WO2024075501A1 - Ｃｎｔ製造装置 - Google Patents

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WO2024075501A1
WO2024075501A1 PCT/JP2023/033730 JP2023033730W WO2024075501A1 WO 2024075501 A1 WO2024075501 A1 WO 2024075501A1 JP 2023033730 W JP2023033730 W JP 2023033730W WO 2024075501 A1 WO2024075501 A1 WO 2024075501A1
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WO
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carbon
catalyst
section
chamber
manufacturing apparatus
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/033730
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English (en)
French (fr)
Inventor
伸介 森
真平 田中
Original Assignee
国立大学法人東京工業大学
株式会社安川電機
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C01B32/164—Preparation involving continuous processes

Definitions

  • One aspect of this disclosure relates to a CNT manufacturing apparatus.
  • Patent documents 1 and 2 describe a method for producing carbon nanotubes (CNTs) from carbon dioxide.
  • Patent documents 3 and 4 describe a method for producing carbon monoxide from carbon dioxide using a solid oxide electrolysis cell (SOEC).
  • Patent documents 5 and 6 describe a method for controlling an SOEC.
  • Patent document 7 describes a carbon nanotube production device that includes a reaction section for synthesizing carbon nanotubes, a supply section for supplying a carbon source to the reaction section via a supply pipe, and a recovery section for recovering carbon nanotubes discharged from the reaction section.
  • a CNT manufacturing apparatus includes a chamber that contains a first carbon compound containing carbon and other elements and a catalyst for producing carbon nanotubes from the first carbon compound, an exhaust unit that has a filter that allows other elements or ions of the other elements to pass through but not carbon and carbon ions to pass through, and that exhausts the other elements and ions of the other elements from the chamber, and an exhaust control unit that controls the exhaust capacity of the exhaust unit so as to control the concentration of a second carbon compound that contains carbon and other elements in a ratio different from that of the first carbon compound within the chamber.
  • high-quality carbon nanotubes can be produced.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a CNT manufacturing apparatus according to a first example.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a solid oxide electrolysis cell (SOEC).
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a CNT manufacturing apparatus according to a second example.
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a CNT manufacturing apparatus according to a third example.
  • SOEC solid oxide electrolysis cell
  • the CNT manufacturing apparatus is an apparatus for manufacturing carbon nanotubes (CNTs) from a carbon compound.
  • the CNT manufacturing apparatus includes a chamber for accommodating a carbon compound and a catalyst, an exhaust unit for exhausting a specific element or ion of the carbon compound to the outside of the chamber, and an exhaust control unit for controlling the exhaust capacity of the exhaust unit.
  • the chamber includes a production unit for producing CNTs from a first carbon compound, and a preparation unit for producing the first carbon compound from a second carbon compound.
  • a carbon compound refers to a compound containing carbon and other elements.
  • the carbon compound is a first carbon compound and a second carbon compound. It can be said that the first carbon compound is a direct raw material for CNTs, and the second carbon compound is a raw material for the first carbon compound.
  • the first carbon compound is carbon monoxide (CO)
  • the second carbon compound is carbon dioxide (CO 2 ).
  • the first carbon compound may be methane (CH 4 ), ethylene (C 2 H 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), ethanol (C 2 H 5 OH), or methanol (CH 3 OH)
  • the second carbon compound may be methanol (CH 3 OH), ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4 ), or methane (CH 4 ).
  • examples of raw materials for CNTs in a CNT manufacturing apparatus include carbonized oxygen and hydrocarbons.
  • the catalyst in this disclosure is a substance that has the function of producing CNTs from a first carbon compound and the function of converting a second carbon compound into the first carbon compound.
  • the catalyst may be a metal such as nickel, iron, cobalt, chromium, or palladium, or an alloy or compound containing these metals.
  • CNT manufacturing apparatuses are described below.
  • carbon monoxide is shown as the first carbon compound
  • carbon dioxide is shown as the second carbon compound. Therefore, both the first carbon compound and the second carbon compound contain oxygen as another element.
  • carbon dioxide is given as a raw material
  • carbon is obtained according to the following chemical formulas (1) and (2), and CNTs are produced by this carbon. 2CO2 ⁇ 2CO + O2 ... (1) 2CO ⁇ C+ CO2 ... (2)
  • Fig. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the CNT manufacturing apparatus 1.
  • the CNT manufacturing apparatus 1 includes a chamber 10, an exhaust device 30, and a control device 40.
  • Chamber 10 is a reaction vessel that contains carbon monoxide-containing gas and catalyst 90.
  • chamber 10 is arranged to extend along the horizontal direction, and therefore can be said to be a horizontal chamber.
  • Chamber 10 includes a raw material input section 11, a generation section 12, an exhaust section 13, a catalyst input section 21, a catalyst transport section 22, and a catalyst recovery section 23.
  • the raw material input section 11 is a flow path that inputs carbon monoxide into the generation section 12.
  • the generation section 12 is an internal space that generates CNTs from carbon monoxide. That is, at least a part of the internal space of the chamber 10 functions as the generation section 12.
  • the exhaust section 13 is a flow path that guides gas remaining in the internal space to the outside of the chamber 10. The flow of gas from the raw material input section 11 to the exhaust section 13 may be controlled by a pressure difference, and at least one of the raw material input section 11 and the exhaust section 13 may be equipped with a mechanism for controlling the pressure.
  • the catalyst input section 21 is a component that inputs the catalyst 90 into the generation section 12.
  • the catalyst transport section 22 is a component that moves the input catalyst 90 within the generation section 12.
  • the catalyst recovery section 23 is a functional element that recovers the catalyst 90 from the generation section 12.
  • the catalyst transport section 22 is a wire, sheet, or substrate provided from the catalyst input section 21 to the catalyst recovery section 23, and the catalyst 90 is formed on the wire, sheet, or substrate by a sputtering method.
  • the catalyst input section 21 may be an input port that guides the sheet, wire, or substrate into the generation section 12.
  • the catalyst recovery section 23 may be provided with a recovery port that recovers the sheet, wire, or substrate from the generation section 12, and a drive mechanism for moving the sheet, wire, or substrate toward the recovery port.
  • the catalyst input section 21 is provided on the exhaust section 13 side, and the catalyst recovery section 23 is provided on the raw material input section 11 side. From the perspective of the gas flow within the chamber 10, the catalyst input section 21 is provided downstream of the chamber 10, and the catalyst recovery section 23 is provided upstream of the chamber 10.
  • the exhaust device 30 is a device that exhausts oxygen or oxygen ions of carbon monoxide (or carbon dioxide) from the chamber 10.
  • the exhaust device 30 is an example of an exhaust section.
  • the exhaust device 30 has a filter that does not allow the carbon or carbon ions of carbon monoxide (or carbon dioxide) to pass through, but allows the oxygen or oxygen ions of carbon monoxide (or carbon dioxide) to pass through.
  • the filter has a first surface facing the internal space of the chamber 10, i.e., the generation section 12, and a second surface opposite the first surface.
  • the second surface can also be said to be a surface provided on the side away from the internal space (generation section 12) of the chamber 10.
  • the exhaust device 30 is a solid oxide electrolysis cell (SOEC), and includes an electrolyte 31 that functions as a filter, a cathode 32 provided on the first surface of the electrolyte 31, and an anode 33 provided on the second surface of the electrolyte 31.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of an SOEC.
  • the exhaust device 30 SOEC
  • the exhaust device 30 includes an electric circuit 34 that creates a potential difference between the cathode 32 and the anode 33 (i.e., between the first and second sides of the filter), and an ammeter 35 that measures the current flowing between the cathode 32 and the anode 33.
  • the control device 40 is a device that controls the production of CNTs.
  • the control device 40 has an exhaust control unit 41 as a functional component.
  • the exhaust control unit 41 is a functional module that controls the exhaust capacity of the exhaust device 30 so as to control the concentration of carbon dioxide in the chamber 10.
  • at least a portion of the control device 40 is configured using electronic circuits that include a processor, memory, and storage. Each functional module of the control device 40 is realized by the electronic circuit executing a specified program.
  • Carbon monoxide which is the direct raw material for CNTs
  • the exhaust device 30 exhausts the oxygen or oxygen ions of carbon monoxide from the generation section 12. This exhaust corresponds to the above chemical formula (2).
  • Carbon is generated in the generation section 12 by this reaction.
  • the generated carbon reacts with the catalyst 90, which is fed from the catalyst feed section 21 to the generation section 12 and moved within the generation section 12 by the catalyst transport section 22.
  • CNTs grow on the catalyst 90 due to the carbon generated one after another by the exhaust device 30.
  • the catalyst 90 on which CNTs have been generated is transported by the catalyst transport section 22 to the catalyst recovery section 23, which then recovers it from the generation section 12.
  • the gas remaining in the generation section 12 is guided out of the chamber 10 from the exhaust section 13.
  • the emission control unit 41 controls the emission capacity of the emission device 30 so as to control the concentration of carbon dioxide in the generation unit 12. In one example, the emission control unit 41 controls the potential difference in the electric circuit 34 based on the current measured by the ammeter 35 to control the emission capacity. The amount of current in the emission device 30 varies depending on the concentration of carbon dioxide or oxygen. In order to control the emission capacity, the control device 40 uses the amount of current as a sensor corresponding to the concentration to control the potential difference. As described above, there is an advantage in leaving a certain amount of carbon dioxide.
  • the emission control unit 41 may control the emission capacity of the emission device 30 so that the concentration of carbon dioxide in the generation unit 12 is within a predetermined range greater than 0.
  • the emission control unit 41 may control the emission capacity of the emission device 30 so that the concentration is greater than 0% by volume and less than or equal to 1% by volume. Therefore, the catalyst introduction unit 21 introduces the catalyst 90 into the atmosphere in which the carbon dioxide concentration has been reduced to a predetermined threshold or lower by the emission control unit 41.
  • the threshold corresponds to the upper limit of the above-mentioned predetermined range, for example, 1% by volume.
  • the discharge capacity of an exhaust unit can be indicated by the amount of oxygen discharged from the exhaust unit per unit area.
  • High discharge capacity means that the amount of oxygen is relatively large, and low discharge capacity means that the amount of oxygen is relatively small.
  • Fig. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the CNT manufacturing apparatus 2.
  • the CNT manufacturing apparatus 2 includes a chamber 10A, an exhaust device 30, a catalytic heater 51, an exhaust section heater 52, and a control device 40A.
  • Chamber 10A is a reaction vessel that contains at least a gas containing carbon monoxide and a catalyst 90.
  • chamber 10A is arranged to extend along the horizontal direction, and therefore can be said to be a horizontal chamber.
  • Chamber 10A includes a raw material input section 11, a preparation section 14, a generation section 12, an exhaust section 13, a catalyst input section 21, a catalyst transport section 22, a catalyst recovery section 23, a first plasma generator 28, and a second plasma generator 29.
  • the raw material input section 11 is a flow path that inputs carbon dioxide into the preparation section 14.
  • the preparation section 14 is an internal space where carbon monoxide is produced from carbon dioxide.
  • the generation section 12 is an internal space where CNTs are produced from the carbon monoxide.
  • the chamber 10A includes a first atmosphere where carbon monoxide is produced from carbon dioxide by the preparation section 14, and a second atmosphere where CNTs are produced from the carbon monoxide by the generation section 12.
  • the exhaust section 13 is a flow path that guides gas remaining in the internal space to the outside of the chamber 10A.
  • the side corresponding to the first atmosphere is referred to as the first side of chamber 10A
  • the side corresponding to the second atmosphere is also referred to as the second side of chamber 10A.
  • the first side is the upstream side of chamber 10A
  • the second side is the downstream side of chamber 10A.
  • the raw material input section 11 and preparation section 14 are disposed on the first side
  • the generation section 12 and exhaust section 13 are disposed on the second side.
  • the preparation section 14 corresponds to the first atmosphere
  • the generation section 12 corresponds to the second atmosphere.
  • the catalyst input section 21 is disposed on the second side and is a component that inputs the catalyst 90 into the generation section 12.
  • the catalyst transport section 22 is a component that moves the input catalyst 90 from the generation section 12 to the preparation section 14 (i.e., from the second side to the first side).
  • the catalyst recovery section 23 is disposed on the first side and is a functional element that recovers the catalyst 90 from the preparation section 14.
  • the first plasma generator 28 is a device that generates plasma for generating carbon monoxide from carbon dioxide.
  • the first plasma generator 28 is an example of a plasma generating unit provided in the preparation unit 14.
  • the second plasma generator 29 is a device that generates plasma for generating CNTs from carbon monoxide.
  • the second plasma generator 29 can also function to generate carbon monoxide from carbon dioxide.
  • the second plasma generator 29 is an example of a plasma generating unit provided in the generation unit 12.
  • the exhaust device 30 is a device that exhausts oxygen or oxygen ions of carbon dioxide, or oxygen or oxygen ions of carbon monoxide, from the chamber 10A.
  • the exhaust device 30 is provided in each of the preparation section 14 and the generation section 12.
  • the exhaust device 30 is an SOEC, and has the configuration shown in FIG. 2.
  • the exhaust device corresponding to the preparation section 14 will be referred to as exhaust device 30a
  • the exhaust device corresponding to the generation section 12 will be referred to as exhaust device 30b.
  • the catalyst heater 51 is a device for increasing the temperature of at least the catalyst 90.
  • the exhaust section heater 52 is a device for increasing the temperature of at least the exhaust device 30.
  • the control device 40A is a device that controls the production of CNTs.
  • the control device 40A has an exhaust control unit 41 and a temperature control unit 42 as functional components.
  • the exhaust control unit 41 is a functional module that controls the exhaust capacity of the exhaust device 30 so as to control the carbon dioxide concentration in the chamber 10A.
  • the temperature control unit 42 is a functional module that individually controls the catalytic heater 51 and the exhaust section heater 52. Through this individual control, the temperature control unit 42 can set different temperatures for the catalytic heater 51 and the exhaust section heater 52.
  • each functional module of the control device 40A is realized by an electronic circuit executing a specified program.
  • Carbon dioxide the raw material for CNTs
  • the exhaust device 30a exhausts the oxygen or oxygen ions of the carbon dioxide from the preparation section 14. This exhaust corresponds to the above chemical formula (1).
  • Carbon monoxide is produced by this reaction.
  • the produced carbon monoxide is guided from the preparation section 14 to the generation section 12.
  • the exhaust device 30b exhausts the oxygen or oxygen ions of the carbon monoxide from the generation section 12.
  • This exhaust corresponds to the above chemical formula (2).
  • Carbon is produced in the generation section 12 by this reaction.
  • the produced carbon reacts with the catalyst 90 which is fed into the generation section 12 from the catalyst feed section 21 and moved within the generation section 12 by the catalyst transport section 22.
  • CNTs grow on the catalyst 90 due to the carbon produced successively by the exhaust device 30b.
  • the CNTs on the catalyst 90 are transported by the catalyst transport section 22 via the preparation section 14 to the catalyst recovery section 23, and are recovered from the preparation section 14 by the catalyst recovery section 23.
  • the gas remaining in the generation section 12 is guided out of the chamber 10A through the exhaust section 13.
  • the discharge control unit 41 controls the discharge capacity of each discharge device 30 so that the discharge capacity in the first atmosphere (preparation unit 14) is higher than the discharge capacity in the second atmosphere (generation unit 12). That is, the discharge control unit 41 controls the discharge capacity of each discharge device 30 so that the amount of oxygen per unit area discharged from the discharge device 30a is higher than the amount of oxygen per unit area discharged from the discharge device 30b.
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of each discharge device 30 so that the discharge capacity in the first atmosphere (preparation unit 14) and the discharge capacity in the second atmosphere (generation unit 12) are the same.
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of each discharge device 30 so that the discharge capacity in the second atmosphere (generation unit 12) is higher than the discharge capacity in the first atmosphere (preparation unit 14).
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of each discharge device 30 by controlling the potential difference in the electric circuit 34 based on the current measured by the ammeter 35.
  • the discharge control unit 41 controls the discharge capacity of the discharge device 30a so that carbon monoxide with a concentration of 99% by volume is provided to the second atmosphere (the generation unit 12). As in the first example, leaving a certain amount of carbon dioxide in the generation unit 12 actually promotes the generation of CNTs.
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of the discharge device 30b so that the concentration of carbon dioxide in the generation unit 12 is within a predetermined range greater than 0.
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of the discharge device 30b so that the concentration is greater than 0% by volume and equal to or less than 1% by volume. Therefore, the catalyst input unit 21 inputs the catalyst 90 into the second atmosphere in which the concentration of carbon dioxide has been reduced to a predetermined threshold value (for example, 1% by volume) by the discharge control unit 41.
  • amorphous carbon may adhere to the CNTs.
  • the amorphous carbon can be removed by carbon dioxide.
  • Such a removal process is also called CO2 cleaning.
  • the catalyst 90 on which the CNTs have been generated passes through the preparation section 14, which has a high concentration of carbon dioxide, by the catalyst transport section 22. Therefore, the amorphous carbon that adheres to the CNTs on the catalyst 90 can be removed by carbon dioxide while the catalyst 90 is moving through the preparation section 14.
  • the catalyst 90 which holds the CNTs that have been given the desired shape by the CO2 cleaning, is collected from the preparation section 14 by the catalyst collection section 23.
  • the temperature control unit 42 controls each of the catalyst heaters 51 and each of the exhaust section heaters 52. The optimal temperatures are different for the catalyst 90 and the exhaust device 30.
  • the temperature control unit 42 controls the catalyst heater 51 and the exhaust section heater 52 individually, so that the temperature can be optimized for each of the catalyst 90 and the exhaust device 30.
  • the temperature control unit 42 controls the catalyst heater 51 and the exhaust section heater 52 so that the temperature of the exhaust device 30 is higher than the temperature around the catalyst 90 where CNTs are generated.
  • the temperature control unit 42 controls the catalyst heater 51 so that the temperature around the catalyst 90 where CNTs are generated is 700°C, and controls the exhaust section heater 52 so that the temperature of the exhaust device 30 is 800°C.
  • plasma is generated from the first plasma generator 28. This plasma activates the carbon dioxide in the preparation section 14, making it easier to separate oxygen from the carbon dioxide. Therefore, oxygen is easily separated from carbon dioxide in the exhaust device 30 (SOEC), improving the efficiency of carbon monoxide generation in the exhaust device 30.
  • plasma is generated from the second plasma generator 29.
  • This plasma makes it possible to efficiently grow CNTs in a lower temperature atmosphere.
  • this plasma activates the carbon monoxide in the generation section 12, making it easier to separate oxygen from the carbon monoxide. Therefore, oxygen is easily separated from carbon monoxide in the exhaust device 30 (SOEC), improving the carbon generation efficiency in the exhaust device 30.
  • the functions of the catalyst 90 and the exhaust device 30 can be maintained even if the temperatures of the catalyst heater 51 and the exhaust heater 52 in the preparation section 14 (or the generation section 12) are lowered. This makes it possible to prevent the catalyst 90 from sublimating, thereby extending the life of the catalyst 90, and to extend the life of the exhaust device 30.
  • Fig. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the CNT production apparatus 3.
  • the CNT production apparatus 3 includes a chamber 10B, an exhaust device 30, and a control device 40.
  • Chamber 10B is a reaction vessel that contains at least carbon monoxide-containing gas and catalyst 90.
  • chamber 10B is arranged to extend vertically (in the direction of gravity), and therefore can be said to be a vertical chamber.
  • Chamber 10B includes a raw material input section 11, a preparation section 14, a generation section 12, an exhaust section 13, a catalyst input section 21B, and a catalyst recovery section 23B.
  • the raw material input section 11 is a flow path that inputs carbon dioxide into the preparation section 14.
  • the preparation section 14 is an internal space where carbon monoxide is produced from carbon dioxide.
  • the generation section 12 is an internal space where CNTs are produced from the carbon monoxide.
  • the chamber 10B includes a first atmosphere where carbon monoxide is produced from carbon dioxide by the preparation section 14, and a second atmosphere where CNTs are produced from the carbon monoxide by the generation section 12.
  • the exhaust section 13 is a flow path that guides gas remaining in the internal space to the outside of the chamber 10B.
  • the side corresponding to the first atmosphere is referred to as the first side of chamber 10B
  • the side corresponding to the second atmosphere is also referred to as the second side of chamber 10B.
  • the first side is the upstream side of chamber 10B
  • the second side is the downstream side of chamber 10B.
  • the second side is located higher than the first side.
  • the raw material input section 11 and the preparation section 14 are disposed on the first side
  • the generation section 12 and the exhaust section 13 are disposed on the second side.
  • the preparation section 14 corresponds to the first atmosphere
  • the generation section 12 corresponds to the second atmosphere.
  • the catalyst input unit 21B is disposed on the second side and is a component that inputs the catalyst 90 into the generation unit 12. In one example, the catalyst input unit 21B inputs fine particles that hold the catalyst 90 into the generation unit 12.
  • the catalyst recovery unit 23B is disposed on the second side and is a functional element that recovers the catalyst 90. In one example, the catalyst recovery unit 23B is provided midway through the exhaust unit 13.
  • the catalyst recovery unit 23B may be configured to include a filter that allows gas to pass through but does not allow the catalyst 90 to pass through.
  • the exhaust device 30 is a device that exhausts oxygen or oxygen ions of carbon dioxide, or oxygen or oxygen ions of carbon monoxide, from the chamber 10B.
  • the exhaust device 30 is provided in each of the preparation section 14 and the generation section 12.
  • the exhaust device 30 is an SOEC, and has the configuration shown in FIG. 2.
  • the exhaust device corresponding to the preparation section 14 will be referred to as exhaust device 30a
  • the exhaust device corresponding to the generation section 12 will be referred to as exhaust device 30b.
  • the control device 40 is a device that controls the production of CNTs.
  • the control device 40 has an exhaust control unit 41 as a functional component.
  • the exhaust control unit 41 is a functional module that controls the exhaust capacity of the exhaust device 30 so as to control the concentration of carbon dioxide in the chamber 10B.
  • each functional module of the control device 40 is realized by an electronic circuit executing a specified program.
  • Carbon dioxide which is the raw material for CNT
  • the discharge device 30a discharges the oxygen or oxygen ions of the carbon dioxide from the preparation section 14. This discharge corresponds to the above chemical formula (1).
  • Carbon monoxide is generated by this reaction.
  • the generated carbon monoxide is guided from the preparation section 14 to the generation section 12.
  • the discharge device 30b discharges the oxygen or oxygen ions of the carbon monoxide from the generation section 12. This discharge corresponds to the above chemical formula (2).
  • Carbon is generated in the generation section 12 by this reaction.
  • the generated carbon is fed from the catalyst feed section 21B to the generation section 12 and reacts with the catalyst 90 floating in the generation section 12.
  • the movement of the catalyst 90 in the generation section 12 is indicated by a black arrow.
  • the fed catalyst 90 first descends in the generation section 12 by gravity. CNTs begin to be generated on the descending catalyst 90. CNTs grow on the catalyst 90 due to the carbon that is continuously produced by the exhaust device 30b. When CNTs of a certain length are produced on the catalyst 90, the air resistance becomes large, so the catalyst 90 rises in the production section 12 due to the flow of gas. The CNTs on the rising catalyst 90 continue to grow due to the carbon that is continuously produced.
  • the catalyst 90 continues to rise and flows to the catalyst recovery section 23B, where it is recovered from the production section 12 by the catalyst recovery section 23B. The gas remaining in the production section 12 is guided out of the chamber 10B from the exhaust section 13.
  • the discharge control unit 41 controls the discharge capacity of each discharge device 30 so that the discharge capacity in the first atmosphere (preparation unit 14) is higher than the discharge capacity in the second atmosphere (generation unit 12). That is, the discharge control unit 41 controls the discharge capacity of each discharge device 30 so that the amount of oxygen per unit area discharged from the discharge device 30a is higher than the amount of oxygen per unit area discharged from the discharge device 30b.
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of each discharge device 30 so that the discharge capacity in the first atmosphere (preparation unit 14) and the discharge capacity in the second atmosphere (generation unit 12) are the same.
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of each discharge device 30 so that the discharge capacity in the second atmosphere (generation unit 12) is higher than the discharge capacity in the first atmosphere (preparation unit 14).
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of each discharge device 30 by controlling the potential difference in the electric circuit 34 based on the current measured by the ammeter 35.
  • the discharge control unit 41 controls the discharge capacity of the discharge device 30a so that carbon monoxide with a concentration of 99% by volume is provided to the second atmosphere (the generation unit 12). As in the first and second examples, leaving a certain amount of carbon dioxide in the generation unit 12 actually promotes the generation of CNTs.
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of the discharge device 30b so that the concentration of carbon dioxide in the generation unit 12 is within a predetermined range greater than 0.
  • the discharge control unit 41 may control the discharge capacity of the discharge device 30b so that the concentration is greater than 0% by volume and equal to or less than 1% by volume. Therefore, the catalyst input unit 21B inputs the catalyst 90 into the second atmosphere in which the concentration of carbon dioxide has been reduced to a predetermined threshold value (for example, 1% by volume) by the discharge control unit 41.
  • At least one of the chambers 10, 10A, 10B may further include a hydrogen input section, which is a flow path for inputting a compound containing hydrogen and carbon or hydrogen molecules as an auxiliary compound into the internal space (e.g., the generation section).
  • the compound containing hydrogen and carbon may be, for example, methane, ethylene, acetylene, ethane, ethanol, or methanol.
  • the CNT manufacturing apparatus may further include an additional exhaust section for exhausting hydrogen or hydrogen ions of the auxiliary compound from the chamber.
  • the additional exhaust section has a filter that allows hydrogen or hydrogen ions to pass through but does not allow carbon and carbon ions to pass through.
  • the additional exhaust section may be a proton-conducting SOEC or a solid polymer electrolysis cell (PEEC).
  • the emission control unit may further have a function of controlling the additional emission unit.
  • the emission control unit may control the emission capacity of the additional emission unit so that the concentration of the auxiliary compound in the generation unit changes over time in the process of generating CNTs from a first carbon compound such as carbon monoxide.
  • the process of generating CNTs from a first carbon compound includes a first time period and a second time period after the first time period.
  • the first time period corresponds to the initial growth of CNTs
  • the second time period corresponds to the subsequent phase.
  • the emission control unit may further control the emission capacity of the additional emission unit so that the concentration of the auxiliary compound in the second time period is lower than the concentration of the auxiliary compound in the first time period. With such control, the growth of CNTs is promoted by the action of hydrogen in the initial growth of CNTs, and the quality of CNTs is improved in the subsequent phase.
  • the CNT manufacturing equipment may be of the batch type or the flow type.
  • the batch type refers to a method in which the state inside the chamber is changed along the time axis. For example, a batch type CNT manufacturing equipment first executes a preparation phase in the internal space of the chamber to generate a first carbon compound from a second carbon compound, and then executes a generation phase in the same internal space to generate CNTs from the first carbon compound.
  • the preparation phase corresponds to the function of the preparation section
  • the generation phase corresponds to the function of the generation section.
  • the flow type refers to a method in which raw materials are moved inside the chamber.
  • the flow type may be a method in which an inert carrier gas is flowed.
  • the above-mentioned chambers 10A and 10B are examples of the flow type. Chamber 10, which does not include a preparation section but includes a generation section 12, can also be said to be an example of the flow type.
  • a vertical chamber a catalyst transport section constructed using a sheet, wire, or substrate may be used, as in the first and second examples.
  • the catalyst input section is provided on the second side (upper side) of the chamber
  • the catalyst recovery section is provided on the first side (lower side) of the chamber.
  • the exhaust section may also exhaust the oxygen molecules or oxygen ions from the chamber.
  • the catalyst introduction section 21B may be located on the first side.
  • the above-mentioned CNT manufacturing apparatus 1 or 3 may further include at least one of the catalytic heater, the exhaust heater, and the plasma generating unit.
  • the above-mentioned CNT manufacturing apparatus 2 may not include at least one of the catalytic heater 51, the exhaust heater 52, the first plasma generator 28, and the second plasma generator 29.
  • the CNT manufacturing apparatus into which the first carbon compound is fed from the raw material feed section may be an apparatus equipped with a vertical chamber.
  • the CNT manufacturing apparatus 1 may be redesigned to become the CNT manufacturing apparatus 3.
  • the present disclosure includes the following aspects.
  • Appendix 1 a chamber containing a first carbon compound including carbon and other elements and a catalyst for producing carbon nanotubes from the first carbon compound; an exhaust section having a filter that transmits the other element or ions of the other element but does not transmit the carbon and carbon ions, and that exhausts the other element or ions of the other element from the chamber; an exhaust control unit that controls the exhaust capacity of the exhaust unit so as to control a concentration of a second carbon compound in the chamber, the second carbon compound including the carbon and the other element in a ratio different from that of the first carbon compound;
  • a CNT manufacturing apparatus comprising:
  • the discharge control unit controls the discharge capacity so that the concentration of the second carbon compound is within a predetermined range.
  • the CNT manufacturing apparatus according to claim 1. (Appendix 3) the first carbon compound is carbon monoxide; the second carbon compound is carbon dioxide; 3. The CNT manufacturing apparatus according to claim 1 or 2. (Appendix 4) The chamber includes a hydrogen input section for inputting a compound containing hydrogen and carbon or hydrogen molecules as an auxiliary compound. 4. The CNT manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3.
  • the CNT manufacturing apparatus comprises: A raw material input section for inputting the second carbon compound; a preparation unit for producing the first carbon compound from the second carbon compound; Further comprising: 6.
  • the CNT manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 5.
  • the chamber further includes a catalyst supply unit that supplies the catalyst to the atmosphere in which the concentration of the second carbon compound has been reduced to a predetermined threshold value or less by the discharge control unit.
  • the CNT manufacturing apparatus according to claim 6. The chamber comprises: a first atmosphere in which the first carbon compound is generated from the second carbon compound by the preparation unit; a second atmosphere in which the carbon nanotubes are generated from the first carbon compound; including, 8.
  • the CNT manufacturing apparatus according to claim 7. (Appendix 9)
  • the discharge control unit controls the discharge capacity so that the discharge capacity in the first atmosphere is higher than the discharge capacity in the second atmosphere. 9.
  • the chamber includes a first side corresponding to the first atmosphere and a second side corresponding to the second atmosphere; the raw material input section and the preparation section are disposed on the first side, The catalyst input portion is disposed on the second side.
  • the CNT manufacturing apparatus according to claim 8 or 9.
  • the chamber comprises: a catalyst transport section that moves the catalyst introduced from the catalyst introduction section from the second side to the first side; a catalyst recovery unit disposed on the first side and configured to recover the catalyst from which the carbon nanotubes are produced; Further comprising: 11.
  • the chamber further includes a catalyst recovery unit disposed on the second side and configured to recover the catalyst from which the carbon nanotubes are produced.
  • the CNT manufacturing apparatus of claim 10. The preparation unit includes a plasma generation unit that generates plasma for generating the first carbon compound from the second carbon compound. Attachment 6 to 12. The CNT manufacturing apparatus according to any one of claims 6 to 12.
  • the chamber includes a plasma generating unit that generates plasma for generating the carbon nanotubes from the first carbon compound. Attachment 1 to 13, the CNT manufacturing apparatus of any one of claims 1 to 13.
  • the discharge section is a circuit for establishing a potential difference between the first and second surfaces of the filter; an ammeter for measuring a current flowing between the first surface and the second surface; Further comprising: The discharge control unit controls the potential difference based on the current so as to control the discharge capacity.
  • (Appendix 16) a catalyst heater for increasing the temperature of at least the catalyst; an exhaust heater for increasing the temperature of at least the exhaust section; a temperature control unit that controls the catalytic heater and the exhaust heater individually;
  • the CNT manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 15, further comprising:
  • the concentration of the second carbon compound in the chamber is controlled by the exhaust section. This control enhances the ability of the catalyst to produce carbon nanotubes, thereby producing high-quality carbon nanotubes.
  • the discharge capacity of the discharge section is controlled so that a certain amount of the second carbon compound is present in the chamber.
  • This control allows carbon nanotubes to be produced more efficiently.
  • a high concentration of the second carbon compound inhibits the production of carbon nanotubes.
  • leaving a small amount of the second carbon compound actually promotes the production of carbon nanotubes.
  • the concentration of carbon dioxide in the chamber is controlled by the exhaust section. This control improves the ability of the catalyst to produce carbon nanotubes from carbon monoxide, allowing the production of high-quality carbon nanotubes.
  • carbon nanotubes can be produced more efficiently by using auxiliary compounds containing hydrogen.
  • the concentration of the auxiliary compound containing hydrogen is controlled to be relatively high in a first time period and relatively low in a subsequent second time period.
  • the action of hydrogen can promote the growth of carbon nanotubes.
  • the hydrogen concentration can be reduced to improve the quality of the carbon nanotubes.
  • the raw material for carbon nanotubes and the object whose concentration is controlled by the exhaust unit are the same. Therefore, it becomes possible to integrate the production of the first carbon compound from the second carbon compound and the control of the concentration of the second carbon compound to enhance the catalytic performance.
  • the second carbon compound is carbon dioxide
  • the production of carbon nanotubes leads to a reduction in greenhouse gases, so the CNT production device can contribute to a sustainable society.
  • the catalyst is introduced into an atmosphere in which the concentration of the second carbon compound is low, so carbon nanotubes can be produced without reducing the catalytic activity.
  • the atmosphere in the chamber can be separated spatially or temporally, and the process of producing the first carbon compound and the process of producing carbon nanotubes can be carried out continuously.
  • the discharge capacity of the discharge section is controlled in each of the process for producing the first carbon compound and the process for producing carbon nanotubes, so that each process can be carried out efficiently.
  • the catalyst is introduced from the second atmosphere, which avoids the phenomenon of the catalyst being exposed to the first atmosphere, which has a high concentration of the second carbon compound, and being deactivated. Therefore, it is possible to produce carbon nanotubes while making the most of the catalyst's capabilities.
  • the catalyst from which the carbon nanotubes are produced passes through a second atmosphere in which the concentration of the second carbon compound is high, and the carbon nanotubes are collected in the second atmosphere.
  • the amorphous carbon attached to the carbon nanotubes can be removed by the second carbon compound.
  • carbon nanotubes with a desired shape can be produced.
  • the catalyst is introduced from the top of the chamber and floats in the first atmosphere due to gravity and the airflow of the first carbon compound. Carbon nanotubes are produced on the catalyst.
  • the catalyst on which the carbon nanotubes are produced rises in the chamber due to increased air resistance.
  • the catalyst that has risen is efficiently collected at the top of the chamber. This makes it possible to increase the recovery rate of the produced carbon nanotubes.
  • the structure of the CNT production device can be simplified.
  • the generation of the first carbon compound from the second carbon compound can be promoted by using plasma.
  • the use of plasma allows carbon nanotubes to be grown efficiently in a lower temperature environment. In such an environment, it is possible to extend the life of the catalyst or exhaust section. In addition, the use of plasma can promote the production of carbon from the first carbon compound.
  • the discharge capacity of the discharge section is controlled by utilizing the phenomenon that the amount of current in the filter changes depending on the concentration of the second carbon compound or the concentration of molecules composed of other elements (O 2 , H 2 , etc.). By this control, the concentration of the second carbon compound, which is a by-product, can be appropriately controlled.
  • the temperature of the catalyst where the carbon nanotubes are produced and the temperature of the exhaust section are controlled separately. Therefore, the respective functions of the catalyst and the exhaust section can be effectively exerted.

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Abstract

ＣＮＴ製造装置は、炭素および他の元素を含む第１炭素化合物と、該第１炭素化合物からカーボンナノチューブを生成するための触媒とを収容するチャンバと、他の元素または他の元素のイオンを透過させるが炭素および炭素イオンを透過させないフィルタを有し、チャンバから他の元素または他の元素のイオンを排出する排出部と、炭素および他の元素を第１炭素化合物と異なる比率で含む第２炭素化合物の濃度を、チャンバ内で制御するように、排出部の排出能力を制御する排出制御部とを備える。

Description

ＣＮＴ製造装置
　本開示の一側面はＣＮＴ製造装置に関する。
　特許文献１，２には、二酸化炭素からカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を生成する方法が記載されている。特許文献３，４には、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を用いて二酸化炭素から一酸化炭素を製造する方法が記載されている。特許文献５，６には、ＳＯＥＣを制御する方法が記載されている。特許文献７には、カーボンナノチューブを合成する反応部と、反応部に供給管を介して炭素源を供給する供給部と、反応部から排出されたカーボンナノチューブを回収する回収部とを含むカーボンナノチューブ製造装置が記載されている。
特表２０１８－５１３９１１号公報 特表２０１９－５３５９０６号公報 特許第６１９２６６９号公報 特許第５８４１２９５号公報 特開２０１８－１３１６４７号公報 特開２０１９－０３５１０２号公報 米国特許出願公開第２０２１／０１８８６４３号明細書
　高品質なカーボンナノチューブを生成するための仕組みが望まれている。
　本開示の一側面に係るＣＮＴ製造装置は、炭素および他の元素を含む第１炭素化合物と、該第１炭素化合物からカーボンナノチューブを生成するための触媒とを収容するチャンバと、他の元素または他の元素のイオンを透過させるが炭素および炭素イオンを透過させないフィルタを有し、チャンバから他の元素または他の元素のイオンを排出する排出部と、炭素および他の元素を第１炭素化合物と異なる比率で含む第２炭素化合物の濃度を、チャンバ内で制御するように、排出部の排出能力を制御する排出制御部とを備える。
　本開示の一側面によれば、高品質なカーボンナノチューブを生成できる。
第１の例に係るＣＮＴ製造装置の構成を示す図である。 固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成の一例を示す図である。 第２の例に係るＣＮＴ製造装置の構成を示す図である。 第３の例に係るＣＮＴ製造装置の構成を示す図である。
　以下、添付図面を参照しながら本開示での実施形態を詳細に説明する。図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　［装置の概要］
　本開示に係るＣＮＴ製造装置は、炭素化合物からカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を製造するための装置である。ＣＮＴ製造装置は、炭素化合物および触媒を収容するチャンバと、炭素化合物の特定の元素またはイオンをチャンバの外に排出する排出部と、その排出部の排出能力を制御する排出制御部とを備える。一例では、チャンバは、第１炭素化合物からＣＮＴを生成する生成部と、その第１炭素化合物を第２炭素化合物から生成する準備部とを備える。
　炭素化合物とは炭素と他の元素とを含む化合物をいう。上記のとおり、本開示では炭素化合物として第１炭素化合物および第２炭素化合物を示す。第１炭素化合物はＣＮＴの直接の原料であり、第２炭素化合物は第１炭素化合物の原料であるといえる。一例では、第１炭素化合物は一酸化炭素（ＣＯ）であり、第２炭素化合物は二酸化炭素（ＣＯ２）である。あるいは、第１炭素化合物がメタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、またはメタノール（ＣＨ３ＯＨ）であり、第２炭素化合物がメタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、またはメタン（ＣＨ４）であってもよい。このように、ＣＮＴ製造装置におけるＣＮＴの原料の例として、炭化酸素および炭化水素が挙げられる。
　本開示における触媒は、第１炭素化合物からＣＮＴを生成する機能と、第２炭素化合物を第１炭素化合物に変換する機能とを有する物質である。触媒は、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、パラジウムなどの金属でもよいし、これらの金属を含む合金または化合物でもよい。
　以下では、ＣＮＴ製造装置の様々な例について説明する。下記の例では、第１炭素化合物として一酸化炭素を示し、第２炭素化合物として二酸化炭素を示す。したがって、第１炭素化合物および第２炭素化合物はいずれも、他の元素として酸素を含む。二酸化炭素が原料として与えられた場合には、下記の化学式（１），（２）によって炭素が得られ、この炭素によってＣＮＴが生成される。
　２ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２　…（１）
　２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ２　…（２）
　［第１の例］
　図１を参照しながら、第１の例に係るＣＮＴ製造装置１の構成について説明する。図１はＣＮＴ製造装置１の構成を模式的に示す図である。ＣＮＴ製造装置１はチャンバ１０、排出装置３０、および制御装置４０を備える。
　チャンバ１０は一酸化炭素を含むガスと触媒９０とを収容する反応容器である。一例では、チャンバ１０は横方向に沿って延びるように設けられ、したがって横型のチャンバであるともいえる。チャンバ１０は原料投入部１１、生成部１２、排気部１３、触媒投入部２１、触媒搬送部２２、および触媒回収部２３を備える。
　原料投入部１１は一酸化炭素を生成部１２へと投入する流路である。生成部１２は一酸化炭素からＣＮＴを生成する内部空間である。すなわち、チャンバ１０の内部空間の少なくとも一部が生成部１２として機能する。排気部１３は、内部空間に残ったガスをチャンバ１０の外部へと案内する流路である。原料投入部１１から排気部１３へのガスの流れは圧力差によって制御されてもよく、原料投入部１１および排気部１３の少なくとも一方が、その圧力を制御するための機構を備えてもよい。
　触媒投入部２１は生成部１２に触媒９０を投入する構成要素である。触媒搬送部２２は、投入された触媒９０を生成部１２内で移動させる構成要素である。触媒回収部２３は生成部１２から触媒９０を回収する機能要素である。一例では、触媒搬送部２２は、触媒投入部２１から触媒回収部２３にわたって設けられるワイヤ、シート、または基板であり、触媒９０はそのワイヤ、シート、または基板上にスパッタ法によって形成される。触媒投入部２１は、そのシート、ワイヤ、または基板を生成部１２内に案内する投入口であってもよい。触媒回収部２３は、そのシート、ワイヤ、または基板を生成部１２から回収する回収口と、該シート、ワイヤ、または基板を回収口に向けて移動させるための駆動機構とを備えてもよい。一例では、触媒投入部２１は排気部１３の側に設けられ、触媒回収部２３は原料投入部１１の側に設けられる。チャンバ１０内のガスの流れの観点から言うと、触媒投入部２１はチャンバ１０の下流側に設けられ、触媒回収部２３はチャンバ１０の上流側に設けられる。
　排出装置３０は、一酸化炭素（または二酸化炭素）の酸素または酸素イオンをチャンバ１０から排出する装置である。排出装置３０は排出部の一例である。排出装置３０は、一酸化炭素（または二酸化炭素）の炭素または炭素イオンを透過させないが、一酸化炭素（または二酸化炭素）の酸素または酸素イオンを透過させるフィルタを有する。フィルタは、チャンバ１０の内部空間、すなわち生成部１２に面する第１面と、該第１面と反対側の第２面とを有する。第２面は、チャンバ１０の内部空間（生成部１２）から離れた側に設けられた面であるともいえる。一例では、排出装置３０は固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）であり、フィルタの機能を有する電解質３１と、電解質３１の第１面に設けられるカソード３２と、電解質３１の第２面に設けられるアノード３３とを備える。図２はＳＯＥＣの構成の一例を示す図である。この図に示すように、排出装置３０（ＳＯＥＣ）は、カソード３２およびアノード３３の間（すなわち、フィルタの第１面および第２面の間）に電位差を形成する電気回路３４と、カソード３２およびアノード３３の間に流れる電流を測定する電流計３５とを備える。
　図１に戻って、制御装置４０はＣＮＴの製造に関する制御を行う装置である。一例では、制御装置４０は機能的構成要素として排出制御部４１を備える。排出制御部４１は、二酸化炭素の濃度をチャンバ１０内で制御するように排出装置３０の排出能力を制御する機能モジュールである。一例では、制御装置４０の少なくとも一部は、プロセッサ、メモリ、およびストレージを備える電子回路を用いて構成される。制御装置４０の各機能モジュールは、所定のプログラムをその電子回路が実行することで実現される。
　ＣＮＴ製造装置１によるＣＮＴの製造プロセスについて説明する。ＣＮＴの直接の原料である一酸化炭素は原料投入部１１から生成部１２に投入される。排出装置３０は一酸化炭素の酸素または酸素イオンを生成部１２から排出する。この排出は上記の化学式（２）に対応する。この反応によって生成部１２内に炭素が生成される。生成された炭素は、触媒投入部２１から生成部１２に投入されて触媒搬送部２２によって生成部１２内を移動する触媒９０と反応する。排出装置３０によって次々に生成される炭素によって触媒９０上でＣＮＴが成長していく。ＣＮＴが生成された触媒９０は、触媒搬送部２２によって触媒回収部２３へと運ばれ、触媒回収部２３によって生成部１２から回収される。生成部１２内に残ったガスは排気部１３からチャンバ１０の外に案内される。
　一酸化炭素から炭素を得る過程で二酸化炭素が副生成物として発生する。二酸化炭素は触媒９０を失活させる原因になる。その一方で、一定量の二酸化炭素を残す方が、却ってＣＮＴの生成が促される。排出制御部４１はその二酸化炭素の濃度を生成部１２内で制御するように、排出装置３０の排出能力を制御する。一例では、排出制御部４１は、電流計３５によって測定された電流に基づいて電気回路３４での電位差を制御して、その排出能力を制御する。排出装置３０での電流量は二酸化炭素または酸素の濃度によって変化する。制御装置４０は排出能力を制御するために、その濃度に対応するセンサとして電流量を利用して、電位差を制御する。上記のとおり、一定量の二酸化炭素を残す利点がある。したがって排出制御部４１は、生成部１２内の二酸化炭素の濃度が、０より大きい所定の範囲内になるように、排出装置３０の排出能力を制御してもよい。例えば、排出制御部４１は、その濃度が０体積％より大きく１体積％以下になるように、排出装置３０の排出能力を制御してもよい。したがって、触媒投入部２１は、排出制御部４１により二酸化炭素の濃度が所定の閾値以下になった雰囲気に触媒９０を投入する。その閾値は、上述した所定の範囲の上限値に相当し、例えば１体積％である。
　本開示において、排出部（例えば制御装置）の排出能力は、排出部から排出される単位面積当たりの酸素量によって示され得る。排出能力が高いということは、その酸素量が相対的に多いことを意味し、排出能力が低いということは、その酸素量が相対的に少ないことを意味する。
　［第２の例］
　図３を参照しながら、第２の例に係るＣＮＴ製造装置２の構成について説明する。図３はＣＮＴ製造装置２の構成を模式的に示す図である。ＣＮＴ製造装置２はチャンバ１０Ａ、排出装置３０、触媒ヒータ５１、排出部ヒータ５２、および制御装置４０Ａを備える。
　チャンバ１０Ａは一酸化炭素を含むガスと触媒９０とを少なくとも収容する反応容器である。一例では、チャンバ１０Ａは横方向に沿って延びるように設けられ、したがって横型のチャンバであるともいえる。チャンバ１０Ａは原料投入部１１、準備部１４、生成部１２、排気部１３、触媒投入部２１、触媒搬送部２２、触媒回収部２３、第１プラズマ発生器２８、および第２プラズマ発生器２９を備える。
　原料投入部１１は二酸化炭素を準備部１４へと投入する流路である。準備部１４は二酸化炭素から一酸化炭素を生成する内部空間である。生成部１２はその一酸化炭素からＣＮＴを生成する内部空間である。すなわち、チャンバ１０Ａは、準備部１４により二酸化炭素から一酸化炭素が生成される第１雰囲気と、生成部１２によりその一酸化炭素からＣＮＴが生成される第２雰囲気とを含む。排気部１３は、内部空間に残ったガスをチャンバ１０Ａの外部へと案内する流路である。
　第２の例において、第１雰囲気に対応する側をチャンバ１０Ａの第１側といい、第２雰囲気に対応する側をチャンバ１０Ａの第２側ともいう。チャンバ１０Ａ内のガスの流れの観点から言うと、第１側はチャンバ１０Ａの上流側であり、第２側はチャンバ１０Ａの下流側であるといえる。原料投入部１１および準備部１４は第１側に配置され、生成部１２および排気部１３は第２側に配置される。したがって、準備部１４は第１雰囲気に対応し、生成部１２は第２雰囲気に対応する。
　触媒投入部２１は、第２側に配置され、生成部１２に触媒９０を投入する構成要素である。触媒搬送部２２は、投入された触媒９０を生成部１２から準備部１４へと（すなわち、第２側から第１側へと）移動させる構成要素である。触媒回収部２３は、第１側に配置され、準備部１４から触媒９０を回収する機能要素である。
　第１プラズマ発生器２８は、二酸化炭素から一酸化炭素を生成するためのプラズマを発生する装置である。第１プラズマ発生器２８は、準備部１４内に設けられるプラズマ発生部の一例である。第２プラズマ発生器２９は、一酸化炭素からＣＮＴを生成するためのプラズマを発生する装置である。第２プラズマ発生器２９は、二酸化炭素から一酸化炭素を生成するためにも機能し得る。第２プラズマ発生器２９は，生成部１２内に設けられるプラズマ発生部の一例である。
　排出装置３０は、二酸化炭素の酸素または酸素イオンを、あるいは一酸化炭素の酸素または酸素イオンを、チャンバ１０Ａから排出する装置である。排出装置３０は準備部１４および生成部１２のそれぞれに設けられる。第１の例と同様に、排出装置３０はＳＯＥＣであり、図２に示す構成を備える。以下では、必要に応じて、準備部１４に対応する排出装置を排出装置３０ａといい、生成部１２に対応する排出装置を排出装置３０ｂという。
　触媒ヒータ５１は少なくとも触媒９０の温度を上昇させるための装置である。排出部ヒータ５２は少なくとも排出装置３０の温度を上昇させるための装置である。
　制御装置４０ＡはＣＮＴの製造に関する制御を行う装置である。一例では、制御装置４０Ａは機能的構成要素として排出制御部４１および温度制御部４２を備える。排出制御部４１は、二酸化炭素の濃度をチャンバ１０Ａ内で制御するように排出装置３０の排出能力を制御する機能モジュールである。温度制御部４２は触媒ヒータ５１および排出部ヒータ５２を個別に制御する機能モジュールである。その個別制御によって、温度制御部４２は触媒ヒータ５１および排出部ヒータ５２の間で設定温度を異ならせることができる。第１の例と同様に、制御装置４０Ａの各機能モジュールは、所定のプログラムを電子回路が実行することで実現される。
　ＣＮＴ製造装置２によるＣＮＴの製造プロセスについて説明する。ＣＮＴの原料である二酸化炭素は原料投入部１１から準備部１４に投入される。排出装置３０ａは、二酸化炭素の酸素または酸素イオンを準備部１４から排出する。この排出は上記の化学式（１）に対応する。この反応によって一酸化炭素が生成される。生成された一酸化炭素は準備部１４から生成部１２に案内される。排出装置３０ｂは、その一酸化炭素の酸素または酸素イオンを生成部１２から排出する。この排出は上記の化学式（２）に対応する。この反応によって生成部１２内に炭素が生成される。生成された炭素は、触媒投入部２１から生成部１２に投入されて触媒搬送部２２によって生成部１２内を移動する触媒９０と反応する。排出装置３０ｂによって次々に生成される炭素によって触媒９０上でＣＮＴが成長していく。触媒９０上のＣＮＴは触媒搬送部２２によって準備部１４を経由して触媒回収部２３へと運ばれ、触媒回収部２３によって準備部１４から回収される。生成部１２内に残ったガスは排気部１３からチャンバ１０Ａの外に案内される。
　一例では、排出制御部４１は、第１雰囲気（準備部１４）における排出能力が、第２雰囲気（生成部１２）における排出能力よりも高くなるように、それぞれの排出装置３０の排出能力を制御する。すなわち、排出制御部４１は、排出装置３０ａから排出される単位面積当たりの酸素量が、排出装置３０ｂから排出される単位面積当たりの酸素量よりも多くなるように、それぞれの排出装置３０の排出能力を制御する。あるいは、排出制御部４１は、第１雰囲気（準備部１４）における排出能力と、第２雰囲気（生成部１２）における排出能力とが同じになるように、それぞれの排出装置３０の排出能力を制御してもよい。あるいは、排出制御部４１は、第２雰囲気（生成部１２）における排出能力が、第１雰囲気（準備部１４）における排出能力よりも高くなるように、それぞれの排出装置３０の排出能力を制御してもよい。第１の例と同様に、排出制御部４１はそれぞれの排出装置３０について、電流計３５によって測定された電流に基づいて電気回路３４での電位差を制御して、排出能力を制御してもよい。一例では、排出制御部４１は、９９体積％の濃度の一酸化炭素が第２雰囲気（生成部１２）に提供されるように、排出装置３０ａの排出能力を制御する。第１の例と同様に、生成部１２内に一定量の二酸化炭素を残すことで、却ってＣＮＴの生成が促進される。したがって、排出制御部４１は、生成部１２内の二酸化炭素の濃度が、０より大きい所定の範囲内になるように、排出装置３０ｂの排出能力を制御してもよい。例えば、排出制御部４１は、その濃度が０体積％より大きく１体積％以下になるように、排出装置３０ｂの排出能力を制御してもよい。したがって、触媒投入部２１は、排出制御部４１により二酸化炭素の濃度が所定の閾値（例えば、１体積％）以下になった第２雰囲気に触媒９０を投入する。
　生成部１２においてＣＮＴを生成する過程で、アモルファス状の炭素がＣＮＴに付着する可能性がある。しかし、そのアモルファス炭素は二酸化炭素によって除去することができる。このような除去処理はＣＯ２クリーニングとも言われる。ＣＮＴが生成された触媒９０は、触媒搬送部２２によって、二酸化炭素の濃度が高い準備部１４を通過する。したがって、触媒９０上のＣＮＴに付着したアモルファス炭素は、触媒９０が準備部１４内を移動中に二酸化炭素によって除去され得る。ＣＯ２クリーニングによって所望の形状になったＣＮＴを保持する触媒９０は、触媒回収部２３によって準備部１４から回収される。
　温度制御部４２はそれぞれの触媒ヒータ５１およびそれぞれの排出部ヒータ５２を制御する。触媒９０と排出装置３０とでは最適な温度が異なる。温度制御部４２は触媒ヒータ５１と排出部ヒータ５２とを個別に制御するので、触媒９０と排出装置３０とのそれぞれに対して温度を最適にすることができる。一例では、温度制御部４２は、ＣＮＴが生成される触媒９０の周辺の温度よりも排出装置３０の温度が高くなるように、触媒ヒータ５１および排出部ヒータ５２を制御する。例えば、温度制御部４２は、ＣＮＴが生成される触媒９０の周辺の温度が７００℃になるように触媒ヒータ５１を制御し、排出装置３０の温度が８００℃になるように排出部ヒータ５２を制御する。
　準備部１４では第１プラズマ発生器２８からプラズマが発生する。このプラズマによって準備部１４内の二酸化炭素が活性化し、二酸化炭素から酸素が分離しやすくなる。したがって、排出装置３０（ＳＯＥＣ）において二酸化炭素から酸素が容易に分離され、排出装置３０における一酸化炭素の生成効率が向上する。
　生成部１２では第２プラズマ発生器２９からプラズマが発生する。このプラズマによって、より低温の雰囲気下でＣＮＴを効率的に成長させることが可能になる。加えて、このプラズマによって生成部１２内の一酸化炭素が活性化し、一酸化炭素から酸素が分離しやすくなる。したがって、排出装置３０（ＳＯＥＣ）において一酸化炭素から酸素が容易に分離され、排出装置３０における炭素の生成効率が向上する。
　また、第１プラズマ発生器２８（または第２プラズマ発生器２９）からのプラズマを用いることで、準備部１４（または生成部１２）における触媒ヒータ５１および排出部ヒータ５２の温度を下げても触媒９０および排出装置３０の機能を維持できる。そのため、触媒９０の昇華を防いで触媒９０の寿命を延ばしたり、排出装置３０の寿命を延ばしたりすることが可能になる。
　［第３の例］
　図４を参照しながら、第３の例に係るＣＮＴ製造装置３の構成について説明する。図４はＣＮＴ製造装置３の構成を模式的に示す図である。ＣＮＴ製造装置３はチャンバ１０Ｂ、排出装置３０、および制御装置４０を備える。
　チャンバ１０Ｂは一酸化炭素を含むガスと触媒９０とを少なくとも収容する反応容器である。一例では、チャンバ１０Ｂは縦方向（重力方向）に沿って延びるように設けられ、したがって縦型のチャンバであるともいえる。チャンバ１０Ｂは原料投入部１１、準備部１４、生成部１２、排気部１３、触媒投入部２１Ｂ、および触媒回収部２３Ｂを備える。
　原料投入部１１は二酸化炭素を準備部１４へと投入する流路である。準備部１４は二酸化炭素から一酸化炭素を生成する内部空間である。生成部１２はその一酸化炭素からＣＮＴを生成する内部空間である。すなわち、チャンバ１０Ｂは、準備部１４により二酸化炭素から一酸化炭素が生成される第１雰囲気と、生成部１２によりその一酸化炭素からＣＮＴが生成される第２雰囲気を含む。排気部１３は、内部空間に残ったガスをチャンバ１０Ｂの外部へと案内する流路である。
　第３の例において、第１雰囲気に対応する側をチャンバ１０Ｂの第１側といい、第２雰囲気に対応する側をチャンバ１０Ｂの第２側ともいう。チャンバ１０Ｂ内のガスの流れの観点から言うと、第１側はチャンバ１０Ｂの上流側であり、第２側はチャンバ１０Ｂの下流側であるといえる。重力方向Ｄｇにおいて第２側は第１側よりも上方に位置する。原料投入部１１および準備部１４は第１側に配置され、生成部１２および排気部１３は第２側に配置される。したがって、準備部１４は第１雰囲気に対応し、生成部１２は第２雰囲気に対応する。
　触媒投入部２１Ｂは、第２側に配置され、生成部１２に触媒９０を投入する構成要素である。一例では、触媒投入部２１Ｂは、触媒９０を保持する微細な粒子を生成部１２に投入する。触媒回収部２３Ｂは、第２側に配置され、触媒９０を回収する機能要素である。一例では、触媒回収部２３Ｂは排気部１３の途中に設けられる。触媒回収部２３Ｂは、ガスを通過させるが触媒９０を通過させないフィルタを含んで構成されてもよい。
　排出装置３０は、二酸化炭素の酸素または酸素イオンを、あるいは一酸化炭素の酸素または酸素イオンを、チャンバ１０Ｂから排出する装置である。排出装置３０は準備部１４および生成部１２のそれぞれに設けられる。第１および第２の例と同様に、排出装置３０はＳＯＥＣであり、図２に示す構成を備える。以下では、必要に応じて、準備部１４に対応する排出装置を排出装置３０ａといい、生成部１２に対応する排出装置を排出装置３０ｂという。
　制御装置４０はＣＮＴの製造に関する制御を行う装置である。一例では、制御装置４０は機能的構成要素として排出制御部４１を備える。排出制御部４１は、二酸化炭素の濃度をチャンバ１０Ｂ内で制御するように排出装置３０の排出能力を制御する機能モジュールである。第１および第２の例と同様に、制御装置４０の各機能モジュールは、所定のプログラムを電子回路が実行することで実現される。
　ＣＮＴ製造装置３によるＣＮＴの製造プロセスについて説明する。ＣＮＴの原料である二酸化炭素は原料投入部１１から準備部１４に投入される。排出装置３０ａは、二酸化炭素の酸素または酸素イオンを準備部１４から排出する。この排出は上記の化学式（１）に対応する。この反応によって一酸化炭素が生成される。生成された一酸化炭素は準備部１４から生成部１２に案内される。排出装置３０ｂは、その一酸化炭素の酸素または酸素イオンを生成部１２から排出する。この排出は上記の化学式（２）に対応する。この反応によって生成部１２内に炭素が生成される。生成された炭素は、触媒投入部２１Ｂから生成部１２に投入されて生成部１２内を浮遊する触媒９０と反応する。図４では、生成部１２内での触媒９０の動きを黒矢印で示す。投入された触媒９０はまず、重力によって生成部１２内を下降する。下降する触媒９０上でＣＮＴが生成され始める。排出装置３０ｂによって次々に生成される炭素によって触媒９０上でＣＮＴが成長していく。或る程度の長さのＣＮＴが生成された触媒９０では空気抵抗が大きくなるので、その触媒９０はガスの流れによって生成部１２内を上昇する。上昇する触媒９０上のＣＮＴは、次々に生成される炭素によって成長し続ける。その触媒９０は更に上昇して触媒回収部２３Ｂへと流れ、触媒回収部２３Ｂによって生成部１２から回収される。生成部１２内に残ったガスは排気部１３からチャンバ１０Ｂの外に案内される。
　一例では、排出制御部４１は、第１雰囲気（準備部１４）における排出能力が、第２雰囲気（生成部１２）における排出能力よりも高くなるように、それぞれの排出装置３０の排出能力を制御する。すなわち、排出制御部４１は、排出装置３０ａから排出される単位面積当たりの酸素量が、排出装置３０ｂから排出される単位面積当たりの酸素量よりも多くなるように、それぞれの排出装置３０の排出能力を制御する。あるいは、排出制御部４１は、第１雰囲気（準備部１４）における排出能力と、第２雰囲気（生成部１２）における排出能力とが同じになるように、それぞれの排出装置３０の排出能力を制御してもよい。あるいは、排出制御部４１は、第２雰囲気（生成部１２）における排出能力が、第１雰囲気（準備部１４）における排出能力よりも高くなるように、それぞれの排出装置３０の排出能力を制御してもよい。第１および第２の例と同様に、排出制御部４１はそれぞれの排出装置３０について、電流計３５によって測定された電流に基づいて電気回路３４での電位差を制御して、排出能力を制御してもよい。一例では、排出制御部４１は、９９体積％の濃度の一酸化炭素が第２雰囲気（生成部１２）に提供されるように、排出装置３０ａの排出能力を制御する。第１および第２の例と同様に、生成部１２内に一定量の二酸化炭素を残すことで、却ってＣＮＴの生成が促進される。したがって、排出制御部４１は、生成部１２内の二酸化炭素の濃度が、０より大きい所定の範囲内になるように、排出装置３０ｂの排出能力を制御してもよい。例えば、排出制御部４１は、その濃度が０体積％より大きく１体積％以下になるように、排出装置３０ｂの排出能力を制御してもよい。したがって、触媒投入部２１Ｂは、排出制御部４１により二酸化炭素の濃度が所定の閾値（例えば、１体積％）以下になった第２雰囲気に触媒９０を投入する。
　［変形例］
　以上、本開示の実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本開示は上記の例に限定されるものではない。本開示は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
　チャンバ１０，１０Ａ，１０Ｂの少なくとも一つは、水素と炭素とを含む化合物または水素分子を補助化合物として内部空間（例えば生成部）に投入する流路である水素投入部を更に備えてもよい。水素と炭素とを含む化合物は、例えば、メタン、エチレン、アセチレン、エタン、エタノール、またはメタノールでもよい。チャンバが水素投入部を備える場合には、ＣＮＴ製造装置は補助化合物の水素または水素イオンをそのチャンバから排出する追加排出部を更に備えてもよい。追加排出部は、水素または水素イオンを透過させるが炭素および炭素イオンを透過させないフィルタを有する。例えば、追加排出部は、プロトン伝導型ＳＯＥＣ、または固体高分子水電解セル（ＰＥＥＣ）であってもよい。
　排出制御部は、その追加排出部を制御する機能を更に有してもよい。排出制御部は、一酸化炭素などの第１炭素化合物からＣＮＴを生成する過程において、生成部内の補助化合物の濃度が時間の経過に応じて変化するように、追加排出部の排出能力を制御してもよい。例えば、第１炭素化合物からＣＮＴを生成する過程は、第１時間帯と、該第１時間帯より後の第２時間帯を含むとする。第１時間帯はＣＮＴの成長初期に対応し、第２時間帯はその後のフェーズに対応する。排出制御部は、第２時間帯における補助化合物の濃度が、第１時間帯における補助化合物の濃度よりも低くなるように、追加排出部の排出量力を更に制御してもよい。このような制御により、ＣＮＴの成長初期では水素の作用でＣＮＴの成長が促され、その後のフェーズではＣＮＴの品質が向上する。
　ＣＮＴ製造装置はバッチ式でもよいしフロー式でもよい。バッチ式はチャンバ内の状態を時間軸に沿って変化させる方式をいう。例えば、バッチ式のＣＮＴ製造装置は、まず、第２炭素化合物から第１炭素化合物を生成する準備フェーズをチャンバの内部空間で実行し、次いで、第１炭素化合物からＣＮＴを生成する生成フェーズをその内部空間で実行する。準備フェーズは準備部の機能に対応し、生成フェーズは生成部の機能に対応する。フロー式はチャンバ内で原料を移動させる方式をいう。フロー式は、不活性キャリアガスを流す手法であってもよい。上記のチャンバ１０Ａ，１０Ｂはフロー式の例である。準備部を備えず生成部１２を備えるチャンバ１０もフロー式の一例であるといえる。
　第３の例である縦型のチャンバにおいて、第１および第２の例と同様に、シート、ワイヤ、または基板を用いて構成される触媒搬送部が採用されてもよい。この場合には、触媒投入部はチャンバの第２側（上側）に設けられ、触媒回収部はチャンバの第１側（下側）に設けられる。
　チャンバがプラズマ発生部を備える場合には、気相で酸素分子が生成されるので、排出部は酸素分子の酸素または酸素イオンもチャンバから排出し得る。
　第３の例である縦型のチャンバにおいて、触媒投入部２１Ｂは第１側に配置されてもよい。
　上述したＣＮＴ製造装置１または３は、触媒ヒータ、排出部ヒータ、およびプラズマ発生部のうちの少なくとも一つを更に備えてもよい。上述したＣＮＴ製造装置２は、触媒ヒータ５１、排出部ヒータ５２、第１プラズマ発生器２８、および第２プラズマ発生器２９のうちの少なくとも一つを備えなくてもよい。
　第１炭素化合物が原料投入部から投入されるＣＮＴ製造装置は、縦型のチャンバを備える装置であってもよい。すなわち、ＣＮＴ製造装置１がＣＮＴ製造装置３のように設計変更されてもよい。
　［付記］
　上記の様々な例から把握されるとおり、本開示は以下に示す態様を含む。
（付記１）
　炭素および他の元素を含む第１炭素化合物と、該第１炭素化合物からカーボンナノチューブを生成するための触媒とを収容するチャンバと、
　前記他の元素または前記他の元素のイオンを透過させるが前記炭素および炭素イオンを透過させないフィルタを有し、前記チャンバから前記他の元素または前記他の元素のイオンを排出する排出部と、
　前記炭素および前記他の元素を前記第１炭素化合物と異なる比率で含む第２炭素化合物の濃度を、前記チャンバ内で制御するように、前記排出部の排出能力を制御する排出制御部と、
を備えるＣＮＴ製造装置。
（付記２）
　前記排出制御部は、前記第２炭素化合物の前記濃度が所定の範囲内になるように、前記排出能力を制御する、
付記１に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記３）
　前記第１炭素化合物は一酸化炭素であり、
　前記第２炭素化合物は二酸化炭素である、
付記１または２に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記４）
　前記チャンバは、水素と炭素とを含む化合物または水素分子を補助化合物として投入する水素投入部を備える、
付記１～３のいずれか一つに記載のＣＮＴ製造装置。
（付記５）
　前記水素または水素イオンを透過させるが前記炭素および前記炭素イオンを透過させないフィルタを有し、前記チャンバから前記水素または前記水素イオンを排出する追加排出部を更に備え、
　前記第１炭素化合物から前記カーボンナノチューブを生成する過程が、第１時間帯と、該第１時間帯より後の第２時間帯とを含み、
　前記排出制御部は、前記第２時間帯における前記補助化合物の濃度が、前記第１時間帯における前記補助化合物の濃度よりも低くなるように、前記追加排出部の排出量力を更に制御する、
付記４に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記６）
　前記チャンバは、
　　前記第２炭素化合物を投入する原料投入部と、
　　前記第２炭素化合物から前記第１炭素化合物を生成する準備部と、
を更に備える、
付記１～５のいずれか一つに記載のＣＮＴ製造装置。
（付記７）
　前記チャンバは、前記排出制御部により前記第２炭素化合物の濃度が所定の閾値以下になった雰囲気に、前記触媒を投入する触媒投入部を更に備える、
付記６に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記８）
　前記チャンバは、
　　前記準備部により前記第２炭素化合物から前記第１炭素化合物が生成される第１雰囲気と、
　　前記第１炭素化合物から前記カーボンナノチューブが生成される第２雰囲気と、
を含む、
付記７に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記９）
　前記排出制御部は、前記第１雰囲気における前記排出能力が、前記第２雰囲気における前記排出能力よりも高くなるように、前記排出能力を制御する、
付記８に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記１０）
　前記チャンバは、前記第１雰囲気に対応する第１側と、前記第２雰囲気に対応する第２側とを含み、
　前記原料投入部および前記準備部は前記第１側に配置され、
　前記触媒投入部は前記第２側に配置される、
付記８または９に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記１１）
　前記チャンバは、
　　前記触媒投入部から投入された前記触媒を、前記第２側から前記第１側へと移動させる触媒搬送部と、
　　前記第１側に配置され、前記カーボンナノチューブが生成された前記触媒を回収する触媒回収部と、
を更に備える、
付記１０に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記１２）
　前記第２側は、重力方向において前記第１側よりも上方に位置し、
　前記チャンバは、前記第２側に配置され、前記カーボンナノチューブが生成された前記触媒を回収する触媒回収部を更に備える、
付記１０に記載のＣＮＴ製造装置。
（付記１３）
　前記準備部は、前記第２炭素化合物から前記第１炭素化合物を生成するためのプラズマを発生するプラズマ発生部を備える、
付記６～１２のいずれか一つに記載のＣＮＴ製造装置。
（付記１４）
　前記チャンバは、前記第１炭素化合物から前記カーボンナノチューブを生成するためのプラズマを発生するプラズマ発生部を備える、
付記１～１３のいずれか一つに記載のＣＮＴ製造装置。
（付記１５）
　前記排出部は、
　　前記フィルタの第１面および第２面の間に電位差を形成する回路と、
　　前記第１面および前記第２面の間に流れる電流を測定する電流計と、
を更に備え、
　前記排出制御部は、前記排出能力を制御するように、前記電流に基づいて前記電位差を制御する、
付記１～１４のいずれか一つに記載のＣＮＴ製造装置。
（付記１６）
　少なくとも前記触媒の温度を上昇させる触媒ヒータと、
　少なくとも前記排出部の温度を上昇させる排出部ヒータと、
　前記触媒ヒータおよび前記排出部ヒータを個別に制御する温度制御部と、
を更に備える付記１～１５のいずれか一つに記載のＣＮＴ製造装置。
　付記１によれば、排出部によってチャンバ内の第２炭素化合物の濃度が制御される。この制御によって、カーボンナノチューブを生成する触媒の能力が高まるので、高品質なカーボンナノチューブを生成できる。
　付記２によれば、一定量の第２炭素化合物がチャンバ内に存在するように排出部の排出能力が制御される。この制御によってカーボンナノチューブをより効率的に生成することができる。第２炭素化合物の濃度が高いとカーボンナノチューブの生成が阻害される。しかし、第２炭素化合物を完全に排除するのではなく、少ない量の第２炭素化合物を残す方が、却ってカーボンナノチューブの生成が促される。
　付記３によれば、排出部によってチャンバ内の二酸化炭素の濃度が制御される。この制御によって、一酸化炭素からカーボンナノチューブを生成する触媒の能力が高まるので、高品質なカーボンナノチューブを生成できる。
　付記４によれば、水素を含む補助化合物によって、カーボンナノチューブをより効率的に生成できる。
　付記５によれば、水素を含む補助化合物の濃度が、第１時間帯では相対的に高く、その後の第２時間帯では相対的に低くなるように制御される。カーボンナノチューブの成長初期である第１時間帯では、水素の作用によってカーボンナノチューブの成長を促すことができる。その後の第２時間帯では、水素濃度を低下させることでカーボンナノチューブの品質を向上させることができる。
　付記６によれば、カーボンナノチューブの原料と、排出部によって濃度が制御される対象とが同じである。したがって、第２炭素化合物から第１炭素化合物の生成と、触媒の能力を高めるための第２炭素化合物の濃度の制御とを統合的に実行することが可能になる。一例として、第２炭素化合物が二酸化炭素である場合には、カーボンナノチューブの製造が温室効果ガスの削減につながるので、ＣＮＴ製造装置は持続可能な社会に貢献し得る。
　付記７によれば、第２炭素化合物の濃度が低くなった雰囲気に触媒が投入されるので、触媒の能力を低下させることなくカーボンナノチューブを生成することができる。
　付記８によれば、チャンバ内で空間的または時間的に雰囲気を分けて、第１炭素化合物を生成する過程と、カーボンナノチューブを生成する過程とを連続的に行うことができる。
　付記９によれば、第１炭素化合物を生成する過程と、カーボンナノチューブを生成する過程とのそれぞれにおいて排出部の排出能力が制御されるので、それぞれの過程を効率よく進めることができる。
　付記１０によれば、触媒が第２雰囲気から投入されるので、第２炭素化合物の濃度が高い第１雰囲気に触媒が曝されて失活する現象が回避される。したがって、触媒の能力を最大限に生かしつつカーボンナノチューブを生成することが可能になる。
　付記１１によれば、カーボンナノチューブが生成された触媒が、第２炭素化合物の濃度が高い第２雰囲気を通過して、その第２雰囲気で回収される。この構成により、カーボンナノチューブに付着したアモルファス状の炭素が第２炭素化合物により除去され得る。その結果、好ましい形状のカーボンナノチューブを生成できる。
　付記１２によれば、触媒がチャンバの上側から投入され、重力と第１炭素化合物の気流とによって第１雰囲気中を浮遊する。その触媒上でカーボンナノチューブが生成される。カーボンナノチューブが生成された触媒は、空気抵抗が大きくなるのでチャンバ内を浮上する。浮上してきたその触媒はチャンバの上側で効率的に回収される。したがって、生成されたカーボンナノチューブの回収率を上げることができる。加えて、触媒を搬送するための仕組みが不要になるので、ＣＮＴ製造装置の構造を簡単化できる。
　付記１３によれば、プラズマを用いることで、第２炭素化合物から第１炭素化合物の生成を促進させることができる。
　付記１４によれば、プラズマを用いることで、より低温の環境でカーボンナノチューブを効率的に成長させることができる。そのような環境では、触媒または排出部の寿命を延ばすことが可能である。また、プラズマを用いることで、第１炭素化合物から炭素の生成を促進させることができる。
　付記１５によれば、第２炭素化合物の濃度または他の元素から成る分子（Ｏ２、Ｈ２など）の濃度によってフィルタ内の電流量が変化する現象を利用して、排出部の排出能力が制御される。この制御によって、副生成物である第２炭素化合物の濃度を適切に制御できる。
　付記１６によれば、カーボンナノチューブが生成される触媒の温度と排出部の温度とが別々に制御される。したがって、触媒および排出部のそれぞれの作用を効果的に発揮させることができる。
　１，２，３…ＣＮＴ製造装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ…チャンバ、１１…原料投入部、１２…生成部、１３…排気部、１４…準備部、２１，２１Ｂ…触媒投入部、２２…触媒搬送部、２３，２３Ｂ…触媒回収部、２８…第１プラズマ発生器、２９…第２プラズマ発生器、３０…排出装置、３１…電解質、３２…カソード、３３…アノード、３４…電気回路、３５…電流計、４０，４０Ａ…制御装置、４１…排出制御部、４２…温度制御部、５１…触媒ヒータ、５２…排出部ヒータ、９０…触媒。

 

Claims (16)

  1. 　炭素および他の元素を含む第１炭素化合物と、該第１炭素化合物からカーボンナノチューブを生成するための触媒とを収容するチャンバと、
    　前記他の元素または前記他の元素のイオンを透過させるが前記炭素および炭素イオンを透過させないフィルタを有し、前記チャンバから前記他の元素または前記他の元素のイオンを排出する排出部と、
    　前記炭素および前記他の元素を前記第１炭素化合物と異なる比率で含む第２炭素化合物の濃度を、前記チャンバ内で制御するように、前記排出部の排出能力を制御する排出制御部と、
    を備えるＣＮＴ製造装置。
  2. 　前記排出制御部は、前記第２炭素化合物の前記濃度が所定の範囲内になるように、前記排出能力を制御する、
    請求項１に記載のＣＮＴ製造装置。
  3. 　前記第１炭素化合物は一酸化炭素であり、
    　前記第２炭素化合物は二酸化炭素である、
    請求項１に記載のＣＮＴ製造装置。
  4. 　前記チャンバは、水素と炭素とを含む化合物または水素分子を補助化合物として投入する水素投入部を備える、
    請求項３に記載のＣＮＴ製造装置。
  5. 　前記水素または水素イオンを透過させるが前記炭素および前記炭素イオンを透過させないフィルタを有し、前記チャンバから前記水素または前記水素イオンを排出する追加排出部を更に備え、
    　前記第１炭素化合物から前記カーボンナノチューブを生成する過程が、第１時間帯と、該第１時間帯より後の第２時間帯とを含み、
    　前記排出制御部は、前記第２時間帯における前記補助化合物の濃度が、前記第１時間帯における前記補助化合物の濃度よりも低くなるように、前記追加排出部の排出量力を更に制御する、
    請求項４に記載のＣＮＴ製造装置。
  6. 　前記チャンバは、
    　　前記第２炭素化合物を投入する原料投入部と、
    　　前記第２炭素化合物から前記第１炭素化合物を生成する準備部と、
    を更に備える、
    請求項１～５のいずれか一項に記載のＣＮＴ製造装置。
  7. 　前記チャンバは、前記排出制御部により前記第２炭素化合物の濃度が所定の閾値以下になった雰囲気に、前記触媒を投入する触媒投入部を更に備える、
    請求項６に記載のＣＮＴ製造装置。
  8. 　前記チャンバは、
    　　前記準備部により前記第２炭素化合物から前記第１炭素化合物が生成される第１雰囲気と、
    　　前記第１炭素化合物から前記カーボンナノチューブが生成される第２雰囲気と、
    を含む、
    請求項７に記載のＣＮＴ製造装置。
  9. 　前記排出制御部は、前記第１雰囲気における前記排出能力が、前記第２雰囲気における前記排出能力よりも高くなるように、前記排出能力を制御する、
    請求項８に記載のＣＮＴ製造装置。
  10. 　前記チャンバは、前記第１雰囲気に対応する第１側と、前記第２雰囲気に対応する第２側とを含み、
    　前記原料投入部および前記準備部は前記第１側に配置され、
    　前記触媒投入部は前記第２側に配置される、
    請求項８に記載のＣＮＴ製造装置。
  11. 　前記チャンバは、
    　　前記触媒投入部から投入された前記触媒を、前記第２側から前記第１側へと移動させる触媒搬送部と、
    　　前記第１側に配置され、前記カーボンナノチューブが生成された前記触媒を回収する触媒回収部と、
    を更に備える、
    請求項１０に記載のＣＮＴ製造装置。
  12. 　前記第２側は、重力方向において前記第１側よりも上方に位置し、
    　前記チャンバは、前記第２側に配置され、前記カーボンナノチューブが生成された前記触媒を回収する触媒回収部を更に備える、
    請求項１０に記載のＣＮＴ製造装置。
  13. 　前記準備部は、前記第２炭素化合物から前記第１炭素化合物を生成するためのプラズマを発生するプラズマ発生部を備える、
    請求項６に記載のＣＮＴ製造装置。
  14. 　前記チャンバは、前記第１炭素化合物から前記カーボンナノチューブを生成するためのプラズマを発生するプラズマ発生部を備える、
    請求項１に記載のＣＮＴ製造装置。
  15. 　前記排出部は、
    　　前記フィルタの第１面および第２面の間に電位差を形成する回路と、
    　　前記第１面および前記第２面の間に流れる電流を測定する電流計と、
    を更に備え、
    　前記排出制御部は、前記排出能力を制御するように、前記電流に基づいて前記電位差を制御する、
    請求項１に記載のＣＮＴ製造装置。
  16. 　少なくとも前記触媒の温度を上昇させる触媒ヒータと、
    　少なくとも前記排出部の温度を上昇させる排出部ヒータと、
    　前記触媒ヒータおよび前記排出部ヒータを個別に制御する温度制御部と、
    を更に備える請求項１に記載のＣＮＴ製造装置。

     
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