JP2008050239A - Nanocarbon material composite and method for producing the same - Google Patents

Nanocarbon material composite and method for producing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nanocarbon material composite having diamond microparticles as nuclei and being excellent in e.g., processability and to provide a method for producing the same. <P>SOLUTION: The nanocarbon material composite 1 is composed of diamond microparticles 2 each of the surfaces of which is surrounded by a nanocarbon material 3 directly or through a metal or a metal compound. It is desirable that the diamond microparticles have particles diameters not larger than 1 μm. The nanocarbon material can make a carbon nanofiber or a carbon nanocoil. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、強度補強材料、電子放出素子材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料、或いは、光学材料としての応用が期待されるナノ炭素材料に関し、特に、ダイヤモンド微粒子を核に持つ、ナノ炭素材料複合体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a nanocarbon material that is expected to be applied as a strength reinforcing material, an electron-emitting device material, a battery electrode material, an electromagnetic wave absorbing material, a catalyst material, or an optical material, and particularly has diamond fine particles as a core. The present invention relates to a nanocarbon material composite and a method for producing the same.

ナノ炭素材料は、炭素のsp混成軌道で構成された、ナノメーター(nm)サイズの微細形状を有することから、従来の材料を凌駕する特性を有し、また従来の材料にはない特性を有しており、強度補強材料、電子放出素子材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料或いは光学材料など、次世代の機能性材料としての応用が期待されている。 Nano-carbon materials have a nanometer (nm) -sized fine structure composed of carbon sp 2 hybrid orbitals, and therefore have characteristics that surpass conventional materials and are not found in conventional materials. It is expected to be applied as a next-generation functional material such as a strength reinforcing material, an electron-emitting device material, a battery electrode material, an electromagnetic wave absorbing material, a catalyst material, or an optical material.

カーボンナノチューブ等のナノ炭素材料の合成方法としては、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法等が知られている(非特許文献1,2参照)。これらの方法のうち、アーク放電法、レーザーアブレーション法やプラズマ化学気相成長法は非平衡反応であるため、非晶質成分を生成しやすく、一般的に生成するカーボンナノチューブの収率が低く、また、生成したカーボンナノチューブの直径や種類が一様でないことが知られている。   Known methods for synthesizing nanocarbon materials such as carbon nanotubes include arc discharge, laser ablation, plasma chemical vapor deposition, and thermal chemical vapor deposition (see Non-Patent Documents 1 and 2). Among these methods, arc discharge method, laser ablation method and plasma chemical vapor deposition method are non-equilibrium reactions, so it is easy to generate amorphous components, and generally the yield of carbon nanotubes to be generated is low. It is also known that the diameter and type of the produced carbon nanotubes are not uniform.

一方、特許文献1及び2には、触媒を用いて炭化水素ガスを熱分解することによりカーボンナノチューブを製造する熱化学気相成長法が開示されており、化学平衡反応を利用するため収率が比較的高いことが知られている。この方法では、超微粒の鉄やニッケルなどの触媒粒子を核として成長した炭素繊維が得られる。得られた炭素繊維は、炭素網層が同心状、中空状に成長したものもある。しかしながら、この方法においても、触媒となる金属の粒径や化学状態を制御することが困難であり、ナノ炭素材料の構造を制御して合成することができない。このため、実用化の際に要求される、所望の構造の材料を作り分けて得ることはできず、結果的に収率が低下することは避けられなかった。   On the other hand, Patent Documents 1 and 2 disclose a thermal chemical vapor deposition method in which carbon nanotubes are produced by thermally decomposing a hydrocarbon gas using a catalyst. It is known to be relatively expensive. In this method, carbon fibers grown using catalyst particles such as ultrafine iron and nickel as nuclei can be obtained. Some of the obtained carbon fibers have carbon net layers grown concentrically and hollowly. However, even in this method, it is difficult to control the particle size and chemical state of the metal serving as a catalyst, and the structure of the nanocarbon material cannot be controlled and synthesized. For this reason, materials having a desired structure required for practical use cannot be obtained separately, and it is inevitable that the yield decreases as a result.

しかも、従来のナノ炭素材料では、合成したナノ炭素材料を使用形態に加工する際、例えば電池の電極の形状に加工する際には、黒鉛粒子や不定形炭素などのナノ炭素材料以外の炭素不純物を含んだ反応生成物中からナノ炭素材料を精製したり、基板上に成長したカーボンナノチューブを掻き落とすことで、必要な量のカーボンナノチューブを収集することが必要であり、低コストで大量に、かつ所望の構造を持ったナノ炭素材料を使用した部材を製造することができなかった。   Moreover, in the conventional nanocarbon material, when processing the synthesized nanocarbon material into a usage form, for example, when processing into the shape of a battery electrode, carbon impurities other than the nanocarbon material such as graphite particles and amorphous carbon are used. It is necessary to collect the required amount of carbon nanotubes by purifying the nanocarbon material from the reaction product containing, and scraping off the carbon nanotubes grown on the substrate. In addition, a member using a nanocarbon material having a desired structure could not be manufactured.

さらに、従来のナノ炭素材料は、個々は結晶性を持ち、繊維状の形態をもつ材料は得られているが、例えばグラム単位でみた集合体は無秩序な集まりであって、かつ、密度が低いパウダー状あるいはクラスター状の固体である。このようなナノ炭素材料を実用的な材料として適用するために、ペースト化あるいは樹脂等の他材料と混合しても、無秩序で低密度の集合体であるため、均一な混合が容易ではなかった。   Furthermore, conventional nanocarbon materials have individual crystallinity, and materials having a fibrous form are obtained. For example, the aggregate in terms of grams is a disorderly assembly and has a low density. It is a powdery or clustered solid. In order to apply such a nanocarbon material as a practical material, even if it is made into a paste or mixed with other materials such as a resin, it is a disordered and low-density assembly, so uniform mixing is not easy .

特開2002−255519号公報JP 2002-255519 A 特開2002−285334号公報JP 2002-285334 A 独立行政法人 産業技術総合研究所 ナノカーボン研究センター編、「ナノカーボン料」、丸善株式会社、平成16年5月25日発行,pp187−191National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Nanocarbon Research Center, “Nanocarbon Materials”, Maruzen Co., Ltd., May 25, 2004, pp 187-191 独立行政法人 産業技術総合研究所 ナノカーボン研究センター編、「ナノカーボン料」、丸善株式会社、平成16年5月25日発行、pp191−192National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Nanocarbon Research Center, “Nanocarbon Materials”, Maruzen Co., Ltd., issued on May 25, 2004, pp191-192

上記したように、従来のナノ炭素材料では、所望の構造を持ったナノ炭素材料を使用した部材を製造することができないという課題がある。   As described above, the conventional nanocarbon material has a problem that a member using the nanocarbon material having a desired structure cannot be manufactured.

本発明は上記課題に鑑み、各種の用途に適した構造をもつナノ炭素材料複合体を提供することを第一の目的としている。
本発明の第二の目的は、ナノ炭素材料の種類や形状を制御して、かつ高い収率で合成できる、ナノ炭素材料複合体の製造方法を提供することにある。
In view of the above problems, the first object of the present invention is to provide a nanocarbon material composite having a structure suitable for various applications.
The second object of the present invention is to provide a method for producing a nanocarbon material composite which can be synthesized with a high yield by controlling the type and shape of the nanocarbon material.

上記の第一の目的を達成するために、本発明のナノ炭素材料複合体は、ダイヤモンド微粒子と、ダイヤモンド微粒子の表面に直接、或いは、金属又は金属化合物を介して形成されたナノ炭素材料と、からなることを特徴とする。
上記構成によれば、ダイヤモンド微粒子とナノ炭素材料を一体化した複合体とすることにより、ナノ炭素材料を集合体として扱うことが容易となり、ペースト化や他物質との混合の際、不均一となったり飛散したりすることが無くなり、プロセス適性が向上できる。また、ダイヤモンドは化学的に非常に安定な物質であるため、様々なプロセスにおいても高い耐性を持つことから、実用用途における特性に悪影響を及ぼすことはない。
In order to achieve the above first object, the nanocarbon material composite of the present invention includes diamond fine particles, a nanocarbon material formed directly on the surface of the diamond fine particles, or via a metal or a metal compound, It is characterized by comprising.
According to the above configuration, it is easy to handle the nanocarbon material as an aggregate by forming a composite in which the diamond fine particles and the nanocarbon material are integrated. The process suitability can be improved because there is no longer any scattering or scattering. In addition, since diamond is a chemically very stable substance, it has high resistance in various processes, so that it does not adversely affect properties in practical use.

上記ダイヤモンド微粒子の粒径は、好ましくは、1μm以下である。ダイヤモンド微粒子を1μm以下のナノダイヤモンド粒子で構成することで、ナノ炭素材料と同オーダーの粒径を持つため、ダイヤモンドとナノ炭素材料の結合を形成でき、核として十分な機能を果たすと共に、核がナノサイズの微小粒子であるため、物性的にダイヤモンドの影響はなくナノ炭素材料の機能を最大限生かすことができる。   The particle diameter of the diamond fine particles is preferably 1 μm or less. Since the diamond fine particles are composed of nanodiamond particles of 1 μm or less, they have the same particle size as the nanocarbon material, so that the bond between the diamond and the nanocarbon material can be formed. Since it is a nano-sized fine particle, there is no influence of diamond on the physical properties, and the function of the nanocarbon material can be utilized to the maximum.

上記構成において、ナノ炭素材料をカーボンナノファイバーとすれば、最も一般的なナノ炭素材料であるカーボンナノチューブよりも構造的に密であるため、実用材料として適用した場合に、特に各種素子等の信頼性の向上を図ることができる。   In the above configuration, if the nanocarbon material is a carbon nanofiber, it is structurally denser than the carbon nanotube, which is the most common nanocarbon material. It is possible to improve the performance.

上記構成において、ナノ炭素材料をカーボンナノコイルとすれば、最も一般的なナノ炭素材料であるカーボンナノチューブよりも単位体積あたりの表面積が増加するため、実用材料として適用した場合に、特に各種素子等の効率の向上を図ることができる。   In the above configuration, if the nanocarbon material is a carbon nanocoil, the surface area per unit volume is increased compared to the carbon nanotube, which is the most common nanocarbon material. The efficiency can be improved.

上記の第二の目的を達成するために、本発明のナノ炭素材料複合体の製造方法は、表面が酸化されたダイヤモンド微粒子の表面に、遷移金属触媒を担持してダイヤモンド触媒微粒子とし、このダイヤモンド触媒微粒子を炭化水素からなる気相中でナノ炭素材料が合成される触媒反応温度に加熱し、ダイヤモンド触媒微粒子表面にナノ炭素材料を成長させることを特徴とする。
上記構成によれば、熱化学気相成長法を用い、かつ、ダイヤモンド微粒子を金属触媒の下地とし用い、ダイヤモンド触媒微粒子とするので、触媒の径を制御しかつ均一に作製することができ、これによりナノ炭素材料の径の制御が可能となる。
In order to achieve the second object described above, the method for producing a nanocarbon material composite of the present invention comprises a diamond metal fine particle by supporting a transition metal catalyst on the surface of a diamond fine particle having an oxidized surface. The catalyst fine particles are heated to a catalytic reaction temperature at which the nanocarbon material is synthesized in a gas phase composed of hydrocarbons, and the nanocarbon material is grown on the surface of the diamond catalyst fine particles.
According to the above configuration, the thermal chemical vapor deposition method is used, and the diamond fine particles are used as the base of the metal catalyst to form the diamond catalyst fine particles. Therefore, the catalyst diameter can be controlled and uniformly produced. This makes it possible to control the diameter of the nanocarbon material.

上記ナノ炭素材料複合体の製造方法において、好ましくは、遷移金属触媒はニッケル又はコバルトから成り、ナノ炭素材料はカーボンナノファイバーである。或いは、遷移金属触媒がパラジウムであり、ナノ炭素材料がカーボンナノコイルであってもよい。炭化水素は、好ましくは、メタン又はエチレンである。触媒反応温度は、好ましくは、400℃から700℃の範囲である。
炭化水素がメタンの場合は、触媒反応温度を400℃から600℃の温度範囲の何れかとすれば好適である。また、炭化水素がエチレンである場合は、触媒反応温度を400℃から700℃の温度範囲の何れかとすればよい。
上記構成によれば、カーボンナノファイバー又はカーボンナノコイルをナノ炭素材料としたナノ炭素材料複合体を非常に再現性が高く、かつ、高収率で得ることができる。
In the method for producing a nanocarbon material composite, preferably, the transition metal catalyst is made of nickel or cobalt, and the nanocarbon material is carbon nanofiber. Alternatively, the transition metal catalyst may be palladium, and the nanocarbon material may be a carbon nanocoil. The hydrocarbon is preferably methane or ethylene. The catalytic reaction temperature is preferably in the range of 400 ° C to 700 ° C.
In the case where the hydrocarbon is methane, it is preferable that the catalytic reaction temperature is in the temperature range of 400 ° C to 600 ° C. Further, when the hydrocarbon is ethylene, the catalytic reaction temperature may be any temperature range from 400 ° C to 700 ° C.
According to the above configuration, a nanocarbon material composite using carbon nanofibers or carbon nanocoils as a nanocarbon material can be obtained with very high reproducibility and high yield.

本発明のナノ炭素材料複合体は、ダイヤモンド微粒子とナノ炭素材料が一体化しているため、集合体として扱いやすく、ペースト化したり他の材料と混合したりする際に不均一化や飛散を起こすことがなく、実用化プロセス適性に優れている。また、ダイヤモンドは化学的に安定で、他の材料と反応を起こすことがないため、実用物性に悪影響を及ぼすことがない。したがって、本発明のナノ炭素材料複合体を、構造材料、電子放出材料、電気二重層キャパシタ・電池、燃料電池、或いは、一般的な二次電池の電極材料として使用する際に、良好なプロセス適性を示し、製造コストの低減が可能となる。   The nanocarbon material composite of the present invention is easy to handle as an aggregate because the diamond fine particles and the nanocarbon material are integrated, causing non-uniformity and scattering when pasted or mixed with other materials. It is excellent in practical process suitability. In addition, diamond is chemically stable and does not react with other materials, so it does not adversely affect practical physical properties. Therefore, when the nanocarbon material composite of the present invention is used as an electrode material of a structural material, an electron emission material, an electric double layer capacitor / battery, a fuel cell, or a general secondary battery, it has good process suitability. The manufacturing cost can be reduced.

本発明のナノ炭素材料複合体の製造方法によれば、ダイヤモンド微粒子上に繊維状のナノカーボン材料が成長したナノ炭素材料複合体を製造できる。このように、熱化学気相成長法で、かつ、ダイヤモンド微粒子を金属触媒の下地として用いることで、触媒の径を制御しかつ均一に作製することができ、ナノ炭素材料の構造制御が可能となる。   According to the method for producing a nanocarbon material composite of the present invention, a nanocarbon material composite in which a fibrous nanocarbon material is grown on diamond fine particles can be produced. In this way, by using thermal chemical vapor deposition and using diamond fine particles as the base of the metal catalyst, the catalyst diameter can be controlled and uniformly produced, and the structure of the nanocarbon material can be controlled. Become.

以下、本発明の最良の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
最初に、本発明のナノ炭素材料複合体について説明する。
図1は本発明のナノ炭素材料複合体の構成を示す模式断面図である。図1に示すように、本発明のナノ炭素材料複合体1は、核となるダイヤモンド微粒子2と、ダイヤモンド微粒子2上に成長したナノ炭素材料3とからなるものである。図1では、ナノ炭素材料3が直接ダイヤモンド微粒子2上に存在する場合を示しているが、ナノ炭素材料3が、金属あるいは酸化物をはじめとする金属化合物を介して、ダイヤモンド微粒子2上に存在する場合もある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the nanocarbon material composite of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the nanocarbon material composite of the present invention. As shown in FIG. 1, the nanocarbon material composite 1 of the present invention is composed of diamond fine particles 2 serving as nuclei and nanocarbon material 3 grown on the diamond fine particles 2. FIG. 1 shows the case where the nanocarbon material 3 is directly present on the diamond fine particles 2. However, the nanocarbon material 3 is present on the diamond fine particles 2 via a metal compound such as a metal or an oxide. There is also a case.

ダイヤモンド微粒子2として、粒径が1μmより小さいナノダイヤモンド粒子を用いることで、ナノ炭素材料3の核として、より小さい容積で効率的に機能することが可能となる。この場合、ダイヤモンド微粒子2の粒径が、ナノ炭素材料3と同オーダーの粒径を持つため、ダイヤモンド微粒子2とナノ炭素材料3の結合を形成でき、核として十分な機能を果たすと共に、核がナノサイズの微小粒子であるため、物性的にダイヤモンドの影響はなくナノ炭素材料3の機能を最大限生かすことができる。   By using nanodiamond particles having a particle size smaller than 1 μm as the diamond fine particles 2, it is possible to function efficiently as a nucleus of the nanocarbon material 3 with a smaller volume. In this case, since the particle size of the diamond fine particle 2 has the same particle size as that of the nanocarbon material 3, a bond between the diamond fine particle 2 and the nanocarbon material 3 can be formed, and a sufficient function as a nucleus can be achieved. Since it is a nano-sized fine particle, there is no influence of diamond on physical properties, and the function of the nanocarbon material 3 can be utilized to the maximum.

ナノ炭素材料3がカーボンナノファイバーである場合には、より劣化の少ない、信頼性の高い材料物性を得ることができる。これにより、最も一般的なナノ炭素材料であるカーボンナノチューブよりも構造的に密であるため、実用材料として適用した場合に、各種素子等の信頼性の向上を図ることができる。   When the nanocarbon material 3 is a carbon nanofiber, it is possible to obtain material properties with less deterioration and high reliability. Thereby, since it is structurally denser than the carbon nanotube that is the most common nanocarbon material, the reliability of various elements can be improved when applied as a practical material.

ナノ炭素材料3がカーボンナノコイルである場合には、表面積が一層大きく、効率の高い材料物性を得ることができる。これにより、最も一般的なナノ炭素材料であるカーボンナノチューブよりも単位体積あたりの表面積が増加するため、実用材料として適用した場合に、各種素子等の効率の向上を図ることができる。   In the case where the nanocarbon material 3 is a carbon nanocoil, the surface area is larger, and highly efficient material properties can be obtained. As a result, the surface area per unit volume is larger than that of carbon nanotubes, which are the most common nanocarbon materials, so that the efficiency of various elements can be improved when applied as a practical material.

本発明のナノ炭素材料複合体1によれば、ダイヤモンド微粒子2とナノ炭素材料3を一体化した複合体とすることにより、ナノ炭素材料3を集合体として扱うことが容易になり、ペースト化や他物質と混合する際も、不均一化や飛散が生じることが無くなり、プロセス適性が向上できる。また、ダイヤモンド微粒子2は化学的に非常に安定な物質であるため、様々なプロセスにおいても、高い耐性を持つことから、実用用途における特性に悪影響を及ぼすことはない。   According to the nanocarbon material composite 1 of the present invention, by making the diamond fine particle 2 and the nanocarbon material 3 integrated, it becomes easy to handle the nanocarbon material 3 as an aggregate, Even when mixed with other substances, non-uniformity and scattering do not occur, and process suitability can be improved. Further, since the diamond fine particles 2 are chemically very stable, they have high resistance even in various processes, and thus do not adversely affect the characteristics in practical use.

次に、本発明のナノ炭素材料複合体21の製造方法について説明する。
図2は、本発明のナノ炭素材料複合体の製造過程を示し、(a)はダイヤモンド微粒子を、(b)は製造されたナノ炭素材料複合体を模式的に示す図である。
図2(a)に示すように、本発明に用いるダイヤモンド微粒子22は工業的に研磨用として市販されているものでよく、高い比表面積を有するもので、望ましくは10m/g以上のものを用いることにより、特に良い反応効率並びに均一性を得ることができる。ダイヤモンド微粒子22は、粒径範囲により分別されたものが市販されているので、粒径1μmより小さいナノサイズの粒径範囲を選定すれば、ナノダイヤモンド粒子として利用することができる。
Next, a method for producing the nanocarbon material composite 21 of the present invention will be described.
FIG. 2 shows the production process of the nanocarbon material composite of the present invention, where (a) schematically shows diamond fine particles and (b) schematically shows the produced nanocarbon material composite.
As shown in FIG. 2A, the diamond fine particles 22 used in the present invention may be commercially available for polishing, have a high specific surface area, and preferably have a specific surface area of 10 m 2 / g or more. By using it, particularly good reaction efficiency and uniformity can be obtained. Since the diamond fine particles 22 are commercially available classified according to the particle size range, if a nano-size particle size range smaller than 1 μm is selected, it can be used as nano-diamond particles.

ダイヤモンド微粒子22は、一度、350〜450℃において、酸素雰囲気下又は空気中で表面を酸化させた後に触媒担体として用いることが望ましい。   The diamond fine particles 22 are desirably used as a catalyst carrier after the surface is oxidized once at 350 to 450 ° C. in an oxygen atmosphere or in air.

ダイヤモンド微粒子22の表面を酸化した触媒担体に担持させる金属触媒としては、遷移金属触媒が挙げられる。この遷移金属触媒としては、ニッケル、コバルト、鉄、パラジウム等を用いることができる。これらの遷移金属触媒の内、触媒活性成分としてはニッケルが最も良好な活性を示す。   Examples of the metal catalyst for supporting the surface of the diamond fine particles 22 on the oxidized catalyst carrier include transition metal catalysts. As the transition metal catalyst, nickel, cobalt, iron, palladium or the like can be used. Of these transition metal catalysts, nickel exhibits the best activity as a catalytically active component.

上記ダイヤモンド微粒子22からなる触媒担体に金属触媒を担持する方法について説明する。
触媒担体へ金属触媒を担持するには、所定量の金属塩、例えば硝酸ニッケルなどの飽和水溶液に所定量のダイヤモンド微粒子22を加え、その後で過剰の水を蒸発させ、乾燥後400〜500℃の空気気流中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こさせ、金属塩を酸化物に転換する。焼成温度はこれより低いと十分に硝酸塩などの不純物を除去できず、活性を発現しないか、又は活性が低下するので好ましくない。焼成温度は550℃程度まで上昇させることもできる。それ以上の高温は、ダイヤモンドの一部が燃焼により消失する恐れがあり望ましくない。
次に、空気焼成後、ニッケル等からなる担持金属種の酸化物を金属へ還元して触媒とする。還元は300〜500℃の水素気流中で行ない、酸化物を金属に転換させる。還元温度はこれより低いと十分に金属に還元できず好ましくない。逆に、550℃以上の高い還元温度は担持金属の焼結を招き、活性を発現しないか、又は活性が低下して好ましくないが、焼成温度は550℃程度まで上昇させることもできる。
A method for supporting the metal catalyst on the catalyst carrier composed of the diamond fine particles 22 will be described.
In order to load the metal catalyst on the catalyst carrier, a predetermined amount of diamond fine particles 22 is added to a predetermined amount of a metal salt, for example, a saturated aqueous solution of nickel nitrate, and then excess water is evaporated. Firing in an air stream causes the metal salt to decompose and oxidize, converting the metal salt into an oxide. If the calcination temperature is lower than this, impurities such as nitrate cannot be sufficiently removed, and the activity is not exhibited or the activity is lowered, which is not preferable. The firing temperature can be increased to about 550 ° C. Higher temperatures are undesirable because some diamond may be lost by combustion.
Next, after firing with air, the supported metal species oxide made of nickel or the like is reduced to a metal to form a catalyst. The reduction is performed in a hydrogen stream at 300 to 500 ° C. to convert the oxide into a metal. If the reduction temperature is lower than this, it is not preferable because it cannot be sufficiently reduced to a metal. On the other hand, a high reduction temperature of 550 ° C. or higher invites sintering of the supported metal and does not exhibit the activity or decreases the activity, which is not preferable, but the firing temperature can be increased to about 550 ° C.

触媒成分の金属としてはニッケルが特に優れており、その含有量はダイヤモンド微粒子22に対して金属として、0.5から5重量%の間が望ましく、これより担持量が少なくても多くてもナノ炭素材料23(図2(b)参照)の収率は低下する。   Nickel is particularly excellent as the metal of the catalyst component, and the content thereof is preferably 0.5 to 5% by weight as a metal with respect to the diamond fine particles 22, and the amount supported is smaller or larger than this. The yield of the carbon material 23 (see FIG. 2B) decreases.

ナノ炭素材料複合体21を合成する反応としては、上記のように調製した触媒を担持したダイヤモンド微粒子24(以下、適宜にダイヤモンド触媒微粒子と称する。)を、所定量反応管に充填し触媒層とする。この反応管に不活性ガスを流し、不活性ガスを流しながら触媒反応温度となる所定温度まで昇温する。この温度は、例えば400〜700℃とすればよい。次に、原料としての炭化水素気体、例えばメタン又はエチレンなどを400〜700℃に保持した触媒層上へ流し、反応させる。この場合、炭化水素気体は不活性ガスに混合するか、又は不活性ガスと切り替えて流すことができる。不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウムなどのガスを用いればよい。反応管の形式は特に限定されるものでなく、固定床流通系でも流動床反応器を用いてもよい。   As a reaction for synthesizing the nanocarbon material composite 21, a predetermined amount of diamond fine particles 24 (hereinafter referred to as diamond catalyst fine particles) carrying the catalyst prepared as described above are filled in a reaction tube and a catalyst layer is formed. To do. An inert gas is allowed to flow through the reaction tube, and the temperature is raised to a predetermined temperature that is a catalytic reaction temperature while flowing the inert gas. This temperature may be 400 to 700 ° C., for example. Next, a hydrocarbon gas as a raw material, such as methane or ethylene, is allowed to flow over the catalyst layer maintained at 400 to 700 ° C. to be reacted. In this case, the hydrocarbon gas can be mixed with the inert gas or can be switched to the inert gas. As the inert gas, a gas such as argon, nitrogen, or helium may be used. The type of the reaction tube is not particularly limited, and a fluidized bed reactor may be used in a fixed bed flow system.

触媒反応温度は、400〜700℃が好ましい。触媒反応温度が400℃以下では反応が進まない。逆に、触媒反応温度が700℃以上では触媒を担持したダイヤモンド微粒子24において、ダイヤモンド微粒子と触媒となる金属との反応が生起し、ダイヤモンド微粒子内部への金属の溶解や、部分的に炭化物(カーバイド)などの化合物が生成するにより触媒活性が失われるので、好ましくない。炭化水素がメタンの場合には、触媒反応温度は400℃から600℃の温度範囲が好ましい。炭化水素がエチレンの場合には、触媒反応温度は400℃から700℃の温度範囲の何れかの温度であればよい。   The catalytic reaction temperature is preferably 400 to 700 ° C. The reaction does not proceed at a catalytic reaction temperature of 400 ° C. or lower. On the other hand, when the catalyst reaction temperature is 700 ° C. or higher, the diamond fine particles 24 supporting the catalyst undergo a reaction between the diamond fine particles and the metal serving as the catalyst, so that the metal is dissolved into the diamond fine particles or partially carbide (carbide). ) And the like are not preferable because the catalytic activity is lost. When the hydrocarbon is methane, the catalytic reaction temperature is preferably in the temperature range of 400 ° C to 600 ° C. When the hydrocarbon is ethylene, the catalytic reaction temperature may be any temperature in the temperature range of 400 ° C to 700 ° C.

触媒に対するガスの流量は、空間速度として500cm/g触媒・hから20000cm/g触媒・hの範囲で操作するのが適当である。 The flow rate of the gas to the catalyst, it is appropriate to operate in the range of 500 cm 3 / g catalyst · h as a space velocity of 20000 cm 3 / g catalyst · h.

以下に示す実施例では小型の固定床流通系を用いているために、粉末である微粒子状の担体のダイヤモンド触媒微粒子を用いているが、実際に工業化するために超微粒子を用いると固定床反応器内に圧力損失が生じる。これを回避するためには、反応に不活性なバインダーを用いて触媒を粒状ないしはペレット状にしてもよい。   In the examples shown below, since a small fixed bed flow system is used, diamond catalyst fine particles of a fine particle carrier that is a powder are used. However, when ultrafine particles are actually used for industrialization, a fixed bed reaction is used. Pressure loss occurs in the vessel. In order to avoid this, the catalyst may be granulated or pelletized using a binder inert to the reaction.

本発明のナノ炭素材料複合体21の製造方法によれば、ダイヤモンド微粒子22上に繊維状のナノカーボン材料が成長したナノ炭素材料複合体21を製造することができる。このように、熱化学気相成長法で、かつ、ダイヤモンド微粒子を金属触媒の下地として用いることで、触媒の径を制御しかつ均一に作製することができ、ナノ炭素材料の構造制御が可能となる。   According to the method for producing the nanocarbon material composite 21 of the present invention, the nanocarbon material composite 21 in which a fibrous nanocarbon material is grown on the diamond fine particles 22 can be produced. In this way, by using thermal chemical vapor deposition and using diamond fine particles as the base of the metal catalyst, the catalyst diameter can be controlled and uniformly produced, and the structure of the nanocarbon material can be controlled. Become.

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
粒径が5〜30nmのダイヤモンド微粒子を担体として、それらに触媒成分としてのニッケルを金属として5wt%含む触媒0.1gを小型の固定床流通系反応管に充填し、触媒層を575℃で一定に保ち、原料ガスとしてメタンを20cm/分の流速で60分間流して反応を行なった。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.
A small fixed bed flow system reaction tube is filled with 0.1 g of a catalyst containing 5 wt% of diamond fine particles as a carrier and 5 wt% of nickel as a catalyst component as a carrier, and the catalyst layer is kept constant at 575 ° C. The reaction was carried out by flowing methane as a raw material gas at a flow rate of 20 cm 3 / min for 60 minutes.

反応終了後、回収した生成物を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。
図3は実施例1で得た生成物の走査型電子顕微鏡像を示すものである。図3から明らかなように、実施例1の生成物は、直径が20〜50nmの繊維状のナノ炭素材料複合体であり、カーボンナノファイバーであることが分かった。
After completion of the reaction, the recovered product was observed with a scanning electron microscope (SEM).
FIG. 3 shows a scanning electron microscope image of the product obtained in Example 1. As apparent from FIG. 3, the product of Example 1 was a fibrous nanocarbon material composite having a diameter of 20 to 50 nm, and was found to be a carbon nanofiber.

次に、カーボンナノファイバーを透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した。
図4は、実施例1で作製したカーボンナノファイバーの透過型電子顕微鏡像を示している。図4から明らかなように、生成したカーボンナノファイバーの直径は20〜50nmであり、先端が詰まった構造を有していることが分かった。カーボンナノファイバーの先端についている黒い塊は使用した触媒金属微粒子である。
Next, the carbon nanofibers were observed with a transmission electron microscope (TEM).
FIG. 4 shows a transmission electron microscope image of the carbon nanofibers produced in Example 1. As is apparent from FIG. 4, the produced carbon nanofibers have a diameter of 20 to 50 nm, and have a structure with a clogged tip. The black lump attached to the tip of the carbon nanofiber is the catalyst metal fine particle used.

コバルトを触媒成分とした以外は、実施例1と同様にして、実施例2のナノ炭素材料複合体を作製した。実施例2のナノ炭素材料も実施例1と同じカーボンナノファイバーであった。   A nanocarbon material composite of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that cobalt was used as the catalyst component. The nanocarbon material of Example 2 was also the same carbon nanofiber as Example 1.

粒径が5〜30nmのダイヤモンド微粒子を担体として、それらに触媒成分としてのパラジウムを金属として5wt%含む触媒0.1gを小型の固定床流通系反応管に充填し、触媒層を600℃で一定に保ち、原料ガスとしてメタンを20cm/分の流速で60分間流して反応を行なった。 A small fixed bed flow system reaction tube is filled with 0.1 g of a catalyst containing 5 wt% of diamond fine particles having a particle size of 5 to 30 nm as a carrier and palladium as a catalyst component as a metal, and the catalyst layer is constant at 600 ° C. The reaction was carried out by flowing methane as a raw material gas at a flow rate of 20 cm 3 / min for 60 minutes.

反応終了後、回収した生成物を走査型電子顕微鏡により観察した。
図5は、実施例3で得た生成物の走査型電子顕微鏡像を示すものである。図5から明らかなように、実施例3の生成物は、直径が80〜100nmのナノ炭素材料複合体であり、繊維状で、かつ、らせん状に巻いていることから、カーボンナノコイルであることが分かった。
After completion of the reaction, the recovered product was observed with a scanning electron microscope.
FIG. 5 shows a scanning electron microscope image of the product obtained in Example 3. As apparent from FIG. 5, the product of Example 3 is a nanocarbon material composite having a diameter of 80 to 100 nm, and is a carbon nanocoil because it is fibrous and spirally wound. I understood that.

次に、カーボンナノコイルを透過型電子顕微鏡により観察した。
図6は、実施例3で作製したカーボンナノコイルの透過型電子顕微鏡像である。図6から明らかなように、生成したカーボンナノコイルは、直径が80〜100nmの詰まった構造を有していることが分かった。
Next, the carbon nanocoil was observed with a transmission electron microscope.
FIG. 6 is a transmission electron microscope image of the carbon nanocoil produced in Example 3. As apparent from FIG. 6, the produced carbon nanocoil has a packed structure with a diameter of 80 to 100 nm.

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。   The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. Nor.

本発明のナノ炭素材料複合体は、分散性が高くかつ均一性がよいので、構造材料、電気二重層キャパシタ、燃料電池または一般的な二次電池の電極材料として、さらには、特にエミッタ材料として使用することができる。   Since the nanocarbon material composite of the present invention has high dispersibility and good uniformity, it is used as an electrode material for structural materials, electric double layer capacitors, fuel cells or general secondary batteries, and more particularly as an emitter material. Can be used.

本発明のナノ炭素材料複合体の構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the nano carbon material composite_body | complex of this invention. 本発明のナノ炭素材料複合体の製造方法において、(a)がダイヤモンド微粒子を、(b)は製造されたナノ炭素材料複合体を模式的に示す図である。In the method for producing a nanocarbon material composite of the present invention, (a) schematically shows diamond fine particles, and (b) schematically shows the produced nanocarbon material composite. 実施例1で得た生成物の走査型電子顕微鏡像を示すものである。The scanning electron microscope image of the product obtained in Example 1 is shown. 実施例1で作製したカーボンナノファイバーの透過型電子顕微鏡像を示している。The transmission electron microscope image of the carbon nanofiber produced in Example 1 is shown. 実施例3で得た生成物の走査型電子顕微鏡像を示すものである。The scanning electron microscope image of the product obtained in Example 3 is shown. 実施例3で作製したカーボンナノコイルの透過型電子顕微鏡像を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a transmission electron microscope image of carbon nanocoils produced in Example 3.

符号の説明Explanation of symbols

1,21:ナノ炭素材料複合体
2,22:ダイヤモンド微粒子
3,23:ナノ炭素材料
24:ダイヤモンド触媒微粒子
1,21: Nanocarbon material composite 2,22: Diamond fine particles 3,23: Nanocarbon material 24: Diamond catalyst fine particles

Claims (11)

ダイヤモンド微粒子と、該ダイヤモンド微粒子の表面に直接或いは金属又は金属化合物を介して形成されたナノ炭素材料と、からなることを特徴とする、ナノ炭素材料複合体。   A nanocarbon material composite comprising diamond fine particles and a nanocarbon material formed on the surface of the diamond fine particles directly or via a metal or a metal compound. 前記ダイヤモンド微粒子の粒径は1μm以下であることを特徴とする、請求項1に記載のナノ炭素材料複合体。   2. The nanocarbon material composite according to claim 1, wherein the diamond fine particles have a particle size of 1 μm or less. 前記ナノ炭素材料はカーボンナノファイバーであることを特徴とする、請求項1に記載のナノ炭素材料複合体。   The nanocarbon material composite according to claim 1, wherein the nanocarbon material is a carbon nanofiber. 前記ナノ炭素材料はカーボンナノコイルであることを特徴とする、請求項1に記載のナノ炭素材料複合体。   The nanocarbon material composite according to claim 1, wherein the nanocarbon material is a carbon nanocoil. 表面が酸化されたダイヤモンド微粒子の表面に、遷移金属触媒を担持してダイヤモンド触媒微粒子とし、該ダイヤモンド触媒微粒子を炭化水素からなる気相中でナノ炭素材料が合成される触媒反応温度に加熱し、上記ダイヤモンド触媒微粒子表面にナノ炭素材料を成長させることを特徴とする、ナノ炭素材料複合体の製造方法。   On the surface of the diamond fine particles whose surface is oxidized, a transition metal catalyst is supported to form diamond catalyst fine particles, and the diamond catalyst fine particles are heated to a catalytic reaction temperature at which a nanocarbon material is synthesized in a gas phase composed of hydrocarbons, A method for producing a nanocarbon material composite, comprising growing a nanocarbon material on the surface of the diamond catalyst fine particles. 前記遷移金属触媒はニッケル又はコバルトから成り、前記ナノ炭素材料はカーボンナノファイバーであることを特徴とする、請求項5に記載のナノ炭素材料複合体の製造方法。   The method for producing a nanocarbon material composite according to claim 5, wherein the transition metal catalyst is made of nickel or cobalt, and the nanocarbon material is carbon nanofiber. 前記遷移金属触媒はパラジウムであり、前記ナノ炭素材料はカーボンナノコイルであることを特徴とする、請求項5に記載のナノ炭素材料複合体の製造方法。   The method for producing a nanocarbon material composite according to claim 5, wherein the transition metal catalyst is palladium, and the nanocarbon material is a carbon nanocoil. 前記炭化水素は、メタン又はエチレンであることを特徴とする、請求項5に記載のナノ炭素材料複合体の製造方法。   The method for producing a nanocarbon material composite according to claim 5, wherein the hydrocarbon is methane or ethylene. 前記触媒反応温度は、400℃から700℃の範囲であることを特徴とする、請求項5又は6に記載のナノ炭素材料複合体の製造方法。   The method for producing a nanocarbon material composite according to claim 5 or 6, wherein the catalytic reaction temperature is in the range of 400 ° C to 700 ° C. 前記炭化水素はメタンであって、かつ、前記触媒反応温度は400℃から600℃の温度範囲の何れかの温度であることを特徴とする、請求項5又は6に記載のナノ炭素材料複合体の製造方法。   The nanocarbon material composite according to claim 5 or 6, wherein the hydrocarbon is methane, and the catalytic reaction temperature is any temperature within a temperature range of 400 ° C to 600 ° C. Manufacturing method. 前記炭化水素はエチレンであって、かつ、前記触媒反応温度は400℃から700℃の温度範囲の何れかの温度であることを特徴とする、請求項5又は6に記載のナノ炭素材料複合体の製造方法。   7. The nanocarbon material composite according to claim 5, wherein the hydrocarbon is ethylene and the catalytic reaction temperature is any temperature within a temperature range of 400 ° C. to 700 ° C. 7. Manufacturing method.
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