WO2005033007A1 - カーボンナノチューブの製法方法および製造装置 - Google Patents

カーボンナノチューブの製法方法および製造装置 Download PDF

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carbon nanotube
mixed solution
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Shinfuku Nomura
Hiromichi Toyota
Hiroshi Yamashita
Makoto Kuramoto
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    • B01J31/00—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • B01J2531/84—Metals of the iron group
    • B01J2531/842—Iron

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for decomposing and recombining organic substances to form carbon nanotubes.
  • Carbon nanotubes are substances that have applications as electrode materials for fuel cells or as next-generation nanodevice materials. Depending on its structure, such as single-phase or multi-layer, thickness and twist, it can be used as metal or semiconductor, and its application range is wide. In addition, it is a substance composed only of carbon atoms and is environmentally friendly.
  • a conventional method for producing carbon nanotubes there is a technique in which an Fe-based metal catalyst supported on zeolite is used to thermally synthesize a carbon compound gas while flowing it in an appropriate amount in a vacuum vessel while synthesizing (CCVD method). Further, as a technique for mass-producing carbon nanotubes, a method using a gas such as a pressurized fluidized bed process, a gas phase fluidization method, and a C02 laser method has been proposed (Non-Patent Document 1).
  • WO 02Z038827 pamphlet uses a source of a material to be deposited in an electrolytic solution containing a pair of spaced electrodes.
  • An invention is described in which a stream of foam containing bubbles is generated, a plasma glow discharge is formed in the bubble area, and a material is plasma-deposited on the electrode.
  • this is an invention relating to electroplating and does not apply to the production of carbon nanotubes.
  • the principle is based on DC glow discharge, and the reaction speed is low.
  • microwave and electromagnetic waves are used to assist in the generation of glow discharge, it does not mention any specific content, and it does not provide any technical details.
  • the technique described in the literature is considered to be pure DC glow discharge. Therefore, only an electrolytic solution can be used, it cannot be applied to many organic solvents which are non-electrolytic solutions, and it is not suitable for the production of carbon nanotubes.
  • Patent document 1 International Publication No. 02Z038827 pamphlet
  • Non-Patent Document 1 -You Diamond Vol. 13, No. 3, page 2, New Diamond Forum Edited, issued on July 25, 2003
  • Non-Patent Document 1 uses gas as a raw material and performs synthesis in a gas phase, so that production efficiency is limited.
  • An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus for manufacturing carbon nanotubes at high speed and at low cost.
  • the method for producing carbon nanotubes of the present invention generates bubbles in a mixed solution containing an organic solvent and an organometallic complex and irradiates electromagnetic waves to generate plasma in the mixed solution. This is to produce carbon nanotubes.
  • Zeolite supporting a metal may be added to the mixed solution, and the mixed solution may particularly support iron.
  • the organic solvent may include benzene.
  • the organometallic complex may contain at least one of fluorene or metacene. Further, the mixture may be irradiated with ultrasonic waves together with electromagnetic waves.
  • the apparatus for producing carbon nanotubes of the present invention includes a container for containing a mixed solution containing an organic solvent and an organometallic complex, a bubble generating means for generating bubbles in the mixed solution, and a plasma for irradiating the bubbles with electromagnetic waves. And a recovery means for recovering the synthesized carbon nanotubes.
  • the method and apparatus for producing carbon nanotubes of the present invention have an effect that carbon nanotubes can be produced at a high speed by generating high-energy plasma in an organic solvent to cause a high-speed reaction. .
  • FIG. 1 is an explanatory view showing one example of a carbon nanotube manufacturing apparatus.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing another example of a carbon nanotube manufacturing apparatus.
  • FIG. 3 is a transmission electron micrograph of a synthesized carbon nanotube.
  • FIG. 4 is a graph showing a Raman spectrum.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing one example of a carbon nanotube production apparatus according to the present invention.
  • the container 2 of the carbon nanotube manufacturing apparatus 1 contains a mixed solution 3 containing an organic solvent and an organometallic complex.
  • the size of the container 2 can be appropriately selected according to the required processing capacity, and may be as small as a beaker or a large processing tank for implementing as a large plant. .
  • the carbon nanotube manufacturing apparatus 1 further includes bubble generating means, but in this example, the ultrasonic wave irradiating means 4 is the bubble generating means.
  • the bubble generation means bubbles can be generated by covering the container 2 with another container and reducing the pressure with a vacuum pump or the like, or providing a heating means in the mixed solution 3 or supplying gas from the outside. Even if they are introduced, a combination of these may be used.
  • the carbon nanotube manufacturing apparatus 1 has an electromagnetic wave irradiation unit 5 for irradiating the mixed solution 3 with an electromagnetic wave.
  • the tip of the electromagnetic wave irradiating means 5 is provided in the container 2, so that the electromagnetic wave can be intensively irradiated toward the bubbles from the tip in the liquid.
  • a mixed solution 3 containing an organic solvent and an organometallic complex is placed in the container 2, and as the organic solvent, for example, a hydrocarbon such as benzene-dodecane can be used.
  • the organic metal complex include, for example, Hue sen (CH Fe) and Fe
  • the mixed solution 3 ⁇ may also contain zeolite powder!
  • the carbon nanotube manufacturing apparatus of this example is of a batch processing type. After synthesizing a predetermined amount of carbon nanotubes, the reaction is terminated, and the carbon nanotubes contained in the mixed solution 3 are separated and recovered.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing another example of a carbon nanotube manufacturing apparatus. Descriptions of items common to the example shown in FIG. 1 are omitted.
  • This example is a manufacturing apparatus for continuous processing.
  • the carbon nanotube production apparatus 1 includes a pipe 7 and a pump 8 for allowing the mixed solution 3 to flow out of the container 2 and flow into the container 2 again. Further, in the middle of the pipe 7, a carbon nanotube separation / collection tank 9 is provided as a collecting means for separating and collecting the carbon nanotubes. Is provided.
  • the pump 8 By operating the pump 8, a predetermined amount of the mixed liquid is constantly circulated. If the mixed liquid is not circulated, the synthesized carbon nanotubes will float near the electrodes of the electromagnetic wave generating means 5 and try to hinder the continuity of the plasma. By quickly bringing the nanotubes to the outside, the sustaining of the plasma is facilitated, and a large amount of carbon nanotubes can be produced continuously.
  • the mixture 3 circulates clockwise in the pipe 7.
  • the mixed liquid containing the synthesized carbon nanotubes is discharged from the right side of the container 2 and carried to the carbon nanotube separation / recovery tank 9. In the carbon nanotube separation / recovery tank 9, the carbon nanotubes are separated from the mixed solution and recovered.
  • the mixed solution from which the carbon nanotubes have been removed flows through the pipe 7 from the left side of the container 2.
  • the zeolite used here will be described in detail. This zeolite has an average pore size of 0.5 nm (M / 0-A1 O-xSiO-yH0
  • n is the valence of the cation M
  • x is an integer of 2 or more
  • y is an integer of 0 or more, commonly known as molecular sieves 5A) impregnated with Fe ions.
  • FeCl 2 ferrous iron
  • HONH CI hydroxylamine hydrochloride
  • This solution and molecular sieve 5A are placed in an appropriate container and stirred well, and then the container is evacuated to impregnate Fe 2+ into the molecular sieve.
  • stirring was performed in a vacuum for 5 hours.
  • the solution after stirring is filtered, and the solid matter remaining on the filter paper is dried at 70 ° C for 5 hours in a nitrogen atmosphere.
  • the solid after drying was polished well in a mortar and used as Fe-supported zeolite. Benzene mixed with this Fe-supported zeolite exhibits electrical conductivity, but does not hinder plasma generation!
  • the mixed solution thus prepared is placed in the container 2, and irradiated with ultrasonic waves at an output of 30W.
  • the mixture was irradiated with 2.45 GHz electromagnetic waves at a power of 300 W for 10 seconds while dispersing and diffusing zeolite and Hue-Sen Sen. White plasma was generated, and black powder was instantaneously formed in the mixture.
  • FIG. 3 is a transmission electron micrograph of the formed black powder. It can be confirmed that carbon nanotubes having a zeolite particle surface force of about 0.5 m were formed.
  • Figure 4 is a graph showing the Raman spectrum of the black powder. A radial breathing mode of so-called carbon nanotubes was observed at 200 to 300 cm-1 and it can be confirmed that carbon nanotubes were also formed.
  • the method and apparatus for producing carbon nanotubes of the present invention synthesize a large amount of carbon nanotubes at a high speed using a liquid containing an organic solvent as a material, and can be applied as a means for industrially producing carbon nanotubes.
  • the structure of the device is simple, it can be made small, and it can be applied as a test device.

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Abstract

カーボンナノチューブはこれまで生産量が限られていて高価であったが、このカーボンナノチューブを高速で安価に製造することを目的とする。そのために、この発明のカーボンナノチューブの製造方法は、容器に入れられた有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液に超音波を照射する等によって気泡を発生させるとともに電磁波照射手段で電磁波を照射して混合液中で高エネルギーのプラズマを発生させてカーボンナノチューブを製造するものである。

Description

明 細 書
カーボンナノチューブの製法方法および製造装置
技術分野
[0001] この発明は、有機物を分解および再結合させてカーボンナノチューブを形成させる 装置および方法に関するものである。
背景技術
[0002] カーボンナノチューブは燃料電池の電極材料として、あるい次世代のナノデバイス材 料等としての用途を有する物質である。単相や多層、太さやねじれ具合など、その構 造によって金属にも半導体にもなり、応用範囲が広い。また、炭素原子のみから構成 される物質であり、環境にも優しい材料である。カーボンナノチューブの従来の製造 方法としては、ゼォライトに担持した Fe系金属触媒を用い、真空容器中に炭素化合 物ガスを適切な量だけ流しながら熱分解しながら合成する技術がある (CCVD法)。 また、カーボンナノチューブの量産技術として、加圧流動床プロセス、気相流動法、 C02レーザー法など気体を使用する方法が提案されている (非特許文献 1)。
[0003] また、液中でプラズマを発生させる技術として、国際公開第 02Z038827号パンフレ ットに、間隔を隔てられた一対の電極が入れられた電解液内に堆積すべき材料のソ ースを含む泡の流れを生成し、泡領域にプラズマグロ一放電を形成して電極上に材 料をプラズマ堆積させる発明が記載されている。しかし、これは電気鍍金に関する発 明であり、カーボンナノチューブの製造に適用するものではない。その原理は直流グ ロー放電によるものであり、反応速度は低いものである。同文献には、マイクロ波ゃ電 磁波を照射してグロ一放電の発生を補助する旨の記載が一部見られるが、その具体 的な内容は何ら記載されておらず、また技術的な観点から不明な点が多ぐやはり同 文献に記載された技術は純然たる直流グロ一放電と考えられる。したがって、電解液 しか使用できず、非電解液である多くの有機溶媒には適用できず、カーボンナノチュ ーブの製造には適さない。
特許文献 1：国際公開第 02Z038827号パンフレット
非特許文献 1 : -ユーダイヤモンド第 13卷第 3号、 2頁、ニューダイヤモンドフォーラム 編集、平成 15年 7月 25日発行
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 上述の通り、カーボンナノチューブは非常に有用な物質であるがその生産量は限ら れており大量に使用できる状況ではなぐまた非常に高価である。非特許文献 1に記 載された製造方法も原材料として気体を用い、気相にて合成を行って ヽるために生 産効率は限定される。この発明は、高速で安価にカーボンナノチューブを製造する ための製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0005] 上述の課題を解決するため、この発明のカーボンナノチューブの製造方法は、有機 溶媒と有機金属錯体を含む混合液に気泡を発生させるとともに電磁波を照射して混 合液中でプラズマを発生させてカーボンナノチューブを製造するものである。前記混 合液に金属を担持したゼォライトを加えてもよぐ特に鉄を担持したものであってもよ い。前記有機溶媒をベンゼンを含むものとしてもよい。有機金属錯体がフエ口セン又 はメタセンのうち少なくとも一方を含むものであってもよい。また、混合液中に電磁波 と併せて超音波を照射してもよ 、。
[0006] さらに、この発明のカーボンナノチューブ製造装置は、有機溶媒と有機金属錯体を 含む混合液を入れる容器と、混合液内で気泡を発生させる気泡発生手段と、気泡へ 電磁波を照射してプラズマを発生させるための電磁波照射手段と、合成されたカー ボンナノチューブを回収する回収手段を有するものである。
発明の効果
[0007] この発明のカーボンナノチューブの製造方法および製造装置は、有機溶媒中で高工 ネルギ一のプラズマを発生させて高速反応を起こすことにより、高速度でカーボンナ ノチューブを製造できるという効果を有する。
図面の簡単な説明
[0008] [図 1]カーボンナノチューブ製造装置の一例を示す説明図である。
[図 2]カーボンナノチューブ製造装置の別の例を示す説明図である。 [図 3]合成されたカーボンナノチューブの透過電子顕微鏡写真である。
[図 4]ラマンスペクトルを示すグラフである。
符号の説明
[0009] 1.カーボンナノチューブ製造装置
2.容器
3.混合液
4.超音波照射手段
5.電磁波照射手段
6.気泡
7.配管
8.ポンプ
9.カーボンナノチューブ分離回収槽
発明を実施するための最良の形態
[0010] この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図 1は この発明に係るカーボンナノチューブ製造装置の一例を示す説明図である。カーボ ンナノチューブ製造装置 1の容器 2は有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液 3を入 れるものである。ここで、容器 2の大きさは必要とされる処理能力に応じて適宜選択で き、ビーカー程度の小型のものであっても、大型プラントとして実施するための大型の 処理槽であってもよい。
[0011] カーボンナノチューブ製造装置 1はさらに気泡発生手段を有するが、本例では超音 波照射手段 4が気泡発生手段である。気泡発生手段として、容器 2を別の容器で覆 い、真空ポンプ等で減圧することによって気泡を発生させることもでき、また、混合液 3の中に加熱手段を設けたり、あるいは外部より気体を導入するようにしてもよぐさら にはこれらの組み合わせであってもよい。
[0012] また、カーボンナノチューブ製造装置 1は、混合液 3へ電磁波を照射するための電磁 波照射手段 5を有する。電磁波照射手段 5の先端部が容器 2内に設けられており、こ の液体中にお 、て先端部から電磁波が気泡に向けて集中的に照射できるようになつ ている。 [0013] ついで、カーボンナノチューブ製造装置 1を使用したカーボンナノチューブの製造方 法につ!ヽて説明する。容器 2へ有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液 3を入れるが 、有機溶媒としては、例えばベンゼンゃドデカン等の炭化水素が使用できる。有機金 属錯体としては、例えばフエ口セン（C H Fe)やフエ口センの Feを他の金属で置換
10 10
したメタセン等が使用できる。混合液 3〖こはさらにゼオライトの粉末をカロえてもよ!、。
[0014] 混合液 3中に設けられた超音波照射手段 4の先端部力 混合液 3中に超音波を照射 することによって混合液 3中に気泡が発生する。また、超音波を照射することにより混 合液 3に加えられたフエ口センとゼォライトの粉末を分散および撹拌することもできる。 このようにして、超音波照射手段 4の先端付近に気泡 6が発生する。混合液 3中に設 けられた電磁波照射手段 5の先端部から気泡 6へ電磁波を集中させて照射すること により気泡 6中にプラズマを発生させることができる。このプラズマは局所的には高温 •高エネルギーであるが、巨視的には液中にあって低温で取り扱 、やす 、ものである 。超音波および電磁波は継続的に照射できるので、この照射を継続させている間、 プラズマは発生し続ける。このプラズマによって気泡 6の内部に入っている気相の有 機溶媒等が分解され、カーボンナノチューブが合成される。原材料は有機溶媒を含 む液体であるために気相に比べて物質密度は著しく高ぐカーボンナノチューブの合 成速度は極めて大き ヽ。フエ口セン等の有機金属錯体はこの反応を促進する触媒と して作用する。ゼォライトをカ卩えている場合には、ゼォライト上にカーボンナノチュー ブが形成される。
[0015] この例のカーボンナノチューブ製造装置はバッチ処理式のものである。所定量の力 一ボンナノチューブを合成したら反応を終了させ、混合液 3中に含まれたカーボンナ ノチューブを分離'回収する。
[0016] つぎに、カーボンナノチューブ製造装置の別の例について説明する。図 2は、カーボ ンナノチューブ製造装置の別の例を示す説明図である。図 1に示す例と共通する事 項については説明を省略する。この例は連続処理のための製造装置である。
[0017] カーボンナノチューブ製造装置 1は、混合液 3を容器 2の外部へ流出し再度容器 2へ 流入させるための配管 7とポンプ 8を有する。さらに、配管 7の途中にはカーボンナノ チューブを分離回収するための回収手段として、カーボンナノチューブ分離回収槽 9 が設けられている。
[0018] ポンプ 8を作動させることにより、所定量の混合液が常時循環する。混合液を循環さ せないと合成されたカーボンナノチューブが電磁波発生手段 5の電極付近に浮遊し てプラズマの持続を阻害しょうとするが、この例のように混合液を循環させ、合成され たカーボンナノチューブを迅速に外部に出すことによりプラズマの持続が容易になり 、大量のカーボンナノチューブを連続的に製造することができる。図 2においては、混 合液 3は配管 7を時計回りに循環する。合成されたカーボンナノチューブを含む混合 液は容器 2の右側から排出され、カーボンナノチューブ分離回収槽 9へ運ばれる。力 一ボンナノチューブ分離回収槽 9にお 、てカーボンナノチューブは混合液から分離 され、回収される。カーボンナノチューブを取り除かれた混合液は配管 7を通って、容 器 2の左側から流入する。
実施例 1
[0019] この発明のカーボンナノチューブ製造方法の実施例について説明する。この実施例 においては、図 1に示すカーボンナノチューブ製造装置を使用する。有機溶媒として はベンゼンを使用した。ベンゼン 100mlに Feを担持したゼォライトの粉末 lgとフエ口 セン 0. 088gをカ卩え、混合液を調製した。
[0020] ここで用いたゼォライトについて詳細に説明する。このゼォライトは平均孔径 0. 5nm のゼオライト（M /0 -A1 O -xSiO -yH 0
n/2 n 2 3 2 2 、 nは陽イオン Mの価数、 xは 2以上の 整数、 yは 0以上の整数、通称名モレキュラーシーブス 5A)に Feイオンを含浸させた ものである。まず、塩ィ匕第 1鉄 (FeCl ) 2gと、塩酸ヒドロキシルァミン (HONH CI) 2g
2 3 を， 99. 5%エタノール（C H OH) 100mlに混合することにより、 Fe2+イオンをエタノ
2 5
ール中に多量に発生させる。適当な容器にこの溶液とモレキュラーシーブス 5Aを入 れて良く攪拌させ、ついで容器内を真空にして Fe2+をモレキュラーシーブス中に含浸 させる。この例では、真空中で 5時間攪拌を行った。攪拌後の溶液をろ過し，ろ紙に 残った固形物を 70°Cで 5時間窒素雰囲気中で乾燥させる。乾燥後の固形物を乳鉢 で良く磨りつぶしたものを Fe担持ゼオライトとした。この Fe担持ゼオライトを混合した ベンゼンは電気伝導性を示すが、プラズマ発生には支障をきたさな!/、。
[0021] このようにして調製された混合液を容器 2に入れ、 30Wの出力で超音波を照射して ゼォライトとフエ口センを分散および拡散させなから、 2. 45GHzの電磁波を 300Wの 出力で混合液に 10秒間照射した。白色のプラズマが発生し、瞬時に混合液中に黒 色の粉体が形成された。
[0022] 図 3は、形成された黒色の粉体の透過電子顕微鏡写真である。ゼォライト粒子表面 力 0. 5 m程度のカーボンナノチューブが形成されていることが確認できる。図 4 は、黒色の粉体のラマンスペクトルを示すグラフである。 200— 300cm— 1にいわゆる カーボンナノチューブのラジアルブリージングモードが観察されており、やはりカーボ ンナノチューブが形成されて ヽることが確認できる。
産業上の利用可能性
[0023] この発明のカーボンナノチューブ製造方法および製造装置は、有機溶媒を含む液体 を材料として高速度で大量にカーボンナノチューブを合成するものであり、カーボン ナノチューブの工業的生産手段として適用できる。また、装置の構造は簡易であり、 小型に作ることもでき、試験用機器としても適用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液に気泡を発生させるとともに電磁波を照射し て混合液中でプラズマを発生させてカーボンナノチューブを製造する方法。
[2] 前記混合液に金属を担持したゼォライトを加えたことを特徴とする請求項 1に記載の カーボンナノチューブを製造する方法。
[3] 前記ゼォライトが鉄を担持したものであることを特徴とする請求項 2に記載のカーボン ナノチューブを製造する方法。
[4] 前記有機溶媒がベンゼンを含むものであることを特徴とする請求項 1な 、し請求項 3 のいずれかに記載のカーボンナノチューブを製造する方法。
[5] 有機金属錯体がフエ口セン又はメタセンのうち少なくとも一方を含むものであることを 特徴とする請求項 1な！ヽし請求項 4の ヽずれかに記載のカーボンナノチューブを製 造する方法。
[6] 混合液中に電磁波と併せて超音波を照射することを特徴とする請求項 1な！ヽし請求 項 5のいずれかに記載のカーボンナノチューブを製造する方法。
[7] 有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液を入れる容器と、混合液内で気泡を発生さ せる気泡発生手段と、気泡へ電磁波を照射してプラズマを発生させるための電磁波 照射手段と、合成されたカーボンナノチューブを回収する回収手段を有することを特 徴とするカーボンナノチューブ製造装置。
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