伴って矢印６５に示すように放熱される。すなわち、ヒートパイプ６０の筺体６２内における作動液体６７の蒸発と凝縮に伴う潜熱移動により、この筺体６２の両端部における小さな温度差で加熱部（蒸発器６１）が配置された一方端部側から冷却部側（筺体６２における反対側の他方端部側）に大量の熱が輸送される。
このようなヒートパイプ６０においては、たとえば同じサイズの銅の丸棒における熱伝導を考えた場合に比べて１００倍にも達する熱移送特性を得ることができる。なお、冷却部から加熱部に向けた矢印６６に示す作動液体６７の移動においては、たとえば冷却部から加熱部に向かって筺体６２の内部に金網（ウイッグ）を配置する、または冷却部から加熱部に向けて筐体６２の内壁に細かい溝（グループ）を形成する、といった構成を採用することにより、作動液体６７の表面張力による毛管作用により作動液体６７を還流させることができる。このようなヒートパイプはいわゆるウイッグ式と呼ばれる。
なお、ヒートパイプ６０の方式としては他の任意の形式を用いることができる。たとえば、加熱部の垂直方向上側に冷却部を配置した配置、すなわち筺体６２を鉛直方向に立てたような配置としたサーモサイフォン式と呼ばれる形式を採用してもよい。この場合、冷却部から加熱部への作動液体６７の移動には重力を利用している。また、自励振動式のヒートパイプにおける加熱部に本実施形態による多孔質部材１を採用してもよい。
この場合、蒸発器６１として本実施形態による多孔質部材１を適用することにより作動液体６７と蒸発器６１との接触面積を増大させることができるので、より効率的に作動液体６７を蒸発させることができる。この結果、ヒートパイプ６０の熱移送特性をより向上させることができる。
なお、上述した放熱部材５０やヒートパイプ６０に用いられる多孔質部材１のベース部材５を構成する材料としては、たとえば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ)、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）など、熱伝導率が高く、化学耐久性に優れた材料を用いることができる。
（実施例１）
以下のように、本実施形態に従った多孔質部材の一例である、カーボンナノ構造体が表面に形成された金属多孔質体を試作した。試料として、ニッケルからなる多孔質体（ニッケルからなるセルメット（登録商標））を準備した。
以下のように、本実施形態に従った多孔質部材の一例である、カーボンナノ構造体が表面に形成された金属多孔質体を試作した。試料として、ニッケルからなる多孔質体（ニッケルからなるセルメット（登録商標））を準備した。
＜製造工程＞
石英反応管を持つ電気炉にて、石英反応管内部のベース部材を所定の温度に加熱する。その後、原料ガスの炭化水素含む不活性ガスを石英反応管内部に所望の時間流しながら、カーボンナノチューブを形成し、その後自然冷却する。
石英反応管を持つ電気炉にて、石英反応管内部のベース部材を所定の温度に加熱する。その後、原料ガスの炭化水素含む不活性ガスを石英反応管内部に所望の時間流しながら、カーボンナノチューブを形成し、その後自然冷却する。
誘導結合型プラズマＣＶＤ装置の容器内でベース部材を所望の温度に加熱する。その後、ガス導入部より炭化水素と不活性ガスや水素ガス等のガスを容器内に供給する。次に、高周波電源から１３．５６ＭＨｚの高周波を所望の時間だけ容器内の電極に供給することにより、ベース部材上にカーボンナノウオールを形成する。
＜結果＞
上述のようにして得られた、カーボンナノウォールが表面に形成された多孔質体の走査型電子顕微鏡写真を図１０〜図１３に示す。図１０は、倍率が１０倍であり、多孔質体の表面の一部を示している。また、図１１は、多孔質体の最表面（１層目）に位置する網目構造部３の表面を示す拡大写真である。図１１の倍率は５０００倍である。また、図１２および図１３は、それぞれ多孔質体の最表面から２層目、３層目に位置する網目構造部３を示す拡大写真である。図１２および図１３の倍率は５０００倍である。
上述のようにして得られた、カーボンナノウォールが表面に形成された多孔質体の走査型電子顕微鏡写真を図１０〜図１３に示す。図１０は、倍率が１０倍であり、多孔質体の表面の一部を示している。また、図１１は、多孔質体の最表面（１層目）に位置する網目構造部３の表面を示す拡大写真である。図１１の倍率は５０００倍である。また、図１２および図１３は、それぞれ多孔質体の最表面から２層目、３層目に位置する網目構造部３を示す拡大写真である。図１２および図１３の倍率は５０００倍である。
図１０〜図１３に示した写真から分かるように、多孔質体の網目構造部３における１層目〜３層目まで、いずれも十分にカーボンナノ構造体が形成されていることがわかる。そして、このように表面層から内部にまでカーボンナノ構造体が形成された多孔質体では、十分に単位体積当たりの表面積を増大させることができる。
（実施の形態２）
図１４〜図１７を参照して、本発明に従った触媒部材１００を説明する。この発明に従った触媒部材１００は、平板状、柱状、筒状など任意の形状を採用することができる。触媒部材１００は、多孔質体からなるベース部材５００と、ベース部材５００の表面に形成されたカーボンナノ構造体２００と、カーボンナノ構造体２００の表面に配置された触媒２２０と、を備える。ベース部材５００は図１５に示すように網目構造を有している。異なる観点から言えば、表面に触媒２２０が形成されたカーボンナノ構造体２００とベース部材５００とからなる網目構造部３００は、図１５に示すように３次元網目構造を有している。カーボンナノ構造体２００としては、たとえばカーボンナノチューブやカーボンナノウォール、グラファイトテープなどが挙げられる。以下、表面に触媒２２０が形成されたカーボンナノ構造体２００を、触媒付きカーボンナノ構造体１１０と呼ぶ。また、ベース部材５００としては、たとえば多孔質の金属部材を用いることができる。具体的には、ベース部材５００としてはたとえばニッケルからなる多孔質部材を用いることができる。
図１４〜図１７を参照して、本発明に従った触媒部材１００を説明する。この発明に従った触媒部材１００は、平板状、柱状、筒状など任意の形状を採用することができる。触媒部材１００は、多孔質体からなるベース部材５００と、ベース部材５００の表面に形成されたカーボンナノ構造体２００と、カーボンナノ構造体２００の表面に配置された触媒２２０と、を備える。ベース部材５００は図１５に示すように網目構造を有している。異なる観点から言えば、表面に触媒２２０が形成されたカーボンナノ構造体２００とベース部材５００とからなる網目構造部３００は、図１５に示すように３次元網目構造を有している。カーボンナノ構造体２００としては、たとえばカーボンナノチューブやカーボンナノウォール、グラファイトテープなどが挙げられる。以下、表面に触媒２２０が形成されたカーボンナノ構造体２００を、触媒付きカーボンナノ構造体１１０と呼ぶ。また、ベース部材５００としては、たとえば多孔質の金属部材を用いることができる。具体的には、ベース部材５００としてはたとえばニッケルからなる多孔質部材を用いることができる。
このようにすれば、多孔質体からなり３次元網目構造を有するベース部材５００（すなわち網目構造部３００）の表面には、図１５に示すように複数の細孔が存在することになるので、当該ベース部材５００の単位体積当たりの表面積は通常のバルク体より極めて大きくなる。そのため、ベース部材５００の単位体積当たりに形成される触媒付きカーボンナノ構造体１１０の数も、単なるバルク体の表面に触媒付きカーボンナノ構造体１１０を形成した場合より多くできる。したがって、触媒付きカーボンナノ構造体１１０の表面に配置される触媒２２０の密度が一定である場合には、触媒部材１００の単位体積当たりの触媒２２０の密度を高めることができる。この結果、高い密度で触媒反応を起こすことが可能となる高性能の触媒部材１００を実現できる。
上記触媒部材１００において、ベース部材５００の表面には複数の細孔が形成されていてもよい。異なる観点から言えば、ベース部材５００は３次元網目構造を有し、その最表面から内部側へ延びるように複数の細孔がベース部材５００には形成されている。そして、ベース部材５００では、上記表面から、当該表面より内側に位置する細孔の側壁にまで触媒付きカーボンナノ構造体１１０が形成されている。この場合、ベース部材５００の内部に延びる細孔の内部にまで触媒付きカーボンナノ構造体１１０が形成された状態となるので、結果的に当該カーボンナノ構造体２００の表面に配置された触媒２２０もベース部材５００の内部にまで配置された状態になる。
上記触媒部材１００において、触媒２２０は、図１７に示すようにカーボンナノ構造体２００の表面に分散配置されている粒状体である。この場合、微細なカーボンナノ構造体２００の表面に、さらに微細な粒状体として触媒２２０を配置することになるので、小さなサイズで分散配置させることが触媒反応に有利に作用する触媒２２０を用いた場合に、特に触媒部材１００の性能を向上させることができる。
上記触媒部材１００において、触媒２２０は、図１８に示すようにカーボンナノ構造体２００の側壁の少なくとも一部を覆う膜状体であってもよい。この場合、図１８に示すようにカーボンナノ構造体２００の表面に粒状体として触媒２２０を配置した場合より、触媒２２０の表面積を大きくできる。したがって、触媒２２０の表面積を大きくすることが触媒反応に有利に作用する触媒２２０を用いた場合に、特に触媒部材１００の性能を向上させることができる。
上記触媒部材１００において、触媒２２０は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）からなる群から選択される少なくとも１種の金属を含んでいてもよい。これらの金属は、触媒として作用することができる。
次に、図１４〜図１７に示した触媒部材の製造方法を説明する。まず、材料準備工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、金属からなる多孔質体であるベース部材５００を準備する。たとえばベース部材５００としてニッケルからなる多孔質体を準備してもよい。なお、ベース部材５００を構成する材料としては、他の任意の金属（たとえば銅や金など）を用いることができる。
次に、ベース部材５００の表面に、カーボンナノ構造体２００を形成するための触媒となるナノ粒子を配置する。当該ナノ粒子の材質としては、たとえば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）などを用いることができる。これらのナノ粒子は、従来周知の任意の方法によりベース部材５００の表面に形成することができる。たとえば、触媒となる金属ナノ粒子を分散した溶液にベース部材５００を浸漬したあと当該ベース部材５００を乾燥させる、といった方法を用いてナノ粒子を形成することができる。なお、ベース部材５００の材質がカーボンナノ構造体２００を形成するための触媒として作用する場合、上記ナノ粒子を配置しなくてもよい。また、カーボンナノ構造体２００としてカーボンナノウォールを形成する場合には、上記のようにベース部材５００の表面に金属ナノ粒子を分散配置しなくてもよい。
次に、カーボンナノ構造体を成長させる工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、任意の方法によりカーボンナノ構造体２００を形成できるが、好ましくは化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いることができる。
次に、触媒を形成する工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、任意の方法によりカーボンナノ構造体２００の表面に触媒２２０を形成する。たとえば、触媒２２０となる金属（たとえば白金など）を含む無電解メッキ液に、カーボンナノ構造体２００が表面に形成されたベース部材５００を浸漬することにより、カーボンナノ構造体２００の表面に触媒２２０となる金属を析出させてもよい。あるいは、触媒２２０となる金属を含む金属錯体の気体を、カーボンナノ構造体２００が形成されたベース部材５００に接触させることにより、カーボンナノ構造体２００の表面に当該金属錯体を吸着させ、その後大気中にカーボンナノ構造体２００が形成されたベース部材５００を放置することにより、カーボンナノ構造体２００の表面に金属錯体由来の金属からなる触媒２２０を形成してもよい。このようにして、図１４〜図１８に示した触媒部材１を得ることができる。
（実施例２）
以下のように、本発明による触媒部材を構成する、カーボンナノ構造体が表面に形成された金属多孔質体を試作した。
以下のように、本発明による触媒部材を構成する、カーボンナノ構造体が表面に形成された金属多孔質体を試作した。
＜試料＞
ニッケルからなる多孔質体（ニッケルからなるセルメット（登録商標））を準備した。
ニッケルからなる多孔質体（ニッケルからなるセルメット（登録商標））を準備した。
＜製造工程＞
上記多孔質体の表面への、カーボンナノチューブの形成方法は、以下のような工程である。まず、石英反応管を持つ電気炉にて、石英反応管内部のベース部材を所定の温度に加熱する。その後、原料ガスの炭化水素含む不活性ガスを石英反応管内部に所望の時間流しながら、カーボンナノチューブを形成し、その後自然冷却する。
上記多孔質体の表面への、カーボンナノチューブの形成方法は、以下のような工程である。まず、石英反応管を持つ電気炉にて、石英反応管内部のベース部材を所定の温度に加熱する。その後、原料ガスの炭化水素含む不活性ガスを石英反応管内部に所望の時間流しながら、カーボンナノチューブを形成し、その後自然冷却する。
上記多孔質体の表面へのカーボンナノウォールの形成方法は、以下のような工程である。まず、誘導結合型プラズマＣＶＤ装置の容器内でベース部材を所望の温度に加熱する。その後、ガス導入部より炭化水素と不活性ガスや水素ガス等のガスを容器内に供給する。次に、高周波電源から１３．５６ＭＨｚの高周波を所望の時間だけ容器内の電極に供給することにより、ベース部材上にカーボンナノウオールを形成する。
＜結果＞
上述のようにして得られた、カーボンナノウォールが表面に形成された多孔質体の走査型電子顕微鏡写真を図１９〜図２２に示す。図１９は、倍率が１０倍であり、多孔質体の表面の一部を示している。また、図２０は、多孔質体の最表面（１層目）に位置する網目構造部３００の表面を示す拡大写真である。図２０の倍率は５０００倍である。また、図２１および図２２は、それぞれ多孔質体の最表面から２層目、３層目に位置する網目構造部３００を示す拡大写真である。図２１および図２２の倍率は５０００倍である。
上述のようにして得られた、カーボンナノウォールが表面に形成された多孔質体の走査型電子顕微鏡写真を図１９〜図２２に示す。図１９は、倍率が１０倍であり、多孔質体の表面の一部を示している。また、図２０は、多孔質体の最表面（１層目）に位置する網目構造部３００の表面を示す拡大写真である。図２０の倍率は５０００倍である。また、図２１および図２２は、それぞれ多孔質体の最表面から２層目、３層目に位置する網目構造部３００を示す拡大写真である。図２１および図２２の倍率は５０００倍である。
図１９〜図２２に示した写真から分かるように、多孔質体の網目構造部３００における１層目〜３層目まで、いずれも十分にカーボンナノ構造体が形成されていることがわかる。そして、このように表面層から内部にまでカーボンナノ構造体が形成された多孔質体において、図１７や図１８に示すようにカーボンナノ構造体の表面に触媒２２０を配置することにより、触媒２２０の密度が高い触媒部材を容易に得ることができる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、フィルタや電池電極、触媒など大きな比表面積が求められる部材や、触媒の密度を高めた高性能な触媒部材に有利に適用できる。
１ 多孔質部材、３，３００ 網目構造部、５，５００ ベース部材、１０ カーボンナノチューブ、２０ カーボンナノウォール、３０ 電池、３１ 正極、３２ 負極、３３ セパレータ、３４ 電解液、３５ 容器、４０ フィルタリング装置、４１ フィルタ、４２ ファン、４３，６２ 筺体、４４ 開口部、５０ 放熱部材、５１ 放熱体、５２ ベース体、６０ ヒートパイプ、６１ 蒸発器、６３，６４，６５，６６ 矢印、６７ 作動液体、１００ 触媒部材、１１０ 触媒付きカーボンナノ構造体、２００ カーボンナノ構造体、２２０ 触媒。
Claims (9)
- 気孔率が８０％以上である多孔質体を含むベース部材と、
前記ベース部材の表面に形成され、幅が１００ｎｍ以下のカーボンナノ構造体とを備える、多孔質部材。 - 前記ベース部材の表面には複数の細孔が形成され、
前記ベース部材では、前記表面から、前記表面より内側に位置する前記細孔の側壁にまで前記カーボンナノ構造体が形成されている、請求項１に記載の多孔質部材。 - 前記ベース部材を構成する材料は金属を含む、請求項１または請求項２に記載の多孔質部材。
- 前記ベース部材を構成する材料はセラミックスを含む、請求項１または請求項２に記載の多孔質部材。
- 厚みを１０ｍｍとし、測定風圧を２ｍ／ｓとしたときの圧力損失が１０００Ｐａ以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の多孔質部材。
- 請求項１に記載の多孔質部材の前記カーボンナノ構造体の表面に配置された触媒を備える触媒部材。
- 前記触媒は、前記カーボンナノ構造体の表面に分散配置されている粒状体である、請求項６に記載の触媒部材。
- 前記触媒は、前記カーボンナノ構造体の側壁の少なくとも一部を覆う膜状体である、請求項６に記載の触媒部材。
- 前記触媒は、白金、金、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、レニウム、イリジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む、請求項６に記載の触媒部材。
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