JP5649901B2 - 多層カーボンナノチューブ集合体及びその製造方法 - Google Patents
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a.多層カーボンナノチューブの平均アスペクト比:多層カーボンナノチューブの平均長さ/多層カーボンナノチューブの平均外径
b.多層カーボンナノチューブの平均外径:走査型電子顕微鏡を用いて倍率10000倍以上で10本の多層カーボンナノチューブを観察し、その最も太い部分を測定した値の数平均値
c.多層カーボンナノチューブの平均長さ:走査型電子顕微鏡を用いて倍率1000倍で10本の多層カーボンナノチューブを観察し、長さを測定した値の数平均値
(2)多層カーボンナノチューブの屈曲度が10°以上であること
屈曲度:走査型電子顕微鏡を用いて倍率10000倍以上で観察した任意のカーボンナノチューブ1本について、平均外径の5倍離れた任意の2点A、Bを選び、それぞれの点に接線LA、LBを引いて、接線LA、LBの交点Qの外角を5点測定した値の数平均値
(3)走査型電子顕微鏡により倍率10000倍以上で5視野観察した場合、触媒活性金属微粒子が凝集した、カーボンナノチューブの外径より大きな径の二次粒子が観察されないこと
(4)走査型電子顕微鏡により倍率1000倍で5視野観察した場合、触媒担体に由来する無機酸化物微粒子が凝集した、径が10μm以上の二次粒子が観察されないこと
(5)以下の方法で算出した嵩密度が0.005〜0.25g/cm3であること
カーボンナノチューブ集合体を乾燥した100mlメスシリンダー(最小目盛単位:1ml)に静かに入れ、粉体層の上面を圧密せずに注意深くならし、体積を測定し嵩体積とする。カーボンナノチューブ集合体を取り出して測定した質量を嵩体積で除する。この測定、計算を3回行い、その平均値を嵩密度とする。
本発明の多層カーボンナノチューブ集合体は、触媒金属粒子から成長した特定した範囲の平均アスペクト比(平均長さ/平均外径)、平均外径、及び屈曲した形状を有するMWCNTが不規則に交絡した集合体であること、及び径がミクロンオーダーの粒子を含まないことを特徴としている。
(1)MWCNT製造用触媒の製造方法
水素ガスと、コバルト及び/又は鉄を含む炭素化合物(A)、並びにマグネシウム及び/又はアルミニウムを含む炭素化合物(B)からなる混合物を接触させながら加熱することにより合成する。この時、炭素化合物(A)は分解、還元されて、MWCNT製造触媒の活性成分であるコバルト金属微粒子や鉄金属微粒子が生成する。
本発明で使用するMWCNT製造用触媒は、MWCNT製造装置とは異なる装置で調製し、分離して使用してもよい。しかし、触媒活性が低下し難く、触媒分離など煩雑な工程が不要なことから、MWCNT製造装置で触媒を製造し、そのまま多層カーボンナノチューブ集合体を製造することが好ましい。以下、MWCNT製造装置で調製した触媒を、そのまま使用してMWCNTを製造する場合について説明する。
走査型電子顕微鏡:品名:JEOL JEM 5500LV(日本電子(株))
〔2〕ラマンスペクトルは、以下の装置により測定した。
レーザーラマン分光装置:NRS−3300(日本分光(株))
〔3〕多層カーボンナノチューブの成長量は、「成長後の重量」から、別途測定した「触媒前駆体還元終了時(触媒)の重量」を差し引くことにより算出した。
〔4〕カーボンナノチューブ集合体を乾燥した100mlメスシリンダー(最小目盛単位:1ml)に静かに入れ、粉体層の上面を圧密せずに注意深くならし、体積を測定し嵩体積とする。カーボンナノチューブ集合体を取り出して測定した質量を嵩体積で除する。この測定、計算を3回行い、その平均値を嵩密度とした。
〔5〕MWCNT水性分散液の基板への塗布には、簡易型引張圧縮試験機(商標:“プッシュプルスタンド”、型式:SV−3、メーカー:(株)今田製作所)を利用して、浸漬法により所定の基材へ塗布した。
〔6〕調製したMWCNT水性分散液の状態は、目視により、凝集、沈殿の有無について経時的に観察した。分散液の状態は、凝集、沈殿がない状態が1カ月以上継続するものを○、1〜3週間継続するものを△、分散液を調製した翌日までに凝集、沈殿が発生するものを×と表示した。
基板上に形成したMWCNT分散膜の状態については、目視により観察した。
〔7〕MWCNT分散膜の表面抵抗率は、抵抗率計(商標:“LORESTA−IP”、型式:MCP−T250、メーカー:三菱化学(株))を使用して、4探針法(電極間距離:5mm、温度:25℃、湿度:15%RH)により測定した。
酢酸コバルト・4水和物(平均粒径:1μm)と塩基性酢酸アルミニウム水和物(アルミナ含量13質量%;平均粒径:0.5μm)の化学量論比(Co/Al)が4になるように乳鉢を使って混合することにより触媒前駆体を得た。触媒前駆体である混合粉体1gを石英ボート内に設置し、石英ボートを石英反応管中に挿入した。反応管に窒素ガスを300sccmで10分間流して置換し、さらに、水素ガスに切り替えて500sccmで10分間流すことにより、水素ガスに置換した。水素ガスの供給を保持したまま、550℃まで約25℃/分で昇温することにより、触媒前駆体を還元した。750℃に到達後、水素ガスをメタンガスに切り替え、500sccmで流し続けた。30分後、メタンガスを窒素ガス(300sccm)に切り替えて室温まで冷却後、石英反応管から石英ボートを取り出した。
コバルトとマグネシウムの化学量論比(Co/Mg)が4になるように、塩基性酢酸アルミニウム水和物を酢酸マグネシウム・4水和物(平均粒径:1μm)に変更した以外は、実施例1と同様にしてMWCNT集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
コバルトとマグネシウムの化学量論比(Co/Mg)を1に変更した以外は、実施例2と同様にしてMWCNT集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
コバルトとマグネシウムの化学量論比(Co/Mg)を10に変更した以外は、実施例2と同様にしてMWCNT集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
コバルトとマグネシウムの化学量論比(Co/Mg)を0.2に変更した以外は、実施例2と同様にしてMWCNT集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
鉄とアルミニウムの化学量論比(Fe/Al)が4になるように、酢酸マグネシウム・4水和物を塩基性酢酸アルミニウム水和物に変更した以外は、実施例1と同様にしてCNT集合体を製造した。
酢酸鉄(II)と酢酸マグネシウム・4水和物の化学量論比(Fe/Mg)が4になるように、塩基性酢酸アルミニウム水和物を酢酸マグネシウム・4水和物に変更した以外は、実施例6と同様にしてMWNTs集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
酢酸鉄(II)と酢酸マグネシウム・4水和物の化学量論比(Fe/Mg)を1.1に変更した以外は、実施例7と同様にしてMWCNT集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
酢酸鉄(II)と酢酸マグネシウム・4水和物の化学量論比(Fe/Mg)を10に変更した以外は、実施例7と同様にしてMWCNT集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
酢酸鉄(II)と酢酸マグネシウム・4水和物の化学量論比(Fe/Mg)を0.2に変更した以外は、実施例7と同様にしてMWCNT集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
触媒前駆体を、鉄、アルミニウム、及びモリブデンの化学量論比(Fe/Al/Mo)が4/1/1になるように調製した酢酸鉄(II)、塩基性酢酸アルミニウム、及びモリブデン酸からなる混合粉体0.5gに変更した以外は、実施例6と同様にしてMWCNT集合体を製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
触媒前駆体を、鉄、アルミニウム、およびリチウムの化学量論比(Fe/Al/Li)が4/1/0.4になるように調製した酢酸鉄(II)、塩基性酢酸アルミニウム、及び酢酸リチウムからなる混合粉体1.0gに変更した以外は、実施例6と同様にしてMWCNTを製造した。また、実施例1と同様にして、MWCNT水性分散液、及び分散膜を調製した。
触媒前駆体を酢酸コバルト・4水和物に、触媒前駆体と水素ガスとの接触最高温度及びメタンガスとの接触温度を650℃に変更した以外は、実施例1と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長しておらず、酢酸コバルト・4水和物が還元分解されたコバルト金属粒子の凝集体が観察された。
触媒前駆体を酢酸コバルト・4水和物に、水素ガスをメタンガスに、メタンガスとの接触温度を650℃に変更した以外は、実施例1と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長しておらず、酢酸コバルト・4水和物が還元分解されたコバルト金属粒子の凝集体が観察された。
酢酸マグネシウム・4水和物を酸化マグネシウムに変更した以外は、実施例2と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長していなかった。
酢酸コバルト・4水和物を酸化コバルト(II)に変更した以外は、実施例2と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長していなかった。
酢酸コバルト・4水和物を酸化コバルト(II)に、酢酸マグネシウム・4水和物を酸化マグネシウムに変更した以外は、実施例2と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長していなかった。
触媒前駆体を酢酸鉄(II)に変更した以外は、実施例6と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長しておらず、酢酸鉄(II)が還元分解された鉄金属粒子の凝集体が観察された。
触媒前駆体を酢酸鉄(II)に、水素ガスをメタンガスに変更した以外は、実施例6と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長しておらず、酢酸鉄(II)が還元分解された鉄金属粒子の凝集体が観察された。
酢酸マグネシウム・4水和物を酸化マグネシウムに変更した以外は、実施例7と同様にしてMWCNT集合体を製造した。
比較例8で得られたMWCNTは媒体への分散性が悪く、作成したMWCNT分散膜の表面抵抗値も、やや高いものであった。
酢酸鉄(II)をα−酸化鉄(III)に変更した以外は、実施例7と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長していなかった。
酢酸コバルト・4水和物を酢酸ニッケル・4水和物(平均粒径:3μm)に変更した以外は、実施例1と同様にしてMWCNT集合体を製造した。
比較例10で得られたMWCNTは媒体への分散性が悪く、作成したMWCNT分散膜の表面抵抗値も、やや高いものであった。
水素キャリアガスを用いてフェロセン(2.5質量%)/トルエン溶液をスプレーで供給し、MWCNT集合体を製造した。まず、スプレー気化器および石英反応管中に窒素ガスを300sccmで供給し、10分間置換した。引き続き、電気炉により石英反応管全体を1100℃に昇温した(昇温速度25℃/1分)。その後、水素キャリアガスを1000sccmでスプレー気化器に供給した。スプレー気化器により液滴化したフェロセン(2.5質量%)/トルエン溶液を1100℃に加熱された反応管に供給した。30分間成長を行い、成長終了後石英反応管へのフェロセン/トルエン溶液の供給を停止し、窒素ガスを300sccm供給した。石英反応管の温度が650℃まで降温した後、電気炉を開放し、室温まで冷却した。石英反応管が室温まで冷却後、反応管内の触媒を含むMWCNT集合体を回収した。
MWCNTの平均外径、平均長さ、屈曲度、成長量、MWCNT集合体の成長量、嵩密度、分散液の状態、分散膜の表面抵抗率などを表2に示した。
酢酸鉄を硝酸鉄・9水和物、酢酸マクネシウム・4水和物を硝酸マグネシウム・4水和物に変更した以外は、実施例2と同様にしてMWCNT集合体を製造した。カーボンナノチューブは成長していなかった。
触媒前駆体を、鉄、マグネシウム、無水クエン酸、蒸留水の化学量論比(Fe/Mg/無水クエン酸/水)が0.56/1/1/111になるようにして硝酸鉄9水和物、硝酸マグネシウム6水和物、無水クエン酸、および蒸留水を混合し、完全に溶解させた。この水溶液を120℃で8時間乾燥し固体粉末化した。この粉末を大気中700℃で5時間焼成することにより、触媒前駆体とした。この触媒前駆体の数量を0.3gに変更した以外は、実施例7と同様にしてMWCNTを製造した。なお、Feの化学量論比を0.56以上にすると、カーボンナノチューブは、ほとんど成長しなかった。
MWCNTの平均外径、平均長さ、屈曲度、成長量、MWCNT集合体の成長量、嵩密度、分散液の状態、分散膜の表面抵抗率などを表2に示した。
2 電気炉
3 石英ボート
4 MWCNT
5 触媒(コバルト及び/又は鉄を含む炭素化合物(A)、並びにマグネシウム及び/又はアルミニウムを含む炭素化合物(B)からなる混合物の水素還元物)
Claims (9)
- 以下の条件(1)〜(5)すべてを満足することを特徴とする多層カーボンナノチューブ集合体。
(1)多層カーボンナノチューブの平均アスペクト比が100〜10000であり、平均外径が10〜150nmであること。ただし、多層カーボンナノチューブの平均アスペクト比、平均外径、平均長さは、以下の方法で測定、算出した値である。
a.多層カーボンナノチューブの平均アスペクト比:多層カーボンナノチューブの平均長さ/多層カーボンナノチューブの平均外径
b.多層カーボンナノチューブの平均外径:走査型電子顕微鏡を用いて倍率10000倍以上で10本の多層カーボンナノチューブを観察し、その最も太い部分を測定した値の数平均値
c.多層カーボンナノチューブの平均長さ:走査型電子顕微鏡を用いて倍率1000倍で10本の多層カーボンナノチューブを観察し、長さを測定した値の数平均値
(2)多層カーボンナノチューブの屈曲度が10°以上であること
屈曲度:走査型電子顕微鏡を用いて倍率10000倍以上で観察した任意のカーボンナノチューブ1本について、平均外径の5倍離れた任意の2点A、Bを選び、それぞれの点に接線LA、LBを引いて、接線LA、LBの交点Qの外角を5点測定した値の数平均値。
(3)走査型電子顕微鏡により倍率10000倍以上で5視野観察した場合、触媒活性金属微粒子が凝集した、カーボンナノチューブの外径より大きな径の二次粒子が観察されないこと
(4)走査型電子顕微鏡により倍率1000倍で5視野観察した場合、触媒担体に由来する無機酸化物微粒子が凝集した、径が10μm以上の二次粒子が観察されないこと
(5)以下の方法で算出した嵩密度が0.005〜0.25g/cm3であること
カーボンナノチューブ集合体を乾燥した100mlメスシリンダー(最小目盛単位:1ml)に静かに入れ、粉体層の上面を圧密せずに注意深くならし、体積を測定し嵩体積とする。カーボンナノチューブ集合体を取り出して測定した質量を嵩体積で除する。この測定、計算を3回行い、その平均値を嵩密度とする。 - 水素ガスと、コバルト及び/又は鉄を含む炭素化合物(A)、並びにマグネシウム及び/又はアルミニウムを含む炭素化合物(B)からなる混合物を加熱することにより得たカーボンナノチューブ製造用触媒と、炭素含有ガスを、500〜900℃で接触させることにより製造する請求項1に記載の特徴をもつ多層カーボンナノチューブ集合体の製造方法。
- 水素ガスと、耐熱性容器に固定して設置したコバルト及び/又は鉄を含む炭素化合物(A)、並びにマグネシウム及び/又はアルミニウムを含む炭素化合物(B)からなる粉体混合物を加熱することにより得たカーボンナノチューブ製造用触媒と、炭素含有ガスを、500〜900℃で接触させることを特徴とする請求項2に記載の多層カーボンナノチューブ集合体の製造方法。
- コバルト及び/又は鉄を含む炭素化合物(A)、並びにマグネシウム及び/又はアルミニウムを含む炭素化合物(B)が、炭素数1〜18のカルボン酸塩(水和物を含む)又は炭酸塩(水和物を含む)であることを特徴とする請求項2または3に記載の多層カーボンナノチューブ集合体の製造方法。
- コバルト及び/又は鉄を含む炭素化合物(A)、並びにマグネシウム及び/又はアルミニウムを含む炭素化合物(B)が、酢酸塩(水和物を含む)又は炭酸塩(水和物を含む)であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の多層カーボンナノチューブ集合体の製造方法。
- コバルト及び/又は鉄を含む炭素化合物(A)に含まれる鉄、コバルトと、マグネシウム及び/又はアルミニウムを含む炭素化合物(B)に含まれるマグネシウム、アルミニウムの化学量論比(Fe+Co)/(Mg+Al)が0.2〜10であることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の多層カーボンナノチューブ集合体の製造方法。
- さらに、モリブデン化合物、タングステン化合物、及びバナジウム化合物から選ばれる1種を共存させて接触させることを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項に記載の多層カーボンナノチューブ集合体の製造方法。
- さらに、リチウム化合物を共存させて接触させることを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項に記載の多層カーボンナノチューブ集合体の製造方法。
- 炭素含有ガスが、メタン、エタン、プロパン、エチレン、ブタジエン、アセチレン、及び一酸化炭素からなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項2〜8のいずれか1項に記載の多層カーボンナノチューブ集合体の製造方法。
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