JPWO2017164249A1 - カーボンナノチューブ複合体及びカーボンナノチューブ線材 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)1層以上の層構造を有する複数のカーボンナノチューブが束ねられてなるカーボンナノチューブ束と、
前記複数のカーボンナノチューブ間の空隙部に整列して導入された異種元素群と、を備えることを特徴とする、カーボンナノチューブ複合体。
(2)前記異種元素群を構成する異種元素結合体が、前記カーボンナノチューブの長手方向に沿って並んで配置されることを特徴とする、上記(1)記載のカーボンナノチューブ複合体。
(3)前記異種元素結合体を構成する複数の異種元素が、それぞれ前記カーボンナノチューブの径方向断面における中心から一定距離で配置されることを特徴とする、上記(2)記載のカーボンナノチューブ複合体。
(4)前記異種元素の含有量が、1原子%以上であることを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ複合体。
(5)前記異種元素が、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ストロンチウム、バリウム、フッ素、塩素、臭素及びヨウ素からなる群から選択された1つ以上の元素であることを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ複合体。
(6)前記複数の異種元素がヨウ素であり、前記異種元素結合体における隣接するヨウ素間距離が、2.6オングストローム〜3.0オングストロームであることを特徴とする、上記(5)記載のカーボンナノチューブ複合体。
(7)前記複数の異種元素がヨウ素であり、ラマン分光法におけるラマンスペクトルにおいて、前記カーボンナノチューブに由来するGバンドのピークに対する、ポリヨウ素に由来するピークの比であるpI/Gが、0.2以上であることを特徴とする、上記(5)又は(6)記載のカーボンナノチューブ複合体。
(8)前記カーボンナノチューブが、2層又は3層の層構造を有することを特徴とする、上記(1)〜(7)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ複合体。
(9)上記(1)〜(8)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ複合体を複数束ねてなるカーボンナノチューブ線材。
図1(a)〜(f)は、本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ線材の構成を概略的に示す図である。なお、図1におけるカーボンナノチューブ線材は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
本実施形態に係るカーボンナノチューブ線材1(以下、CNT線材という)は、図1(a)及び(b)に示すように、1層以上の層構造を有するカーボンナノチューブの束に異種元素がドープされてなるカーボンナノチューブ複合体11,11,・・・(以下、CNT複合体という)の複数を束ねて構成されている。CNT線材1の外径は、0.01〜10mm、より好ましくは0.01〜1mmである。
図2は、図1(c)に示すCNT複合体11の詳細構成を示す模式図である。説明の便宜上、図2における各構成要素は、実際とは異なる寸法、形状等で記載されており、本発明におけるCNT複合体の各構成要素は、図2のものに限られない。
同図に示すように、CNT複合体11は、2層の層構造を有する複数のCNT11a,11a,・・・が束ねられてなるCNT束11Aと、複数のCNT11a,11a,・・・間の空隙部11Bに整列して導入された異種元素群12とを備える。本実施形態では、複数のCNT11a,11a,・・の最外層間に複数の空隙部11Bが形成されており、この複数の空隙部11Bにそれぞれ複数の異種元素12a,12a,・・・が配置される。空隙部11Bは、CNT束11Aの長手方向に沿って形成されており、当該空隙部に配置された複数の異種元素12aもCNT束11Aの長手方向、換言すればCNT11aの長手方向に沿って並んで配置されている。異種元素群12を構成する複数の異種元素12aは、空隙部11Bに充填されているのが好ましい。
CNT束11Aを構成するCNT11aは、六角形格子の網目構造を有する2つの筒状体T1,T2が略同軸で配された3次元網目構造体となっており(図2(a))、DWNT(Double-walled nanotube)と呼ばれる。構成単位である六角形格子は、その頂点に炭素原子11a−1(図3参照)が配された六員環であり、他の六員環と隣接してこれらが連続的に結合している。
(NCNT(2)+NCNT(3))/NTOTAL×100(%)≧50(%) ・・・(1)
図3はドープされた異種元素群12を構成する構成単位の配置例を示す図であり、(a)は上面図、(b)は正面図、図4は、その側面図である。図3及び図4では、異種元素群12がポリヨウ素群であり、該ポリヨウ素群の構成単位が、直鎖状に連なった複数のヨウ素からなるヨウ素結合体である場合を例に挙げて説明する。
図3(a)に示すように、ヨウ素結合体12A−1(異種元素結合体)を構成する複数のヨウ素(異種元素)12a−1,12a−1,・・・は、CNT11aの長手方向Xに沿って並んで配置されている。ヨウ素結合体12A−1が、例えばポリヨウ素(I3)からなる場合、3つのヨウ素が、CNT11aの長手方向Xに沿って並んで配置されている。また、ヨウ素結合体12A−1における隣接するヨウ素12a−1,12a−1間の距離L1は、2.6オングストローム〜3.0オングストローム(Å)である。ポリヨウ素(I3)を上記のように配置することにより、CNT11aの最外層(T2)上に多くのキャリアを生成することができ、CNT11aの導電性が向上すると推察される。
図3及び図4では、異種元素群12を構成する異種元素結合体がポリヨウ素である場合を挙げたが、他の異種元素からなるものであってもよい。すなわち、ヨウ素を含む第17族元素に代表されるp型ドーパントのみならず、リチウムを含む第1族元素やストロンチウムを含む第2族元素に代表されるn型ドーパントを用いることができる。具体的には、上記異種元素が、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、カルシウム(Ca)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)又はヨウ素からなる群から選択された少なくとも1つの元素であるのが好ましい。また、上記群から選択された少なくとも1つの異種元素は、原子或いは分子、又はイオンの状態で存在し得る。これにより、ドーパントの安定性が良好となり、CNT11a上に安定なドーパントが位置することで、良好な温度特性を安定して発揮することができる。
ラマン分光法を用いて炭素系の物質を解析すると、ラマンシフト1590cm−1付近に、Gバンドと呼ばれる、六員環の面内振動に由来するスペクトルのピークが検出される。また、CNTでは、その形状が円筒状であるためにGバンドが2つに***し、G+バンドとG−バンドの2つのスペクトルのピークが現れる。G+バンドはCNT軸方向の縦波(LO)モード、G−バンドは軸方向に垂直な横波(TO)モードにそれぞれ対応しており、G+バンドのピークは、CNTの外径に因らず1590cm−1付近に現れるのに対し、G−バンドのピークは、CNTの外径の2乗に反比例してG+バンドからシフトして現れる。
本実施形態のCNT複合体は、以下の方法で製造される。先ず、浮遊触媒気相成長(CCVD)法により、炭素源に触媒及び反応促進剤を含む混合物を供給して、複数のCNTを生成する。このとき、炭素源には六員環を有する飽和炭化水素、触媒には鉄などの金属触媒、反応促進剤には硫黄化合物をそれぞれ用いることができる。また本実施形態では、キャリアガス流量の増加に伴ってSWNTの割合が減少する点を考慮し、原料組成及び噴霧条件を調整して2層又は3層構造を有するCNTの比率を高める。
(実施例1)
浮遊触媒気相成長(CCVD)法を用い、図6に示すようなCNT製造装置にて、電気炉21によって1300℃に加熱された、内径φ60mm、長さ1600mmのアルミナ管22内部に、炭素源であるデカヒドロナフタレン、触媒であるフェロセン、及び反応促進剤であるチオフェンを含む原料溶液Lqを、スプレー噴霧により供給した。キャリアガスGsは、水素を9.5L/minで供給した。得られたCNTを回収機23にてシート状に回収し、これを巻いて撚りをかけることによりCNT束を製造した。次に、得られたCNT束を、大気下において500℃に加熱し、さらに酸処理を施すことによって高純度化を行った。その後、高純度化したCNT束にヨウ素を250℃〜500℃の雰囲気において1〜24時間焼成してドーピング処理を施し、ヨウ素がドープされたCNT複合体を得た。
ドーパントとしてヨウ素に代えて臭素を用いてドーピング処理を施したこと以外は、実施例1と同様の方法にてCNT複合体を作製し、臭素がドープされたCNT複合体を得た。
ドーパントとしてヨウ素を用い、実施例1よりヨウ素のドープ量を多くした以外は、実施例1と同様の方法にてCNT複合体を作製し、臭素がドープされたCNT複合体を得た。
ドーパントとしてヨウ素を用い、実施例1よりヨウ素のドープ量を多くし、更に焼成温度を400〜600℃にした以外は、実施例1と同様の方法にてCNT複合体を作製し、臭素がドープされたCNT複合体を得た。
ドーパントとして臭素を用い、実施例2より臭素のドープ量を多くした以外は、実施例1と同様の方法にてCNT複合体を作製し、臭素がドープされたCNT複合体を得た。
ドーパントとして臭素を用い、実施例2より臭素のドープ量を多くし、更に焼成温度を400〜600℃にした以外は、実施例1と同様の方法にてCNT複合体を作製し、臭素がドープされたCNT複合体を得た。
比較例1について、1層構造で、ヨウ素がドープされたCNT複合体を得た。得られたCNT複合体における抵抗率、ドープ量及びpI/G比を、実施例と同様方法にて測定した。
ドーピング処理を施さないこと以外は、実施例1と同様の方法にてCNT束を作製した。得られたCNT複合体における抵抗率、ドープ量及びpI/G比を、実施例と同様方法にて測定した。
特表2014−517797号公報の実施例6に基づいて、2層CNT束をヨウ素の蒸気の中に200℃で10時間に亘って置き、ヨウ素をドープしたCNT束を作製した。得られたCNT複合体における抵抗率、ドープ量及びpI/G比を、実施例と同様方法にて測定した。
(a)ドーパントの配置(配向性)の評価
上記条件により生成したCNT複合体の断面を、図7に示すように透過型電子顕微鏡で観察及び解析し、ドープされた元素(図7ではポリヨウ素)の明るさに基づいて、空隙部に充填されているドープされた元素の配向性を目視により判定した。具体的には、図8(a)に示すように、CNT複合体の上記断面において、発光強度が相対的に強い部分では、ポリヨウ素(I3)を構成する3つのヨウ素12a−1,12a−1,12a−1が光軸方向に並んで配向していると判断することができ、また、光軸方向とCNTの軸方向がほぼ平行であることから、当該3つのヨウ素12a−1,12a−1,12a−1がCNTの軸方向に沿って並んで配置された状態(良好「〇」)であると判断した。一方、発光強度が相対的に弱い部分では(図8(b))、ポリヨウ素(I3)を構成する3つのヨウ素が光軸方向と略平行に配向しておらず、1つのヨウ素12a−1が位置している状態、又は2つのヨウ素が位置している状態(不良「×」)であると判断した。
上記条件により生成したCNT複合体において、該CNT複合体にドープされたヨウ素のドープ量(含有量)を燃焼イオンクロマトグラフィー(Combustion-Ion Chromatography,CIC、Thermo Fisher Scientific社製、装置名「ICS−3000」)により測定した。
ラマン分光装置(Thermo Fisher Scientific社製、装置名「ALMEGA XR」により、励起レーザ:532nm、レーザ強度:10%に減光、対物レンズ:50倍、露光時間:1秒×60回の条件にて測定し、ラマンスペクトルを得た。次に日本分光社製のスペクトル解析ソフトSpectra Managerにより、ラマンスペクトルの100〜2000cm-1のデータを切り出し、この範囲で検出されるピーク群をCurve Fittingにより分離解析を行った。尚、ベースラインは100cm-1と2000cm-1での検出強度を結んだ線とする。CNT由来及びポリヨウ素由来のラマンスペクトルを示すグラフを図9に示す。なお、Gバンドのうち、1590cm-1付近に検出される最も大きい強度で検出されるピークがG+バンド、これよりも低波数側で1550〜1590cm-1付近に観測されるピークがG−バンドである。また、Dバンドは、CNTの欠陥(結晶性)に由来するピークである。pI/G比については、上記と同様に切り出したラマンスペクトルから、Gバンドとヨウ素に起因するスペクトルのそれぞれのピークトップ高さ(ピークトップからベースラインの値を差し引いた検出強度)から算出した。
抵抗測定機(ケースレー社製、装置名「DMM2000」)にCNT複合体を接続し、4端子法により抵抗測定を実施した。抵抗率は、r=RA/L(R:抵抗、A:CNT複合体の断面積、L:測定長さ)の計算式に基づいて抵抗率を算出した。
また、ドーピング処理を施さなかった比較例2では、抵抗率が7.8×10−5Ω・cmとなり、実施例1〜6に対して抵抗率が劣った。
また、比較例3のヨウ素ドープしたCNT複合体では、抵抗率が2.5×10−5Ω・cmとなり、実施例1〜6に対して抵抗率が劣った。
また、実施例1のCNT束及び銅線(copper)の抵抗率に対する温度の影響を比較した。抵抗測定機(ケースレー社製、装置名「DMM2000」)にCNT複合体または銅線を接続し、4端子法により抵抗測定を実施した。抵抗率は、r=RA/L(R:抵抗、A:線材の断面積、L:測定長さ)の計算式に基づいて抵抗率を算出し、室温の抵抗率に対する温度毎の抵抗率の比を算出した。結果を図10のグラフに示す。この比較結果より、本発明のCNT複合体は、銅線に比して温度上昇に伴う抵抗率の増加割合が緩やかであり、CNT複合体の方が銅線より高温環境下での高導電性に優れることが分かった。
11 カーボンナノチューブ複合体(CNT複合材)
11A カーボンナノチューブ束(CNT束)
11a カーボンナノチューブ(CNT)
11B 空隙部
12 異種元素群
12A−1 ヨウ素結合体
12a 異種元素
12a−1 ヨウ素
21 電気炉
22 アルミナ管
23 回収機
P 中心
T1 筒状体
T2 筒状体
L1 距離
L2 一定距離
Claims (9)
- 1層以上の層構造を有する複数のカーボンナノチューブが束ねられてなるカーボンナノチューブ束と、
前記複数のカーボンナノチューブ間の空隙部に整列して導入された異種元素群と、を備えることを特徴とする、カーボンナノチューブ複合体。 - 前記異種元素群を構成する異種元素結合体が、前記カーボンナノチューブの長手方向に沿って並んで配置されることを特徴とする、請求項1記載のカーボンナノチューブ複合体。
- 前記異種元素結合体を構成する複数の異種元素が、それぞれ前記カーボンナノチューブの径方向断面における中心から一定距離で配置されることを特徴とする、請求項2記載のカーボンナノチューブ複合体。
- 前記異種元素の含有量が、1原子%以上であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合体。
- 前記異種元素が、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、ルビジウム、セシウム、ストロンチウム、バリウム、フッ素、塩素、臭素及びヨウ素からなる群から選択された1つ以上の元素であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合体。
- 前記複数の異種元素がヨウ素からなり、
前記異種元素結合体における隣接するヨウ素間距離が、2.6オングストローム〜3.0オングストロームであることを特徴とする、請求項5記載のカーボンナノチューブ複合体。 - 前記複数の異種元素がヨウ素からなり、
ラマン分光法におけるラマンスペクトルにおいて、前記カーボンナノチューブに由来するGバンドのピークに対する、ポリヨウ素に由来するピークの比であるpI/Gが、0.2以上であることを特徴とする、請求項5又は6記載のカーボンナノチューブ複合体。 - 前記カーボンナノチューブが、2層又は3層の層構造を有することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合体。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合体を複数束ねてなるカーボンナノチューブ線材。
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