JP4958649B2

JP4958649B2 - 同軸型真空アーク蒸発源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置

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Publication number: JP4958649B2
Application number: JP2007157536A
Authority: JP
Inventors: 阿川　　義昭; 山口　　広一
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: JP2008307473A

Description

本発明は同軸型真空アーク蒸発源を用いて触媒活性を有するｎｍサイズの微粒子を粒子状担体に担持させる触媒用担持装置に関するものであり、更に詳しくは、担持に要する時間を短縮し得る触媒用担持装置に関するものである。

従来、燃料電池には粉末状のカーボン粒子に触媒作用を示す活性金属として白金を担持させたものが使用されている（例えば特許文献１、特許文献２を参照）。しかし、本発明者等が研究的に試作した同軸型真空アーク蒸発源を使用して触媒用ナノ粒子を担持させる装置では、カーボン粒子は単位重量当りの表面積が極めて大であり吸着している水分量も大であるから、カーボン粒子の表面に白金ナノ粒子を担持させる場合には事前に上記吸着水分を脱着させるが、その脱着に時間を要し、２ｇ程度のカーボン粒子について有効排気速度３００リットル／ｓｅｃの性能を有する真空ポンプを使用しても、充分に脱着し得たと判断される１０^-3Ｐａ以下の真空度に到達する迄には１時間程度を要している。

特開平１０−１８９００３号公報特開２０００−２４３４０６号公報

また脱気が完了した後、同軸型真空アーク蒸着源によってカーボン粒子の表面に白金ナノ粒子を形成させる場合には、白金イオンが２０ｅＶ〜８０ｅＶ程度のエネルギーでカーボン粒子の表面に衝突するが、その衝撃によってカーボン粒子は表層の結晶性がダメージを受けて導電性が低下する。そして、低下した結晶性は白金ナノ粒子を担持しているカーボン粒子を熱処理すれば回復することが分かっている。しかし、別に熱処理室を用意して熱処理すれば、白金ナノ粒子を担持させたカーボン粒子は熱処理する前に大気と接触させることになり再び水分を吸着する。更には、熱処理の完了したカーボン粒子を真空系の熱処理室からから外へ取り出す際には室温まで冷却しておくことを要するが、その冷却に時間がかかって熱処理室の占有時間が長くなると、次のバッチの白金ナノ粒子を担持させたカーボン粒子に施す熱処理が遅れることになる。

本発明は上記の問題に鑑みてなされ、粒子状担体の表面に触媒作用を示す活性金属のナノ粒子を担持させるに際し、粒子状担体に吸着している水分を脱着させる事前の脱気処理から、活性金属ナノ粒子を担持させた粒子状担体の事後の熱処理、冷却までに要する時間を短縮することができる触媒用ナノ粒子担持装置を提供することを課題とする。

上記の課題は請求項１の構成によって解決されるが、その解決手段を説明すれば次に示す如くである。

請求項１の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置は、第１チャンバであり、粒子状担体を収容した搬送容器の搬入扉を備え、第１チャンバ内の底部には搬入される搬送容器を支持する第１支持部材を備えており、第１支持部材に支持されている搬送容器内の粒子状担体に吸着されている水分を脱着させる脱気室と、
第２チャンバであり、該第２チャンバ内の上部に、活性金属を要素とする円柱状のカソード電極と、該カソード電極の外周面に接して同軸に設けられた円筒状の絶縁碍子と、該絶縁碍子の外周面に接して同軸に設けられたトリガ電極と、該トリガ電極の外周面から所定の間隔をあけて同軸に設けられた円筒状で一端側が第２チャンバ内に開口され他端側がカソード電極と離隔した位置で閉じられたアノード電極とからなる同軸型真空アーク蒸着源を備え、第２チャンバ内の底部には同軸型真空アーク蒸着源の開口側と対向する位置へ搬送されてくる搬送容器を支持する第２支持部材を備えており、同軸型真空アーク蒸着源から活性金属を蒸発させ、第２支持部材に支持されている搬送容器内の粒子状担体の表面に活性金属ナノ粒子を形成して担持させる担持室と、
第３チャンバであり、該第３チャンバ内に第３チャンバ用加熱源を備え、第３チャンバ内の底部には第３チャンバ用加熱源の下方へ搬送されてくる搬送容器を支持する第３支持部材を備えており、該第３支持部材に支持されている搬送容器内の活性金属ナノ粒子が担持された粒子状担体を熱処理する熱処理室と、
第４チャンバであり、該第４チャンバ内へ搬送されてくる搬送容器を載置して収容されている活性金属ナノ粒子が担持された粒子状担体を冷却し、搬送容器の場所を移動させ得る可動冷却台および搬送容器の搬出扉が設けられている冷却室とが、各室の間にそれぞれゲート扉を介して順に接続されており、
かつ脱気室には第１支持部材に支持されている搬送容器を担持室内の第２支持部材へ搬送する第１搬送機構が設けられ、担持室には第２支持部材に支持されている搬送容器を熱処理室内の第３支持部材へ搬送する第２搬送機構が設けられ、熱処理室には第３支持部材に支持されている搬送容器を冷却室の可動冷却台へ搬送する第３搬送機構が設けられている装置である。

このような同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置は、粒子状担体の表面に活性金属ナノ粒子を担持させる担持室の上流側に配置した脱気室において粒子状担体に吸着されている水分を予め脱着させ、担持室の下流側に配置した熱処理室において担持処理時に結晶性が低下した粒子状担体を熱処理して結晶性を回復させ、続く冷却室においては熱処理室で温度上昇している粒子状担体を冷却することにより、担持室のみで脱気、担持、熱処理、冷却の各処理を施す場合と比較して、粒子状担体へ触媒用ナノ粒子を担持させるに要する時間を大幅に短縮させる。

請求項２の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置は、脱気室おける第１支持部材、担持室における第２支持部材、および熱処理室における第３支持部材が何れも回転軸であり、搬送容器の底面側を回転軸の上端部で着脱可能に支持しており、回転軸によって搬送容器が回転されることにより、収容されている粒子状担体が撹拌されるように構成されている装置である。

このような同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置は、脱気室、担持室、および熱処理室における各処理操作の間に搬送容器を回転させることによって内部に収容されている粒子状担体を撹拌することができ、脱気室、担持室、熱処理室のそれぞれにおいて粒子状担体の全体を均等に処理する。

請求項３の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置は、第１チャンバである脱気室内の底部へ搬入され支持される搬送容器内の粒子状担体を加熱するための第１チャンバ用加熱源が第１チャンバ内に設けられている装置である。

このような同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置は、粒子状担体を加熱して水分の脱着を促進する。

請求項４の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置は、第４チャンバに、搬出扉を囲って、グローブボックスが接続されている装置である。

このような同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置は、第４チャンバと共に不活性ガス雰囲気とされるグローブボックス内へ搬送容器を取り出すことができ、搬出された搬送容器内の粒子状担体を大気に接触させない。

請求項１の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置によれば、粒子状担体の表面に活性金属ナノ粒子を担持させる担持室の上流側に脱気室を配して時間を要する粒子状担体の脱気を担持室とは独立して行い、また担持室の下流側に加熱処理室、冷却室を配して、時間を要する粒子状担体の加熱処理および冷却を活性金属微粒子の担持とは独立して行うようにしたので、担持室を効率的に稼動させることができ、かつ脱気室が空になると粒子状担体を収容した次の収用容器が搬入することができ、触媒用ナノ粒子担持装置としての生産性を高めることができるという格別の効果を奏する。また搬送容器が各室間を搬送される間に粒子状担体が大気に接触することはないので、粒子状担体が大気中の水分を吸着することはなく、脱気操作の繰り返すような無駄を発生させない。

請求項２の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置によれば、脱気室おける第１支持部材、担持室における第２支持部材、および熱処理室における第３支持部材に支持されている搬送容器を回転軸で回転させて収容されている粒子状担体を撹拌することができるので、脱気室、担持室、熱処理室において、各室毎の処理操作を搬送容器内の粒子状担体の全体に均等に施すことができ、品質の優れた担持品を提供する。

請求項３の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置によれば、粒子状担体を加熱しながら脱気するので、粒子状担体に吸着されている水分の脱着および真空排気に要する時間を短縮させ、触媒用ナノ粒子担持装置の稼動率を向上させる。

請求項４の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置によれば、冷却室からグローブボックスへ搬出した搬送容器に蓋を被せ、収容されている粒子状担体を密封した状態として大気側へ取り出すことができる。

本発明の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置を実施の形態例によって説明すれば、本発明の触媒用ナノ粒子担持装置は、本発明者らが研究的に試作した同軸型真空アーク蒸発源を使用する担持装置、すなわち、真空ポンプが取り付けられたチャンバ内の上部に、活性金属を要素とする円柱状のカソード電極と、該カソード電極の外周面に接して同軸に設けられた円筒状の絶縁碍子と、該絶縁碍子の外周面に接して同軸に設けられたトリガ電極と、該トリガ電極の外周面から所定の間隔をあけて同軸に設けられた円筒状で一端側がチャンバ内に開口され他端側がカソード電極と離隔した位置で閉じられたアノード電極とからなる同軸型真空アーク蒸着源を備え、チャンバ内の底部に同軸型真空アーク蒸着源の開口側と対向する位置へ搬送されてくる被蒸着体である粒子状担体を収容した搬送容器を支持する支持部材を備えており、同軸型真空アーク蒸着源から活性金属を蒸発させ、支持部材に支持されている搬送容器内の粒子状担体の表面に活性金属ナノ粒子を形成して担持させるチャンバを担持室とし、当該担持室の上流側に粒子状担体の吸着水分を脱着させて真空排気する脱気室を配置し、担持室の下流側に担持室において活性金属の原子状態のイオンが衝突したことにより低下している粒子状担体の結晶性を回復させる熱処理室と、熱処理によって温度上昇している粒子状担体を冷却する冷却室とを順に配置した触媒担持装置としている。

担持室における同軸型真空アーク蒸着源としては、放電電圧１００Ｖ〜４００Ｖの電源と容量１０００μＦ〜９０００μＦのコンデンサを備えており、パルス放電の周期が１Ｈｚ〜５Ｈｚ、放電時間が１０００μｓｅｃ以下となるように設定して、トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電を発生させ、そのトリガ放電によってカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を誘起させることにより、カソード電極の構成要素である活性金属を部分的に溶融、蒸発させプラズマ化させてチャンバ内へ飛翔させ、チャンバ内で同軸型真空アーク蒸着源と対向する位置へ搬送容器と共に搬送されている被蒸着体である粒子状担体の表面に活性金属ナノ粒子を形成させて担持させる。カソード電極はその全体が活性金属で構成されていてもよく、放電部分が活性金属とされているものであってもよい。また、支持部材はアーク蒸着中に搬送容器内の粒子状担体を撹拌できる機能を設けたものであることが好ましい。

活性金属として、燃料電池用の触媒や自動車排気ガスの浄化触媒には、通常、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）をはじめ、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）からなる貴金属が使用されるが、カーボンナノチューブ作製時における下地膜には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の鉄族金属のほか、コバルト・チタン（Ｃｏ／Ｔｉ）の合金が使用される。すなわち、活性金属は適用される分野によって適宜選択される。また粒子状担体としては、触媒が使用される温度に耐える粉末状のもの、例えば導電性のカーボン粒子、絶縁性のアルミナ粒子、シリカ粒子等が適宜選択される。

担持室の上流側に配置する脱気室は真空ポンプを備えたチャンバであり、粒子状担体を収容している搬送容器の搬入扉と、搬送容器を支持する支持部材を備えたものであり、担持室とはゲート扉を介して接続される。支持部材に支持されている搬送容器内の粒子状担体は吸着されている水分が真空ポンプによる減圧下に蒸発され、発生する水蒸気は真空排気されるが、水分の脱着を促進するために、粒子状担体の温度を上昇させる加熱源、例えば赤外線ランプを設けて脱気中は粒子状担体を加熱することが好ましい。脱気室の支持部材は脱気処理中に搬送容器内の粒子状担体を撹拌できるものであることが好ましい。すなわち、搬送容器に振動を与えて粒子状担体を撹拌するものであってもよく、また搬送容器内に固定羽根または邪魔板を挿入し搬送容器を水平面内で回転させることによって粒子状担体を撹拌するものであってもよい。

担持室の下流側に配置する熱処理室は真空ポンプを備えたチャンバであり、担持室とはゲート扉を介して接続される。熱処理室内の上部には加熱源、例えば赤外線ランプが設けられ、熱処理室内の底部には加熱源の下方へ搬送されてくる搬送容器を支持する支持部材が設けられ、支持部材上の搬送容器内に収容されている活性金属ナノ粒子を担持した粒子状担体を温度上昇させて粒子状担体の結晶性を回復させることによって、例えばその導電性を回復させる。支持部材は脱気室、担持室の支持部材と同様に、搬送容器内の粒子状担体を撹拌できるものであることが好ましい。

熱処理室の下流側に配置する冷却室は、真空ポンプが取り付けられたチャンバであり、熱処理室とはゲート扉を介して接続される。冷却室は上流側の熱処理室から搬送されてくる搬送容器を載置し、搬送容器内の温度が上昇している粒子状担体を活性金属ナノ粒子と共に冷却させ、冷却後に搬送容器の位置を移動させることができる可動冷却台を備えている。温度上昇している粒子状担体を自然放冷させる場合には、その冷却に時間を要するので、可動冷却台に２個以上の搬送容器を同時に載置し得るようにするためである。自然放冷させるのではなく、冷却した不活性ガスを吹き付けるようにしてもよい。

以下、本発明の同軸型真空アーク蒸発源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置を実施例によって具体的に説明する。図１は同軸型真空アーク蒸着源を使用して、粒子状担体であるカーボン粒子（活性炭の粉末）の表面に活性金属である白金ナノ粒子を形成させて担持させる実施例の触媒用ナノ粒子担持装置１を示す平面図である。すなわち、触媒用ナノ粒子担持装置１は脱気室１０と担持室２０と熱処理室３０と冷却室４０とグローブボックス５０とが順に接続された真空系の装置である。脱気室１０は円筒状の第１チャンバであり、外部から搬入される搬送容器内のカーボン粒子に吸着されている水分を予め水蒸気として脱着させ真空排気するチャンバである。担持室２０は円筒状の第２チャンバであり、チャンバ内に設けた同軸型真空アーク蒸着源を使用してカーボン粒子の表面に白金（Ｐｔ）のナノ粒子を担持させるチャンバである。熱処理室３０は円筒状の第３チャンバであり、担持室２０において白金イオンの衝突よる衝撃を受けて結晶性が低下しているカーボン粒子Ｐを熱処理して結晶性を回復させるチャンバである。冷却室４０は直方体状の第４チャンバであり、熱処理室３０における熱処理によって温度が上昇しているカーボン粒子Ｐを冷却するチャンバである。グローブボックス５０には、不活性ガス（アルゴン（Ａｒ）ガスまたは窒素（Ｎ₂）ガス供給源が接続されている。

そして、脱気室１０、担持室２０、熱処理室３０、冷却室４０は、各室の間にそれぞれ設けたゲート扉９Ａ、９Ｂ、９Ｃを介し、搬送容器の搬送路となる配管で一体的に接続されている。また、脱気室１０にはカーボン粒子を収容した搬送容器の搬入扉１１が設けられ、冷却室４０には搬出扉４１Ａ、４１Ｂが設けられており、担持室２０には定常の稼動時に使用されない盲蓋２１、同じく熱処理室３０には盲蓋３１が設けられている。

そのほか、脱気室１０には脱気処理の完了したカーボン粒子を収容している搬送容器を脱気室１０から担持室２０へ搬送するための第１搬送機構１２が真空シール可能な取付部１２Ｓを介して脱気室１０の側壁に取り付けられている。すなわち、第１搬送機構１２の端部１２Ｅを脱気室１０側へ移動させることによって、後述の図６に示す内包ロッド１２Ｒが先端部に搬送容器を保持し、開とされたゲート扉９Ａを通って担持室２０内まで搬送することができるようになっている。同様に、担持室２０には搬送容器を担持室２０から熱処理室３０へ搬送する第２搬送機構２２が取付部２２Ｓを介して取り付けられており、熱処理室３０には搬送容器を熱処理室３０から冷却室４０へ搬送する第３搬送機構３２が取付部３Ｓを介して取り付けられている。

上記の取付部１２Ｓは、第１搬送機構１２の軸心方向をＺ方向として、これに直角な上下のＹ方向および左右のＸ方向への第１搬送機構１２の移動、すなわち第１搬送機構１２の上下方向と左右方向への位置調整が可能とされている。このことは担持室２０における第２搬送機構２２の取付部２２Ｓ、熱処理室３０における第３搬送機構３２の取付部３２Ｓについても同様である。

図２は図１に示した脱気室１０の概略的な縦断面図である。第１チャンバである脱気室１０には、脱気室１０内を真空排気するためのターボ分子ポンプ１９Ｔが可変流量弁１９ｂを介して取り付けられ、ターボ分子ポンプ１９Ｔの排気側には弁１９ｂ’を介してロータリポンプ１９Ｒが取り付けられている。なお、図２では搬送容器６１の搬入開口、搬出開口の図示は省略している。

そして、図２において不図示の搬入扉１１から脱気室１０内へ搬入されてくる搬送容器６１を上端部で支持する第１回転軸１４が脱気室１０の底部に設けられており、その第１回転軸１４は、図示を省略した部材に取り付けて設けられている第１固定台１６を回転自在に貫通し、更に図示を省略した真空シール機構を介して脱気室１０の底部を大気側へ貫通し、その下端部に回転駆動源１５が連結されている。そして、第１固定台１６に固定された支柱１７に固定羽根１８を取り付け、その固定羽根１８を搬送容器６１の底面に近い深さに位置させるようにしたものである。従って、搬送容器６１が回転軸１４によって回転されると、内部に収容されているカーボン粒子Ｐが撹拌される。なお、図２では搬送容器６１の搬出開口の図示は省略している。

上記の支柱１７は上下方向に伸縮可能とされており、搬送容器６１を搬入扉１１から脱気室１０へ搬入する場合や、搬送容器６１を第１搬送機構１２によって脱気室１０から担持室２０へ搬送する場合に、固定羽根１８が支障とならないように、一点鎖線で示した上方の退避位置まで上昇させることができる。このことは、後述する担持室２０における固定羽根２８、熱処理室３０における固定羽根３８についても同様である。なお実施例では支柱１７を上下方向に伸縮可能なものとしたが、それ以外の動作、例えば固定羽根１８と共に支柱１７を外側へ倒すことが可能なものとしてもよい。

更には、脱気室１０内の上部には脱気室用加熱源１３が設けられている。すなわち、カーボン粒子Ｐに吸着されている水分は水蒸気として脱着させて真空排気するが、上述したように、この水分の脱着が完了して１．３×１０^-3Ｐａ以下の真空度に到達するには、長時間を要する。上記の脱気室用加熱源１３は水分の蒸発に伴うカーボン粒子Ｐの温度の低下、蒸発速度の低下を防いで、水分の脱着を促進するためのものである。脱気室用加熱源１３は、加熱ランプ１３ａと熱線反射板１３ｂとが脱気室１０の天井部を貫通する吊下げ具１３ｃによって取り付けられており、加熱ランプ１３ａは脱気室１０の外に設けられた電源と温度調節機構を兼備するコントローラ１３ｄに接続されている。

図３は図１に示した担持室２０の概略的な縦断面図である。第２チャンバである担持室２０には、担持室２０内を真空排気するためのターボ分子ポンプ２９Ｔが可変流量弁を介して取り付けられ、ターボ分子ポンプ２９Ｔの排気側には弁を介してロータリポンプ２９Ｒが取り付けられている。なお、図３では搬送容器６１の搬入開口、搬出開口の図示は省略している。

担持室２０室の上部には、活性金属としての白金（Ｐｔ）を蒸発させプラズマとして飛翔させる同軸型真空アーク蒸着源５１が設けられている。すなわち、同軸型真空アーク蒸着源５１は蒸発材料である白金からなる円柱状のカソード電極５２と、カソード電極５２の外周面に接して同軸に設けられた上下が逆のハット形状の絶縁碍子５３と、同絶縁碍子５３のハットの筒状部の外周面に接し、ハットの鍔部に上端を接して同軸に設けられた円筒状のトリガ電極５４と、トリガ電極５４の外周面から所定の間隔をあけて同軸に設けられた円筒状であって、下端側が担持室２０内へ向けて開口され、上端側がカソード電極５２の上端から離隔した位置で閉じられているアノード電極５５とからなっている。

そして、トリガ電極５４とカソード電極５２との間にはトリガ電源５６が設けられており、カソード電極５２とアノード電極５５との間にはアーク用の直流電源５７が設けられている。上記トリガ電源５６のプラス端子はトリガ電極５４に接続され、マイナス端子は直流電源５７のマイナス側端子と同電位としてカソード電極５２に接続されている。そしてトリガ電源５６はパルストランスからなり、入力電圧２００Ｖ、周期μｓｅｃ単位のパルス電圧を１７倍の３．４ｋＶ（数μＡ）に昇圧して出力する。

上記のアーク用の直流電源５７は電圧が１００Ｖ、電流が数Ａのものであり、そのプラス端子は接地されてグランド電位にあり、アノード電極５５に接続されている。そして、直流電源５７と並列に容量８８００μＦのコンデンサユニット５８が設けられており、一方の端子は直流電源５７のプラス端子側に接続され、他方の端子は直流電源５７のマイナス端子側に接続されている。なお、コンデンサユニット５８は容量２２００μＦ、耐圧１００Ｖのコンデンサが４個並列に接続されているものである。コンデンサユニット２８は直流電源５７によって随時蓄電されるが、その蓄電に約１秒かかるので、コンデンサユニット５８からの放電を繰り返す場合の放電の周期は約１Ｈｚである。

そして脱気室１０から搬送されてくる脱気の完了したカーボン粒子Ｐを収容している搬送容器６１は、同軸型真空アーク蒸着源５１の開口側の直下において、脱気室１０の第１回転軸１４と同様に構成されている第２回転軸２４の上端部に支持される。すなわち、第２回転軸２４は、第１回転軸１４と同様、図示を省略した部材によって担持室２０に取り付けられている第２固定台２６を回転自在に貫通され、更に図示を省略した真空シール機構を介して担持室２０の底部を大気側へ貫通されており、その下端部に回転駆動源２５が連結されている。そして第２固定台２６に取り付けた伸縮可能な支柱２７に支持されている固定羽根２８を搬送容器６１の底面に近い深さに位置させ、回転駆動源２５によって搬送容器６１を回転させると収容されているカーボン粒子Ｐが固定羽根２８によって撹拌される。

図４は図１に示した熱処理室３０の概略的な縦断面図である。すなわち、熱処理室３０は脱気室１０と同様に構成されており、第３チャンバである熱処理室３０には、熱処理室３０内を真空排気するためのターボ分子ポンプ３９Ｔが可変流量弁を介して取り付けられ、ターボ分子ポンプ３９Ｔの排気側には弁を介してロータリポンプ３９Ｒが取り付けられている。なお、図４では搬送容器６１の搬入開口、搬出開口の図示は省略している。

担持室２０から熱処理室３０内へ搬送されてくるカーボン粒子Ｐは、白金ナノ粒子を担持させた時の白金イオンの衝突による衝撃によって結晶性が低下しているが、そのカーボン粒子Ｐを熱処理して結晶性を回復させるための熱処理室用加熱源３３が熱処理室３０内の上部に設けられている。この結晶性の低下は約３００℃で１時間程度の加熱を行うことによって回復することが分かっている。熱処理室用加熱源３３は、加熱ランプ３３ａと熱線の反射板３３ｂとが熱処理室３０の天井部を貫通する吊下げ具３３ｃによって取り付けられており、加熱ランプ３３ａは熱処理室３０の外に設けられた電源と温度調節機構とを兼備するコントローラ３３ｄに接続されている。

そして、熱処理室３０内の底部には、熱処理室用加熱源３３の直下へ搬入されてくる搬送容器６１を上端部で支持する第３回転軸３４が設けられており、第３固定台３６に取り付けた伸縮可能な支柱３７に支持された固定羽根３８が搬送容器６１の底面に近い位置まで挿入されていることは、脱気室１０、担持室２０の場合と同様である。そして第３回転軸３４の下端部に連結されている回転駆動源３５によって搬送容器６１が回転されると、内部に収容されている白金ナノ粒子を担持したカーボン粒子Ｐが固定羽根３８によって撹拌される。

図５は図１に示した冷却室４０における［５］−［５］線方向の概略的な縦断面図である。第４チャンバである冷却室４０には、冷却室４０内を真空排気するためのターボ分子ポンプ４９Ｔが可変流量弁を介して取り付けられ、ターボ分子ポンプ４９Ｔの排気側には弁を介してロータリポンプ４９Ｒが取り付けられている。

図５に示すように、冷却室４０内には図示を省略したレール上を走行する車輪４４を備えた可動冷却台４２が設けられており、熱処理室３０から搬送されてくる搬送容器６１は搬入開口４０ｗから搬入され、可動冷却台４２に設けた例えば支持板４３Ａ上に載置される。可動冷却台４２に支持板４３Ａと４３Ｂとを設けて２個の搬送容器６１を載置し得るようにしているが、これはカーボン粒子Ｐの冷却に時間を要する場合には、可動冷却台４２を移動させて支持板４３Ｂを搬入開口４０ｗの正面に位置させ、次のバッチの搬送容器６１’を載置させるためである。

そして既に簡単に上述した搬送容器６１の搬送機構であるが、図１を参照して、脱気室１０に取り付けられており、脱気室１０内で第１回転軸１４の上端部に支持されている搬送容器６１を下流の担持室２０へ搬送し、その第２回転軸２４の上端部に支持させる筒状の第１搬送機構１２のほか、担持室２０に設けられている第２搬送機構２２、熱処理室３０に設けられている第３搬送機構３２は全て同様に構成されているので、脱気室１０の第１搬送機構１２について以下に説明し、他の搬送機構についての説明は省略する。

図６Ａは図２において搬送容器６１が脱気室１０の第1回転軸１４の上端部に支持されている部分を拡大して示す部分縦断面図である。すなわち、搬送容器６１と第１固定台１６との間へ第１搬送機構１２の内包ロッド１２Ｒの先端に取り付けたフォーク１２Ｆが挿入されつつある状態を示す。図６Ｂはフォーク１２Ｆの面のレベルで見た平面図であり、搬送容器６１の底面を二点鎖線で示しているが、第1固定台１６の図示は省略している。搬送容器６１の底板には第１回転軸１４の上端部を嵌入させる嵌入穴６２がキー溝６２ｗと共に設けられており、その嵌入穴６２へ第１回転軸１４のキー１４ｋを設けた上端部が嵌入されて搬送容器６１を支持している。そして、第１回転軸１４を挟んでフォーク１２Ｆを挿入した後、第１搬送機構１２の取付部１２Ｓを操作して第１搬送機構１２と内包ロッド１２Ｒを上方へ移動させることにより、搬送容器６１はフォーク１２に支持されて一点鎖線で示す位置まで上昇されて第１回転軸１４の先端から浮いた高さ位置となる。搬送容器６１をその高さ位置まで持ち上げてから、第１搬送機構１２の内包ロッド１２Ｒによって搬送容器６１を担持室２０の第２回転軸２４の直上まで搬送し、続いて下降させることにより、搬送容器６１を第２回転軸２４の上端部に支持させることができる。その後、内包ロッド１２Ｒは搬送容器６１の直下から脱気室１０へ引き戻される。

本実施例の同軸型真空アーク蒸発源５１を備えた触媒用ナノ粒子担持装置１は以上のように構成されるが、次にその作用を説明する。なお図１において、脱気室１０には、搬入扉１１からカーボン粒子Ｐを収容した搬送容器６１が搬入されて第１回転軸１４の上端部に支持されており、固定羽根１８は搬送容器６１のカーボン粒子Ｐ内にあって、搬入扉１１は閉じられており、かつ脱気室１０、担持室２０、熱処理室３０、冷却室４０は、各室の間のゲート扉９Ａ、９Ｂ、９Ｃが閉じられて既に真空排気され、要すれば不活性ガスが導入されて、真空度は１×１０^-5Ｐａ以下に維持されているものとする。また、担持室２０の固定羽根２８、熱処理室３０の第３回転軸２８は回転を停止されて退避位置にあり、脱気室用加源源１３、熱処理室用加熱源３３は作動状態にあり、担持室２０の同軸型真空アーク蒸発源５１は作動を開始できる状態にあるものとする。

この状態において、図２を参照し、脱気室１０内で第１回転軸１４によって搬送容器６１を回転させると、収容されているカーボン粒子Ｐは固定羽根１８が挿入されていることによって撹拌されるが、その状態で脱気室用加熱源１３の加熱ランプ１３ａによって、真空下に１５０℃〜２００℃の温度に加熱する。従ってカーボン粒子Ｐに吸着している水分は蒸発し真空排気される。真空度が１．３×１０^-3Ｐａ以下になれば水分の脱着が完了したと判断されて、固定羽根１８を一点鎖線で示す退避位置へ上昇させ、第１回転軸１４の回転を停止する。続いて図１に示すゲート扉９Ａを開けると共に、図６に示すように、第１搬送機構１２の内包ロッド１２Ｒの先端のフォーク１２Ｆを搬送容器６１と第１固定台１６との間に挿入して、搬送容器６１を持ち上げて第１回転軸１４の先端から浮かせ、その状態で下流の担持室２０へ搬送し、第２回転軸２４の上端部に搬送容器６１を支持させる。その後は内包ロッド１２Ｒを脱気室１０へ引き戻し、ゲート扉９Ａを閉じる。

担持室２０においては、図３を参照し、第２回転軸２４を回転させ、退避位置にある固定羽根２８を搬送容器６１の底面近くまで下降させてカーボン粒子Ｐの撹拌を開始すると共に、同軸型真空アーク蒸発源５１を起動して、カーボン粒子Ｐの表面に白金ナノ粒子を担持させる。先ず、トリガ電源５６からトリガ電極５４へ電圧３．４ｋＶのパルス電圧を出力してカソード電極５２の下端とトリガ電極５４の下端との間の最短距離の部分である絶縁碍子５３の下端面に沿面放電、すなわちトリガ放電を生起させる。コンデンサユニット５８はアーク用直流電源５７によって随時に蓄電されているので、上記トリガ放電に誘起されて、カソード電極５２とアノード電極５５との間にアーク放電が発生する。

すなわち、コンデンサユニット２８に蓄電されている電荷が真空アーク放電され、カソード電極２２へ多量のアーク電流（２０００Ａ〜５０００Ａ）が２００μｓｅｃ〜５５０μｓｅｃの間に流入する。このアーク電流によって、カソード電極２２の下端の近傍にはプラズマが形成され、かつカソード電極２２を構成している白金は下端面が部分的に溶融されて蒸発するが、蒸発した白金はプラズマ内へ放出されることからプラズマ化されて電子と白金イオンに解離される。

この時、アーク電流がカソード電極２２内を流れることにより、カソード電極２２を中心にして同心円状に磁場が形成される。従って、カソード電極２２から放出された電子と白金イオンは磁場からローレンツ力を受ける。そして電子はローレンツ力によって、（電荷／質量）比が大きい原子状の白金イオンはローレンツ力および電子との間のクーロン力によって、カソード電極２２の軸心方向へ加速されて飛翔し、撹拌容器３１内で撹拌されているカーボン粒子Ｐの表面に衝突して付着し凝集する。その結果、カーボン粒子Ｐの表面に白金ナノ粒子（粒子径１ｎｍ〜１０ｎｍ）が形成され担持される。

担持操作が完了すると、図３に示した固定羽根２８を退避位置へ上昇させ、第２回転軸１４の回転を停止する。そして、図１に示したゲート扉９Ｂを開けると共に、脱気室１０におけると同様、第２搬送機構２２の内包ロッドによって搬送容器６１を持ち上げて第２回転軸２４の先端から浮かせ、下流の熱処理室３０へ搬送して第３回転軸３４の上端部に搬送容器６１を支持させる。その後、内包ロッドを担持室２０へ引き戻し、ゲート扉９Ｂを閉じる。

熱処理室３０においては、図４を参照し、第３回転軸３４を回転させ、退避位置にある固定羽根３８を搬送容器６１の底面近くまで下降させて白金ナノ粒子を担持させたカーボン粒子Ｐの撹拌を開始すると共に、熱処理室用加熱源３３の加熱ランプ３３ａによって真空下に加熱する。すなわち、担持室２０での白金イオンが衝突したことにより、担体であるカーボン粒子Ｐの表層部分の結晶性がダメージを受けて導電性が低下しているが、その結晶性を回復させるために、白金ナノ粒子を担持しているカーボン粒子Ｐを３５０℃〜６００℃の温度範囲で２０ｍｉｎ〜３０ｍｉｎの熱処理を行う。

熱処理が終わると、固定羽根３８を退避位置へ上昇させて第３回転軸１４の回転を停止する。そして図１に示したゲート扉９Ｃを開けると共に、脱気室１０におけると同様に、第３搬送機構３２の内包ロッドによって搬送容器６１を持ち上げて第３回転軸３４の先端から浮かせ、下流の冷却室４０へ搬送して、図５に示す冷却室４０の搬入開口４０ｗの正面に位置する可動冷却台４２の例えば支持板４３Ａ上に搬送容器６１を載置する。その後内包ロッドを熱処理室３０へ引き戻し、ゲート扉９Ｃを閉じる。

冷却室４０においては、搬送容器６１に収容されている白金ナノ粒子を担持したカーボン粒子Ｐを室温まで放冷する。その間、可動冷却台４２を移動して支持板４３Ｂを搬入開口４０ｗの正面に位置させ、後続の搬送容器６１’の搬入に待機する。そして、搬送容器６１内の白金ナノ粒子を担持したカーボン粒子Ｐの冷却が完了すると、一例として不図示の導入管から不活性ガスまたは大気を導入して冷却室４０内を大気圧にした後、搬送容器６１を搬出扉４１Ａから搬出することができる。これ以外の搬出方法であってもよいことは言うまでもない。グローブボックス５０はアルゴン・ガスの雰囲気になっており、搬送容器６１に密封できる蓋を被せて大気中へ取り出す。

以上、本発明の同軸型真空アーク蒸発源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置を実施例によって説明したが、勿論、本発明は本実施例に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば本実施例においては、担持室２０の同軸型真空アーク蒸発源５１におけるカソード電極５２を白金からなるものとしたが、アノード電極５５との間で発生するアーク放電によって白金が溶融し蒸発する部分は白金であることを要するものの、図３において、カソード電極５２の上端部を白金以外の金属で構成してもよい。

また本実施例においては、例えば脱気室１０における搬送容器６１の支持部材として第１回転軸１４を例示し、第1回転軸１４の上端部で直接に支持する場合を例示したが、回転軸１４で回転可能とした支持部材で搬送容器６１を支持するようにしてもよい。上記は何れも搬送容器６１を回転させ、搬送容器６１の内部に設けた固定羽根１８によってカーボン粒子Ｐを撹拌するものであるが、搬送容器６１、または搬送容器６１を支持する支持部材を回転させることなく、搬送容器６１内のカーボン粒子Ｐを撹拌機によって撹拌するものとしてもよい。このことは、担持室２０、熱処理室３０においても同様である。

また本実施例においては、例えば脱気室１０において、搬送容器６１を第１搬送機構１２の内包ロッド１２Ｒによって担持室２０へ搬送する場合を例示したが、それ以外の搬送手段、例えばレール上を走行する自走式車両によって搬送容器６１を搬送してもよく、搬送容器６１の搬送手段は限定されない。なおレールを敷設する場合には、ゲート扉９Ａ、９Ｂ、９Ｃでは部分的にレールを欠落させるので、自走式車両はそのようなレールを走行し得るように車輪の配置についての配慮を要する。

また本実施例においては、例えば脱気室１０において、第１回転軸１４の上端部に支持されている搬送容器６１を第１回転軸１４の上端から浮かせるために、取付部１２Ｓは第１搬送機構１２を内包ロッド１２Ｒと共に上下および左右の方向へ位置調整することが可能なものとしたが、第１回転軸１４を回転駆動源１５と共に上下および左右の方向へ移動可能なものとしてもよい。

また本実施例においては、冷却室４０におけるカーボン粒子Ｐの冷却を真空下に放冷して行ったが、真空下の輻射による冷却ではなく、不活性ガスを導入して不活性ガスの対流による冷却としてもよく、また冷却した不活性ガスを吹き付けて冷却するようにしてもよい。

実施例の同軸型真空アーク蒸発源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置における脱気室、担持室、熱処理室、冷却室の配置を示す平面図である。脱気室の断面図である。担持室の断面図である。熱処理室の断面図である。冷却室の断面図である。脱気室の第１回転軸による搬送容器の支持部分と、第１搬送機構の内包ロッドの作用を示す図である。

符号の説明

１触媒用ナノ粒子担持装置、
９Ａ、９Ｂ、９Ｃゲート扉、１０脱気室、
１１搬入扉、１２第１搬送機構、
１２Ｒ内包ロッド、１２Ｓ取付部、
１３脱気室用加熱源、１３ａ加熱ランプ、
１３ｂ熱線反射板、１３ｄコントローラ、
１４第１回転軸、１４ｋキー、
１６第１固定台、１７支柱、
１８固定羽根、１９Ｒロータリポンプ、
１９Ｔターボ分子ポンプ、２０担持室、
２２第２搬送機構、２４第２回転軸、
３０熱処理室、３２第３搬送機構、
３３熱処理室用加熱源、３４第３回転軸、
４０冷却室、４１Ａ、４１Ｂ搬出扉、
４２可動冷却台、４３Ａ、４３Ｂ支持板、
４４車輪、５０グローブボックス
５１同軸型真空アーク蒸発源、５２カソード電極、
５３絶縁碍子、５４トリガ電極、
５５アノード電極、５６トリガ電源、
５７アーク用直流電源、５８コンデンサユニット、
６１搬送容器、６２嵌入穴、
６２ｗキー溝、

Claims

第１チャンバであり、粒子状担体を収容した搬送容器の搬入扉を備え、前記第１チャンバ内の底部には搬入される前記搬送容器を支持する第１支持部材を備えており、該第１支持部材に支持されている前記搬送容器内の前記粒子状担体に吸着されている水分を脱着させる脱気室と、
第２チャンバであり、該第２チャンバ内の上部に、活性金属を要素とする円柱状のカソード電極と、該カソード電極の外周面に接して同軸に設けられた円筒状の絶縁碍子と、該絶縁碍子の外周面に接して同軸に設けられたトリガ電極と、前記トリガ電極の外周面から所定の間隔をあけて同軸に設けられた円筒状で一端側が前記第２チャンバ内に開口され他端側が前記カソード電極と離隔した位置で閉じられたアノード電極とからなる同軸型真空アーク蒸着源を備え、前記第２チャンバ内の底部には前記同軸型真空アーク蒸着源の開口側と対向する位置へ搬送されてくる前記搬送容器を支持する第２支持部材を備えており、前記同軸型真空アーク蒸着源から前記活性金属を蒸発させ、前記第２支持部材に支持されている前記搬送容器内の前記粒子状担体の表面に活性金属ナノ粒子を形成して担持させる担持室と、
第３チャンバであり、該第３チャンバ内に第３チャンバ用加熱源を備え、前記第３チャンバ内の底部には前記第３チャンバ用加熱源の下方へ搬送されてくる前記搬送容器を支持する第３支持部材を備えており、該第３支持部材に支持されている前記搬送容器内の前記活性金属ナノ粒子が担持された前記粒子状担体を熱処理する熱処理室と、
第４チャンバであり、該第４チャンバ内へ搬送されてくる前記搬送容器を載置して収容されている前記活性金属ナノ粒子が担持された前記粒子状担体を冷却し前記搬送容器の場所を移動させ得る可動冷却台および前記搬送容器の搬出扉が設けられている冷却室とが、各室の間にそれぞれゲート扉を介して順に接続されており、
かつ前記脱気室には前記第１支持部材に支持されている前記搬送容器を前記担持室内の前記第２支持部材へ搬送する第１搬送機構が設けられ、前記担持室には前記第２支持部材に支持されている前記搬送容器を前記熱処理室内の前記第３支持部材へ搬送する第２搬送機構が設けられ、前記熱処理室には前記第３支持部材に支持されている前記搬送容器を前記冷却室の前記可動冷却台へ搬送する第３搬送機構が設けられていることを特徴とする同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置。
前記脱気室おける前記第１支持部材、前記担持室における前記第２支持部材、および前記熱処理室における第３支持部材が何れも回転軸であり、前記搬送容器の底面側を前記回転軸の上端部で着脱可能に支持しており、前記回転軸によって前記搬送容器が回転されることにより、収容されている前記粒子状担体が撹拌されるように構成されている請求項１に記載の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置。
前記第１チャンバである前記脱気室内の底部へ搬入され支持される前記搬送容器内の前記粒子状担体を加熱するための第１チャンバ用加熱源が前記第１チャンバ内に設けられている請求項１または請求項２に記載の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置。
前記第４チャンバに、前記搬出扉を囲って、グローブボックスが接続されている請求項１から請求項３までの何れかに記載の同軸型真空アーク蒸着源を備えた触媒用ナノ粒子担持装置。