JP2007268319A - Catalyst for synthesizing carbon nano-tube and its manufacturing method, catalyst dispersion and manufacturing method for carbon nanotube - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブ合成用触媒及びその製造方法、触媒分散液、並びに、カーボンナノチューブの製造方法に関し、さらに詳しくは、カーボンナノチューブの合成に用いられるカーボンナノチューブ合成用触媒及びその製造方法、カーボンナノチューブ合成用触媒を分散させた触媒分散液、並びに、この触媒分散液を用いて基板表面に直径及びその標準偏差が制御された高密度のカーボンナノチューブを生成させるカーボンナノチューブの製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst for carbon nanotube synthesis, a method for producing the same, a catalyst dispersion, and a method for producing carbon nanotubes, and more particularly, a catalyst for synthesizing carbon nanotubes used for synthesis of carbon nanotubes, a method for producing the same, and carbon nanotubes The present invention relates to a catalyst dispersion in which a synthesis catalyst is dispersed, and a method for producing carbon nanotubes that uses the catalyst dispersion to generate high-density carbon nanotubes having a controlled diameter and standard deviation on a substrate surface.
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、黒鉛の一層に相当するグラフェンシート（炭素原子が六角網目状に配列したシート）を筒状に丸めた立体構造を持つ。ＣＮＴは、１枚の円筒状グラフェンシートからなる単層ＣＮＴと、複数枚の円筒状グラフェンシートが同心円状に重なった多層ＣＮＴとがある。また、合成された未処理のＣＮＴの先端は、通常、「キャップ」と呼ばれる半球状のグラファイト層で閉じられた構造になっている。 Carbon nanotubes (CNT) have a three-dimensional structure in which graphene sheets corresponding to one layer of graphite (sheets in which carbon atoms are arranged in a hexagonal network) are rolled into a cylindrical shape. The CNT includes a single-walled CNT made of one cylindrical graphene sheet and a multi-walled CNT in which a plurality of cylindrical graphene sheets are concentrically overlapped. In addition, the tip of the synthesized unprocessed CNT usually has a structure closed with a hemispherical graphite layer called “cap”.
ＣＮＴは、ｎｍオーダーの直径と、μｍ〜ｃｍオーダーの長さを有しており、アスペクト比が極めて大きく、先端の曲率半径が数ｎｍ〜数十ｎｍと極めて小さいという特徴がある。ＣＮＴは、機械的にも強靱で、化学的・熱的安定性に優れ、円筒部のらせん構造に応じて金属にも半導体にもなるという特徴がある。そのため、ＣＮＴは、発光デバイス用の電子配線材料、放熱材料、繊維材料、電子放出源（面光源）、トランジスタ材料、電子顕微鏡用の電子放出源（点光源）、あるいは、ＳＰＭ用の探針等への応用が期待されている。 CNTs have a diameter on the order of nm and a length on the order of μm to cm, have an extremely large aspect ratio, and have a feature that the radius of curvature of the tip is as small as several nm to several tens of nm. CNT is mechanically tough, has excellent chemical and thermal stability, and is characterized by being both a metal and a semiconductor depending on the helical structure of the cylindrical portion. Therefore, CNTs are electronic wiring materials for light emitting devices, heat dissipation materials, fiber materials, electron emission sources (surface light sources), transistor materials, electron emission sources for electron microscopes (point light sources), probes for SPM, etc. Application to is expected.
ＣＮＴを合成する方法には、
（１）Ａｒや水素等の気体雰囲気中において炭素棒間でアーク放電を行わせ、陰極上にＣＮＴを堆積させるアーク法、
（２）触媒を混ぜたグラファイトの表面にＹＡＧレーザー等の強いパルス光を当て、これにより発生した炭素の煙を電気炉で加熱し、反応管の側壁にＣＮＴを付着させるレーザー蒸発法、
（３）触媒金属微粒子上で炭素化合物（例えば、メタン、アセチレン、ベンゼンなど）を熱分解させる化学気相成長法、
などが知られている。
To synthesize CNT,
(1) An arc method in which arc discharge is performed between carbon rods in a gas atmosphere such as Ar or hydrogen, and CNTs are deposited on the cathode;
(2) A laser evaporation method in which a strong pulsed light such as a YAG laser is applied to the surface of the graphite mixed with the catalyst, the generated carbon smoke is heated in an electric furnace, and CNTs adhere to the side walls of the reaction tube.
(3) a chemical vapor deposition method in which a carbon compound (for example, methane, acetylene, benzene, etc.) is thermally decomposed on catalytic metal fine particles,
Etc. are known.
（１）及び（２）の合成法により得られるＣＮＴは、いずれも完全にランダムな方向を向いて絡み合った状態になっている。また、多量のカーボンナノカプセルやアモルファス粒子等を含んでいる場合もある。一方、ＣＮＴの持つ究極の異方性を最大限に引き出すためには、多数本のＣＮＴを基材表面に配向させることが望ましい。また、ＣＮＴを電子配線材料、放熱材料、繊維材料等に応用する場合において、高電流密度、高熱伝導性、高強度等を得るためには、ＣＮＴを基板表面に高密度に生成させることが望ましく、（３）の化学気相成長法がこの目的に適する。さらに、ＣＮＴの特性は直径に依存するので、ＣＮＴ合成時にＣＮＴの直径を任意に制御できることが望ましい。そのため、ＣＮＴを基材表面上に高密度に配向成長させる方法、ＣＮＴの合成に用いられる触媒粒子やＣＮＴの直径制御等に関し、従来から種々の提案がなされている。 The CNTs obtained by the synthesis methods (1) and (2) are both in a state of being intertwined in a completely random direction. Moreover, it may contain a large amount of carbon nanocapsules, amorphous particles, and the like. On the other hand, in order to maximize the ultimate anisotropy of CNTs, it is desirable to orient a large number of CNTs on the substrate surface. In addition, when applying CNTs to electronic wiring materials, heat dissipation materials, fiber materials, etc., in order to obtain high current density, high thermal conductivity, high strength, etc., it is desirable to generate CNTs at a high density on the substrate surface. The chemical vapor deposition method (3) is suitable for this purpose. Furthermore, since the characteristics of CNT depend on the diameter, it is desirable that the CNT diameter can be arbitrarily controlled during CNT synthesis. For this reason, various proposals have conventionally been made regarding a method for aligning and growing CNTs on the surface of a substrate at a high density, catalyst particles used for the synthesis of CNTs, control of the diameter of CNTs, and the like.
例えば、特許文献１には、トルエンにカチオン性界面活性剤（ジデシルジメチルアンモニウムブロマイド）を溶解させ、これに塩化コバルト六水和物を溶解させ、これに水素化ホウ素ナトリウムを加えて塩化コバルトを還元し、コバルト微粒子を得るカーボンナノチューブ合成用触媒の製造方法が開示されている。同文献には、
（１）このような方法により平均粒径約４ｎｍのコバルト粒子が得られる点、
（２）このコバルト粒子をトルエンに分散させた触媒液をシリコン基材上に滴下し、硫化水素／水素混合ガスと接触させることによって基材表面に硫化コバルト粒子を生成させ、この触媒基材を反応管に入れてアセチレン／Ｎ2混合ガスを９００℃で１時間流通させることによって、直径２０〜５０ｎｍ、長さ０．５〜５μｍのＣＮＴが得られる点、及び、
（３）ＣＮＴ合成用触媒として、V〜VIII族の金属、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｖ、Ｐｄ等を用いることができる点、
が記載されている。
For example,
(1) Cobalt particles having an average particle size of about 4 nm can be obtained by such a method,
(2) A catalyst solution in which the cobalt particles are dispersed in toluene is dropped on a silicon substrate and brought into contact with a hydrogen sulfide / hydrogen mixed gas to generate cobalt sulfide particles on the surface of the substrate. By placing the acetylene / N 2 mixed gas in a reaction tube at 900 ° C. for 1 hour, CNTs having a diameter of 20 to 50 nm and a length of 0.5 to 5 μm can be obtained, and
(3) As a catalyst for CNT synthesis, metals of group V to VIII, such as Ni, Co, Mo, Fe, Cu, V, Pd, etc. can be used,
Is described.
また、特許文献２には、ガラス基板表面に膜厚１〜１００ｎｍの鉄ジルコニウム合金薄膜又は膜厚２．５ｎｍのコバルトバナジウム合金薄膜を形成し、これを加熱する触媒の製造方法が開示されている。同文献には、
（１）薄膜を形成した基板を加熱すると、薄膜内部に触媒として機能する結晶性の金属微粒子が生成する点、
（２）薄膜を形成した基板を加熱し、これと反応性の炭素ガスとを接触させると、基板表面にＣＮＴを成長させることができる点、及び、
（３）鉄又はコバルトに４Ａ族元素又は５Ａ族元素を添加すると、基板の加熱温度（成長炉温度）を低温化することができる点、
が記載されている。
(1) When the substrate on which the thin film is formed is heated, crystalline metal fine particles functioning as a catalyst are generated inside the thin film,
(2) When the substrate on which the thin film is formed is heated and brought into contact with a reactive carbon gas, CNT can be grown on the surface of the substrate, and
(3) When a 4A group element or a 5A group element is added to iron or cobalt, the heating temperature (growth furnace temperature) of the substrate can be lowered,
Is described.
また、非特許文献１には、Ｔｉ−Ｃｏ合金ターゲットをレーザーアブレーションすることによって微粒子を生成させ、これを微分型静電分級器（Differential Mobility Analyzer, DMA）を用いて分級するＴｉ−Ｃｏ粒子の製造方法が開示されている。同文献には、
（１）このような方法によって、平均粒径５．８ｎｍ、標準偏差１．０９ｎｍであるＴｉ−Ｃｏ微粒子が得られる点、及び、
（２）この微粒子をＳｉ基板表面に担持し、熱ＣＶＤ法を用いてＣＮＴを成長させると、平均径５．７ｎｍ、標準偏差１．１３ｎｍであるＣＮＴが得られる点、
が記載されている。
Further, Non-Patent
(1) By such a method, Ti—Co fine particles having an average particle diameter of 5.8 nm and a standard deviation of 1.09 nm can be obtained, and
(2) The fine particles are supported on the surface of the Si substrate, and when CNTs are grown using a thermal CVD method, CNTs having an average diameter of 5.7 nm and a standard deviation of 1.13 nm can be obtained.
Is described.
また、非特許文献２には、Ｓｉ基板表面に厚さ２０ｎｍのＴｉＮ薄膜（Ｃｏケイ化物の生成を抑制するためのバッファー層）を形成し、その表面にパルスアークプラズマにより生成したＣｏ粒子を担持する触媒の製造方法が開示されている。同文献には、
（１）このような方法により、直径２〜３ｎｍのＣｏナノ粒子が得られる点、及び、
（２）Ｃｏナノ粒子を担持したＴｉＮ／Ｓｉ基板を用いると、外径３〜６．６ｎｍのＣＮＴを成長させることができる点、
が記載されている。
さらに、非特許文献３には、あらかじめ液相中で合成した粒径の均一なナノ粒子を触媒として、ナノ粒子の径に対応する直径を有するＣＮＴを合成する点が記載されている。
In
(1) By such a method, Co nanoparticles having a diameter of 2 to 3 nm can be obtained, and
(2) When a TiN / Si substrate supporting Co nanoparticles is used, CNTs having an outer diameter of 3 to 6.6 nm can be grown.
Is described.
Furthermore, Non-Patent
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びこれらの合金は、いずれもＣＮＴを成長させるための触媒能が高いことが知られている。そのため、これらの金属又は合金からなる微粒子を基板表面に密に配置し、かつＣＮＴ合成条件を最適化すると、高密度のＣＮＴを基板表面に成長させることができる。
通常の化学気相成長法によるＣＮＴ成長法では、触媒金属の薄膜や触媒金属の前駆体を基板表面に形成し、次いでこれに熱処理やプラズマ処理を施し、微粒子を生成し、これを触媒としてＣＮＴを成長させる。しかしながら、これらの微粒子の粒径、数密度等を制御することは、極めて困難であり、それに伴いＣＮＴの直径を制御することも難しい。
非特許文献３などでは、あらかじめ液相中で合成した粒径の均一なナノ粒子を触媒として、ナノ粒子の径に対応する直径を有するＣＮＴを合成している。しかしながら、これまで報告されている液相合成ナノ粒子の触媒活性は極めて低く、基板上にランダムに成長した低密度のＣＮＴしか得られていない。
一方、非特許文献１に開示されている気相法で生成したＴｉ−Ｃｏ二元合金微粒子は、微粒子の触媒活性が高いとともに微粒子の直径とＣＮＴの直径がほぼ対応しており、ＣＮＴの配向成長と直径制御性に優れている。しかしながら、レーザーアブレーションによって微粒子を生成させ、これを静電的に分級する方法は、均一な粒径の粒子を得る方法としては効率が悪く、小さな粒径において均一なものを得るのが難しい。
Fe, Co, Ni, and alloys thereof are all known to have high catalytic ability for growing CNTs. Therefore, if fine particles made of these metals or alloys are densely arranged on the substrate surface and the CNT synthesis conditions are optimized, high-density CNTs can be grown on the substrate surface.
In the usual CNT growth method by chemical vapor deposition, a catalyst metal thin film or a catalyst metal precursor is formed on the substrate surface, and then subjected to heat treatment or plasma treatment to produce fine particles, which are used as a catalyst to produce CNTs. Grow. However, it is extremely difficult to control the particle diameter, number density, and the like of these fine particles, and accordingly, it is difficult to control the diameter of the CNT.
In
On the other hand, the Ti—Co binary alloy fine particles produced by the gas phase method disclosed in
本発明が解決しようとする課題は、ＣＮＴの成長活性が高く、かつ、５ｎｍ以下の小さな直径領域において直径の制御性に優れたカーボンナノチューブ合成用触媒及びその製造方法、触媒分散液、並びに、これを用いたカーボンナノチューブの製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、直径の制御性に優れ、かつ、分級することなく使用することが可能なカーボンナノチューブ合成用触媒及びその製造方法、触媒分散液、並びに、これを用いたカーボンナノチューブの製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is a carbon nanotube synthesis catalyst having high CNT growth activity and excellent diameter controllability in a small diameter region of 5 nm or less, a method for producing the same, a catalyst dispersion, and Another object of the present invention is to provide a method for producing a carbon nanotube using
Another problem to be solved by the present invention is a carbon nanotube synthesis catalyst excellent in diameter controllability and usable without classification, a method for producing the same, a catalyst dispersion, and Another object of the present invention is to provide a method for producing a carbon nanotube using
上記課題を解決するために本発明に係るカーボンナノチューブ合成用触媒は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれる１以上の第１元素と、４Ａ族元素及び５Ａ族元素から選ばれる１以上の第２元素とを含む微粒子からなり、前記微粒子の周囲が有機酸及び有機アミンから選ばれる１以上の有機物からなる保護層で被覆されていることを要旨とする。
また、本発明に係る触媒分散液は、本発明に係るカーボンナノチューブ合成用触媒を分散媒中に分散させたものからなる。
また、本発明に係るカーボンナノチューブ合成用触媒の製造方法は、以下の工程を備えていることを要旨とする。
（イ） Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのいずれか１以上の第１元素を含む１種又は２種以上の第１原料と、４Ａ族元素及び５Ａ族元素のいずれか１以上の第２元素を含む１種又は２種以上の第２原料と、１種又は２種以上のアルコールと、有機酸及び有機アミンから得らればれる１以上の有機物とを有機溶媒中で溶解・混合する溶解・混合工程。
（ロ） 前記溶解・混合工程で得られた溶液を、不活性雰囲気下において１８０〜３００℃で加熱する加熱工程。
さらに、本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、本発明に係る触媒分散液を基板表面に塗布し、前記基板表面にカーボンナノチューブ合成用触媒を担持させる触媒担持工程と、前記カーボンナノチューブ合成用触媒を担持させた前記基板表面にカーボンナノチューブを成長させる成長工程とを備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, a catalyst for carbon nanotube synthesis according to the present invention includes one or more first elements selected from Fe, Co and Ni, and one or more second elements selected from Group 4A elements and Group 5A elements. And the periphery of the fine particles is covered with a protective layer made of one or more organic substances selected from organic acids and organic amines.
The catalyst dispersion according to the present invention comprises a dispersion of the carbon nanotube synthesis catalyst according to the present invention in a dispersion medium.
Moreover, the manufacturing method of the catalyst for carbon nanotube synthesis which concerns on this invention makes it a summary to provide the following processes.
(A) 1 containing one or more first raw materials containing at least one first element of Fe, Co and Ni, and 1 containing at least one second element selected from group 4A elements and group 5A elements A dissolving / mixing step of dissolving / mixing seeds or two or more second raw materials, one or more alcohols, and one or more organic substances obtained from an organic acid and an organic amine in an organic solvent.
(B) A heating step of heating the solution obtained in the dissolution / mixing step at 180 to 300 ° C. in an inert atmosphere.
Furthermore, the carbon nanotube production method according to the present invention comprises a catalyst supporting step of applying the catalyst dispersion according to the present invention to a substrate surface, and supporting the carbon nanotube synthesis catalyst on the substrate surface, and the carbon nanotube synthesis catalyst. And a growth step of growing carbon nanotubes on the surface of the substrate on which is supported.
第１原料、第２原料、アルコール、並びに、有機酸及び／又は有機アミンを所定の比率で混合し、所定の温度で加熱すると、第１元素及び第２元素を含み、その周囲が保護層で被覆された触媒微粒子が得られる。保護層は、触媒微粒子の合成中における微粒子間の凝集を防ぐ作用がある。そのため、このような方法により、平均粒径が相対的に小さく、かつ、標準偏差の小さい微粒子が得られる。このようにして得られた微粒子を適当な分散媒に分散させ、この分散液を適当な基材表面に塗布・乾燥させると、触媒微粒子を基材表面に密に担持させることができる。さらに、これを用いてＣＮＴを合成すると、触媒微粒子とほぼ同等の直径及び標準偏差を有する高密度、かつ垂直配向したＣＮＴが得られる。 When the first raw material, the second raw material, the alcohol, and the organic acid and / or organic amine are mixed at a predetermined ratio and heated at a predetermined temperature, the first element and the second element are included, and the periphery thereof is a protective layer. Coated fine catalyst particles are obtained. The protective layer has an action of preventing aggregation between fine particles during synthesis of the catalyst fine particles. Therefore, fine particles having a relatively small average particle diameter and a small standard deviation can be obtained by such a method. The fine particles thus obtained are dispersed in a suitable dispersion medium, and the dispersion is applied to a suitable substrate surface and dried, whereby the catalyst fine particles can be densely supported on the substrate surface. Furthermore, when CNTs are synthesized using this, high-density, vertically-aligned CNTs having a diameter and standard deviation substantially equal to the catalyst fine particles are obtained.
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係るＣＮＴ合成用触媒は、第１元素と第２元素とを含む微粒子からなり、微粒子の周囲が保護層で被覆されていることを特徴とする。
「第１元素」とは、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれる１以上の元素（主触媒元素）をいう。「第２元素」とは、４Ａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）及び５Ａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１以上の元素（助触媒元素）をいう。微粒子は、第１元素及び第２元素のみからなるものでも良く、あるいは、第１元素及び第２元素に加えて、他の元素が含まれていても良い。他の元素としては、その他の金属・非金属元素や、出発原料に由来する元素（例えば、酸素）などがある。
触媒中に複数の第１元素が含まれる場合、それらの比率は、任意に選択することができる。同様に、触媒中に複数の第２元素が含まれる場合、そられらの比率は、任意に選択することができる。微粒子に第１元素及び第２元素以外の元素が含まれる場合、微粒子の触媒活性に悪影響を及ぼす元素は、少ない方が好ましい。なお、酸素は、ＣＮＴを合成する際に還元雰囲気にさらされることによってある程度除去されるので、触媒中に含まれていても良い。
これらの中でも、４Ａ族元素（特に、Ｔｉ）は、他の元素に比べて、ＣＮＴの成長速度を増大させる効果が大きいので、第２元素として特に好適である。また、５Ａ族元素（特に、Ｖ）は、他の元素に比べて、合成されたＣＮＴの直径制御性に優れているので、第２元素として特に好適である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The catalyst for synthesizing CNT according to the present invention is characterized by comprising fine particles containing a first element and a second element, and the periphery of the fine particles is covered with a protective layer.
The “first element” refers to one or more elements (main catalyst elements) selected from Fe, Co, and Ni. The “second element” refers to one or more elements (promoter elements) selected from the group 4A elements (Ti, Zr, Hf) and the group 5A elements (V, Nb, Ta). The fine particles may be composed only of the first element and the second element, or may contain other elements in addition to the first element and the second element. Examples of other elements include other metal / nonmetal elements and elements derived from starting materials (for example, oxygen).
When a plurality of first elements are included in the catalyst, the ratio thereof can be arbitrarily selected. Similarly, when a plurality of second elements are contained in the catalyst, their ratio can be arbitrarily selected. When the fine particles contain an element other than the first element and the second element, the number of elements that adversely affect the catalytic activity of the fine particles is preferably small. Since oxygen is removed to some extent by exposure to a reducing atmosphere when synthesizing CNTs, it may be contained in the catalyst.
Among these, Group 4A elements (particularly Ti) are particularly suitable as the second element because they have a greater effect of increasing the growth rate of CNTs than other elements. In addition, Group 5A elements (particularly V) are particularly suitable as the second element because they are superior in diameter controllability of the synthesized CNTs compared to other elements.
触媒中に含まれる第１元素と第２元素の比率は、触媒活性度に影響を与える。第１元素は、その薄膜から熱処理やプラズマ処理で微粒子を形成した場合においては、それ自体でＣＮＴを成長させるための相対的に高い触媒活性度を有しているが、液相法で合成された場合には、その触媒活性度は極端に小さくなる。しかしながら、これに第２元素を添加すると、液相法であっても触媒活性度を劇的に向上させることができる。このような効果を得るためには、第２元素の含有量（＝第２元素の原子数×１００／（第１元素の原子数＋第２元素の原子数））は、２ａｔ％以上が好ましい。
一方、第２元素の含有量が過剰になると、触媒活性度はかえって低下する。従って、第２元素の含有量は、５０ａｔ％以下が好ましい。
最適な第２元素の含有量は、第１元素及び第２元素の種類に応じて異なる。例えば、Ｆｅ−Ｔｉ二元合金又はＦｅ−Ｔｉ−Ｏ系酸化物の場合、Ｔｉ含有量は、主触媒元素に対して、２〜５０ａｔ％が好ましく、さらに好ましくは４〜４０ａｔ％、さらに好ましくは１０〜３５ａｔ％、さらに好ましくは１５〜３０ａｔ％である。
また、例えば、Ｆｅ−Ｖ二元合金又はＦｅ−Ｖ−Ｏ系酸化物の場合、Ｖ含有量は、主触媒元素に対して、２〜５０ａｔ％が好ましく、さらに好ましくは４〜３５ａｔ％、さらに好ましくは５〜３０ａｔ％である。
また、例えば、Ｆｅ−Ｔｉ−Ｖ三元合金又はＦｅ−Ｔｉ−Ｖ−Ｏ系酸化物（Ｔｉ／Ｖの原子比＝１）の場合、（Ｔｉ＋Ｖ）の含有量は、主触媒元素に対して、２〜５０ａｔ％が好ましく、さらに好ましくは５〜４５ａｔ％、さらに好ましくは、７〜３５ａｔ％、さらに好ましくは１１〜２７ａｔ％である。
The ratio of the first element and the second element contained in the catalyst affects the catalyst activity. The first element has a relatively high catalytic activity for growing CNTs by itself when fine particles are formed from the thin film by heat treatment or plasma treatment, but is synthesized by a liquid phase method. In this case, the catalyst activity becomes extremely small. However, the addition of the second element to this can dramatically improve the catalyst activity even in the liquid phase method. In order to obtain such an effect, the content of the second element (= number of atoms of the second element × 100 / (number of atoms of the first element + number of atoms of the second element)) is preferably 2 at% or more. .
On the other hand, when the content of the second element is excessive, the catalyst activity is lowered. Accordingly, the content of the second element is preferably 50 at% or less.
The optimal content of the second element varies depending on the types of the first element and the second element. For example, in the case of an Fe—Ti binary alloy or Fe—Ti—O-based oxide, the Ti content is preferably 2 to 50 at%, more preferably 4 to 40 at%, and still more preferably with respect to the main catalyst element. 10 to 35 at%, more preferably 15 to 30 at%.
Further, for example, in the case of an Fe-V binary alloy or an Fe-V-O-based oxide, the V content is preferably 2 to 50 at%, more preferably 4 to 35 at%, further with respect to the main catalyst element. Preferably, it is 5 to 30 at%.
Further, for example, in the case of a Fe—Ti—V ternary alloy or Fe—Ti—V—O-based oxide (Ti / V atomic ratio = 1), the content of (Ti + V) is based on the main catalyst element. 2 to 50 at%, more preferably 5 to 45 at%, further preferably 7 to 35 at%, and more preferably 11 to 27 at%.
触媒微粒子の直径及び標準偏差は、合成されるＣＮＴの外径及び標準偏差に影響を与える。一般に、触媒微粒子の直径が小さくなるほど、外径の小さなＣＮＴが得られる。また、触媒微粒子の直径の標準偏差が小さくなるほど、外径の標準偏差の小さなＣＮＴが得られる。さらに、ＣＮＴの合成中における触媒微粒子の凝集が起きにくくなるほど、触媒微粒子の直径とほぼ同等の外径を有するＣＮＴを合成することができる。
後述する本発明に係る製造方法を用いると、直径が１〜１５ｎｍである触媒微粒子を合成することができる。また、製造条件を最適化すると、直径が３〜５ｎｍである触媒微粒子を合成することができる。さらに、後述する製造方法を用いると、分級することなく、直径の標準偏差が１ｎｍ以下である触媒微粒子を合成することができる。さらに、条件を最適化すると、直径の標準偏差が０．５ｎｍ以下である触媒微粒子を合成することができ、また、分散溶媒の極性調整による分別沈殿で、得られた粒子をさらに精密分級することもできる。
The diameter and standard deviation of the catalyst fine particles influence the outer diameter and standard deviation of the synthesized CNT. In general, the smaller the catalyst particle diameter, the smaller the outer diameter of the CNT. Further, the smaller the standard deviation of the diameter of the catalyst fine particles, the smaller the standard deviation of the outer diameter. Furthermore, the CNT having an outer diameter almost equal to the diameter of the catalyst fine particles can be synthesized such that the aggregation of the catalyst fine particles is less likely to occur during the synthesis of the CNT.
When the production method according to the present invention described later is used, catalyst fine particles having a diameter of 1 to 15 nm can be synthesized. Further, when the production conditions are optimized, catalyst fine particles having a diameter of 3 to 5 nm can be synthesized. Furthermore, when the production method described later is used, catalyst fine particles having a standard deviation of the diameter of 1 nm or less can be synthesized without classification. Furthermore, by optimizing the conditions, catalyst fine particles with a standard deviation of diameter of 0.5 nm or less can be synthesized, and the obtained particles can be further classified by fractional precipitation by adjusting the polarity of the dispersion solvent. You can also.
保護層は、主として、微粒子を合成する際に微粒子の凝集を抑制し、粒子径を均一にする作用、及び、後述する分散液中に分散させる際に微粒子の凝集を抑制する作用を有する。保護層は、有機酸及び有機アミンから選ばれる１以上の有機物からなる。これらの有機物は、一分子内に疎水基と親水基を持つ界面活性剤の一種であり、微粒子表面をこれらで被覆することにより、合成時や分散時での微粒子の凝集を抑制することができる。
有機酸としては、具体的には、ＲＣＯＯＨ、ＲＳＯＨ、ＲＰＯＨなどがある。また有機アミンとしては、具体的には、ＲＮＨ2、Ｒ2ＮＨ、Ｒ3Ｎなどがある。なお、Ｒは、アルキル鎖（ＣＨ3(ＣＨ2)x−）を表す。
保護層は、１種類の有機物からなるものでも良く、あるいは、２種以上の有機物からなるものでも良い。特に、２種以上の有機物を保護層として用いると、微粒子の粒子径が安定化し、均一化するという利点がある。
The protective layer mainly has an action of suppressing the aggregation of the fine particles when synthesizing the fine particles, making the particle diameter uniform, and an action of suppressing the aggregation of the fine particles when dispersed in a dispersion described later. The protective layer is made of one or more organic substances selected from organic acids and organic amines. These organic substances are a kind of surfactant having a hydrophobic group and a hydrophilic group in one molecule. By covering the surface of the fine particles with these, aggregation of fine particles during synthesis or dispersion can be suppressed. .
Specific examples of the organic acid include RCOOH, RSOH, and RPOH. Specific examples of the organic amine include RNH 2 , R 2 NH, and R 3 N. R represents an alkyl chain (CH 3 (CH 2 ) x —).
The protective layer may be composed of one kind of organic substance, or may be composed of two or more kinds of organic substances. In particular, when two or more organic substances are used as the protective layer, there is an advantage that the particle diameter of the fine particles is stabilized and uniformized.
次に、本発明に係る触媒分散液について説明する。
本発明に係る触媒分散液は、本発明に係るカーボンナノチューブ合成用触媒を分散媒中に分散させたものからなる。
分散媒は、触媒微粒子を均一に分散させることが可能なものであればよい。このような分散媒としては、ヘキサン、トルエン、クロロホルムなどの極性の低い有機溶媒が挙げられる。
また、触媒分散液中の触媒微粒子濃度は、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、触媒微粒子の濃度が低くなるほど、微粒子を均一に分散させるのが容易化するが、触媒微粒子の濃度が低くなりすぎると、基板表面に触媒微粒子を密に配置させるのが困難となる。従って、触媒微粒子の濃度は、０．００１ｗｔ％以上が好ましい。
一方、触媒微粒子の濃度が高くなりすぎると、基板表面に粒子の単分子膜を形成するのが困難となる。従って、触媒微粒子の濃度は、１．０ｗｔ％以下が好ましい。
最適な触媒微粒子の濃度は、基板の引き上げ速度など、他の製造条件にも依存するので、これらを考慮して最適な濃度を選択するのが好ましい。
Next, the catalyst dispersion according to the present invention will be described.
The catalyst dispersion according to the present invention comprises a dispersion of the carbon nanotube synthesis catalyst according to the present invention in a dispersion medium.
The dispersion medium may be any medium that can uniformly disperse the catalyst fine particles. Examples of such a dispersion medium include low-polarity organic solvents such as hexane, toluene, and chloroform.
The catalyst fine particle concentration in the catalyst dispersion can be arbitrarily selected according to the purpose. In general, the lower the concentration of the catalyst fine particles, the easier it is to disperse the fine particles uniformly. However, if the concentration of the catalyst fine particles is too low, it becomes difficult to densely arrange the catalyst fine particles on the substrate surface. Therefore, the concentration of the catalyst fine particles is preferably 0.001 wt% or more.
On the other hand, if the concentration of the catalyst fine particles becomes too high, it becomes difficult to form a monomolecular film of particles on the substrate surface. Accordingly, the concentration of the catalyst fine particles is preferably 1.0 wt% or less.
The optimum concentration of catalyst fine particles depends on other manufacturing conditions such as the substrate pulling speed, and therefore it is preferable to select the optimum concentration in consideration of these.
次に、本発明に係るカーボンナノチューブ合成用触媒の製造方法について説明する。
本発明に係るカーボンナノチューブ合成用触媒の製造方法は、溶解・混合工程と、加熱工程とを備えている。
溶解工程は、第１原料と、第２原料と、アルコールと、有機物とを有機溶媒中で溶解・混合する工程である。
「第１原料」とは、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのいずれか１以上の第１元素を含む化合物であって、有機溶媒に可溶なものをいう。第１原料には、このような条件を満たす１種類の化合物を用いても良く、あるいは、２種以上の化合物を組み合わせて用いても良い。
第１原料としては、具体的には、
（１） 第１元素のイオンに有機物が配位した有機錯体、
（２） 第１元素の有機酸塩
などがある。
第１元素を含む有機錯体としては、具体的には、Ｆｅ(III)アセチルアセトナート、Ｆｅ(II)アセチルアセトナート、Ｃｏ(II)アセチルアセトナート、Ｃｏ(III)アセチルアセトナート、Ｎｉ(II)アセチルアセトナートなどがある。
また、第１元素を含む有機酸塩としては、具体的には、酢酸鉄(II)、シュウ酸鉄(II)、シュウ酸鉄(III)、酢酸コバルト(II)、酢酸コバルト(III)、酢酸ニッケル(II)などがある。
Next, a method for producing a carbon nanotube synthesis catalyst according to the present invention will be described.
The method for producing a carbon nanotube synthesis catalyst according to the present invention includes a dissolution / mixing step and a heating step.
The dissolution step is a step of dissolving and mixing the first raw material, the second raw material, the alcohol, and the organic substance in an organic solvent.
The “first raw material” refers to a compound containing one or more first elements of Fe, Co, and Ni and soluble in an organic solvent. As the first raw material, one kind of compound that satisfies such conditions may be used, or two or more kinds of compounds may be used in combination.
Specifically, as the first raw material,
(1) An organic complex in which an organic substance is coordinated to an ion of a first element,
(2) There is an organic acid salt of the first element.
Specific examples of the organic complex containing the first element include Fe (III) acetylacetonate, Fe (II) acetylacetonate, Co (II) acetylacetonate, Co (III) acetylacetonate, Ni (II ) Acetylacetonate.
Specific examples of the organic acid salt containing the first element include iron acetate (II), iron oxalate (II), iron oxalate (III), cobalt acetate (II), cobalt acetate (III), There is nickel (II) acetate.
「第２原料」とは、４Ａ族元素及び５Ａ族元素のいずれか１以上の第２元素を含む化合物であって、有機溶媒に可溶なものをいう。第２原料には、このような条件を満たす１種類の化合物を用いても良く、あるいは、２種以上の化合物を組み合わせて用いても良い。
第２原料としては、具体的には、
（１） 第２元素（Ｍ）のイオン又はＭＯイオンに有機基が配位した有機錯体、
（２） 第２元素の有機酸塩、
などがある。
第２元素を含む有機錯体としては、具体的には、ＶＯアセチルアセトナート、ＴｉＯアセチルアセトナート、Ｚｒトリフルオロアセチルアセトナート、Ｈｆトリフルオロアセチルアセトナート、Ｔｉジイソプロポオキサイドビステトラメチルヘプタンジオネートなどがある。
また、第２元素を含む有機酸塩としては、具体的には、シュウ酸チタン、硫酸チタン、酸化硫酸バナジウム、硫酸バナジウム、酢酸ジルコニウム、硫酸ハフニウムなどがある。
The “second raw material” is a compound containing one or more second elements of any of Group 4A elements and Group 5A elements and soluble in an organic solvent. As the second raw material, one kind of compound that satisfies such conditions may be used, or two or more kinds of compounds may be used in combination.
Specifically, as the second raw material,
(1) An organic complex in which an organic group is coordinated to an ion or MO ion of the second element (M),
(2) Organic salt of the second element,
and so on.
Specific examples of the organic complex containing the second element include VO acetylacetonate, TiO acetylacetonate, Zr trifluoroacetylacetonate, Hf trifluoroacetylacetonate, Ti diisopropoxide bistetramethylheptanedionate. and so on.
Specific examples of the organic acid salt containing the second element include titanium oxalate, titanium sulfate, vanadium oxide sulfate, vanadium sulfate, zirconium acetate, and hafnium sulfate.
アルコールは、第１原料及び第２原料を還元し、有機溶媒中において金属イオン又はＭＯイオンを非イオンの状態にするための還元剤である。還元剤には、１種類のアルコールを用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
還元剤として使用可能なアルコールとしては、具体的には、１，２−ヘキサデカンジオール、１，２−オクタデカンジオール、１，２−テトラデカンジオールなどがある。
「有機物」とは、上述したように有機酸又は有機アミンからなる。有機物には、１種類の有機酸又は有機アミンを用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
有機酸としては、具体的には、オレイン酸、カプロン酸、ラウリン酸、酪酸、リノール酸などがある。
また、有機アミンとしては、具体的には、オレイルアミン、ヘキシルアミン、ラウリルアミンなどがある。
有機溶媒は、上述した第１原料、第２原料、アルコール及び有機物を溶解可能なものであればよい。また、溶液は、後述するように所定の温度に加熱されるので、沸点が２００℃以上である溶媒を用いるのが好ましい。有機溶媒としては、具体的には、オクチルエーテル、フェニルエーテルなどがある。これらの有機溶媒は、それぞれ単独で用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
Alcohol is a reducing agent for reducing the first raw material and the second raw material to bring the metal ions or MO ions into a nonionic state in the organic solvent. As the reducing agent, one kind of alcohol may be used, or two or more kinds may be used in combination.
Specific examples of the alcohol that can be used as the reducing agent include 1,2-hexadecanediol, 1,2-octadecanediol, and 1,2-tetradecanediol.
The “organic substance” is composed of an organic acid or an organic amine as described above. As the organic substance, one kind of organic acid or organic amine may be used, or two or more kinds may be used in combination.
Specific examples of the organic acid include oleic acid, caproic acid, lauric acid, butyric acid, and linoleic acid.
Specific examples of the organic amine include oleylamine, hexylamine, and laurylamine.
The organic solvent should just be what can melt | dissolve the 1st raw material mentioned above, the 2nd raw material, alcohol, and organic substance. Further, since the solution is heated to a predetermined temperature as described later, it is preferable to use a solvent having a boiling point of 200 ° C. or higher. Specific examples of the organic solvent include octyl ether and phenyl ether. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
第１原料及び第２原料の比率は、作製しようとする触媒微粒子の組成に応じて最適な比率を選択する。本発明に係る方法を用いると、仕込み組成にほぼ一致する触媒微粒子が得られる。
また、溶液中における第１原料及び第２原料の濃度は、作製しようとする触媒微粒子の直径、標準偏差等に応じて最適な濃度を選択する。一般に、希薄溶液を用いると、粒径のそろった均一な触媒微粒子が得られる。第１原料及び第２原料に加える溶媒の量は、第１原料及び第２原料の種類にもよるが、通常、第１原料及び第２原料１ｍｍｏｌに対して、１０〜５０ｍＬ程度である。
還元剤は、上述したように溶液中に含まれる第１元素若しくは第２元素のイオン又はＭＯイオンに電子を与え、非イオンの状態にするためのものである。金属イオン又はＭＯイオンが還元されると、これらが互いに集まって微粒子を形成する。還元剤の添加量は、第１原料及び第２原料並びにその他の原料の種類にもよるが、通常、溶液中に含まれる第１元素若しくは第２元素のイオン又はＭＯイオンのモル数の１〜２０倍程度である。
有機酸又は有機アミンは、溶液中において第１元素若しくは第２元素のイオン又はＭＯイオンと結合すると考えられている。この溶液中にさらに還元剤が加えられると、金属イオン又はＭＯイオンが還元されて微粒子状に凝集すると同時に、微粒子の周囲が有機酸又は有機アミンで被覆された状態となる。有機酸又は有機アミンの添加量は、第１原料及び第２原料並びにその他の原料の種類にもよるが、通常、溶液中に含まれる第１元素若しくは第２元素のイオン又はＭＯイオンのモル数の１〜１０倍程度である。
The ratio of the first raw material and the second raw material is selected as an optimum ratio according to the composition of the catalyst fine particles to be produced. When the method according to the present invention is used, catalyst fine particles substantially matching the charged composition can be obtained.
Further, the concentrations of the first raw material and the second raw material in the solution are selected to be optimum depending on the diameter, standard deviation, etc. of the catalyst fine particles to be produced. In general, when a dilute solution is used, uniform catalyst fine particles having a uniform particle diameter can be obtained. The amount of the solvent added to the first raw material and the second raw material is usually about 10 to 50 mL with respect to 1 mmol of the first raw material and the second raw material, although it depends on the types of the first raw material and the second raw material.
A reducing agent is for giving an electron to the ion of 1st element or 2nd element contained in a solution, or MO ion as mentioned above, and making it a nonionic state. When metal ions or MO ions are reduced, they gather together to form fine particles. The amount of the reducing agent added depends on the types of the first raw material, the second raw material, and other raw materials, but is usually 1 to 1 of the number of moles of ions of the first element or the second element or MO ions contained in the solution. It is about 20 times.
Organic acids or organic amines are believed to bind to ions of first or second elements or MO ions in solution. When a reducing agent is further added to the solution, metal ions or MO ions are reduced and aggregated into fine particles, and at the same time, the periphery of the fine particles is covered with an organic acid or organic amine. The amount of the organic acid or organic amine added depends on the types of the first raw material, the second raw material, and other raw materials, but is usually the number of moles of ions of the first element or the second element or MO ions contained in the solution. About 1 to 10 times.
加熱工程は、溶解・混合工程で得られた均一な溶液を、不活性雰囲気下において１８０℃〜３００℃で加熱する工程である。加熱により溶液中に、保護層で被覆された触媒微粒子が生成する。
溶液の加熱は、溶液中で生成した微粒子の酸化を防ぐために不活性雰囲気下（例えば、窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下など）で行う。
加熱温度は、使用する原料の種類や目的とする直径に応じて、最適な温度を選択する。一般に、加熱温度が低すぎると、原料間の反応が不十分となる。原料間の反応を効率よく進行させるためには加熱温度は、１８０℃以上が好ましい。
一方、加熱温度が高すぎると、微粒子の凝集が進行し、粒子の直径が不均質になる。従って、加熱温度は、３００℃以下が好ましい。
反応終了後、遠心分離等の手段を用いて微粒子と溶媒とを分離すれば、本発明に係るＣＮＴ合成用触媒が得られる。また、分離した微粒子を適当な分散媒中に分散させれば、本発明に係る触媒分散液が得られる。
The heating step is a step of heating the uniform solution obtained in the dissolution / mixing step at 180 ° C. to 300 ° C. in an inert atmosphere. Catalyst fine particles coated with a protective layer are generated in the solution by heating.
The solution is heated under an inert atmosphere (for example, under a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere) in order to prevent oxidation of fine particles generated in the solution.
As the heating temperature, an optimum temperature is selected according to the type of raw material used and the target diameter. Generally, when the heating temperature is too low, the reaction between the raw materials becomes insufficient. In order to advance the reaction between the raw materials efficiently, the heating temperature is preferably 180 ° C. or higher.
On the other hand, if the heating temperature is too high, the aggregation of the fine particles proceeds and the diameter of the particles becomes inhomogeneous. Therefore, the heating temperature is preferably 300 ° C. or lower.
After the completion of the reaction, the CNT synthesis catalyst according to the present invention can be obtained by separating the fine particles and the solvent using means such as centrifugation. Further, if the separated fine particles are dispersed in an appropriate dispersion medium, the catalyst dispersion according to the present invention can be obtained.
次に、本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法について説明する。
本発明の第１の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法は、触媒担持工程と、成長工程とを備えている。
Next, the manufacturing method of the carbon nanotube which concerns on this invention is demonstrated.
The carbon nanotube manufacturing method according to the first embodiment of the present invention includes a catalyst supporting step and a growth step.
触媒担持工程は、本発明に係る触媒分散液を基板表面に塗布し、基板表面にカーボンナノチューブ合成用触媒を担持させる工程である。
基板の材質は、特に限定されるものではなく、ＣＮＴ合成用触媒の組成、後述する成長工程における成長条件、ＣＮＴの用途等に応じて最適なものを選択する。基板の材質としては、具体的には、Ｓｉ、熱酸化膜付Ｓｉ、サファイヤ、マグネシア、種々の金属、酸化物、窒化物を堆積したＳｉ基板、メソポーラス材料などがある。
The catalyst supporting step is a step of applying the catalyst dispersion according to the present invention to the substrate surface and supporting the catalyst for carbon nanotube synthesis on the substrate surface.
The material of the substrate is not particularly limited, and an optimum material is selected according to the composition of the CNT synthesis catalyst, the growth conditions in the growth process described later, the use of the CNT, and the like. Specific examples of the material of the substrate include Si, Si with thermal oxide film, sapphire, magnesia, Si substrate on which various metals, oxides, and nitrides are deposited, and mesoporous material.
基板としてメソポーラス材料を用いる場合、基板表面のみがメソポーラス材料であっても良く、あるいは、基板全体がメソポーラス材料であっても良い。
表面のみがメソポーラスシリカからなる基板は、具体的には、
（１） シリコンアルコキシドに適量の水、エタノール、界面活性剤、及び酸を加えてゾル状態とし、
（２） これを適当な基板（例えば、Ｓｉ基板など）表面に塗布して重縮合させることにより、基板表面に界面活性剤を含むメソポーラスシリカ膜を形成し、
（３） メソポーラスシリカ膜から界面活性剤を酸化又は溶媒抽出により除去する、
ことにより得られる。
また、全体がメソポーラスシリカからなる基板は、具体的には、
（１） シリコンアルコキシド（例えば、テトラアルコキシシランなど）に適量の水、エタノール、界面活性剤を加え、塩基性条件下でシリカ原料を加水分解させ、
（２） 溶液から粉末状の生成物を分離し、
（３） 粉末に含まれる界面活性剤を酸化又は溶媒抽出により除去し、
（４） 粉末を板状に成形し、焼結させる、
ことにより得られる。
シリコンアルコキシドに代えて特定の金属元素を含む金属アルコキシドを出発原料に用いると、シリカ以外の材料（例えば、チタニア、ジルコニア、アルミナなど）からなるメソポーラス材料が得られる。
When a mesoporous material is used as the substrate, only the substrate surface may be a mesoporous material, or the entire substrate may be a mesoporous material.
Specifically, the substrate having only the surface made of mesoporous silica is
(1) Add appropriate amounts of water, ethanol, surfactant, and acid to silicon alkoxide to form a sol,
(2) A mesoporous silica film containing a surfactant is formed on the surface of the substrate by applying it to the surface of a suitable substrate (for example, Si substrate) and polycondensing it,
(3) removing the surfactant from the mesoporous silica film by oxidation or solvent extraction;
Can be obtained.
Further, the substrate made entirely of mesoporous silica is specifically
(1) An appropriate amount of water, ethanol, or surfactant is added to silicon alkoxide (for example, tetraalkoxysilane) to hydrolyze the silica raw material under basic conditions.
(2) separating the powdered product from the solution;
(3) The surfactant contained in the powder is removed by oxidation or solvent extraction,
(4) The powder is formed into a plate shape and sintered.
Can be obtained.
When a metal alkoxide containing a specific metal element is used as a starting material instead of silicon alkoxide, a mesoporous material made of a material other than silica (for example, titania, zirconia, alumina, etc.) can be obtained.
基板表面への触媒分散液の塗布方法には、
（１） 基板表面に触媒分散液をスプレー、ハケ塗り等により塗布する方法、
（２） 基板表面に触媒分散液をスピンコーティングする方法、
（３） 触媒分散液中に基板をディッピングし、所定の引き上げ速度で基板を引き上げる方法、
などがある。本発明においては、いずれの方法を用いても良い。
特に、ディッピング法は、基板表面に均一に触媒分散液を塗布することができ、また、触媒分散液中の微粒子濃度や基板の引き上げ速度等を最適化すると、基板表面に微粒子を均一かつ密に担持させることができるので、塗布方法として好適である。
また、用いる基板表面が親水性の場合、触媒分散液を塗布する前に基板表面をシランカップリング剤などにより疎水処理する方が好ましい。予め疎水処理を施すことにより、微粒子を均一に担持できる。
基板表面に触媒分散液を塗布した後、基板を乾燥させ、触媒分散液に含まれていた分散媒を除去する。その後、ＣＮＴ成長工程に先立って、触媒微粒子を覆っている有機物からなる保護層を酸化雰囲気中での熱処理またはプラズマ処理によって除去するのが好ましい。予めこれらの処理を施すことにより触媒の活性度は向上する。
To apply the catalyst dispersion on the substrate surface,
(1) A method in which the catalyst dispersion is applied to the substrate surface by spraying, brushing, etc.
(2) A method of spin-coating the catalyst dispersion on the substrate surface,
(3) dipping the substrate into the catalyst dispersion and lifting the substrate at a predetermined pulling speed;
and so on. Any method may be used in the present invention.
In particular, the dipping method can uniformly apply the catalyst dispersion to the substrate surface, and if the concentration of the fine particles in the catalyst dispersion and the pulling speed of the substrate are optimized, the fine particles are uniformly and densely applied to the substrate surface. Since it can carry | support, it is suitable as a coating method.
When the substrate surface to be used is hydrophilic, it is preferable to subject the substrate surface to a hydrophobic treatment with a silane coupling agent or the like before applying the catalyst dispersion. By applying a hydrophobic treatment in advance, the fine particles can be uniformly supported.
After applying the catalyst dispersion on the substrate surface, the substrate is dried to remove the dispersion medium contained in the catalyst dispersion. Thereafter, prior to the CNT growth step, the protective layer made of an organic material covering the catalyst fine particles is preferably removed by heat treatment or plasma treatment in an oxidizing atmosphere. By performing these treatments in advance, the activity of the catalyst is improved.
成長工程は、ＣＮＴ合成用触媒を担持させた基板表面にカーボンナノチューブを成長させる工程である。
ＣＮＴの成長は、具体的には、触媒を担持させた基板表面に炭素含有化合物ガスを供給し、炭素含有化合物ガスを熱分解させることにより行う。基板表面において炭素含有化合物ガスを熱分解させると、基材表面に担持された触媒を種としてＣＮＴが成長する。
The growth step is a step of growing carbon nanotubes on the surface of the substrate carrying the CNT synthesis catalyst.
Specifically, the growth of CNTs is performed by supplying a carbon-containing compound gas to the surface of a substrate on which a catalyst is supported and thermally decomposing the carbon-containing compound gas. When the carbon-containing compound gas is thermally decomposed on the substrate surface, CNTs grow using the catalyst supported on the substrate surface as a seed.
炭素含有化合物としては、
（１） メタン、アセチレン、エチレン、エタン、プロパン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素、
（２） 上記炭化水素のＨをヒドロキシ基（ＯＨ）で置換したメタノール、エタノール等のヒドロキシ化合物、
（３） 一酸化炭素、
などが好適である。これらの炭素含有化合物は、いずれか１種のみを用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
これらの中でも、炭化水素及びヒドロキシ化合物は、ＣＮＴを効率よく生成させることができ、取り扱いも容易であるので、炭素含有化合物として特に好適である。
As carbon-containing compounds,
(1) hydrocarbons such as methane, acetylene, ethylene, ethane, propane, propylene, benzene, toluene, xylene,
(2) Hydroxy compounds such as methanol and ethanol in which H of the hydrocarbon is substituted with a hydroxy group (OH),
(3) carbon monoxide,
Etc. are suitable. Any one of these carbon-containing compounds may be used, or two or more thereof may be used in combination.
Among these, hydrocarbons and hydroxy compounds are particularly suitable as carbon-containing compounds because they can efficiently generate CNTs and are easy to handle.
また、炭素含有化合物ガスを基体表面に供給する場合、適当なキャリアガスを使用する。キャリアガスとしては、具体的には、水素、アンモニア、窒素、アルゴン、ヘリウム等、又はこれらの混合ガスが好適である。炭素含有化合物ガスとキャリアガスの比率、ガスの総流量等は、炭素含有化合物の種類、反応管の大きさ、熱分解方法等に応じて、最適なものを選択する。 In addition, when supplying the carbon-containing compound gas to the substrate surface, an appropriate carrier gas is used. Specifically, hydrogen, ammonia, nitrogen, argon, helium, or a mixed gas thereof is suitable as the carrier gas. The optimum ratio of the carbon-containing compound gas to the carrier gas, the total gas flow rate, and the like are selected according to the type of the carbon-containing compound, the size of the reaction tube, the thermal decomposition method, and the like.
炭素含有化合物ガスを熱分解させる方法には、
（１） 反応容器内に基板を配置し、ヒータ、赤外線などを用いて基板を所定温度に加熱し、反応容器内に炭素含有化合物ガスを適当なキャリアガスとともに導入する熱化学気相成長（熱ＣＶＤ）法、
（２） 反応容器内に基板を配置し、例えば、マイクロ波発振器を用いて反応容器内にプラズマを発生させることにより基板を所定温度に加熱し、反応容器内に炭素含有化合物ガスを適当なキャリアガスとともに導入するプラズマ気相成長（プラズマＣＶＤ）法、
（３） 反応容器内に基板を配置し、基板表面近傍に配置したホットフィラメントを用いて基板を所定温度に加熱し、反応容器内に炭素含有化合物ガスを適当なキャリアガスとともに導入するホットフィラメント気相成長（ホットフィラメント熱ＣＶＤ）法、
（４） 上述した各種方法の組み合わせ、
などがある。本発明においては、いずれの方法を用いても良い。
For the method of pyrolyzing the carbon-containing compound gas,
(1) Thermal chemical vapor deposition (heat) in which a substrate is placed in a reaction vessel, the substrate is heated to a predetermined temperature using a heater, infrared rays, etc., and a carbon-containing compound gas is introduced into the reaction vessel together with an appropriate carrier gas. CVD) method,
(2) A substrate is placed in a reaction vessel, and the substrate is heated to a predetermined temperature by, for example, generating plasma in the reaction vessel using a microwave oscillator, and a carbon-containing compound gas is placed in an appropriate carrier in the reaction vessel. Plasma vapor deposition (plasma CVD) method introduced with gas,
(3) A hot filament gas in which a substrate is placed in a reaction vessel, the substrate is heated to a predetermined temperature using a hot filament placed near the substrate surface, and a carbon-containing compound gas is introduced into the reaction vessel together with an appropriate carrier gas. Phase growth (hot filament thermal CVD) method,
(4) A combination of the various methods described above,
and so on. Any method may be used in the present invention.
ＣＮＴの合成は、まず、基板を反応容器に入れて所定の圧力（例えば、１０-5Ｔｏｒｒ（１．３×１０-3Ｐａ）以下）まで減圧する。次いで、ガス供給装置を用いてキャリアガスを導入し、数Ｔｏｒｒ〜数百Ｔｏｒｒ程度の圧力に調整した後、加熱装置を用いて、基板を合成温度まで昇温させる。基板が合成温度に達したところで、さらに炭素含有化合物ガスを導入し、数分〜数時間、キャリアガスと炭素含有化合物ガスとを所定の流量比で圧力を調整しながら流す。これにより、基板表面にＣＮＴが成長する。
ＣＮＴの合成温度は、少なくとも、炭素含有化合物ガスを熱分解させることが可能な温度以上であれば良い。ＣＮＴの合成温度は、通常、５００〜１０００℃である。
また、炭素含有化合物ガス及びキャリアガスの流量比、流量等は、炭素含有化合物ガスの種類、加熱方法等に応じて、最適な条件を選択する。
In the synthesis of CNTs, first, the substrate is put in a reaction vessel and the pressure is reduced to a predetermined pressure (for example, 10 −5 Torr (1.3 × 10 −3 Pa or less)). Next, a carrier gas is introduced using a gas supply device and adjusted to a pressure of about several Torr to several hundred Torr, and then the substrate is heated to a synthesis temperature using a heating device. When the substrate reaches the synthesis temperature, the carbon-containing compound gas is further introduced, and the carrier gas and the carbon-containing compound gas are allowed to flow for several minutes to several hours while adjusting the pressure at a predetermined flow ratio. Thereby, CNT grows on the substrate surface.
The synthesis temperature of CNT should just be more than the temperature which can thermally decompose carbon containing compound gas. The synthesis temperature of CNT is usually 500 to 1000 ° C.
The flow rate ratio, flow rate, etc. of the carbon-containing compound gas and the carrier gas are selected according to the type of the carbon-containing compound gas, the heating method, etc.
次に、本発明の第２の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法について説明する。
本実施の形態に係るＣＮＴの製造方法は、Ｍｏ担持工程と、触媒担持工程と、成長工程とを備えている。
Next, a method for manufacturing a carbon nanotube according to the second embodiment of the present invention will be described.
The CNT manufacturing method according to the present embodiment includes a Mo supporting step, a catalyst supporting step, and a growth step.
Ｍｏ担持工程は、触媒を担持させる前に、基板表面にＭｏ又はＭｏ酸化物を担持させる工程である。
Ｍｏには、ＣＮＴを成長させる強い触媒作用はないが、ＣＮＴを成長させる際に触媒微粒子の凝集を抑制する作用がある。そのため、触媒微粒子の近傍にＭｏを共存させると、外径が均一であるＣＮＴを合成することができる。このような効果は、金属Ｍｏだけではなく、Ｍｏ酸化物も持つ。
The Mo supporting step is a step of supporting Mo or Mo oxide on the substrate surface before supporting the catalyst.
Mo does not have a strong catalytic action for growing CNT, but has an action of suppressing aggregation of catalyst fine particles when growing CNT. Therefore, when Mo is present in the vicinity of the catalyst fine particles, CNTs having a uniform outer diameter can be synthesized. Such an effect has not only metal Mo but also Mo oxide.
基板表面にＭｏ又はＭｏ酸化物を担持させる方法には、以下のような方法がある。
第１の方法は、基板表面にＭｏ酸化物を担持させる方法であり、塗布工程と、熱処理工程とを備えている。
塗布工程は、基板表面にＭｏ化合物を含む溶液を塗布する工程である。Ｍｏ化合物としては、酢酸塩、モリブデン酸塩、リン酸塩、塩化物などがある。特に、酢酸塩及びモリブデン酸塩は、安価であり、取り扱いも容易であるので、出発原料として使用するＭｏ化合物として好適である。
溶媒は、Ｍｏ化合物を溶解させることが可能なものであればよい。溶媒としては、具体的には、水、エタノール、メタノール、プロパノール、２−プロパノールなど、あるいはこれらの混合物を用いることができる。
溶液中のＭｏ化合物濃度は、Ｍｏに換算して、０．０１〜１００ｍＭｏｌ／Ｌが好ましい。Ｍｏ化合物濃度が０．０１ｍＭｏｌ／Ｌ未満であると、Ｍｏ担持による効果がほとんど得られない。一方、Ｍｏ化合物濃度が１００ｍＭｏｌ／Ｌを超えると、均一な溶液の調製が困難となる。
基板表面にＭｏ化合物を含む溶液を塗布した後、基板を乾燥させ、溶媒を除去する。
There are the following methods for supporting Mo or Mo oxide on the substrate surface.
The first method is a method of supporting Mo oxide on the substrate surface, and includes a coating process and a heat treatment process.
The coating process is a process of coating a solution containing an Mo compound on the substrate surface. Examples of the Mo compound include acetate, molybdate, phosphate, and chloride. In particular, acetate and molybdate are suitable as Mo compounds used as starting materials because they are inexpensive and easy to handle.
Any solvent may be used as long as it can dissolve the Mo compound. Specifically, water, ethanol, methanol, propanol, 2-propanol, or a mixture thereof can be used as the solvent.
The Mo compound concentration in the solution is preferably 0.01 to 100 mMol / L in terms of Mo. If the Mo compound concentration is less than 0.01 mMol / L, the effect of Mo loading is hardly obtained. On the other hand, when the Mo compound concentration exceeds 100 mMol / L, it is difficult to prepare a uniform solution.
After apply | coating the solution containing Mo compound to the board | substrate surface, a board | substrate is dried and a solvent is removed.
加熱工程は、Ｍｏ化合物が担持された基板を熱処理する工程である。これにより、Ｍｏ化合物に含まれる有機物（例えば、酢酸イオン等）が除去され、基板表面にＭｏ酸化物が生成する。
加熱は、有機物を除去するために酸化雰囲気下（例えば、大気中）で行う。加熱温度は、有機物を除去可能な温度であれば良い。加熱温度は、具体的には、４００〜６００℃が好ましい。加熱時間は、特に限定されるものではなく、加熱温度に応じて最適な時間を選択する。
The heating step is a step of heat-treating the substrate on which the Mo compound is supported. Thereby, the organic substance (for example, acetate ion etc.) contained in Mo compound is removed, and Mo oxide produces | generates on the substrate surface.
Heating is performed in an oxidizing atmosphere (for example, in the air) in order to remove organic substances. The heating temperature should just be the temperature which can remove organic substance. Specifically, the heating temperature is preferably 400 to 600 ° C. The heating time is not particularly limited, and an optimal time is selected according to the heating temperature.
第２の方法は、基板表面にＭｏ薄膜を形成する方法である。薄膜の形成方法は、特に限定されるものではなく、真空蒸着、スパッタリングなどの周知の方法を用いることができる。
基板表面に形成されるＭｏ薄膜の厚さは、０．２〜１０ｎｍが好ましい。Ｍｏ薄膜の厚さが０．２ｎｍ未満であると、均一な膜厚制御が困難となる。一方、Ｍｏ薄膜の厚さが１０ｎｍを超えると、基板を加熱する際に粗大粒子が生成し、再現性のある結果が得られない。
The second method is a method of forming a Mo thin film on the substrate surface. The formation method of a thin film is not specifically limited, Well-known methods, such as vacuum evaporation and sputtering, can be used.
The thickness of the Mo thin film formed on the substrate surface is preferably 0.2 to 10 nm. When the thickness of the Mo thin film is less than 0.2 nm, uniform film thickness control becomes difficult. On the other hand, when the thickness of the Mo thin film exceeds 10 nm, coarse particles are generated when the substrate is heated, and a reproducible result cannot be obtained.
触媒担持工程は、Ｍｏ又はＭｏ酸化物が担持された基板表面に触媒分散液を塗布し、基板表面にＣＮＴ合成用触媒を担持させる工程である。また、成長工程は、ＣＮＴ合成用触媒を担持させた基板表面にカーボンナノチューブを成長させる工程である。触媒担持工程及び成長工程は、基板としてＭｏ又はＭｏ酸化物を担持させたものを用いる以外は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。 The catalyst supporting step is a step of applying a catalyst dispersion on the surface of the substrate on which Mo or Mo oxide is supported and supporting the catalyst for CNT synthesis on the surface of the substrate. The growth step is a step of growing carbon nanotubes on the surface of the substrate carrying the CNT synthesis catalyst. Since the catalyst supporting step and the growth step are the same as those in the first embodiment except that a substrate on which Mo or Mo oxide is supported is used, description thereof is omitted.
次に、本発明に係るカーボンナノチューブ合成用触媒及びその製造方法、触媒分散液、並びに、カーボンナノチューブの製造方法の作用について説明する。
Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉは、いずれも、ＣＮＴを成長させる強い触媒作用があることが知られている。ＣＮＴの外径は、ＣＮＴが成長し始める時点での触媒微粒子の直径でほぼ決まる。従って、所定の外径を有し、かつ外径のそろったＣＮＴを合成するためには、触媒微粒子の直径及び標準偏差も制御する必要がある。例えば、基板表面に金属薄膜を形成し、これを熱処理する方法では、触媒微粒子の直径及び標準偏差の制御には限界がある。
一方、非特許文献３のように、これらの金属を用いて予め直径のそろった微粒子を作製し、これを触媒とするＣＮＴ成長法がある。しかし、この方法では、極めて低い活性度しか得られない。
Next, the operation of the catalyst for carbon nanotube synthesis according to the present invention, the production method thereof, the catalyst dispersion, and the production method of the carbon nanotube will be described.
Fe, Co and Ni are all known to have a strong catalytic action for growing CNTs. The outer diameter of the CNT is almost determined by the diameter of the catalyst fine particle at the time when the CNT starts growing. Therefore, in order to synthesize CNTs having a predetermined outer diameter and uniform outer diameter, it is necessary to control the diameter and standard deviation of the catalyst fine particles. For example, in a method in which a metal thin film is formed on the substrate surface and this is heat-treated, there is a limit in controlling the diameter and standard deviation of the catalyst fine particles.
On the other hand, as described in
一方、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の８〜１０族元素に対し、４Ａ族元素又は５Ａ族元素を添加すると、触媒活性が向上することが知られている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。８〜１０族元素に４Ａ族元素又は５Ａ族元素を添加することによって触媒活性が向上するのは、Ｔｉ等の４Ａ族元素及びＶ等の５Ａ族元素は、いずれも炭素との親和力が強く、炭化物が形成される際に熱を発生するためと考えられる。
特許文献１に開示されているように、合金ターゲットのレーザーアブレーションにより、４Ａ族元素を含む合金微粒子を作製し、微分型静電分級器で分級すれば、比較的粒度分布の狭い触媒微粒子は得られるが、この方法は、非効率的である。
On the other hand, it is known that when a group 4A element or a group 5A element is added to group 8-10 elements such as Fe, Co, Ni, etc., the catalytic activity is improved (for example,
As disclosed in
これに対し、第１原料、第２原料、アルコール、並びに、有機酸及び／又は有機アミンを所定の比率で混合し、所定の温度で加熱すると、第１元素及び第２元素を含み、その周囲が保護層で被覆された触媒微粒子が得られる。保護層は、触媒微粒子の合成中における微粒子間の凝集を防ぐ作用がある。そのため、このような方法により、平均粒径が相対的に小さく、かつ、より標準偏差の小さい微粒子が得られる。しかも、合成後に微粒子を分級しなくても標準偏差が小さな微粒子が得られるので、触媒微粒子を低コスト化することができる。
また、保護層は、合成された微粒子を分散液中に分散させる場合において微粒子の凝集を抑制する作用もある。そのため、合成された微粒子を適当な分散媒に分散させて触媒分散液とし、この触媒分散液を基材表面に塗布・乾燥させると、粒径のそろった触媒微粒子を基材表面に密に担持させることができる。
On the other hand, when the first raw material, the second raw material, the alcohol, and the organic acid and / or organic amine are mixed at a predetermined ratio and heated at a predetermined temperature, the first element and the second element are included, and the surroundings. Catalyst fine particles coated with a protective layer can be obtained. The protective layer has an action of preventing aggregation between fine particles during synthesis of the catalyst fine particles. Therefore, fine particles having a relatively small average particle diameter and a smaller standard deviation can be obtained by such a method. In addition, since the fine particles having a small standard deviation can be obtained without classifying the fine particles after synthesis, the cost of the catalyst fine particles can be reduced.
The protective layer also has an action of suppressing aggregation of fine particles when the synthesized fine particles are dispersed in a dispersion. For this reason, the synthesized fine particles are dispersed in an appropriate dispersion medium to form a catalyst dispersion liquid, and when this catalyst dispersion liquid is applied to the substrate surface and dried, the catalyst fine particles having the same particle diameter are closely supported on the substrate surface. Can be made.
さらに、これを用いてＣＮＴを合成すると、ＣＮＴの成長活性度が向上し、微粒子が凝集する前にＣＮＴの成長が始まる。そのため、触媒微粒子径とほぼ同等の直径を有する高密度のＣＮＴが得られる。特に、第２元素として４Ａ族元素（特に、Ｔｉ）を用いた場合には、相対的に短時間で長さの長いＣＮＴを高密度に成長させることができる。また、第２元素として５Ａ族元素（特に、Ｖ）を用いた場合には、触媒微粒子径にほぼ一致する外径を有するＣＮＴが得られる。
また、ＣＮＴを成長させる際に、基板としてメソポーラス材料を用いると、触媒微粒子を基板表面に密に配置することができ、かつ、ＣＮＴ成長時における触媒微粒子の凝集がさらに抑制されるので、ＣＮＴの直径制御性がさらに向上する。また、基板表面にＭｏ又はＭｏ酸化物を共存させると、ＣＮＴの直径制御性がさらに向上する。
Furthermore, when CNT is synthesized using this, the growth activity of the CNT is improved, and the growth of the CNT starts before the fine particles aggregate. Therefore, a high-density CNT having a diameter almost equal to the catalyst fine particle diameter can be obtained. In particular, when a 4A group element (especially Ti) is used as the second element, CNTs having a long length can be grown at a high density in a relatively short time. Further, when a group 5A element (particularly, V) is used as the second element, CNTs having an outer diameter that substantially matches the catalyst fine particle diameter can be obtained.
Further, when a mesoporous material is used as a substrate when growing CNTs, catalyst fine particles can be densely arranged on the surface of the substrate, and aggregation of the catalyst fine particles during CNT growth is further suppressed. Diameter controllability is further improved. Further, when Mo or Mo oxide coexists on the substrate surface, the diameter controllability of the CNTs is further improved.
（実施例１）
［１． 触媒分散液の作製］
Ｆｅアセチルアセトナート（第１原料）、ＶＯアセチルアセトナート（第２原料）、１，２−ヘキサデカンジオール（還元剤）、オレイン酸及びオレイルアミン（保護層）、並びに、オクチルエーテル（溶媒）を不活性ガス雰囲気下において所定の比率で混合し、これを２５０℃又は２９０℃で３０分間反応させた。オクチルエーテルは、２０ｍｌとし、各原料の添加量は、Ｆｅアセチルアセトナート：ＶＯアセチルアセトナート：還元剤：オレイン酸：オレイルアミン＝０．９ｍｍｏｌ：０．１ｍｍｏｌ：７ｍｍｏｌ：３ｍｍｏｌ：３ｍｍｏｌとした。
反応終了後、室温に冷却し、遠心分離により触媒微粒子を得た。これをヘキサンに加えて触媒分散液を作製した。
Example 1
[1. Preparation of catalyst dispersion]
Inactive Fe acetylacetonate (first raw material), VO acetylacetonate (second raw material), 1,2-hexadecanediol (reducing agent), oleic acid and oleylamine (protective layer), and octyl ether (solvent) The mixture was mixed at a predetermined ratio in a gas atmosphere and reacted at 250 ° C. or 290 ° C. for 30 minutes. Octyl ether was 20 ml, and the amount of each raw material added was Fe acetylacetonate: VO acetylacetonate: reducing agent: oleic acid: oleylamine = 0.9 mmol: 0.1 mmol: 7 mmol: 3 mmol: 3 mmol.
After completion of the reaction, the mixture was cooled to room temperature, and catalyst fine particles were obtained by centrifugation. This was added to hexane to prepare a catalyst dispersion.
［２． 触媒分散液の評価］
得られた触媒分散液をＴＥＭグリッドに滴下・乾燥させた後、微粒子のＴＥＭ観察を行った。図１（ａ）及び図１（ｂ）に、Ｆｅアセチルアセトナート及びＶＯアセチルアセトナートを出発原料に用いた触媒微粒子（以下、「Ｆｅ−Ｖ−Ｏ微粒子」という）のＴＥＭ写真を示す。図１（ａ）は、２５０℃×３０分の条件下で合成されたＦｅ−Ｖ−Ｏ微粒子について、ジャストフォーカスにより格子像を撮影したものである。図１（ａ）より、平均粒径３．１ｎｍの均一な触媒微粒子が得られていることがわかる。また、図１（ｂ）は、２９０℃×３０分間の条件下で合成されたＦｅ−Ｖ−Ｏ微粒子について、アンダーフォーカスにより撮影したものである。図１（ｂ）より、平均粒径４．５ｎｍであり、その周囲が保護層で被覆された均一な触媒微粒子が得られていることがわかる。
[2. Evaluation of catalyst dispersion]
The obtained catalyst dispersion was dropped on a TEM grid and dried, and then TEM observation of the fine particles was performed. FIG. 1A and FIG. 1B show TEM photographs of catalyst fine particles (hereinafter referred to as “Fe—VO fine particles”) using Fe acetylacetonate and VO acetylacetonate as starting materials. FIG. 1A shows a lattice image taken with just focus on Fe—V—O fine particles synthesized under the condition of 250 ° C. × 30 minutes. FIG. 1A shows that uniform catalyst fine particles having an average particle diameter of 3.1 nm are obtained. FIG. 1B is a photograph of Fe-VO fine particles synthesized under conditions of 290 ° C. × 30 minutes by under focus. From FIG. 1 (b), it can be seen that uniform catalyst fine particles having an average particle diameter of 4.5 nm and having a periphery coated with a protective layer are obtained.
［３． ＣＮＴの合成及び評価］
基板には表面にメソポーラスシリカ膜を形成したＳｉ基板（以下、単に「メソポーラスシリカ基板」という）、及び熱酸化膜付Ｓｉ基板を用いた。メソポーラスシリカ基板は、公知の方法（例えば、J.Phys.Chem.B 2000, 104, 12095-12097参照）により作製した。すなわち、テトラエトキシシランに水及び酸を加えて熟成したゾル溶液に界面活性剤を加え、これをＳｉ基板表面に塗布し、大気中で焼成することにより、メソポーラスシリカ基板を得た。次いで、メソポーラスシリカ基板にシランカップリング剤により疎水処理を施した。同様に、熱酸化膜付Ｓｉ基板にも疎水処理を施した。
これらの基板を、それぞれ触媒分散液にディッピングし、一定の引き上げ速度（０．５ｍｍ／ｓｅｃ）で基板を引き上げ、乾燥させた。乾燥後、プラズマ処理により保護層を除去した。次いで、この基板を反応容器に入れ、熱ＣＶＤ法によりＣＮＴを生成させた。熱ＣＶＤは、炭素含有化合物ガスとしてアセチレンを用い、アセチレン流量：１０sccm（cc/min）、水素（還元ガス）流量：４５sccm（cc/min）、反応温度：７００℃、反応時間：１０ｍｉｎとした。
[3. Synthesis and evaluation of CNT]
As the substrate, a Si substrate having a mesoporous silica film formed on its surface (hereinafter simply referred to as “mesoporous silica substrate”) and a Si substrate with a thermal oxide film were used. The mesoporous silica substrate was produced by a known method (for example, see J. Phys. Chem. B 2000, 104, 12095-12097). That is, a surfactant was added to a sol solution that was aged by adding water and an acid to tetraethoxysilane, and this was applied to the surface of the Si substrate and baked in the air to obtain a mesoporous silica substrate. Next, the mesoporous silica substrate was subjected to a hydrophobic treatment with a silane coupling agent. Similarly, the Si substrate with a thermal oxide film was also subjected to a hydrophobic treatment.
Each of these substrates was dipped in a catalyst dispersion, and the substrates were pulled at a constant pulling rate (0.5 mm / sec) and dried. After drying, the protective layer was removed by plasma treatment. Next, this substrate was placed in a reaction vessel, and CNTs were generated by a thermal CVD method. In the thermal CVD, acetylene was used as the carbon-containing compound gas, the acetylene flow rate was 10 sccm (cc / min), the hydrogen (reducing gas) flow rate was 45 sccm (cc / min), the reaction temperature was 700 ° C., and the reaction time was 10 min.
図２（ａ）に、Ｆｅ−Ｖ−Ｏ触媒（Ｖ／（Ｆｅ＋Ｖ）：１０ａｔ％、反応温度：２５０℃）を担持させたメソポーラスシリカ基板を用いて合成されたＣＮＴ膜の断面のＳＥＭ写真を示す。また、図２（ｂ）に、基板表面から採取したＣＮＴのＴＥＭ写真を示す。図２より、ほぼ一定の外径を有するＣＮＴが基板に対して垂直に、かつ高密度に成長していることがわかる。図示はしないが、熱酸化膜付Ｓｉ基板を用いた場合に比べると、メソポーラスシリカ基板を用いた方が、ＣＮＴの成長量が多いことがわかった。
次に、メソポーラスシリカ基板表面から採取したＣＮＴの外径をＴＥＭ観察により測定し、その標準偏差を求めた。同様に、触媒分散液中の触媒微粒子の直径をＴＥＭ観察により測定し、その標準偏差を求めた。図３（ａ）及び図３（ｂ）に、それぞれ、Ｆｅ−Ｖ−Ｏ触媒微粒子及びこれを用いて合成されたＣＮＴのヒストグラムを示す。図３より、触媒微粒子の直径とＣＮＴの直径がほぼ一致しており、標準偏差もほぼ一致していることがわかる。
FIG. 2A is a SEM photograph of a cross section of a CNT film synthesized using a mesoporous silica substrate supporting a Fe—V—O catalyst (V / (Fe + V): 10 at%, reaction temperature: 250 ° C.). Show. FIG. 2B shows a TEM photograph of CNT collected from the substrate surface. From FIG. 2, it can be seen that CNTs having a substantially constant outer diameter are grown vertically and densely with respect to the substrate. Although not shown, it was found that the amount of CNT grown was larger when the mesoporous silica substrate was used than when the thermal oxide film-attached Si substrate was used.
Next, the outer diameter of the CNT collected from the mesoporous silica substrate surface was measured by TEM observation, and the standard deviation was obtained. Similarly, the diameter of the catalyst fine particles in the catalyst dispersion was measured by TEM observation, and the standard deviation was obtained. FIG. 3A and FIG. 3B show histograms of Fe—V—O catalyst fine particles and CNT synthesized using the same, respectively. From FIG. 3, it can be seen that the diameter of the catalyst fine particles and the diameter of the CNT are substantially the same, and the standard deviation is also substantially the same.
（実施例２、比較例１）
［１． 触媒分散液の作製］
第２原料としてＶＯアセチルアセトナート及び／又はＴｉＯアセチルアセトナートを用いて、触媒分散液を作製した。なお、触媒分散液は、以下の４種類を作製した。また、その他の製造条件は、実施例１と同一とした。
（ａ） Ｆｅアセチルアセトナートのみを含むもの（以下、「Ｆｅ−Ｏ微粒子（比較例１）」という）。
（ｂ） ＦｅアセチルアセトナートとＶＯアセチルアセトナートの比が、９８：２〜５０：５０であるもの（Ｆｅ−Ｖ−Ｏ微粒子）。
（ｂ） ＦｅアセチルアセトナートとＴｉＯアセチルアセトナートの比が、９８：２〜５０：５０であるもの（以下、「Ｆｅ−Ｔｉ−Ｏ微粒子」という）。
（ｃ） Ｆｅアセチルアセトナートと（ＶＯアセチルアセトナート＋ＴｉＯアセチルアセトナート）の比が９８：２〜５０：５０であり、かつ、ＶＯアセチルアセトナートとＴｉＯアセチルアセトナートの比が１：１であるもの（以下、「Ｆｅ−Ｔｉ−Ｖ−Ｏ微粒子」という）。
(Example 2, Comparative Example 1)
[1. Preparation of catalyst dispersion]
A catalyst dispersion was prepared using VO acetylacetonate and / or TiO acetylacetonate as the second raw material. The following four types of catalyst dispersions were prepared. Other manufacturing conditions were the same as those in Example 1.
(A) One containing only Fe acetylacetonate (hereinafter referred to as “Fe—O fine particles (Comparative Example 1)”).
(B) The ratio of Fe acetylacetonate to VO acetylacetonate is 98: 2 to 50:50 (Fe-VO fine particles).
(B) The ratio of Fe acetylacetonate to TiO acetylacetonate is 98: 2 to 50:50 (hereinafter referred to as “Fe—Ti—O fine particles”).
(C) The ratio of Fe acetylacetonate to (VO acetylacetonate + TiO acetylacetonate) is 98: 2 to 50:50, and the ratio of VOacetylacetonate to TiO acetylacetonate is 1: 1. (Hereinafter referred to as "Fe-Ti-VO fine particles").
［２． 触媒分散液の評価］
得られた触媒分散液のＩＣＰ発光分析を行い、微粒子中のＦｅとＶ又はＦｅとＴｉの組成比を測定した。図４（ａ）に、Ｆｅ−Ｖ−Ｏ微粒子の仕込み組成と化学分析組成との関係を示す。また、図４（ｂ）に、Ｆｅ−Ｔｉ−Ｏ微粒子の仕込み組成と化学分析組成との関係を示す。図４より、仕込み組成にほぼ一致する化学分析組成を有する触媒微粒子が得られていることがわかる。なお、図示はしないが、Ｆｅ−Ｔｉ−Ｖ−Ｏ微粒子についても同様の結果が得られた。
[2. Evaluation of catalyst dispersion]
The obtained catalyst dispersion was subjected to ICP emission analysis, and the composition ratio of Fe and V or Fe and Ti in the fine particles was measured. FIG. 4A shows the relationship between the charged composition of the Fe—V—O fine particles and the chemical analysis composition. FIG. 4B shows the relationship between the charged composition of the Fe—Ti—O fine particles and the chemical analysis composition. As can be seen from FIG. 4, catalyst fine particles having a chemical analysis composition almost identical to the charged composition are obtained. Although not shown, similar results were obtained for Fe-Ti-VO fine particles.
［３． ＣＮＴの合成及び評価］
［１．］で得られた触媒分散液を用いて、ＣＮＴを合成した。使用した基板及びＣＮＴ合成条件は、実施例１と同一とした。
図５に、触媒組成とＣＮＴ膜厚の関係、並びに、Ｆｅ−Ｏ微粒子及びＦｅ−Ｔｉ−Ｏ微粒子（Ｆｅ−１０〜４０ａｔ％Ｔｉ）を用いて合成されたＣＮＴ膜の断面のＳＥＭ写真を示す。Ｆｅ−Ｏ微粒子を用いた場合、ＣＮＴの生成本数が極めて少なく、ＣＮＴは基板表面を這うように生成していた。これに対し、Ｆｅ−Ｔｉ−Ｏ微粒子を用いた場合、基板に対して垂直に、かつ高密度にＣＮＴが生成した。一定時間経過後のＣＮＴの膜厚は、Ｔｉ含有量に依存しており、２０〜２５ａｔ％Ｔｉの時に最も膜厚が厚くなった。
Ｆｅ−Ｖ−Ｏ微粒子及びＦｅ−Ｔｉ−Ｖ−Ｏ微粒子を用いた場合も同様であり、いずれの組成も、基板に対して垂直に、かつ高密度にＣＮＴが生成した。一定時間経過後のＣＮＴの膜厚は、Ｖ量及びＴｉ量に依存しており、Ｆｅ−Ｖ−Ｏ微粒子の場合は約１０ａｔ％Ｖの時に、また、Ｆｅ−Ｔｉ−Ｖ−Ｏ微粒子の場合は約１５ａｔ％（Ｔｉ＋Ｖ）の時に最も膜厚が厚くなった。
[3. Synthesis and evaluation of CNT]
[1. CNTs were synthesized using the catalyst dispersion obtained in the above. The substrate and CNT synthesis conditions used were the same as in Example 1.
FIG. 5 shows a relationship between the catalyst composition and the CNT film thickness, and an SEM photograph of a cross section of the CNT film synthesized using Fe—O fine particles and Fe—Ti—O fine particles (Fe-10 to 40 at% Ti). . When Fe—O fine particles were used, the number of CNTs generated was extremely small, and CNTs were generated so as to crawl the substrate surface. On the other hand, when Fe—Ti—O fine particles were used, CNTs were generated perpendicular to the substrate and with high density. The film thickness of the CNT after a lapse of a certain time depends on the Ti content, and the film thickness became the thickest at 20 to 25 at% Ti.
The same applies to the case of using Fe—V—O fine particles and Fe—Ti—V—O fine particles, and CNTs were formed at a high density perpendicular to the substrate in any composition. The film thickness of the CNT after a certain period of time depends on the amount of V and Ti. In the case of Fe-VO fine particles, it is about 10 at% V. In the case of Fe-Ti-VO fine particles Was about 15 at% (Ti + V).
図６に、触媒微粒子（Ｆｅ−Ｖ−Ｏ微粒子、Ｆｅ−Ｔｉ−Ｏ微粒子及びＦｅ−Ｔｉ−Ｖ−Ｏ微粒子）の直径と、これを用いて合成されたＣＮＴの外径との関係を示す。なお、図６には、他の研究者が用いた予め合成した触媒の直径及びこれを用いて合成されたＣＮＴの外径も併せて示した。出典は、以下の通りである。
（１） S.Sato et al., Chemical Physics Letters 402(2005)149-154（非特許文献１）
（２） M.Hiramasu et al., Japanese Journal of Applied Physics, vol.44, No.22, 2005, pp.L693-695（非特許文献２）
（３） Kobayashi et al., Thin Solid Films, 464(2004)286-289
（４） Cheung et al., J.Phys.Chem.B, 106(2002), 2429-2433
（５） Choi et al., J.Phys.Chem.B, 106(2002)12361-12365
（６） Fu et al., J.Phys.Chem.B, 108(2004)6124-6129
（７） Li et al., J.Phys.Chem.B, 105(2002)2429-2433
（８） Sato et al., Chem.Phys.Lett., 382(2003)361-366
（９） Hiramasu et al., Jpn.J.Appl.Phys., 44(2005)1150-1154
FIG. 6 shows the relationship between the diameter of the catalyst fine particles (Fe—V—O fine particles, Fe—Ti—O fine particles, and Fe—Ti—V—O fine particles) and the outer diameter of the CNT synthesized using them. . FIG. 6 also shows the diameter of the catalyst synthesized in advance by other researchers and the outer diameter of the CNT synthesized using the catalyst. The sources are as follows.
(1) S. Sato et al., Chemical Physics Letters 402 (2005) 149-154 (Non-Patent Document 1)
(2) M.Hiramasu et al., Japanese Journal of Applied Physics, vol.44, No.22, 2005, pp.L693-695 (non-patent document 2)
(3) Kobayashi et al., Thin Solid Films, 464 (2004) 286-289
(4) Cheung et al., J. Phys. Chem. B, 106 (2002), 2429-2433
(5) Choi et al., J. Phys. Chem. B, 106 (2002) 12361-12365
(6) Fu et al., J. Phys. Chem. B, 108 (2004) 6124-6129
(7) Li et al., J. Phys. Chem. B, 105 (2002) 2429-2433
(8) Sato et al., Chem. Phys. Lett., 382 (2003) 361-366
(9) Hiramasu et al., Jpn.J.Appl.Phys., 44 (2005) 1150-1154
図６中、黒塗りの印は、いずれも低密度かつランダムにＣＮＴが成長しており、ＣＮＴが垂直配向した膜は得られていない。また、触媒微粒子の直径とＣＮＴの外径との間にほとんど対応関係がないものが多い。
一方、Ｓａｔｏらにより得られたＣＮＴは、高密度であり、かつ基板に対してほぼ垂直に配向していた。また、微粒子の直径とＣＮＴの外径とがほぼ１：１に対応していた。しかしながら、この微粒子は、相対的に平均粒径が大きく、標準偏差も１ｎｍを超えており、しかも、微分型静電分級器を用いて分級されたものであるため、大量合成に適用するのは困難である。また、Ｈｉｒａｍａｓｕらにより得られたＣＮＴも同様に、高密度であり、かつ基板に対してほぼ垂直に配向していた。しかしながら、ＣＮＴ合成中に微粒子が凝集したために、微粒子の直径とＣＮＴの外径との間に１：１の対応関係はない。
これに対し、本発明に係る触媒分散液を用いた場合、高密度かつ垂直配向したＣＮＴが得られ、しかも、いずれの触媒を用いた場合であっても微粒子の直径とＣＮＴの外径との間にほぼ１：１の対応関係があった。さらに、ＣＮＴの外径は、３〜５ｎｍの範囲にあり、外径の標準偏差は、いずれも１ｎｍ以下であった。
In FIG. 6, the black marks indicate that CNTs are grown at low density and randomly, and a film in which CNTs are vertically aligned is not obtained. In many cases, there is almost no correspondence between the diameter of the catalyst fine particles and the outer diameter of the CNT.
On the other hand, the CNT obtained by Sato et al. Had a high density and was oriented substantially perpendicular to the substrate. Further, the diameter of the fine particles and the outer diameter of the CNT corresponded to approximately 1: 1. However, these fine particles have a relatively large average particle diameter, a standard deviation of more than 1 nm, and are classified using a differential electrostatic classifier. Have difficulty. Similarly, the CNTs obtained by Hiramasu et al. Had a high density and were oriented substantially perpendicular to the substrate. However, since the fine particles aggregate during the CNT synthesis, there is no 1: 1 correspondence between the diameter of the fine particles and the outer diameter of the CNT.
On the other hand, when the catalyst dispersion liquid according to the present invention is used, high-density and vertically aligned CNTs are obtained, and the diameter of the fine particles and the outer diameter of the CNTs are the same regardless of which catalyst is used. There was a 1: 1 correspondence between them. Furthermore, the outer diameter of CNT was in the range of 3 to 5 nm, and the standard deviation of the outer diameter was 1 nm or less.
（実施例３）
［１． 触媒分散液の作製］
実施例１と同一条件下（反応温度：２５０℃）で、Ｆｅ−Ｖ−Ｏ触媒を含む触媒分散液を作製した。
［２． ＣＮＴの合成及び評価］
メソポーラスシリカ基板を濃度０．６ｍＭｏｌ／Ｌの酢酸モリブデンダイマーのエタノール溶液に浸漬し、乾燥させた。次いで、この基板を４００℃で０．５時間熱処理した。熱処理後の基板にシランカップリング剤により疎水処理を施し、触媒の担持及びプラズマ処理後、実施例１と同一条件下で、ＣＮＴの合成を行った。
基板表面に合成されたＣＮＴ膜の断面をＳＥＭ観察したところ、図示はしないが、ＣＮＴが基板表面に垂直に、かつ高密度に成長していることを確認した。
次に、Ｆｅ−Ｖ−Ｏ触媒（Ｖ：１０ａｔ％）を用いて合成されたＣＮＴを基板表面から採取し、ＣＮＴの直径をＴＥＭ観察により測定し、その標準偏差を求めた。図３（ｃ）にその結果を示す。図３より、基板表面にＭｏ酸化物を予め担持させると、Ｍｏ酸化物を担持させない場合（実施例１、図３（ｂ））と比べて、平均直径はほぼ同等であるが、標準偏差が小さいＣＮＴが得られていることがわかる。
(Example 3)
[1. Preparation of catalyst dispersion]
A catalyst dispersion containing an Fe—V—O catalyst was prepared under the same conditions as in Example 1 (reaction temperature: 250 ° C.).
[2. Synthesis and evaluation of CNT]
The mesoporous silica substrate was immersed in an ethanol solution of molybdenum acetate dimer having a concentration of 0.6 mMol / L and dried. The substrate was then heat treated at 400 ° C. for 0.5 hour. The substrate after the heat treatment was subjected to a hydrophobic treatment with a silane coupling agent, and after the catalyst was loaded and plasma treated, CNTs were synthesized under the same conditions as in Example 1.
When the cross section of the CNT film synthesized on the substrate surface was observed by SEM, it was confirmed that the CNTs were growing vertically and densely, although not shown.
Next, CNT synthesized using an Fe—V—O catalyst (V: 10 at%) was collected from the substrate surface, the diameter of the CNT was measured by TEM observation, and the standard deviation was obtained. FIG. 3C shows the result. From FIG. 3, when the Mo oxide is supported on the substrate surface in advance, the average diameter is almost the same as that in the case where the Mo oxide is not supported (Example 1 and FIG. 3B), but the standard deviation is smaller. It can be seen that small CNTs are obtained.
（実施例４）
基板表面に厚さ１ｎｍのＭｏ薄膜を蒸着させた。以下、この基板を用いた以外は、実施例３と同一条件下で、ＣＮＴの合成を行った。その結果、Ｆｅ−Ｖ−Ｏ触媒のみの場合に比べて、平均直径はほぼ同等であるが、標準偏差の小さいＣＮＴが得られていることを確認した。
Example 4
A 1-nm-thick Mo thin film was deposited on the substrate surface. Hereinafter, CNT was synthesized under the same conditions as in Example 3 except that this substrate was used. As a result, it was confirmed that CNTs having an average diameter approximately the same but a small standard deviation were obtained as compared with the case of using only the Fe—V—O catalyst.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係るカーボンナノチューブ合成用触媒及びその製造方法は、直径制御性に優れ、高密度でかつ垂直配向したＣＮＴを合成するための触媒及びその製造方法として使用することができる。
また、本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、電子顕微鏡などに用いられる電子放出源（点光源）、半導体の配線材料、放熱材料、繊維材料、走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、走査型近接場光学顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡に用いられる探針等に用いられるＣＮＴの製造方法として使用することができる。
The catalyst for synthesizing carbon nanotubes and the method for producing the same according to the present invention can be used as a catalyst for synthesizing CNTs having excellent diameter controllability and high density and vertically aligned, and a method for producing the same.
The carbon nanotube manufacturing method according to the present invention includes an electron emission source (point light source) used in an electron microscope, a semiconductor wiring material, a heat dissipation material, a fiber material, a scanning tunnel microscope, an atomic force microscope, a magnetic force, and the like. It can be used as a method for producing CNT used in a probe used in a scanning probe microscope such as a microscope or a scanning near-field optical microscope.
Claims (20)
前記微粒子の周囲が有機酸及び有機アミンから選ばれる１以上の有機物からなる保護層で被覆されているカーボンナノチューブ合成用触媒。 Consisting of fine particles containing one or more first elements selected from Fe, Co and Ni and one or more second elements selected from Group 4A elements and Group 5A elements;
A catalyst for synthesizing carbon nanotubes, wherein the periphery of the fine particles is coated with a protective layer made of one or more organic substances selected from organic acids and organic amines.
（イ） Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのいずれか１以上の第１元素を含む１種又は２種以上の第１原料と、
４Ａ族元素及び５Ａ族元素のいずれか１以上の第２元素を含む１種又は２種以上の第２原料と、
１種又は２種以上のアルコールと、
有機酸及び有機アミンから得らればれる１以上の有機物とを
有機溶媒中で溶解・混合する溶解・混合工程。
（ロ） 前記溶解・混合工程で得られた溶液を、不活性雰囲気下において１８０〜３００℃で加熱する加熱工程。 The manufacturing method of the catalyst for carbon nanotube synthesis | combination provided with the following processes.
(A) one or more first raw materials containing one or more first elements of Fe, Co and Ni;
One or more second raw materials containing one or more second elements of any of the group 4A elements and group 5A elements;
One or more alcohols;
A dissolution / mixing step of dissolving / mixing one or more organic substances obtained from an organic acid and an organic amine in an organic solvent.
(B) A heating step of heating the solution obtained in the dissolution / mixing step at 180 to 300 ° C. in an inert atmosphere.
前記カーボンナノチューブ合成用触媒を担持させた前記基板表面にカーボンナノチューブを成長させる成長工程と
を備えたカーボンナノチューブの製造方法。 A catalyst supporting step of applying the catalyst dispersion according to claim 5 on a substrate surface, and supporting a catalyst for carbon nanotube synthesis on the substrate surface;
And a growth step of growing carbon nanotubes on the surface of the substrate carrying the carbon nanotube synthesis catalyst.
前記Ｍｏ化合物を含む溶液を前記基板表面に塗布する塗布工程と、
前記基板を熱処理し、前記基板表面にＭｏ酸化物を形成する熱処理工程と
を備えている請求項１５に記載のカーボンナノチューブの製造方法。 The Mo carrying step includes
An application step of applying a solution containing the Mo compound to the substrate surface;
The carbon nanotube manufacturing method according to claim 15, further comprising a heat treatment step of heat-treating the substrate to form Mo oxide on the surface of the substrate.
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