KR100814217B1 - 탄소 나노튜브 생성 방법 - Google Patents

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Abstract

단일벽 탄소 나노튜브는 큰 다중벽 나노튜브를 생성하는 것으로 알려진 지지된 금속 촉매 상에서 일산화탄소와 에틸렌을 촉매 분해하여 합성된다. 소정의 조건하에서는, 나노튜브의 성장이 종료하지 않으며, 촉매를 커버하는 제품 나노튜브 매트를 통한 반응 가스의 확산에 의해서만 생성이 제한되는 것으로 나타난다. 본 발명은 지지된 촉매로부터 성장하는 것으로 알려진 불규칙한 큰 크기의 다중벽 탄소 원섬유보다는 특정 크기의 범위에서 우선적으로 단일벽 튜브가 되는 나노튜브의 성장을 촉진하는 촉매 기판 시스템에 관한 것이다. 단일벽 나노튜브의 생성을 위해 효과적인 수단을 제공하는 지지된 촉매 시스템의 개발과, 확산 제한을 극복하는 촉매의 기하학적 조건의 추가 개발로 인해, 본 발명은 촉매 지지용 표면상에 배치된 금속 촉매로부터 단일벽 탄소 나노튜브의 우선적인 대량 촉매 생성을 달성할 수 있다.

Description

탄소 나노튜브 생성 방법{METHOD FOR PRODUCING CARBON NANOTUBES}
본 발명은 미 항공 우주국의 제트 추진 연구소 및 미국 국립 과학 재단에 의해 각각 수여된 미국 승인 번호 제961240호 및 제 DMR-9522251호 하에 미국 연방 정부로부터 지원을 받아 이루어졌다. 미국 연방 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 가질 수 있다.
본 발명은 단일벽 탄소 나노튜브의 생성 방법 및 그러한 방법에 사용하기 위한 촉매에 관한 것이다.
플러린(fullerenes)은 전체가, 육각형 및 오각형으로 배열된 sp2 혼성 탄소로 이루어지는 폐쇄 케이지형(closed-cage) 분자이다. 플러린(예컨대, C60)은 처음에, 증발된 탄소로부터 응축에 의해 생성되는 폐쇄된 거의 구형의 케이지(closed spheroidal cages)로서 구별되었다.
플러린 튜브는 증발된 탄소로부터 구형의 플러린을 생성하는 탄소 아크 방법에서 캐소드 상의 탄소 적층물에 생성된다. Ebbesen 등(Ebbesen I)의 "탄소 나노튜브의 대규모 합성(Large-Scale Synthesis of Carbon Nanotubes)"[Nature, Vol. 358, p.220, (July 16, 1992)], Ebbesen 등(Ebbesen II)의 "탄소 나노튜브"[Annual Review of Materials Science, Vol.24, p.235 (1994)]. 이와 같은 튜브는 본 명세서에서 탄소 나노튜브라고 부른다. 상기 프로세스에 의해 생성되는 탄소 나노튜브 중 많은 탄소 나노튜브는 다중벽(multi-wall) 나노튜브이다. 즉, 상기 탄소 나노튜브는 동심원의 실린더(concentric cylinders)를 닮았다. 다중벽이 있는 탄소 나노튜브가 종래 기술에 설명되어 있다. Ebbesen II; Iijima 등의 "그래파이트 탄소의 나선형 마이크로튜브(Helical Microtubes Of Graphitic Carbon"[Nature, Vol.354, p. 56(November 7, 1991)].
나노튜브를 합성하는 다른 공지 방법은 기판 상에 지지된 나노미터 크기의 금속 입자로 탄소 함유 가스의 촉매 분해를 행하는 것이다. 탄소 공급 원료 분자는 입자 표면을 분해하고, 이에 따라 생긴 탄소 원자는 입자를 통해 확산하여 입자의 일측에서 성장하는 나노튜브의 일부로서 응결한다. 이러한 처리는 고수율로 불완전한 다중벽 나노튜브를 만드는 것이 통상적이다. 본원에 전체가 참조로서 조합되는, C. E. Snyder 등이 출원한 국제특허출원 제WO 89/07163호(1989년)를 참조하라. 이 출원의 이점은 비교적 간단하며 무게가 킬로그램에 달하는 나노튜브를 생성한다는 것이다.
단일벽 탄소 나노튜브는 탄소와 작은 비율의 Ⅷ족 천이 금속을 아크 방전 장치의 애노드에서 동시에 증발시킴으로써 플러린 생산에 사용되는 타입의 직류 아크 방전 장치에서 생성되었다. Iijima 등의 "1nm 직경의 단일 셸 탄소 나노튜브(Single Shell Carbon Manotubes of 1 nm Diameter"[Nature, Vol.63, p.603(1993)]; Bethune 등의 "단일 원자층의 벽이 있는 탄소 나노튜브의 코발트 촉매 작용에 의한 성장(Cobalt Catalyzed Growth of Carbon Nanotubes with Single Atomic Layer Walls)"[Nature, Vol.63, p.605(1993)]; Ajayan 등의 "코발트 촉매 작용에 의한 단일 셸 나노튜브 합성 중 성장 형태학(Growth Morphologies During Cobalt Catalyzed Single-Shell Carbon Nanotube Synthesis)"[Chem. Phys. Lett., vol.215, p.509(1993)]; Zhou 등의 "YC2 입자로부터 반경 방향으로 성장하는 단일벽 탄소 나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotubes Growing Radially From YC2 Particles)"[Appl. Phys. Lett., Vol.65, p.1593(1994)]; Seraphin 등의 "단일벽 튜브와 탄소 클러스터로 나노결정의 밀봉(Single-Walled Tubes and Encapsulation of Nanocrystals Into Carbon Clusters)"[Electrochem. Soc., Vol.142, p.29091995)]; Saito 등의 "금속과 탄화물을 봉입한 탄소 나노캡슐(Carbon Nanocapsules Encaging Metals and Carbides)"[J. Phys. Chem. Solids, Vol.54, p.1849(1993)]; Saito 등 "증발원 근처에서 응축된 소립자의 형성을 통한 단일벽 탄소 나노튜브의 압출(Extrusion of Single-Wall Carbon Nanotubes Via Formation of Small Particles Condesed Near an Evaporation Source)"[Chem. Phys. Lett., Vol.236, p.419(1995)]를 참조하라. 또한, 그러한 천이 금속의 혼합물은 아크 방전 장치에서 단일벽 탄소 나노튜브의 수율을 상당히 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. Lambert 등의 "절연 단일 셸 탄소 나노튜브쪽의 조건 개선(Improving Conditions Toward Isolating Single-Shell Carbon Nanotubes)"[Chem. Phys. Lett., Vol.226, p.364(1994)]를 참조하라. 이러한 아크 방전 공정은 단일벽 나노튜브를 생성할 수 있지만, 나노튜브의 수율이 낮고 튜브들이 혼합물에서 개별 튜브 간에 크기 및 구조에 있어서 심각한 변형을 보이고 있다. 개별 탄소 나노튜브는 다른 반응물로부터 분리하여 정제하는데 어려움이 있다.
또한, Y와 Ni가 도핑된 그라파이트 로드의 아크 증발에 의해 양질의 단일벽 탄소 나노튜브를 생성하였다. 전체가 참조로서 합체되는 C. Journer 등의 Nature 388(1997) 756을 참조하라. 이러한 기술들은 오직 그램 분량의 단일벽 탄소 나노튜브를 생성할 수 있게 해준다.
단일벽 나노튜브를 생성하는 개선 방법은 발명의 명칭이 "단일벽 탄소 나노튜브의 로프(Ropes of Single-Walled Carbon Nanotubes)"이고, 전체가 본 명세서에 참조로서 합체되는 미국특허출원 제08/687,665호에 기술되어 있다. 이러한 방법은 특히 적어도 50%의 응축 탄소의 수율로 단일벽 탄소 나노튜브를 생성하도록 천이 금속 원자, 바람직하게는 니켈, 코발트 또는 그 혼합물이 도핑된 그라파이트 물질의 레이저 증발을 사용한다. A. Thess 등의 Science 273:483(1996)을 참조하라. 이러한 방법에 의해 생성된 단일벽 나노튜브는 평행한 정렬 상태인 10 내지 1000 단일벽 탄소 나노튜브의 "로프"로 불리우며, 밀접하게 채워진 상태로 반 데르 발스 힘에 의해 함께 유지되는 클러스터로 형성되는 경향이 있다. 이러한 방법에 의해 생성된 나노튜브는 하나의 구조가 우세한 경향이 있지만 구조가 변화하게 된다. 이러한 양질의 샘플들은 탄소 나노튜브의 경우에 예상되는 구조적 종속 특성의 실험에 의한 형성을 초기에 가능하게 하였다. J. W. G. Wildoer, L. C. Venema, A. G. Rinzler, R. E. Smalley, C Dekker(1998), Nature, 391:59; T. W. Odom, J. L. Huang, P. Kim, C. M. Lieber(1998), Nature, 391:62를 참조하라.
레이저 증발 공정이 개선된 단일벽 나노튜브 조제품을 생성할 수 있지만, 제품이 여전히 이질적이고, 이러한 재료들의 가능성 있는 다양한 사용의 경우에 너무 혼란스러웠다. 또한, 탄소의 증발은 고에너지 공정이어서 본질적으로 비용이 많이 든다. 따라서, 보다 순수하고 동질적인 단일벽 나노튜브를 생성하는 개선 방법에 대한 요구가 여전히 존재하였다. 더욱이, 단일벽 나노튜브가 미소 물체의 표면에 직접 부착되는 형태로만 판매된다면 단일벽 나노튜브의 특성의 사용을 응용할 수 있게 된다. 그러나, 그러한 콤포넌트는 현재까지 생산되지 않았다.
단일벽 탄소 나노튜브로부터 탄소 섬유를 제조하는 방법은 전체가 참조로서 본원에 합체되는 PCT 특허 출원 제PCT/US98/04513호에 설명되어 있다. 거의 2방향 배열로 생성되는 단일벽 나노튜브 분자는 개별적인 나노튜브의 배향에 대해 거의 수직으로 연장하는 단일층을 형성하도록 거의 평행한 배향 상태로 (예를 들어, 반 데르 발스 힘에 의해) 모이는 단일벽 나노튜브로 이루어진다. 그러한 단일층 배열은 "자체 집합식 단일층"(self-assembled monolayers; SAM) 또는 랭미어-블로드게트(Langmiur-Blodgett) 필름을 사용하는 종래의 기술에 의해 형성될 수 있다. Hirch, pp.75-76 을 참조하라.
통상적으로, SAM은 금속[금, 수은 또는 ITO(indium-tin-oxide) 등]이 될 수 있는 기판 상에 생성된다. 관심 대상인 분자, 여기서 단일벽 나노튜브 분자는 -S-, -S-(CH2)n-NH-, -SiO3(CH2)3NH- 등의 링커 부분을 통해 기판에 (통상 공유결합에 의해)링크된다. 링커 부분은 먼저 기판에 결합되거나 (개방 단부 또는 폐쇄 단부에서)단일벽 나노튜브 분자에 결합되어 반응식 자체 조립체를 제공한다. 랭미어-블로드게트 필름은 두 개의 상, 예를 들어 탄화수소(예를 들어, 벤젠 또는 톨루엔)와 물 사이의 경계면에서 형성된다. 필름에서의 배향은 친수성 및 친유성 부분을 대향 단부에 구비하는 분자 또는 링커를 사용함으로써 얻어진다.
일산화탄소의 금속 촉매 처리된 불균화 반응(metal-catalyzed disproportionation)에 의한 단일벽 탄소 나노튜브의 생성이 보고되어 있다. Dai 등의, Chem. Phys. Lett., 260:471-475를 참조하라. 미리 성형된 촉매 입자는 공지 방법을 사용하여 발연 알루미나 나노입자 상에 지지된 Ni/Co의 50:50 혼합물로 생성된다[국제특허출원 제WO 89/07163호(1989) 참조]. 촉매 입자로부터 성장하는 단일벽 나노튜브 구조 또는 다중벽 나노튜브 구조는 촉매 입자 자체의 치수와 관련된다. 촉매 입자 준비의 공지 방법을 사용하여, 단일벽 나노튜브만을 생성하는 균일한 최적의 크기를 갖는 나노입자를 제공하는 것은 불가능하며, Dai 등의 성장 공정은 큰 입자가 다중벽 나노튜브를 생성하기 때문에 고수율의 단일벽 나노튜브를 제공하지 못하였다.
본 발명은 단일벽 나노튜브가 성장하는 온도 및 압력으로 적절한 공급 원료 가스(예를 들어, CO 또는 효율적인 공지의 탄화수소 가스들 중 임의의 것)와 접촉되도록 불활성 표면 상에 지지된 지지된 천이 금속 촉매를 제공하는 단계를 구비하는 탁월한 단일벽 탄소 나노튜브의 생성 방법을 제공한다. 먼저 적절한 지지 기판 상에 촉매 물질을 배치하고 촉매 물질이 단일벽 탄소 나노튜브를 주로 생성하도록 촉매 물질을 처리함으로써 향상된 단일벽 나노튜브의 생성 속도가 제공된다. 적어도 초기에 조건들은 나노튜브를 형성하는 반응이 촉매 입자를 통한 탄소의 확산 속도에 제한되기보다는 촉매 위치에 대한 탄소의 공급에 의해 제한되는 것을 보증한다. 이것은 조절된 공급 원료 가스량에 함유된 탄소가 촉매 입자와 상호작용하는 화학 공정을 통해 달성된다. 적절한 조건하에서 공급 원료 가스에 있는 탄소는 2 나노미터보다 작은 직경의 촉매 입자 상에서는 단일벽 나노튜브로 형성되지만 더 큰 촉매 입자들을 밀봉하는 그라파이트층으로 형성되어, 더 큰 촉매 입자들을 촉매로서 비활성화시켜 버린다. 직경이 약 2 나노미터보다 큰 촉매 입자는 다중벽 나노튜브를 형성하는 것이 보다 용이하고, 그 입자는 상기 프로세스에 의해 무력해지므로, 그 외의 활성 촉매 입자만이 주로 단일벽 나노튜브의 성장을 지지한다. 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 방법은 원하는 나노튜브 타입의 성장을 지지하지 않는 촉매 입자를 비활성화시키도록 지지된 촉매 물질의 처리를 제공하며, 여기서 원하는 형태의 단일벽 나노튜브의 성장을 촉진시키기 위해 공급 원료 조성 또는 밀도가 순차적으로 변화한다. 본 발명의 방법은 50% 이상의 단일벽 나노튜브(SWNT), 보다 통상적으로는 90% 이상의 SWNT, 또는 99% 이상의 SWNT인 재료를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명은, 그 구조에 의해 촉매에 대한 공급 원료 가스의 접근이 향상되도록 구성된 촉매/지지 시스템을 제공한다. 기판 표면 상에 작은 촉매 입자를 산포하여 촉매 위치들 간에 명백히 거리가 존재하도록 촉매를 증착하거나, 당업자에게 공지된 다른 증착 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
이중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 소정의 경우에 있어서, 탄소 함유 전구체 가스의 촉매 분해에 의해 이전에 달성된 것보다 수율이 더 큰 고품질의 단일벽 탄소 나노튜브의 생성 방법이 개시되어 있다. 형성된 나노튜브는 촉매 지지 표면에 고정된 촉매 입자에 연결되어 이 입자로부터 성장한다. 성장 시간이 짧으면, 튜브는 단지 1 미크론 길이의 파편으로 될 수 있지만, 성장 시간이 길어지면, 본 발명의 단일벽 탄소 나노튜브가 임의의 길이로 연속 성장할 수 있다. 본 발명은 단일벽 탄소 나노튜브를 생성하는 최소의 지지된 촉매 입자에서만 나노튜브를 응집 및 성장시키는 수단을 증명하며, 여기서 큰 입자는 다중벽 나노튜브를 생성하지 않도록 비활성화된다. 이로 인해 큰 직경의 다중벽 나노튜브만을 생성하는 것으로 이전에 생각되던 촉매 시스템에서 오직 단일벽 탄소 나노튜브만을 성장시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 단일벽 탄소 나노튜브를 생성하는 공정이 개시되어 있다. 상기 공정은, (1)반응 영역에 지지된 나노단위의 입상 천이 금속 촉매를 제공하는 단계와, (2)화합물이 다중벽 탄소 나노튜브의 생성에 대해 촉매작용을 할 만큼 충분히 큰 직경을 가지는 촉매 입자들을 불활성화시키도록 하는 조건들 하에서, 적어도 초기에, 상기 반응 영역으로 기상 탄소 함유 화합물을 공급하는 단계로서 상기 공급 단계와, (3)상기 조건하에서 활성 상태로 남아 있는 단일벽 탄소 나노튜브의 우선 생성에 대해 촉매 작용하는데 충분히 작은 직경을 갖는 촉매 입자를 기상의 탄소 함유 화합물과 접촉시키는 단계를 구비한다. 상기 기상의 탄소 함유 화합물은 탄화수소일 수도 있다. 이 경우에 있어서, 기상의 탄화수소는 작은 직경의 탄소 입자로부터 단일벽 나노튜브를 성장시키면서 큰 직경의 촉매 입자를 비활성화시키기에 충분히 느린 속도로 반응 영역에 공급된다. 그러한 조건하에서는, 큰 입자의 촉매 입자가 소정의 다중벽 탄소 나노튜브가 입자로부터 성장할 수 있기 전에 그라파이트층에 의해 밀봉된다는 것을 확신한다. 또한, 기상 탄소 함유 화합물은 CO 일 수도 있다. 이 경우에 있어서, CO는 큰 직경의 촉매 입자를 비활성화시키지만 단일벽 탄소 나노튜브를 고수율로 생성하는 온도 및 압력으로 지지된 촉매와 접촉된다. 다른 경우에 있어서, 큰 직경의 촉매 입자의 비활성화 후에 반응 영역의 조건은 단일벽 탄소 나노튜브의 생성에 적합한 조건으로 변화될 수도 있다.
촉매는 실질적으로 평면의 지지체 상에 지지된 나노단위의 천이 금속 원자 클러스터를 포함한다. 천이 금속 원자 클러스터는 서로 근접한 상태로 평면의 표면 상에 거의 균일하게 배치되므로, 각각의 단일벽 탄소 나노튜브, 또는 거의 정렬된 단일벽 탄소 나노튜브의 다발 또는 로프가 지지된 촉매 입자로부터 성장할 수 있다. 반응 영역에서의 온도 변화는 단일벽 탄소 나노튜브의 수율을 선택적으로 변화시킬 수도 있다.
도 1은 알루미나 지지형 Mo 입자 시스템 상에서 850℃로 1200 sccm CO를 반응시켜 성장된 별개의 단일벽 나노튜브의 이미지.
도 2는 Mo 상 Co 입자와 Fe:Mo 상 C2H4 입자에 대한 시간의 함수로서 나노튜 브 수율의 그래프이며, 여기서 피트는 t0.5 와 t0.4 의 시간 종속을 각각 부여한다.
도 3은 1200 sccm의 알루미늄:Fe:Mo 상 Co 촉매에 의해 850℃에서 성장된 단일벽 탄소 나노튜브의 TEM 이미지.
도 4는 1000 sccm Ar, 0.66 sccm C2H4, 0.33 sccm H2로 800℃에서 성장된 나노튜브 로프의 SEM 이미지.
도 5는 0.5 nm 내지 3 nm 직경의 나노튜브와 1 또는 2개의 벽으로 이루어진 로프를 도시하는 동일 재료의 TEM.
도 6은 무한 그래핀 시트과 관련된 캡슐과 단일벽 나노튜브의 에너지의 그래프.
탄소는 아주 기본적으로, 완벽한 구형의 폐쇄 케이지[이 중 C60은 프로토티피컬(prototypical)이다]를 형성하도록 고온의 증기로부터 자가 생성하는 특성 뿐만 아니라, (천이 금속 촉매의 도움으로)완벽한 단일벽 원통형 튜브로 생성되는 특성을 갖는다. 탄소의 일방향 단일 촉매로서 간주되는 이들 튜브들이 진정한 플러린 분자이다.
단일벽 탄소 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브에 비해 결점을 제거하기가 매우 용이해진다. 단일벽 탄소 나노튜브의 결점은 다중벽 탄소 나노튜브의 결점과 결코 동일하지 않은데, 그 이유는 다중벽 탄소 나노튜브가 인접한 튜브 벽에 있어서 비포화된 탄소 균형 간에 가교를 통해 쉽게 형성된 결점 위치를 제공하는 인접 벽을 구비하기 때문이다. 단일벽 탄소 나노튜브는 결점이 적기 때문에, 보다 강하고 도전성이 좋아서 유사한 직경의 다중벽 탄소 나노튜브에 비해 보다 유용하다.
탄소 나노튜브의 직경은 단일벽 탄소 나노튜브의 경우에 약 0.6 나노미터(nm)로부터 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브의 경우에 최대 3nm, 5nm, 10nm, 30nm, 60nm 또는 100nm 의 범위에 있다. 탄소 나노튜브의 길이는 5nm으로부터 최대 1밀리미터(mm), 1센티미터(cm), 3cm, 5cm 또는 그 이상이다. 여기서 설명한 공정으로 인해 지지용 촉매로부터의 성장으로 이전에 얻은 것보다 수율이 크다는 측면에서 양질의 단일벽 탄소 나노튜브, 및 소정의 경우에 이중벽 탄소 나노튜브를 생성하는 것이 가능해진다. 본 발명에 의해 제조된 제품에 있어서 단일벽 탄소 나노튜브의 수율은 매우 높게 된다. 본 발명에 따르면, 90% 이상의 단일벽 탄소 나노튜브의 수율이 가능하다. 이것은 지지용 촉매 입자 중 가장 작은 입자로부터 나노튜브를 응집 및 성장시켜 얻을 수 있는데, 이러한 입자는 단일벽 탄소 나노튜브를 생성하고, 큰 입자를 비활성화시켜 소수의 다중벽 나노미터를 생성한다.
촉매 지지
본 발명은 단일벽 나노튜브의 생성에 효율적인 수단을 제공하는 지지용 촉매 시스템의 개선을 다루고 있다. 단일벽 탄소 나노튜브는 큰 다중벽 나노튜브를 생성하는 것으로 알려진 지지용 금속 촉매 상에서 일산화탄소와 에틸렌을 촉매 분해하여 합성하였다. 소정의 조건하에서는, 나노튜브 성장이 종료되지 않으며, 촉매를 커버하는 제품 나노튜브 매트를 통해 반응 가스의 확산에 의해서만 생성이 제한되는 것으로 나타난다. 촉매의 기하학적 조건은 확산 제한을 극복하도록 선택될 수도 있다.
제한된 가스 상태의 확산으로 인한 부정적인 영향을 극복하기 위해 선택되는 촉매의 기하학적 구조는, 지지 구조체 상의 특정의 분리된 영역들에 촉매 재료가 분산되거나 증착되는 것 포함한다. 그러한 촉매의 기하학적 구조들로 인해 촉매에 대한 공급 원료의 양호한 접근이 허용되어 특정한 절연 위치에서 나노튜브가 성장할 수 있게 된다. 그러한 지지용 촉매는 단일벽 나노튜브의 대량 촉매 생성을 촉진한다. 본 발명의 촉매 물질 시스템은 지지용 촉매로부터 성장하는 것으로 알려진 크고 불규칙한 크기의 다중벽 탄소 미세섬유(multi-walled carbon fibrils)보다는 특정 크기의 범위에 있는 우세한 단일벽 튜브인 나노튜브의 성장을 또한 촉진한다. 확산 제한을 극복하는 촉매 기하학적 조건은 지지용 금속 촉매에 의해 단일벽 탄소 나노튜브의 대량 촉매 생성을 허용한다.
본 발명에 따른 나노단위 입자의 천이 금속 촉매는 화학적으로 양립할 수 있는 나노단위의 내화성 지지 입자 상에 제공될 수도 있다. 지지 재료는 반응 조건하에서 고형체로 남아있어야 하며, 촉매의 힘을 줄이지 말아야 하며, 형성 후에 제품에서 쉽게 분리되어야 한다. 물라이트(mullite)와 같은 알루미나, 탄소, 석영, 규산염 및 규산 알루미늄이 모두 지지용 재료로 적당하다. 지지체는 원형, 불규칙적인 형상의 입자, 박편 등의 형태로 취해질 수도 있다. 거의 평평한 표면을 제공하는 지지체, 예를 들어 박편이 바람직하다. 지지체의 크기는 약 10nm으로부터 센티미터까지의 범위이다.
천이 금속 촉매
반응성 인자의 적절한 조합이 사용될 때 다양한 천이 금속 함유 클러스터가 촉매로서 적절하다. 상기 천이 금속 촉매는 이하에서 설명하는 탄소 함유 공급 원료를 성장 끝에서 특성이 있는 6각형 구조로 재배열할 수 있는 고 이동성 탄소 라디칼로 전환시키는 소정의 천이 금속이 될 수 있다. 적절한 재료로는 천이 금속을 포함하며, 특히 ⅥB 족 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 ⅧB 족 천이 금속, 예를 들어 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 및 플라티늄(Pt) 또는 그 혼합물을 포함한다. 란탄 계열 및 악티니드 계열도 사용될 수 있다. Fe, Ni, Co 및 그 혼합물, 예를 들어 Ni와 Co의 50/50 혼합물(중량으로) 또는 Fe/Ni의 혼합물이 바람직하다. 이들 천이 금속 중 소정의 것들은 개별적으로 또는 열거된 소정의 기타 천이 금속과 조합하여 단일벽 탄소 나노튜브 성장용 촉매로서 작용하도록 클러스터로 사용될 수도 있다. 열거된 금속의 두 개 이상의 혼합물이 촉매로서 특히 바람직하다.
천이 금속 클러스터의 크기는 약 0.5nm 내지 30nm 이상이다. 0.5 내지 3nm의 범위에 있는 클러스터는 단일벽 나노튜브를 생성하지만, 더 큰 클러스터는 외경이 약 3nm 이상인 다중벽 나노튜브를 생성하는 경향이 있다. 바람직한 형태에 있어서, 큰 클러스터는 본 발명에 따른 방법에 의해 비활성화되며, 그 결과로 이 바람직한 촉매를 사용하는 나노튜브의 촉매 생성은 우세하게 단일벽 나노튜브가 될 것이다. 지지체에서 성장하는 단일벽 나노튜브가 일반적으로 정렬된 단일벽 탄소 나노튜브의 다발 또는 로프를 형성하기 위해 천이 금속 클러스터는 서로 근접하도록 지지면 상에 거의 균일하게 산포(disperse)될 수 있다. 대안적으로, 금속 클러스터는 클러스터간에 분리가 확실하도록 지지면 상에서 산포(disperse)될 수도 있으며, 그에 따라 지지체로부터 성장하는 단일벽 나노튜브가 서로 분리될 수도 있다.
촉매는 공지된 방법을 사용하여 마련하여도 좋고, (ⅰ)미리 완전 활성 형태로 마련하거나, (ⅱ)후속하는 활성 단계(예를 들어, 적절히 분위기를 처리하는 단계)에 의해 전구체 형태로 마련하거나, 반응 영역의 적소에 형성할 수 있다. 촉매 전구체는 산화물, 기타 염들 또는 배위자 안정화 금속 합성물(ligand stabilized metal complexes)과 같은 성장 조건하에서 활성 형태로 전환하는 것일 수도 있다. 일예로서, 알킬아민(제1기, 제2기 또는 제3기)을 갖는 천이 금속 합성물이 사용될 수 있다. 유사한 천이 금속 산화물의 알킬아민 합성물이 또한 사용될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 적소에 형성하는 것이 바람직하다.
적절한 하나의 촉매 준비 방법은 C. E. Snyder 등에게 허여된 미국특허 제5,707,916호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 합체된다. 본 방법에 따르면, 발연 알루미나[드구사(degussa)]를 메타놀과 교반하고, 그에 따라 생긴 슬러리에 금속염[질산철 및/또는 비스(아세틸아세토나토)-디옥소몰리브드늄(Ⅵ)]의 메타놀 용액을 첨가한다. 혼합한 슬러리를 몇 시간 동안 교반하고, 회전 증발기에서 건조하며, 12 내지 15 시간 동안 180℃로 진공에서 구운 다음, 연마하여 미세 분말로 만든다.
탄소 소스
적절한 탄소 함유 화합물은, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 쿠멘, 에틸벤젠, 나프탈렌, 페난트렌, 안트라센 또는 그 혼합물 등의 방향족 탄화수소와, 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 프로필렌, 아세틸렌 또는 그 혼합물 등의 비방향족 탄화수소와, 포 말데히드, 아세탈데히드, 아세톤, 메타놀, 에타놀 또는 그 혼합물 등의 산소 함유 탄화수소를 포함하는 탄화수소들 및 일산화탄소를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 탄소 함유 화합물은 일산화탄소(CO) 또는 에틸렌(C2H4)이다.
단일벽 나노튜브에 맞는 조건
단일벽 나노튜브를 우선적으로 형성하는 본 발명의 반응 단계는 큰 직경의 촉매를 비활성화시키는 조건하에서 초기에 기상의 탄소 함유 화합물을 적절히 공급하면서 지지 금속 촉매와 접촉하는 단계를 포함한다. 일반적으로, 그러한 조건은 탄소 원자가 서로 결합하는 정확한 위치로 촉매를 통해 탄소 확산 속도에 의해 제한되는 처리보다는 촉매 처리 속도가 촉매 클러스터 자체에 대한 탄소의 공급에 의해 제한되도록 하는 것이다. 이것은 촉매에 대한 탄소 공급을 감소시킴으로써 달성되는데, 이로 인해 촉매 입자에서 탄소 농도가 감소된다. 낮은 탄소 농도로 인해 탄소 구조가 더 느리게 형성되며, 각 탄소 원자에 최하의 에너지 구성으로 어닐링하도록 더 많은 시간을 부여한다. 적어도 3nm 직경인 촉매 입자 상에서 최하의 에너지로 부착된 탄소 구조는 그라파이트(graphite) 형태의 시트로 촉매 입자를 밀봉한 것이지만, 더 작은 직경의 촉매 입자의 경우, 최하의 에너지 구조는 입자를 성장시키는 단일벽 나노튜브이다.
촉매에 대한 탄소의 낮은 공급은 기상 탄소의 소스에 따라 다양한 방법으로 달성된다. 나노튜브를 생성하는 CO의 반응에 있어서, 낮은 탄소 공급 속도가 나타나는데 그 이유는 CO 분해가 강한 2개의 CO 3중 본드의 절단을 수반하는 2분자 불균화 반응(bimolecular disproportionation)이기 때문이다. 그러한 반응은 약 1atm의 반응 압력보다 더 큰 압력과 고온에서를 제외하고 매우 느리게 진행하리라 예상된다. C2H4의 촉매 분해는 약 1atm에서는 빨리 진행되지만, C2H4의 입자 압력을 0.5 Torr로 제한함으로써 느리게 할 수 있다.
촉매 입자로 공급되는 탄소량의 감소는 반응기의 가스 압력을 저하시킴으로써, 일반적으로 반응기로의 공급 속도를 감소시킴으로써 달성될 수도 있다. 이와 달리, 가스 흐름에 첨가된 공급 원료량을 감소시켜 반응기에서 공급 원료 가스의 입자 압력을 감소시킬 수도 있다. 일반적으로 반응 영역의 압력은, 적어도 초기에, 작은 직경의 촉매 입자로부터 단일벽 나노튜브를 형성하는 동안, 큰 직경의 촉매 입자를 비활성화시키도록 선택되어야 한다. 상술한 바와 같이, 촉매 입자에 대한 탄소 공급의 속도를 제한하는 입자 압력은 반응 메카니즘에 달려 있다. 예를 들어, 이러한 조건에 일치하는 CO의 경우에 입자 압력은 에틸렌의 입자 압력보다 매우 크게 된다. 초기의 CO 압력은 약 0.1 Torr 내지 10 atm 이 된다. 반응 영역의 초기 압력은 1.2atm이 바람직하다.
촉매 입자를 통한 탄소 확산으로부터 촉매 입자에 대한 탄소 공급으로 속도 제한 단계의 성공적인 변화가 이루어진다는 증거는 본 발명의 촉매 시스템의 3가지 양태에서 발견할 수 있다. 첫 번째로, 제품 질량의 증가 속도는 탄화수소 공급 원료의 입자 압력과 직선 모양으로 변화한다. 두 번째로, 나노튜브 성장의 종료를 무시하면, 질량 성장 속도는 700℃ 내지 850℃의 반응 속도와 무관하게 된다. 반응이 금속을 통한 탄소의 확산에 의해 제한되면, 아레니우스 온도 종속과 철을 통한 탄소 확산의 활성 에너지를 가정하여 속도는 700℃ 내지 850℃의 경우의 2배가 된다. 현재의 실험은 개별 나노튜브의 미세 성장률(microscopic growth rate)와 대립되는 벌크 성장률(a bulk growth rate)만을 측정하는 것이 명백하다. 그러나, 촉매의 단위 질량마다 동일한 수의 나노튜브 핵이 응집한다고 가정하면, 상기 2개의 속도는 비례한다. 마지막으로, 촉매 상의 탄소의 벌크 성장률은 촉매 위를 유동하는 에틸렌에서의 탄소 질량의 5%와 동일하다. 비록 이것은, 공급을 제한한 반응에서 기대한 바와 같이 촉매 위를 유동하는 에틸렌에서의 탄소 질량의 100%는 아니지만, 층류를 가정하는 간단한 모델은 단지 5%의 에틸렌 분자가 촉매 베드에 부딪히는 것을 제안한다. 숙련자들에게는 명백한 바와 같이, 탄소 공급 원료는 그 활용성을 증가시키기 위해 촉매 반응기를 통해 재활용하여도 좋다. 3개의 특징 중 어느 하나, 또는 3개 모두를 인지하면, 소정의 공급 원료의 경우에, 숙련자들은 촉매 입자를 통한 탄소의 확산이 아니라 촉매에 대한 탄소의 공급에 의해 반응이 제한되도록 반응 조건을 조절할 수 있다.
반응 용기의 초기 온도는 약 700℃ 내지 약 1200℃이며, 반응 영역의 온도는 초기에 850℃인 것이 바람직하다.
큰 촉매 입자의 선택적인 비활성 이후에, 실질적으로 단일벽 나노튜브를 형성하는 공정은 동일 조건 하에서 SWNT 의 성장을 계속하거나, 선택적인 촉매에 의해 SWNT의 생성을 향상하도록 반응 조건을 변화시킬 수도 있다. 제1 단계에 있어서, 다중벽 탄소 나노튜브의 생성에 촉매 작용을 미치는데 충분히 큰 촉매 입자를 비활성화시키는 적어도 초기 조건 하에서 전구체가 반응 영역에 공급될 수도 있다. 이러한 조건은 1.2 atm에서 CO 가스에 대한 촉매 입자의 노출을 포함한다. 또한, 전구체는 큰 직경의 촉매 입자, 예를 들어 3nm 보다 큰 입자의 비활성화를 일으키는데 충분히 낮은 속도로 반응 영역에 공급될 수도 있다. 전구체의 경우 일반적으로 낮은 유동 속도는 1 인치 직경의 관로(tube furnace)에서 약 500 내지 약 2000 sccm 일 수도 있다.
일단, 큰 직경의 촉매 입자가 비활성화되면, 반응 영역의 조건은 단일벽 탄소 나노튜브의 생성을 향상시키는 조건으로 변화된다. 이것은 CO의 온도 및/또는 압력을 증가시키는 단계와 상술한 탄소 함유 반응 가스들 중 어느 하나로 변화시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 반응 영역의 조건은 큰 직경의 촉매 입자를 비활성시킨 이후에 작은 직경의 촉매 입자로부터 단일벽 나노튜브의 성장에 적합하도록 반응 영역 조건을 변화시킬 필요가 없도록 선택될 수도 있다. 또한, 초기에 선택된 조건으로 인해 단일벽 나노튜브가 이들 조건하에서 활성 상태로 남아 있을 수 있다. 예를 들어, 반응 영역의 CO 압력이 약 500 Torr 내지 약 2000 Torr 가 될 수 도 있다. 온도는 약 600℃ 내지 900℃이다. 전구체의 유동 속도는 1인치 직경의 관로에서 약 500 내지 약 2000 sccm이다.
단일벽 나노튜브의 수율은 반응 영역의 온도를 변화시킴으로써 선택적으로 변화된다. SWNT의 질량 수율은 온도에 의존하며, 온도를 증가시키면 수율이 증가한다. 또한, 제품 혼합이 700℃에서 30% 이중벽 나노튜브로부터 850℃에서 70% 이중벽 나노튜브로 변화하는 상태로 선택이 온도에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 1 및 4에 도시된 바와 같이, 850℃에서 Mo 촉매 입자 상 CO 균형과 700℃에서 Fe/Mo 입자와 C2H4 의 반응은 성장 반응의 종료없이 계속 성장하는 단일벽 탄소 나노튜브를 생성하는 것으로 나타나고 있다. 이러한 결과는 원리상 독단적으로 긴 길이를 갖는 단일벽 탄소 나노튜브의 연속 성장의 제1 증거를 이룬다. 그러나, 특히 성장된 나노튜브의 질량이 직선 형태보다 못한 시간 종속을 보이고 있으므로 성장은 시간이 증가함에 따라 점점 느려지게 된다(도 2에 기재된 적합한 데이터는 시간에 대한 수율의 의존을 대략 사각형의 루트에 제시하고 있다). 이렇게 느린 성장은 촉매 입자를 둘러싸고 있는 두꺼워진 나노튜브의 매트를 통한 탄소 공급 원료의 확산 시간의 증가에 기인한다.
본 발명자들은 특정 메카니즘에 구속되지 않으면서, 본 발명의 원리가 고려된 구조 크기의 함수로서 탄소 원자 당 에너지를 연산함으로써 고에너지 구조가 촉매 입자의 성장을 중지할 수 있다라는 것으로 생각하였다. 단일벽 탄소 나노튜브의 경우에, 측벽에 있는 매우 많은 수의 탄소 원자들을 위하여 캡을 무시하였다. 응집 또는 성장 메카니즘이 아니라 최종 제품의 에너지만을 고려하였으므로, 나노튜브 금속 경계면 및 나노튜브 단부에 있는 탄소 원자의 에너지는 무시하였다. 촉매 입자를 완전히 둘러싸고 있는 그래핀 캡슐(graphene capsule)도 또한 고려하였다. 모든 촉매 입경의 경우에, 실린더는 캡슐의 복잡한 만곡에 비해 간단한 만곡 만을 가지므로, 그래핀 실린더는 캡슐보다 에너지를 낮출 수 있을 것으로 기대한다. 그러나, 그래핀 캡슐과 금속 입자 간에 흡착 상호작용이 캡슐의 원자 당 에너지를 저하시킬 것이다. 캡슐의 경우 큰 플러린과 나노튜브에 있어서 만곡된 그래핀 시트의 에너지에 대한 간단한 공식을 사용하였다. 그래핀 금속 상호작용에 대한 계산은 그라파이트철 경계면의 에너지의 실험 측정값으로부터 취하였다. 도 6에 도시한 결과는 나노튜브의 에너지가 단일벽 탄소 나노튜브의 직경과 유사한 직경 범위에 있는 캡슐보다 낮다는 것을 보여준다. 이들 연산은 공급 제한된 성장이 최저 에너지 구조로 어닐링하는데 보다 많은 시간을 필요로 하므로 작은 입자는 나노튜브를 생성하고 큰 입자는 밀봉된다는 가설을 지지한다. 이러한 모델은 그래핀-그래핀 및 그래핀-금속의 상호작용 강도가 잘 알려져 있다면, 이중벽 탄소 나노튜브와 다중벽 나노튜브의 존재 또는 부재로 그 이상의 식견을 제공한다.
반응 시간이 짧은 실험의 경우, 단일벽 탄소 나노튜브가 일단부에서 입자와 함께 성장하고 타단부에서 폐쇄되는 것을 관측하였다. 이것은 반구상의 그래핀 캡이 촉매 입자상에 형성되어 폐쇄된 나노튜브를 응집시키도록 들어올리는 야뮬케(yarmulke) 메카니즘에 의한 이들 나노튜브의 응집을 지지한다.
제품
본 발명의 방법에 의해 생성된 SWNT는 탄화수소 공급원료를 초과하여 공정을 수행하지 않았다면, 비정질 탄소 또는 발열 탄소가 거의 존재하지 않는다(즉, 나노튜브의 TEM에서 아무것도 관측되지 않았다). 단일벽 탄소 나노튜브를 함유하는 혼합물을 생성하는 통상적인 공정의 제품은 얽힌 펠트이며, 이것은 비정질 탄소, 금속 화합물(예를 들어, 산화물), 원형 플러린(탄소 또는 플러린으로 흔히 피복됨) 및 가능한 다중벽 탄소 나노튜브의 증착물을 포함할 수 있다. 단일벽 탄소 나노튜브는 기본적으로 평행한 나노튜브의 "로프" 또는 다발로 집합된다.
본 발명의 촉매 방법을 사용하여 마련된 나노튜브는 종래 기술의 방법에 의해 마련된 나노튜브보다 발열 탄소 또는 비정질 탄소로 덜 오염되는 경향이 있다. 더욱이, 가는 크기의 분포를 갖는 촉매를 이용함으로써, 그 결과로서 생성된 나노튜브는 가는 크기의 분포를 갖는다. 이것은 나노튜브 조제품을 정제하는 포스트 제품 활동에 대한 요구를 최소화한다. 나노튜브 제품이 제거될 필요가 있는 발열 탄소를 함유한다는 점에서, 제품을 정제하는 다양한 처리가 숙련자들에게 유용할 수 있다. 본 발명에 따라 마련된 탄소 나노튜브를 정제하는 적절한 처리는 국제공개공보 제WO98/38259호에 기재된 처리를 포함한다.
본 발명에 따르면, 주로 동일한 조건하에서 이중벽 탄소 나노튜브 부분을 갖는 단일벽 탄소 나노튜브가 약 0.5 내지 약 3nm의 범위의 직경을 갖게 생성된다. 통상적으로, 5 내지 20 nm 직경의 다중벽 나노튜브는 지지된 촉매 입자에 의해 생성되지 않는다. 이러한 효과를 신뢰할 만한 주요 차이는 성장 반응 속도가 촉매 입자에 대한 탄소의 공급에 의해 제한된다는 것이며, 반면에 다중벽 나노튜브 성장은 촉매 입자를 통한 탄소의 확산에 의해 제한된다.
본 발명의 단일벽 나노튜브는 1미크론 이상의 길이를 갖는다. 길이는 촉매가 적절한 온도 및 압력에서 공급원료 가스에 노출되는 시간량을 늘이거나 줄임으로써 조절된다. 일실시예에 있어서, 적당한 조건하에서 단일벽 나노튜브는 임의의 길이로 연속적으로 성장할 수 있다.
본 발명으로 형성된 단일벽 나노튜브는 서로 근접하게 촉매 입자로부터 성장할 때 조직화된 다발 또는 "로프"로 형성된다는 것을 알았다. 이러한 행동 양식의 예는 도 4b에 도시되어 있다. 그러한 SWNT의 로프는 후속 공정 및/또는 이용을 위해 지지된 촉매로부터 제거되거나, 촉매 입자에 계속 부착되어 있는 "그 상태로" 사용될 수도 있다. 촉매 입자가 넓게 산포되어 있는 본 발명에 따라 마련된 SWNT는 개별적인 나노튜브의 집합 전에 회복될 수도 있다. 이러한 나노튜브는 특정 용도를 위해 2방향으로 또는 개별적으로 임의의 배향성을 갖게 매트 또는 펠트의 형태로 수집될 수도 있다.
제품 나노튜브의 용도
본 발명의 탄소 나노튜브, 특히 단일벽 탄소 나노튜브는 전기 전도성 및 탄소 나노튜브의 작은 크기로 인해 컴퓨터에 사용되는 반도체 칩에 또는 집적 회로 등의 마이크로 장치에서 전기 커넥터를 제조하는데 유용하다. 본 발명은 표면과 접촉하지만 그 표면과 이격하여 연장하도록 탄소 나노튜브를 직접 설치하는 수단을 제공한다. 이것은 튜브가 큰 물체(촉매 지지체)의 표면과 접촉하도록 촉매 입자로부터 성장될 때 자연적으로 발생한다. 하나 이상의 나노튜브가 부착되고 그 표면으로부터 이격 연장되는 표면을 구비하는 구조체를 생성하는 간단한 수단을 제공하는 본 발명은 주사 터널 현미경(STM)과 원자력 현미경(AFM)에서 프로브로서 그리고 전자 용도의 경우 전자의 전계 방출기로서 나노튜브의 종래 용도에 특히 유용하다. 탄소 나노튜브는 광학적 진동수에서 안테나로서 유용하고, 주사 터널 현미경(STM)과 원자력 현미경(AFM)에 사용되는 것과 같이 프로브 현미경 검사를 주사하는 프로브로서 유용하다. 또한, 탄소 나노튜브는 수소 첨가, 촉매 재형성 및 열분해와 같은 공업적 공정 및 화학적 공정에 사용되는 촉매용 지지체로서 유용하다. 나노튜브는 동력 전달 케이블에서, 태양 전지에서, 배터리에서, 안테나로서, 분자 형태의 전자로서, 프로브 및 조작기로서, 그리고 복합물에서 사용된다.
실시예
본 발명의 보다 완벽한 이해를 돕기 위해서, 이하에 실시예를 제공한다. 그러나, 본 발명의 범위는, 예시만을 목적으로 한 이 실시예에 개시된 특정 실시예에 제한되지 않는다.
1. 준비
상승된 온도의 탄소 함유 가스(CO 또는 C2H4)를 더 큰(10-20 nm) 알루미나 입자 위에 지지된 나노미터 치수의 금속 위로 통과시킴으로써, 단일 벽의 탄소 나노튜브가 성장될 수 있다. 두 가지 다른 종류의 금속 촉매가 사용될 수 있는데, 하나는 순수한 Mo를 함유하고, 다른 하나는 Fe 및 Mo를 함유한다. Fe대 Mo의 비는 9:1일 수 있다. 두 촉매는 모두 당업계에서 공지된 방법을 사용하여 생성하였다.
각 성장 시험을 위하여, 세심하게 형량된 양(전형적으로는 20 mg)의 촉매 분말을 함유하는 수정 보트를 1인치 수정 관로의 중심에 배치하였다. 이 시스템을 Tr로 정화한 후에 유동하는 반응 가스 분위기 중에서 제어된 시간 동안 소정의 상승 온도까지 가열하였다. 이제는 또한 단일 벽의 탄소 나노튜브에 의하여 억제된(dominated) 반응 생성물을 함유하는 결과적인 촉매 물질을 보트로부터 분리하여 다시 형량하였다. 수율은 질량의 증가를 본래의 촉매의 질량으로 나눈 것으로 정의된다. 이 재료를 메탄올 중에서 소니케이팅(sonicating)하고 결과적인 현탁액을 TEM 그리드 상에 낙하 건조시킴으로써, TEM 촬상(imaging)을 위한 시료를 준비하였다.
2. 단일벽 탄소 나노튜브의 생성
알루미나 지지된 Mo 입자 위에서의 CO의 불균화(disproportionation)에 의해 단일벽 탄소 나노튜브의 생성은 현저히 개선된다. 촉매는 질량으로 알루미나:Mo가 34:1이다. 반응은 900 Torr, 유량 1200 sccm의 CO의 분위기 하에서 850℃에서 수행된다. 직경(0.8 내지 0.9 nm)에 있어서 매우 모노디스퍼스된(monodisperse) 단일벽의 탄소 나노튜브로 구성되는 결과적인 물질이 도 1에 도시되어 있다. 치수가 10 내지 20 nm의 발연 알루미나 지지체의 입자는 이러한 TEM 영상 및 후속의 TEM 영상에서도 또한 볼 수 있다. 나노튜브의 수율이 반응 시간의 함수로서 도 2에 도표로 도시되어 있다. 수율은 매우 긴 반응 시간 동안에도 계속해서 상승한다.
CO는 또한 제2 촉매와 함께 나노튜브를 형성한다. 제2 촉매는 질량에 있어서 알루미나:Fe:Mo가 90:9:1이 되도록 생성된다. 알루미나:Fe:Mo에 대하여 바로 위에서 설명한 바와 같이 수행되는 반응은 단일 탄소 나노튜브와 몇 종류의 이중벽 탄소 나노튜브를 포함하는, 0.5 내지 3 nm의 보다 넓은 직경 분호의 나노튜브를 생성한다. 대표적인 TEM 영상이 도 3에 도시되어 있다. 이러한 촉매의 경우, 수율은 초기에는 시간이 경과할수록 상승하지만 한 시간 노출 후에는 약 40%로 한정된다. 훨씬 더 긴 시간(20 시간까지)의 노출되는 동안 추가적인 질량 증가는 관찰되지 않는다.
C2H4로부터의 단일벽의 탄소 나노튜브가 이러한 기술을 사용하여 성장되었다. 알루미나:Fe:Mo가 90:9:1인 촉매는 우선 800℃의 1000sccm Ar 및 0.33 sccm의 H2에 30분 동안 노출시킴으로써 환원된다. 그 후, 가스 흐름에 0.66 sccm의 C2H4를 부가함으로써 그 반응 온도에서 성장 반응이 진행된다. 결과적인 생성물은, 도 4 및 도 5에 도시된, 단일벽 탄소 나노튜브와 이중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 나노튜브 다발이다. 100 개의 나노튜브 단면을 몇몇 반응 온도에서 관찰하여 단일벽 나노튜브 대 이중벽 나노튜브의 상대적인 개수를 카운트하였다. 이중벽 탄소 나노튜브의 양은 700 ℃의 30 %에서 850 ℃의 70 %로 상승한다. 다발중의 각 나노튜브의 외경은 0.5 내지 3 nm 범위이다. 가장 작은 나노튜브(직경 1 nm 미만)가 이중벽인 경우가 없다는 것을 제외하고는, 외경과 벽의 개수 사이에는 아무런 관련이 없어 보인다.
나노튜브의 질량 수율은 700 ℃에서 850 ℃까지의 반응 온도에서 유사한 속도로 상승하지만, 나노튜브 성장의 종료는 온도 종속적이다. 850 ℃에서의 반응의 경우, 수율은 성장 종료점에서 7 %에 달한다. 반응 온도가 낮아짐에 따라, 수율은 성장 종료 전에 더 높은 수준에 도달한다. 700 ℃에서, 성장은 종료되지 않지만 그것의 속도는 도 2에 도시된 바와 같이 감소된다.
본 발명은, 단일벽 탄소 나노튜브의 성장으로 이어지는, 지지된 촉매 시스템 내의 단지 작은 입자로부터의 C2H4 및 CO의 촉매 분해 및 더 큰 입자의 캡슐화에 의한 다중벽 나노튜브 성장의 불활성화에 의한 나노튜브를 성장시킬 수 있는 능력을 입증한다. 소정 조건에서, 나노튜브는 임의의 길이까지 성장될 수 있지만 촉매 입자에 대한 반응제의 확산에 의하여 제한된다. 이러한 촉매로부터 다중벽 나노튜브들을 생성하기 위해서 이러한 문제는 발연 알루미나 입자(fumed alumina particles)와는 반대로 편평한 알루미나 박편(flat alumina flakes)을 사용함으로써 해결되어, 나노튜브는 큰 다발(large bundles)로 정렬되어 성장하고, 그것들의 성장하는 단부가 기상 공급 원료에 노출된 채 유지된다. 현재의 기술에 이와 유사한 변형을 가함으로써 단일벽 탄소 나노튜브의 대량 생성이 가능하다.
본 발명을 바람직한 실시예와 관련하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도 전술한 바람직한 실시예의 다른 변형 및 수정이 행해질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 실시예는 명세서를 고려하거나 여기에 설명된 본 발명을 실시하면 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서는 단지 예시적인 것으로 고려되며, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 첨부된 특허 청구 범위에 의하여 정해지도록 의도된다.

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  20. 탄소 나노튜브를 생성하는 방법으로서,
    a) 700 ℃ 와 850 ℃ 사이의 온도로 유지되는 반응 영역 내에서 불활성 표면상에 지지된 천이 금속 촉매 입자들(transition metal catalyst particles)을 탄소 함유 화합물 가스와 접촉시키는 단계;
    b) 직경이 3nm 보다 큰 상기 천이 금속 촉매 입자들을 비활성화시키는 단계; 및
    c) 두 개 이하의 벽을 가지며, 30퍼센트 내지 70 퍼센트의 이중 벽 탄소 나토튜브를 포함하는 탄소 나노튜브들을 생성하는 단계
    를 포함하는 탄소 나노튜브 생성 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 천이 금속 촉매 입자들은 ⅥB군 천이 금속, ⅧB군 천이 금속, 란탄족(lanthanide) 계열 금속, 악티늄족(actinide) 계열 금속, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 천이 금속 촉매 입자들은 ⅥB군 천이 금속 및 ⅧB군 천이 금속을 포함하는 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 불활성 표면은 알루미나, 석영(quartz), 규산염(silicates), 규산 알루미늄, 물라이트(mullite), 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 산화 금속 화합물인 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 불활성 표면은 편평한 알루미나 박편(flat alumina flake)인 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  25. 제20항에 있어서, 상기 탄소 함유 화합물 가스는 일산화 탄소, 방향족 탄화 수소, 비방향족 탄화 수소, 산소 함유 탄화 수소, 그 밖의 탄화 수소, 및 이들의 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  26. 제20항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브들의 일부는 로프(rope) 형태인 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 로프는 이중벽 탄소 나노튜브들을 포함하는 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  28. 탄소 나노튜브를 생성하는 방법으로서,
    a) 600 ℃ 와 900 ℃ 사이의 온도로 유지되는 반응 영역 내에서 불활성 표면상에 지지된 천이 금속 촉매 입자들을 탄소 함유 화합물 가스를 접촉시키는 단계로서, 상기 천이 금속 촉매 입자들은 ⅥB군 천이 금속 및 ⅧB군 천이 금속을 포함하고, 상기 ⅧB군 천이 금속은 상기 ⅥB군 천이 금속보다 큰 질량비율로 존재하는 것인 상기 접촉 단계와;
    b) 직경이 3nm 보다 큰 상기 천이 금속 촉매 입자들을 비활성화시키는 단계; 및
    c) 30 퍼센트 이상의 단일벽 탄소 나노튜브들을 포함하는 탄소 나노튜브들을 생성하는 단계
    를 포함하는 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 탄소 함유 화합물 가스는 일산화 탄소, 방향족 탄화 수소, 비방향족 탄화 수소, 산소 함유 탄화 수소, 그 밖의 탄화 수소, 및 이들의 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 천이 금속 촉매 입자들은 0.5 내지 3nm의 크기를 갖는 것인 탄소 나노튜브 생성 방법
  31. 제30항에 있어서, 상기 불활성 표면은 알루미나, 석영, 규산 알루미늄, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 산화 금속 화합물인 것인 탄소 나노튜브 생성 방법.
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