JPWO2018030044A1 - カーボンナノチューブアレイの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]気相触媒を含む雰囲気内に基板を存在させる第一ステップと、前記気相触媒を含む雰囲気に原料ガスおよび一酸化炭素を存在させることにより、前記基板のベース面上に複数のカーボンナノチューブを成長させ、前記複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブアレイを前記ベース面上に得る第二ステップとを備えることを特徴とするカーボンナノチューブアレイの製造方法。
1.CNTアレイの製造装置
本発明の一実施形態に係るCNTアレイの製造装置を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るCNTアレイの製造方法に使用される製造装置の構成を概略的に示す図である。
本発明の一実施形態に係るCNTアレイの製造方法を、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るCNTアレイの製造方法は、図2に示されるように、第一および第二の2つのステップを備える。
本実施形態に係るCNTアレイの製造方法は、第一ステップとして、ベース面をその表面の少なくとも一部として備える基板28を、気相触媒を含む雰囲気内に存在させる。ベース面は、例えばケイ素の酸化物を含む材料からなる面とすることができる。
第二ステップでは、第一ステップにより実現された気相触媒を含む雰囲気、すなわち反応容器管14の内部の雰囲気に、原料ガスおよび一酸化炭素を存在させる。
本実施形態に係る製造方法により製造されたCNTアレイの一例は、図3に示されるように、複数のCNTが一定の方向に配向するように配置された構造を有する部分を備える。この部分の複数のCNTの直径を測定すると、図4に示されるように、CNTの直径が20nm〜40nm程度であることから、CNTは多層構造であると考えられる。
紡績源部材から得られるCNT交絡体は、様々な形状を有することができる。具体的な一例として線状の形状が挙げられ、他の一例としてウェブ状の形状が挙げられる。線状のCNT交絡体は、繊維と同等に取り扱うことができるうえ、電気配線としても用いることができる。また、ウェブ状のCNT交絡体は、そのままで不織布と同様に取り扱うことができる。
(実施例1)
図1に示される構造を有する製造装置を用い、図2に示される製造方法によってCNTアレイを製造した。
具体的には、まず、次のようにして、第一ステップを実施した。
図1に示される構造を有する製造装置の反応容器管内に、石英からなるボート上に石英板(20mm×5mm×厚さ1mm)を載置した。したがって、本実施例では、ベース面を構成する材料および基板を構成する材料はいずれも石英であった。また、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物(120mg)を反応容器管内のボート以外の部分上に載置した。
排気装置を用いて反応容器管内を1×10−1Pa以下に排気したのち、ヒータを用いて反応容器管内(基板を含む)を1.1×103Kまで加熱した。その結果、反応容器管内で塩化鉄(II)の無水物は昇華して、反応容器管の加熱領域の内部は、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物から形成された気相触媒を含む雰囲気となった。
第二ステップを開始することにより、すなわち、一酸化炭素およびアセトンの供給を開始することにより、アセチレンの流量を50sccm以上とした試験において、ベース面上にCNTアレイが成長した。ベース面に平行な方向からカメラにてCNTアレイを1分間おきに撮影し、第二ステップ開始からCNTアレイの成長が止まるまでの間、CNTアレイの成長高さを測定した。
その結果を表1および図7〜図10に示す。表−1における触媒寿命(分間)は、図7〜図10のグラフから第二ステップの開始から気相触媒が失活するまでの時間(分間)を読み取った値を示している。CNTアレイの成長高さ(mm)は、触媒寿命の時点におけるCNTアレイ高を示している。初期成長速度は、第二ステップの開始後1分間から5分間までにおけるCNTアレイの成長速度(μm/分間)を示している。
※7分間の合成を行ったがCNTアレイは得られなかった。
※※30分間の合成を行ったがCNTアレイは得られなかった。
試験2−1〜2−4ではCNTアレイが得られなかった。したがって、CNTアレイを製造する観点から、反応容器の圧力2.7×103Pa、全流量500sccmの条件下では、アセチレンの流量は、30sccm以上、好ましくは40sccm以上、より好ましくは50sccm以上であるといえる。成長高さが2mm以上のCNTアレイを短時間で製造可能という観点から、アセチレンの流量は、100〜350sccmが好ましく、125〜300sccmがより好ましい。成長高さが3mm以上のCNTアレイを短時間で製造可能という観点から、アセチレンの流量は、150〜250sccmがさらに好ましい。
図9に三角で示すように、CNTアレイの成長プロファイルのグラフにおける成長が止まる点(Growth termination)を読み取った、第二ステップを開始してからCNTアレイの成長が止まるまでの時間を触媒停止時間とした。触媒停止時間におけるCNTアレイの高さをCNTアレイの成長高さとした。
図7〜図10に示すように、気相触媒を含む雰囲気にアセチレン(原料ガス)および一酸化炭素を存在させた試験例はいずれも、気相触媒を含む雰囲気に原料ガスのみを存在させた試験例よりも、CNTアレイの成長高さが高く、気相触媒の触媒寿命が長く、かつCNTアレイの初期成長速度が大きかった。したがって、一酸化炭素を存在させることで、気相触媒法により製造されるCNTアレイの生産性を高くすることができる。
一酸化炭素を用いたCNTアレイの製造方法の温度依存性を調べるために、反応容器管内(基板を含む)の温度(合成温度、ベース面の温度)を、表3に示すように、1043K〜1123Kの範囲で変化させて、第二ステップを実施した。また、第二ステップでは、アセチレン流量を200sccmで固定し、ガスの総流量が500sccmとなるように、残りの300sccmを、表3に示す流量に一酸化炭素およびアルゴンを調整して、CNTアレイを合成した。
合成温度および流量以外は、実施例1と同様にして、第一ステップおよび第二ステップを実施した。第二ステップ開始からCNTアレイの成長が止まるまでの間、CNTアレイの成長高さを測定した。その結果を(表3および)図14〜図16に示す。
CNTアレイの成長高さは、触媒寿命および成長速度の影響を受けるが、触媒寿命と成長速度には、通常、反比例に近い関係がある。このため、従来のCNTアレイの製造方法では、触媒寿命および成長速度を同時に向上させることが困難であった。
しかし、図15および図16に示すように、アセチレン(原料ガス)に一酸化炭素を添加するCNTアレイの製造方法によれば、一酸化炭素の触媒還元作用によって触媒の寿命を延ばすとともに、CNTアレイの成長速度を向上させることができた。この成長速度向上は、アセチレンと併用することによって、一酸化炭素の一部が炭素原料として用いられたことによるものと推定できる。
低い合成温度では、炭素原料がCNTアレイに合成される速度が遅いため、炭素原料の供給量が過剰になると、触媒表面にアモルファスカーボンが蓄積して、触媒寿命が短くなり、CNTアレイの成長速度が低下する。アセチレンに加えて一酸化炭素が炭素原料として機能した結果、炭素原料の供給量が過剰になり、アセチレンのみを用いた場合よりもCNTアレイの成長速度が低下したと考えられる。
一酸化炭素を用いたCNTアレイの製造方法における、原料ガスとしてのアセチレン流量依存性を調べるために、表4に示すように、アセチレン流量を100〜500sccm、合成温度を1043〜1123Kの範囲で変化させて、CNTアレイを製造した。
第二ステップは、第一ステップを実施した後、以下のようにして行った。圧力調整バルブを用いて雰囲気圧力を3.2×103Pa(24torr)に維持するとともに、反応容器管内(基板を含む)の温度を、ヒータを用いて所定の合成温度に維持しながら、原料ガス供給部から原料ガスとしてのアセチレンを、一酸化炭素供給部から一酸化炭素を、補助ガス供給部からアルゴンを、それぞれ表4に示される流量で反応容器管内に供給して、総流量を600sccmとした。
第二ステップ開始からCNTアレイの成長が止まるまでの間、CNTアレイの成長高さを、実施例1と同様に測定した。
その結果を表4および図17〜図20に示す。
CNTアレイの成長高さを高くする観点から、合成温度は1.08×103K以上が好ましく、1.10×103K以上がより好ましいといえる。
12…電気炉
13…圧力計
14…反応容器管
16…ヒータ
18…熱電対
20…制御装置
22…ガス供給装置
23…圧力調整バルブ
24…排気装置
28…基板
30…原料ガス供給部
31…気相触媒供給部
32…一酸化炭素供給部
33…補助ガス供給部
Claims (12)
- 気相触媒を含む雰囲気内に基板を存在させる第一ステップと、
前記気相触媒を含む雰囲気に原料ガスおよび一酸化炭素を存在させることにより、前記基板のベース面上に複数のカーボンナノチューブを成長させ、前記複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブアレイを前記ベース面上に得る第二ステップとを備えることを特徴とするカーボンナノチューブアレイの製造方法。 - 前記第二ステップは、前記気相触媒を含む雰囲気に、前記原料ガスおよび前記一酸化炭素をこれらの流量を制御しつつ供給することにより実施され、前記原料ガスの供給流量に対する一酸化炭素の供給流量の比率(一酸化炭素/原料ガス)は1%以上である、請求項1に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 前記比率(一酸化炭素/原料ガス)は600%以下である、請求項2に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 前記気相触媒は鉄族元素のハロゲン化物を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 前記鉄族元素のハロゲン化物は塩化鉄(II)を含む、請求項4に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 前記原料ガスはアセチレンを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 前記第二ステップにおける前記ベース面は、8×102K以上に加熱されている請求項1から6のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 請求項1から7のいずれか一項に記載されるカーボンナノチューブアレイの製造方法により製造されたカーボンナノチューブアレイを用いて製造されたことを特徴とする紡績源部材の製造方法。
- 請求項8に記載される紡績源部材からカーボンナノチューブを紡ぎ出すことを含んで製造されることを特徴とするカーボンナノチューブを備える構造体の製造方法。
- 前記構造体が線状である請求項9に記載の構造体の製造方法。
- 前記構造体がウェブ状である請求項9に記載の構造体の製造方法。
- 請求項9から11のいずれか一項に記載される構造体を骨格構造として備えることを特徴とする複合構造体の製造方法。
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