JP5663648B2 - 反応器 - Google Patents

Description

本発明は、反応器に関するものである。

カーボンナノチューブは１９９１年に発見された新しい一次元ナノ材料である。カーボンナノチューブは、高引張強さ、高熱安定性、理想的な一次元構造、優れた力学特性、電気特性、熱学特性などの特徴を有するので、カーボンナノチューブの応用についての研究が進められており、カーボンナノチューブは、材料科学、化学、物理などの科学領域に広く応用されている。近年、反応器に関して、カーボンナノチューブ自体を基板として用いて、カーボンナノチューブを成長させる研究が進められている。

しかし、例えば、サイズが小さい等のカーボンナノチューブ固有の条件に制限されるため、カーボンナノチューブ自体を基板として用い、カーボンナノチューブを成長させることが課題となっていて、この課題が研究されている。

中国特許出願公開第１０１２３９７１２号明細書 特開２００４−１０７１９６号公報 特開２００７−１６１５６３号公報

従って、前記課題を解決するために、本発明はカーボンナノチューブを成長させる反応器を提供する。

本発明の反応器は、反応室と、少なくとも一つの成長基板と、を含む反応器であって、前記反応室は入口及び出口を含み、前記少なくとも一つの成長基板は反応室の内に設置され、前記少なくとも一つの成長基板はカーボンナノチューブ構造体及び触媒粒を含み、前記各成長基板は複数の空隙を有し、前記入口から導入される反応気体は、前記成長基板に流れ、前記少なくとも一つの成長基板の空隙を通じて抜けて、出口から流出し、前記反応気体の流れる方向は、前記少なくとも一つの成長基板の表面と、角度αを成し、前記角度αは、０°〜９０°（０°を含まず）である。

本発明の反応器において、前記反応気体の流れる方向は、前記成長基板の表面と垂直である。

従来の技術と比べて、本発明の反応器には、以下の優れた点がある。第一に、カーボンナノチューブ構造体が複数の空隙を含むので、触媒粒が空隙の内に嵌められて、固く固定され、触媒粒の凝集を効果的に防止し、触媒粒の活性化を保持する。第二に、カーボンナノチューブが優れた電気‐熱変換特性を有するので、カーボンナノチューブ構造体に電流を流すことによって、側壁を加熱できる。これにより、加熱装置を別途設置する必要がなく、反応器の構造が簡単になり、コストが低くなる。第三に、反応室の内に、複数の成長基板が間隔をあけて設置されることによって、触媒層が形成された複数の成長基板の表面に、同時にカーボンナノチューブを成長させることができる。第四に、炭素源ガスが複数の成長基板を一つずつ通り抜けるので、炭素源ガスを十分に利用することができる。これにより、カーボンナノチューブの成長率が高まり、コストが低くなる。第五に、複数の成長基板にそれぞれ独立的に電流を流すことができる。これにより、選択された成長基板にカーボンナノチューブを成長させることができる。

本発明の実施例１における反応器の構造図である。 図１の反応器における成長基板の構造図である。 本発明の実施例１の反応器におけるカーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 図３のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブセグメントの構造図である。 本発明の実施例１の反応器における積層された多層のカーボンナノチューブフィルムの構造図である。 本発明の実施例１の反応器における非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例１の反応器におけるねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例１の反応器の応用を示す図である。 本発明の実施例１の成長基板を加熱した後の図である。 本発明の実施例２における反応器の構造図である。 本発明の実施例２の反応器の応用を示す図である。 本発明の実施例３における反応器の構造図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。また、以下の各実施例において、同じ部材は同じ符号で標示する。

（実施例１）
図１を参照すると、本実施例の反応器１０は、反応室１３と、成長基板１４と、支持体１６と、を含む。支持体１６によって、成長基板１４は反応室１３の内に固定される。

反応室１３は、入口１１及び出口１２を有する。入口１１及び出口１２は間隔をあけて設置される。好ましくは、入口１１及び出口１２は反応室１３の長手方向の相対する両端に設置される。反応室１３は耐高温性で且つ化学的に安定な材料からなり、反応室１３の材料は石英、セラミック、ステンレススチールの何れか一種である。反応室１３は管状構造体であり、管状構造体の長手方向と垂直な方向における該管状構造体の横断面の形状は、円形、楕円形、三角形、矩形、或いは他の規則的図形及び不規則な図形である。反応室１３の横断面の幅の最大の長さは１ｃｍ〜２０ｃｍであり、好ましくは、２.５ｃｍ〜１０ｃｍである。反応室１３の長さは２ｃｍ〜５０ｃｍである。本実施例において、反応室１３は、横断面が円形である管状構造体であり、入口１１及び出口１２は反応室１３の長手方向の相対する両端に設置され、反応室１３の直径は２.５ｃｍであり、反応室１３の長さは２０ｃｍである。

図２を併せて参照すると、成長基板１４は反応室１３の内に設置され、入口１１及び出口１２の間に設置され、且つ入口１１及び出口１２とそれぞれ間隔をあけて設置される。成長基板１４の形状及び面積は、反応室１３の横断面によって選択できる。これにより、成長基板１４は反応室１３の内のスペースを十分に利用できる。成長基板１４は平面構造体、曲面構造体の何れかの一種である。平面構造体とは、成長基板１４が平らな構造体であることを指す。曲面構造体とは、成長基板１４の少なくとも一部は平らな構造体ではないことを指す。成長基板１４の表面は入口１１に相対して設置され、且つ反応室１３の内に流れる気流の方向と角αを成す。該角αは０°〜９０°（０°を含まず）である。該角αが大きくなると、反応室１３の内に流れる気流は成長基板１４を貫通しやすく、多くの触媒粒１５が反応され、カーボンナノチューブを成長させることに有利である。更に、好ましくは、角αは９０°である。即ち、成長基板１４の表面は反応室１３の内に流れる気流の方向と垂直である。これにより、反応室１３の内に流れる反応気体は、成長基板１４における触媒粒１５と十分に反応でき、カーボンナノチューブを成長させる効果を向上させることができる。成長基板１４の形状は、円形、矩形、菱形、或いは他の幾何図形の何れかの一種である。成長基板１４の面積は０．５ｃｍ^２〜１００ｃｍ^２である。本実施例において、成長基板１４は平面構造体であり、成長基板１４の形状は矩形であり、成長基板１４の面積は１ｃｍ^２である。

成長基板１４は反応室１３の内に懸架して設置される。ここで、成長基板１４が反応室１３の内に懸架して設置されるとは、反応室１３の内において、成長基板１４が反応室１３の内壁と接触しないことを指す。成長基板１４は支持体１６によって反応室１３の内に懸架して設置されることができる。成長基板１４が固定され、且つ成長基板１４の一部が懸架して設置されることができれば、支持体１６の形状は制限されない。支持体１６の材料は特定の幾何形状を形成でき、且つ加熱工程において自体の形状を保持できる金属材料或いは絶縁材料である。金属材料は、例えば、金、銀、アルミニウムなどの一種である。絶縁材料は、例えば、セラミックなどである。本実施例において、支持体１６は反応室１３の内壁に固定される環状構造体であり、その材料はセラミックである。支持体１６はグリッド構造体でもいい。その際、グリッド構造体の辺縁は反応室１３の内壁に固定されることによって、グリッド構造体の中間部分は反応室１３の内に懸架される。更に、支持体１６が設置されなくてもいい、成長基板１４は他の方式によって、例えば、溶接によって、反応室１３の内壁に直接に固定され、反応室１３の内に懸架して設置されてもよい。

入口１１に近い方の成長基板１４の表面は、入口１１に相対して設置される。成長基板１４が平面構造体である場合、入口１１に近い方の成長基板１４の表面は、入口１１から反応室１３の内に流れる気流の方向と基本的に垂直である。対流の現象などの原因により、入口１１から反応室１３の内に流れる気流の方向は絶対に同じではないが、その現象は気流の流れる方向に影響しない。成長基板１４が曲面構造体である場合、成長基板１４が平面構造体である場合より、反応室１３の内に設置される成長基板１４の面積は大きい。

成長基板１４はカーボンナノチューブ構造体及び触媒粒１５を含む。好ましくは、成長基板１４はカーボンナノチューブ構造体及び触媒粒１５からなる。触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体の表面に均一に分散される。該カーボンナノチューブ構造体は均一に分布した複数のカーボンナノチューブを含み、該複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブ構造体の表面に基本的に平行な方向に沿って延伸する。更に、成長基板１４は複数のカーボンナノチューブのみからなることができる。カーボンナノチューブ構造体の厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍであり、例えば、１５ｎｍ、２００ｎｍ、１μｍである。本実施例において、カーボンナノチューブ構造体の厚さは１００ｎｍである。カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブの一種または多種であり、その長さ及び直径は必要に応じて選択できる。

図２を参照すると、成長基板１４はパターン化構造体である。パターン化構造体とは、成長基板１４において、複数の空隙１４２が形成されている構造のことである。該複数の空隙１４２は成長基板１４の厚さ方向に、成長基板１４を貫通する。空隙１４２は触媒粒で被覆された複数のカーボンナノチューブが囲んで形成する微孔であり、或いはカーボンナノチューブの軸方向に沿って延伸して、隣接する触媒粒で被覆されたカーボンナノチューブ間のスリップ状の間隙である。空隙１４２が微孔状である場合、空隙１４２の平均孔径は、５ｎｍ〜１００μｍであり、例えば、１０ｎｍ、１μｍ、１０μｍ、５０μｍ、或いは９０μｍなどである。空隙１４２がストリップ状である場合、空隙１４２の平均幅は、５ｎｍ〜１００μｍである。“空隙１４２のサイズ”とは、孔径の直径又はストリップ状の幅を指す。好ましくは、空隙１４２のサイズは、５ｎｍ〜１０μｍである。成長基板１４において、微孔及びストリップ状の間隙共に存在でき、且つ両者のサイズは異なってもよい。更に、カーボンナノチューブ構造体のデューティファクタ（ｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ）は、１：１００〜１００：１、１：１０〜１０：１、１：４〜４：１或いは１：２〜２：１である。好ましくは、成長基板１４のデューティファクタは、１：４〜４：１である。ここで“デューティファクタ”とは、成長基板１４における、触媒粒１５で被覆されたカーボンナノチューブにより遮られた領域と、成長基板１４の空隙１４２から露出された領域との面積比を示す。好ましくは、空隙１４２は成長基板１４に均一に分布する。

電子ビーム蒸着法、熱ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法によって、カーボンナノチューブ構造体の表面に触媒粒１５を形成できる。触媒粒１５は鉄、コバルト、ニッケル或いはそれらの合金からなる。触媒粒１５のサイズは５ｎｍ〜１０ｎｍである。成長基板１４がカーボンナノチューブ構造体を含むので、触媒粒１５はカーボンナノチューブの吸着作用によって、カーボンナノチューブの表面に吸着されて固定される。これにより、触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体の表面に均一に分散される。図２を参照すると、触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの表面に被覆され、或いはカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの表面と接触せずに設置される。カーボンナノチューブの表面に被覆されない触媒粒１５が有るにしても、大部分の触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体の表面に均一に分散される。巨視的には、触媒粒１５がカーボンナノチューブ構造体の表面に均一に分散されることが保証される。具体的には、触媒粒のサイズが大きい場合、形成された空隙１４２のサイズは小さい。触媒粒のサイズが小さい場合、形成された空隙１４２のサイズは大きい。空隙１４２を形成できることを保証すれば、触媒粒のサイズは必要に応じて選択できる。本実施例において、触媒粒１５は鉄ナノ粒からなり、その厚さは５ｎｍである。触媒粒のサイズは８ｎｍである。

成長基板１４が均一に分布した前記パターンを有することを保証すれば、カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブは、配向し又は配向せずに配置されていてもよい。複数のカーボンナノチューブの配列方式により、カーボンナノチューブ構造体は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型のカーボンナノチューブ構造体の二種に分類される。非配向型のカーボンナノチューブ構造体では、カーボンナノチューブが異なる方向に沿って配置され、又は絡み合っている。配向型のカーボンナノチューブ構造体では、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。又は、配向型のカーボンナノチューブ構造体において、配向型のカーボンナノチューブ構造体が二つ以上の領域に分割される場合、各々の領域における複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。この場合、異なる領域におけるカーボンナノチューブの配列方向は異なる。本実施例において、好ましくは、複数のカーボンナノチューブは同じ方向に沿って、カーボンナノチューブ構造体の表面と平行に配列される。

カーボンナノチューブ構造体は自立構造体であり、その表面に形成される触媒粒１５を支持できる。カーボンナノチューブ構造体がカーボンナノチューブフィルムを含む場合、自立構造体とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブフィルムを独立して利用することができる形態のことである。すなわち、カーボンナノチューブフィルムを対向する両側から支持して、カーボンナノチューブフィルムの構造を変化させずに、カーボンナノチューブフィルムを懸架させることができることを意味する。カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、分子間力で接続されているので、自立構造体を実現する。カーボンナノチューブ構造体が一本のカーボンナノチューブワイヤである場合、自立構造体とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブワイヤを独立して利用することができる形態のことである。すなわち、カーボンナノチューブワイヤを対向する両側から支持して、カーボンナノチューブワイヤの構造を変化させずに、カーボンナノチューブワイヤを懸架させることができることを意味する。以上のように、カーボンナノチューブ構造体は自立構造体であるので、支持体１６に直接に設置できる。カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブワイヤを含む場合、カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブワイヤが平行に配列される単層構造体である。この際、複数のカーボンナノチューブワイヤが平行に配列される方向と垂直な方向に、支持力を提供して、該単層構造体は、懸架されることができる。更に、単層構造体におけるカーボンナノチューブが延伸する方向に沿って、分子間力で端と端で接続される。隣接するカーボンナノチューブが分子間力で接続される場合、単層構造体は容易に懸架される。

カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブからなる純カーボンナノチューブ構造体でもよいし、或いは複数のカーボンナノチューブを含む複合構造体でもよい。カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブからなる純カーボンナノチューブ構造体である場合、カーボンナノチューブ構造体を形成する過程において、カーボンナノチューブを化学修飾及び酸化処理しない。カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含む複合構造体である場合、複合構造体は複数のカーボンナノチューブ及び添加材料を含む。複合構造体において、複数のカーボンナノチューブが主な成分であり、且つフレームとして用いられる。添加材料は石墨、グラファイト、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、シリカ、無定形炭素の何れかの一種或いは多種である。化学気相蒸着法（ＣＶＤ）或いは物理気相成長法（ＰＶＤ）によって、添加材料はカーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブの少なくとも一部の表面に被覆され、或いは空隙１４２の内に設置される。好ましくは、添加材料はカーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブの表面に被覆される。これにより、カーボンナノチューブの直径が大きくなり、空隙１４２が小さくなる。

カーボンナノチューブ構造体は少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルム、複数のカーボンナノチューブワイヤ、或いは少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムとカーボンナノチューブワイヤとの組み合わせである。カーボンナノチューブ構造体は単層カーボンナノチューブフィルム或いは積層された多層カーボンナノチューブフィルムでもよい。カーボンナノチューブ構造体が積層された多層カーボンナノチューブフィルムである場合、カーボンナノチューブフィルムの層数は２〜１００である。カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブワイヤからなる場合、複数のカーボンナノチューブワイヤは相互に間隔をあけて平行に設置され、或いは複数のカーボンナノチューブワイヤは交差され、ネット構造体が形成される。カーボンナノチューブ構造体は平行に設置された複数のカーボンナノチューブワイヤからなる場合、隣接する二つのカーボンナノチューブワイヤの距離は１０ｎｍ〜１００μｍであり、好ましくは、１０ｎｍ〜１０μｍである。隣接する二つのカーボンナノチューブワイヤの間隙は空隙１４２であり、該間隙の長さはカーボンナノチューブワイヤの長さと同じである。カーボンナノチューブフィルムの層数及び隣接する二つのカーボンナノチューブワイヤの距離を制御することによって、カーボンナノチューブ構造体の空隙１４２のサイズを制御できる。

前記カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブからなる自立構造体であり、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。複数のカーボンナノチューブの延伸する方向はカーボンナノチューブフィルムの表面と基本的に平行である。また、複数のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。具体的には、複数のカーボンナノチューブにおける各カーボンナノチューブは、延伸する方向における隣接するカーボンナノチューブと、分子間力で端と端とが接続されている。また、カーボンナノチューブフィルムは、少数のランダムなカーボンナノチューブを含む。しかし、大部分のカーボンナノチューブは同じ方向に沿って配列されているので、このランダムなカーボンナノチューブの延伸方向は、大部分のカーボンナノチューブの延伸方向には影響しない。具体的に、カーボンナノチューブフィルムにおける多数のカーボンナノチューブは、絶対的に直線状ではなくやや湾曲している。または、延伸する方向に完全に配列せず、少しずれている場合もある。従って、同じ方向に沿って配列されている多数のカーボンナノチューブの中において、隣同士のカーボンナノチューブが部分的に接触する可能性がある。

図３及び図４を参照すると、カーボンナノチューブ構造体は少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムを含み、前記カーボンナノチューブフィルムは基本的に同じ方向に沿って配列される複数のカーボンナノチューブを含む。具体的には、カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３を含む。複数のカーボンナノチューブセグメント１４３は、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３は、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。カーボンナノチューブセグメント１４３の長さ、厚さ、形状及び均一性は制限されない。カーボンナノチューブフィルムはカーボンナノチューブアレイの選択された一部を引出すことによって、形成される。形成されたカーボンナノチューブフィルムの厚さは１ｎｍ〜１００μｍであり、形成されたカーボンナノチューブフィルムの幅は選択されたカーボンナノチューブアレイの幅に関し、形成されたカーボンナノチューブフィルムの長さは制限されない。好ましくは、カーボンナノチューブフィルムの厚さは１００ｎｍ〜１０μｍである。カーボンナノチューブフィルムにおいて、隣接するカーボンナノチューブは間隙或いは微孔を有し、空隙１４２が形成される。カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブ１４５は、同じ方向に沿って配列される。カーボンナノチューブフィルムの構造及び製造方法は、特許文献１に掲載されている。

図５を参照すると、カーボンナノチューブ構造体が積層された複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、隣接するカーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブはそれぞれ０°〜９０°の角度で交差している。積層された複数のカーボンナノチューブフィルムはカーボンナノチューブ構造体の自立性を向上させ、カーボンナノチューブ構造体を使用する過程において、変形することを防止し、更に、カーボンナノチューブの凝集を防止する。本実施例において、カーボンナノチューブ構造体は積層された二つのカーボンナノチューブフィルムからなり、二つのカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは９０°の角度で交差している。

カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブワイヤを含む場合、カーボンナノチューブワイヤは、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ又はねじれ状カーボンナノチューブワイヤであることができる。非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤもねじれ状カーボンナノチューブワイヤも自立構造である。図６を参照すると、カーボンナノチューブワイヤが、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤである場合、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。さらに、各カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。複数のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。カーボンナノチューブセグメントの長さ、厚さ、均一性及び形状は制限されない。一本の非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。有機溶剤によって、カーボンナノチューブフィルムを処理して、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを得る。具体的には、有機溶剤によって、カーボンナノチューブフィルムの全ての表面を浸す。揮発性の有機溶剤が揮発すると、表面張力の作用によって、カーボンナノチューブフィルムにおける相互に平行する複数のカーボンナノチューブが分子間力によって互いに緊密に結合して、カーボンナノチューブフィルムが収縮して非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを得る。前記有機溶剤はエタノール、メタノール、アセトン、塩化エチレン或いはクロロホルムである。本実施例において、有機溶剤はエタノールである。この有機溶剤によって処理されないカーボンナノチューブフィルムと比較して、有機溶剤によって処理された非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの比表面積は減少し、且つ接着性も弱い。また、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭さを増強させ、外力によってカーボンナノチューブワイヤが破壊される可能性を低くする。

図７を参照すると、カーボンナノチューブフィルムの長手方向に沿う対向する両端に相反する力を印加することにより、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。好ましくは、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。さらに、各カーボンナノチューブセグメントには、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。カーボンナノチューブセグメントの長さ、厚さ、均一性及び形状は制限されない。一本のねじれ状カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。更に、有機溶剤によって、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを処理する。有機溶剤によって処理されたねじれ状カーボンナノチューブワイヤは表面張力の作用によって、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤにおける相互に平行する複数のカーボンナノチューブが分子間力によって互いに緊密に結合して、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの比表面積が減少し、接着性が小さい一方、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭が増強する。カーボンナノチューブワイヤの製造方法は、特許文献２及び特許文献３に掲載されている。

本発明はカーボンナノチューブの成長装置としての反応器１０の応用を提供する。反応器１０の応用は、反応器１０を提供するステップ（Ｓ１１）と、反応室１３に炭素源ガスとキャリアガスからなる混合気体を導入するステップ（Ｓ１２）と、成長基板１４を加熱し、カーボンナノチューブを成長するステップ（Ｓ１３）と、を含む。

ステップ（Ｓ１２）において、混合気体は反応室１３の入口１１から反応室１３の内に導入する。混合気体の流れる方向は、成長基板１４の表面と角αを成す。該角αは０°〜９０°であり、好ましくは、混合気体の流れる方向は、成長基板１４の表面と垂直である。これにより、混合気体は成長基板１４の表面と垂直な方向に沿って、空隙１４２を通じて、成長基板１４を貫通して、反応室１３の外に流れる。混合気体は特定の速度で入口１１から反応室１３の内に導入され、また、前記反応室１３の内に導入された速度で、出口１２から流出する。これにより、反応室１３内で炭素源ガスが流れる状態を保持し、反応室１３内の炭素源ガスを更新し続けることができ、その濃度が基本的に変化しない。且つ炭素源ガスは触媒粒１５及びカーボンナノチューブ構造体を貫通して流れるので、炭素源ガスは触媒粒１５と十分に接触でき、高品質のカーボンナノチューブを成長させることができる。また、触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体の表面に固定されるので、反応室１３内に混合気体を導入する工程において、混合気体の流れは触媒粒１５の分布に影響しなく、触媒粒の凝集を効果的に防止し、触媒粒の活性化を保持する。カーボンナノチューブの成長速度は、触媒粒１５と反応室１３との温度差に正比例する。炭素源ガスの流れる速度を調整することによって、触媒粒１５の温度を制御できる。従って、気圧でカーボンナノチューブ構造体が破壊されないことを保証すれば、カーボンナノチューブの成長速度によって、反応室１３内の気圧及び混合気体の流れる速度を制御できる。

混合気体は炭素源ガス及びキャリアガスからなる。キャリアガスはアルゴン、窒素或いは炭素源ガスと反応しないガスの何れか一種である。炭素源ガスは、エチレン、メタン、エタン、アセチレン或いは他の気体の炭化水素の何れか一種である。本実施例において、炭素源ガスは、エチレンである。且つ１０００ｓｃｃｍの流速で、エチレンを反応室１３に導入する。

ステップ（Ｓ１３）において、反応室１３の温度がカーボンナノチューブの成長温度に達すると、加熱装置（図示せず）によって、反応室１３を加熱できる。本実施例において、カーボンナノチューブ構造体に電流を流すことによって、反応室１３を加熱する。具体的に、反応器１０は第一電極１４４及び第二電極１４６を含み、該第一電極１４４及び第二電極１４６は間隔をあけて、カーボンナノチューブ構造体の表面に設置され、且つカーボンナノチューブ構造体と電気的に接続される。第一電極１４４及び第二電極１４６が電源１４０に接続されることによって、カーボンナノチューブ構造体に電流が流れる。

図８、図９を参照すると、第一電極１４４と第二電極１４６の間に電圧を印加することによって、カーボンナノチューブ構造体に電流を流し、カーボンナノチューブ構造体を加熱し、カーボンナノチューブ構造体の温度をカーボンナノチューブの成長温度に到達させる。第一電極１４４と第二電極１４６の間に印加する電圧は、第一電極１４４と第二電極１４６の距離、及びカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの直径に関係している。本実施例において、第一電極１４４と第二電極１４６の間に印加する電圧は４０ボルトであり、カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの直径は５μｍである。カーボンナノチューブ構造体の表面にカーボンナノチューブを成長させる工程において、ジュール熱によって、カーボンナノチューブ構造体の温度は５００〜９００℃に達し、反応時間は３０〜６０分間である。その際、反応室１３内における、カーボンナノチューブ構造体以外の温度は３０℃〜５０℃である。これにより、触媒粒１５と反応室１３の温度差を大きくして、カーボンナノチューブの成長速度を高める。

更に、カーボンナノチューブ構造体に電流を流して加熱するのと同時に、加熱装置（図示せず）によって、反応室１３を加熱できる。これにより、カーボンナノチューブの成長速度を高める。カーボンナノチューブ構造体に電流を流して、特定の時間が経った後、カーボンナノチューブ構造体を加熱することを停止し、気体を導入することを停止する。

反応器１０には以下の優れた点がある。第一に、反応器１０がカーボンナノチューブ構造体を含み、カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの性質が安定していて、触媒と反応しない。第二に、カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが均一に分布し、且つ非常に大きい比表面面積を有するので、カーボンナノチューブ構造体が優れた吸着力を有する。これにより、接着剤を利用しなくても、触媒粒がカーボンナノチューブ構造体の表面に固定される。第三に、カーボンナノチューブ構造体が複数の空隙１４２を含むので、触媒粒が空隙１４２の内に嵌められて、固く固定され、触媒粒の凝集を効果的に防止し、触媒粒の活性化を保持する。第四に、カーボンナノチューブが優れた電気‐熱変換特性を有するので、カーボンナノチューブ構造体に電流を流すことによって、カーボンナノチューブ構造体を加熱できる。これにより、加熱装置を別途設置する必要がなく、反応器の構造が簡単になり、コストが低くなる。

（実施例２）
図１０を参照すると、本実施例の反応器２０は、反応室１３と、複数の成長基板１４と、複数の支持体１６と、を含む。支持体１６によって、成長基板１４は反応室１３の内に固定される。複数の成長基板１４は複数の支持体１６と一対一に対応する。反応室１３は、入口１１及び出口１２を有する。入口１１及び出口１２は反応室１３の長手方向の相対する両端に設置される。反応室１３において、反応室１３の長手方向に沿って、複数の成長基板１４は間隔をあけて設置される。

本実施例の反応器２０の構造は、実施例１における反応器１０の構造と基本的に同じであるが、以下の点が異なる。反応器２０が、間隔をあけて設置される複数の成長基板１４を含む。

反応室１３において、反応室１３の長手方向に沿って、複数の成長基板１４は間隔をあけて設置される。隣接する二つの成長基板１４の距離は同じでもよいし、同じでなくてもよい。本実施例において、隣接する二つの成長基板１４の距離は同じであり、その隣接する二つの成長基板１４の距離は２ｃｍ〜５０ｃｍである。各成長基板１４の表面に触媒層が形成される。

図１１を参照すると、本発明の実施例２は、カーボンナノチューブの成長装置としての反応器２０の応用を提供する。この反応器２０の応用は、反応器２０を提供するステップ（Ｓ２１）と、反応室１３に炭素源ガスとキャリアガスからなる混合気体を導入するステップ（Ｓ２２）と、成長基板１４を加熱し、カーボンナノチューブを成長させるステップ（Ｓ２３）と、を含む。

カーボンナノチューブの成長装置としての反応器２０の応用は、カーボンナノチューブの成長装置としての反応器１０の応用と基本的に同じであるが、以下の点が異なる。反応器２０では、反応室１３の内において、反応室１３の長手方向に沿って、複数の成長基板１４が間隔をあけて設置される。

ステップ（Ｓ２２）において、混合気体を入口１１から反応室１３に導入し、導入された混合気体は、複数の成長基板１４を一つずつ通り抜けて、出口１２から流出する。反応室１３の内において、反応室１３の長手方向に沿って、複数の成長基板１４が間隔をあけて設置されるので、炭素源ガスを十分に利用でき、炭素源ガスを十分に分解して、カーボンナノチューブの成長率を高めることができ、コストが低くなる。

ステップ（Ｓ２３）において、カーボンナノチューブを成長させる工程では、複数の成長基板１４を同時に加熱してもよいし、選択された成長基板１４だけを加熱してもよい。本実施例において、反応器２０は第一電極１４４及び第二電極１４６を含み、該第一電極１４４及び第二電極１４６は間隔をあけて設置される。複数の成長基板１４は第一電極１４４と第二電極１４６との間に、並列に接続される。各成長基板１４は第一電極１４及び第二電極１４６とそれぞれ接続されることによって、各成長基板１４に電流を流す。第一電極１４４と第二電極１４６の間に電圧を印加する際、複数の成長基板１４に電流を流すことができ、成長基板１４を加熱し、成長基板１４の温度をカーボンナノチューブの成長温度に到達させる。更に、各成長基板１４には、第一電極１４４及び第二電極１４６との間に、それぞれ独立してスイッチを設置することができる。これは、異なる成長基板１４を選択して、カーボンナノチューブを成長させるのに便利である。

カーボンナノチューブの成長装置としての反応器２０の応用には、以下の優れた点がある。第一に、反応室の内に、複数の成長基板１４が間隔をあけて設置されることによって、触媒層が形成された複数の成長基板１４の表面に、同時にカーボンナノチューブを成長させることができる。第二に、炭素源ガスが複数の成長基板１４を一つずつ通り抜けるので、炭素源ガスを十分に利用することができる。例えば、第一の成長基板１４の触媒粒と反応しない炭素源ガスは、第二成長基板１４の触媒粒と反応できる。これにより、カーボンナノチューブの成長率を高めることができ、コストが低くなる。第三に、複数の成長基板１４にそれぞれ独立して電流を流すことができる。これにより、選択された成長基板１４にカーボンナノチューブを成長させることができる。例えば、一つの成長基板１４が用いられない場合、この用いられない成長基板１４を利用しないのと同時に、他の成長基板１４を利用でき、カーボンナノチューブを成長させ続けることができる。

（実施例３）
図１２を参照すると、本実施例の反応器３０は、反応室１３と、複数の成長基板１４と、支持体１６と、を含む。支持体１６によって、成長基板１４は反応室１３の内に固定される。反応室１３は、入口１１及び出口１２を有する。入口１１及び出口１２は反応室１３の相対する両端に設置される。反応室１３において、複数の成長基板１４は間隔をあけて設置される。

本実施例の反応器３０の構造は、実施例２における反応器１０の構造と基本的に同じであるが、以下の点が異なる。反応器３０において、反応室１３は少なくとも二つの湾曲構造を含む。反応器３０は入口１１から出口１２までの貫通する管状構造体である。混合気体を入口１１から導入し、出口１２から流出させることができる。湾曲構造はＺ字形、Ｓ字形、凹形、弓形、或いは他の湾曲形状の何れか一種である。湾曲構造を有している反応器３０は、反応室１３の空間を十分に利用でき、一度に多数のカーボンナノチューブを成長させることができる。

１０、２０、３０ 反応器
１１ 入口
１２ 出口
１３ 反応室
１４ 成長基板
１５ 触媒粒
１６ 支持体
１４０ 電源
１４２ 空隙
１４３ カーボンナノチューブセグメント
１４４ 第一電極
１４５ カーボンナノチューブ
１４６ 第二電極

Claims (2)

1. カーボンナノチューブを成長させる反応器であって、
   反応室と、少なくとも一つの成長基板と、を含み、
   前記反応室は入口及び出口を含み、
   前記少なくとも一つの成長基板は反応室の内に設置され、
   前記少なくとも一つの成長基板はカーボンナノチューブ構造体及び触媒粒を含み、
   各成長基板は複数の空隙を有し、
   前記入口から導入される反応気体は、前記成長基板に流れ、前記少なくとも一つの成長基板の空隙を通じて抜けて、出口から流出し、
   前記反応気体の流れる方向は、前記少なくとも一つの成長基板の表面と、角度αを成し、前記角度αは、０°〜９０°（０°を含まず）であることを特徴とする反応器。
2. 前記反応気体の流れる方向は、前記少なくとも一つの成長基板の表面と垂直であることを特徴とする請求項１に記載の反応器。