JP2023553897A - Boron nitride nanotubes and methods for producing the same - Google Patents
Boron nitride nanotubes and methods for producing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023553897A JP2023553897A JP2023534711A JP2023534711A JP2023553897A JP 2023553897 A JP2023553897 A JP 2023553897A JP 2023534711 A JP2023534711 A JP 2023534711A JP 2023534711 A JP2023534711 A JP 2023534711A JP 2023553897 A JP2023553897 A JP 2023553897A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- boron
- bnnts
- nitrogen
- gas stream
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 75
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 163
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 259
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 142
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 141
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 60
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 80
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 48
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 46
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 46
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 32
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 23
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 21
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 21
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 claims description 21
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims description 21
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 14
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 13
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 12
- 239000000112 cooling gas Substances 0.000 claims description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 9
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 9
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 6
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 19
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 abstract 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 117
- 241000894007 species Species 0.000 description 28
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 11
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 8
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 8
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 5
- AIGRXSNSLVJMEA-FQEVSTJZSA-N ethoxy-(4-nitrophenoxy)-phenyl-sulfanylidene-$l^{5}-phosphane Chemical compound O([P@@](=S)(OCC)C=1C=CC=CC=1)C1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1 AIGRXSNSLVJMEA-FQEVSTJZSA-N 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 4
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 4
- UORVGPXVDQYIDP-UHFFFAOYSA-N borane Chemical compound B UORVGPXVDQYIDP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 230000036541 health Effects 0.000 description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 2
- 239000007845 reactive nitrogen species Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 231100000935 short-term exposure limit Toxicity 0.000 description 2
- 229910014311 BxHy Inorganic materials 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- UORVGPXVDQYIDP-BJUDXGSMSA-N borane Chemical class [10BH3] UORVGPXVDQYIDP-BJUDXGSMSA-N 0.000 description 1
- 229910000085 borane Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010277 boron hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce] ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000518 lethal Toxicity 0.000 description 1
- 231100000636 lethal dose Toxicity 0.000 description 1
- 230000001665 lethal effect Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910003455 mixed metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005029 sieve analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003685 thermal hair damage Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
- C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
- C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
- C01B21/0641—Preparation by direct nitridation of elemental boron
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
- C01P2004/13—Nanotubes
Abstract
本開示は、不純物含有量が低い生成直後のＢＮＮＴ、それを作製するための方法及び装置に関する。ＢＮＮＴは、約１０ｎｍ以下の平均直径を有し、２０質量％以下の不純物含有量を有し、不純物含有量は、ＢＮＮＴの製造後及び精製プロセス前に測定される。方法及び装置は、水素を含まないホウ素種の加熱ガスストリームを提供し、ガスストリームを冷却し、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むように構成される。したがって、方法及び装置は、有害な水素化ホウ素の形成を回避しながらＢＮＮＴの製造を可能にする。The present disclosure relates to freshly produced BNNTs with low impurity content, methods and apparatus for making the same. The BNNTs have an average diameter of about 10 nm or less and have an impurity content of about 20% by weight or less, and the impurity content is measured after the BNNTs are manufactured and before the purification process. The method and apparatus are configured to provide a heated gas stream of hydrogen-free boron species, cool the gas stream, and incorporate a nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs. Thus, the method and apparatus enable the production of BNNTs while avoiding the formation of deleterious borohydrides.
Description
関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１２月８日出願の米国仮特許出願第６３／１２２，８１７号の利益を主張する。上で参照された文献の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 63/122,817, filed December 8, 2020. The contents of the documents referenced above are incorporated herein by reference in their entirety.
本出願は、概して、窒化ホウ素ナノチューブ及び窒化ホウ素ナノチューブを生成するための方法の分野に関する。 TECHNICAL FIELD This application relates generally to the field of boron nitride nanotubes and methods for producing boron nitride nanotubes.
窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）は、ハニカム格子状に共有結合したホウ素及び窒素で構成される一次元ナノ材料である。独特の原子構造により、ＢＮＮＴは、優れた機械的強度、高い熱伝導率、電気絶縁挙動、圧電特性、中性子遮蔽能力、及び耐酸化性等の数多くの有利な固有特性を有する。したがって、ＢＮＮＴは、ＢＮＮＴ－ポリマー複合材、ＢＮＮＴ－金属複合材、及び生物学的用途等の様々な用途で提案されている。 Boron nitride nanotubes (BNNTs) are one-dimensional nanomaterials composed of boron and nitrogen covalently bonded in a honeycomb lattice. Due to their unique atomic structure, BNNTs have a number of advantageous inherent properties such as excellent mechanical strength, high thermal conductivity, electrically insulating behavior, piezoelectric properties, neutron shielding ability, and oxidation resistance. Therefore, BNNTs have been proposed for various applications such as BNNT-polymer composites, BNNT-metal composites, and biological applications.
現在のＢＮＮＴ合成法のほとんどは、収率が低いこと、チューブが短いこと、生成が非連続的であること、結晶性が低いこと（すなわち分子構造内に多くの欠陥を有する）、及び整列度が低いことのうちの１つ又は複数を含む重大な欠点を有する。 Most of the current BNNT synthesis methods suffer from low yields, short tubes, discontinuous formation, low crystallinity (i.e., many defects in the molecular structure), and poor alignment. have significant disadvantages including one or more of: low
ＵＳ９，８６２，６０４は、誘導結合プラズマトーチに供給される原料としてｈ－ＢＮ粉末を使用するＢＮＮＴを生成するための方法（「ＨＡＢＳ」プロセス）を記載している。得られた生成速度は最大２０ｇ／時であり、このプロセスは、同じ稼働で積層可撓性クロス様材料、フィブリル様材料及び薄層透明フィルムを含むいくつかの異なる形態のＢＮＮＴ材料を生成し、これらは、濾過チャンバ内のフィルタ表面上、及び反応器と濾過チャンバとの間に位置するパイプの壁上等の様々な場所で回収され得た。生成直後のＢＮＮＴ材料は、約５０％の純度を有するものとして特徴付けられ、未反応ｈ－ＢＮ粉末、Ｂ含有ポリマー及び元素Ｂの形態の非チューブ状不純物を含有していた。 US 9,862,604 describes a method for producing BNNTs (the "HABS" process) that uses h-BN powder as the feedstock fed to an inductively coupled plasma torch. The resulting production rates are up to 20 g/hr, and the process produces several different forms of BNNT materials in the same run, including laminated flexible cloth-like materials, fibril-like materials, and thin transparent films; These could be collected at various locations, such as on the filter surface within the filtration chamber and on the walls of the pipe located between the reactor and the filtration chamber. The as-grown BNNT material was characterized as having a purity of approximately 50% and contained non-tubular impurities in the form of unreacted h-BN powder, B-containing polymer, and elemental B.
より少ない欠陥及び増加した純度、並びに増加した生成速度を有するＢＮＮＴの連続生成のための装置、システム及び方法が依然として必要とされている。 There remains a need for devices, systems and methods for the continuous production of BNNTs with fewer defects and increased purity, as well as increased production rates.
この概要は、以下の発明を実施するための形態で更に説明される簡略化された形態の一連の概念を導入するために提供される。この概要は、請求される主題の重要な態様、又は必須の態様を特定することを意図しない。 This summary is provided to introduce a set of concepts in a simplified form that are further described in the Detailed Description below. This summary is not intended to identify key or essential aspects of the claimed subject matter.
本明細書で具現化され概略的に説明されるように、本開示は、約１０ｎｍ以下の平均直径を有し、２０質量％以下の不純物含有量を有する、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）に関し、不純物含有量は、ＢＮＮＴの製造後及び精製プロセス前に測定される。 As embodied and generally described herein, the present disclosure relates to boron nitride nanotubes (BNNTs) having an average diameter of about 10 nm or less and an impurity content of 20% by weight or less, The content is measured after BNNT production and before the purification process.
いくつかの実施形態において、ＢＮＮＴは、以下の特徴のうちの１つ又は複数を有し得る：
－ 不純物含有量が、元素ホウ素含有量、ｈ－ＢＮ、非晶質ＢＮ及びＢＮＨ誘導体のうちの１つ又は複数を含む。
－ 不純物含有量が、１５質量％以下、好ましくは１０質量％以下、好ましくは５質量％以下、より好ましくは１質量％以下の元素ホウ素を含む。
－ 不純物含有量が、１５質量％以下、好ましくは１０質量％以下、好ましくは５質量％以下、より好ましくは１質量％以下のｈ－ＢＮ、非晶質ＢＮ及びＢＮＨ誘導体を含む。
－ 平均直径が、約２ｎｍ～約１０ｎｍである。
－ 実質的に平行な壁を有する構造を有する。
In some embodiments, BNNTs may have one or more of the following characteristics:
- the impurity content comprises one or more of elemental boron content, h-BN, amorphous BN and BNH derivatives.
- an impurity content of elemental boron of not more than 15% by weight, preferably not more than 10% by weight, preferably not more than 5% by weight, more preferably not more than 1% by weight;
- Contains h-BN, amorphous BN and BNH derivatives with an impurity content of 15% by weight or less, preferably 10% by weight or less, preferably 5% by weight or less, more preferably 1% by weight or less.
- The average diameter is between about 2 nm and about 10 nm.
- having a structure with substantially parallel walls;
本明細書で具現化され概略的に説明されるように、本開示はまた、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための方法であって、ａ）ホウ素源をプラズマジェットと接触させて、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを得る工程であって、プラズマジェットは水素を含まないプラズマガスから生成される工程と、ｂ）ガスストリームを冷却して、冷却ガスストリームを得る工程と、ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り入れる工程とを含む方法に関する。 As embodied and generally described herein, the present disclosure also provides a method for producing boron nitride nanotubes (BNNTs) comprising a) contacting a boron source with a plasma jet to a) obtaining a heated gas stream containing hydrogen-like boron species, wherein the plasma jet is generated from a hydrogen-free plasma gas; b) cooling the gas stream to obtain a cooled gas stream; c) ) introducing a nitrogen-containing gas into a cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs.
いくつかの実施形態において、この方法は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を有し得る：
－ ホウ素源が、液体、固体又はガス状形態である。
－ ホウ素源が、微粒子形態のホウ素を含み、ホウ素源のプラズマジェットへの曝露は、ホウ素源の気化をもたらし、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームが得られる。
－ ホウ素源が、微粒子形態のｈ－ＢＮを含む。
－ プラズマジェットのプラズマが、アルゴン、ヘリウム又はそれらの組合せを含むプラズマガスで生成される。
－ プラズマガスが、窒素（Ｎ２）を更に含む。
－ 工程ｂ）が、ホウ素粒子の核形成をもたらす。
－ 工程ｃ）が、ホウ素粒子の窒化をもたらしてＢＮＮＴを形成するための条件下で冷却ガスストリームを窒素含有ガスと接触させることを含む。
－ 窒素含有ガスが、アンモニア（ＮＨ３）を含む。
－ 窒素含有ガスが、窒素（Ｎ２）を更に含む。
－ ＢＮＮＴを収集する工程を更に含む。
In some embodiments, the method may have one or more of the following features:
- the boron source is in liquid, solid or gaseous form;
- the boron source comprises boron in particulate form, and exposure of the boron source to the plasma jet results in vaporization of the boron source, resulting in a heated gas stream containing gaseous boron species.
- The boron source comprises h-BN in particulate form.
- The plasma of the plasma jet is generated with a plasma gas containing argon, helium or a combination thereof.
- the plasma gas further contains nitrogen (N 2 );
- Step b) results in the nucleation of boron particles.
- Step c) comprises contacting the cooled gas stream with a nitrogen-containing gas under conditions to effect nitridation of the boron particles to form BNNTs.
- The nitrogen-containing gas contains ammonia (NH 3 ).
- The nitrogen-containing gas further includes nitrogen (N 2 ).
- further comprising collecting BNNTs.
本明細書で具現化され概略的に説明されるように、本開示はまた、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための装置であって、ホウ素源を第１のセクション内の気化ゾーンに供給するための入口、気化ゾーン内でプラズマジェットを生成するためのプラズマ生成デバイスを備える、第１のセクションであって、第１のセクションは、ホウ素源をプラズマジェットに曝露して、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを得るように構成され、プラズマジェットは、水素を含まないプラズマガスから生成される、第１のセクションと、第１のセクションと流体連通した第２のセクションであって、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むように構成される、第２のセクションとを備える装置に関する。 As embodied and generally described herein, the present disclosure also provides an apparatus for producing boron nitride nanotubes (BNNTs), comprising: supplying a boron source to a vaporization zone within a first section; a plasma generation device for generating a plasma jet within the vaporization zone, the first section comprising: an inlet for exposing the boron source to the plasma jet to generate a gaseous boron species; the plasma jet is configured to obtain a heated gas stream containing hydrogen, the plasma jet having a first section generated from a hydrogen-free plasma gas, and a second section in fluid communication with the first section; a second section configured to cool a gas stream to obtain a cooled gas stream and to introduce a nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs.
いくつかの実施形態において、この装置は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を有し得る：
－ 入口が、液体、固体又はガス状形態のホウ素源を供給するように構成される。
－ ホウ素源が、微粒子形態のホウ素を含み、第１のセクションは、ホウ素源をプラズマジェットに曝露して、ホウ素源の気化をもたらすように構成される。
－ ホウ素源が、微粒子形態のｈ－ＢＮを含む。
－ プラズマ生成デバイスが、アルゴン、ヘリウム、又はそれらの組合せを含むプラズマガスからプラズマジェットを生成する。
－ プラズマガスが、窒素（Ｎ２）を更に含む。
－ 第２のセクションが、ガスストリームを冷却してホウ素粒子の核形成をもたらすように構成される。
－ 第２のセクションが、第１の部分及び第２の部分を含み、第１の部分は、ホウ素粒子の核形成をもたらし、第２の部分は、ホウ素粒子の窒化をもたらしてＢＮＮＴを形成するための条件下で冷却ガスストリームを窒素含有ガスと接触させるように構成される。
－ 窒素含有ガスが、アンモニア（ＮＨ３）を含む。
－ 窒素含有ガスが、窒素（Ｎ２）を更に含む。
－ 窒素含有ガスを第２の部分に注入するための入口を備える。
－ ＢＮＮＴを収集するための第２のセクションと流体連通した収集デバイスを更に備える。
In some embodiments, the device may have one or more of the following features:
- the inlet is configured to supply a source of boron in liquid, solid or gaseous form;
- the boron source comprises boron in particulate form, and the first section is configured to expose the boron source to a plasma jet resulting in vaporization of the boron source.
- The boron source comprises h-BN in particulate form.
- A plasma generation device generates a plasma jet from a plasma gas comprising argon, helium, or a combination thereof.
- the plasma gas further contains nitrogen (N 2 );
- A second section is configured to cool the gas stream resulting in nucleation of boron particles.
- the second section includes a first part and a second part, the first part providing for nucleation of boron particles and the second part providing for nitridation of boron particles to form BNNTs; The cooling gas stream is configured to contact the nitrogen-containing gas under conditions for.
- The nitrogen-containing gas contains ammonia (NH 3 ).
- The nitrogen-containing gas further includes nitrogen (N 2 ).
- with an inlet for injecting nitrogen-containing gas into the second part;
- further comprising a collection device in fluid communication with the second section for collecting BNNTs.
本明細書で具現化され概略的に説明されるように、本開示はまた、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための方法であって、ａ）ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを提供する工程であって、加熱ガスは水素を含まない工程と、ｂ）実質的に層流のガス流を得るようにガスストリームを制御しながら、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得る工程と、ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り入れる工程とを含む方法に関する。 As embodied and generally described herein, the present disclosure also provides a method for producing boron nitride nanotubes (BNNTs) comprising: a) heating a gas stream containing a gaseous boron species; and b) cooling the gas stream to obtain a cooled gas stream while controlling the gas stream to obtain a substantially laminar gas flow. and c) introducing a nitrogen-containing gas into a cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs.
いくつかの実施形態において、この方法は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を有し得る：
－ 工程ｂ）が、ガスストリームの横断面に沿って実質的に均一な冷却を得るようにガスストリームの冷却を制御することを更に含む。
－ 工程ｂ）が、ホウ素粒子の核形成をもたらす。
－ 工程ｃ）が、ホウ素粒子の窒化をもたらしてＢＮＮＴを形成するための条件下で冷却ガスストリームを窒素含有ガスと接触させることを含む。
－ 窒素含有ガスが、アンモニア（ＮＨ３）を含む。
－ 窒素含有ガスが、窒素（Ｎ２）を更に含む。
－ ＢＮＮＴを収集する工程を更に含む。
In some embodiments, the method may have one or more of the following features:
- step b) further comprises controlling the cooling of the gas stream to obtain substantially uniform cooling along the cross-section of the gas stream.
- Step b) results in the nucleation of boron particles.
- Step c) comprises contacting the cooled gas stream with a nitrogen-containing gas under conditions to effect nitridation of the boron particles to form BNNTs.
- The nitrogen-containing gas contains ammonia (NH 3 ).
- The nitrogen-containing gas further includes nitrogen (N 2 ).
- further comprising collecting BNNTs.
本明細書で具現化され概略的に説明されるように、本開示はまた、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための装置であって、ａ）ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを供給するための第１の入口であって、加熱ガスは水素を含まない第１の入口と、ｂ）第１の入口と流体連通した筐体であって、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むための第２の入口を備えるように構成される筐体とを備える装置に関する。 As embodied and generally described herein, the present disclosure also provides an apparatus for producing boron nitride nanotubes (BNNTs) comprising: a) heating a gas stream containing a gaseous boron species; a first inlet for supplying a heated gas, the first inlet being hydrogen-free; and b) an enclosure in fluid communication with the first inlet for cooling the gas stream to produce a cooled gas stream. and a housing configured to obtain a nitrogen-containing gas and a second inlet for introducing a nitrogen-containing gas into a cooled gas stream under conditions for obtaining BNNTs.
いくつかの実施形態において、この装置は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を有し得る：
－ 筐体が、ガスストリームの横断面に沿って実質的に均一な冷却を得るようにガスストリームの冷却を制御するように構成される。
－ ガスストリームの冷却が、ホウ素粒子の核形成をもたらす。
－ 筐体が、ホウ素粒子の窒化をもたらしてＢＮＮＴを形成するための条件下で冷却ガスストリームを窒素含有ガスと接触させるように構成される。
－ 窒素含有ガスが、アンモニア（ＮＨ３）を含む。
－ 窒素含有ガスが、窒素（Ｎ２）を更に含む。
－ ＢＮＮＴを収集するための筐体と流体連通した収集デバイスを更に備える。
In some embodiments, the device may have one or more of the following features:
- The housing is configured to control cooling of the gas stream to obtain substantially uniform cooling along a cross-section of the gas stream.
- Cooling of the gas stream results in nucleation of boron particles.
- The housing is configured to contact the cooling gas stream with the nitrogen-containing gas under conditions to effect nitridation of the boron particles to form BNNTs.
- The nitrogen-containing gas contains ammonia (NH 3 ).
- The nitrogen-containing gas further includes nitrogen (N 2 ).
- further comprising a collection device in fluid communication with the housing for collecting BNNTs.
本明細書で具現化され概略的に説明されるように、本開示はまた、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための装置であって、ａ）ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを供給するための第１の入口であって、加熱ガスは水素を含まない第１の入口と、ｂ）第１の入口と流体連通した筐体であって、ホウ素粒子の制御された粒径分布を得るようにガスストリームの温度及びガス流量を制御し、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むための第２の入口を備えるように構成される筐体とを備える装置に関する。 As embodied and generally described herein, the present disclosure also provides an apparatus for producing boron nitride nanotubes (BNNTs) comprising: a) heating a gas stream containing a gaseous boron species; a) a first inlet for supplying a heated gas, the first inlet not containing hydrogen; and b) a housing in fluid communication with the first inlet, the housing having a controlled particle size distribution of boron particles. and a housing configured to control the temperature and gas flow rate of the gas stream to obtain BNNTs and to include a second inlet for introducing nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs. Regarding equipment.
いくつかの実施形態において、この装置は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を有し得る：
－ 筐体が、ガスストリームの横断面に沿って実質的に均一な冷却を得るようにガスストリームの冷却を制御するように構成される。
－ ガスストリームの冷却が、ホウ素粒子の核形成をもたらす。
－ 筐体が、ホウ素粒子の窒化をもたらしてＢＮＮＴを形成するための条件下で冷却ガスストリームを窒素含有ガスと接触させるように構成される。
－ 窒素含有ガスが、アンモニア（ＮＨ３）を含む。
－ 窒素含有ガスが、窒素（Ｎ２）を更に含む。
－ ＢＮＮＴを収集するための筐体と流体連通した収集デバイスを更に備える。
In some embodiments, the device may have one or more of the following features:
- The housing is configured to control cooling of the gas stream to obtain substantially uniform cooling along a cross-section of the gas stream.
- Cooling of the gas stream results in nucleation of boron particles.
- The housing is configured to contact the cooling gas stream with the nitrogen-containing gas under conditions to effect nitridation of the boron particles to form BNNTs.
- The nitrogen-containing gas contains ammonia (NH 3 ).
- The nitrogen-containing gas further includes nitrogen (N 2 ).
- further comprising a collection device in fluid communication with the housing for collecting BNNTs.
本開示において説明され、互いに排他的ではない例示的実施形態の全ての特徴は、互いに組み合わされてもよい。１つの実施形態の要素は、更に言及することなく他の実施形態でも利用され得る。本発明の他の態様及び特徴は、添付の図と併せて以下の特定の実施形態の説明を検討すれば、当業者に明らかとなるであろう。 All features of the exemplary embodiments described in this disclosure, which are not mutually exclusive, may be combined with each other. Elements of one embodiment may be utilized in other embodiments without further reference. Other aspects and features of the invention will become apparent to those skilled in the art upon consideration of the following description of specific embodiments in conjunction with the accompanying figures.
特許又は出願ファイルは、少なくとも１つのカラーの図面を含む。カラー図面付きの本特許又は特許出願公開の副本は、要望に応じて、また必要な料金の支払後に事務所から提供される。 The patent or application file contains at least one drawing in color. Copies of this patent or patent application publication with color drawing(s) will be provided by the Office upon request and payment of the necessary fee.
特定の例示的実施形態の詳細な説明が、添付の図面を参照しながら以下に提供される。 A detailed description of certain exemplary embodiments is provided below with reference to the accompanying drawings.
図面において、例示的な実施形態は、例として示されている。説明及び図面は、ある特定の実施形態を例示することのみを目的としており、理解を補助するものであることが明示的に理解されるべきである。それらは、本発明の限界の定義を意図しない。 In the drawings, exemplary embodiments are shown by way of example. It is to be expressly understood that the description and drawings are for the purpose of illustrating certain specific embodiments only and are an aid to understanding. They are not intended to define the limits of the invention.
本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細な説明を、本発明の原理を示す添付の図面とともに以下に示す。本発明はそのような実施形態に関連して説明されるが、本発明はいかなる実施形態にも限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。本発明の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が以下の説明において記載される。これらの詳細は、限定されない例のために提供され、本発明は、これらの特定の詳細の一部又は全てがなくても、特許請求の範囲に従い実践され得る。本発明に関連する技術分野において知られている技術資料は、本発明が不必要に不明瞭とならないように詳細には記載されていない。 A detailed description of one or more embodiments of the invention is provided below along with accompanying drawings that illustrate the principles of the invention. Although the invention is described in connection with such embodiments, the invention is not limited to any embodiment. The scope of the invention is limited only by the claims. Many specific details are set forth in the following description to provide a thorough understanding of the invention. These details are provided by way of non-limiting example and the invention may be practiced according to the claims without some or all of these specific details. Technical documents known in the art related to the invention have not been described in detail so as not to unnecessarily obscure the invention.
本発明者らは、Ｒ＆Ｄ研究を通して、驚くべきことに、また予想外にも、プラズマガス中に水素を使用するＢＮＮＴを生成するための先行技術のプラズマプロセスが、ある特定の状況下で有毒な水素化ホウ素を生成し得ることを発見した。そのような先行技術のプロセスは水素の解離及びホウ素の気化を同時に必要とするため、そのような有毒な水素化ホウ素が生成され得ると考えられる。水素化ホウ素は極めて有毒である。例えば、米国国立労働安全衛生研究所によれば、ジボランの人間の生命又は健康に直ちに危険な（ＩＤＬＨ）濃度は１５ｐｐｍと低く、ペンタボランでは１ｐｐｍ、及びデカボランでは３ｐｐｍである。ペンタボランは、全ての水素化ホウ素の中で最も安定であるため、反応器内に残留する可能性が最も高い化合物と考えられる。非常に低い潜在的致死濃度の閾値という事実と相まってガスの検出が困難であることにより、検出への依存は操作者にとって非常に有害となる。 Through R&D research, the inventors have surprisingly and unexpectedly discovered that prior art plasma processes for producing BNNTs using hydrogen in the plasma gas are toxic under certain circumstances. It was discovered that borohydride can be produced. It is believed that such toxic borohydrides can be produced because such prior art processes require simultaneous dissociation of hydrogen and vaporization of boron. Boron hydride is extremely toxic. For example, according to the National Institute for Occupational Safety and Health, the Immediately Hazardous to Human Life or Health (IDLH) concentration for diborane is as low as 15 ppm, 1 ppm for pentaborane, and 3 ppm for decaborane. Pentaborane is the most stable of all the borohydrides and therefore is considered the compound most likely to remain in the reactor. The difficulty of detecting the gas, coupled with the fact that the threshold for potentially lethal concentrations is very low, makes reliance on detection extremely detrimental to operators.
本明細書に記載のＢＮＮＴは、有害な水素化ホウ素の形成を回避するように設計された方法及び装置を使用して製造され得る。 The BNNTs described herein can be produced using methods and equipment designed to avoid harmful borohydride formation.
例えば、方法は、水素を含まないホウ素種の加熱ガスストリームを提供する工程と、実質的に層流のガス流を得るようにガスストリームを制御しながら、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得る工程と、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り入れる工程とを含み得る。 For example, the method includes providing a heated gas stream of hydrogen-free boron species and cooling the gas stream to provide a cooled gas stream while controlling the gas stream to obtain a substantially laminar gas flow. and introducing the nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain the BNNTs.
例えば、方法は、水素を含まないホウ素種の加熱ガスストリームを提供する工程と、ホウ素粒子の制御された粒径分布を得るようにガスストリームの温度及びガス流量を制御する工程と、ＢＮＮＴを得るための条件下でホウ素粒子を窒素含有ガスと接触させる工程とを含み得る。 For example, the method includes providing a heated gas stream of hydrogen-free boron species, controlling the temperature and gas flow rate of the gas stream to obtain a controlled particle size distribution of boron particles, and obtaining BNNTs. contacting the boron particles with a nitrogen-containing gas under conditions for.
例えば、方法は、ホウ素源をプラズマジェットと接触させて、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを得る工程であって、プラズマジェットは水素を含まないプラズマガスから生成される工程を含み得る。方法は、ガスストリームを冷却して、冷却ガスストリームを得る工程と、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り入れる工程とを更に含み得る。 For example, the method may include contacting a boron source with a plasma jet to obtain a heated gas stream containing gaseous boron species, where the plasma jet is generated from a hydrogen-free plasma gas. The method may further include cooling the gas stream to obtain a cooled gas stream and introducing a nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs.
例えば、装置は、ホウ素源を第１のセクション内の気化ゾーンに供給するための入口、気化ゾーン内でプラズマジェットを生成するためのプラズマ生成デバイスを備える、第１のセクションであって、第１のセクションは、ホウ素源をプラズマジェットに曝露して、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを得るように構成され、プラズマジェットは、水素を含まないプラズマガスから生成される、第１のセクションと、第１のセクションと流体連通した第２のセクションであって、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むように構成される、第２のセクションとを含み得る。 For example, the apparatus includes a first section comprising an inlet for supplying a boron source to a vaporization zone in the first section, a plasma generation device for generating a plasma jet in the vaporization zone, the first section is configured to expose the boron source to a plasma jet to obtain a heated gas stream containing gaseous boron species, the plasma jet being generated from a hydrogen-free plasma gas. and a second section in fluid communication with the first section configured to cool the gas stream to obtain a cooled gas stream and to introduce a nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs. and a second section.
例えば、装置は、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを供給するための第１の入口であって、加熱ガスは水素を含まない第１の入口と、第１の入口と流体連通した筐体であって、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むための第２の入口を備えるように構成される筐体とを含み得る。 For example, the apparatus includes a first inlet for supplying a heated gas stream containing a gaseous boron species, the heated gas being hydrogen-free, and a housing in fluid communication with the first inlet. a housing configured to cool the gas stream to obtain a cooled gas stream and include a second inlet for introducing nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs; may include.
例えば、装置は、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを供給するための第１の入口であって、加熱ガスは水素を含まない第１の入口と、第１の入口と流体連通した筐体であって、ホウ素粒子の制御された粒径分布を得るようにガスストリームの温度及びガス流量を制御し、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むための第２の入口を備えるように構成される、筐体とを含み得る。 For example, the apparatus includes a first inlet for supplying a heated gas stream containing a gaseous boron species, the heated gas being hydrogen-free, and a housing in fluid communication with the first inlet. a second gas stream for controlling the temperature and gas flow rate of the gas stream to obtain a controlled particle size distribution of boron particles and for incorporating a nitrogen-containing gas into the cooling gas stream under conditions to obtain BNNTs; and a housing configured to include an inlet.
本開示の方法及び装置は、先行技術の方法及び装置に勝る１つ又は複数の利点を提供し得る。例えば、本開示の方法は、以下の有利な特徴のうちの１つ又は複数を有し得る：有害な水素化ホウ素の形成を回避し得る、ホウ素蒸気の生成に極めて効率的となり得る、高収量のＢＮＮＴを生成し得る、より小さい直径のＢＮＮＴに極めて選択的となり得る、適度に純粋なＢＮＮＴを生成し得る、大気圧又はほぼ大気圧下で行われ得る、精製及び化学的に機能化することがより容易なＢＮＮＴを精製し得る、より環境に優しくなり得る、並びに拡張可能となり得る。本発明の方法は、大量の原料の効果的な処理に好適であり、それによって、小さい直径のＢＮＮＴの連続的な商業規模の生産を可能にする。 The methods and apparatus of the present disclosure may provide one or more advantages over prior art methods and apparatus. For example, the methods of the present disclosure can have one or more of the following advantageous features: can avoid harmful borohydride formation, can be highly efficient in producing boron vapor, can produce high yields. of BNNTs, can be highly selective for smaller diameter BNNTs, can produce reasonably pure BNNTs, can be performed at or near atmospheric pressure, can be carried out at or near atmospheric pressure, can be purified and chemically functionalized. may be easier to purify BNNTs, may be more environmentally friendly, and may be scalable. The method of the present invention is suitable for efficient processing of large quantities of raw material, thereby allowing continuous commercial scale production of small diameter BNNTs.
本明細書に記載のＢＮＮＴもまた、有利な特徴を有する。 The BNNTs described herein also have advantageous characteristics.
例えば、本開示のＢＮＮＴは数層のものであり、１０ｎｍ未満、例えば１～１０ｎｍ、又は約２ｎｍ～約１０ｎｍ、例えば約２ｎｍ、約３ｎｍ、約４ｎｍ、約５ｎｍ、約６ｎｍ、約７ｎｍ、約８ｎｍ、約９ｎｍ、又は約１０ｎｍ（その間の任意の値を含む）の直径を有する。例えば、ＢＮＮＴは、単層～数層であってもよく、５０ミクロン超の長さであってもよい。 For example, the BNNTs of the present disclosure are of several layers, less than 10 nm, such as 1 to 10 nm, or from about 2 nm to about 10 nm, such as about 2 nm, about 3 nm, about 4 nm, about 5 nm, about 6 nm, about 7 nm, about 8 nm. , about 9 nm, or about 10 nm (including any value therebetween). For example, BNNTs may have a single layer to several layers and may be greater than 50 microns long.
例えば、生成直後のＢＮＮＴは、低い不純物含有量を有し、例えば、２０質量％未満の不純物含有量を有し得る。例えば、不純物は、未反応ｈ－ＢＮ（六方晶ＢＮ）粉末、Ｂ含有ポリマー及び元素Ｂを含み得る。例えば、不純物は、元素ホウ素含有量、ｈ－ＢＮ及びＢＮＨ誘導体（例えば、非晶質ＢｘＮｙＨｚ高分子）を含み得る。生成直後のＢＮＮＴ中のそのような低レベルの不純物は、特に既存の商業製品を鑑みると予想外のものであり、既存の商業製品では、不純物のレベルは多くの場合５０質量％近く、例えば約２０～２５％の元素Ｂ並びに約２０～２５質量％のｈ－ＢＮ及びＢＮＨ誘導体である（Ｓｏｕｌ－Ｈｅｅ Ｌｅｅら、Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ Ｅｎｈａｎｃｅｓ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ、Ｉｎｔ． Ｊ． ｏｆ Ｍｏｌ． Ｓｃｉ．、２０２０、２１、１５２９）。これらの不純物は、その濃度に応じて、性能特性を高めるＢＮＮＴの能力を妨げることが知られている。 For example, freshly produced BNNTs may have a low impurity content, eg, less than 20% by weight. For example, impurities may include unreacted h-BN (hexagonal BN) powder, B-containing polymers, and element B. For example, impurities can include elemental boron content, h-BN and BNH derivatives (eg, amorphous B x N y Hz polymers). Such low levels of impurities in freshly produced BNNTs are unexpected, especially in view of existing commercial products, where impurity levels are often close to 50% by mass, e.g. 20-25% element B and about 20-25% by weight h-BN and BNH derivatives (Soul-Hee Lee et al., Purification of Boron Nitride Nanotubes Enhancements Biological Applications Pro Perties, Int. J. of Mol. Sci. 2020, 21, 1529). These impurities, depending on their concentration, are known to interfere with the ability of BNNTs to enhance performance properties.
例えば、ＢＮＮＴは、１５質量％以下、好ましくは１０質量％以下、好ましくは５質量％以下、より好ましくは１質量％以下の元素ホウ素含有量を有し得る。 For example, the BNNTs may have an elemental boron content of 15% by weight or less, preferably 10% by weight or less, preferably 5% by weight or less, more preferably 1% by weight or less.
例えば、ＢＮＮＴは、１５質量％以下、好ましくは１０質量％以下、好ましくは５質量％以下、より好ましくは１質量％以下のｈ－ＢＮ及びＢＮＨ誘導体を有し得る。 For example, the BNNTs may have up to 15% by weight, preferably up to 10% by weight, preferably up to 5% by weight, more preferably up to 1% by weight of h-BN and BNH derivatives.
例えば、ＢＮＮＴは、１５質量％以下、好ましくは１０質量％以下、好ましくは５質量％以下、より好ましくは１質量％以下の元素ホウ素含有量、ｈ－ＢＮ及びＢＮＨ誘導体を有し得る。 For example, the BNNTs may have an elemental boron content of 15% by weight or less, preferably 10% by weight or less, preferably 5% by weight or less, more preferably 1% by weight or less of h-BN and BNH derivatives.
図１は、本開示のＢＮＮＴを生成するための装置１００の一実施形態の詳細な正面立面図を示す。装置１００は、プラズマ１１２を生成するプラズマ生成デバイス１２０及び蒸発セクション２００を含む。装置１００は、核形成セクション３００及び反応セクション４００を更に含む。いくつかの実施形態において、装置１００は、図３に示されるように収集システム５００を更に含み得る。装置１００は、ケーシング、フランジ、ボルト等の他の構成要素を含み、これらは自明であると考えられ本明細書ではこれ以上説明されない。
FIG. 1 shows a detailed front elevation view of one embodiment of an
図２に示されるプラズマ生成デバイス１２０は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）トーチであり、より具体的には高周波（ＲＦ）誘導結合プラズマトーチである。ＩＣＰトーチの例は、ＴＥＫＮＡ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．社により市販されているもの、例えばＰＬ－５０、ＰＮ－５０、ＰＬ－３５、ＰＮ－３５、ＰＬ－７０、ＰＮ－７０、又はＰＮ－１００を含む。いくつかの実施形態において、プラズマ生成デバイス１２０は、別の種類のプラズマトーチ、例えば直流（ＤＣ）プラズマトーチ（例えばＰｒａｘａｉｒ社、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ－Ｍｅｔｃｏ社、Ｐｙｒｏｇｅｎｅｓｉｓ社及びＮｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｍｅｔｔｅｃｈ社により市販されているもの）等であってもよい。
The
図２に示されるプラズマ生成デバイス１２０は、同軸配置での外側円筒形トーチ本体１８１、内側円筒形プラズマ閉じ込め管１１０、及び少なくとも１つの誘導コイル１２６を含む。外側円筒形トーチ本体１８１は、成形可能な複合材料、例えば成形可能な複合セラミック材料で作製され得る。内側円筒形プラズマ閉じ込め管１１０は、セラミック材料で作製され得、トーチ本体１８１と同軸である。誘導コイル１２６は、トーチ本体１８１と同軸でそれに埋め込まれ、ＲＦ（高周波）電磁場を生成し、そのエネルギーがプラズマ閉じ込め管１１０内に閉じ込められたプラズマ１１２を点火及び維持する。プラズマ生成デバイス１２０の電力レベルは、一般性を失うことなく、商業生産規模のユニットでは約１０ｋＷ～約４００ｋＷ、例えば約２０ｋＷ、約２５ｋＷ、約３０ｋＷ、約３５ｋＷ、約４０ｋＷ、約４５ｋＷ、約５０ｋＷ、約５５ｋＷ、約６０ｋＷ、約６５ｋＷ、約７０ｋＷ、約７５ｋＷ、約８０ｋＷ、約８５ｋＷ、約９０ｋＷ、約９５ｋＷ、約１００ｋＷ等で変動し得る。
The
プラズマは、プラズマ中央ガス２０、好ましくは不活性ガス、例えばアルゴン、ヘリウム又はそれらの任意の組合せから生成される。本実施形態において、プラズマ中央ガス２０は、有害なレベルの窒化ホウ素化合物の生成を回避するために、実質的に水素を含まない。本明細書に記載のものとしてのＩＣＰ装置において、プラズマ中央ガス２０は、典型的には、トーチ本体１８１の上端部のプラズマ生成デバイス１２０のヘッド１８５を通してプラズマ閉じ込め管１１０内に供給される。ＲＦ電流は、電力リード線（図示せず）を介して誘導コイル１２６に供給される。プラズマ中央ガス２０は、その流れがトーチ本体１８１と同軸となるようにプラズマ生成デバイス１２０内に導入され得る。代替として、プラズマ中央ガス２０は、例えばその流れがトーチ本体１８１に対して角度を有するようにプラズマ生成デバイス１２０内に導入され得る。
The plasma is generated from a plasma central gas 20, preferably an inert gas, such as argon, helium or any combination thereof. In this embodiment, the plasma central gas 20 is substantially hydrogen-free to avoid producing harmful levels of boron nitride compounds. In an ICP apparatus as described herein, the plasma central gas 20 is typically supplied into the plasma confinement tube 110 through the head 185 of the
装置１００は、プラズマ閉じ込め管１１０の上流、下流、又はその中の１つ又は複数の場所で少なくとも１つのプラズマシースガス４０を注入するように構成され得る。例えば、図２に示されるように、ヘッド１８５は、プラズマ中央ガス２０用の入口に隣接してプラズマシースガス４０用の入口を含む。プラズマシースガス４０は、管の中央でのプラズマ放電を安定化することができ、プラズマ放電から生じる高い熱流束からプラズマ閉じ込め管１１０を保護し得る。いくつかの実施形態において、プラズマ１１２は、プラズマ中央ガス２０のみから、又はプラズマ中央ガス２０及びプラズマシースガス４０の両方から生成され得る。プラズマシースガス４０は、水素を除く当技術分野において知られている任意のプラズマシースガスであってもよく、換言すれば、プラズマ中央ガス２０の場合と同様に、プラズマシースガス４０もまた、有害なレベルの窒化ホウ素の生成を回避するために実質的に水素を含まない。いくつかの実施形態において、プラズマシースガスは、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）又はそれらの混合物を含む。
装置１００は、ホウ素含有前駆体材料１３０（「ホウ素含有原料」と呼ばれる場合がある）を注入するための原料注入器１１４を更に含む。ホウ素含有原料１３０は、液体、気体又は粉末形態であってもよい。原料注入器１１４は、トーチ本体１８１と同軸であってもよく、前駆体材料１３０をプラズマ１１２内に注入するように構成され得る。ホウ素含有原料１３０は、高温誘導プラズマ１１２内に連続的に注入されて、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを形成し得る。固体形態（例えば粉末）のホウ素含有原料を注入する場合、原料はプラズマ１１２内で蒸発し、蒸発セクション２００内にホウ素蒸気を放出する。窒化ホウ素（ＢＮ）粉末が、多くの方法において好ましくなり得る。いくつかの方法では、ＢＮは気化中に窒素を放出し、装置１００が追加の加熱能力を有することを必要とし得る。立方晶ＢＮ粉末が好適であり得るが、この材料はかなり高価であり、そのためＢＮＮＴ作製へのその使用はあまり魅力的ではない。Ｂ及びＢＮ粉末は両方とも、多くの工業グレードで入手可能である。典型的には、より小さい粒子がより容易に気化する。
いくつかの実施形態において、前駆体材料１３０は、注入器１１４を介した装置１００への注入の前に、それと同時に、又はその後に、キャリアガスと混合され得る。キャリアガスは、典型的には、前駆体材料１３０と反応しないガスである。キャリアガスは、プラズマ中央ガス２０と同じ種類のガスであってもよく、及び／又はガスの混合物を含んでもよく、前駆体材料１３０の輸送を容易にし得る。プラズマ中央ガス２０と同様に、キャリアガスもまた、有害なレベルの窒化ホウ素の生成を回避するために実質的に水素を含まない。
In some embodiments,
プラズマ生成デバイス１２０は、図２に示されるような排出出口（例えば排出ノズル）を介して蒸発セクション２００と流体連通している。プラズマ生成デバイス１２０は、前駆体材料１３０との接触後に、蒸発セクション２００内でガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを生成させる温度で前駆体材料を加熱するプラズマ１１２からのプラズマジェットを生成するように構成される。この加熱は、装置１００の長手方向軸に沿ってプラズマ生成デバイス１２０の下に伸びるプラズマ１１２から生成されたプラズマジェットの一部であるプラズマアフターグロー１４６により画定される下流ゾーンまで延長され得る。好ましくは、蒸発セクション２００は、細長い気化チャンバ２５０を画定するように構成される。いかなる理論にも束縛されないが、その細長い設計により、蒸発セクション２００はまた、蒸発セクション２００内のガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを均質化させ、したがって、さもなくば核形成ポケットを形成して本明細書に記載の方法を妨害し得るガス勾配の存在を低減すると考えられる。例えば、蒸発セクション２００は、例えば図５に示されるように、プラズマアフターグロー１４６を取り囲むガスにおける温度を約３０００Ｋ～約３５００Ｋの範囲内に維持するように採寸及び構成され得る。図５は、アルゴン誘導プラズマ、４ＭＨｚの発振器周波数を有する高周波電源、及び５０ｋＷのプレート電力を用いて操作された場合の、装置１００の様々なセクションにおける二次元温度場を示す装置１００の概略図である。固体又は液体形態のホウ素源を注入する場合、気化するには、分散したホウ素の温度が、それをガスに変換するのに十分な時間その気化温度超に保持されることが必要である。期間は、少なくとも原料粒子のサイズ及び局所温度に依存するが、典型的には、約１ミリ秒～数百ミリ秒のオーダーであり得る。
いくつかの実施形態において、装置１００は、細長い気化チャンバ２５０内の温度を制御するために蒸発セクション２００の少なくとも一部を取り囲む、及び／又は同じく核形成チャンバ３５０内の温度を制御するために核形成セクション３００の少なくとも一部を取り囲む断熱材２３０を更に含んでもよいが、これについては以下で更に説明する。
In some embodiments, the
蒸発セクション２００は、核形成セクション３００と流体連通している。好ましくは、核形成セクション３００は、異なるガスストリームライン（最終的な異なるホウ素粒子経路に対応する）にわたり実質的に均一な冷却を可能にし、ホウ素粒子の制御された核形成及び成長を可能にするように構成される。換言すれば、第１のガスストリームライン（又は粒子経路）上の第１の粒子の熱履歴は、第２の異なるガスストリームライン（又は第２の粒子経路）上の第２の粒子の熱履歴と実質的に同一である。
例えば、核形成セクション３００は、ホウ素種を含有するガスの冷却を、初期Ｔ１温度から冷却Ｔ２温度に到達させるように採寸及び構成される。例えば、Ｔ１温度は、限定されないが、３０００Ｋ超の温度であってもよく、Ｔ２温度は、限定されないが、約１４００Ｋ～約２５００Ｋの温度であってもよい。例えば、図５に示されるように、Ｔ１は約３２００Ｋであってもよく、Ｔ２は約２７００Ｋであってもよい。好ましくは、核形成セクション３００は、核形成チャンバ３５０が、蒸発セクション２００から離れて伸びる装置１００の長手方向軸に沿って直径が増加する断面を有するテーパ形状を有するように構成される。いかなる理論にも束縛されないが、そのようなテーパ設計により、核形成チャンバ３５０は、異なるガスストリームラインにわたる、特にＴ２とＴ１との間に画定された核形成ゾーン３８０内の反応物質ガスの実質的に制御された均一な冷却を可能にし、これにより、副生成物の形成が最小限となり、得られるナノチューブの生理化学的特性のより良好な制御が提供されると考えられる。いくつかの実施形態において、ホウ素蒸気冷却は、米国特許第８，７５３，５７８号（参照により本明細書に組み込まれる）に記載のように、凝縮器によって局所的に誘導されてもよい。凝縮器は、例えば冷却された銅ロッド又はタングステンワイヤ又はそれらの網若しくはグリッド等の多くの形態を取り得る。主な考慮点は、凝縮器がホウ素核形成セクション３００の周囲温度に耐えることができること、及び流動ストリームがその上を／それを通して容易に通ることができることである。
For example, the
本方法では、ホウ素小滴がＢＮＮＴ成長の種として機能するため、金属触媒を使用する必要がなく、これは金属不含ＢＮＮＴが望ましい場合に特に有利である。しかしながら、１種又は複数種の金属触媒を含めることも依然として可能である。金属触媒のいくつかの例は、純金属、金属酸化物、金属塩又はそれらの任意の混合物である。混合金属酸化物に注目すべきである。金属触媒は、例えば、ニッケル、鉄、コバルト、セリウム、イットリウム、モリブデン又はそれらの任意の混合物を含み得る。そのような金属触媒は、当技術分野において一般的に知られている。 Since the boron droplets act as seeds for BNNT growth in this method, there is no need to use a metal catalyst, which is particularly advantageous when metal-free BNNTs are desired. However, it is still possible to include one or more metal catalysts. Some examples of metal catalysts are pure metals, metal oxides, metal salts or any mixture thereof. Of note are mixed metal oxides. The metal catalyst may include, for example, nickel, iron, cobalt, cerium, yttrium, molybdenum or any mixture thereof. Such metal catalysts are generally known in the art.
反応混合物に１つ又は複数の炭素源を更に提供することによって、炭素ドープＢＮＮＴ（例えばＢ－Ｃ－Ｎナノチューブ、ＢＣＮＮＴ）を生成することもまた可能である。１つ又は複数の炭素源は、任意の物理形態、例えば固体、液体又は気体であってもよい。炭素源のいくつかの例は、元素炭素（例えばグラファイト炭素、非晶質炭素）、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素（例えばアセチレン、メタン）、又はそれらの任意の混合物である。炭素による窒化ホウ素ナノチューブのドープは、特定用途のためにナノチューブの電子特性及び／又は熱特性を調整するためのバンドギャップ操作を可能にする。 It is also possible to produce carbon-doped BNNTs (eg BCN nanotubes, BCNNTs) by further providing one or more carbon sources to the reaction mixture. The carbon source or sources may be in any physical form, such as solid, liquid or gas. Some examples of carbon sources are elemental carbon (eg, graphite carbon, amorphous carbon), carbon monoxide, carbon dioxide, hydrocarbons (eg, acetylene, methane), or any mixture thereof. Doping boron nitride nanotubes with carbon allows for band gap manipulation to tune the electronic and/or thermal properties of the nanotubes for specific applications.
核形成セクション３００は、反応セクション４００と流体連通している。核形成セクション３００における蒸気の初期冷却はホウ素粒子の核形成を可能にし、次いでホウ素粒子は反応セクション４００内で下流の窒素種と反応して、ＢＮＮＴの形成を開始し得る。このために、反応セクション４００は、反応チャンバ４５０内に窒素含有ガスを取り込んでホウ素粒子と接触させ、ＢＮＮＴを形成するための１つ又は複数の入口を更に含み得る。例えば、窒素含有ガスはアンモニア（ＮＨ３）を含んでもよく、キャリアガスと混合して、又はキャリアガスなしで核形成セクション３００から下流の反応チャンバ４５０内に注入され得る。キャリアガスは、好適には不活性ガス、例えばアルゴン、ヘリウム若しくはそれらの混合物であってもよく、及び／又は別の窒素含有ガス、例えば窒素（Ｎ２）を含んでもよい。ＢＮＮＴは、反応チャンバ４５０の通過中に成長し続ける。反応混合物が反応チャンバ４５０内で更に冷却されると、ＢＮＮＴの連続成長は最終的に停止する。いくつかの実施形態において、反応チャンバ４５０は、冷却流体、例えば水又は冷却ガスが流れる冷却流体ジャケットにより冷却され得る。いくつかの実施形態において、反応セクション４００は、ＢＮＮＴ合成に好適な温度の維持を補助するために、反応チャンバ４５０の少なくとも長手方向部分にわたり延在し得る所望の温度に予熱されたガスの反応チャンバ４５０への注入を可能にするように構成され得る。換言すれば、高温ガスの注入は、長手方向軸に沿ったより平坦な温度プロファイルを可能にし、したがって、ＢＮＮＴの生成に好適な温度でのより長い滞留時間を可能にする。いくつかの実施形態において、反応チャンバ４５０内に注入されるガスは、窒素（Ｎ２）を含む。そのようなガスを注入するための構造的な詳細は、例えば、ＰＣＴ／ＣＡ２０２０／０５１３６５（その内容は参照により本明細書に組み込まれる）に記載されており、簡潔性のためにこれ以上本明細書では説明されない。典型的には、反応セクション４００内の温度は、ホウ素の融点超及びホウ素の沸点未満であり得る。例えば、反応セクション４００内の温度は、図５に示されるように約１０００℃～約２０００℃の範囲内であってもよい。いくつかの実施形態において、温度は、長手方向軸に沿って徐々に冷却され、徐々に反応が停止されてもよい。
いくつかの実施形態において、反応セクション４００は、ＢＮＮＴが収集される収集セクションと流体連通している。
In some embodiments,
いくつかの実施形態において、ＢＮＮＴは、ＢＮＮＴを捕捉する多孔質フィルタを通してＢＮＮＴ含有ガスを引き出すために真空ポンプを使用する、例えばＵＳ９，８６２，６０４（参照により本明細書に組み込まれる）に記載されるような既知の収集システムを使用して収集される。簡潔に説明すると、収集システムは、パイプを介して反応チャンバと流体連通している収集チャンバを含んでもよい。真空ポートに接続された真空ポンプは、収集チャンバ内に配置される多孔質フィルタを通してＢＮＮＴ含有ガスを引き出し、そうするとガスが引き出される一方でＢＮＮＴがフィルタ及びパイプの内壁上に堆積する。次いで、ＢＮＮＴがフィルタ及びパイプから収集され得る。 In some embodiments, the BNNTs are prepared using a vacuum pump to draw the BNNT-containing gas through a porous filter that captures the BNNTs, such as that described in US 9,862,604 (incorporated herein by reference). collected using known collection systems such as Briefly, a collection system may include a collection chamber in fluid communication with a reaction chamber via a pipe. A vacuum pump connected to the vacuum port draws the BNNT-containing gas through a porous filter located within the collection chamber such that the BNNTs are deposited on the filter and the inner walls of the pipe while the gas is drawn. BNNTs can then be collected from the filter and pipe.
別の実施形態において、ＢＮＮＴは、図３に記載のように収集システム５００を使用して収集される。収集システム５００は、反応チャンバ４５０と流体連通した入口を含んでもよく、入口は、ＢＮＮＴ含有ガスストリーム６０５が供給導管６１０を通って流れるのを可能にする。有利には、例えば収集システム５００の下流に真空ポンプが接続され、収集システム５００を通してＢＮＮＴ含有ガス６０５が引き出され得る。
In another embodiment, BNNTs are collected using a
いくつかの実施形態において、収集システム５００は、フィルタメッシュ６２５の少なくとも一部が供給導管６１０を通るストリーム６０５を横断するように、ロール６１５からスクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６２５を直線的に供給する供給機構６４０を含む。例えば、スクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６２５は、ＢＮＮＴを捕捉しながらストリーム６０５を通過させるための、５ｍｍ以下、例えば１ｍｍ以下の間隔（細孔）を有し得る。いくつかの実施形態において、スクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６２５は、好適な材料、例えばステンレススチールワイヤから作製され得る。スクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６２５の一部が供給導管６１０を通して直線的に供給される場合、ＢＮＮＴがスクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６２５上に堆積してＢＮＮＴを有するスクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６３５を形成するように、スクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６２５は、ＢＮＮＴ含有ガス６０５のストリームと交差する。
In some embodiments, the
収集システム５００は、供給機構６４０の向かいの供給導管６１０の片側に配置された回収機構６２０を更に含んでもよい。したがって、供給機構６４０は、横方向（図３に矢印で示される）に沿ってロール６１５から回収機構６２０に向けてスクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６２５を供給するように構成され得、ＢＮＮＴを有するスクリーン又はワイヤメッシュフィルタ６２５は、ロール６４５内に装填される。
いくつかの実施形態において、収集システム５００は余剰システムを含んでもよく、供給機構６４０及び回収機構６２０が一緒になって回収構造Ａを形成し、収集システム５００は、回収構造Ａと実質的に同一であり得る回収構造Ｂを含む。一実施形態において、回収構造Ｂは、回収構造Ａから下流に位置してもよい。一実施形態において、回収構造Ｂは、回収構造Ａから上流に位置してもよい。
In some embodiments,
例えば、回収構造Ｂは、一緒になって回収構造Ａ内の対応する機構６１５、６２０と実質的に同様に動作する供給機構６１５’及び回収機構６２０’を含んでもよい。
For example, retrieval structure B may include a supply mechanism 615' and a retrieval mechanism 620' that together operate substantially similar to
使用中、操作者は、回収構造Ａの弁システム６３０を開放／閉鎖し、回収システムＢの弁システムを開放／閉鎖して、一方の回収構造から他方の回収構造に切り替えることができる。例えば、操作者は、回収構造Ａの弁システム６３０を開放してこの回収構造を操作する一方で、回収システムＢの弁システム６３０’を閉鎖して回収システムＢをオフにすることができる。それによって、例えば、操作者は、供給機構６１５’及び／又は回収機構６２０’からスクリーン又はワイヤメッシュのロールの装填／取出しを行いながら回収構造Ａを操作することが可能となり得る。読者には、変形型が可能であり、例えば、収集システム５００は、１つ若しくは複数の回収構造、及び／又はそれぞれ独自の収集システムを有する１つ若しくは複数の供給導管６１０を含んでもよいことが理解されるだろう。
In use, an operator can open/close the
理論に束縛されないが、本開示におけるＢＮＮＴの形成は、反応セクションの上流で形成されたホウ素ナノ粒子のサイズによって少なくとも部分的に制御されると考えられる。したがって、正しいサイズを有する粒子の量を最大化することを目指す場合、狭い粒径分布（ＰＳＤ）を有すること、及びこのＰＳＤが正しい範囲内であることを確実にすることが有利である。プロセスの第１の時点で前駆体の蒸発後極めてすぐにガス状ホウ素の核形成が生じるため、装置１００は、有利には、均一な核形成及び一様な成長につながる制御された環境を提供するように設計される。
Without being bound by theory, it is believed that the formation of BNNTs in the present disclosure is at least partially controlled by the size of the boron nanoparticles formed upstream of the reaction section. Therefore, when aiming to maximize the amount of particles with the correct size, it is advantageous to have a narrow particle size distribution (PSD) and to ensure that this PSD is within the correct range. Since nucleation of gaseous boron occurs very quickly after evaporation of the precursor at the first point in the process,
ガス状種は、ギブスの自由エネルギーを最小化するために既存の粒子上で核形成する傾向がある。したがって、すでに核形成した粒子を装置内のガス状ホウ素に富むエリアに戻した場合、ガス状ホウ素は、新たな粒子を形成するよりも戻った粒子上で凝縮する傾向があり、この現象は粒径分布を拡大する傾向があることが推測され得る。この文脈では、再循環を排除することが有利であろう。一実施形態において、これは、装置の異なるセクション内のガス流ラインを示した装置１００の概略図である図７に示されるような層流を使用して達成され得る。読者には、プラズマトーチ１２０の直後の円筒形ゾーン２５０によって流動プロファイルを標準化することが可能となり、これは最初にプラズマの存在により強く不安定化されることが理解されるだろう。読者にはまた、様々なセクションの間の遷移部において乱流が存在しないことが理解されるだろう。
Gaseous species tend to nucleate on existing particles to minimize Gibbs free energy. Therefore, if particles that have already nucleated are returned to an area of the device that is rich in gaseous boron, the gaseous boron will tend to condense on the returning particles rather than forming new particles, and this phenomenon It can be inferred that there is a tendency to expand the diameter distribution. In this context, it would be advantageous to eliminate recirculation. In one embodiment, this may be accomplished using laminar flow as shown in FIG. 7, which is a schematic diagram of
核形成動力学はまた、粒子の周囲環境におけるホウ素濃度に依存するであろう。前駆体は最初に注入プローブの排出口で濃縮されるため、核形成プロセスの開始前に種の適切な拡散を確実にすることが有利である。図８は、本明細書に記載の方法を実践する装置１００内のホウ素の質量分率を示し、核形成ゾーン３８０は点線の内側に示されている。最初に、またいわゆる「一様化」円筒形ゾーン２５０の終わりまで、ホウ素種は、円筒形ゾーン２５０の入口Ｃの近く及び装置１００の軸Ｘ上で極めて濃縮される。しかしながら、この濃縮は速やかに消散し、円筒形ゾーン２５０にわたる濃度の偏差は、円筒形ゾーン２５０の入口Ｃと出口Ｄとの間で約４分の１に減少する。次いで、濃度は、核形成ゾーン３８０にわたり実質的に一様になる。
Nucleation kinetics will also depend on the boron concentration in the particle's surrounding environment. Since the precursor is first concentrated at the outlet of the injection probe, it is advantageous to ensure proper diffusion of the species before starting the nucleation process. FIG. 8 shows the mass fraction of boron within the
均一な核形成の文脈において、ナノ粒子のサイズは、粒子上で凝縮する蒸気の量に起因する。これは動的プロセスであるため、核形成ゾーン内で費やされる時間に関連付けることができる。新生粒子はストリームラインに沿って同伴され、したがって、核形成プロセスの一様性を評価することは、各ストリームラインの核形成ゾーン内の質量要素により消費される時間の決定に帰する。図９は、図７及び図８に示される例におけるこの時間を示すグラフである。 In the context of homogeneous nucleation, the size of nanoparticles is due to the amount of vapor that condenses on the particles. Since this is a dynamic process, it can be related to the time spent within the nucleation zone. The nascent particles are entrained along the streamlines, and therefore assessing the uniformity of the nucleation process results in determining the time consumed by the mass elements within the nucleation zone of each streamline. FIG. 9 is a graph illustrating this time for the examples shown in FIGS. 7 and 8.
ここでも理論に束縛されないが、本明細書に記載の装置及び方法は、はるかに高い原料供給速度に対応するためにプロセスに注入されるＮＨ３の割合を増加させることを可能にし、したがってそれに比例してプロセスの生産性を増大させると考えられる。更に、本発明者らは、過剰の反応性窒素種の使用が、ホウ素の窒化動力学を促進することによりナノチューブの収率を増加させ、したがって合成直後のＢＮＮＴ中の未反応ホウ素の割合を最小限にし得ると推測することが合理的であると提案する。 Again, without being bound by theory, the apparatus and methods described herein make it possible to increase the proportion of NH3 injected into the process to accommodate much higher feed rates, and thus proportionally. It is believed that this increases the productivity of the process. Furthermore, we found that the use of excess reactive nitrogen species increases the nanotube yield by promoting boron nitridation kinetics, thus minimizing the proportion of unreacted boron in the as-synthesized BNNTs. We suggest that it is reasonable to assume that it can be limited.
したがって、いくつかの実践において、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための本明細書に記載の方法は、ａ）ホウ素源をプラズマジェットと接触させて、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを得る工程であって、プラズマジェットは水素を含まないプラズマガスから生成される工程と、ｂ）ガスストリームを冷却して、冷却ガスストリームを得る工程と、ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り入れる工程とを含み得る。 Thus, in some practices, the methods described herein for producing boron nitride nanotubes (BNNTs) include a) contacting a boron source with a plasma jet to generate a heated gas stream containing gaseous boron species; b) cooling the gas stream to obtain a cooled gas stream; and c) under conditions for obtaining BNNTs. introducing a nitrogen-containing gas into the cooling gas stream.
したがって、いくつかの実践において、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための本明細書に記載の方法は、ａ）ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを提供する工程であって、加熱ガスは水素を含まない工程と、ｂ）実質的に層流のガス流を得るようにガスストリームを制御しながら、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得る工程と、ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り入れる工程とを含み得る。 Accordingly, in some practices, the methods described herein for producing boron nitride nanotubes (BNNTs) include the steps of: a) providing a heated gas stream containing a gaseous boron species; b) cooling the gas stream to obtain a cooled gas stream while controlling the gas stream to obtain a substantially laminar gas flow; and c) obtaining BNNTs. introducing a nitrogen-containing gas into the cooling gas stream under conditions.
したがって、いくつかの実践において、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための本明細書に記載の方法は、ａ）水素を含まないホウ素種の加熱ガスストリームを提供する工程と、ｂ）ホウ素粒子の制御された粒径分布を得るようにガスストリームの温度及びガス流量を制御する工程と、ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下でホウ素粒子を窒素含有ガスと接触させる工程とを含み得る。 Accordingly, in some practices, the methods described herein for producing boron nitride nanotubes (BNNTs) include a) providing a heated gas stream of hydrogen-free boron species; and b) boron particles. c) contacting the boron particles with a nitrogen-containing gas under conditions to obtain BNNTs.
したがって、いくつかの実践において、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を生成するための本明細書に記載の方法は、ａ）水素を含まないホウ素種の加熱ガスストリームを提供する工程と、ｂ）ホウ素粒子の制御された粒径分布を得るようにガスストリームの温度及びガス流量を制御する工程と、ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下でホウ素粒子を窒素含有ガスと接触させる工程とを含み得る。 Thus, in some practices, the methods described herein for producing boron nitride nanotubes (BNNTs) include a) providing a heated gas stream of hydrogen-free boron species; and b) boron particles. c) contacting the boron particles with a nitrogen-containing gas under conditions to obtain BNNTs.
定義
別段に定義されていない限り、本明細書において使用される技術的及び科学的用語は全て、本発明が属する技術分野の当業者により一般的に理解されているのと同じ意味を有する。本明細書において使用される場合、別段に指定されない限り、又は文脈により別様に解釈されない限り、以下の用語はそれぞれ以下に記載される定義を有するものである。
Definitions Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. As used herein, unless otherwise specified or interpreted differently by context, each of the following terms has the definition set forth below.
本明細書において使用される場合、「平均粒径」という用語は、粒径の平均値を指す。いくつかの実施形態において、平均粒径は、Ｄ５０、すなわち全体積が１００％である場合の粒径分布曲線上の５０％の点での粒子直径を指す。 As used herein, the term "average particle size" refers to the average value of particle size. In some embodiments, average particle size refers to D50, the particle diameter at the 50% point on the particle size distribution curve when the total volume is 100%.
本明細書において使用される場合、「実質的に」という用語は、特定された特性（例えば球形度）が明らかに損なわれることがないような十分に小さい偏差の程度を指す。許容され得る厳密な偏差の程度は、いくつかの場合において、特定の文脈に依存し得る。 As used herein, the term "substantially" refers to a sufficiently small degree of deviation such that the specified property (eg, sphericity) is not appreciably impaired. The exact degree of deviation that may be tolerated may depend on the particular context in some cases.
本明細書において使用される場合、「プラズマ」という用語は、イオン化されたガス状物質が、長距離電場及び磁場が物質の挙動を支配する点まで極めて電気伝導性となる物質の状態を指す。プラズマは、典型的には、中性ガスを加熱することにより、又はそのガスを強電磁場に供することにより人為的に生成される。 As used herein, the term "plasma" refers to a state of matter in which ionized gaseous matter becomes highly electrically conductive to the point that long-range electric and magnetic fields dominate the behavior of the material. Plasmas are typically generated artificially by heating a neutral gas or by subjecting the gas to a strong electromagnetic field.
「プラズマトーチ」、「プラズマアーク」、「プラズマ銃」及び「プラズマカッター」という表現は、本明細書において交換可能に使用され、プラズマの直接的な流れを生成するためのデバイスを指す。 The expressions "plasma torch," "plasma arc," "plasma gun," and "plasma cutter" are used interchangeably herein to refer to a device for producing a direct stream of plasma.
本明細書において使用される場合、「μｍ」という略語はマイクロメートルを示し、「ｎｍ」という略語はナノメートルを示す。 As used herein, the abbreviation "μm" refers to micrometers and the abbreviation "nm" refers to nanometers.
本明細書において使用される場合、「粒径分布」又は「ＰＳＤ」という表現は、サイズによる存在する粒子の相対量を定義する。最も容易に理解される決定方法は、異なるサイズの篩で粉末が分離される篩分析である。したがって、ＰＳＤは、個別のサイズ範囲に関して定義され、例えば、４５μｍ～５３μｍのサイズの篩が使用された場合、４５μｍ～５３μｍのＰＳＤとなる。ＰＳＤは通常、試料中に存在するほぼ全てのサイズをカバーするサイズ範囲のリストにわたって決定される。 As used herein, the expression "particle size distribution" or "PSD" defines the relative amount of particles present by size. The most easily understood determination method is sieve analysis, where powders are separated on sieves of different sizes. The PSD is therefore defined in terms of a discrete size range, for example if a sieve of size 45 μm to 53 μm is used, there will be a PSD of 45 μm to 53 μm. PSD is typically determined over a list of size ranges that cover nearly all sizes present in a sample.
以下の実施例は、本明細書に記載のある特定の実施形態を作製及び実践するいくつかの例示的な様式を説明している。これらの実施例は、例示のみを目的としており、本明細書に記載の組成物及び方法の範囲を限定することを意図しない。 The following examples describe some exemplary ways of making and practicing certain embodiments described herein. These examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the compositions and methods described herein.
（実施例１）
先行技術のプロセスによるＢＮＮＴの比較生成
この実施例では、プラズマ中に水素ガスを含むＩＣＰプラズマの先行技術のプロセスを使用してＢＮＮＴを生成した。
(Example 1)
Comparative Production of BNNTs by Prior Art Processes In this example, BNNTs were produced using a prior art process of ICP plasma with hydrogen gas in the plasma.
図４に示されるような装置において、全部で５０ｇのｈ－ＢＮ原料を０．８ｇ／分の平均供給速度で１時間にわたり１２０ｋＷ ＩＣＰプラズマ源（Ｔｅｋｎａ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．社、カナダ）に供給した。この装置は、フィッシュテールセクション及び多孔質セクションを含む。トーチ排出口にセラミック管を挿入して、原料の気化及びガスの混合を促進するための高温領域を形成した。セラミック管の排出口において、温度の急速な低下が核形成及びナノ粒子形成を開始する。 In an apparatus as shown in FIG. 4, a total of 50 g of h-BN feedstock was fed to a 120 kW ICP plasma source (Tekna Plasma Systems Inc., Canada) for 1 hour at an average feed rate of 0.8 g/min. The device includes a fishtail section and a porous section. A ceramic tube was inserted into the torch outlet to create a high temperature region to promote vaporization of the raw materials and mixing of gases. At the outlet of the ceramic tube, a rapid drop in temperature initiates nucleation and nanoparticle formation.
２つの試験を行った。第１の試験では、乱流を最小限にするためにセラミック管排出口周辺のガス速度と一致するようにフィッシュテールガス流量を計算した。アルゴンは低い熱伝導率を有するため、熱損失を最小限にし、テーパ型高温ゾーンを提供して核形成及びナノチューブ成長を可能にするためにアルゴンが選択された。 Two tests were conducted. In the first test, the fishtail gas flow rate was calculated to match the gas velocity around the ceramic tube outlet to minimize turbulence. Because argon has low thermal conductivity, it was chosen to minimize heat loss and provide a tapered hot zone to allow nucleation and nanotube growth.
第２の試験では、高速アルゴンガスをクエンチセクションからの最小限の窒素注入で置き換え、熱による損傷を防止した。 In the second test, the high velocity argon gas was replaced with minimal nitrogen injection from the quench section to prevent thermal damage.
この実験に使用されたパラメータを、Ｔａｂｌｅ １（表１）に示す。 The parameters used in this experiment are shown in Table 1.
このプロセスでＢＮＮＴが得られたが、プロセスを停止した際に窒化ホウ素もまた検出された。窒化ホウ素は極めて有毒である。このプロセスにおいて生成される最も可能性のある化合物を、Ｔａｂｌｅ ２（表２）に列挙する。 Although BNNTs were obtained in this process, boron nitride was also detected when the process was stopped. Boron nitride is extremely toxic. The most likely compounds produced in this process are listed in Table 2.
ここで、ＩＤＬＨ：人間の生命又は健康に直ちに危険、ＳＴＥＬ：短期曝露限界、及びＴＷＡ：時間加重平均である。この場合では、本発明者らは、ペンタボランが全ての水素化ホウ素の中で最も安定であり、室温で液体形態であり、ジボランの熱分解から生じるため、ペンタボランが最も可能性の高い化合物であることを提案する。重要なことに、ペンタボランはまた最も致死的である。 where IDLH: Immediate danger to human life or health, STEL: Short-term exposure limit, and TWA: Time-weighted average. In this case, we believe that pentaborane is the most likely compound because it is the most stable of all borohydrides, is in liquid form at room temperature, and results from the thermal decomposition of diborane. suggest something. Importantly, pentaborane is also the most lethal.
（実施例２）
先行技術のプロセスによるＢＮＮＴの比較生成
この実施例では、実施例１のプロセスを再現したが、１５ｋＷ ＩＣＰプラズマ源（Ｔｅｋｎａ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．社、カナダ）を使用した。操作パラメータをＴａｂｌｅ ３（表３）に記載する。
(Example 2)
Comparative Production of BNNTs by Prior Art Processes In this example, the process of Example 1 was reproduced, but using a 15 kW ICP plasma source (Tekna Plasma Systems Inc., Canada). The operating parameters are listed in Table 3.
このプロセスでＢＮＮＴが得られたが、窒化ホウ素もまた検出された（半導体型ボランガス検出器により）。 Although BNNTs were obtained in this process, boron nitride was also detected (with a semiconductor-based borane gas detector).
いかなる理論にも束縛されないが、本発明者らは、プラズマガス中の水素の存在がＮＨ種及びＢｘＨｙ種の形成をもたらし得、次いでこれらの種がＨ２、ＢｘＨｙ及びＮ２種に変換され、続いてクエンチ並びに金属ホウ素ナノ粒子及びアンモニアガス（ＮＨ３）の形成が生じ、続いてナノ粒子の発熱性窒化が生じ、したがってＢＮＮＴが形成されることを提案する。 Without being bound to any theory, the inventors believe that the presence of hydrogen in the plasma gas may lead to the formation of NH and BxHy species, which in turn convert into H 2 , B x H y and N 2 species. We propose that conversion occurs, followed by quenching and formation of metallic boron nanoparticles and ammonia gas (NH 3 ), followed by exothermic nitridation of the nanoparticles, thus forming BNNTs.
（実施例３）
ＢＮＮＴの生成
この実施例では、本開示の一実施形態による水素の非存在下でのプラズマを使用してＢＮＮＴを得た。
(Example 3)
Production of BNNTs In this example, BNNTs were obtained using a plasma in the absence of hydrogen according to an embodiment of the present disclosure.
この趣旨で、プラズマアフターグローの下流の制御された量のアンモニアガスの導入に対応するように、ＴｅｋＮａｎｏ－１５プラズマ装置（Ｔｅｋｎａ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．社、カナダ）を修正した。この特定の実施例において、アンモニアガスはシステムの多孔質セクションに導入され、プラズマ生成デバイス内に水素は全く注入されなかった。これは、以下の２つの目的を果たす：（１）それ以上原子ホウ素がアンモニアから解離する水素との反応に利用可能となり得ず、したがって窒化ホウ素形成のリスクを抑制するように、全てのホウ素粒子がアンモニアガス導入点で完全に核形成されると推定される。（２）トーチに水素が導入されないため、有害な水素化ボランの形成がない。 To this effect, a TekNano-15 plasma apparatus (Tekna Plasma Systems, Inc., Canada) was modified to accommodate the introduction of a controlled amount of ammonia gas downstream of the plasma afterglow. In this particular example, ammonia gas was introduced into the porous section of the system and no hydrogen was injected into the plasma generation device. This serves two purposes: (1) all boron particles are removed so that no more atomic boron can be available for reaction with hydrogen dissociating from ammonia, thus suppressing the risk of boron nitride formation; is estimated to be completely nucleated at the point of ammonia gas introduction. (2) Since no hydrogen is introduced into the torch, there is no formation of harmful hydrogenated borane.
実験は、Ｔａｂｌｅ ４（表４）に記載されるガス条件で行った。 The experiment was conducted under the gas conditions listed in Table 4.
原料は、キャリアとして３ｓｌｐｍ Ａｒガスを用いた０．７ｇ／分の供給速度でのＭＫ－ｈＢＮ－Ｎ７０であった。実験は５０分間行い、その間３４グラムの原料を供給した。 The feedstock was MK-hBN-N70 at a feed rate of 0.7 g/min with 3 slpm Ar gas as carrier. The experiment was run for 50 minutes, during which time 34 grams of feedstock was fed.
システムが冷却されたら、プラスチック袋をフィルタキャニスタの周りに気密状態で取り付けた。フランジを若干開け、次いで穴を袋の中に差し込み、水素化ホウ素検出試験管を挿入した。管内でのいかなる反応もなしに、すなわち水素ホウ素の形成なしに管を通して５ポンプ体積を供給した。いかなる理論にも束縛されないが、得られた実験結果によれば、実験におけるナノチューブの観察は、ＢのＮＨ３による直接的な窒化から得られると考えられる。 Once the system was cooled, a plastic bag was placed airtight around the filter canister. The flange was slightly opened, a hole was then inserted into the bag, and a borohydride detection test tube was inserted. Five pump volumes were delivered through the tube without any reaction within the tube, ie, without the formation of borohydride. Without being bound to any theory, the experimental results obtained suggest that the observation of nanotubes in the experiments results from direct nitridation of B with NH3 .
次いでキャニスタを開け、フィルタ及びサイクロンセクション内の写真を撮影した。図６Ａ及び図６Ｂは、これらの写真を示す。これらの領域の両方においてナノチューブの存在が明らかである。 The canister was then opened and photographs were taken of the filter and inside the cyclone section. Figures 6A and 6B show these photographs. The presence of nanotubes is evident in both of these regions.
水素の非存在下でのＢＮＮＴの形成は、先行技術のプラズマプロセスにおいて提案されるＢＨ及びＮＨの過渡的な種の形成が発生し得ず、したがってこれらの種がＢＮＮＴの形成に関与し得ないことを示唆している。これらの結果は、ＢＮＮＴがＢのＮＨ３による窒化によって得られることを示唆している。これらの結果はまた、プラズマシステムによるＢＮＮＴ作製の生産性を増大させる手法を示唆しており、過剰の反応性窒素種の使用は、ホウ素の窒化動力学を促進することによりＢＮＮＴの収率を増加させ、したがって未反応ホウ素の割合を最小限化することができる。 The formation of BNNTs in the absence of hydrogen suggests that the formation of transient species of BH and NH as proposed in prior art plasma processes cannot occur and therefore these species cannot participate in the formation of BNNTs. It suggests that. These results suggest that BNNTs are obtained by nitridation of B with NH3 . These results also suggest an approach to increase the productivity of BNNT fabrication by plasma systems, where the use of excess reactive nitrogen species increases the yield of BNNTs by promoting boron nitridation kinetics. Thus, the proportion of unreacted boron can be minimized.
他の実践例は、本説明の教示を鑑みて読者に明らかとなり、したがってここでは更に説明されない。 Other implementations will be apparent to the reader in view of the teachings of this description and are therefore not further described herein.
表題又は副題は、本開示全体を通して読者の利便性のために使用され得るが、これらは決して本発明の範囲を限定すべきではないことに留意されたい。更に、ある特定の理論が本明細書において提案及び開示され得るが、それらは決して、正しいか又は間違っているかに関わらず、いかなる特定の理論又は作用スキームに関係なく本発明が本開示に従って実践される限り、本発明の範囲を限定すべきではない。 It is noted that headings or subheadings may be used throughout this disclosure for the convenience of the reader, but they should not limit the scope of the invention in any way. Furthermore, although certain theories may be proposed and disclosed herein, they are in no way to be construed as being true or false, and that the invention may be practiced in accordance with the present disclosure without regard to any particular theory or scheme of operation. The scope of the invention should not be limited in so far as possible.
明細書全体を通して引用される全ての参考文献は、参照によってその全体が全ての目的において本明細書に組み込まれる。 All references cited throughout the specification are incorporated by reference in their entirety for all purposes.
明細書全体にわたる「いくつかの実施形態」等への言及は、本発明に関連して記載される特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／又は特性）が、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態には存在しても、又はしなくてもよいことを意味する。更に、記載される本発明の特徴は、様々な実施形態において任意の好適な様式で組み合わされてもよいことを理解されたい。 References throughout the specification to "some embodiments" and the like mean that a particular element (e.g., a feature, structure, and/or property) described in connection with the invention may be included in at least one of the embodiments described herein. It is meant to be included in one embodiment and may or may not be present in other embodiments. Furthermore, it is to be understood that the described features of the invention may be combined in any suitable manner in various embodiments.
本明細書全体を通して、ある用語の前で使用される「ａ」という用語は、その用語が指すものの１つ又は複数を含む実施形態を包含することが当業者には理解されるであろう。また、本明細書全体を通して、「含む」、「含有する」又は「特徴とする」と同義である「備える」という用語は、包含的又は非制限的であり、列挙されていない追加の要素又は方法の工程を除外しないことが当業者には理解されるであろう。 It will be understood by those skilled in the art that throughout this specification, the term "a" used before a term encompasses embodiments that include one or more of what the term refers to. Also, throughout this specification, the term "comprising", which is synonymous with "comprising", "contains", or "characterized", is used as an inclusive or non-limiting term to include additional or unlisted elements. It will be understood by those skilled in the art that no method step is excluded.
別段に定義されていない限り、本明細書において使用される技術的及び科学的用語は全て、本発明が属する技術分野の当業者により一般的に理解されているのと同じ意味を有する。矛盾する場合には、定義を含む本明細書が、本明細書において使用される用語の意味に関して優先される。 Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In case of conflict, the present specification, including definitions, will control as to the meaning of terms used herein.
本開示において使用される場合、「ほぼ」、「約」又は「およそ」という用語は一般に、当技術分野において一般に認められる許容誤差内を意味する。したがって、本明細書において示される数量は一般に、明示的に記載されていなくても「ほぼ」、「約」又は「およそ」という用語が暗示され得るようにそのような許容誤差を含む。 As used in this disclosure, the terms "approximately," "about," or "approximately" generally mean within tolerances generally accepted in the art. Accordingly, quantities set forth herein generally include such tolerances as the term "approximately," "about," or "approximately" may be implied even if not explicitly stated.
本開示の様々な実施形態を説明及び例示してきたが、本説明に照らして様々な修正及び変形を行うことができることが当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲においてより具体的に定義される。 Although various embodiments of the present disclosure have been described and illustrated, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations may be made in light of the description. The scope of the invention is more particularly defined in the appended claims.
２０ プラズマ中央ガス
４０ プラズマシースガス
１００ 装置
１１０ 内側円筒形プラズマ閉じ込め管、プラズマ閉じ込め管
１１２ プラズマ、高温誘導プラズマ
１１４ 原料注入器、注入器
１２０ プラズマ生成デバイス、プラズマトーチ
１２６ 誘導コイル
１３０ ホウ素含有前駆体材料、ホウ素含有原料、前駆体材料
１４６ プラズマアフターグロー
１８１ 外側円筒形トーチ本体、トーチ本体
１８５ ヘッド
２００ 蒸発セクション
２３０ 断熱材
２５０ 円筒形ゾーン、「一様化」円筒形ゾーン
３００ 核形成セクション
３５０ 核形成チャンバ
３８０ 核形成ゾーン
４００ 反応セクション
４５０ 反応チャンバ
５００ 収集システム
６０５ ＢＮＮＴ含有ガスストリーム、ＢＮＮＴ含有ガス、ストリーム
６１０ 供給導管
６１５ ロール、機構
６１５’ 供給機構
６２０ 回収機構
６２０’ 回収機構
６２５ フィルタメッシュ、スクリーン又はワイヤメッシュフィルタ
６３０ 弁システム
６３０’ 弁システム
６４０ 供給機構
20 Plasma central gas 40
Claims (63)
ａ）ホウ素源をプラズマジェットと接触させて、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを得る工程であって、プラズマジェットは水素を含まないプラズマガスから生成される、工程と、
ｂ）ガスストリームを冷却して、冷却ガスストリームを得る工程と、
ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り入れる工程と
を含む方法。 A method for producing boron nitride nanotubes (BNNTs), the method comprising:
a) contacting a boron source with a plasma jet to obtain a heated gas stream containing gaseous boron species, the plasma jet being generated from a hydrogen-free plasma gas;
b) cooling the gas stream to obtain a cooled gas stream;
c) introducing a nitrogen-containing gas into a cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs.
・ａ）ホウ素源を第１のセクション内の気化ゾーンに供給するための入口、及び
ｂ）気化ゾーン内でプラズマジェットを生成するためのプラズマ生成デバイス
を備える、第１のセクションであって、第１のセクションは、ホウ素源をプラズマジェットに曝露して、ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを得るように構成され、プラズマジェットは、水素を含まないプラズマガスから生成される、第１のセクションと、
・第１のセクションと流体連通した第２のセクションであって、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むように構成される、第２のセクションと
を備える装置。 An apparatus for producing boron nitride nanotubes (BNNTs), comprising:
- a first section comprising: a) an inlet for supplying a boron source to a vaporization zone in the first section; and b) a plasma generation device for generating a plasma jet in the vaporization zone; The first section is configured to expose the boron source to a plasma jet to obtain a heated gas stream containing gaseous boron species, the plasma jet being a first section generated from a hydrogen-free plasma gas. section and
- a second section in fluid communication with the first section, the second section being configured to cool the gas stream to obtain a cooled gas stream and to introduce a nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs; and a second section.
ａ）ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを提供する工程であって、加熱ガスは水素を含まない、工程と、
ｂ）実質的に層流のガス流を得るようにガスストリームを制御しながら、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得る工程と、
ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り入れる工程と
を含む方法。 A method for producing boron nitride nanotubes (BNNTs), the method comprising:
a) providing a heated gas stream containing a gaseous boron species, the heated gas being free of hydrogen;
b) cooling the gas stream to obtain a cooled gas stream while controlling the gas stream to obtain a substantially laminar gas flow;
c) introducing a nitrogen-containing gas into a cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs.
ａ）ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを供給するための第１の入口であって、加熱ガスは水素を含まない、第１の入口と、
ｂ）第１の入口と流体連通した筐体であって、ガスストリームを冷却して冷却ガスストリームを得、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むための第２の入口を備えるように構成される、筐体と
を備える装置。 An apparatus for producing boron nitride nanotubes (BNNTs), comprising:
a) a first inlet for supplying a heated gas stream containing a gaseous boron species, the heated gas being free of hydrogen;
b) a housing in fluid communication with the first inlet for cooling the gas stream to obtain a cooled gas stream and for introducing a nitrogen-containing gas into the cooled gas stream under conditions to obtain BNNTs; and a housing configured to include an inlet.
ａ）水素を含まないホウ素種の加熱ガスストリームを提供する工程と、
ｂ）ホウ素粒子の制御された粒径分布を得るようにガスストリームの温度及びガス流量を制御する工程と、
ｃ）ＢＮＮＴを得るための条件下でホウ素粒子を窒素含有ガスと接触させる工程と
を含む方法。 A method for producing boron nitride nanotubes (BNNTs), the method comprising:
a) providing a heated gas stream of hydrogen-free boron species;
b) controlling the temperature and gas flow rate of the gas stream to obtain a controlled particle size distribution of boron particles;
c) contacting boron particles with a nitrogen-containing gas under conditions to obtain BNNTs.
ａ）ガス状ホウ素種を含有する加熱ガスストリームを供給するための第１の入口であって、加熱ガスは水素を含まない、第１の入口と、
ｂ）第１の入口と流体連通した筐体であって、ホウ素粒子の制御された粒径分布を得るようにガスストリームの温度及びガス流量を制御し、ＢＮＮＴを得るための条件下で窒素含有ガスを冷却ガスストリームに取り込むための第２の入口を備えるように構成される、筐体と
を備える装置。 An apparatus for producing boron nitride nanotubes (BNNTs), comprising:
a) a first inlet for supplying a heated gas stream containing a gaseous boron species, the heated gas being free of hydrogen;
b) an enclosure in fluid communication with the first inlet, the housing containing nitrogen under conditions to obtain BNNTs, the gas stream being temperature and gas flow rate controlled to obtain a controlled particle size distribution of boron particles; a housing configured to include a second inlet for introducing gas into the cooling gas stream.
ａ）供給導管を通って移動するＢＮＮＴ含有ガスのストリームを受容するための入口と、
ｂ）スクリーン又はフィルタメッシュの少なくとも一部が前記供給導管を通る前記ストリームを横断するように、スクリーン又はフィルタメッシュのロールからスクリーン又はフィルタメッシュを直線的に供給するための供給機構と
を備える収集システム。 A collection system for use with an apparatus for producing boron nitride nanotubes (BNNTs), comprising:
a) an inlet for receiving a stream of BNNT-containing gas traveling through the supply conduit;
b) a feeding mechanism for linearly feeding screen or filter mesh from a roll of screen or filter mesh such that at least a portion of the screen or filter mesh traverses the stream passing through the feed conduit; .
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202063122817P | 2020-12-08 | 2020-12-08 | |
| US63/122,817 | 2020-12-08 | ||
| PCT/CA2021/051752 WO2022120472A1 (en) | 2020-12-08 | 2021-12-07 | Boron nitride nanotubes and processes for producing same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023553897A true JP2023553897A (en) | 2023-12-26 |
Family
ID=81973028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023534711A Pending JP2023553897A (en) | 2020-12-08 | 2021-12-07 | Boron nitride nanotubes and methods for producing the same |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023553897A (en) |
| CA (1) | CA3204686A1 (en) |
| WO (1) | WO2022120472A1 (en) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9776865B2 (en) * | 2013-11-01 | 2017-10-03 | Bnnt, Llc | Induction-coupled plasma synthesis of boron nitride nanotubes |
| JP6374096B2 (en) * | 2014-04-24 | 2018-08-15 | ビイエヌエヌティ・エルエルシイ | Continuous boron nitride nanotube fiber |
| KR102143989B1 (en) * | 2019-10-25 | 2020-08-12 | 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 | Producing device of boron nitride nano tube |
-
2021
- 2021-12-07 CA CA3204686A patent/CA3204686A1/en active Pending
- 2021-12-07 WO PCT/CA2021/051752 patent/WO2022120472A1/en active Application Filing
- 2021-12-07 JP JP2023534711A patent/JP2023553897A/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA3204686A1 (en) | 2022-06-16 |
| WO2022120472A1 (en) | 2022-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8013269B2 (en) | Induction plasma synthesis of nanopowders | |
| US8859931B2 (en) | Plasma synthesis of nanopowders | |
| US9862604B2 (en) | Boron nitride nanotubes and process for production thereof | |
| US7967891B2 (en) | Method producing metal nanopowders by decompositon of metal carbonyl using an induction plasma torch | |
| Zhang et al. | Single-step pathway for the synthesis of tungsten nanosized powders by RF induction thermal plasma | |
| TWI619672B (en) | Device and method for making particles | |
| US7438880B2 (en) | Production of high purity ultrafine metal carbide particles | |
| RU2489232C1 (en) | Method of producing metal nano-sized powders | |
| WO2004046030A1 (en) | Method for producing carbon nanotubes using a dc non-transferred thermal plasma torch | |
| EP3077100B1 (en) | Process and apparatus for the production of carbon nanotubes | |
| KR20200056991A (en) | Boron nitride nanotube (BNNT) -nanoparticle composites, methods for their preparation and macroscopic assembly thereof | |
| Lin et al. | Synthesis of Ni nanoparticles with controllable magnetic properties by atmospheric pressure microplasma assisted process | |
| JP2023553897A (en) | Boron nitride nanotubes and methods for producing the same | |
| Alrebh et al. | Boron nitride nanosheets synthesis in thermal plasma: an experimental and modelling analysis | |
| Altınok | Thermal plasma synthesis of boron carbide | |
| US20240017998A1 (en) | Method of producing single crystalline boron nitride nanosheets and boron carbon nitride nanosheets | |
| KIM et al. | Patent 2877060 Summary | |
| JPH02248307A (en) | Method and device for synthesizing nitride |