JP2003054922A - 炭素被覆触媒ナノ粒子を含む構造体、該構造体を製造する方法および該構造体から炭素ナノ構造体を製造する方法。 - Google Patents
炭素被覆触媒ナノ粒子を含む構造体、該構造体を製造する方法および該構造体から炭素ナノ構造体を製造する方法。Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】高品質のカーボンナノチューブの生産性を高め
る。 【解決手段】炭素被覆触媒ナノ粒子を含有すると共に、
増加した量および明確な品質の炭素ナノ構造体、特に単
一壁ナノチューブを製造するために後続のアーク放電法
またはレーザアブレーション法において用いられる複合
炭素構造体。また、複合炭素構造体を製造する方法、お
よびＳＷＮＴなどの炭素ナノ構造体を製造するために複
合炭素構造体を用いる方法。さらに、炭素ナノ構造体の
ＣＶＤ成長用の、炭素被覆触媒ナノ粒子を含む触媒担
体。また、触媒担体を製造する方法およびＣＶＤにより
炭素ナノ構造体を成長させるための触媒担体を用いる方
法。
る。 【解決手段】炭素被覆触媒ナノ粒子を含有すると共に、
増加した量および明確な品質の炭素ナノ構造体、特に単
一壁ナノチューブを製造するために後続のアーク放電法
またはレーザアブレーション法において用いられる複合
炭素構造体。また、複合炭素構造体を製造する方法、お
よびＳＷＮＴなどの炭素ナノ構造体を製造するために複
合炭素構造体を用いる方法。さらに、炭素ナノ構造体の
ＣＶＤ成長用の、炭素被覆触媒ナノ粒子を含む触媒担
体。また、触媒担体を製造する方法およびＣＶＤにより
炭素ナノ構造体を成長させるための触媒担体を用いる方
法。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、炭素被覆ナノメー
トルサイズの粒子（ナノ粒子）、より詳しくは、炭素被
覆触媒ナノ粒子に関する。さらに、本発明は、炭素被覆
触媒ナノ粒子から炭素ナノ構造体を製造する方法に関す
る。
トルサイズの粒子（ナノ粒子）、より詳しくは、炭素被
覆触媒ナノ粒子に関する。さらに、本発明は、炭素被覆
触媒ナノ粒子から炭素ナノ構造体を製造する方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）、多壁
ナノチューブ（ＭＷＮＴ）および炭素ナノ繊維などの一
次元炭素ナノ構造体に関する以前の加工物の大部分は、
少なくともマイクロメートルスケールから出発する粉末
触媒を用いて合成されている。例えば、「Ｈｅｌｉｃａ
ｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉ
ｃ Ｃａｒｂｏｎ」，ｂｙ Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔ
ｕｒｅ，ｖｏｌ．３５４，Ｎｏｖ．７，１９９１，ｐｐ
５６−５８、「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｈｅｌｌ Ｃａｒｂｏ
ｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｆ １−ｎｍ ｄｉａｍｅ
ｔｅｒ」，ｂｙＳ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏ
ｌ．３６３，Ｊｕｎｅ．１７，１９９３，ｐｐ６０３−
６０５、「Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ
Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」，ｂｙ Ｃ．Ｊｏｕｒｎｅｔ
ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａｕｇ．１９９８，
ｖｏｌ．６７，ｐｐ．１−９、「Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ
ｆｒｏｍ Ｃａｒｂｏｎ」，ｂｙ Ｐ．Ｗ．Ａｊａｙａ
ｎ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．，１９９９，ｖｏｌ．９９，
ｐ．１７８７、および「Ｇａｓ−ｐｈａｓｅ Ｐｕｒｉ
ｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ Ｃ
ａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ］，ｂｙ Ｊ．Ｌ．Ｚ
ｉｍｍｅｒｍａｎ ｅｔ ａｌ，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅ
ｒ．，２０００，ｖｏｌ．１２，ｐ．１３６１を参照す
ること。
ナノチューブ（ＭＷＮＴ）および炭素ナノ繊維などの一
次元炭素ナノ構造体に関する以前の加工物の大部分は、
少なくともマイクロメートルスケールから出発する粉末
触媒を用いて合成されている。例えば、「Ｈｅｌｉｃａ
ｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉ
ｃ Ｃａｒｂｏｎ」，ｂｙ Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔ
ｕｒｅ，ｖｏｌ．３５４，Ｎｏｖ．７，１９９１，ｐｐ
５６−５８、「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｈｅｌｌ Ｃａｒｂｏ
ｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｆ １−ｎｍ ｄｉａｍｅ
ｔｅｒ」，ｂｙＳ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏ
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６０５、「Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ
Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」，ｂｙ Ｃ．Ｊｏｕｒｎｅｔ
ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａｕｇ．１９９８，
ｖｏｌ．６７，ｐｐ．１−９、「Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ
ｆｒｏｍ Ｃａｒｂｏｎ」，ｂｙ Ｐ．Ｗ．Ａｊａｙａ
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ｐ．１７８７、および「Ｇａｓ−ｐｈａｓｅ Ｐｕｒｉ
ｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ Ｃ
ａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ］，ｂｙ Ｊ．Ｌ．Ｚ
ｉｍｍｅｒｍａｎ ｅｔ ａｌ，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅ
ｒ．，２０００，ｖｏｌ．１２，ｐ．１３６１を参照す
ること。
【０００３】マイクロメートルサイズの触媒を用いる代
表的な反応の概略図を図５に示している。図５に示した
ように、マイクロメートルサイズのグラファイト粉末１
０およびマイクロメートルサイズの酸化物被覆触媒粒子
１２は、代表的なアーク放電におけるアノードとして用
いられるか、あるいは代表的なレーザアブレーションに
おけるソース材料として用いられる炭素棒中の反応物で
ある。望ましいＳＷＮＴ構造体を製造するために、アー
ク放電またはレーザアブレーションによる加熱に反応物
をさらす。矢印Ｘによって表されているように、１ｍｓ
より短い反応の第一部中に、反応物は、反応域において
４０００Ｋより高い熱にさらされる。反応のこの部分の
結果として、マイクロメートルサイズの粒子は、最初
に、中間製品であるマイクロメートルサイズの炭素粒子
１４、酸素物質１６、金属−炭素クラスター１８、酸化
物２０およびナノメートルサイズの炭素粒子３０に破砕
される。その後、１ｍｓ後に起きる反応の第二部におい
て、矢印Ｙによって表されているように、製品が熱源
（アーク放電のアークまたはレーザアブレーションのレ
ーザーのいずれか）から取り去られるにつれて温度は低
下し、製品である炭素被覆触媒粒子１、金属チップ２４
を有するＳＷＮＴ２２、無定形炭素２８、酸化物２０お
よびナノメートルサイズの炭素粒子３０は中間製品から
形成される。
表的な反応の概略図を図５に示している。図５に示した
ように、マイクロメートルサイズのグラファイト粉末１
０およびマイクロメートルサイズの酸化物被覆触媒粒子
１２は、代表的なアーク放電におけるアノードとして用
いられるか、あるいは代表的なレーザアブレーションに
おけるソース材料として用いられる炭素棒中の反応物で
ある。望ましいＳＷＮＴ構造体を製造するために、アー
ク放電またはレーザアブレーションによる加熱に反応物
をさらす。矢印Ｘによって表されているように、１ｍｓ
より短い反応の第一部中に、反応物は、反応域において
４０００Ｋより高い熱にさらされる。反応のこの部分の
結果として、マイクロメートルサイズの粒子は、最初
に、中間製品であるマイクロメートルサイズの炭素粒子
１４、酸素物質１６、金属−炭素クラスター１８、酸化
物２０およびナノメートルサイズの炭素粒子３０に破砕
される。その後、１ｍｓ後に起きる反応の第二部におい
て、矢印Ｙによって表されているように、製品が熱源
（アーク放電のアークまたはレーザアブレーションのレ
ーザーのいずれか）から取り去られるにつれて温度は低
下し、製品である炭素被覆触媒粒子１、金属チップ２４
を有するＳＷＮＴ２２、無定形炭素２８、酸化物２０お
よびナノメートルサイズの炭素粒子３０は中間製品から
形成される。
【０００４】しかし、マイクロメートルサイズの触媒の
使用は、低い触媒生産性につながる場合があり、従って
反応域において製造された最終製品の低い含有率と純度
の原因になる幾つかの欠点を含む。
使用は、低い触媒生産性につながる場合があり、従って
反応域において製造された最終製品の低い含有率と純度
の原因になる幾つかの欠点を含む。
【０００５】第一に、マイクロメートルサイズのこれら
の触媒は、それらがナノスケール（すなわち、ナノメー
トルサイズ）クラスター、サブナノスケールでさえあえ
るクラスターに破砕されるまで触媒活性を示さない。し
かし、反応時間は一般に非常に短い。例えば、ＳＷＮＴ
のレーザアブレーション合成の場合、ＳＷＮＴ成長のた
めに利用可能な時間は１秒未満である。従って、十分に
小さい使用可能な粒子にすべての触媒を破砕するのに十
分な時間はない。こういう訳で、触媒粒子をマイクロメ
ートルサイズで用いる時、触媒粒子の使用は非効率的で
ある。
の触媒は、それらがナノスケール（すなわち、ナノメー
トルサイズ）クラスター、サブナノスケールでさえあえ
るクラスターに破砕されるまで触媒活性を示さない。し
かし、反応時間は一般に非常に短い。例えば、ＳＷＮＴ
のレーザアブレーション合成の場合、ＳＷＮＴ成長のた
めに利用可能な時間は１秒未満である。従って、十分に
小さい使用可能な粒子にすべての触媒を破砕するのに十
分な時間はない。こういう訳で、触媒粒子をマイクロメ
ートルサイズで用いる時、触媒粒子の使用は非効率的で
ある。
【０００６】第二に、例えば、望ましい炭素ナノ構造体
を含有するレーザアブレーションまたはアーク放電から
の煤などの最終製品は、金属触媒粒子が非常に短い反応
時間中に十分には利用されないので好ましくなく高い金
属粒子含有率を含む。すなわち、触媒は反応中に完全に
は使い尽くされないので、最終製品中に大量の未使用の
触媒が存在し、よって最終製品は純粋ではなくなる。
を含有するレーザアブレーションまたはアーク放電から
の煤などの最終製品は、金属触媒粒子が非常に短い反応
時間中に十分には利用されないので好ましくなく高い金
属粒子含有率を含む。すなわち、触媒は反応中に完全に
は使い尽くされないので、最終製品中に大量の未使用の
触媒が存在し、よって最終製品は純粋ではなくなる。
【０００７】第三に、これらのマイクロメートルサイズ
の金属粉末は、触媒として用いられる時、通常、不利に
は金属酸化物の薄層で被覆されており、従って、その薄
層は反応域において酸素物質を生じさせる。そして酸素
物質（Ｏ２、Ｏ−、Ｏ２−など）は、炭素物質（Ｃ＋、
Ｃ２＋、Ｃ３＋など）に対して非常に反応性であり、そ
れによって酸素物質は明確な炭素構造体の形成を妨げ
る。従って、酸素の妨害のために、望ましい炭素ナノ構
造体製品は欠陥を含み、相当な量の無定形炭素が生じ
る。
の金属粉末は、触媒として用いられる時、通常、不利に
は金属酸化物の薄層で被覆されており、従って、その薄
層は反応域において酸素物質を生じさせる。そして酸素
物質（Ｏ２、Ｏ−、Ｏ２−など）は、炭素物質（Ｃ＋、
Ｃ２＋、Ｃ３＋など）に対して非常に反応性であり、そ
れによって酸素物質は明確な炭素構造体の形成を妨げ
る。従って、酸素の妨害のために、望ましい炭素ナノ構
造体製品は欠陥を含み、相当な量の無定形炭素が生じ
る。
【０００８】第四に、これらのマイクロメートルサイズ
の触媒は、有利な割合で炭素と混合されない。すなわ
ち、所定の立方マイクロメートルサイズの体積中に炭素
に対して触媒が多すぎ、それよって触媒生産性はより低
く、最終製品の純度はより低い。
の触媒は、有利な割合で炭素と混合されない。すなわ
ち、所定の立方マイクロメートルサイズの体積中に炭素
に対して触媒が多すぎ、それよって触媒生産性はより低
く、最終製品の純度はより低い。
【０００９】先行技術において、炭素被覆金属ナノ粒子
も製造されてきた。例えば、ノラン（Ｎｏｌａｎ）らに
よる米国特許第５，９６５，２６７号を参照すること。
しかし、ノラン（Ｎｏｌａｎ）は、炭素ナノ構造体を製
造するための触媒としてこれらの炭素被覆金属ナノ粒子
を認識していない。すなわち、ノラン（Ｎｏｌａｎ）の
炭素被覆金属ナノ粒子は最終製品であり、熱複合材（ヒ
ートシンクにおける接着剤など）、強化複合材および磁
気粒子記録媒体として用いられる。
も製造されてきた。例えば、ノラン（Ｎｏｌａｎ）らに
よる米国特許第５，９６５，２６７号を参照すること。
しかし、ノラン（Ｎｏｌａｎ）は、炭素ナノ構造体を製
造するための触媒としてこれらの炭素被覆金属ナノ粒子
を認識していない。すなわち、ノラン（Ｎｏｌａｎ）の
炭素被覆金属ナノ粒子は最終製品であり、熱複合材（ヒ
ートシンクにおける接着剤など）、強化複合材および磁
気粒子記録媒体として用いられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、先行
技術の欠点を克服することである。より詳しくは、本発
明の目的は、炭素ナノ構造体、および特にＳＷＮＴの製
造において触媒粒子をより効率的に用いることである。
さらに、本発明の目的は、ナノ構造体製造プロセス、す
なわち、例えば、レーザアブレーションまたはアーク放
電後に存在する金属触媒粒子の量を減少させることによ
り、炭素ナノ構造体の製造純度を高めることである。さ
らに、本発明の目的は、望ましい炭素ナノ構造体を形成
する反応域内の酸素物質を減少させることにより、炭素
ナノ構造体中の製造欠陥の量を減少させ、無定形炭素の
量を減少させることである。さらに、本発明の目的は、
所定の立方マイクロメートルサイズの体積において有利
な触媒対炭素比を得ることにより触媒生産性を高めると
共に、炭素ナノ構造体のより高い純度を生じさせること
である。
技術の欠点を克服することである。より詳しくは、本発
明の目的は、炭素ナノ構造体、および特にＳＷＮＴの製
造において触媒粒子をより効率的に用いることである。
さらに、本発明の目的は、ナノ構造体製造プロセス、す
なわち、例えば、レーザアブレーションまたはアーク放
電後に存在する金属触媒粒子の量を減少させることによ
り、炭素ナノ構造体の製造純度を高めることである。さ
らに、本発明の目的は、望ましい炭素ナノ構造体を形成
する反応域内の酸素物質を減少させることにより、炭素
ナノ構造体中の製造欠陥の量を減少させ、無定形炭素の
量を減少させることである。さらに、本発明の目的は、
所定の立方マイクロメートルサイズの体積において有利
な触媒対炭素比を得ることにより触媒生産性を高めると
共に、炭素ナノ構造体のより高い純度を生じさせること
である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上述した問題と他の問題
および先行技術における欠点を解決するために、本発明
は、従来から用いられているマイクロメートルサイズの
触媒粒子より小さいナノメートルサイズの触媒粒子（触
媒ナノ粒子）を提供する。数百ナノメートルより小さい
触媒ナノ粒子が既に小スケールのものなので、その触媒
ナノ粒子は、炭素ナノ構造体の製造に関連した短い反応
時間中に容易に用いられる。すなわち、触媒ナノ粒子
は、使用されるべくマイクロメートルサイズから破砕さ
れる必要はなく、それらは、そのままでより容易に用い
られ、よって触媒粒子の使用に際して高い効率につなが
る。これらの触媒ナノ粒子は、例えば、レーザアブレー
ションまたはアーク放電による炭素ナノ構造体の製造の
ために使用されうる炭素−触媒棒を形成するために用い
られる。
および先行技術における欠点を解決するために、本発明
は、従来から用いられているマイクロメートルサイズの
触媒粒子より小さいナノメートルサイズの触媒粒子（触
媒ナノ粒子）を提供する。数百ナノメートルより小さい
触媒ナノ粒子が既に小スケールのものなので、その触媒
ナノ粒子は、炭素ナノ構造体の製造に関連した短い反応
時間中に容易に用いられる。すなわち、触媒ナノ粒子
は、使用されるべくマイクロメートルサイズから破砕さ
れる必要はなく、それらは、そのままでより容易に用い
られ、よって触媒粒子の使用に際して高い効率につなが
る。これらの触媒ナノ粒子は、例えば、レーザアブレー
ションまたはアーク放電による炭素ナノ構造体の製造の
ために使用されうる炭素−触媒棒を形成するために用い
られる。
【００１２】マイクロメートルサイズの触媒粒子を破砕
するようには触媒ナノ粒子を破砕する必要はないので、
触媒ナノ粒子は、炭素ナノ構造体の製造に関連した短い
反応時間中により完全に使い尽くされる。従って、触媒
ナノ粒子が炭素ナノ構造体合成中により完全に使い尽く
されるので、製造されたままの炭素ナノ構造体は、より
純粋である。すなわち、触媒ナノ粒子がより効率的且つ
完全に使い尽くされるので、製造されたままの炭素ナノ
構造体中に残る触媒粒子の量は少ない。
するようには触媒ナノ粒子を破砕する必要はないので、
触媒ナノ粒子は、炭素ナノ構造体の製造に関連した短い
反応時間中により完全に使い尽くされる。従って、触媒
ナノ粒子が炭素ナノ構造体合成中により完全に使い尽く
されるので、製造されたままの炭素ナノ構造体は、より
純粋である。すなわち、触媒ナノ粒子がより効率的且つ
完全に使い尽くされるので、製造されたままの炭素ナノ
構造体中に残る触媒粒子の量は少ない。
【００１３】さらに、本発明による触媒ナノ粒子は炭素
で被覆される。炭素コーティングの形態は、無定形グラ
ファイト層から整列グラファイト層まで異なることが可
能である。炭素被覆触媒ナノ粒子が炭素で被覆されるの
で、それらの粒子は酸化されず、従って、反応域に酸素
物質を持ち込まない。そして本発明の触媒粒子が反応域
に酸素物質を持ち込まないので、望ましい炭素ナノ構造
体には欠陥がより少なく、無定形炭素の生成はより少な
い。
で被覆される。炭素コーティングの形態は、無定形グラ
ファイト層から整列グラファイト層まで異なることが可
能である。炭素被覆触媒ナノ粒子が炭素で被覆されるの
で、それらの粒子は酸化されず、従って、反応域に酸素
物質を持ち込まない。そして本発明の触媒粒子が反応域
に酸素物質を持ち込まないので、望ましい炭素ナノ構造
体には欠陥がより少なく、無定形炭素の生成はより少な
い。
【００１４】さらに、触媒ナノ粒子が炭素で被覆される
ので、立方マイクロメートルサイズのスケールで炭素対
触媒の比はより有利であり、それによって触媒粒子の使
用はより効率的である。すなわち、触媒ナノ粒子は、望
ましい炭素ナノ構造体最終製品のサイズと同じ次元のス
ケールで炭素の中に均一に分配される。従って、触媒粒
子と炭素は触媒の生産性を高めるために容易に相互作用
し、そして次に、望ましい炭素ナノ構造体の純度を高め
る。
ので、立方マイクロメートルサイズのスケールで炭素対
触媒の比はより有利であり、それによって触媒粒子の使
用はより効率的である。すなわち、触媒ナノ粒子は、望
ましい炭素ナノ構造体最終製品のサイズと同じ次元のス
ケールで炭素の中に均一に分配される。従って、触媒粒
子と炭素は触媒の生産性を高めるために容易に相互作用
し、そして次に、望ましい炭素ナノ構造体の純度を高め
る。
【００１５】炭素被覆触媒ナノ粒子は、炭素ナノ構造体
を製造するための、例えば、レーザアブレーション、ア
ーク放電およびＣＶＤなどの種々の方法において用いる
ことができる。レーザアブレーションまたはアーク放電
において用いられる時、炭素被覆触媒ナノ粒子は、それ
らの粒子を炭素粒子および結合剤と混合することにより
棒または他の構造体に形成される。ＣＶＤにおいて用い
られる時、炭素被覆触媒ナノ粒子は触媒担体材料上に配
置される。本発明は、棒または他の構造体、こうした棒
を製造する方法およびＳＷＮＴを製造するためにこうし
た棒を用いる方法を包含する。さらに、本発明は、炭素
被覆触媒ナノ粒子が上にある触媒担体材料、こうした触
媒担体を製造する方法およびこうした触媒担体を使用す
る方法を包含する。
を製造するための、例えば、レーザアブレーション、ア
ーク放電およびＣＶＤなどの種々の方法において用いる
ことができる。レーザアブレーションまたはアーク放電
において用いられる時、炭素被覆触媒ナノ粒子は、それ
らの粒子を炭素粒子および結合剤と混合することにより
棒または他の構造体に形成される。ＣＶＤにおいて用い
られる時、炭素被覆触媒ナノ粒子は触媒担体材料上に配
置される。本発明は、棒または他の構造体、こうした棒
を製造する方法およびＳＷＮＴを製造するためにこうし
た棒を用いる方法を包含する。さらに、本発明は、炭素
被覆触媒ナノ粒子が上にある触媒担体材料、こうした触
媒担体を製造する方法およびこうした触媒担体を使用す
る方法を包含する。
【００１６】より特に、本発明は、炭素コーティングに
よって取り囲まれているナノメートルサイズの触媒粒子
を各々が含む炭素被覆触媒ナノ粒子と、炭素ナノ粒子
と、前記炭素被覆触媒ナノ粒子を前記炭素ナノ粒子と結
合させる結合剤とを含む、炭素ナノ構造体を製造するた
めの複合炭素構造体を提供することにより上の目的およ
び他の目的ならびに利点を達成する。
よって取り囲まれているナノメートルサイズの触媒粒子
を各々が含む炭素被覆触媒ナノ粒子と、炭素ナノ粒子
と、前記炭素被覆触媒ナノ粒子を前記炭素ナノ粒子と結
合させる結合剤とを含む、炭素ナノ構造体を製造するた
めの複合炭素構造体を提供することにより上の目的およ
び他の目的ならびに利点を達成する。
【００１７】さらに、本発明は、上述した複合炭素構造
体を第１の電極として用いる工程と、前記第１の電極と
炭素を含む第２の電極を用いてアーク放電を実施する工
程とを含む、ＳＷＮＴを製造する方法を提供することに
より上の目的および他の目的ならびに利点を達成する。
あるいはＳＷＮＴを製造するためのレーザアブレーショ
ンにおけるソース材料として、上述した複合炭素構造体
を用いることができる。
体を第１の電極として用いる工程と、前記第１の電極と
炭素を含む第２の電極を用いてアーク放電を実施する工
程とを含む、ＳＷＮＴを製造する方法を提供することに
より上の目的および他の目的ならびに利点を達成する。
あるいはＳＷＮＴを製造するためのレーザアブレーショ
ンにおけるソース材料として、上述した複合炭素構造体
を用いることができる。
【００１８】なおさらに、本発明は、例えば、触媒が充
填されている炭素棒を含む第１の電極と純炭素を含む第
２の電極との間で第１のアーク放電を実施することによ
り煤を発生させる工程と、前記煤を集め、前記煤を粉砕
し、そして前記煤を結合剤材料と混合して第１の中間製
品を形成させる工程と、前記第１の中間製品をプレス
し、その後前記第１の中間製品を加熱し、続いて前記第
１の中間製品を冷却し、よって前記複合炭素構造体を形
成させる工程とを含む、炭素ナノ構造体の製造用の複合
炭素構造体を製造する方法を提供することにより上の目
的および他の目的ならびに利点を達成する。
填されている炭素棒を含む第１の電極と純炭素を含む第
２の電極との間で第１のアーク放電を実施することによ
り煤を発生させる工程と、前記煤を集め、前記煤を粉砕
し、そして前記煤を結合剤材料と混合して第１の中間製
品を形成させる工程と、前記第１の中間製品をプレス
し、その後前記第１の中間製品を加熱し、続いて前記第
１の中間製品を冷却し、よって前記複合炭素構造体を形
成させる工程とを含む、炭素ナノ構造体の製造用の複合
炭素構造体を製造する方法を提供することにより上の目
的および他の目的ならびに利点を達成する。
【００１９】あるいは、アーク放電による煤の発生の代
わりに、例えば、触媒が充填された炭素棒を用いるレー
ザアブレーションなどの適する他のあらゆる方法によっ
て、煤を発生させることができる。
わりに、例えば、触媒が充填された炭素棒を用いるレー
ザアブレーションなどの適する他のあらゆる方法によっ
て、煤を発生させることができる。
【００２０】なお更に、本発明は、炭素コーティングに
よって取り囲まれているナノメートルサイズの触媒粒子
を各々が含む炭素被覆触媒ナノ粒子と、前記炭素被覆触
媒ナノ粒子と均一に混合された無機触媒担体材料とを含
む、ＣＶＤ用の触媒担体を提供することにより上の目的
および他の目的ならびに利点を達成する。
よって取り囲まれているナノメートルサイズの触媒粒子
を各々が含む炭素被覆触媒ナノ粒子と、前記炭素被覆触
媒ナノ粒子と均一に混合された無機触媒担体材料とを含
む、ＣＶＤ用の触媒担体を提供することにより上の目的
および他の目的ならびに利点を達成する。
【００２１】さらに、本発明は、上述した触媒担体を形
成する工程と、前記触媒担体を加熱する工程と、炭素ナ
ノ構造体を成長させるために前記触媒担体に炭素源を供
給する工程とを含む、ＣＶＤによって炭素ナノ構造体を
形成させる方法を提供することにより上の目的および他
の目的ならびに利点を達成する。
成する工程と、前記触媒担体を加熱する工程と、炭素ナ
ノ構造体を成長させるために前記触媒担体に炭素源を供
給する工程とを含む、ＣＶＤによって炭素ナノ構造体を
形成させる方法を提供することにより上の目的および他
の目的ならびに利点を達成する。
【００２２】最後に、本発明は、例えば、触媒が充填さ
れている炭素棒を含む第１の電極と炭素を含む第２の電
極と間で第１のアーク放電を実施することにより、炭素
被覆触媒ナノ粒子を含む煤を発生させる工程と、前記煤
を集めると共に、前記煤中の前記炭素被覆触媒ナノ粒子
以外の粒子を除去することにより前記煤を精製し、よっ
て精製された煤を製造する工程と、前記精製された煤を
溶媒中に懸濁させると共に、前記精製された煤を触媒担
体材料上に分散させる工程とを含む、炭素ナノ構造体の
ＣＶＤ用の触媒を製造する方法を提供することにより上
の目的および他の目的ならびに利点を達成する。
れている炭素棒を含む第１の電極と炭素を含む第２の電
極と間で第１のアーク放電を実施することにより、炭素
被覆触媒ナノ粒子を含む煤を発生させる工程と、前記煤
を集めると共に、前記煤中の前記炭素被覆触媒ナノ粒子
以外の粒子を除去することにより前記煤を精製し、よっ
て精製された煤を製造する工程と、前記精製された煤を
溶媒中に懸濁させると共に、前記精製された煤を触媒担
体材料上に分散させる工程とを含む、炭素ナノ構造体の
ＣＶＤ用の触媒を製造する方法を提供することにより上
の目的および他の目的ならびに利点を達成する。
【００２３】再び、アーク放電による煤の発生の代わり
に、例えば、触媒が充填されている炭素棒のレーザアブ
レーションなどの適する他のあらゆる方法を用いること
ができる。
に、例えば、触媒が充填されている炭素棒のレーザアブ
レーションなどの適する他のあらゆる方法を用いること
ができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の上述したおよび他の目的
ならびに利点は、添付した図面を用いて本発明の好まし
い代表的な実施形態を詳細に説明することにより、より
明らかになるであろう。図面において、類似の番号は、
幾つかの図全体を通して類似部品または対応部品を表
す。
ならびに利点は、添付した図面を用いて本発明の好まし
い代表的な実施形態を詳細に説明することにより、より
明らかになるであろう。図面において、類似の番号は、
幾つかの図全体を通して類似部品または対応部品を表
す。
【００２５】例えば触媒ナノ粒子などの炭素被覆ナノ粒
子は、主として、炭素金属複合材のレーザアブレーショ
ンまたはアーク放電によって製造された煤中に豊富にあ
る。これらの炭素被覆触媒ナノ粒子は、一般に、炭素コ
ーティングのゆえに周囲条件で極めて安定である。しか
し、十分に高い温度で迅速に炭素コーティングから触媒
ナノ粒子を放出させることが可能である。一旦それらの
粒子が不活性雰囲気において炭素コーティングから放出
されると、触媒ナノ粒子は極めて活性になり、そして粒
子は、適する技術（レーザアブレーション、電気アーク
放電または単純アーク放電、化学蒸着法（ＣＶＤ）な
ど）を利用すると共に成長条件（温度、圧力など）を制
御することにより、ＳＷＮＴおよび種々の形状の炭素ナ
ノ繊維などの一次元炭素ナノ構造体の合成用の触媒とし
て用いることができる。
子は、主として、炭素金属複合材のレーザアブレーショ
ンまたはアーク放電によって製造された煤中に豊富にあ
る。これらの炭素被覆触媒ナノ粒子は、一般に、炭素コ
ーティングのゆえに周囲条件で極めて安定である。しか
し、十分に高い温度で迅速に炭素コーティングから触媒
ナノ粒子を放出させることが可能である。一旦それらの
粒子が不活性雰囲気において炭素コーティングから放出
されると、触媒ナノ粒子は極めて活性になり、そして粒
子は、適する技術（レーザアブレーション、電気アーク
放電または単純アーク放電、化学蒸着法（ＣＶＤ）な
ど）を利用すると共に成長条件（温度、圧力など）を制
御することにより、ＳＷＮＴおよび種々の形状の炭素ナ
ノ繊維などの一次元炭素ナノ構造体の合成用の触媒とし
て用いることができる。
【００２６】本発明によると、これらの炭素被覆触媒ナ
ノ粒子は、炭素棒または他の構造体に形成される。棒ま
たは他の構造体の形状は決定的には重要でなく、アーク
放電またはレーザアブレーションのために適するあらゆ
る形状であることが可能である。炭素被覆触媒ナノ粒子
は、初期レーザアブレーション法またはアーク放電法に
おいて製造されたままで用いることができる。あるい
は、炭素被覆触媒ナノ粒子は、炭素棒または他の構造体
を形成するためにそれらの粒子を用いる前に処理する
か、あるいは精製することが可能である。この棒または
他の構造体は、その後、高純度の明確な炭素ナノ構造体
を製造するために第２のレーザアブレーションまたはア
ーク放電あるいはＣＶＤにおいて用いることができる。
ノ粒子は、炭素棒または他の構造体に形成される。棒ま
たは他の構造体の形状は決定的には重要でなく、アーク
放電またはレーザアブレーションのために適するあらゆ
る形状であることが可能である。炭素被覆触媒ナノ粒子
は、初期レーザアブレーション法またはアーク放電法に
おいて製造されたままで用いることができる。あるい
は、炭素被覆触媒ナノ粒子は、炭素棒または他の構造体
を形成するためにそれらの粒子を用いる前に処理する
か、あるいは精製することが可能である。この棒または
他の構造体は、その後、高純度の明確な炭素ナノ構造体
を製造するために第２のレーザアブレーションまたはア
ーク放電あるいはＣＶＤにおいて用いることができる。
【００２７】触媒ナノ構造体の組成は、例えば、Ｎｉ、
Ｃｏなどの純金属またはＹＣ２およびＣｅＣ２などの金
属炭化物であることが可能である。これらの金属および
金属炭化物は好ましいけれども、本発明の触媒ナノ粒子
は、例えば、Ｍｏ、ＬａＣ２、Ｇｄ、三次元（３Ｄ）遷
移金属、ランタニド系列金属などの、炭素ナノ構造体の
製造において触媒として使用するために適するあらゆる
組成の粒子であることが可能である。後者の群は前者の
群ほどには効果的ではなく、そしてより高価である。従
って、前者の群は好ましい。
Ｃｏなどの純金属またはＹＣ２およびＣｅＣ２などの金
属炭化物であることが可能である。これらの金属および
金属炭化物は好ましいけれども、本発明の触媒ナノ粒子
は、例えば、Ｍｏ、ＬａＣ２、Ｇｄ、三次元（３Ｄ）遷
移金属、ランタニド系列金属などの、炭素ナノ構造体の
製造において触媒として使用するために適するあらゆる
組成の粒子であることが可能である。後者の群は前者の
群ほどには効果的ではなく、そしてより高価である。従
って、前者の群は好ましい。
【００２８】触媒ナノ粒子の形状は、それらのサイズほ
どには重要ではない。従って、触媒ナノ粒子は、球、立
方体、円錐などのあらゆる形状、あるいはあらゆる不規
則形状を有することが可能である。他方、触媒ナノ粒子
のサイズはより重要であり、それは０．１ｎｍ〜１００
ｎｍの範囲である。この範囲は、例えば、ＳＷＮＴ、Ｍ
ＷＮＴ、竹状の炭素ナノ繊維などの一次元炭素ナノ構造
体の製造のために有利である。ここで、より微小なサイ
ズの粒子は、ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴの製造のために有
益であるのに対して、より大きなサイズの粒子は、炭素
ナノ繊維の製造のために有益である。好ましくは、触媒
ナノ粒子のサイズは、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲である。
好ましい範囲は製造するのが容易であり、炭素−金属複
合材棒上で実施されるレーザアブレーションまたはアー
ク放電から製造された煤中に最も豊富である。触媒ナノ
粒子のサイズは、初期レーザアブレーションまたはアー
ク放電のために用いられる炭素棒中の炭素対金属の比を
制御することにより制御することが可能である。炭素対
金属の比が高ければ高いほど、触媒ナノ粒子の平均サイ
ズは小さい。触媒ナノ粒子のサイズが小さすぎる場合、
触媒ナノ粒子は製造することが難しく、従って高価にな
る。他方、触媒ナノ粒子のサイズが大きすぎる場合、マ
イクロメートルサイズの触媒粒子に関して上で論じたよ
うに、最初に触媒ナノ粒子を使用前に破砕しなければな
らないので、触媒ナノ粒子は高純度の整列炭素ナノ構造
体を製造するに際して効果的でも効率的でもない。
どには重要ではない。従って、触媒ナノ粒子は、球、立
方体、円錐などのあらゆる形状、あるいはあらゆる不規
則形状を有することが可能である。他方、触媒ナノ粒子
のサイズはより重要であり、それは０．１ｎｍ〜１００
ｎｍの範囲である。この範囲は、例えば、ＳＷＮＴ、Ｍ
ＷＮＴ、竹状の炭素ナノ繊維などの一次元炭素ナノ構造
体の製造のために有利である。ここで、より微小なサイ
ズの粒子は、ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴの製造のために有
益であるのに対して、より大きなサイズの粒子は、炭素
ナノ繊維の製造のために有益である。好ましくは、触媒
ナノ粒子のサイズは、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲である。
好ましい範囲は製造するのが容易であり、炭素−金属複
合材棒上で実施されるレーザアブレーションまたはアー
ク放電から製造された煤中に最も豊富である。触媒ナノ
粒子のサイズは、初期レーザアブレーションまたはアー
ク放電のために用いられる炭素棒中の炭素対金属の比を
制御することにより制御することが可能である。炭素対
金属の比が高ければ高いほど、触媒ナノ粒子の平均サイ
ズは小さい。触媒ナノ粒子のサイズが小さすぎる場合、
触媒ナノ粒子は製造することが難しく、従って高価にな
る。他方、触媒ナノ粒子のサイズが大きすぎる場合、マ
イクロメートルサイズの触媒粒子に関して上で論じたよ
うに、最初に触媒ナノ粒子を使用前に破砕しなければな
らないので、触媒ナノ粒子は高純度の整列炭素ナノ構造
体を製造するに際して効果的でも効率的でもない。
【００２９】上述したように、触媒ナノ粒子上の炭素コ
ーティングは、無定形炭素から整列グラファイト層まで
異なることが可能である。無定形炭素を用いる場合、そ
れは、触媒ナノ粒子を完全に取り囲むのに十分でなけれ
ばならない。グラファイト層を用いる場合、一般に、そ
の層は、触媒ナノ粒子を取り囲んで同心的に形成され
る。グラファイト層の数は、レーザアブレーションまた
はアーク放電によって製造された煤において最も一般的
に見られる１〜１００の範囲であることが可能であり、
グラファイト層の数は、好ましくは１〜１０の範囲であ
る。グラファイト層の数は、下にある触媒ナノ粒子のサ
イズに依存しないが、むしろ、以下の通り決定すること
が可能である。一つより少ないグラファイト層しか存在
しない場合、触媒ナノ粒子は酸化から十分に保護されな
い。触媒ナノ粒子を完全に取り囲むのに十分な無定形炭
素が存在しない場合に、同じことが当てはまる。他方、
グラファイト層の数が多すぎる場合、触媒ナノ粒子は、
望ましい炭素ナノ構造体を形成するために効果的には用
いられない。すなわち、グラファイト層の数が多すぎる
場合、触媒ナノ粒子を触媒として用いるために露出させ
る点に至るまで炭素コーティングを破砕するために反応
中に十分な時間がない。同様に、無定形炭素が多すぎ
る、すなわち、例えば、触媒ナノ粒子を取り囲むＭＷＮ
Ｔの壁が多すぎる場合、触媒ナノ粒子は、炭素ナノ構造
体に形成において触媒として効果的に用いられない。
ーティングは、無定形炭素から整列グラファイト層まで
異なることが可能である。無定形炭素を用いる場合、そ
れは、触媒ナノ粒子を完全に取り囲むのに十分でなけれ
ばならない。グラファイト層を用いる場合、一般に、そ
の層は、触媒ナノ粒子を取り囲んで同心的に形成され
る。グラファイト層の数は、レーザアブレーションまた
はアーク放電によって製造された煤において最も一般的
に見られる１〜１００の範囲であることが可能であり、
グラファイト層の数は、好ましくは１〜１０の範囲であ
る。グラファイト層の数は、下にある触媒ナノ粒子のサ
イズに依存しないが、むしろ、以下の通り決定すること
が可能である。一つより少ないグラファイト層しか存在
しない場合、触媒ナノ粒子は酸化から十分に保護されな
い。触媒ナノ粒子を完全に取り囲むのに十分な無定形炭
素が存在しない場合に、同じことが当てはまる。他方、
グラファイト層の数が多すぎる場合、触媒ナノ粒子は、
望ましい炭素ナノ構造体を形成するために効果的には用
いられない。すなわち、グラファイト層の数が多すぎる
場合、触媒ナノ粒子を触媒として用いるために露出させ
る点に至るまで炭素コーティングを破砕するために反応
中に十分な時間がない。同様に、無定形炭素が多すぎ
る、すなわち、例えば、触媒ナノ粒子を取り囲むＭＷＮ
Ｔの壁が多すぎる場合、触媒ナノ粒子は、炭素ナノ構造
体に形成において触媒として効果的に用いられない。
【００３０】棒また他の構造体中で用いられる炭素被覆
触媒ナノ粒子の濃度は、当該棒または他の構造体から望
ましい炭素ナノ構造体を製造するための、レーザアブレ
ーション、アーク放電、ＣＶＤなどの製造の方法に基づ
いて異なる。
触媒ナノ粒子の濃度は、当該棒または他の構造体から望
ましい炭素ナノ構造体を製造するための、レーザアブレ
ーション、アーク放電、ＣＶＤなどの製造の方法に基づ
いて異なる。
【００３１】レーザアブレーション法またはアーク放電
法を用いる時、望ましい炭素ナノ構造体の成長のための
触媒および炭素源の両方として炭素棒が用いられる。金
属触媒が多すぎる（すなわち、炭素被覆触媒ナノ粒子が
多すぎる）場合、最終製品中に金属が残り、よって悪い
ことには不純物が増加する。他方、金属触媒が十分でな
い（すなわち、炭素被覆触媒ナノ粒子が少なすぎる）場
合、都合よく炭素ナノ構造体を製造するのに十分な触媒
活性がない。理想的には、目標は望ましい炭素ナノ構造
体を製造するのに丁度十分な金属触媒を用いることであ
る。従って、本発明によると、炭素被覆触媒ナノ粒子の
重量％は１〜８０の範囲である。ここで、アーク放電で
必要なよりもレーザアブレーションでは少ない炭素被覆
触媒ナノ粒子しか必要としない。棒または他の構造体の
残りは炭素、好ましくは純炭素である。さらに、これら
の方法において、炭素被覆触媒ナノ粒子の重量％は好ま
しくは２〜３０の範囲である。
法を用いる時、望ましい炭素ナノ構造体の成長のための
触媒および炭素源の両方として炭素棒が用いられる。金
属触媒が多すぎる（すなわち、炭素被覆触媒ナノ粒子が
多すぎる）場合、最終製品中に金属が残り、よって悪い
ことには不純物が増加する。他方、金属触媒が十分でな
い（すなわち、炭素被覆触媒ナノ粒子が少なすぎる）場
合、都合よく炭素ナノ構造体を製造するのに十分な触媒
活性がない。理想的には、目標は望ましい炭素ナノ構造
体を製造するのに丁度十分な金属触媒を用いることであ
る。従って、本発明によると、炭素被覆触媒ナノ粒子の
重量％は１〜８０の範囲である。ここで、アーク放電で
必要なよりもレーザアブレーションでは少ない炭素被覆
触媒ナノ粒子しか必要としない。棒または他の構造体の
残りは炭素、好ましくは純炭素である。さらに、これら
の方法において、炭素被覆触媒ナノ粒子の重量％は好ま
しくは２〜３０の範囲である。
【００３２】本発明によるナノメートルサイズの触媒粒
子を用いる代表的な反応の概略図を図１に示している。
図１に示したように、ナノメートルサイズの炭素粒子３
０および炭素被覆触媒ナノ粒子１は、例えば、代表的な
アーク放電における第１の電極として、あるいは代表的
なレーザアブレーションにおけるソース材料として用い
られる炭素棒中の反応物である。望ましいＳＷＮＴナノ
構造体２２を製造するために、例えば、レーザアブレー
ションまたはアーク放電による熱に反応物をさらす。矢
印Ｘによって表されるように、１ｍｓより短い反応の第
一部中に、反応物は、反応域において４００Ｋより高い
熱にさらされる。反応のこの部分の結果として、ナノメ
ートルサイズの粒子は、中間製品である、より微小なナ
ノメートルサイズの炭素粒子３０および金属−炭素クラ
スター１８に容易に破砕される。その後、１ｍｓ後に起
きる反応の第二部において、矢印Ｙによって表されるよ
うに、製品が熱源（アーク放電のアークまたはレーザア
ブレーションのレーザーのいずれか）から取り去られる
につれて温度は低下し、製品である炭素被覆触媒粒子１
および金属チップ２４を有するＳＷＮＴ２２は中間製品
から容易に形成される。
子を用いる代表的な反応の概略図を図１に示している。
図１に示したように、ナノメートルサイズの炭素粒子３
０および炭素被覆触媒ナノ粒子１は、例えば、代表的な
アーク放電における第１の電極として、あるいは代表的
なレーザアブレーションにおけるソース材料として用い
られる炭素棒中の反応物である。望ましいＳＷＮＴナノ
構造体２２を製造するために、例えば、レーザアブレー
ションまたはアーク放電による熱に反応物をさらす。矢
印Ｘによって表されるように、１ｍｓより短い反応の第
一部中に、反応物は、反応域において４００Ｋより高い
熱にさらされる。反応のこの部分の結果として、ナノメ
ートルサイズの粒子は、中間製品である、より微小なナ
ノメートルサイズの炭素粒子３０および金属−炭素クラ
スター１８に容易に破砕される。その後、１ｍｓ後に起
きる反応の第二部において、矢印Ｙによって表されるよ
うに、製品が熱源（アーク放電のアークまたはレーザア
ブレーションのレーザーのいずれか）から取り去られる
につれて温度は低下し、製品である炭素被覆触媒粒子１
および金属チップ２４を有するＳＷＮＴ２２は中間製品
から容易に形成される。
【００３３】図５に示した代表的な先行技術の反応と比
較すると、本発明は、不純物がより少ない製品を達成し
つつ、同時に、より高い百分率の望ましいＳＷＮＴを達
成する。
較すると、本発明は、不純物がより少ない製品を達成し
つつ、同時に、より高い百分率の望ましいＳＷＮＴを達
成する。
【００３４】他方、ＣＶＤ法を用いる時、棒（または炭
素被覆触媒ナノ粒子を含有する他の物品、通常は担体）
が触媒として主として用いられる。もう一つの炭素源を
こうしたＣＶＤ法において反応域に導入する。また、Ｃ
ＶＤ法における温度（４００〜１２００℃、好ましくは
８００〜１２００℃）は、望ましい炭素ナノ構造体を製
造するＣＶＤ反応のためにより多くの触媒を必要とする
ようにレーザアブレーションまたはアーク放電おける温
度（代表的には、ほぼ４０００°Ｋ）より低い。従っ
て、ＣＶＤ法に関する炭素被覆触媒ナノ粒子の濃度は５
〜９５重量％（ｗｔ％）の範囲であるのがよい。好まし
くは、炭素被覆触媒ナノ粒子の濃度は２０〜９５重量％
である。この場合、残りは、金属がＣＶＤ反応中に溶融
するにつれて金属が凝集することを防止するためのセパ
レータとして機能する担体材料である。担体材料は、例
えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、シリカウェハー、多孔質
アルミニウムフィルム、シリカゼオライトなどの不活性
無機材料である。
素被覆触媒ナノ粒子を含有する他の物品、通常は担体）
が触媒として主として用いられる。もう一つの炭素源を
こうしたＣＶＤ法において反応域に導入する。また、Ｃ
ＶＤ法における温度（４００〜１２００℃、好ましくは
８００〜１２００℃）は、望ましい炭素ナノ構造体を製
造するＣＶＤ反応のためにより多くの触媒を必要とする
ようにレーザアブレーションまたはアーク放電おける温
度（代表的には、ほぼ４０００°Ｋ）より低い。従っ
て、ＣＶＤ法に関する炭素被覆触媒ナノ粒子の濃度は５
〜９５重量％（ｗｔ％）の範囲であるのがよい。好まし
くは、炭素被覆触媒ナノ粒子の濃度は２０〜９５重量％
である。この場合、残りは、金属がＣＶＤ反応中に溶融
するにつれて金属が凝集することを防止するためのセパ
レータとして機能する担体材料である。担体材料は、例
えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、シリカウェハー、多孔質
アルミニウムフィルム、シリカゼオライトなどの不活性
無機材料である。
【００３５】
【実施例】実施例１
この実施例において、炭素被覆ＮｉおよびＣｅＣ２ナノ
粒子を含有する炭素棒のアーク放電によってＳＷＮＴを
製造する。第一に、炭素被覆触媒ナノ粒子を含有する炭
素棒を形成させる。第二に、第１の工程で製造された炭
素棒を用いてアーク放電を行う。
粒子を含有する炭素棒のアーク放電によってＳＷＮＴを
製造する。第一に、炭素被覆触媒ナノ粒子を含有する炭
素棒を形成させる。第二に、第１の工程で製造された炭
素棒を用いてアーク放電を行う。
【００３６】炭素被覆触媒ナノ粒子を含有する炭素棒の
製造 カソードとして１．５Ｘ１．５Ｘ１０ｃｍの寸法の純炭
素棒を用い、アノードとして金属（１５重量％Ｎｉ、６
重量％ＣｅＣ２）が均一に充填された炭素棒を用いるア
ーク放電によって、煤およびカソード沈積放電（ｃａｔ
ｈｏｄｅ ｄｅｐｏｓｉｔ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）を発
生させた。煤と沈積物を以下の条件下で発生させた。７
００トルの純ヘリウム雰囲気を緩衝気体として用いた。
電流密度を１８０Ａ／ｃｍ２に設定した。電圧を３０〜
４０Ｖの間であるように自動制御した。発生した煤およ
び沈積物は５〜２０重量％のＳＷＮＴを含有していた。
この煤に関する代表的なＴＥＭ画像を図２Ａに示してい
る。
製造 カソードとして１．５Ｘ１．５Ｘ１０ｃｍの寸法の純炭
素棒を用い、アノードとして金属（１５重量％Ｎｉ、６
重量％ＣｅＣ２）が均一に充填された炭素棒を用いるア
ーク放電によって、煤およびカソード沈積放電（ｃａｔ
ｈｏｄｅ ｄｅｐｏｓｉｔ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）を発
生させた。煤と沈積物を以下の条件下で発生させた。７
００トルの純ヘリウム雰囲気を緩衝気体として用いた。
電流密度を１８０Ａ／ｃｍ２に設定した。電圧を３０〜
４０Ｖの間であるように自動制御した。発生した煤およ
び沈積物は５〜２０重量％のＳＷＮＴを含有していた。
この煤に関する代表的なＴＥＭ画像を図２Ａに示してい
る。
【００３７】煤および沈積物を集め、よく粉砕し、その
後、ピッチまたは炭素ペーストなどの結合剤材料１〜５
重量％と混合した。炭素を含む結合剤が好ましいけれど
も、それは必須ではない。適するあらゆる結合剤を用い
ることができる。さらに、結合剤の量は、棒が強くて取
扱い易いように十分であるのがよい。その後、混合物を
１Ｘ１０Ｘ１０ｃｍの寸法のステンレススチール金型に
充填し、高圧、すなわち、１〜１０トン／ｃｍ２下でプ
レスした。金型のサイズおよび形状は、容易に取り扱う
ことができる固定形状に煤、カソード沈着物および結合
剤を成形するのに十分な圧力を加えることができるかぎ
り決定的には重要でない。プレスした後、炭素被覆触媒
ナノ粒子を含有するプレスされた煤を金型と一緒に炉に
入れ、真空、Ａｒ雰囲気、あるいは他の不活性ガス雰囲
気において１０時間にわたり４００〜８００℃で加熱処
理した。炉温度および加熱時間は異なることが可能であ
る。例えば、より短い時間をより高い温度と合わせて用
いることができ、より長い時間をより低い温度と合わせ
て用いることができる。重要な要素は、結合剤を完全に
乾かすおよび／または固化させることと、炭素被覆触媒
ナノ粒子が灰化されることを防止することである。完全
に冷却、すなわち、室温に冷却した後、プレスされた煤
を金型から開放し、その後、１Ｘ１Ｘ２０ｃｍのより小
さい棒に切断した。金型およびプレスされた煤をこの実
施例において完全に冷却させたけれども、こうしたこと
は必須ではない。
後、ピッチまたは炭素ペーストなどの結合剤材料１〜５
重量％と混合した。炭素を含む結合剤が好ましいけれど
も、それは必須ではない。適するあらゆる結合剤を用い
ることができる。さらに、結合剤の量は、棒が強くて取
扱い易いように十分であるのがよい。その後、混合物を
１Ｘ１０Ｘ１０ｃｍの寸法のステンレススチール金型に
充填し、高圧、すなわち、１〜１０トン／ｃｍ２下でプ
レスした。金型のサイズおよび形状は、容易に取り扱う
ことができる固定形状に煤、カソード沈着物および結合
剤を成形するのに十分な圧力を加えることができるかぎ
り決定的には重要でない。プレスした後、炭素被覆触媒
ナノ粒子を含有するプレスされた煤を金型と一緒に炉に
入れ、真空、Ａｒ雰囲気、あるいは他の不活性ガス雰囲
気において１０時間にわたり４００〜８００℃で加熱処
理した。炉温度および加熱時間は異なることが可能であ
る。例えば、より短い時間をより高い温度と合わせて用
いることができ、より長い時間をより低い温度と合わせ
て用いることができる。重要な要素は、結合剤を完全に
乾かすおよび／または固化させることと、炭素被覆触媒
ナノ粒子が灰化されることを防止することである。完全
に冷却、すなわち、室温に冷却した後、プレスされた煤
を金型から開放し、その後、１Ｘ１Ｘ２０ｃｍのより小
さい棒に切断した。金型およびプレスされた煤をこの実
施例において完全に冷却させたけれども、こうしたこと
は必須ではない。
【００３８】金型から開放されるにつれて、プレスされ
た煤（および従ってそれから切断されたより小さい棒）
は、炭素で被覆されている高い％のナノメートルサイズ
の金属触媒粒子、すなわち、炭素被覆触媒ナノ粒子を含
む。これらの炭素被覆触媒ナノ粒子は、非常に耐酸素性
で耐化学侵食性である。さらに、これらのより小さい炭
素棒中の炭素被覆触媒ナノ粒子は、殆ど１〜２０ｎｍの
範囲内である。金属の百分率は２０重量％であり、ここ
でＮｉは純金属状であるのに対してＣｅは炭化物の形態
を取っている。炭素棒上の酸素および水分の吸着を防ぐ
ために、炭素棒は通常用いられるまで不活性雰囲気内で
貯蔵される。
た煤（および従ってそれから切断されたより小さい棒）
は、炭素で被覆されている高い％のナノメートルサイズ
の金属触媒粒子、すなわち、炭素被覆触媒ナノ粒子を含
む。これらの炭素被覆触媒ナノ粒子は、非常に耐酸素性
で耐化学侵食性である。さらに、これらのより小さい炭
素棒中の炭素被覆触媒ナノ粒子は、殆ど１〜２０ｎｍの
範囲内である。金属の百分率は２０重量％であり、ここ
でＮｉは純金属状であるのに対してＣｅは炭化物の形態
を取っている。炭素棒上の酸素および水分の吸着を防ぐ
ために、炭素棒は通常用いられるまで不活性雰囲気内で
貯蔵される。
【００３９】その後、以下に記載するように第２のアー
ク放電において、これらのより小さい棒を用いた。
ク放電において、これらのより小さい棒を用いた。
【００４０】上で製造されたより小さい炭素棒のアーク
放電 その後、第２のアーク放電においてカソードとして純炭
素棒（１．５Ｘ１．５Ｘ１０ｃｍ）を用い、上で調製さ
れたより小さい炭素棒をアノードとして用いた。この第
２のアーク放電の条件は、第１のアーク放電において上
述した条件と同じであった。すなわち、７００トルの純
ヘリウム雰囲気を緩衝気体として用いた。電流密度を１
８０Ａ／ｃｍ２に設定した。電圧を３０〜４０Ｖの間で
あるように自動制御した。この第２のアーク放電におい
て発生した煤および沈積物は４０〜６０重量％のＳＷＮ
Ｔを含有していた。この煤の代表的なＴＥＭ画像を図２
Ｂに示している。
放電 その後、第２のアーク放電においてカソードとして純炭
素棒（１．５Ｘ１．５Ｘ１０ｃｍ）を用い、上で調製さ
れたより小さい炭素棒をアノードとして用いた。この第
２のアーク放電の条件は、第１のアーク放電において上
述した条件と同じであった。すなわち、７００トルの純
ヘリウム雰囲気を緩衝気体として用いた。電流密度を１
８０Ａ／ｃｍ２に設定した。電圧を３０〜４０Ｖの間で
あるように自動制御した。この第２のアーク放電におい
て発生した煤および沈積物は４０〜６０重量％のＳＷＮ
Ｔを含有していた。この煤の代表的なＴＥＭ画像を図２
Ｂに示している。
【００４１】従って、第２のアーク放電におけるＳＷＮ
Ｔ含有率は、第１のアーク放電より著しく高かった。こ
うしたことは図２Ａと２Ｂの比較からも分かる。しか
し、アーク放電ごとのアーク条件は、アノードの組成を
除いて厳密に同じであった。従って、第２のアーク放電
におけるより高いＳＷＮＴ含有率は、金属触媒として
の、高い触媒生産性と低い酸素含有率を示す炭素被覆触
媒ナノ粒子の使用に起因している。より詳しくは、高い
ＳＷＮＴ含有率は、（ａ）炭素コーティングから開放さ
れると触媒活性を直接示す、（ｂ）触媒ナノ粒子が酸化
されることを防止する、それは続いてアークプラズマ領
域における酸素含有率を劇的に減少させる（触媒粒子が
酸化されるとすれば、それらは直ちに空気中で燃え尽き
るであろうが。）、（ｃ）炭素と金属触媒の優れた混合
をもたらす、炭素被覆触媒ナノ粒子の性質によりもので
ある。
Ｔ含有率は、第１のアーク放電より著しく高かった。こ
うしたことは図２Ａと２Ｂの比較からも分かる。しか
し、アーク放電ごとのアーク条件は、アノードの組成を
除いて厳密に同じであった。従って、第２のアーク放電
におけるより高いＳＷＮＴ含有率は、金属触媒として
の、高い触媒生産性と低い酸素含有率を示す炭素被覆触
媒ナノ粒子の使用に起因している。より詳しくは、高い
ＳＷＮＴ含有率は、（ａ）炭素コーティングから開放さ
れると触媒活性を直接示す、（ｂ）触媒ナノ粒子が酸化
されることを防止する、それは続いてアークプラズマ領
域における酸素含有率を劇的に減少させる（触媒粒子が
酸化されるとすれば、それらは直ちに空気中で燃え尽き
るであろうが。）、（ｃ）炭素と金属触媒の優れた混合
をもたらす、炭素被覆触媒ナノ粒子の性質によりもので
ある。
【００４２】この実施例において、炭素煤および沈着物
を第１のアーク放電から集められたまま用い、それらを
第２のアーク放電用のアノードを形成する前に最初に精
製しなかったことに留意することは重要である。従っ
て、高価で時間がかかる精製プロセスはＳＷＮＴのこの
高い収率を達成するために不要である。あるいは、第２
のアーク放電用のアノードを形成する前に第１のアーク
放電からの煤および沈着物を精製するなら（すなわち、
炭素被覆触媒ナノ粒子以外の粒子を除去するために）、
一層より高い百分率のＳＷＮＴを得ることが可能であ
る。
を第１のアーク放電から集められたまま用い、それらを
第２のアーク放電用のアノードを形成する前に最初に精
製しなかったことに留意することは重要である。従っ
て、高価で時間がかかる精製プロセスはＳＷＮＴのこの
高い収率を達成するために不要である。あるいは、第２
のアーク放電用のアノードを形成する前に第１のアーク
放電からの煤および沈着物を精製するなら（すなわち、
炭素被覆触媒ナノ粒子以外の粒子を除去するために）、
一層より高い百分率のＳＷＮＴを得ることが可能であ
る。
【００４３】実施例２
この実施例において、触媒として用いられる炭素被覆Ｃ
ｏナノ粒子からＣＶＤによって竹状の炭素ナノ繊維を製
造する。
ｏナノ粒子からＣＶＤによって竹状の炭素ナノ繊維を製
造する。
【００４４】触媒の製造
炭素被覆触媒ナノ粒子をアーク放電運転によって製造し
た。詳しくは、純炭素棒をカソードとして用い、２０重
量％Ｃｏが均一に充填された炭素棒をアノードとして用
いた。アーク放電の条件は実施例１と同じであった。ア
ーク放電によって生じた煤と沈積物を集め、それらは、
無定形炭素、炭素ナノチューブ、フラーネス、炭素で全
く被覆されていなかった少量の金属および炭素被覆触媒
ナノ粒子などを含有していることが判明した。従って、
炭素被覆触媒ナノ粒子の品質を更に改善するために、す
なわち、炭素被覆触媒ナノ粒子以外の粒子を除去するた
めに、煤と沈積物を濃硝酸にさらし、濾過し、純水で洗
浄して精製された炭素被覆触媒ナノ粒子を生成させた。
精製された炭素被覆触媒ナノ粒子のＴＥＭ画像を図３に
示している。その後、精製された炭素被覆触媒ナノ粒子
をシリカウェハ触媒担体上で分散させるためにアセトン
中で懸濁させた。
た。詳しくは、純炭素棒をカソードとして用い、２０重
量％Ｃｏが均一に充填された炭素棒をアノードとして用
いた。アーク放電の条件は実施例１と同じであった。ア
ーク放電によって生じた煤と沈積物を集め、それらは、
無定形炭素、炭素ナノチューブ、フラーネス、炭素で全
く被覆されていなかった少量の金属および炭素被覆触媒
ナノ粒子などを含有していることが判明した。従って、
炭素被覆触媒ナノ粒子の品質を更に改善するために、す
なわち、炭素被覆触媒ナノ粒子以外の粒子を除去するた
めに、煤と沈積物を濃硝酸にさらし、濾過し、純水で洗
浄して精製された炭素被覆触媒ナノ粒子を生成させた。
精製された炭素被覆触媒ナノ粒子のＴＥＭ画像を図３に
示している。その後、精製された炭素被覆触媒ナノ粒子
をシリカウェハ触媒担体上で分散させるためにアセトン
中で懸濁させた。
【００４５】炭素被覆触媒ナノ粒子を精製するために濃
硝酸を用いる代わりに、適するあらゆる他の方法を用い
ることができる。また、シリカウェハ触媒担体の代わり
に、例えば、ＡｌＯ２、ＳｉＯ２、多孔質アルミニウム
フィルムまたはシリカゼオライトなどの適する他の担体
を用いることができる。
硝酸を用いる代わりに、適するあらゆる他の方法を用い
ることができる。また、シリカウェハ触媒担体の代わり
に、例えば、ＡｌＯ２、ＳｉＯ２、多孔質アルミニウム
フィルムまたはシリカゼオライトなどの適する他の担体
を用いることができる。
【００４６】化学蒸着法
一酸化炭素（ＣＯ）を炭素源として選択した。ＣＯが担
体上の炭素被覆触媒ナノ粒子に達する前にＣＯを４００
〜１０００℃の間に予熱した。この温度で、ＣＯの大部
分は分解する傾向があり、よってＣｎ ＋は、触媒との反
応のために利用できる（ここでｎは自然数である）。Ｃ
Ｏを予熱すると同時に、８００〜１２００℃の間の温度
を有する炉内で触媒担体を加熱した。この温度で、炭素
コーティング内の触媒金属は溶融し始め出始める。その
後、触媒担体を含む炉に予熱された気相を導入した。炉
内に気相を導入すると、炭素コーティングは、分解しな
かった少量のＣＯによって部分的にエッチングされ、よ
って触媒ナノ粒子を炭素コーティングから出させる。触
媒が炭素コーティングから出て、（分解ＣＯガスからの
Ｃｎ ＋を含む）気相と接触するにつれて、触媒は炭素ナ
ノ繊維の成長のための強い触媒活性を示す。
体上の炭素被覆触媒ナノ粒子に達する前にＣＯを４００
〜１０００℃の間に予熱した。この温度で、ＣＯの大部
分は分解する傾向があり、よってＣｎ ＋は、触媒との反
応のために利用できる（ここでｎは自然数である）。Ｃ
Ｏを予熱すると同時に、８００〜１２００℃の間の温度
を有する炉内で触媒担体を加熱した。この温度で、炭素
コーティング内の触媒金属は溶融し始め出始める。その
後、触媒担体を含む炉に予熱された気相を導入した。炉
内に気相を導入すると、炭素コーティングは、分解しな
かった少量のＣＯによって部分的にエッチングされ、よ
って触媒ナノ粒子を炭素コーティングから出させる。触
媒が炭素コーティングから出て、（分解ＣＯガスからの
Ｃｎ ＋を含む）気相と接触するにつれて、触媒は炭素ナ
ノ繊維の成長のための強い触媒活性を示す。
【００４７】この実施例において、図４Ａ−Ｅに示した
ように、以下のメカニズムにより竹状のナノ繊維を製造
した。炭素被覆触媒ナノ粒子１を図４Ａに示しており、
それは炭素コーティング４によって取り囲まれた触媒ナ
ノ粒子２を含む。炭素被覆触媒ナノ粒子１は８００〜１
２００℃の温度の炉内で加熱されているので、触媒ナノ
粒子２は、図４Ｂに示したように、金属触媒２’へと溶
融し始め炭素コーティング４から出始める。さらに、気
相（４００〜１０００℃の範囲の温度に予熱されたＣｎ
＋およびＣＯを含む）が炉に導入され、炭素被覆触媒ナ
ノ粒子１が昇温し続けるにつれて、炭素コーティング４
は、気相中でＣＯによってエッチングされるか、あるい
はコーティングのより高い温度のために開放され、よっ
て炭素シェル４’になる。いずれにせよ、金属触媒２’
は、図４Ｃに示したように、炭素シェル４’を出始め
る。この時点で、気相からの炭素は金属触媒２’に溶解
し、炭素シェル４’に向かって触媒２’を通して移行す
るのに対して、触媒は、炭素シェル４’を更に出て、図
４Ｄに示したように第２の炭素シェル４’’を置き去り
にする。触媒が炭素を溶解するプロセスを繰り返すと共
に（炭素はその後、前に形成された炭素シェルに向けて
触媒を通して移行する）、その後、炭素シェルを出るに
つれて、触媒は図４Ｅに示したように竹状の炭素ナノ繊
維を形成する。
ように、以下のメカニズムにより竹状のナノ繊維を製造
した。炭素被覆触媒ナノ粒子１を図４Ａに示しており、
それは炭素コーティング４によって取り囲まれた触媒ナ
ノ粒子２を含む。炭素被覆触媒ナノ粒子１は８００〜１
２００℃の温度の炉内で加熱されているので、触媒ナノ
粒子２は、図４Ｂに示したように、金属触媒２’へと溶
融し始め炭素コーティング４から出始める。さらに、気
相（４００〜１０００℃の範囲の温度に予熱されたＣｎ
＋およびＣＯを含む）が炉に導入され、炭素被覆触媒ナ
ノ粒子１が昇温し続けるにつれて、炭素コーティング４
は、気相中でＣＯによってエッチングされるか、あるい
はコーティングのより高い温度のために開放され、よっ
て炭素シェル４’になる。いずれにせよ、金属触媒２’
は、図４Ｃに示したように、炭素シェル４’を出始め
る。この時点で、気相からの炭素は金属触媒２’に溶解
し、炭素シェル４’に向かって触媒２’を通して移行す
るのに対して、触媒は、炭素シェル４’を更に出て、図
４Ｄに示したように第２の炭素シェル４’’を置き去り
にする。触媒が炭素を溶解するプロセスを繰り返すと共
に（炭素はその後、前に形成された炭素シェルに向けて
触媒を通して移行する）、その後、炭素シェルを出るに
つれて、触媒は図４Ｅに示したように竹状の炭素ナノ繊
維を形成する。
【００４８】この実施例において炭素源として一酸化炭
素を用いたけれども、例えば、有機化合物、ＣＨ４およ
びベンゼンなどの適するあらゆる他の炭素源を用いるこ
とができる。さらに、この実施例において竹状のナノ繊
維を製造したけれども、技術上知られているように、成
長温度、気相組成および触媒粒子サイズを制御すること
により、炭素ナノ繊維の他の種々の形状を成長させるこ
とが可能である。
素を用いたけれども、例えば、有機化合物、ＣＨ４およ
びベンゼンなどの適するあらゆる他の炭素源を用いるこ
とができる。さらに、この実施例において竹状のナノ繊
維を製造したけれども、技術上知られているように、成
長温度、気相組成および触媒粒子サイズを制御すること
により、炭素ナノ繊維の他の種々の形状を成長させるこ
とが可能である。
【００４９】発明の利点
本発明は、従来から用いられているマイクロメートルサ
イズの触媒粒子より遥かに小さいナノメートルサイズの
触媒粒子（触媒ナノ粒子）を提供する。触媒ナノ粒子が
既にこうした小スケールの粒子であるので、炭素ナノ構
造体の製造に関連した短い反応時間中に触媒ナノ粒子は
容易に用いられる。すなわち、触媒ナノ粒子は使用する
べくマイクロメートルサイズから破砕する必要はなく、
それらは、そのままでより容易に用いられ、よって触媒
粒子の使用に際して高い効率につながる。これらの触媒
ナノ粒子は、例えば、レーザアブレーションまたはアー
ク放電による炭素ナノ構造体の製造のために使用されう
る炭素−触媒棒を形成するために用いられる。
イズの触媒粒子より遥かに小さいナノメートルサイズの
触媒粒子（触媒ナノ粒子）を提供する。触媒ナノ粒子が
既にこうした小スケールの粒子であるので、炭素ナノ構
造体の製造に関連した短い反応時間中に触媒ナノ粒子は
容易に用いられる。すなわち、触媒ナノ粒子は使用する
べくマイクロメートルサイズから破砕する必要はなく、
それらは、そのままでより容易に用いられ、よって触媒
粒子の使用に際して高い効率につながる。これらの触媒
ナノ粒子は、例えば、レーザアブレーションまたはアー
ク放電による炭素ナノ構造体の製造のために使用されう
る炭素−触媒棒を形成するために用いられる。
【００５０】マイクロメートルサイズの触媒粒子を破砕
するようには触媒ナノ粒子を破砕する必要はないので、
触媒ナノ粒子は、炭素ナノ構造体の製造に関連した短い
反応時間中により完全に使い尽くされる。従って、触媒
ナノ粒子が炭素ナノ構造体合成中により完全に使い尽く
されるので、製造されたままの炭素ナノ構造体は、より
純粋である。すなわち、触媒ナノ粒子がより効率的且つ
完全に使い尽くされるので、製造されたままの炭素ナノ
構造体中に残る触媒粒子の量は少ない。
するようには触媒ナノ粒子を破砕する必要はないので、
触媒ナノ粒子は、炭素ナノ構造体の製造に関連した短い
反応時間中により完全に使い尽くされる。従って、触媒
ナノ粒子が炭素ナノ構造体合成中により完全に使い尽く
されるので、製造されたままの炭素ナノ構造体は、より
純粋である。すなわち、触媒ナノ粒子がより効率的且つ
完全に使い尽くされるので、製造されたままの炭素ナノ
構造体中に残る触媒粒子の量は少ない。
【００５１】さらに、本発明による触媒ナノ粒子は炭素
で被覆される。炭素コーティングの形態は、無定形グラ
ファイト層から整列グラファイト層まで異なることが可
能である。炭素被覆触媒ナノ粒子が炭素で被覆されるの
で、それらの粒子は酸化されず、従って、反応域に酸素
物質を持ち込まない。そして本発明の触媒粒子が反応域
に酸素物質を持ち込まないので、望ましい炭素ナノ構造
体には欠陥がより少なく、無定形炭素の生成はより少な
い。
で被覆される。炭素コーティングの形態は、無定形グラ
ファイト層から整列グラファイト層まで異なることが可
能である。炭素被覆触媒ナノ粒子が炭素で被覆されるの
で、それらの粒子は酸化されず、従って、反応域に酸素
物質を持ち込まない。そして本発明の触媒粒子が反応域
に酸素物質を持ち込まないので、望ましい炭素ナノ構造
体には欠陥がより少なく、無定形炭素の生成はより少な
い。
【００５２】最後に、触媒ナノ粒子が炭素で被覆される
ので、立方マイクロメートルサイズのスケールで炭素対
触媒の比はより有利であり、それによって触媒粒子の使
用はより効率的である。すなわち、触媒ナノ粒子は、望
ましい炭素ナノ構造体のサイズと同じ次元のスケールで
炭素の中に均一に分配される。従って、触媒粒子と炭素
は触媒の生産性を高めるために容易に相互作用し、そし
て次に、望ましい炭素ナノ構造体の純度を高める。
ので、立方マイクロメートルサイズのスケールで炭素対
触媒の比はより有利であり、それによって触媒粒子の使
用はより効率的である。すなわち、触媒ナノ粒子は、望
ましい炭素ナノ構造体のサイズと同じ次元のスケールで
炭素の中に均一に分配される。従って、触媒粒子と炭素
は触媒の生産性を高めるために容易に相互作用し、そし
て次に、望ましい炭素ナノ構造体の純度を高める。
【００５３】請求の範囲において定義されたような本発
明の精神と範囲から逸脱せずに、本発明による炭素被覆
触媒ナノ粒子含有構造体、該構造体を製造する方法およ
び該構造体を使用する方法に対して多くの修正をなすこ
とが可能であることは考慮されている。
明の精神と範囲から逸脱せずに、本発明による炭素被覆
触媒ナノ粒子含有構造体、該構造体を製造する方法およ
び該構造体を使用する方法に対して多くの修正をなすこ
とが可能であることは考慮されている。
【図１】炭素被覆触媒ナノ粒子を出発材料として用いる
時のＳＷＮＴの形成メカニズムの概略図である。
時のＳＷＮＴの形成メカニズムの概略図である。
【図２Ａ】アーク放電において製造された煤に関する代
表的なＴＥＭ画像において、従来の触媒を用いて製造さ
れ、本発明の第１のアーク放電において製造された煤の
画像である。
表的なＴＥＭ画像において、従来の触媒を用いて製造さ
れ、本発明の第１のアーク放電において製造された煤の
画像である。
【図２Ｂ】アーク放電において製造された煤に関する代
表的なＴＥＭ画像において、炭素被覆触媒ナノ粒子を用
いることにより、すなわち、本発明による第２のアーク
放電に従って製造された煤の画像である。
表的なＴＥＭ画像において、炭素被覆触媒ナノ粒子を用
いることにより、すなわち、本発明による第２のアーク
放電に従って製造された煤の画像である。
【図３】炭素ナノ構造体のＣＶＤ成長用の精製炭素被覆
触媒ナノ粒子のＴＥＭ画像である。
触媒ナノ粒子のＴＥＭ画像である。
【図４Ａ〜Ｅ】竹状の炭素ナノ繊維に関する成長メカニ
ズムの概略図である。
ズムの概略図である。
【図５】従来のマイクロメートルサイズの出発材料から
製造されたＳＷＮＴの形成メカニズムの概略図である。
製造されたＳＷＮＴの形成メカニズムの概略図である。
１ 炭素被覆触媒ナノ粒子
２ ナノメートルサイズの触媒粒子
２’ 金属触媒
４ 炭素コーティング
４’ 炭素シェル
４’’ 第２の炭素シェル
１０ グラファイト粉末
１２ 酸化物被覆金属粒子
１４ マイクロメートルサイズの炭素粒子
１６ 酸素物質
１８ 金属−炭素クラスター
２０ 酸化物
２２ 単一壁炭素ナノチューブ（ＳＷＮＴ）
２４ 金属チップ
２８ 無定形炭素
３０ ナノメートルサイズの炭素粒子
Ｘ ４０００Ｋより高い温度および１ｍｓより短い時間
を表す第１の反応矢印 Ｙ ４０００Ｋより低い温度および１ｍｓより長い時間
を表す第２の反応矢印
を表す第１の反応矢印 Ｙ ４０００Ｋより低い温度および１ｍｓより長い時間
を表す第２の反応矢印
Claims (49)
- 【請求項１】 炭素コーティングによって取り囲まれて
いるナノメートルサイズの触媒粒子を各々が含む炭素被
覆触媒ナノ粒子と、炭素ナノ粒子と、前記炭素被覆触媒
ナノ粒子を前記炭素ナノ粒子と結合させる結合剤とを含
む、炭素ナノ構造体を製造するための複合炭素構造体。 - 【請求項２】 前記ナノメートルサイズの触媒粒子の各
々は０．１〜１００ｎｍの範囲のサイズを有する請求項
１に記載の炭素構造体。 - 【請求項３】 前記ナノメートルサイズの触媒粒子の各
々は１〜５０ｎｍの範囲のサイズを有する請求項１に記
載の炭素構造体。 - 【請求項４】 前記ナノメートルサイズの触媒粒子の各
々は、Ｎｉ、Ｃｏ、ＹＣ２およびＣｅＣ２から成る群か
ら選択される請求項１に記載の炭素構造体。 - 【請求項５】 前記炭素コーティングの各々は、前記ナ
ノメートルサイズの触媒粒子のそれぞれ一つを完全に取
り囲む少なくとも一つのグラファイト層である請求項１
に記載の炭素構造体。 - 【請求項６】 前記炭素コーティングの各々は、前記ナ
ノメートルサイズの触媒粒子のそれぞれ一つを取り囲む
実質的に同心の１〜１００のグラファイト層を含む請求
項５に記載の炭素構造体。 - 【請求項７】 前記炭素コーティングの各々は、前記ナ
ノメートルサイズの触媒粒子のそれぞれ一つを完全に取
り囲む実質的に同心の１〜１０のグラファイト層を含む
請求項５に記載の炭素構造体。 - 【請求項８】 前記炭素触媒ナノ粒子は、前記炭素構造
体の１〜８０重量％を構成する請求項１に記載の炭素構
造体。 - 【請求項９】 前記炭素被覆触媒ナノ粒子は、前記炭素
構造体の２〜３０重量％を構成する請求項１に記載の炭
素構造体。 - 【請求項１０】 前記結合剤は炭素を含む請求項１に記
載の炭素構造体。 - 【請求項１１】 前記結合剤は、前記炭素構造体を取り
扱うために十分に強くするのに十分な量で存在する請求
項１に記載の炭素構造体。 - 【請求項１２】 前記結合剤は、前記炭素構造体の１〜
５重量％を構成する請求項１に記載の炭素構造体。 - 【請求項１３】 前記炭素構造体は棒形状である請求項
１に記載の炭素構造体。 - 【請求項１４】 請求項１〜１３のいずれか１項に記載
の複合炭素構造体を第１の電極として用いる工程と、前
記第１の電極と炭素を含む第２の電極を用いてアーク放
電を実施する工程とを含むＳＷＮＴを製造する方法。 - 【請求項１５】 前記第１の電極はアノードであり、前
記第２の電極はカソードである請求項１４に記載のＳＷ
ＮＴを製造する方法。 - 【請求項１６】 前記アーク放電を実施する工程は、前
記アノードと前記カソードをヘリウムの緩衝雰囲気に入
れる工程と、前記アノードと前記カソードを３０〜４０
Ｖの間の電圧に供する工程とを含む請求項１５に記載の
ＳＷＮＴを製造する方法。 - 【請求項１７】 前記アーク放電を実施する工程は、１
時間において前記アノードを消費することを含む請求項
１５に記載のＳＷＮＴを製造する方法。 - 【請求項１８】 請求項１〜１３のいずれか１項に記載
の複合炭素構造体を形成する工程と、前記複合炭素構造
体上でレーザアブレーションを実施する工程を含むＳＷ
ＮＴを製造する方法。 - 【請求項１９】 触媒が充填されている炭素棒を用いて
煤を発生させる工程と、前記煤を集め、前記煤を粉砕
し、そして前記煤を結合剤材料と混合して第１の中間製
品を形成させる工程と、前記第１の中間製品をプレス
し、その後前記第１の中間製品を加熱し、続いて前記第
１の中間製品を冷却し、よって前記複合炭素構造体を形
成させる工程とを含む、炭素ナノ構造体を製造するため
の複合炭素構造体を製造する方法。 - 【請求項２０】 前記煤を発生させる工程は、煤を発生
させるために、前記触媒が充填されている炭素棒を含む
アノードと純炭素を含むカソードと間で第１のアーク放
電を実施することを含む請求項１９に記載の複合炭素構
造体を製造する方法。 - 【請求項２１】 前記第１のアーク放電を実施する工程
は、前記アノード中の前記触媒としてＮｉおよびＣｅＯ
２を用いる工程と、前記アノードと前記カソードをヘリ
ウムの緩衝雰囲気に入れる工程と、前記アノードと前記
カソードを３０〜４０Ｖの間の電圧に供する工程とを含
む請求項２０に記載の複合炭素構造体を製造する方法。 - 【請求項２２】 前記煤を結合剤材料と混合する工程
は、前記煤を１〜５重量％の炭素系結合剤と混合して前
記第１の中間製品を形成させることを含む請求項１９に
記載の複合炭素構造体を製造する方法。 - 【請求項２３】 前記プレスする工程は、１〜１０トン
／ｃｍ２の圧力で前記第１の中間製品をプレスすること
を含む請求項１９に記載の複合炭素構造体を製造する方
法。 - 【請求項２４】 前記第１の中間製品を加熱する工程
は、前記プレスされた第１の中間製品を４００〜８００
℃の温度で不活性雰囲気を有する炉に１０時間にわたり
入れることを含む請求項２３に記載の複合炭素構造体を
製造する方法。 - 【請求項２５】 前記冷却する工程は室温に冷却するこ
とを含む請求項２４に記載の複合炭素構造体を製造する
方法。 - 【請求項２６】 炭素コーティングによって取り囲まれ
ているナノメートルサイズの触媒粒子を各々が含む炭素
被覆触媒ナノ粒子と、前記炭素被覆触媒ナノ粒子と均一
に混合された無機触媒担体材料とを含むＣＶＤ用の触媒
担体。 - 【請求項２７】 前記ナノメートルサイズの触媒粒子の
各々は０．１〜１００ｎｍの範囲のサイズを有する請求
項２６に記載の触媒担体。 - 【請求項２８】 前記ナノメートルサイズの触媒粒子の
各々は１〜５０ｎｍの範囲のサイズを有する請求項２６
に記載の触媒担体。 - 【請求項２９】 前記ナノメートルサイズの触媒粒子の
各々は、Ｎｉ、Ｃｏ、ＹＣ２およびＣｅＣ２から成る群
から選択される請求項２６に記載の触媒担体。 - 【請求項３０】 前記炭素コーティングの各々は、前記
ナノメートルサイズの触媒粒子のそれぞれ一つを完全に
取り囲む少なくとも一つのグラファイト層である請求項
２６に記載の触媒担体。 - 【請求項３１】 前記炭素コーティングの各々は、前記
ナノメートルサイズの触媒粒子のそれぞれ一つを取り囲
む実質的に同心の１〜１００のグラファイト層を含む請
求項３０に記載の触媒担体。 - 【請求項３２】 前記炭素コーティングの各々は、前記
ナノメートルサイズの触媒粒子のそれぞれ一つを取り囲
む実質的に同心の１〜１０のグラファイト層を含む請求
項３０に記載の触媒担体。 - 【請求項３３】 前記炭素被覆触媒ナノ粒子は、前記炭
素担体の５〜９５重量％を構成する請求項２６に記載の
触媒担体。 - 【請求項３４】 前記炭素被覆触媒ナノ粒子は、前記炭
素担体の２０〜９５重量％を構成する請求項２６に記載
の触媒担体。 - 【請求項３５】 前記無機触媒担体は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓ
ｉＯ２、シリカウェハー、多孔質アルミニウムフィルム
およびシリカゼオライトから成る群から選択される請求
項２６に記載の触媒担体。 - 【請求項３６】 請求項２６〜３５のいずれか１項に記
載の触媒担体を形成する工程と、前記触媒担体を加熱す
る工程と、炭素ナノ構造体を成長させるために前記触媒
担体に炭素源を供給する工程とを含む、ＣＶＤによって
炭素ナノ構造体を形成させる方法。 - 【請求項３７】 前記触媒担体を加熱する工程は、４０
０〜１２００℃の温度にある炉に前記触媒担体を入れる
ことを含む請求項３６に記載の炭素ナノ構造体を形成さ
せる方法。 - 【請求項３８】 前記炉温度、前記炭素源および前記触
媒粒子サイズは、竹状の炭素繊維を形成するために選択
される請求項３７に記載の炭素ナノ構造体を形成させる
方法。 - 【請求項３９】 前記触媒担体を加熱する工程は、８０
０〜１２００℃の温度にある炉に前記触媒担体を入れる
ことを含む請求項３６に記載の炭素ナノ構造体を形成さ
せる方法。 - 【請求項４０】 前記触媒担体に炭素源を供給する工程
の前に実施される前記炭素源を予熱する工程をさらに含
む請求項３６に記載の炭素ナノ構造体を形成させる方
法。 - 【請求項４１】 前記炭素源を予熱する工程は、４００
〜１０００℃の温度に前記炭素源を加熱することを含む
請求項４０に記載の炭素ナノ構造体を形成させる方法。 - 【請求項４２】 前記炭素源を供給する工程は、気相に
おいて炭素源を供給することを含む請求項３６に記載の
炭素ナノ構造体を形成させる方法。 - 【請求項４３】 前記炭素源を供給する工程は、ＣＯ、
ＣＨ４およびベンゼンから成る群から選択された炭素源
を供給することを含む請求項４２に記載の炭素ナノ構造
体を形成させる方法。 - 【請求項４４】 煤が炭素被覆触媒ナノ粒子を含むよう
に、触媒が充填されている炭素棒から前記煤を発生させ
る工程と、前記煤を集めると共に、前記煤中の前記炭素
被覆触媒ナノ粒子以外の粒子を除去することにより前記
煤を精製し、よって精製された煤を生じさせる工程と、
前記精製された煤を溶媒中に懸濁させると共に、前記精
製された煤を触媒担体材料上に分散させる工程とを含
む、炭素ナノ構造体のＣＶＤ用の触媒を製造する方法。 - 【請求項４５】 前記煤を発生させる工程は、煤を発生
させるために、前記触媒が充填されている炭素棒を含む
アノードと純炭素を含むカソードと間で第１のアーク放
電を実施することを含む請求項４４に記載の触媒を製造
する方法。 - 【請求項４６】 前記第１のアーク放電を実施する工程
は、前記アノード中の前記触媒としてＮｉおよびＣｅＯ
２を用いる工程と、前記アノードと前記カソードをヘリ
ウムの緩衝雰囲気に入れる工程と、前記アノードと前記
カソードを３０〜４０Ｖの間の電圧に供する工程とを含
む請求項４５に記載の触媒を製造する方法。 - 【請求項４７】 前記煤を精製する工程は、前記煤およ
び硝酸を含む溶液を形成し、前記煤を濾過し、前記煤を
水で洗浄することを含む請求項４４に記載の触媒を製造
する方法。 - 【請求項４８】 前記精製された煤を前記溶液中に懸濁
させる工程は、アセトン、水、ベンゼン、アルコール、
トルエンおよびクロロホルムから成る群から選択された
溶媒中に前記精製された煤を懸濁させることを含む請求
項４４に記載の触媒を製造する方法。 - 【請求項４９】 前記煤を触媒担体材料上に分散させる
工程は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、シリカウェハー、多孔
質アルミニウムフィルムおよびシリカゼオライトから成
る群から選択された触媒担体材料上に煤を分散させるこ
とを含む請求項４４に記載の触媒を製造する方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001245481A JP2003054922A (ja) | 2001-08-13 | 2001-08-13 | 炭素被覆触媒ナノ粒子を含む構造体、該構造体を製造する方法および該構造体から炭素ナノ構造体を製造する方法。 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001245481A JP2003054922A (ja) | 2001-08-13 | 2001-08-13 | 炭素被覆触媒ナノ粒子を含む構造体、該構造体を製造する方法および該構造体から炭素ナノ構造体を製造する方法。 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003054922A true JP2003054922A (ja) | 2003-02-26 |
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ID=19075219
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001245481A Pending JP2003054922A (ja) | 2001-08-13 | 2001-08-13 | 炭素被覆触媒ナノ粒子を含む構造体、該構造体を製造する方法および該構造体から炭素ナノ構造体を製造する方法。 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003054922A (ja) |
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