JP2007529403A - 炭水化物由来のポーラスカーボン - Google Patents
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Abstract
Description
本文において使用されるポーラスカーボンは、少なくとも75重量%の元素炭素を含んでなり、かつ少なくとも100m2/gのBET表面積によって特徴づけられる、任意の多孔性の炭素質材料を指すものとする。本文において使用される用語、炭化は、化学構造変化に影響を及ぼし、かつ結果として炭素質産物を生じるあらゆるプロセスを指すものとする。本文において用いられるポーラス材料は、ポアおよび/またはチャネルのネットワークによって特徴づけられるあらゆる材料として定義されるものとする。
(メソポーラスカーボンを作製する方法)
本発明はさらに、本発明の方法に従って作製されたポーラスカーボンを提供する。特に、本発明は(a)カーボンを与えるのに有効な条件下で混合物をキュアすること;および(b)ポーラスカーボンを与えるのに有効な条件下で該カーボンを炭化すること、を含んでなる方法によって作製されたメソポーラスカーボンをクレームしている。ポーラスカーボンは、約2nmと約50nmの間の平均ポア径;および約100m2/gと約3000m2/gの間の表面積によって特徴づけられる。好ましい態様においては、ポーラスカーボンは、増分ポア容積がポアサイズの関数としてプロットされた場合、2以上のピークを含むポアサイズ分布を有する。ピークは、たとえば、約0.5〜1.0nmの間および、約1.0〜5.0nmの間でよい。
さらにもう一つの側面においては、本発明は、本発明のメソポーラスカーボンを材料にして作られた炭素質電極および、それを作製する方法を含んでなる。本メソポーラスカーボンは、高い伝導性、高表面積、高いメソ多孔性、および高いキャパシタンスを有することから、二重層ウルトラキャパシタによるエネルギー貯蔵、および容量性脱イオン技術による汽水の脱塩に使用される電極用には理想的である。特に、メソポーラスを含有するカーボンは、それらが高表面積を可能にするとともに電解質イオンの自由な移動を可能にするという点で、いくつかの液体適用において利点をもつ。本カーボンは、非常に薄いカーボン電極として使用されやすく、カーボンの内外へのより迅速なイオンの移動を可能にすることから、増大された電力を生じる。さらに、薄板は電極のアレイ内へ容易に梱包されることが可能であり、コンパクトな装置を産生する。
本発明の炭素質電極を作製する法は、容量性脱イオン技術(CDT)用の電極を、これまで可能であったよりも安価に、ポアサイズと表面積の間に必要なバランスをもって製造するべく使用されることが可能である。
本方法はまた、ウルトラキャパシタを作製するべく使用されてもよい。本発明に従って作製されたメソポーラスカーボンは、非常に高表面積の、それゆえ高キャパシタンスの、ポーラスカーボン電極において使用されることが可能である。高表面積のメソポーラスカーボンは、必然的に高いエネルギー蓄積密度を有する。ポーラス材料のキャパシタンスは、比表面積とともに直線的に増加する。それゆえ、20μF/cm2のキャパシタンスおよび200m2/gの表面積のカーボン材料は、もし全ての表面が電気化学的に接触可能であれれば、400F/gのキャパシタンスを有することとなる。ミクロポーラスカーボンは、典型的には電気化学的に低比率の表面積によって特徴づけられ、それゆえ測定されたキャパシタンスは理論値の約10〜20%である。メソポーラスカーボンは、エネルギーおよび電力密度において利点を実現させることが可能であり、それから作製されるウルトラキャパシタにおいて改良を実現させることが可能である。
ポーラスカーボンは、低および高の、双方の炉ガス流速において、陽イオン成分を用いて、および用いず、の双方で調製された。スクロース(10g)、水(7mL)、硫酸(2.24g)、および、もし使用される場合には、硫酸アンモニウム(1.8g)が、不活性ガスまたは空気を含んでなる雰囲気下に、100℃の温度において6時間加熱された。混合物は続いて160℃で加熱され、黒色固体を与えた。窒素雰囲気下に、16炉容積/時間または0.6炉容積/時間の炉ガス流速での、900℃を超える温度における最終処理が、ポーラスカーボンを与えた。それによって得られたポーラスカーボンの、BET表面積およびBJH平均ポア径が表2に示されている。
一般法が、脱水剤として強いカルボン酸を用いて、等しく適用可能である。シュウ酸は、陽イオン成分の存在下に、本発明において使用可能であることが見出された。炉ガス流なしに、窒素中で、1000℃における炭化を用いる実施例1〜4の一般法が使用された。表3に示されるように、ポーラスカーボンは、CTABを用いて、または用いずに調製されることが可能であり、表面積の異なるポーラスカーボンを与える。
ポーラスカーボンは、以下の方法に従って調製された。スクロース(10g)、水(7mL)、および硫酸(1.12g)、および、もし使用される場合には、非金属陽イオン成分を含有する0.45gの化合物であって、硫酸アンモニウム(実施例6)、テトラメチルアンモニウムブロマイド(実施例7)、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(実施例8)、テトラプロピルアンモニウムブロマイド(実施例9)、テトラブチルアンモニウムブロマイド(実施例10)、セチルトリメチルアンモニウムブロマイド(実施例11)、塩酸トリエチルアミン(実施例12)、テトラメチルホスホニウムクロライド(実施例13)、硫酸ナトリウム(実施例14)、トリエチルアミン(実施例15)、硫酸セシウム(実施例16)、1,4−ジアミノブタン(実施例17)、およびトリフェニルメタノール(実施例18)の中から選ばれる化合物、を含んでなる混合物は、実施例1〜4に記述されたように、100℃および160℃まで加熱された。試料はさらに、16炉容量/時間の流速下で、900℃において炭化された。他の可能な非金属陽イオン用の前駆体は、テトラヘキシルアンモニウムクロライド(N[(CH2)5CH3]4Cl)、テトラペンチルアンモニウムブロマイド(N[(CH2)4CH3]4Br)、テトラヘプチルアンモニウムブロマイド(N[(CH2)6CH3]4Br)、テトラオクチルアンモニウムブロマイド(N[(CH2)7CH3]4Br)、トリメチルドデシルアンモニウムクロライド(CH3(CH2)11N(CH3)3Cl)、トリメチルテトラデシルアンモニウムブロマイド(CH3(CH2)13N(CH3)Br)、トリメチルヘキサデシルアンモニウムクロライド(CH3(CH2)15N(CH3)3Cl)、およびメチルトリオクチルアンモニウムクロライド(CH3N[(CH2)7CH3]3Cl)ジアミノブタンジヒドロクロライド(H2N(CH2)4NH2・2HCl)、塩酸ポリエチレンイミン(H(−NHCH2CH2−)nHN2・XHCl)、テトラエチルホスホニウムブロマイド(PEt4Br)、およびテトラメチルホスホニウムクロライド(PMe4Cl)を含む。
ポーラスカーボンは、以下の方法に従って調製された。炭水化物(10g)、水(7mL)、硫酸(1.12g)、および、もし使用されるなら、0.45または0.90gのCTABからなる混合物は、実施例1〜4に記述されたように100℃および160℃まで加熱された。試料はさらに、16炉容量/時間の流速下に900℃で炭化された。
ポーラスカーボンは、以下の方法に従って調製された。炭水化物(10g)、水(7mL)、および硫酸水素アンモニウムからなる混合物は、硫酸水素アンモニウムが使用されたこと、および硫酸が使用されなかったことを除いて、実施例1〜4に記述されたように100℃および160℃まで加熱された。試料はさらに、16炉容量/時間の流速下に900℃で炭化された。表6に示されたように、硫酸の非存在下に、高表面積カーボンを作製することが可能であることが発見された。表6に示された結果は、異なる量の非金属陽イオン塩が本発明によって許容されることが可能であり、好ましい表面積範囲および所望のメソ多孔性を生じることを示している。
ポーラスカーボンは、実施例1〜4の一般法に従い、陽イオン成分対強酸のモル比が、実施例34〜38の各々において以下の表7に示されたように変えられたことを付加して調製された。陽イオン成分対強酸のモル比に対する表面積の依存性は、陽イオン成分と酸成分との間の機械論的な関係を示している。
重硫酸テトラメチルアンモニウムが使用されたこと、および硫酸が使用されなかったことを除いて、実施例1〜4の一般法が追従された。以下の表8に示されたように、硫酸の非存在下に高表面積カーボンを産生することが可能であったことが発見された。
本方法は、水に可溶性の、および水に不溶性の炭水化物に対し、等しく適用可能である。たとえば、本方法は、炭水化物として水不溶性のデンプンセルロースが選ばれた場合に有効である。窒素ガス中、0.6炉容量/時間の炉ガス流速による1050℃での炭化を用いて、実施例1〜4の一般法が使用された。表9に示されたように、セルロースカーボンは硫酸アンモニウムを用いるかまたは用いずに調製されることが可能であり、表面積の異なるポーラスカーボンを与える。加工の間に粒子は凝集せず、セルロースが溶解しないことを示している。それにもかかわらず、溶液は粒子に浸透することができるように思われる。
実施例1〜4の一般法が、スクロース(10g)、H3PO4(2.24g)、水(7mL)および、窒素中0.6炉容量/時間の炉ガス流速による1050℃での炭化と、他に示さない限り5時間のランプ時間とを用いて使用された。本発明においては、陽イオン成分の存在下にリン酸が使用可能であることが発見された(表10)。低い窒素流条件下では、リン酸は高表面積カーボンを与えることが可能であるが、窒素等温線ではヒステレシスを示さず、メソ多孔性がないことを示している(実施例42)。アンモニウム陽イオン成分の添加は、ヒステレシスの存在によって証明されるようなメソ多孔性を増加させる(実施例43および44)。炉のランプ時間の増加は、2000m2/gより大きい表面積を有するポーラスカーボンを産生した(実施例45)。
表11は、種々の賦活法の効果と、それによって得られたポーラスカーボンの特性とを説明している。カーボンの表面積は、二酸化炭素または蒸気による物理的賦活によってさらに増加されることが可能である。これらの技術は、1000m2/gより大きい表面積をもつ市販のポーラスカーボンを調製するため一般に用いられている(キノシタ(Kinoshita)、1988年)。二酸化炭素または高温の蒸気を含んでなる賦活法の場合には、作業機序は、以下の等式(1)および(2)に描かれたような、一部のカーボンの揮発性生成物への転換である。
C + CO2 ←→ 2CO (1)
C + H2O ←→ CO + H2 (2)
表12では、ポーラスカーボンの特性に対する延長されたランプ時間の影響が説明されている。実施例52および53では、実施例1〜4の一般法が、硫酸アンモニウム:スクロース、および硫酸:スクロースの特定重量比:(NH4)2SO4/スクロース=0.18、H2SO4/スクロース=0.224を用いて使用された。試料は、窒素中0.6炉容量/時間のガス炉流速において、1050℃で炭化された。
CDT試験装置は、10,000ppmのNaCl溶液を保持しているリザーバと、部分的に溶液中に浸漬された(2”)2つの2”×3”電極とを含んでなるものであった。電極から電力システムへの電気的接触は、アリゲータクリップを用いて行なわれた。電力システムは、電源、リレー、および抵抗器からなる。実験は、コントロール(Control)EGソフトウエアによるコンピュータ駆動であった。実験順序は、電極を1.2Vで30分間印加すること、および抵抗器を通してセルを放電するとともに、対応する電圧降下を測定することからなる。
基板は、炭水化物/アンモニウム塩溶液に浸漬され、これにおいて炭水化物は好ましくはスクロースを含んでなる。湿った基板は、約100に約6時間、次いで160℃に約6時間、空気下に加熱された。炭化温度は、使用されたアンモニウム塩に依存して、たとえば850℃〜1000℃の間で変えることができる。加えて、炭化の間に使用されたフローガスは、そのようにして得られたポーラスカーボンの多孔性の最終状態に著しく影響を及ぼすことが可能である。したがって、本方法のいくつかの態様によれば、炭化条件は、CTABを含んでなる試料を、二酸化炭素雰囲気下に900℃で2時間加熱することを含んでなる。別法として、炭化条件は、硫酸アンモニウムを含んでなる試料を、窒素雰囲気下に900℃で2時間加熱することを含んでなってもよい。
(ポーラスカーボンに関するキャパシタンスの結果)
Claims (51)
- ポーラスカーボンを作製する方法であって、
(a)キュアされたカーボンをつくるために有効な条件下で混合物をキュアすること、ここで、前記混合物は、
(i)少なくとも一つの炭水化物、
(ii)少なくとも一つの脱水成分、および
(iii)非金属陽イオン成分を含んでなる少なくとも一つのポア形成剤、
を含んでおり;及び
(b)キュアされたカーボンを、約100m2/gと約3000m2/gの間の表面積を有するポーラスカーボンを与えるのに有効な条件下で炭化すること、
を含んでなる方法。 - 段階(a)が、混合物から実質的に全ての水を除去することを含む、請求項1の方法。
- 段階(a)が、ポーラスモノリスをつくることを含む、請求項2の方法。
- 前記ポーラスモノリスを摩砕することをさらに含む、請求項3の方法。
- 前記脱水成分および非金属陽イオン成分が、一つの化合物の二つの成分を含んでなる、請求項1の方法。
- 前記化合物が、硫酸水素アンモニウム((NH4)HSO4)、硫酸水素テトラメチルアンモニウム(N(CH4)4HSO4)、硫酸水素テトラエチルアンモニウム(N(CH2CH3)4HSO4)、硫酸水素テトラプロピルアンモニウム(N(CCH2CH2H3)4HSO4)、硫酸水素テトラブチルアンモニウム(N(CH2CH2CH2CH3)4HSO4)、硫酸水素テトラヘキシルアンモニウム(N[(CH2)5CH3]4HSO4)、硫酸水素テトラヘプチルアンモニウム(N[(CH2)6CH3]4HSO4)、硫酸水素テトラオクチルアンモニウム(N[(CH2)7CH3]4HSO4)、硫酸水素トリメチルドデシルアンモニウム(CH3(CH2)11N(CH3)3HSO4)、硫酸水素トリメチルテトラデシルアンモニウム(CH3(CH2)13N(CH3)3HSO4)、硫酸水素トリメチルヘキサデシルアンモニウム(CH3(CH2)15N(CH3)3HSO4)、シュウ酸水素アンモニウム((NH4)HC2O4)、リン酸二水素アンモニウム((NH4)H2PO4)、リン酸水素アンモニウム((NH4)2HPO4)、および硫酸水素メチルトリオクチルアンモニウム(CH3N[(CH2)7CH3]3HSO4)からなる群より選ばれる、請求項5の方法。
- 少なくとも1つの非金属陽イオン成分がアンモニウム陽イオンを含んでなる、請求項1の方法。
- 前記非金属陽イオン成分が、実質的に水酸化物およびアミンがない、請求項1の方法。
- 段階(a)が第1加熱段階および第2加熱段階を含む、請求項1の方法。
- 前記第1加熱段階が前記第2加熱段階の前に実行される、請求項10の方法。
- 第1加熱段階が、約80℃と約120℃の間の温度において行なわれ、かつ約1時間と約6時間の間継続する、請求項10の方法。
- 第1加熱段階が、第1加熱段階からの材料をペレットへ成形することをさらに含む、請求項12の方法。
- 第1加熱段階が、第1加熱段階からの材料を水で洗浄することをさらに含む、請求項12の方法。
- 第2加熱段階が、約140℃と約200℃の間の温度で行なわれ、かつ約1時間と約6時間の間継続する、請求項10の方法。
- 前記段階の少なくとも1つが、窒素、アルゴン、空気、およびそれらの組合せからなる群より選ばれる雰囲気中で行なわれる、請求項10の方法。
- 段階(a)が単一の加熱段階を含んでなる、請求項1の方法。
- (a)混合物をキュアすること、のための条件が、1気圧より低い圧力を含む、請求項1の方法。
- 炭化が、約500℃と約1200℃の間の温度において、約1時間と約4時間の間の時間間隔にわたって行なわれる、請求項1の方法。
- 炭化が、不活性雰囲気下に行なわれる、請求項1の方法。
- 炭化が、減圧された雰囲気下に行なわれる、請求項1の方法。
- 炭化が、約0炉容量/時間と約16炉容量/時間の間の炉ガス流速において行なわれる、請求項1の方法。
- 炭化が、約0.5炉容量/時間と約1.5炉容量/時間の間の炉ガス流速において行なわれる、請求項1の方法。
- 賦活段階をさらに含んでなる、請求項1の方法。
- 前記賦活段階が、前記ポーラスカーボンを、高温蒸気、二酸化炭素、リン酸、塩化亜鉛、および水酸化カリウムから選ばれる、少なくとも一つによって処理することを含んでなる、請求項23の方法。
- 少なくとも5時間の、前記炭化段階のためのランプ時間をさらに含んでなる、請求項1の方法。
- 少なくとも10時間の、前記炭化段階のためのランプ時間をさらに含んでなる、請求項1の方法。
- 前記少なくとも一つの炭水化物が、グルコース、フルクトース、マルトース、スクロース、ガラクトース、コーンシロップ、高フルクトースコーンシロップ、デンプン、セルロース、およびラクトース、グリセルアルデヒド、ジヒドロキシアセトン、およびセロビオースからなる群より選ばれる、請求項1の方法。
- 前記少なくとも一つの炭水化物が、スクロース、フルクトース、およびグルコースからなる群より選ばれる、請求項1の方法。
- 少なくとも一つの脱水成分および、少なくとも一つの非金属陽イオン成分が、二つの別個の化合物に由来する、請求項1の方法。
- 前記脱水成分が酸である、請求項29の方法。
- 前記脱水成分が、硫酸、リン酸、亜硫酸、亜リン酸、亜塩素酸、次亜塩素酸、次亜臭素酸、次亜ヨウ素酸、過ヨウ素酸、過塩素酸、硝酸、亜硝酸、ヨウ素酸、塩酸、トルエンスルホン酸、シュウ酸、およびメタンスルホン酸からなる群より選ばれる、請求項29の方法。
- 前記アンモニウム陽イオンが、式NR1R2R3R4を有しており、
式中、R1、R2、R3、およびR4は、同じかまたは異なってよく、かつH、CH3、CH2CH3、CH2CH2CH3、CH(CH3)2、CH2(CH2)2CH3、CH(CH3)CH2CH3、CH2CH(CH3)2、C(CH3)3、CH2(CH2)14CH3、CH2(CH2)4CH3、CH2(CH2)5CH3、CH2(CH2)3CH3、CH2(CH2)6CH3、CH2(CH2)10CH3、CH2(CH2)12CH3、およびそれらの任意の組合せからなる群より選ばれる、請求項31の方法。 - 請求項27の方法であって、
(iii)少なくとも一つの非金属陽イオン成分が、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)、シュウ酸アンモニウム((NH4)2C2O4)、テトラメチルアンモニウムブロマイド(NMe4Br)、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(NEt4BF4)、テトラプロピルアンモニウムブロマイド(NPr4Br)、テトラブチルアンモニウムブロマイド(NBu4Br)、セチルトリメチルアンモニウムブロマイド(CTAB)、塩酸トリメチルアミン(NEt3・HCl)、テトラヘキシルアンモニウムクロライド(N[(CH2)5CH3]4Cl)、テトラペンチルアンモニウムブロマイド(N[(CH2)4CH3]4Br)、テトラヘプチルアンモニウムブロマイド(N[(CH2)6CH3]4Br)、テトラオクチルアンモニウムブロマイド(N[(CH2)7CH3]4Br)、トリメチルドデシルアンモニウムクロライド(CH3(CH2)11N(CH3)3Cl)、トリメチルテトラデシルアンモニウムブロマイド(CH3(CH2)13N(CH3)Br)、トリメチルヘキサデシルアンモニウムクロライド(CH3(CH2)15N(CH3)3Cl)、およびメチルトリオクチルアンモニウムクロライド(CH3N[(CH2)7CH3]3Cl)ジアミノブタンジヒドロクロライド(H2N(CH2)4NH2・2HCl)、トリフェニルメタノール(C6H5)3COH、塩酸ポリエチレンイミン(H(−NHCH2CH2−)nHN2・XHCl、テトラエチルホスホニウムブロマイド(PEt4Br)、およびテトラメチルホスホニウムクロライド(PMe4Cl)からなる群より選ばれる化合物に由来する方法。 - 請求項1の方法に従って作製されるポーラスカーボン。
- 請求項34に従って作製されるポーラスカーボンであって、前記カーボンが二つのピークを有する容積ポアサイズ分布によって特徴づけられるポーラスカーボン。
- 前記ピークの1つが、0.5nmと1.0nmの間であり、前記ピークの2番目が1.0nmと5.0nmの間である、請求項35のポーラスカーボン。
- 前記カーボンが、有機電解質中で測定された少なくとも40F/cm3の体積比容量によってさらに特徴づけられる、請求項35のポーラスカーボン。
- 前記カーボンが、約2nmと約30nmの間の平均ポア径によって特徴づけられる、請求項34のポーラスカーボン。
- 前記ポーラスカーボンが、少なくとも900m2/gの表面積によって特徴づけられる、請求項34のポーラスカーボン。
- 前記ポーラスカーボンが、少なくとも0.4g/cm3の密度によって特徴づけられる、請求項34のポーラスカーボン。
- 前記ポーラスカーボンが、有機電解質中で測定された少なくとも40F/cm3の体積比容量によって特徴づけられる、請求項34のポーラスカーボン。
- 前記有機電解質が、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、およびジエチルカーボネートからなる群より選ばれる、少なくとも一つを含んでなる、請求項41のポーラスカーボン。
- 前記ポーラスカーボンが、水性電解質中で測定された少なくとも80F/cm3の体積比容量によって特徴づけられる、請求項34のポーラスカーボン。
- 前記水性電解質が、塩化ナトリウム(NaCl)、水酸化カリウム(KOH)、および硫酸(H2SO4)からなる群より選ばれる、請求項43のポーラスカーボン。
- 前記有機電解質が、1M NEt4BF4および 1:1のジメチルカーボネート:プロピレンカーボネートを含んでなる、請求項43のポーラスカーボン。
- 請求項1の方法に従って製されたカーボンを含んでなる、炭素質電極。
- 二つのピークをもつ体積ポアサイズ分布によって特徴づけられ、前記ピークの1番目が、0.5nmと1.0nmの間であり、前記ピークの2番目が1.0nmと5.0nmの間であるポーラスカーボン。
- 前記カーボンが、有機電解質中で測定された少なくとも40F/cm3の体積比容量によってさらに特徴づけられる、請求項47のポーラスカーボン。
- 前記カーボンが、約2nmと約30nmの間の平均ポア径によってさらに特徴づけられる、請求項47のポーラスカーボン。
- 前記ポーラスカーボンが、少なくとも900m2/gの表面積によって特徴づけられる、請求項47のポーラスカーボン。
- 前記ポーラスカーボンが、少なくとも0.4g/cm3の密度によって特徴づけられる、請求項47のポーラスカーボン。
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