JPWO2018155627A1 - カーボンナノホーン集合体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Fe、Ni、Coの単体又はこれらの2種又は3種の混合物から選択される金属触媒を含有する炭素ターゲットの表面にレーザー光を連続照射して、繊維状のカーボンナノホーン集合体を含むカーボンナノホーン集合体を製造する方法において、
前記炭素ターゲットの表面に照射される前記レーザー光のパワー密度が略一定となるようにレーザー照射位置を一定の速度で移動させ、
且つ、
前記レーザー照射位置の移動進行方向と異なる方向で先にレーザー光が照射された領域と隣接する領域に、前記レーザー光の照射領域の周辺に形成される変質領域の幅以上の間隔を開けて照射移動させることを特徴とするカーボンナノホーン集合体の製造方法が提供される。
Fe、Ni、Coの単体又はこれらの2種又は3種の混合物から選択される金属触媒を含有する炭素ターゲットの表面にレーザー光を連続照射して、繊維状のカーボンナノホーン集合体を含むカーボンナノホーン集合体を製造する方法において、
前記炭素ターゲットは、かさ密度が1.6g/cm3以下、熱伝導率が15W/(m・K)以下であることを特徴とするカーボンナノホーン集合体の製造方法が提供される。
図2は、本発明の一実施形態例によって作製された繊維状のカーボンナノホーン集合体(CNB)と球状のカーボンナノホーン(CNHs)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。図3は走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。CNBは、種型、つぼみ型、ダリア型、ペタルダリア型、ペタル型(グラフェンシート構造)のカーボンナノホーン集合体が一次元的に繋がった構造を有する。すなわち、単層カーボンナノホーンが放射状に集合体化し、且つ、繊維状に伸びている構造を有する。従って、繊維状構造中に1種類または複数のこれらカーボンナノホーン集合体が含まれている。図2中の非透過の粒子は、使用した金属触媒含有炭素材料に由来する金属を示す。以下の説明では繊維状と球状のカーボンナノホーン集合体を合わせて、単にカーボンナノホーン集合体ということがある。
容器内は任意の温度で使用でき、好ましくは、0〜100℃であり、より好ましくは室温で使用することが大量合成や低コスト化のためにも適当である。
容器内には、窒素ガスや、希ガスなどを単独で又は混合して導入することで上記の雰囲気とする。これらのガスは反応容器内を流通し、生成する物質をこのガスの流れによって回収することが出来る。また導入したガスにより閉鎖雰囲気としてもよい。雰囲気ガス流量は、任意の量を使用できるが、好ましくは0.5L/min−100L/minの範囲が適当である。ターゲットが蒸発する過程ではガス流量を一定に制御する。ガス流量を一定にするには、供給ガス流量と排気ガス流量とを合わせることで行うことができる。常圧付近で行う場合は、供給ガスで容器内のガスを押出して排気することで行うことができる。
以上のようにして得られるCNB及びCNHsは、その炭素骨格の一部が触媒金属元素、窒素原子等で置換されていてもよい。
カーボンナノホーン集合体を構成する単層カーボンナノホーンに微細な孔を開ける(開孔)場合は、酸化処理によって行うことができる。この酸化処理により、開孔部に酸素を含んだ表面官能基が形成される。また酸化処理は、気相プロセスと液相プロセスを使用できる。気相プロセスの場合は、空気、酸素、二酸化炭素等の酸素を含む雰囲気ガス中で熱処理して行う。中でも、コストの観点から空気が適している。また、温度は、300〜650℃の範囲が使用でき、400〜550℃がより適している。300℃以上では、炭素が燃えずに、開孔することができないという懸念はない。また、650℃以下ではカーボンナノホーン集合体の全体が燃焼することを抑制できる。液相プロセスの場合、硝酸、硫酸、過酸化水素等の酸化性物質を含む液体中で行う。硝酸の場合は、室温から120℃の温度範囲で使用できる。120℃以下であれば酸化力が高くなりすぎることがなく、必要以上に酸化されることがない。過酸化水素の場合、室温〜100℃の温度範囲で使用でき、40℃以上がより好ましい。40〜100℃の温度範囲では酸化力が効率的に作用し、効率よく開孔を形成できる。また液相プロセスのとき、光照射を併用するとより効果的である。
鉄を1at.%含有した円柱状の炭素ターゲット(直径:3cm、かさ密度約1.4g/cm3、熱伝導率約5W/(m・K))を容器に設置した。容器内を窒素雰囲気にした。この炭素ターゲットを0.5rpm(水準1)、1rpm(水準2)、2rpm(水準3)、4rpm(水準4)の速度で回転させながら、ターゲットにCO2ガスレーザ光をターゲットが1回転以下となる時間(0.5〜2rpmでは30秒、4rpmでは15秒)連続照射した。レーザーパワーは3.2kW、スポット径は1.5mm、照射角度はスポット中心で約45度となるように調整した。窒素ガス流量は、10L/min、700〜950Torrに制御した。反応容器内の温度は室温であった。
ターゲットの回転速度を1rpmとし、ターゲット送り速度を1.5mm/mim(水準5)と5mm/mim(水準6)に制御して、1回転以上となる時間でターゲットをらせん状に回転させる実験を行った。その他の条件は実施例1と同じである。
鉄を1at.%含有した炭素ターゲットを使用した(かさ密度が約1.7g/cm3、熱伝導率が約16W/(m・K))。その他の条件は実験例1の水準2と同じである。
この出願は、2017年2月27日に出願された日本出願特願2017−35031を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
1w 照射幅(=スポット径)
1P ピッチ
2 レーザー光
3 集光レンズ
4 チャンバー
5 照射窓
6 照射領域
7 変質領域
Claims (9)
- Fe、Ni、Coの単体又はこれらの2種又は3種の混合物から選択される金属触媒を含有する炭素ターゲットの表面にレーザー光を連続照射して、繊維状のカーボンナノホーン集合体を含むカーボンナノホーン集合体を製造する方法において、
前記炭素ターゲットの表面に照射される前記レーザー光のパワー密度が略一定となるようにレーザー照射位置を一定の速度で移動させ、
且つ、
前記レーザー照射位置の移動進行方向と異なる方向で先にレーザー光が照射された領域と隣接する領域に、前記レーザー光の照射領域の周辺に形成される変質領域の幅以上の間隔を開けて照射移動させることを特徴とするカーボンナノホーン集合体の製造方法。 - 前記レーザー光の照射位置の移動速度を3cm/min〜50cm/minの範囲とすることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノホーン集合体の製造方法。
- 前記レーザー光の出力が1.0kW〜10kWの範囲であることを特徴とする請求項2に記載のカーボンナノホーン集合体の製造方法。
- 前記炭素ターゲットは円柱状であり、前記照射位置が該ターゲットの表面をらせん状に移動するように、該ターゲットの回転及び移動を行うことを特徴とする請求項2又は3に記載のカーボンナノホーン集合体の製造方法。
- 前記らせん状のピッチを、前記レーザー光の照射スポット径に前記変質領域の幅を加えた値以上とすることを特徴とする請求項4に記載のカーボンナノホーン集合体の製造方法。
- 前記炭素ターゲットは、触媒の炭素に対する含有量が0.5〜3at.%の範囲内であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のカーボンナノホーン集合体の製造方法。
- 前記触媒が、Feであることを特徴とする請求項6に記載のカーボンナノホーン集合体の製造方法。
- 前記炭素ターゲットは、かさ密度が1.6g/cm3以下、熱伝導率が15W/(m・K)以下であることを特徴とする請求項6又は7に記載のカーボンナノホーン集合体の製造方法。
- Fe、Ni、Coの単体又はこれらの2種又は3種の混合物から選択される金属触媒を含有する炭素ターゲットの表面にレーザー光を連続照射して、繊維状のカーボンナノホーン集合体を含むカーボンナノホーン集合体を製造する方法において、
前記炭素ターゲットは、かさ密度が1.6g/cm3以下、熱伝導率が15W/(m・K)以下であることを特徴とするカーボンナノホーン集合体の製造方法。
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