JP4674304B2 - Method and apparatus for producing carbon nanotube - Google Patents
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Description
この発明は、有機物を分解および再結合させてカーボンナノチューブを形成させる装置および方法に関するものである。The present invention relates to an apparatus and method for decomposing and recombining organic substances to form carbon nanotubes.
カーボンナノチューブは燃料電池の電極材料として、あるいは次世代のナノデバイス材料等としての用途を有する物質である。単相や多層、太さやねじれ具合など、その構造によって金属にも半導体にもなり、応用範囲が広い。また、炭素原子のみから構成される物質であり、環境にも優しい材料である。カーボンナノチューブの従来の製造方法としては、ゼオライトに担持したFe系金属触媒を用い、真空容器中に炭素化合物ガスを適切な量だけ流しながら熱分解しながら合成する技術がある(CCVD法)。また、カーボンナノチューブの量産技術として、加圧流動床プロセス、気相流動法、CO2レーザー法など気体を使用する方法が提案されている(非特許文献1)。
Carbon nanotubes as electrode materials of fuel cells, there have is a substance having utility as nanodevices materials of the next generation. It can be either a metal or a semiconductor depending on its structure, such as single phase, multiple layers, thickness and twist, and has a wide range of applications. In addition, it is a substance composed only of carbon atoms and is an environmentally friendly material. As a conventional method for producing carbon nanotubes, there is a technique of using a Fe-based metal catalyst supported on zeolite and synthesizing while thermally decomposing while flowing an appropriate amount of carbon compound gas in a vacuum vessel (CCVD method). Further, as a mass production technique for carbon nanotubes, a method using a gas such as a pressurized fluidized bed process, a gas phase fluidization method, and a CO2 laser method has been proposed (Non-Patent Document 1).
また、液中でプラズマを発生させる技術として、国際公開第02/038827号パンフレットに、間隔を隔てられた一対の電極が入れられた電解液内に堆積すべき材料のソースを含む泡の流れを生成し、泡領域にプラズマグロー放電を形成して電極上に材料をプラズマ堆積させる発明が記載されている。しかし、これは電気鍍金に関する発明であり、カーボンナノチューブの製造に適用するものではない。その原理は直流グロー放電によるものであり、反応速度は低いものである。同文献には、マイクロ波や電磁波を照射してグロー放電の発生を補助する旨の記載が一部見られるが、その具体的な内容は何ら記載されておらず、また技術的な観点から不明な点が多く、やはり同文献に記載された技術は純然たる直流グロー放電と考えられる。したがって、電解液しか使用できず、非電解液である多くの有機溶媒には適用できず、カーボンナノチューブの製造には適さない。
上述の通り、カーボンナノチューブは非常に有用な物質であるがその生産量は限られており大量に使用できる状況ではなく、また非常に高価である。非特許文献1に記載された製造方法も原材料として気体を用い、気相にて合成を行っているために生産効率は限定される。この発明は、高速で安価にカーボンナノチューブを製造するための製造方法および製造装置を提供することを目的とする。As described above, the carbon nanotube is a very useful substance, but its production amount is limited, and it is not in a situation where it can be used in large quantities, and is very expensive. Since the manufacturing method described in Non-Patent Document 1 also uses gas as a raw material and performs synthesis in the gas phase, production efficiency is limited. An object of this invention is to provide the manufacturing method and manufacturing apparatus for manufacturing a carbon nanotube at high speed and cheaply.
上述の課題を解決するため、この発明のカーボンナノチューブの製造方法は、有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液に気泡を発生させるとともに電磁波を照射して混合液中でプラズマを発生させてカーボンナノチューブを製造するものである。前記混合液に金属を担持したゼオライトを加えてもよく、特に鉄を担持したものであってもよい。前記有機溶媒をベンゼンを含むものとしてもよい。有機金属錯体がフェロセン又はメタセンのうち少なくとも一方を含むものであってもよい。また、混合液中に電磁波と併せて超音波を照射してもよい。In order to solve the above-described problems, the carbon nanotube manufacturing method of the present invention generates bubbles in a mixed solution containing an organic solvent and an organometallic complex, and generates plasma in the mixed solution by irradiating electromagnetic waves. Is to be manufactured. A metal-supported zeolite may be added to the mixed solution, and in particular, iron may be supported. The organic solvent may contain benzene. The organometallic complex may contain at least one of ferrocene and metacene. Moreover, you may irradiate an ultrasonic wave with electromagnetic waves in a liquid mixture.
さらに、この発明のカーボンナノチューブ製造装置は、有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液を入れる容器と、混合液内で気泡を発生させる気泡発生手段と、気泡へ電磁波を照射してプラズマを発生させるための電磁波照射手段と、合成されたカーボンナノチューブを回収する回収手段を有するものである。Furthermore, the carbon nanotube production apparatus of the present invention generates a plasma by irradiating electromagnetic waves to a bubble, a container for containing a mixed solution containing an organic solvent and an organometallic complex, a bubble generating means for generating bubbles in the mixed solution, and An electromagnetic wave irradiating means for recovering the carbon nanotube and a recovering means for recovering the synthesized carbon nanotubes.
この発明のカーボンナノチューブの製造方法および製造装置は、有機溶媒中で高エネルギーのプラズマを発生させて高速反応を起こすことにより、高速度でカーボンナノチューブを製造できるという効果を有する。The carbon nanotube production method and production apparatus of the present invention have the effect that carbon nanotubes can be produced at a high speed by generating a high-energy plasma in an organic solvent to cause a high-speed reaction.
1.カーボンナノチューブ製造装置
2.容器
3.混合液
4.超音波照射手段
5.電磁波照射手段
6.気泡
7.配管
8.ポンプ
9.カーボンナノチューブ分離回収槽1. 1. Carbon nanotube
この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図1はこの発明に係るカーボンナノチューブ製造装置の一例を示す説明図である。カーボンナノチューブ製造装置1の容器2は有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液3を入れるものである。ここで、容器2の大きさは必要とされる処理能力に応じて適宜選択でき、ビーカー程度の小型のものであっても、大型プラントとして実施するための大型の処理槽であってもよい。The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing an example of a carbon nanotube production apparatus according to the present invention. A
カーボンナノチューブ製造装置1はさらに気泡発生手段を有するが、本例では超音波照射手段4が気泡発生手段である。気泡発生手段として、容器2を別の容器で覆い、真空ポンプ等で減圧することによって気泡を発生させることもでき、また、混合液3の中に加熱手段を設けたり、あるいは外部より気体を導入するようにしてもよく、さらにはこれらの組み合わせであってもよい。The carbon nanotube production apparatus 1 further has a bubble generating means. In this example, the ultrasonic wave irradiating means 4 is the bubble generating means. Bubbles can be generated by covering the
また、カーボンナノチューブ製造装置1は、混合液3へ電磁波を照射するための電磁波照射手段5を有する。電磁波照射手段5の先端部が容器2内に設けられており、この液体中において先端部から電磁波が気泡に向けて集中的に照射できるようになっている。The carbon nanotube production apparatus 1 also has an electromagnetic wave irradiation means 5 for irradiating the mixed
ついで、カーボンナノチューブ製造装置1を使用したカーボンナノチューブの製造方法について説明する。容器2へ有機溶媒と有機金属錯体を含む混合液3を入れるが、有機溶媒としては、例えばベンゼンやドデカン等の炭化水素が使用できる。有機金属錯体としては、例えばフェロセン(C10H10Fe)やフェロセンのFeを他の金属で置換したメタセン等が使用できる。混合液3にはさらにゼオライトの粉末を加えてもよい。Next, a method for producing carbon nanotubes using the carbon nanotube production apparatus 1 will be described. Although the
混合液3中に設けられた超音波照射手段4の先端部から混合液3中に超音波を照射することによって混合液3中に気泡が発生する。また、超音波を照射することにより混合液3に加えられたフェロセンとゼオライトの粉末を分散および撹拌することもできる。このようにして、超音波照射手段4の先端付近に気泡6が発生する。混合液3中に設けられた電磁波照射手段5の先端部から気泡6へ電磁波を集中させて照射することにより気泡6中にプラズマを発生させることができる。このプラズマは局所的には高温・高エネルギーであるが、巨視的には液中にあって低温で取り扱いやすいものである。超音波および電磁波は継続的に照射できるので、この照射を継続させている間、プラズマは発生し続ける。このプラズマによって気泡6の内部に入っている気相の有機溶媒等が分解され、カーボンナノチューブが合成される。原材料は有機溶媒を含む液体であるために気相に比べて物質密度は著しく高く、カーボンナノチューブの合成速度は極めて大きい。フェロセン等の有機金属錯体はこの反応を促進する触媒として作用する。ゼオライトを加えている場合には、ゼオライト上にカーボンナノチューブが形成される。Bubbles are generated in the
この例のカーボンナノチューブ製造装置はバッチ処理式のものである。所定量のカーボンナノチューブを合成したら反応を終了させ、混合液3中に含まれたカーボンナノチューブを分離・回収する。The carbon nanotube manufacturing apparatus in this example is of a batch processing type. When a predetermined amount of carbon nanotubes is synthesized, the reaction is terminated, and the carbon nanotubes contained in the
つぎに、カーボンナノチューブ製造装置の別の例について説明する。図2は、カーボンナノチューブ製造装置の別の例を示す説明図である。図1に示す例と共通する事項については説明を省略する。この例は連続処理のための製造装置である。Next, another example of the carbon nanotube production apparatus will be described. FIG. 2 is an explanatory view showing another example of the carbon nanotube production apparatus. Description of matters common to the example shown in FIG. 1 is omitted. This example is a manufacturing device for continuous processing.
カーボンナノチューブ製造装置1は、混合液3を容器2の外部へ流出し再度容器2へ流入させるための配管7とポンプ8を有する。さらに、配管7の途中にはカーボンナノチューブを分離回収するための回収手段として、カーボンナノチューブ分離回収槽9が設けられている。The carbon nanotube manufacturing apparatus 1 has a pipe 7 and a pump 8 for flowing the
ポンプ8を作動させることにより、所定量の混合液が常時循環する。混合液を循環させないと合成されたカーボンナノチューブが電磁波発生手段5の電極付近に浮遊してプラズマの持続を阻害しようとするが、この例のように混合液を循環させ、合成されたカーボンナノチューブを迅速に外部に出すことによりプラズマの持続が容易になり、大量のカーボンナノチューブを連続的に製造することができる。図2においては、混合液3は配管7を時計回りに循環する。合成されたカーボンナノチューブを含む混合液は容器2の右側から排出され、カーボンナノチューブ分離回収槽9へ運ばれる。カーボンナノチューブ分離回収槽9においてカーボンナノチューブは混合液から分離され、回収される。カーボンナノチューブを取り除かれた混合液は配管7を通って、容器2の左側から流入する。By operating the pump 8, a predetermined amount of the mixed liquid is circulated constantly. If the mixed liquid is not circulated, the synthesized carbon nanotubes will float near the electrode of the electromagnetic wave generating means 5 and try to inhibit the sustaining of the plasma. Prompt out to the outside facilitates the sustain of the plasma, and a large number of carbon nanotubes can be produced continuously. In FIG. 2, the
この発明のカーボンナノチューブ製造方法の実施例について説明する。この実施例においては、図1に示すカーボンナノチューブ製造装置を使用する。有機溶媒としてはベンゼンを使用した。ベンゼン100mlにFeを担持したゼオライトの粉末1gとフェロセン0.088gを加え、混合液を調製した。Examples of the carbon nanotube production method of the present invention will be described. In this embodiment, the carbon nanotube production apparatus shown in FIG. 1 is used. Benzene was used as the organic solvent. 1 g of zeolite powder supporting Fe and 0.088 g of ferrocene were added to 100 ml of benzene to prepare a mixed solution.
ここで用いたゼオライトについて詳細に説明する。このゼオライトは平均孔径0.5nmのゼオライト(Mn/2/On・Al2O3・xSiO2・yH2O、nは陽イオンMの価数、xは2以上の整数、yは0以上の整数、通称名モレキュラーシーブス5A)にFeイオンを含浸させたものである。まず、塩化第1鉄(FeCl2)2gと、塩酸ヒドロキシルアミン(HONH3Cl)2gを,99.5%エタノール(C2H5OH)100mlに混合することにより、Fe2+イオンをエタノール中に多量に発生させる。適当な容器にこの溶液とモレキュラーシーブス5Aを入れて良く攪拌させ、ついで容器内を真空にしてFe2+をモレキュラーシーブス中に含浸させる。この例では、真空中で5時間攪拌を行った。攪拌後の溶液をろ過し,ろ紙に残った固形物を70℃で5時間窒素雰囲気中で乾燥させる。乾燥後の固形物を乳鉢で良く磨りつぶしたものをFe担持ゼオライトとした。このFe担持ゼオライトを混合したベンゼンは電気伝導性を示すが、プラズマ発生には支障をきたさない。The zeolite used here will be described in detail. The zeolite average pore size 0.5nm zeolites (M n / 2 / O n · Al 2
このようにして調製された混合液を容器2に入れ、30Wの出力で超音波を照射してゼオライトとフェロセンを分散および拡散させなから、2.45GHzの電磁波を300Wの出力で混合液に10秒間照射した。白色のプラズマが発生し、瞬時に混合液中に黒色の粉体が形成された。The mixed liquid thus prepared is put in the
図3は、形成された黒色の粉体の透過電子顕微鏡写真である。ゼオライト粒子表面から0.5μm程度のカーボンナノチューブが形成されていることが確認できる。図4は、黒色の粉体のラマンスペクトルを示すグラフである。200〜300cm−1にいわゆるカーボンナノチューブのラジアルブリージングモードが観察されており、やはりカーボンナノチューブが形成されていることが確認できる。FIG. 3 is a transmission electron micrograph of the formed black powder. It can be confirmed that carbon nanotubes of about 0.5 μm are formed from the surface of the zeolite particles. FIG. 4 is a graph showing the Raman spectrum of black powder. A so-called radial breathing mode of carbon nanotubes is observed at 200 to 300 cm −1, and it can be confirmed that carbon nanotubes are also formed.
この発明のカーボンナノチューブ製造方法および製造装置は、有機溶媒を含む液体を材料として高速度で大量にカーボンナノチューブを合成するものであり、カーボンナノチューブの工業的生産手段として適用できる。また、装置の構造は簡易であり、小型に作ることもでき、試験用機器としても適用できる。The carbon nanotube production method and production apparatus of the present invention synthesize carbon nanotubes in large quantities at a high speed using a liquid containing an organic solvent as a material, and can be applied as an industrial production means for carbon nanotubes. Moreover, the structure of the apparatus is simple, can be made small, and can also be applied as a test device.
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