JP2003500326A - カーボンナノチューブを生産するための方法および触媒 - Google Patents
カーボンナノチューブを生産するための方法および触媒Info
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Abstract
Description
および米国特許出願第60/137,206号(1999年6月2日出願)の一
部継続出願である。
体的に言えば、単層カーボンナノチューブを生産するための方法および触媒に関
するものであるが、それらには限定されない。
同心チューブまたは多層カーボンナノチューブとして、次いで、遷移金属触媒の
存在下の単層カーボンナノチューブとして発見された、全フラーレンキャップを
有するグラファイトシートの継ぎ目のないチューブである。カーボンナノチュー
ブは、ナノスケール電子デバイス、高強度材料、電界放出、走査型プローブ顕微
鏡検査用探針(tips)およびガス貯蔵を含めた用途への応用が期待されてい
る。
ボンナノチューブの方が好ましい。これは、単層カーボンナノチューブは、同様
な直径を有する多層カーボンナノチューブに比べて欠陥が少なく、したがって、
強度および導電率が高いからである。単層カーボンナノチューブにおいては、多
層カーボンナノチューブより欠陥が生じにくい。何故なら、多層カーボンナノチ
ューブでは、不飽和炭素原子価間で架橋を形成することにより時たま起こる欠陥
が残存する可能性があるのに対し、単層カーボンナノチューブは欠陥を補償する
隣接層を有していないからである。
手するという問題はまだ解決されていない。高品質の単層カーボンナノチューブ
を生産するための大規模プロセスが未だに必要とされている。
れらの方法には、炭素のレーザー蒸発法〔Thess,A.ら,Science
273,483(1996)〕、グラファイトロッドの電気アーク放電法〔J
ournet,C.ら,Nature 388,756(1997)〕、および
炭化水素の化学気相成長法〔Ivanov,V.ら,Chem.Phys.Le
tt.223,329(1994);Li A.ら,Science 274,
1701(1996)〕が含まれる。炭化水素の接触分解による多層カーボンナ
ノチューブの生産は、今や工業的規模である(米国特許第5,578,543号
)のに対し、レーザー技術〔Rinzler,A.G.ら,Appl.Phys
.A.67,29(1998)〕やアーク技術〔Haffner,J.H.ら,
Chem.Phys.Lett.296,195(1998)〕による単層カー
ボンナノチューブの生産は未だにグラム規模である。
る方法は、主成物として、単層カーボンナノチューブではなく多層カーボンナノ
チューブを生成する傾向がある。しかし、炭化水素の接触分解プロセスから単層
カーボンナノチューブを生成するのに成功したものもあった。Daiら〔Dai
,H.ら,Chem.Phys.Lett.260,471(1996)〕は、
1,200℃に加熱したアルミナ上に担持されたモリブデン(Mo)触媒を用い
て一酸化炭素(CO)を不均化することにより、クモの巣様単層カーボンナノチ
ューブが得られることを証明した。報告された電子顕微鏡画像から、Mo金属が
ナノチューブの先端部に結合していることは明らかである。報告された単層カー
ボンナノチューブの直径は、一般に1〜5nmの範囲であり、Moの粒径によっ
て制御されるようである。多層カーボンナノチューブの生成には、鉄、コバルト
またはニッケルを含有する触媒が850〜1200℃の温度下に用いられた(米
国特許第4,663,230号)。最近になって、1,100〜1,200℃の
温度下、鉄触媒と硫黄添加物を用いたベンゼンの熱分解により、ロープ様単層カ
ーボンナノチューブ束が生成された〔Cheng,H.M.ら,Appl.Ph
ys.Lett.72,3282(1998);Cheng,H.M.ら,Ch
em.Phys。Lett.289,602(1998)〕。合成された単層カ
ーボンナノチューブは、レーザー蒸発法または電気アーク法から得られたものと
同様に、束をなしてほぼ整列し、互いに織り合わされている。単層カーボンナノ
チューブを生成させるために1種以上のVI族またはVIII族遷移金属を含む
レーザーターゲットの使用が提案された(WO98/39250号明細書)。鉄
と、V族(V、NbおよびTa)、VI族(Cr、MoおよびW)、VII族(
Mn、TcおよびRe)またはランタニドから選択される少なくとも1種の元素
とを含む金属触媒の使用も提案された(米国特許第5,707,916号明細書
)。しかし、これらの触媒を用いる方法が、多層カーボンナノチューブに比べて
高比率の単層カーボンナノチューブを有するナノチューブを大量に生産すること
は証明されていない。
ノチューブの生産に要する資本および運転経費の大部分が費やされる。したがっ
て、多層カーボンナノチューブおよび不純物(例えば、アモルファスおよびグラ
ファイトカーボン)からの単層カーボンナノチューブの精製には、カーボンナノ
チューブの実際の生産よりも実質的に多くの時間と経費がかかるであろう。
形態の炭素を簡単かつ直接に定量化し得ないことである。現在のところ、透過型
電子顕微鏡検査(TEM)が、特定の試料中に存在する単層カーボンナノチュー
ブ部分の定量に最も広く用いられているキャラクタリゼーション技術である。し
かし、透過型電子顕微鏡検査は、生成した炭素種のタイプを定性的に描写し得る
に過ぎない。所与の透過型電子顕微鏡画像がどの程度全生産を描写し得ているか
を決定するのは難しい。任意の統計的意味を有する試料中の異なる炭素種の分布
について半定量を得るには時間がかかるので、透過型電子顕微鏡検査を用いる方
法を大規模操業に対する日常品質管理として用いることはできないであろう。
れている温度より低い温度で合成し得る新規かつ改良型ナノチューブ生産方法と
共に、特定の合成法で得られた異なる形態の炭素を直接定量する方法も求められ
ている。本発明は、そのようなナノチューブ生産方法および合成生成物の定量法
を目的とする。
ブを生産するための触媒および方法が提供される。この方法は、概して、反応器
セル中で、金属触媒微粒子と有効量の炭素含有ガスとを、触媒的にカーボンナノ
チューブを生成するのに十分な温度下に接触させるステップを含み、この方法に
おいて、カーボンナノチューブの実質的な部分は単層カーボンナノチューブであ
り、金属触媒微粒子は、鉄を除くVIII族金属とVIb族金属とを含む。
触媒組成および反応条件を決定する方法が提供される。この方法は、概して、反
応器セル中で、反応器セル内の温度を上昇させながら、試料中に存在する炭素を
酸化させるためにカーボンナノチューブを含有する生成物の試料を有効量の酸素
含有ガスと接触させるステップを含む。試料から放出される二酸化炭素の量を測
定し、特定の温度下の試料からの二酸化炭素の放出により、試料中に存在する特
定の炭素種を定量する。ナノチューブを含有する生成物の試料中で単層カーボン
ナノチューブが他のすべての炭素種より多い量で存在するまで、触媒組成および
/または反応条件を変える。
したバイメタル触媒である。バイメタル触媒中のVIII族金属とVIb族金属
の比率は、約1:5〜約2:1の範囲である。
を生産する方法を提供することである。
ーボンナノチューブ、およびアモルファスカーボンを含めた異なる形態の炭素を
定量し、それによって、特定の触媒の選択性を決定し、かつカーボンナノチュー
ブを生産するための反応条件を最適化する方法を提供することである。
されている以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
も1種のVIb族金属とを含むバイメタル触媒微粒子上に有効量の炭素含有ガス
を通すことによって大量の単層カーボンナノチューブを生産するための触媒およ
び方法、ならびにカーボンナノチューブを含有する生成物中に存在する単層カー
ボンナノチューブ収量の信頼し得る定量的測定値を得る方法に関する。
、好ましくは約600〜約850℃、より好ましくは約650〜約750℃、最
も好ましくは約700℃、の温度に加熱した反応器中で、VIII族金属および
VIb族金属を含むバイメタル触媒微粒子と有効量の炭素含有ガスとを接触させ
るステップを含む。炭素含有ガスは、反応器に連続供給してもよいし、反応器中
で不活性雰囲気下に保持してもよい。
、上述のような昇温下に金属触媒微粒子上に炭素を堆積させるのに十分な量で存
在して、結果としてカーボンナノチューブを生成する気体炭素種を意味する。
おいて提供かつ用いられる触媒はバイメタルである。バイメタル触媒は、Feを
除く、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Ptおよびそれらの混合物を含め
た少なくとも1種のVIII族金属と、Cr、W、Moおよびそれらの混合物を
含めた少なくとも1種のVIb族金属とを含有する。本発明に用い得るバイメタ
ル触媒の特定の例としては、Co−Cr、Co−W、Co−Mo、Ni−Cr、
Ni−W、Ni−Mo、Ru−Cr、Ru−W、Ru−Mo、Rh−Cr、Rh
−W、Rh−Mo、Pd−Cr、Pd−W、Pd−Mo、Ir−Cr、Ir−W
、Ir−Mo、Pt−Cr、Pt−WおよびPt−Moが挙げられる。本発明の
特に好ましい触媒には、Co−Mo、Co−W、Ni−MoおよびNi−Wが含
まれる。
媒微粒子の方が、触媒としてVIII族金属かVIb族金属のいずれかを含有す
る金属触媒微粒子よりもはるかに有効な触媒であるという点で、バイメタル触媒
の2種の金属成分間には相乗作用が存在する。バイメタル触媒に認められるこの
相乗効果は以下により詳細に説明する。
よる単層カーボンナノチューブの選択的生成にも影響を与える。VIII族金属
とVIb族金属の比率は、好ましくは約1:10〜約15:1、より好ましくは
約1:5〜約2:1、である。一般に、単層カーボンナノチューブの選択的生成
に用いられる金属触媒微粒子中のVIb族金属(例えば、Mo)の濃度は、VI
II族金属(例えば、Co)の濃度より高いであろう。
1種の金属が存在する限り、VIII族およびVIb族それぞれに由来する1種
以上の金属を含み得る。例えば、金属触媒微粒子は、(1)1種以上のVIII
族金属と、単一種のVIb族金属、(2)単一のVIII族金属と1種以上のV
Ib族金属、または(3)1種以上のVIII族金属と1種以上のVIb族金属
を含み得る。
メタル触媒は、ビス(シクロペンタジエニル)コバルトまたはビス(シクロペン
タジエニル)モリブデンクロリドなどの前駆化合物を分解することによりin
situで生成することもできる。
ine Material−41)、アルミナ(Al2O3)、MgO、Mg(
Al)O(アルミニウム安定化酸化マグネシウム)、ZrO2、モレキュラーシ
ーブゼオライト、または当業では公知の他のオキシド担体などの担体上に堆積さ
せるのが好ましい。
で、石英、ガラス、シリコンおよび酸化シリコン表面などの平らな基板上で金属
混合物を蒸発させて生産し得る。
金属触媒微粒子の総重量の約1〜約20%、より好ましくは、金属触媒微粒子の
約3〜約10重量%の量である。
よいが、その場合、金属成分は、実質的に約100%の金属触媒微粒子を含む。
サン、エチレンおよびプロピレンなどの飽和および不飽和脂肪族炭化水素;一酸
化炭素;アセトン、アセチレンおよびメタノールなどの酸素化炭化水素;トルエ
ン、ベンゼンおよびナフタレンなどの芳香族炭化水素;ならびに上述のものの混
合物、例えば、一酸化炭素とメタンなどがある。アセチレンを用いると、多層カ
ーボンナノチューブの生成が促進されるが、単層カーボンナノチューブを生成す
るためにはCOおよびメタンが好ましい供給ガスである。場合により、炭素含有
ガスは、ヘリウム、アルゴンまたは水素などの希釈ガスと混合することがある。
配置された石英管などの反応器セル内に配置し、反応器セル中に炭素含有ガスを
通す。あるいは、試料をマイクロ波電波で加熱してもよい。このプロセスは、金
属触媒微粒子と炭素含有ガスとを反応器内に連続供給して混合する連続型であて
もよいし、炭素含有ガスと金属触媒微粒子とを反応器セル内に配置し、反応継続
中そこに保持するバッチプロセス型であってもよい。
カーボンナノチューブを生成させるためにアーク放電系で電極と混合してもよい
。あるいは、金属触媒微粒子は、マイクロ波が誘発するプラズマ放電に暴露され
る系で用いてもよい。触媒プロセスが完了した後、金属触媒微粒子とナノチュー
ブを反応器から取り出す。当業者には公知の方法を用いて、ナノチューブを金属
触媒微粒子から分離する。そのような金属触媒微粒子からカーボンナノチューブ
を分離する方法についてのさらなる説明はここでは不要と思われる。
約5nmの外径を有している。本発明によって生成された多層カーボンナノチュ
ーブは、概して、約2〜約50nmの外径を有している。
直接的でありかつ実施し易く、それゆえ、選択性または定常状態生産における変
化が容易に検出でき、再現性および品質管理が容易である。この方法は、昇温酸
化〔Temperature Programmed Oxidation(T
PO)〕技術〔Krishnankutty,N.ら,Catalysis T
oday,37,295(1997)〕に基づいている。この技術は、炭素の結
晶性の評価によく用いられており、高グラファイト材料が短距離結晶秩序を有す
るものに比べて耐酸化性が高いという概念に基づいている。本発明においては、
この技術を、多層カーボンナノチューブを上回る単層カーボンナノチューブ生成
選択性に加えて、単層および多層カーボンナノチューブだけでなくアモルファス
カーボンやグラファイトカーボン種を含めた各炭素種から構成される総固体生成
物の割合を定量する方法を提供するように適合させる。したがって、この方法を
先に詳細に説明したカーボンナノチューブ生産方法と組み合わせると、単層カー
ボンナノチューブを制御生産することができるであろう。しかし、この方法は、
カーボンナノチューブを含有する任意の試料の分析にも用い得ることが理解され
よう。
ながら、炭素堆積物を含有する触媒などのカーボンナノチューブを含有試料上に
、ヘリウム中5%酸素などのキャリヤーガス中に分散させた酸素を含有するガス
の連続流を通すステップを含む。酸素含有ガスは、試料中に存在する炭素種を酸
化させるのに有効な量で供給する。炭素種が酸化すると、二酸化炭素が発生し、
単層または多層カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、またはグラファ
イトなどの各炭素種が異なる温度で酸化する。試料中に存在する各炭素種の酸化
によって生じたCO2の発生は質量分析計によってモニターする。発生した二酸
化炭素を、既知量の純粋二酸化炭素パルスおよび既知量のグラファイトの酸化と
較正して定量し、それによって、各温度で酸化した炭素の量を直接測定すること
ができる。すなわち、質量分析計によって検出された各モルの二酸化炭素は、所
与の温度下に酸化した特定種の炭素1モルに相当する。
カーボンナノチューブの定量的キャラクタリゼーションに特に適している。とい
うのは、単層カーボンナノチューブは、アモルファスカーボンの酸化温度より高
く、多層カーボンナノチューブおよびグラファイトカーボンの酸化温度より低い
比較的狭い温度範囲で酸化するからである。例えば、単層カーボンナノチューブ
の酸化温度は、C60フラーレンの酸化温度より約100℃高く、かつこの方法
による多層カーボンナノチューブの酸化温度より約100℃低いことが示された
。熱重量分析(TGA)法〔Rinzler,A.G.ら,Appl.Phys
.A,67,29(1998)〕によって類似の結果が得られたが、これは、こ
の方法が、単層カーボンナノチューブの定量に適していることを裏付けている。
単層カーボンナノチューブの生成を最適化するためのナノチューブ生産方法の操
作条件を迅速に試験するのに用いることができる。例えば、金属触媒微粒子中に
存在する最適バイメタル触媒だけでなく2種の金属の最適モル比も昇温酸化によ
って決定し得る。昇温酸化は、温度、時間および炭素含有ガス中の炭素濃度など
の反応条件の最適化にも用い得る。例えば、種々の反応温度下の生成物ランによ
る昇温酸化の結果は、堆積する炭素の量は温度が低下するにつれ増大するが、単
層カーボンナノチューブ生成に対する選択性は低温下には低下することを示して
いる。したがって、昇温酸化は、任意の特定の触媒に関する最適反応温度の検出
に用い得る。
が、本発明の方法は、多層カーボンナノチューブ生産の最適化にも用い得ること
が理解されよう。
素残留物の量は、低い温度を用いるために最小限になる。生成したグラファイト
またはアモルファスカーボンの重量は、触媒プロセス中に生成した総固体物質の
約40重量%未満、より好ましくは約10重量%未満である。グラファイト、ア
モルファスカーボンおよび他の固体炭素残留物の量は、触媒プロセスの総固体生
成物の約5%未満を構成するのが最も好ましい。
だけでなく、試料中に存在する各炭素種の割合をも測定する能力を有する記載さ
れた最初の方法のようである。これは、種々の用途で単層カーボンナノチューブ
を使用する前に精製ステップを行う場合、どの精製ステップを実施すべきかを決
定する際に特に有用である。精製ステップは、実際のカーボンナノチューブの生
産自体より時間と経費がかかるので、昇温酸化法の価値は疑いもなく明らかであ
る。
明のナノチューブは、繊維強化複合構造またはハイブリッド複合構造(すなわち
、ナノチューブの他に連続繊維などの強化材を含む複合材料)中の強化材として
用いることができる。これらの複合材料は、カーボンブラック、シリカおよびそ
れらの混合物などの充填材をさらに含み得る。強化し得る母材の例には、無機お
よび有機ポリマー、セラミックス(例えば、ポートランドセメント)、カーボン
、および金属(例えば、鉛または銅)が含まれる。有機ポリマーの場合、母材は
、エポキシ、ビスマレイミド、ポリイミドもしくはポリエステル樹脂などの熱硬
化性樹脂;熱可塑性樹脂;または反応射出成形樹脂であり得る。ナノチューブは
、連続繊維の強化にも利用することができる。強化またはハイブリッド複合材料
に混入させ得る連続繊維の例は、アラミド、カーボン、グラスファイバー、およ
びそれらの混合物である。連続繊維は、織物状、編物状、けん縮状、または真直
ぐであってよい。
、これらの例は、本発明の望ましい態様を例示するに過ぎず、本発明の範囲を限
定するものと解釈してはならない。
水に溶かし、シリカ上に漸進的に滴下させる初期湿潤度含浸法(incipie
nt wetness impregnation method)を用いて、
シリカ支持体上に約10重量%のコバルト/モリブデン混合物(約1:1比)を
含有するバイメタル触媒微粒子を調製した。セラミック製乳鉢および乳棒を用い
てシリカ上に金属を分散させた。次いで、得られたバイメタル触媒微粒子を周囲
温度下に数時間放置して乾燥させた。次いで、半乾きのバイメタル触媒微粒子を
、加熱炉中約80℃で約12時間乾燥させた。次いで、乾燥バイメタル触媒微粒
子を約450℃の気流中で焼成した。
、約8mmのアーク内径を有する竪形石英管反応器に入れた。焼成バイメタル触
媒微粒子が入った竪形石英管反応器を、熱電対および温度制御装置を備えた炉内
に配置した。反応器の上から反応器中に水素ガス(約85cm3/分)を通した
。炉温を約20℃/分の速度で室温から約450℃まで線形上昇させた。約45
0℃に達した後、反応器中に水素流をさらに約30分間通した。次いで、反応器
温度をヘリウムガスで約600〜700℃に上昇させた。その後、反応器中に、
一酸化炭素ガス(約50%一酸化炭素/50%ヘリウム)を約100cm3/分
の流速で導入した。COと焼成バイメタル触媒微粒子との接触時間を、約15分
〜約2時間の間で変動させた。規定時間接触させた後、炉を止め、生成物をヘリ
ウム中で室温まで冷ました。
るために、生成物の一部を超音波処理により蒸留水に懸濁させた。そのような懸
濁液数滴を銅グリッド上に担持されたレース状炭素の上にたらした。次いで、そ
の生成物部分を乾燥させ、約200kVのJEOL JEM−2000FXモデ
ルの透過型電子顕微鏡で検査した。透過型電子顕微鏡画像(図1〜図4)に示さ
れているように、生成した単層カーボンナノチューブの量は大量であることが明
らかに分る。これらの単層カーボンナノチューブは、束としてほぼ整列して並ん
でいることに気づく。また、透過型電子顕微鏡画像は、他の方法における場合と
同様に、単層カーボンナノチューブの束がアモルファスカーボンで覆われている
ことを示している。ほとんどのチューブは、直径約1nmであるが、約3.2n
mまでの大きな直径を有するものもいくつかある。
微鏡を用いて生成物を走査した。図5に示されている走査型電子顕微鏡画像は、
シリカ表面上の単層カーボンナノチューブの束を示している。
oまたはMoのモノメタル触媒を含有する金属触媒微粒子を調製し、それらの触
媒特性を、バイメタル触媒を含有する金属触媒微粒子の触媒特性と比較した。例
1に記載のように約700℃下にCOで同じように処理し、同じように透過型電
子顕微鏡分析を行った後、これらの試料上に単層カーボンナノチューブはまった
く観測されなかった。この結果は、2種の金属の組合わせを構成するCoとMo
の間には相乗作用が存在するが、これらの金属が別々だと、極めて有効な配合物
である単層カーボンナノチューブをこの温度では生成し得ないことを示している
。
のCo−Moバイメタル触媒を含有する一連の金属触媒微粒子を調製し、それら
のナノチューブ生成能を比較した。表1は、これらの実験の結果をまとめたもの
である。
モル比が約1.0のCo−Wバイメタル触媒を含有する金属触媒微粒子は、Co
−Mo/SiO2金属触媒微粒子のものに近い単層カーボンナノチューブを生成
することが観測された。Co−Mo系の場合と同様に、Coを含まず、W/Si
O2のみを含有する金属触媒微粒子は単層カーボンナノチューブを生成しないこ
とが観測された。
、約6重量%のCo−Moバイメタル触媒(約1:2比)を含有する金属触媒微
粒子を用いて生成させた炭素種を、図6に示されているように、昇温酸化法によ
って分析した。
0mgを、例1で用いたものと同じような石英管反応器に入れた。反応器に約5
%酸素/95%ヘリウム連続流を通し、炉温を約11℃/分の速度で周囲温度か
ら約800℃まで上昇させ、次いで、約1時間約800℃に保持した。質量分析
計でCO2の発生を測定して、各温度で酸化した炭素種の量を定量した。
、この値をCO2の約100μlパルスおよび既知量のグラファイトの酸化と較
正した後で計算したバックグラウンドレベルを減算して規格化した。調整値は、
試料中に存在する特定の炭素種のモルに正比例する特定の温度下に酸化したモル
CO2に正比例していた。これらの値から、単層カーボンナノチューブを含む触
媒プロセスの総固体生成物の割合を計算することができる。
微粒子上に生成した炭素種の昇温酸化プロファイルは、アモルファスカーボンの
酸化に帰する約330℃を中心に置く小酸化ピークと、図中に矢印で示されてい
る、単層カーボンナノチューブの酸化に帰する約510℃を中心に置く大ピーク
とを示した。
含めた。(「グラファイト」と表示されている)第1対照試料は、Co:Mo/
SiO2金属触媒微粒子と物理的に混合したグラファイト粉末であった。この形
態の炭素の酸化は、約700℃で出発する極めて高い温度下に発生し、約30分
間約800℃に保持した後で完了した。
ス大学(Rice University,Houston,Texas)〕か
ら得た精製単層カーボンナノチューブの市販試料であった。この試料は、非イオ
ン界面活性剤Triton X−100を含有する約5.9g/Lの懸濁液とし
て提供された。昇温酸化分析用に、試料上におよそ0.6重量%の単層カーボン
ナノチューブを得るために、単層カーボンナノチューブ懸濁液にCo:Mo/S
iO2金属触媒微粒子を約1:1の液体/触媒重量比で含浸させた。(「Tub
es@Rice」と表示されている)この含浸試料の昇温酸化プロファイルは、
2つのピーク、すなわち、界面活性剤の酸化に対応する低温ピークと、単層カー
ボンナノチューブの酸化に帰する位置に正確に一致する約510℃の第2ピーク
とを示した。第1ピークが実際に界面活性剤の酸化に帰することを確認するため
に、同じ濃度の界面活性剤のみを含有するブランク溶液を有する同一試料を調製
した。(「ブランク溶液」と表示されている)昇温酸化プロファイルは、「Tu
bes@Rice」プロファイルの第1ピークとマッチしたが、これは、このピ
ークが実際に界面活性剤Tritonに対応することを証明している。
の単層カーボンナノチューブの量を定量して、試料中に充填された単層カーボン
ナノチューブの量(約0.6重量%)と十分に一致する約0.64重量%という
値を得た。この結果は、本発明の昇温酸化法が、ナノチューブ生産方法によって
得られる生成物中に存在する、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチ
ューブおよびアモルファスカーボンなどの特定の炭素種の割合を直接定量するた
めに使用し得ることを示している。現在のところ、特定炭素種を含むナノチュー
ブ生産の総固体生成物部分を直接定量する他の方法は存在しない。
メタル触媒を含有する金属触媒微粒子によって触媒されたCO不均化由来の生成
物の昇温酸化プロファイルを生成し、バイメタル触媒によって触媒されたCO不
均化由来の生成物の昇温酸化プロファイルと比較した。昇温酸化法は、Coおよ
びMoにより呈示される相乗効果を明らかに示しており、これは、例2に記載の
ような透過型電子顕微鏡検査によっても観測された。
属触媒微粒子を含有する試料の昇温酸化プロファイルは、Moだけではカーボン
ナノチューブを生成しないことを示している。「Mo」昇温酸化プロファイルは
、アモルファスカーボンに対応する小さい低温ピークを含んでいるに過ぎない。
同様に、(「Co」と表示されている)Co/SiO2金属触媒微粒子を含有す
る試料の昇温酸化プロファイルは、Co単独では、単層カーボンナノチューブの
生成に対して選択的ではなく、主として、上述のように単層カーボンナノチュー
ブより高い温度で酸化されるグラファイトカーボンや多層カーボンナノチューブ
を生成することを示している。それに対し、2種の金属を組み合わせると、単層
カーボンナノチューブに対する高い選択性が得られ、(Co:Mo比が約1:2
である「Co:Mo=1:2」と表示されている)Co:Mo/SiO2金属触
媒微粒子を含有する試料は、単層カーボンナノチューブに帰する約510℃を中
心に置く大ピークを示す。他のピークは明らかではないので、単層カーボンナノ
チューブがナノチューブ生産の総固体生成物の大部分を占めるものと推定し得る
。
、多層カーボンナノチューブおよびグラファイトの百分率を表IIにリストする
が、この表において、すべての数および測定値は近似値である。
を定量するために、約1:4、約1:2、約1:1および約2:1のCo:Mo
比のCo:Moバイメタル触媒を含有する金属触媒微粒子によって触媒されたC
O不均化由来の生成物の昇温酸化プロファイルを比較した。例5に記載のものと
同じ方法に従って、昇温酸化プロファイルを生成した。図8に示されているよう
に、約1:2および約1:4のCo:Moモル比を有するCo:Mo/SiO2 金属触媒微粒子は、単層カーボンナノチューブに対する最も高い選択性を示した
。矢印は、単層カーボンナノチューブの酸化に対応するピークの中心を示してい
る。これらの試料の昇温酸化プロファイルは、これらの触媒が主として単層カー
ボンナノチューブと、少量のアモルファスカーボンを生成することを示している
。「Co:Mo=2:1」と表示されている昇温酸化プロファイルの約600〜
約700℃領域の大ピークによって示されているように、Co:Mo比を増大さ
せても単層カーボンナノチューブの生成は強化されなかったが、多層カーボンナ
ノチューブおよびグラファイトカーボンの生成は促進された。
これを表IIIにリストするが、この表において、すべての数および測定値は近
似値である。
している。CO不均化はCo:Mo/SiO2金属触媒微粒子(約1:1モル比
)により触媒したが、用いた方法は、図9では反応温度、図10ではCO濃度、
および図11では反応時間を変えたことを除いて、例1に記載のものと同様であ
った。CO不均化生成物を例5に記載の昇温酸化法によって分析した。
成した炭素種の昇温酸化プロファイルが示されている。これらのプロファイルは
、堆積する炭素の量は温度が低い程増大するが、単層カーボンナノチューブに対
する選択性は温度が低くなると低下することを示している。昇温酸化技術は、任
意の特定の触媒に関する最適反応温度の確認に用いることができ、この場合、最
適温度は約700℃である。単層カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン
、多層カーボンナノチューブおよびグラファイトを含む触媒生成物の百分率を表
IVにリストするが、この表において、すべての数および測定値は近似値である
。
び約50%のときに生成した炭素種の昇温酸化プロファイルが示されている。こ
れらのプロファイルは、生成した単層カーボンナノチューブの量が炭素含有ガス
中のCO濃度の強力な関数であることを示している。
炭素種の昇温酸化プロファイルが示されている。反応時間とは、反応器が約70
0℃の温度下に保持され、かつCOが金属触媒微粒子と接触している時間を表す
。これらの昇温酸化プロファイルは、単層カーボンナノチューブの収量が最初の
約10分間には経時的に著しく増大するが、収量の伸びはその時間を超えると、
それほど顕著ではなくなることを示している。
ロセスであることが理解されよう。したがって、触媒の性質が著しく変化すると
、たとえピークによって表される炭素構造が同じであっても、酸化ピークの位置
は先行例に記載されたピークから変位した状態で出現し得る。例えば、触媒担体
を変えてもそのような変位が生じ得ることが観測された。したがって、本発明の
方法に用いられる各触媒に関して、ピーク変位だけでなく最適な操作条件を確認
するのに適切な対照を用いて、触媒に加えて操作条件の完全な昇温酸化分析を実
施しなければならない。
配合物は、Co:Moモル比が約1:2のCo−Mo/シリカ触媒である。モノ
メタルCo触媒またはCo:Mo比がもっと高い触媒は、欠陥性多層ナノチュー
ブおよびグラファイトの有意な生成を伴う低選択性をもたらす傾向がある。調べ
た温度範囲では、Coを含まない限り、Moはナノチューブ生成に関して実質的
に不活性である。Coではなく、Moを部分還元するためには、触媒を水素中、
例えば約500℃で前処理する。この予備還元ステップを実施しないかまたはも
っと高い温度で予備還元(すなわち、不十分な還元または過還元)すると、触媒
は無効になり、SWNTの生成が減少する。アルミナなどの他の担体では、Co
−Moの相互作用が弱まり、選択性および収量が減少する。
には、(約30,000h−1を超える)高空間速度が好ましい。低CO濃度で
生じるアモルファスカーボン堆積物の生成を最小限にするためには、高CO濃度
が好ましい。好ましい温度範囲は、約650℃未満ではSWNTに対する選択性
が低くなり、約850℃を超えると反応の可逆性(発熱)と触媒の不活化のため
に転化率が低くなることを特徴とする。したがって、最適温度は、約700〜約
800℃の範囲、より好ましくは約725〜約775℃、最も好ましくは約75
0℃あたりである。
急接触させるように設計した。さもなければ、収量と選択性に大きな影響が及ぶ
。この方法で生成されたSWNTの品質は、ラマン分光学、昇温酸化(TPO)
および電子顕微鏡検査(TEM)を含めたキャラクタリゼーション技術を組み合
わせて決定し得る。
750℃下に、約1時間、(約30,000/時を超える)高空間速度で、{約
4826322.99Paを超える〔すなわち、約4826322.99N・m −2 (70psi)を超える〕}高圧下に接触させるステップを含む。 上記条件に従えば、高収量のSWNT(反応器に充填された初期触媒約100
g当たり約20〜25gのSWNT)および(約90%を超える)高選択性が得
られる。
に操作または本明細書に記載されているステップもしくはステップの順序は、上
記請求項に記載されている本発明の精神および範囲を逸脱しなければ変更可能で
ある。
開示されていない任意要素の不在下にも実施し得る。
求項は、必ずしも好ましい実施態様または例に示されている実施態様には限定さ
れない。
由来の単層カーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡画像(約100,000倍
率)。
解像度(約400,000倍率)透過型電子顕微鏡画像。
の透過型電子顕微鏡画像。
顕微鏡画像。
の走査型電子顕微鏡画像。
の生成物の昇温酸化プロファイル。
O2上のCo:Mo触媒によって触媒されたCO不均化由来の生成物の昇温酸化
プロファイル。
触媒によって触媒されたCO不均化由来の生成物の昇温酸化プロファイル。
不均化由来の生成物の昇温酸化プロファイル。
0℃下にCo:Mo/SiO2触媒によって触媒されたCO不均化由来の生成物
の昇温酸化プロファイル。
Claims (52)
- 【請求項1】 カーボンナノチューブの生産方法であって、反応器セル中で、鉄を除く少なく
とも1種のVIII族金属および少なくとも1種VIb族金属を含んでなる金属
触媒微粒子と、有効量の炭素含有ガスとを、カーボンナノチューブをその実質的
な部分が単層ナノチューブになるように触媒的に生成するのに十分な温度下に接
触させることを含んでなる方法。 - 【請求項2】 VIII族金属が、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Ptおよびそれら
の混合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 VIb族金属が、Cr、Mo、Wおよびそれらの混合物からなる群から選択さ
れる、請求項1または2に記載の方法。 - 【請求項4】 VIII族金属が、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Ptおよびそれら
の混合物からなる群から選択され、かつVIb族金属が、Cr、Mo、Wおよび
それらの混合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】 前記金属触媒微粒子がさらに金属を堆積させる担体を含んでなる、請求項1か
ら4のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項6】 担体が、シリカ、MCM−41、アルミナ、MgO、Mg(Al)O、ZrO 2 およびモレキュラーシーブゼオライトからなる群から選択される、請求項5に
記載の方法。 - 【請求項7】 VIII族金属とVIb族金属の比率が、約1:10〜約15:1である、請
求項1から6のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項8】 VIII族金属とVIb族金属の比率が、約1:5〜約2:1である、請求項
1から7のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項9】 触媒微粒子が、約1〜約20重量%の金属を含んでなる、請求項5または6の
いずれか1項に記載の方法。 - 【請求項10】 炭素含有ガスが、飽和炭化水素、脂肪族炭化水素、酸素化炭化水素、芳香族炭
化水素、一酸化炭素およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項1
から9のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項11】 炭素含有ガスがさらに希釈ガスを含んでなる、請求項1から9のいずれか1項
に記載の方法。 - 【請求項12】 温度が、熱分解炭素の実質的生成を回避するのに十分な程度に前記炭素含有ガ
スの熱分解温度より低い、請求項1から11のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項13】 温度が、約500〜約1,200℃の範囲である、請求項1から12のいずれ
か1項に記載の方法。 - 【請求項14】 温度が、約600〜約850℃の範囲である、請求項1から13のいずれか1
項に記載の方法。 - 【請求項15】 温度が、約650〜約750℃の範囲である、請求項1から14のいずれか1
項に記載の方法。 - 【請求項16】 触媒的に生成されたカーボンナノチューブがさらに多層ナノチューブを含んで
なる、請求項1から15のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項17】 単層ナノチューブが、少なくとも約60%〜少なくとも約95%の触媒的に生
成されたナノチューブを含んでなる、請求項1から16のいずれか1項に記載の
方法。 - 【請求項18】 VIII族金属がCoである、請求項1から17のいずれか1項に記載の方法
。 - 【請求項19】 VIII族金属がNiである、請求項1から17のいずれか1項に記載の方法
。 - 【請求項20】 VIII族金属がRuである、請求項1から17のいずれか1項に記載の方法
。 - 【請求項21】 VIII族金属がRhである、請求項1から17のいずれか1項に記載の方法
。 - 【請求項22】 VIII族金属がPdである、請求項1から17のいずれか1項に記載の方法
。 - 【請求項23】 VIII族金属がIrである、請求項1から17のいずれか1項に記載の方法
。 - 【請求項24】 VIII族金属がPtである、請求項1から17のいずれか1項に記載の方法
。 - 【請求項25】 VIb族金属がCrである、請求項1から24のいずれか1項に記載の方法。
- 【請求項26】 VIb族金属がMoである、請求項1から24のいずれか1項に記載の方法。
- 【請求項27】 VIb族金属がWである、請求項1から24のいずれか1項に記載の方法。
- 【請求項28】 金属触媒微粒子が、少なくとも1種の追加のVIII族金属を含んでなる、請
求項1から27のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項29】 金属触媒微粒子が、少なくとも1種の追加のVIb族金属を含んでなる、請求
項1から28のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項30】 金属触媒微粒子が、少なくとも1種の追加のVIII族金属と、少なくとも1
種の追加のVIb族金属とを含んでなる、請求項1から29のいずれか1項に記
載の方法。 - 【請求項31】 金属触媒微粒子が、実質的に連続的に炭素含有ガス流に供給される、請求項1
から30のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項32】 炭素含有ガスが、堆積した触媒微粒子を有する反応器セル中に供給される、請
求項1から31のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項33】 単層カーボンナノチューブの生成を最適化するための触媒組成を決定する方法
であって、 鉄を除くVIII族金属とVIb族金属とを含んでなると共にVIII族金属
とVIb族金属とが所与の比率を有する組成物を有する金属触媒微粒子を利用し
た単層カーボンナノチューブ生産の生成物を得るステップと、 単層カーボンナノチューブを含有する生成物の試料を取り出すステップと、 試料中に存在する炭素種を酸化させるために、反応器セル中で、単層カーボン
ナノチューブを含有する生成物の試料と有効量の酸素含有ガスとを接触させるス
テップと、 反応器セル内の温度をほぼ周囲温度から約800℃まで上昇させるステップと
、 ほぼ周囲温度〜約800℃の範囲の所与の温度下に試料から放出された二酸化
炭素の量を測定するステップと、 測定実施温度下に試料から放出された二酸化炭素の量によって試料中に存在す
る特定の炭素種を定量するステップと、 カーボンナノチューブを含有する生成物の試料中に単層カーボンナノチューブ
が他のすべての炭素種より実質的に多い量で存在するように、VIII族金属の
変更、VIb族金属の変更、および2種の金属の予決定比率の変更のうちの少な
くとも1つにより、金属触媒微粒子の組成を変更するステップと を含んでなる方法。 - 【請求項34】 存在する炭素種の少なくとも約60%〜少なくとも約95%が単層ナノチュー
ブである生成物を生成する、請求項33に記載の方法によって決定された組成を
有する金属触媒微粒子。 - 【請求項35】 触媒組成物がCoおよびMoを含んでなり、CoとMoの予決定比率が約1:
10〜約15:1である、請求項34に記載の金属触媒微粒子。 - 【請求項36】 金属触媒微粒子を利用する単層カーボンナノチューブ生産の生成物を得るステ
ップにおいて、単層カーボンナノチューブの生産方法が、反応器セル中で、金属
触媒微粒子と、有効量の炭素含有ガスとを、単層カーボンナノチューブを含有す
る生成物を触媒的に生成するのに十分な温度下に接触させるステップを含んでな
る、請求項33に記載の単層カーボンナノチューブの生成を最適化するための触
媒組成を決定する方法。 - 【請求項37】 単層カーボンナノチューブの生産方法における反応条件を最適化する方法であ
って、 温度、時間および炭素含有ガス中の炭素濃度のうちの少なくとも1つを含めた
反応条件セットを利用した単層カーボンナノチューブ生産の生成物を得るステッ
プと、 単層カーボンナノチューブを含有する生成物の試料を取り出すステップと、 試料中に存在する炭素種を酸化させるために、反応器セル中で、単層カーボン
ナノチューブを含有する生成物の試料と有効量の酸素含有ガスとを接触させるス
テップと、 反応器セル内の温度をほぼ周囲温度から約800℃まで上昇させるステップと
、 ほぼ周囲温度〜約800℃の範囲の所与の温度下に試料から放出された二酸化
炭素の量を測定するステップと、 測定実施温度下に試料から放出された二酸化炭素の量によって試料中に存在す
る特定の炭素種を定量するステップと、 カーボンナノチューブを含有する生成物の試料中に単層カーボンナノチューブ
が他のすべての炭素種より実質的に多い量で存在するように、温度、時間および
炭素含有ガス中の炭素濃度のうちの少なくとも1つを変えることにより、反応条
件を変更するステップと を含んでなる方法。 - 【請求項38】 単層カーボンナノチューブ生産の生成物を得るステップにおいて、単層カーボ
ンナノチューブの生産方法が、反応器セル中で、金属触媒微粒子と有効量の炭素
含有ガスとを、単層カーボンナノチューブを含有する生成物を触媒的に生成させ
るのに十分な温度下に接触させるステップを含んでなり、金属触媒微粒子が、鉄
を除くVIII族金属とVIb族金属とを含んでなる、請求項37に記載の単層
カーボンナノチューブの生産方法における反応条件を最適化する方法。 - 【請求項39】 鉄を除く少なくとも1種のVIII族金属と少なくとも1種のVIb族金属と
を含んでなる、カーボンナノチューブを生産するための触媒微粒子。 - 【請求項40】 VIII族金属が、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Ptおよびそれら
の混合物からなる群から選択される、請求項39に記載の触媒微粒子。 - 【請求項41】 請求項39または40に記載の触媒微粒子。
- 【請求項42】 前記微粒子がさらに金属を堆積させる担体を含んでなる、請求項39から41
のいずれか1項に記載の触媒微粒子。 - 【請求項43】 担体が、シリカ、MCM−41、アルミナ、MgO、Mg(Al)O、ZrO 2 およびモレキュラーシーブゼオライトからなる群から選択される、請求項42
に記載の触媒微粒子。 - 【請求項44】 VIII族金属とVIb族金属の比率が約1:10〜約15:1である、請求
項39から43のいずれか1項に記載の触媒微粒子。 - 【請求項45】 VIII族金属とVIb族金属の比率が約1:5〜約2:1である、請求項3
9から44のいずれか1項に記載の触媒微粒子。 - 【請求項46】 約1〜約20重量%の金属を含んでなる、請求項42または43に記載の触媒
微粒子。 - 【請求項47】 少なくとも1種の追加のVIII族金属を含んでなる、請求項39から46の
いずれか1項に記載の触媒微粒子。 - 【請求項48】 少なくとも1種の追加のVIb族金属を含んでなる、請求項39から47のい
ずれか1項に記載の触媒微粒子。 - 【請求項49】 カーボンナノチューブの生産方法であって、 反応器セル中で、少なくとも1種の金属と有効量のガスとを、触媒的にカーボ
ンナノチューブを生成させるのに十分な温度下に接触させるステップ を含んでなる方法。 - 【請求項50】 触媒組成を決定する方法であって、 金属触媒微粒子を利用したナノチューブ生産の生成物を得るステップと、 生成物の試料を取り出すステップと、 試料中に存在する炭素種を酸化させるために、反応器セル中で、生成物試料と
有効量のガスとを接触させるステップと、 反応器セル内の温度をほぼ周囲温度より高く上昇させるステップと、 試料中に存在する特定の炭素種を定量するステップと、 金属触媒微粒子の組成を変更するステップと を含んでなる方法。 - 【請求項51】 ナノチューブ生産方法における反応条件を最適化する方法であって、 温度、時間および炭素含有ガス中の炭素濃度のうちの少なくとも1つを含めた
反応条件セットを利用した単層カーボンナノチューブ生産の生成物を得るステッ
プと、 生成物の試料を取り出すステップと、 試料中に存在する炭素種を酸化させるために、反応器セル中で、生成物の試料
と有効量の酸素含有ガスとを接触させるステップと、 反応器セル内の温度をほぼ周囲温度より高く上昇させるステップと、 試料中に存在する特定の炭素種を定量するステップと、 温度、時間および炭素含有ガス中の炭素濃度のうちの少なくとも1つを変える
ことにより反応条件を変更するステップと を含んでなる方法。 - 【請求項52】 少なくとも1種の金属を含んでなる、カーボンナノチューブを生産するための
触媒微粒子。
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