JP2015529558A - 担持触媒及びその製造方法、並びにこれを用いて製造された炭素ナノ構造体の二次構造物 - Google Patents
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Abstract
Description
a)コア粒子及びシェル粒子を混合し、コア粒子にシェル粒子をコーティングさせたコア・シェル構造の支持体を用意する段階と、
b)金属触媒前駆体溶液を用意する段階と、
c)前記金属触媒前駆体溶液を前記コア・シェル構造の支持体と混合して担持させることで、担持触媒前駆体を製造する段階と、
d)前記担持触媒前駆体を焼成する段階と、を含む担持触媒の製造方法を提供する。
a)コア粒子及びシェル粒子を混合し、コア粒子にシェル粒子をコーティングさせたコア・シェル構造の支持体を用意する段階と、
b)金属触媒前駆体溶液を用意する段階と、
c)前記金属触媒前駆体溶液を前記コア・シェル構造の支持体と混合して担持させることで、担持触媒前駆体を製造する段階と、
d)前記担持触媒前駆体を焼成する段階と、を含む担持触媒の製造方法を提供する。
鉄の前駆体としてFe(NO3)39H2O(硝酸鉄(III)九水和物、Iron(III) nitrate nonahydrate)、Fe(OAc)2(酢酸鉄);
モリブデンの前駆体としてMo(CO)6(モリブデンヘキサカルボニル)、(NH4)6Mo7O244H2O(パラモリブデン酸アンモニウム)、(NH4)MoS4(テトラチオモリブデン酸アンモニウム);及び
バナジウムの前駆体としてNH4VO3(メタバナジン酸アンモニウム)などを利用できるが、これらに制限されるものではない。
<実施例1>コア・シェル構造の担持触媒からCNT二次構造物の合成
<実施例1−1>コア・シェル構造の担持触媒の製造
d50直径50μmを有する球状のγ−Al2O3 1.0gにミーリング加工したd50直径0.320μmを有するAlO(OH)を10wt%含むAlO(OH)ゾル(sol)コーティング溶液を投入し、γ−Al2O3コアにAlO(OH)がコーティングされたコア・シェル構造の支持体を製造した。
製造された担持触媒2mgを水平の固定床CVD装置内の55mmの内径を有する石英管の中間部に装着した後、窒素雰囲気下で675℃まで昇温して維持させ、窒素(N2)、水素(H2)及びエチレン(C2H4)ガスを体積混合比1:1:1で流しつつ、1時間の間合成してCNT二次構造物を製造した。反応が終了した後、窒素雰囲気下で室温まで冷却した。
<比較例1−1>Al2O3から担持触媒の製造
Coの前駆体としてCo(NO3)2・6H2O 870mg、Moの前駆体として(NH4)6Mo7O24・4H2O 120mgを蒸溜水50mLに完全に溶解させ、ここにd50直径50μmのγ−Al2O3 1.0gを加え、60℃、85mb下で30分間混合した後、10mb下で30分間混合して固状の担持触媒前駆体を収得した。収得された担持触媒前駆体を120℃で1時間の間乾燥させて粉砕した後、600℃で4時間の間焼成させて1.12gの担持触媒を製造した。
製造された担持触媒2mgを水平の固定床CVD装置内の55mmの内径を有する石英管の中間部に装着した後、窒素雰囲気下で675℃まで昇温して維持させ、窒素(N2)、水素(H2)及びエチレン(C2H4)ガスを体積混合比1:1:1で流しつつ、1時間の間合成してCNT二次構造物を製造した。反応が終了した後、窒素雰囲気下で室温まで冷却した。
実施例1で合成されたCNT二次構造物を、FE−SEM(HITACHI S−4800、冷陰極電界放出型電子銃、3段電磁レンズシステム、SE検出器)を用いてそれぞれ加速電圧5kV、15kV、放出電流10μA、作動距離8mmで確認した。
d50直径50μmのγ−Al2O3コアにd50直径0.320μmのAlO(OH)がコーティングされたコア・シェル構造の支持体と、d50直径50μmのγ−Al2O3コアにd50直径0.250μmのγ−Al2O3がコーティングされたコア・シェル構造の支持体とを製造して、10wt%、20wt%及び30wt%のCoを含めた点を除いては、実施例1と同様な方法によりCNT二次構造物を合成した。図4に示すように、γ−Al2O3コアにγ−Al2O3がコーティングされたコア・シェル構造の支持体を用いて担持触媒を製造した場合、Coの含量に関係なく、複数のCNTは、担持触媒と接する端部(第1端部)が互いに独立して担持触媒に支持されており、長さが成長する端部(第2端部)が互いに集まって接している二次構造物を形成している、CNT二次構造物が少量生成された。γ−Al2O3コアにAlO(OH)がコーティングされたコア・シェル構造の支持体を用いた場合、20wt%のCoを含む金属触媒を担持した時、複数のCNTは、担持触媒と接する端部(第1端部)が互いに独立して担持触媒に支持されており、長さが成長する端部(第2端部)が互いに集まって接している二次構造物を形成している、CNT集合体を多量生成するものと表された。
γ−Al2O3に5wt%、20wt%及び40wt%のAlO(OH)を含めた点を除いては、実施例1と同様な方法により合成して得たCNT二次構造物の写真を図5に示した。AlO(OH)の含量が増加するほど、複数のCNTは、担持触媒と接する端部(第1端部)が互いに独立して担持触媒に支持されており、長さが成長する端部(第2端部)が互いに集まって接している二次構造物を形成している、CNT集合体を多量生成する傾向を表した。ただし、40wt%のAlO(OH)でコーティングした場合に、CNT密度が過度に高くなり、その形状が明確に表されず、少量形成された。
γ−Al2O3コアにAlO(OH)がコーティングされたコア・シェル構造の支持体を金属触媒前駆体と混合する前に焼成しないか、または300℃及び600℃で焼成した点を除いては、実施例1と同様な方法により1時間及び3時間の間CNT二次構造物を合成して、図6A及び図6Bにそれぞれ示した。
シェル部を構成するAl系粒子のサイズを異ならせる点を除いては、実施例1と同様な方法によりCNT二次構造物を合成した。図7A、図7B及び表1を参照すれば、平均粒径が大きくなるほど、オクトパス状のCNT構造体の分布密度が低くなり、頭部分が大きくなって明確になる傾向を表した。ただし、反応収率は、シェル部のAl系粒子のサイズに関係なく、1500から3000%を表した。
金属触媒の主触媒−助触媒としてCo−Mo、Co−V、Fe−Mo、F−Vの組み合わせ(主触媒:助触媒のモル比5:1)を使用し、窒素(N2)、水素(H2)及びエチレン(C2H4)ガスを体積混合比1:1:1で流しつつ、3時間の間合成した点を除いては、実施例1と同様な方法によりCNT二次構造物を合成した。図8及び表2を参照すれば、主触媒−助触媒としてCo−Moの組み合わせを使用する場合、複数のCNTそれぞれは、担持触媒と接する第1端部と、前記第1端部の反対側に位置して長さが成長する第2端部とを含み、前記複数のCNTは、前記第1端部が互いに独立して担持触媒に支持されており、前記第2端部が互いに集まって接している二次構造物を形成している、CNT集合体が多数形成されることを確認した。また、Co−Vの組み合わせを使用する場合、収率が4000%以上と非常に高いことを確認し、前記のような形状のCNT集合体を形成するということが分かった。一方、Feを主触媒として使用する場合にも少量形成されることを確認した。
金属触媒の主触媒−助触媒としてCo−Moを使用する場合、主触媒としてCoのみを使用するか(主触媒と助触媒のモル比1:0)、または主触媒と助触媒のモル比を10:1、5:1、2.5:1にする点を除いては、実施例1と同様な方法によりCNT二次構造物を合成した。
Co:Moのモル比は5:1、10wt%、20wt%及び34wt%のCoを含めた点を除いては、実施例1と同様な方法によりCNT二次構造物を合成した。図10Aを参照すれば、10wt%のCoを含む場合、複数のCNTは、担持触媒と接する端部(第1端部)が互いに独立して担持触媒に支持されており、長さが成長する端部(第2端部)が互いに集まって接している二次構造物を形成している、CNT集合体が生成されるが、その形状が一定でなく、密度が低いものと表された。また、20wt%のCoを含む場合、前記のような形状のCNT二次構造物を多量生成した。一方、34wt%のCoを含む場合、前記のような形状のCNT二次構造物が少量確認された。一方、下記表を参照すれば、Coの含量が増加するほど、形状と別途に全体収率が向上した。
担持触媒前駆体を400℃、500℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、700℃及び800℃で焼成した点を除いては、実施例1と同様な方法によりCNT二次構造物を合成した。図11を参照すれば、575℃、600℃及び625℃で焼成した場合、複数のCNTは、担持触媒と接する端部(第1端部)が互いに独立して担持触媒に支持されており、長さが成長する端部(第2端部)が互いに集まって接している二次構造物を形成している、CNT集合体が多量生成されるということが分かった。
窒素(N2)、水素(H2)及びエチレン(C2H4)ガスと担持触媒とを625℃、650℃、675℃、700℃及び725℃で反応させた点を除いては、実施例1と同様な方法によりCNT二次構造物を合成した。図12を参照すれば、650℃、675℃及び700℃で反応させた場合、複数のCNTは、担持触媒と接する端部(第1端部)が互いに独立して担持触媒に支持されており、長さが成長する端部(第2端部)が互いに集まって接している二次構造物を形成している、CNT集合体の生成が非常に促進された。
窒素(N2)、水素(H2)及びエチレン(C2H4)ガスと担持触媒とを3時間の間反応させた点を除いては、実施例1と同様な方法によりCNT二次構造物を合成した。図13を参照すれば、複数のCNTは、担持触媒と接する端部(第1端部)が互いに独立して担持触媒に支持されており、長さが成長する端部(第2端部)が互いに集まって接している二次構造物を形成している、CNT集合体を形成し、混合ガスを1時間の間反応させた場合に比べてCNTのストランドがより長く成長し、密度がさらに高いものと表された。
実施例1において、コアにAl系粒子がコーティングされる程度を均一にするために、コーティング時に分散剤として2wt%のHNO3、接着剤として2wt%のPAAをさらに投入した。
Claims (25)
- 金属触媒が支持体に支持されており、
前記支持体は、コア粒子と、前記コア粒子よりも小さい粒径を有し、かつ前記コア粒子にコーティングされてシェル層を形成するシェル粒子と、を含むコア・シェル構造である担持触媒。 - 前記コア粒子:シェル粒子のd50直径比は、1:0.0001から0.1である請求項1に記載の担持触媒。
- 前記コア粒子のd50直径は、1から100μmである請求項1または請求項2に記載の担持触媒。
- 前記シェル粒子のd50直径は、0.01から0.9μmである請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の担持触媒。
- 前記コア粒子及び前記シェル粒子は、同じであるか、または異なるAl系材質である請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の担持触媒。
- 前記コア粒子及び前記シェル粒子は、互いに独立してAlO(OH)、Al(OH)3、γ−Al2O3及びα−Al2O3からなる群から選択される一つ以上である請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の担持触媒。
- 前記コア粒子/シェル粒子は、AlO(OH)/γ−Al2O3、AlO(OH)/AlO(OH)、γ−Al2O3/γ−Al2O3、γ−Al2O3/AlO(OH)またはこれらの組み合わせである請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の担持触媒。
- 前記支持体は、支持体の総重量を基準として前記シェル粒子を1から50wt%含む請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の担持触媒。
- 前記金属触媒は、Co、Fe、Mo及びVからなる群から選択される一つ以上である請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の担持触媒。
- 前記金属触媒は、Co、Feまたはこれらの混合物から選択される主触媒と、Mo、Vまたはこれらの混合物から選択される助触媒と、を含む請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の担持触媒。
- 前記金属触媒は、前記主触媒と前記助触媒とを20から1:1のモル比で含む請求項10に記載の担持触媒。
- 前記金属触媒は、担持触媒の総重量を基準として前記主触媒を1から40wt%含む請求項10または請求項11に記載の担持触媒。
- 前記担持触媒は、炭素ナノ構造体製造用である請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の担持触媒。
- 前記炭素ナノ構造体は、炭素ナノチューブ、炭素ナノロッド、炭素ナノヘアーまたは炭素ナノファイバーである請求項13に記載の炭素ナノ構造体製造用の担持触媒。
- a)コア粒子及びシェル粒子を混合し、コア粒子にシェル粒子をコーティングさせたコア・シェル構造の支持体を用意する段階と、
b)金属触媒前駆体溶液を用意する段階と、
c)前記金属触媒前駆体溶液を前記コア・シェル構造の支持体と混合して担持させることで、担持触媒前駆体を製造する段階と、
d)前記担持触媒前駆体を焼成する段階と、を含む担持触媒の製造方法。 - 前記d)段階において、前記担持触媒前駆体は、400から800℃で焼成する請求項15に記載の担持触媒の製造方法。
- 前記c)段階において、前記金属触媒前駆体溶液と前記コア・シェル構造の支持体とを混合する前に、前記コア・シェル構造の支持体を焼成する段階をさらに含む請求項15または請求項16に記載の担持触媒の製造方法。
- 前記a)段階の前記コア粒子と前記シェル粒子とを混合する段階において、分散剤、接着剤またはこれらの混合物を共に混合する請求項15から請求項17のいずれか一項に記載の担持触媒の製造方法。
- 請求項1から請求項14のいずれか一項に記載の担持触媒に不活性ガス、炭素源ガス及び還元ガスの混合ガスを供給して反応させる段階を含む炭素ナノ構造体の製造方法。
- 前記混合ガスを60から270sccmの流量で供給して500から800℃で反応させる請求項19に記載の炭素ナノ構造体の製造方法。
- 前記担持触媒と前記混合ガスとを30分から5時間の間反応させる請求項19または請求項20に記載の炭素ナノ構造体の製造方法。
- 担持触媒と、担持触媒上に成長された複数の炭素ナノ構造体とを含み、
前記複数の炭素ナノ構造体それぞれは、担持触媒と接する第1端部と、前記第1端部の反対側に位置して長さが成長する第2端部とを含み、前記複数の炭素ナノ構造体のうち少なくとも一部は、前記第1端部が互いに独立して担持触媒に支持されており、前記第2端部が互いに集まって接している二次構造物を形成している炭素ナノ構造体の集合体。 - 前記担持触媒は、請求項1から請求項14のいずれか一項に記載の担持触媒である請求項22に記載の炭素ナノ構造体の集合体。
- 前記炭素ナノ構造体は、ストランド径が0.5μm以上であり、長さが200μm以上である請求項22または請求項23に記載の炭素ナノ構造体の集合体。
- 前記炭素ナノ構造体の集合体は、平均粒径が50から1,000μmである請求項22から請求項24のいずれか一項に記載の炭素ナノ構造体の集合体。
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