JP3826281B2 - Cobalt compound-encapsulating carbon composite and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コバルト又はコバルト合金等のコバルト系化合物を内包するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体、該コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、黒鉛シート(即ち、黒鉛構造の炭素原子面ないしグラフェンシート)がチューブ状に閉じた中空炭素物質であり、その直径はナノメートルスケールであり、壁構造は黒鉛構造を有している。かかるカーボンナノチューブは、1991年に飯島澄男氏により発見された。カーボンナノチューブのうち、壁構造が一枚の黒鉛シートでチューブ状に閉じたものは単層カーボンナノチューブと呼ばれ、複数枚の黒鉛シートがそれぞれチューブ状に閉じて、入れ子状になっているものは入れ子構造の多層カーボンナノチューブと呼ばれている。
【0003】
また、通常の入れ子構造の多層カーボンナノチューブと類似しているが、炭素からなる壁面の構造が異なるものとして、黒鉛壁構造がスクロール状になったものも報告されている。
【0004】
近年、導電体、電子放出体等の電気的特性や磁気特性の向上を目指して、これらカーボンナノチューブ(以下「CNTs」ということがある)等のチューブ壁で囲まれた中空部に金属を内包させる試みがなされている。
【0005】
例えば、特許第2546114号においては、入れ子構造の多層カーボンナノチューブの中心にある中空の穴に金属等の炭素以外の物質を内包させた異物質内包カーボンナノチューブが記載されている。該異物質内包カーボンナノチューブは、入れ子構造の多層カーボンナノチューブのキャップ状に閉じた先端を一旦キャップ除去すると同時に又は除去した後に、炭素以外の物質をカーボンナノチューブの先端に蒸着し、熱拡散によりカーボンナノチューブの先端からチューブの中心にある中空の穴に導入することにより製造される。
【0006】
また、特開平9−142819号には、直径10nm〜1μm、長さ1〜100μmのカーボンチューブ内に異物質を内包したカーボンチューブが記載されている。この異物質内包カーボンチューブは、略直線状の細孔を有する無機物質を型枠として用い、その細孔内壁に被覆させた有機物質を加熱により炭化することにより、又は、該細孔中に気体状の炭化水素を気相炭化させて炭素薄膜を滞積させることにより、カーボンチューブを一旦製造した後、該チューブに、異物質を溶液状態又は溶融状態で接触させて、カーボンチューブの中空部分へ異物質を挿入する(無機物質は、挿入前又は後に溶解除去する)ことにより製造される。
【0007】
更に、特開2000−204471には、直径が1〜100nmであり、直径と長軸長との比が50以上である細線素材からなる金属細線、特にカーボン製のチューブにより覆われている金属細線が記載されている。このカーボン製チューブで被覆された金属細線の製造法は、上記特開平9−142819号に記載の製造法と同様であり、略直線状の細孔を有する無機物質の細孔内壁に筒状のカーボンを形成する第1工程、該筒状カーボンの内部に金属を析出させる第2工程からなる製造法により製造される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法は、一旦カーボンチューブを形成し、次いで異物質を挿入するという2工程が少なくとも必要であり、各工程の管理、制御等の点で煩雑であり生産性も低い。更に、上記特開平9−142819号及び特開2000−204471に記載の製造方法では、型枠として使用した無機物質を溶解除去する工程が必要である。
【0009】
また、従来カーボンチューブ内にカーボンナノチューブ等のチューブ状炭素材料の炭素からなる壁部で囲まれた空間部にコバルト等の金属等が封入された複合体を、mgスケール以上で得る方法は開発されていない。そのために、チューブ状炭素材料の中空部にコバルト等の金属等を内包した炭素−金属複合体についての具体的な実用化研究はなされていないのが現状である。
【0010】
本発明は、カーボンのチューブで囲まれた空間部のかなりの部分にコバルト等の金属等が封入された複合体、かかる複合体を含む炭素質材料、及びその製造法を提供することを主な目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の様な従来技術の現状に鑑みて研究を進めた結果、次の事項を発見した。
【0012】
▲1▼(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1となる濃度に調整して、反応炉内で、ハロゲン化コバルトを、又は、(a)ハロゲン化コバルトと(b)他の金属等のハロゲン化物とを、600〜1100℃まで加熱し、(2)上記反応炉内を不活性ガス雰囲気とし、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、熱分解性炭素源を導入して600〜1100℃で加熱処理を行うことにより、炭素からなるチューブとそのチューブ内空間部に内包されたコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素材料が、一挙に製造できる。
【0013】
▲2▼上記工程(2)の後の冷却工程において、冷却速度を特定の範囲に制御することにより、得られる炭素からなるチューブは、フレーク状の黒鉛シートが複数枚(通常は多数)パッチワーク状ないし張り子状に集合して構成されていると思われる、黒鉛シートの集合体からなる炭素製チューブとなる。本明細書において、この炭素製チューブを「ナノフレークカーボンチューブ」という。このナノフレークカーボンチューブは、一枚の黒鉛シートが円筒状に閉じた単層カーボンナノチューブや複数枚の黒鉛シートがそれぞれ円筒状に閉じて同心円筒状ないし入れ子状となっている多層カーボンナノチューブとは全く構造の異なるチューブ状炭素材である。
【0014】
▲3▼該ナノフレークカーボンチューブのチューブ内空間部(即ち、ナノフレークカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)は、該空間部のかなりの部分、特に該空間部の10〜90%がコバルト又はコバルト合金で充填されており、コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を形成している。
【0015】
▲4▼更に、上記工程(2)の後工程として、不活性気体中で加熱処理を行い、特定の冷却速度で冷却することにより、得られる炭素からなるチューブは、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。該多層カーボンナノチューブのチューブ内空間部は、該空間部のかなりの部分、特に該空間部の10〜90%がコバルト又はコバルト合金で充填されており、コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を形成している。
【0016】
本発明は、これらの知見に基づき更に検討を重ねて完成されたものであり、次のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体及びその製造方法を提供するものである。
【0017】
項1 (a) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)コバルト又はコバルト合金とからなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体であって、カーボンチューブ内空間部の10〜90%にコバルト又はコバルト合金が充填されていることを特徴とするコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体。
【0018】
項2 直線状であり、外径が1〜100nmであり、炭素からなる壁部の厚さが49nm以下であって全長に亘って実質的に均一であり、長さをLとし外径をDとした場合のアスペクト比L/Dが5〜10000である上記項1に記載のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体。
【0019】
項3 コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するカーボンチューブの壁部をX線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が、0.34nm以下である上記項1又は2に記載のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体。
【0020】
項4 コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するカーボンチューブが、ナノフレークカーボンチューブである上記項1〜3のいずれかに記載のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体。
【0021】
項5 コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するカーボンチューブが、入れ子構造の多層カーボンナノチューブである上記項1〜3のいずれかに記載のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体。
【0022】
項6 コバルト合金が、コバルトを55重量%以上含有し、炭素、Co、Fe、Cu、Mn、Cr、Pb、Zn、Mo、Al、Ti、Nb、Ta、S及びSiからなる群から選ばれる少なくとも1種を更に含有する合金である上記項1〜5のいずれかに記載のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体。
【0023】
項7 (a) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)コバルト又はコバルト合金とからなり、カーボンチューブ内空間部の10〜90%にコバルト又はコバルト合金が充填されているコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料。
【0024】
項8 炭素質材料1mgに対して25mm2以上の照射面積でCuKαのX線を照射する粉末X線回折測定において、カーボンチューブに内包されているコバルトまたはコバルト合金に帰属される40°<2θ<50°のピークの中で最も強い積分強度を示すピークの積分強度をIaとし、カーボンチューブの炭素網面間の平均距離(d002)に帰属される26°<2θ<27°のピークの積分強度をIbとした場合に、Ia/Ibの比Rが、0.3〜4.4である上記項7に記載の炭素質材料。
【0025】
項9 コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体が、直線状であり、外径が1〜100nmであり、炭素からなる壁部の厚さが49nm以下であって全長に亘って実質的に均一であり、長さをLとし外径をDとした場合のアスペクト比L/Dが5〜10000である上記項7又は8に記載の炭素質材料。
【0026】
項10 コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するカーボンチューブの壁部をX線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が、0.34nm以下である上記項7〜9のいずれかに記載の炭素質材料。
【0027】
項11 コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するカーボンチューブが、ナノフレークカーボンチューブである上記項7〜10のいずれかに記載の炭素質材料。
【0028】
項12 コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するカーボンチューブが、入れ子構造の多層カーボンナノチューブである上記項7〜10のいずれかに記載の炭素質材料。
【0029】
項13 コバルト合金が、コバルトを55重量%以上含有し、炭素、Co、Fe、Cu、Mn、Cr、Pb、Zn、Mo、Al、Ti、Nb、Ta、S及びSiからなる群から選ばれる少なくとも1種を更に含有する合金である上記項7〜13のいずれかに記載のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体。
【0030】
項14 (a) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)コバルト又はコバルト合金とからなり、カーボンチューブ内空間部の10〜90%にコバルト又はコバルト合金が充填されているコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料の製造方法であって、
(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1となる濃度に調整して、反応炉内でハロゲン化コバルトを600〜1100℃まで加熱するか、又は、(a)ハロゲン化コバルトと(b)ハロゲン化鉄、ハロゲン化ニッケル、ハロゲン化銅、ハロゲン化マンガン、ハロゲン化クロム、ハロゲン化鉛、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化モリブデン、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化チタン、ハロゲン化ニオブ、ハロゲン化タンタル、ハロゲン化硫黄及びハロゲン化珪素からなる群から選ばれる少なくとも1種とを600〜1100℃まで加熱する工程、及び
(2)上記反応炉内を不活性ガス雰囲気として圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、熱分解性炭素源を導入して600〜1100℃で加熱処理を行う工程を包含することを特徴とする製造方法。
【0031】
項15 工程(2)の加熱処理工程後、50〜2000℃/hで500℃まで冷却することによりナノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間部の10〜90%に充填されているコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を生成させる上記項14に記載の製造方法。
【0032】
項16 工程(2)の加熱処理工程後、
(3)反応炉内を工程(2)の温度を維持したまま不活性気体で置換する工程、
(4)不活性気体で置換された反応炉内を1100〜1450℃に昇温する工程、
(5)昇温終点で終点温度を入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成するまで維持する工程、及び
(6)反応炉内を50℃/h以下の速度で冷却する工程
を行うことにより入れ子構造の多層カーボンナノチューブとそのチューブ内空間部の10〜90%に充填されているコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を生成させる上記項14に記載の製造方法。
【0033】
項17 工程(2)の加熱処理を有機コバルト錯体の存在下に行う上記項14に記載の製造方法。
【0034】
項18 有機コバルト錯体が、ジシクロペンタジエニルコバルト又はコバルトカルボニル錯体である上記項17に記載の製造方法。
【0035】
項19 ハロゲン化コバルトが、コバルトの塩化物である上記項14〜18のいずれかに記載の製造方法。
【0036】
項20 コバルトの塩化物が、CoCl2、CoCl2・H2O、CoCl2・1.5H2O、CoCl2・2H2O、CoCl2・4H2O、CoCl2・6H2O及びCoCl3からなる群から選ばれる少なくとも1種である上記項19に記載の製造方法。
【0037】
項21 熱分解性炭素源が、炭素数6〜12の芳香族炭化水素、炭素数1〜10の飽和脂肪族炭化水素及び炭素数2〜5の不飽和脂肪族炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも1種である上記項14〜20のいずれかに記載の製造方法。
【0038】
【発明の実施の形態】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体
本発明によるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、(a) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)コバルト又はコバルト合金とからなるものであって、該カーボンチューブ内空間部(即ち、チューブ壁で囲まれた空間)の実質上全てが充填されているのではなく、該空間部の一部、より具体的には10〜90%程度、特に30〜80%程度、好ましくは40〜70%程度がコバルト又はコバルト合金により充填されている。
【0039】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体においては、炭素部分は、製造工程(1)及び(2)を行った後、特定の速度で冷却するとナノフレークカーボンチューブとなり、製造工程(1)及び(2)を行った後、不活性気体中で加熱処理を行い、特定の冷却速度で冷却することにより、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。
【0040】
<(a-1) ナノフレークカーボンチューブ>
本発明のナノフレークカーボンチューブとコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、典型的には円柱状である。図3の(a-1)にそのような円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図を示す。図3の(a-1)において、100は、ナノフレークカーボンチューブの長手方向のTEM像を模式的に示しており、200は、ナノフレークカーボンチューブの長手方向にほぼ垂直な断面のTEM像を模式的に示している。
【0041】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブは、図3の(a-1)の200から明らかなように、その長手方向を横切る断面をTEM観察した場合、多数の弧状グラフェンシート像が多層構造のチューブ状に集合しているが、個々のグラフェンシート像は、例えば210、214に示すように、完全に閉じた連続的な環を形成しておらず、途中で途切れた不連続な環を形成している。一部のグラフェンシート像は、211に示すように、分岐している場合もある。不連続点においては、一つの不連続環を構成する複数の弧状TEM像は、図3の(a-1)の222に示すように、層構造が部分的に乱れている場合もあれば、223に示すように隣接するグラフェンシート像との間に間隔が存在している場合もあるが、TEMで観察される多数の弧状グラフェンシート像は、全体として、多層状のチューブ構造を形成している。
【0042】
また、図3の(a-1)の100から明らかなように、ナノフレークカーボンチューブの長手方向をTEMで観察した場合、多数の略直線状のグラフェンシート像が本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の長手方向にほぼ並行に多層状に配列しているが、個々のグラフェンシート像110は、コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の長手方向全長にわたって連続しておらず、途中で不連続となっている。一部のグラフェンシート像は、図3の(a-1)の111に示すように、分岐している場合もある。また、不連続点においては、層状に配列したTEM像のうち、一つの不連続層のTEM像は、図3の(a-1)の112に示すように、隣接するグラフェンシート像と少なくとも部分的に重なり合っている場合もあれば、113に示すように隣接するグラフェンシート像と少し離れている場合もあるが、多数の略直線状のTEM像が、全体として多層構造を形成している。
【0043】
かかる本発明のナノフレークカーボンチューブの構造は、従来の多層カーボンナノチューブと大きく異なっている。即ち、図3の(a-2)の400に示すように、入れ子構造の多層カーボンナノチューブは、その長手方向に垂直な断面のTEM像が、410に示すように、完全な円形のTEM像となっている同心円状のチューブであり、且つ、図3の(a-2)の300に示すように、その長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシート像310等が平行に配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)である。
【0044】
以上より、詳細は未だ完全には解明されていないが、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するナノフレークカーボンチューブは、フレーク状のグラフェンシートが多数パッチワーク状ないし張り子状に重なり合って全体としてチューブを形成しているようにみえる。
【0045】
このような本発明のナノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間部に内包されたコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、特許第2546114号に記載されているような入れ子構造の多層カーボンナノチューブのチューブ内空間部に金属が内包された複合体に比し、カーボンチューブの構造において大きく異なっており、従来知られていなかった新規な炭素材料である。
【0046】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合において、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。即ち、図3の(a-1)の100に示されるように、110で示される略直線状のグラフェンシートのTEM像が多数集まってナノフレークカーボンチューブの壁部のTEM像を構成しており、個々の略直線状のグラフェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。
【0047】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するナノフレークカーボンチューブの壁部の炭素部分は、上記のようにフレーク状のグラフェンシートが多数長手方向に配向して全体としてチューブ状となっているが、X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものである。
【0048】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体のナノフレークカーボンチューブからなる壁部の厚さは、49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。
【0049】
<(a-2) 入れ子構造の多層カーボンナノチューブ>
前記のように、工程(1)及び(2)を行った後、特定の加熱工程を行うことにより、得られるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成するカーボンチューブは、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。
【0050】
こうして得られる入れ子構造の多層カーボンナノチューブは、図3の(a-2)の400に示すように、その長手方向に垂直な断面のTEM像が完全な円を構成する同心円状のチューブであり、且つ、その長手方向の全長にわたって連続したグラフェンシート像が平行に配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)である。
【0051】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成する入れ子構造の多層カーボンナノチューブの壁部の炭素部分は、X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものである。
【0052】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる壁部の厚さは、49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。
【0053】
<(b)内包されているコバルト又はコバルト合金>
本明細書において、上記カーボンチューブ内空間部のコバルト又はコバルト合金による充填率(10〜90%)は、本発明により得られたコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を透過型電子顕微鏡で観察し、各カーボンチューブの空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の像の面積に対する、コバルト又はコバルト合金が充填されている部分の像の面積の割合である。
【0054】
コバルト又はコバルト合金の充填形態は、カーボンチューブ内空間部に連続的に充填されている形態、カーボンチューブ内空間部に断続的に充填されている形態等があるが、基本的には断続的に充填されている。従って、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、金属内包炭素複合体ないしコバルト化合物内包炭素複合体、コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体とも言うべきものである。
【0055】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体において、カーボンチューブに内包されているコバルト合金としては、各種のコバルト基合金が例示できるが、例えば、コバルトを55重量%以上(好ましくは55〜95重量%)、特に65重量%以上(好ましくは65〜95重量%)含有し、残部が炭素、Ni、Fe、Cu、Mn、Cr、Pb、Zn、Mo、Al、Ti、Nb、Ta、S及びSiからなる群から選ばれる少なくとも1種である合金が好ましい。
【0056】
これらコバルト合金の中でも、特に、コバルトを55重量%以上(好ましくは55〜95重量%)、特に65重量%以上(好ましくは65〜95重量%)含有する鉄−コバルト、鉄−コバルト−ニッケル、コバルト−ニッケル、銅−コバルト、コバルト−クロム等、並びにこれらの炭素含有合金が好ましい。
【0057】
尚、炭素、硫黄及び珪素は金属ではないが、本明細書では、「合金」なる用語は、炭素、硫黄及び珪素からなる群から選ばれる少なくとも1種が、コバルトに、又は、コバルトとコバルト以外の金属(Ni、Fe、Cu、Mn、Cr、Pb、Zn、Mo、Al、Ti、Nb、Ta)との合金に含有されている材料も包含するものとする。
【0058】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体に内包されているコバルト又はコバルト合金は、カーボンチューブの長手方向に配向しており、結晶性が高く、コバルト又はコバルト合金が充填されている範囲のTEM像の面積に対する、結晶性コバルト又はコバルト合金のTEM像の面積の割合(以下「結晶化率」という)は、一般に、90〜100%程度、特に95〜100%程度である。
【0059】
内包されているコバルト又はコバルト合金の結晶性が高いことは、本発明コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の側面からのTEM観察した場合、内包物のTEM像が格子状に配列していることから明らかであり、電子線回折からも明確な回折パターンが得られることからも明らかである。
【0060】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体にコバルト又はコバルト合金が内包されていることは、電子顕微鏡、EDX(エネルギー分散型X線検出器)により容易に確認することができる。
【0061】
<コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の全体形状>
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、湾曲が少なく、直線状であり、壁部の厚さが全長に亘ってほぼ一定の均一厚さを有しているので、全長に亘って均質な形状を有している。その形状は、柱状で、主に円柱状である。
【0062】
本発明によるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の外径は、通常、1〜100nm程度、特に1〜50nm程度の範囲にあり、好ましくは1〜30nm程度の範囲にあり、より好ましくは10〜30nm程度の範囲にある。チューブの長さ(L)の外径(D)に対するアスペクト比(L/D)は、5〜10000程度であり、特に10〜1000程度である。
【0063】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の形状を表す一つの用語である「直線状」なる語句は、次のように定義される。即ち、透過型電子顕微鏡により本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を200〜2000nm四方の範囲で観察し、像の長さをWとし、該像を直線状に伸ばした時の長さをWoとした場合に、比W/Woが、0.8以上、特に、0.9以上となる形状特性を意味するものとする。
【0064】
コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、バルク材料としてみた場合、次の性質を有する。即ち、本発明では、上記のようなナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブから選ばれるカーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲にコバルトまたはコバルト合金が充填されているコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、顕微鏡観察によりかろうじて観察できる程度の微量ではなく、多数の該コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含むバルク材料であって、コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料、或いは、コバルト又はコバルト合金内包炭素質材料ともいうべき材料の形態で大量に得られる。
【0065】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料においては、基本的にはほとんど全ての(特に99%又はそれ以上の)カーボンチューブにおいて、その空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の10〜90%の範囲にコバルト又はコバルト合金が充填されており、空間部が充填されていないカーボンチューブは実質上存在しないのが通常である。但し、場合によっては、コバルト又はコバルト合金が充填されていないカーボンチューブも微量混在することがある。
【0066】
また、本発明の炭素質材料においては、上記のようなカーボンチューブ内空間部の10〜90%にコバルト又はコバルト合金が充填されているコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体が主要構成成分であるが、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体以外に、スス等が含まれている場合がある。そのような場合は、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体以外の成分を除去して、本発明の炭素質材料中のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の純度を向上させ、実質上本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体のみからなる炭素質材料を得ることもできる。
【0067】
また、従来の顕微鏡観察で微量確認し得るに過ぎなかった材料とは異なり、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料は大量に合成できるので、その重量を容易に1mg以上とすることができる。後述する本発明製法をスケールアップするか又は何度も繰り返すことにより本発明の該材料は無限に製造できるので、上限は実質的に存在しない。一般には、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料は、反応炉容積1リットル程度の実験室レベルであっても、1mg〜100g程度、特に10〜1000mg程度の量であれば容易に提供できる。
【0068】
発明炭素質材料は、該炭素質材料1mgに対して25mm2以上の照射面積で、CuKαのX線を照射した粉末X線回折測定において、内包されているコバルトまたはコバルト合金に帰属される40°<2θ<50°のピークの中で最も強い積分強度を示すピークの積分強度をIaとし、カーボンチューブの炭素網面間の平均距離(d002)に帰属される26°<2θ<27°のピークの積分強度Ibとした場合に、IaのIbに対する比R(=Ia/Ib)が、0.3〜4.4程度、特に0.4〜3.5程度であるのが好ましく、より好ましくは1.1〜3.2程度である。
【0069】
本明細書において、上記Ia/Ibの比をR値と呼ぶ。このR値は、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を、X線回折法において25mm2以上のX線照射面積で観察した場合に、炭素質材料全体の平均値としてピーク強度が観察されるために、TEM分析で測定できる1本のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体における内包率ないし充填率ではなく、コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の集合物である炭素質材料全体としての、コバルト又はコバルト合金充填率ないし内包率の平均値を示すものである。
【0070】
尚、多数の本発明コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料全体としての平均充填率は、TEMで複数の視野を観察し、各視野で観察される複数のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体におけるコバルト又はコバルト合金の平均充填率を測定し、更に複数の視野の平均充填率の平均値を算出することによっても求めることができる。かかる方法で測定した場合、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体からなる炭素質材料全体としてのコバルト又はコバルト合金の平均充填率は、10〜90%程度、特に40〜70%程度である。
【0071】
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体及びそれを含む炭素質材料の製造方法(第一製法)
本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料は、
(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1となる濃度に調整して、反応炉内でハロゲン化コバルトを600〜1100℃まで加熱するか、又は、(a)ハロゲン化コバルトと(b) ハロゲン化鉄、ハロゲン化ニッケル、ハロゲン化銅、ハロゲン化マンガン、ハロゲン化クロム、ハロゲン化鉛、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化モリブデン、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化チタン、ハロゲン化ニオブ、ハロゲン化タンタル、ハロゲン化硫黄及びハロゲン化珪素からなる群から選ばれる少なくとも1種とを600〜1100℃まで加熱する工程、及び
(2)上記反応炉内を不活性ガス雰囲気とし、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、熱分解性炭素源を導入して600〜1100℃で加熱処理を行う工程を包含する製造方法により得られる。
【0072】
ここで、酸素量Bの単位である「Ncc」は、気体の25℃での標準状態に換算したときの体積(cc)という意味である。
【0073】
内包されるコバルト又はコバルト合金の供給源であり、かつ触媒としての機能をも発揮するハロゲン化コバルトとしては、弗化コバルト、塩化コバルト、臭化コバルト等が例示できるが、これらのうちでも塩化コバルトが好ましい。塩化コバルトとしては、例えば、CoCl2、CoCl2・H2O、CoCl2・1.5H2O、CoCl2・2H2O、CoCl2・4H2O、CoCl2・6H2O、CoCl3等が例示され、これらの少なくとも1種が使用される。これら触媒の形状は特に限定されないが、通常は、粉末状、例えば平均粒子径が1〜100μm程度、特に1〜20μm程度の粉末状で使用するかあるいは気体状で使用するのが好ましい。
【0074】
また、内包物がコバルト合金である複合体を得る場合は、反応炉内に、上記ハロゲン化コバルトと共に、前記ハロゲン化鉄、ハロゲン化ニッケル、ハロゲン化銅、ハロゲン化マンガン、ハロゲン化クロム、ハロゲン化鉛、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化モリブデン、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化チタン、ハロゲン化ニオブ、ハロゲン化タンタル、ハロゲン化硫黄及びハロゲン化珪素からなる群から選ばれる少なくとも1種(以下、該少なくとも1種を「共触媒」という)を存在させればよい。
【0075】
この場合も、ハロゲン化コバルト及び共触媒は、平均粒子径が1〜100μm程度、特に1〜20μm程度の粉末状で使用するのが好ましい。両者の使用割合は、広い範囲から適宜選択すればよいが、一般にはコバルトが主成分となるような割合とする。例えば、ハロゲン化コバルトは、ハロゲン化コバルトと前記共触媒との合計量の55〜95重量%程度、特に65〜95重量%程度の量で使用する。
【0076】
ハロゲン化コバルトと共触媒とを反応炉内に存在させる方法としては、a)両者を反応炉の内の別々の箇所に置く方法、b)両者を予め乾式混合し、得られる混合物を反応炉内に存在させる方法、c)両者を有機溶媒(例えば、メタノール等の低級アルコール等)に均一に溶解又は分散させた後、該有機溶媒を留去して得られる残渣を粉砕して得られる粉体を反応炉内に存在させる方法等が例示できる。
【0077】
熱分解性炭素源としては、種々の有機化合物が使用でき、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭素数6〜12の芳香族炭化水素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ヘキサン等の炭素数1〜10の飽和脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、アセチレン等の炭素数2〜5の不飽和脂肪族炭化水素などの有機化合物が挙げられる。液状の有機化合物は、通常、気化させて用いる。これらの中でも、ベンゼン、トルエンなどが好ましい。
【0078】
本発明で使用する反応装置としては、例えば、図1に示すような装置を例示できる。図1の装置においては、反応炉1は石英管、アルミナ管、カーボン管等からなる反応炉であり、加熱装置2を備えている。反応炉にはガス導入口(図示せず)と真空に吸引するためのガス吸引口(図示せず)が備えられている。ハロゲン化コバルトは、例えば、磁製ボート、コバルトボート等のハロゲン化コバルト仕込み皿10に薄く広げて敷き詰める等して、反応炉内に配置する。
【0079】
工程 (1)
本発明の製造方法においては、まず、反応炉内において、上記触媒且つ原料であるハロゲン化コバルトを、又は、(a)ハロゲン化コバルトと(b)共触媒(即ち、ハロゲン化鉄、ハロゲン化コバルト、ハロゲン化銅、ハロゲン化マンガン、ハロゲン化クロム、ハロゲン化鉛、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化モリブデン、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化チタン、ハロゲン化ニオブ、ハロゲン化タンタル、ハロゲン化硫黄及びハロゲン化珪素からなる群から選ばれる少なくとも1種)とを、不活性ガス雰囲気中で、600〜1100℃まで、特に800〜1100℃程度まで加熱する。
【0080】
不活性ガスとしては、He、Ar、Ne、N2等のガスを例示できる。不活性ガス雰囲気中で触媒の加熱処理を行う際の反応炉内の圧力は、例えば、10-5Pa〜200kPa程度、特に0.1kPa〜100kPa程度とするのが好ましい。
【0081】
加熱処理は、反応炉内の温度、特に触媒の温度が、工程(2)で使用する熱分解性炭素源の熱分解温度に達するまで行う。熱分解性炭素源の熱分解温度は、熱分解性炭素源の種類によっても異なるが、一般には、反応炉内の触媒の温度を600〜1100℃程度、特に800〜1100℃程度とするのが好ましい。
【0082】
本発明者の研究によると、工程(1)の加熱時に、少量の酸素が存在するのが好ましい。大量の酸素を存在させると、ハロゲン化コバルト又は共触媒が酸化コバルト等の酸化物になってしまい、所望の複合体を得難い。従って、反応炉内の酸素濃度としては、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1、特に1×10-8〜5×10-3となる濃度とするのが好ましい。
【0083】
この場合、酸素の導入方法としては、種々の方法を採用できるが、例えば、反応炉のガス導入口から、酸素5〜0.01%程度を含有するアルゴン等の不活性ガスからなる混合ガスを徐々に添加するのが好ましい。
【0084】
工程 (2)
次いで、本発明では、工程(2)として、工程(1)の加熱処理により600〜1100℃に加熱されているハロゲン化コバルト、又は(a)ハロゲン化コバルトと(b)共触媒とを含む反応炉内を、不活性ガス雰囲気とし、ガス導入口から熱分解性炭素源を導入して加熱処理を行う。
【0085】
この工程(2)の加熱処理を行う際の圧力としては、10-5Pa〜200kPa程度、特に1kPa〜100kPa程度とするのが好ましい。また、工程(2)の加熱処理時の温度は、通常600℃以上であり、特に600〜1100℃、好ましくは750〜1100℃程度である。
【0086】
熱分解性炭素源の導入方法としては、例えば、ベンゼン等の熱分解性炭素源にアルゴンガス等の不活性ガスをバブリングさせることにより、ベンゼン等の熱分解性炭素源を担持させた不活性ガスを調整し、該ガスを反応炉のガス導入口から少量ずつ導入すればよいが、この方法に限らず、他の方法を採用してもよい。ベンゼン等の該熱分解性炭素源を担持させた不活性ガスの供給速度は、広い範囲から選択できるが、一般には、反応炉容積1リットル当たり、0.1〜1000ml/min程度、特に1〜100ml/min程度となるような速度とするのが好ましい。その際に、必要であれば、Ar、Ne、He、窒素等の不活性ガスを希釈ガスとして導入してもよい。
【0087】
ハロゲン化コバルト、又は(a)ハロゲン化コバルトと(b)共触媒と、熱分解性炭素源との量的割合は、広い範囲から適宜選択すればよいが、ハロゲン化コバルト100重量部、又は(a)ハロゲン化コバルトと(b)共触媒との合計100重量部に対して、熱分解性炭素源を10〜5000重量部程度、特に50〜300重量部程度とするのが好ましい。熱分解性炭素源である有機化合物の量的割合が増大する場合には、カーボンチューブの成長が十分に行われて、長寸法のカーボンチューブが得られる。
【0088】
工程(2)の反応時間は、原料の種類、量などにより異なるので、特に限定されないが、通常0.1〜10時間程度、特に0.5〜2時間程度である。
【0089】
上記工程(2)の加熱処理工程後、通常50〜2000℃/h程度、好ましくは70〜1500℃/h程度、より好ましくは100〜1000℃/h程度の速度で500℃まで冷却することによりナノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間部の10〜90%に充填されているコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を生成させることができる。
【0090】
また、工程(2)の加熱処理工程後、
(3)反応炉内を工程(2)の温度を維持したまま不活性気体で置換する工程、
(4)不活性気体で置換された反応炉内を1100〜1450℃程度、好ましくは1200〜1450℃程度、より好ましくは1300〜1400℃程度に昇温する工程、
(5)昇温終点で終点温度を入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成するまで維持する工程、及び
(6)反応炉を、50℃/h以下程度、好ましくは5〜40℃/h程度、より好ましくは10〜30℃/h程度の速度で冷却する工程
を行うことによりすることにより入れ子構造の多層カーボンナノチューブとそのチューブ内空間部の10〜90%に充填されているコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を生成させることができる。
【0091】
上記工程(3)で使用する不活性気体としては、Ar、Ne、He、窒素等の不活性ガスが例示できる。また、工程(3)における置換後の炉内の圧力は、特に限定されないが、10-5〜107Pa程度、好ましくは50〜2×105 Pa程度、より好ましくは100〜1.2×105Pa程度である。
【0092】
工程(4)の昇温速度は特に限定されないが、一般には50〜2000℃/h程度、特に70〜1500℃/h程度、より好ましくは100〜1000℃/h程度の昇温速度とすることが好ましい。
【0093】
また、工程(5)の終点温度を維持する時間は、入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成するまでの時間とすればよいが、一般には2〜30時間程度である。
【0094】
工程(6)の冷却時の雰囲気としては、Ar、Ne、He、窒素等の不活性ガス雰囲気であり、圧力条件は特に限定されないが、10-5〜107Pa程度、好ましくは50〜2×105 Pa程度、より好ましくは100〜1.2×105Pa程度である。
【0095】
収量向上方法(第二製法)
また、本発明の他の実施形態によれば、上記第一製法の工程(2)において熱分解性炭素源と共に有機コバルト錯体を供給することにより、更に本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体の収量を増大させることができる。本明細書では、この実施形態の製造方法を「第二製法」と呼ぶ。
【0096】
上記有機コバルト錯体としては、ジシクロペンタジエニルコバルト、Co2(CO)8、Co4(CO)12等のコバルトカルボニル錯体等を例示できるが、これらのうちでも特にジシクロペンタジエニルコバルトが好ましい。
【0097】
ジシクロペンタジエニルコバルト等の有機コバルト錯体を反応系内に存在せしめる方法は、種々の方法で行うことができる。典型的な方法としては、例えば、図2に示す方法を採用できる。
【0098】
即ち、先ず、図2に示すように、ガス導入口(図示せず)及びガス吸引口(図示せず)を備えた反応炉内において、上流側(即ち、ガス導入口に近い位置)に有機コバルト錯体を入れた磁製ボート等の仕込み皿20を配置し、下流側(ガス導入口から遠い位置)にハロゲン化コバルトを入れた磁製ボート等の仕込み皿10を配置する。ハロゲン化コバルトと共触媒とを使用する場合、ハロゲン化コバルトと共触媒とは別個の仕込み皿に入れて、反応系内に配置してもよい。
【0099】
次いで、工程(1)として、ハロゲン化コバルトを、又は、ハロゲン化コバルトと共触媒とを、不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1、特に1×10-8〜5×10-3となる濃度に調整して、600〜1100℃まで、特に800〜1100℃まで加熱装置2で加熱する。
【0100】
続いて、工程(2)として、上記反応炉内を不活性ガス雰囲気とし、圧力を10-5Pa〜200kPa、好ましくは1Pa〜100kPaに制御する。一方、有機コバルト錯体を別の加熱装置3で有機コバルト錯体の昇華温度又はそれ以上の温度(ジシクロペンタジエニルコバルトの場合は200℃)に加熱して、ジシクロペンタジエニルコバルト等の有機コバルト錯体を気相状態とすると共に、熱分解性炭素源と不活性ガスとの混合ガスを反応炉に導入する。その際に、必要であれば、Ar、Ne、He、窒素等の不活性ガスを希釈ガスとして導入してもよい。この系を、加熱処理する。この加熱処理の条件は、前記第一製法の「工程(2)」について説明した条件と基本的には同一である。
【0101】
即ち、該加熱処理を行う際の圧力としては、10-5Pa〜200kPa程度、特に1kPa〜100kPa程度とするのが好ましい。また、上記加熱処理時の温度は、通常600℃以上であり、特に600〜1100℃、好ましくは750〜1100℃程度である。ベンゼン等の該熱分解性炭素源を担持させた不活性ガスの供給速度は、広い範囲から選択できるが、一般には、反応炉容積1リットル当たり、0.1〜1000ml/min程度、特に1〜100ml/min程度となるような速度とするのが好ましい。また、上記加熱処理の時間は、原料の種類、量などにより異なるので、特に限定されないが、通常0.1〜10時間程度、特に0.5〜2時間程度である。
【0102】
上記において、有機コバルト錯体、ハロゲン化コバルト(又はハロゲン化コバルトと共触媒)及び熱分解性炭素源の量的割合は、広い範囲から選択できるが、一般には、次のようにするのが好ましい。有機コバルト錯体の使用量は、ハロゲン化コバルト(又はハロゲン化コバルトと共触媒)100重量部に対して、1〜5000重量部程度、好ましくは10〜1000重量部程度とするのが好ましい。 熱分解性炭素源の使用量は、ハロゲン化コバルト(又はハロゲン化コバルトと共触媒)100重量部に対して、10〜5000重量部程度、特に50〜300重量部程度とするのが好ましい。
【0103】
この第二製法によると、得られるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料の収量が向上する。
【0104】
前記第一製法の場合と同様に、上記工程(2)の加熱処理工程後、通常50〜2000℃/h程度、好ましくは70〜1500℃/h程度、より好ましくは100〜1000℃/h程度の速度で500℃まで冷却することによりナノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間部の10〜90%に充填されているコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を生成させることができる。
【0105】
また、工程(2)の加熱処理工程後、
(3)反応炉内を工程(2)の温度を維持したまま不活性気体で置換する工程、
(4)不活性気体で置換された反応炉内を1100〜1450℃程度、好ましくは1200〜1450℃程度、より好ましくは1300〜1400℃程度に昇温する工程、
(5)昇温終点で終点温度を入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成するまで維持する工程、及び
(6)反応炉を、50℃/h以下、好ましくは5〜40℃/h程度、より好ましくは10〜30℃/h程度の速度で冷却する工程
を行うことによりすることにより入れ子構造の多層カーボンナノチューブとそのチューブ内空間部の10〜90%に充填されているコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を生成させることができる。
【0106】
上記工程(3)で使用する不活性気体としては、Ar、Ne、He、窒素等の不活性ガスが例示できる。また、工程(3)における置換後の炉内の圧力は、特に限定されないが、10-5〜107Pa程度、好ましくは50〜2×105 Pa程度、より好ましくは100〜1.2×105Pa程度である。
【0107】
工程(4)の昇温速度は特に限定されないが、一般には50〜2000℃/h程度、特に70〜1500℃/h程度、より好ましくは100〜1000℃/h程度の昇温速度とすることが好ましい。
【0108】
また、工程(5)の終点温度を維持する時間は、入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成するまでの時間とすればよいが、一般には2〜30時間程度である。
【0109】
工程(6)の冷却時の雰囲気としては、Ar、Ne、He、窒素等の不活性ガス雰囲気であり、圧力条件は特に限定されないが、10-5〜107Pa程度、好ましくは50〜2×105 Pa程度、より好ましくは100〜1.2×105Pa程度である。
【0110】
上記第一製法又は第二製法で得られる炭素質材料から、該材料を構成するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を単離することもできる。
【0111】
本発明の上記第一製法又は第二製法により得られるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、以下の様な特異な性状を有している。
【0112】
壁部を構成するナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブは、公知のCNTsに比して、直線性が高い。直線性が高いので、嵩密度が高くでき、一定容積の中に多くのカーボンチューブを詰め込むことが出来るために、高密度にパッキングが可能となる。また、電子放出用途のためには、直線性の高いことが利点となる。
【0113】
チューブ壁で囲まれた空間部の10〜90%がコバルト又はコバルト合金により充たされている。空間部内に存在するコバルト又はコバルト合金は、実施例から明らかな様に、高度に発達した結晶状態で存在する。従って、内包体が磁性を示し、表層がカーボンで覆われているため、耐久性に優れた新規な分子磁石が得られる。
【0114】
金属を内包しないカーボンナノチューブの電気的又は磁気的特性は壁の構造に大きく依存することが知られているが、特定の電気的又は磁気的特性を均一に引き出すには、その壁構造を精緻に制御する必要がある。例えば、内包物が存在していない中空の単層カーボンナノチューブでは、グラフェンシートの巻き方がアームチェア型、ジグザク型、キラル型で導電特性が異なり、導電体や半導体になることが理論的に知られている。しかし、その壁構造を精緻に制御することは、現在の合成技術では極めて困難である。
【0115】
これに対して、本発明のナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブの中空部にコバルト又はコバルト合金を10〜90%内包する本発明の炭素材料は、その電気的又は磁気的特性が、炭素からなる壁構造よりも内包金属に主として起因するため、壁構造の精緻な制御を必要としない点で優れており、製造も容易である。特にナノフレークカーボンチューブの場合、黒鉛性を保持したまま、壁構造が等方性を有することになるので、電気的特性が内包金属に依存する割合が高くなり、特性の制御が容易となる。
【0116】
コバルト又はコバルト合金を内包する直線性の高い本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、電子放出能に優れており、磁性の配向性が高く、FED(field emission display)用途に適した材料となり得る。
【0117】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を導電助剤として樹脂等に配合して使用した場合でも、少量の配合量で導電性の向上が認められるため、樹脂成形体において、樹脂本来の透明性、色相等が損なわれない。
【0118】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を樹脂に配合することにより、樹脂成形体の強度が増すという利点もある。
【0119】
更に、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、化学処理により壁部の一部を開口する場合には、内包する金属等を徐放することができる。
【0120】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層詳しく説明する。
【0121】
実施例1
図1に示すような反応装置を使用し、次のようにして本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を得た。
【0122】
工程 (1)
無水CoCl2(関東化学株式会社製)0.2gをニッケルボート内に薄く広げて敷き詰める。これを石英管からなる炉内中央に設置し、炉内を圧力50Paまで減圧する。このとき、真空吸引するラインを取り付けた反応炉端部とは反対側(図1の反応管の左側)から酸素5000ppm含有アルゴンガスを50ml/minの速度で供給する。これにより、反応炉容積をA(リットル)とし、酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aを、6×10-3とした。次いで、反応温度1000℃まで減圧のまま昇温する。
【0123】
工程 (2)
1000℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、圧力を6.7×104Paに制御する。一方、熱分解性炭素源として、ベンゼン槽にアルゴンガスをバブリングさせて、揮発したベンゼンとアルゴンの混合ガスを、反応炉容積1リットル当たり、60ml/minの流速で炉内に導入し、希釈ガスとして、アルゴンガスを40ml/minの流速で導入する。
【0124】
1000℃の反応温度で90分間反応させ、500℃まで20分で降温後、ヒーターを取り外して20分で室温まで空冷することにより、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を300mg得た。
【0125】
SEM観察の結果から、得られたコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、外径20〜50nm、長さ3〜5ミクロンで直線性の高いものであった。また、炭素からなる壁部の厚さは、2〜10nmであり、全長に亘って実質的に均一であった。また、該壁部は、TEM観察及びX線回折法から炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するナノフレークカーボンチューブであることを確認した。また、X線回折、EDXにより、上記本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体には炭化コバルトが内包されていることを確認した。
【0126】
得られた本発明の炭素質材料を構成する多数のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体(炭化コバルト内包炭素複合体)を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、ナノフレークカーボンチューブの空間部(即ち、ナノフレークカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)への炭化コバルトの充填率が10〜80%の範囲の種々の充填率を有するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体が混在していた。
【0127】
ちなみに、該多数のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体のナノフレークカーボンチューブ内空間部への炭化コバルトの平均充填率は45%であった。下記表1に、得られたコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体のTEM観察像の複数の視野を観察して算出した炭化コバルトの平均充填率を示す。また、X線回折から算出されたR値は、0.58であった。
【0128】
【表1】
【0129】
内包物について、鮮明な電子回折パターンが観測されており、内包物は高い結晶性を有していた。TEM観察の結果、内包物の結晶化率(炭化コバルトが充填されている範囲のTEM像の面積に対する、結晶性炭化コバルトのTEM像の面積の割合)は、約100%であった。
【0130】
本実施例1で得られた炭素質材料においてはその炭素壁面が、入れ子状でもスクロール状でもなく、パッチワーク状(いわゆる paper mache 状ないし張り子状)になっているように見え、ナノフレークカーボンチューブであった。
【0131】
本実施例で得られたコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブの形状は、円筒状であり、その長手方向を横切る断面のTEM写真において観察されるグラフェンシート像は、閉じた環状ではなく、不連続点を多数有する不連続な環状であった。
【0132】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合において、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長さは、概ね2〜30nmの範囲であった。
【0133】
実施例2
図1に示すような反応装置を使用し、次のようにして本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を得た。
【0134】
工程 (1)
CoCl2・4H2O(関東化学株式会社製)0.2gをニッケルボート内に薄く広げて敷き詰める。これを石英管からなる炉内中央に設置し、炉内を圧力50Paまで減圧する。このとき、真空吸引するラインを取り付けた反応炉端部とは反対側(図1の反応管の左側)から酸素5000ppm含有アルゴンガスを10ml/minの速度で供給する。これにより、反応炉の内容積をA(リッル)とし、酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aを、6×10-3とした。次いで、反応温度1000℃まで減圧のまま昇温する。
【0135】
工程 (2)
1000℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、圧力を6.7×104Paに制御する。一方、熱分解性炭素源として、ベンゼン槽にアルゴンガスをバブリングさせて、揮発したベンゼンとアルゴンの混合ガスを、反応炉容積1リットル当たり、60ml/minの流速で炉内に導入し、希釈ガスとして、アルゴンガスを40ml/minの流速で導入する。
【0136】
1000℃の反応温度で90分間反応させることにより、500℃まで20分で降温後、ヒーターを取り外して20分で室温まで空冷することで本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を200mg得た。
【0137】
SEM観察の結果から、得られた炭素質材料を構成するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、直径20〜40nm、長さ3〜5ミクロンで直線性の高いものであった。また、炭素からなる壁部の厚さは、2〜10nmであり、全長に亘って実質的に均一であった。また、該壁部は、TEM観察及びX線回折法から、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するナノフレークカーボンチューブであることを確認した。
【0138】
上記本発明の炭素質材料を構成する多数のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、ナノフレークカーボンチューブの空間部(ナノフレークカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)への充填率が10〜80%の範囲の種々の充填率を有するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体が混在していた。
【0139】
TEM観察の結果から、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料において、ナノフレークカーボンチューブ内空間部への平均充填率は45%(炭素質材料としての平均値)であった。また、実施例1と同様にしてX線回折から算出されたR値は、0.48であった。
【0140】
内包物について、鮮明な電子回折パターンが観測されており、内包物が高い結晶性を有することが分かった。TEM観察の結果、内包物の結晶化率は、約100%であった。
【0141】
本実施例で得られたコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブの形状は、円筒状であり、その長手方向を横切る断面のTEM写真において観察されるグラフェンシート像は、閉じた環状ではなく、不連続点を多数有する不連続な環状であった。
【0142】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合において、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長さは、概ね2〜30nmの範囲であった。
【0143】
実施例3
図2に示すような装置を用い、次の工程(1)及び(2)を行って本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を得た。
【0144】
工程 (1)
無水CoCl2(関東化学株式会社製)0.2gを磁製ボート内に薄く広げて敷き詰める。これを炉内下流側に設置する。また、磁製ボートに入れたジシクロペンタジエニルコバルトを炉内上流側に設置する。
【0145】
炉内を圧力50Paまで減圧する。このとき、真空吸引するラインの反対側から酸素5000ppm含有アルゴンガスを50ml/minの速度で供給する。これにより、反応炉容積をA(リットル)とし、酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aを、6×10-3とした。次いで、反応温度1000℃まで減圧のまま昇温する。
【0146】
工程 (2)
反応温度1000℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、圧力を6.7×104Paに制御する。一方、炉内上流側に設置した磁製ボート中のジシクロペンタジエニルコバルトを、200℃まで圧力を6.7×104Paに維持して昇温する。
【0147】
また、熱分解性炭素源として、ベンゼン槽にアルゴンガスをバブリングさせて、揮発したベンゼンとアルゴンの混合ガスを、反応炉容積1リットル当たり、60ml/minの流速で炉内に導入し、希釈ガスとして、アルゴンガスを40ml/minの流速で導入する。1000℃の反応温度で90分間反応させた。
【0148】
次いで、500℃まで20分で降温後、ヒーターを取り外して20分で室温まで空冷することにより、コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を、反応管内に400mg得た。
【0149】
SEM観察の結果から、得られたコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、直径20〜40nm、長さ3〜5ミクロンで直線性の高いものであった。
【0150】
また、炭素からなる壁部の厚さは、5〜15nmであり、全長に亘って実質的に均一であった。また、該壁部は、TEM観察及びX線回折法から炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するナノフレークカーボンチューブであることを確認した。
【0151】
上記本発明の炭素質材料を構成する多数のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、ナノフレークカーボンチューブの空間部(ナノフレークカーボンチューブの炭素壁で囲まれた空間)への充填率が25〜90%の範囲の種々の充填率を有するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体が混在していた。
【0152】
内包物について鮮明な電子回折パターンが観測され、内包物は高い結晶性を有していた。TEM観察の結果、内包物の結晶化率は、約100%であった。
【0153】
TEM観察の結果から、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料において、ナノフレークカーボンチューブ内空間部への平均充填率(炭素質材料としての平均値)は70%であった。また、実施例1と同様にしてX線回折から算出されたR値は、3.5であった。
【0154】
本実施例で得られたコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブの形状は、円筒状であり、その長手方向を横切る断面のTEM写真において観察されるグラフェンシート像は、閉じた環状ではなく、不連続点を多数有する不連続な環状であった。
【0155】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合において、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長さは、概ね2〜30nmの範囲であった。
【0156】
実施例4
図1に示すような反応装置において、反応管をカーボン製として耐熱性を高めて使用し、次のようにして本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を得た。
【0157】
工程 (1)
無水CoCl2(関東化学株式会社製)0.2gを磁製ボート内に薄く広げて敷き詰める。これを石英管からなる炉内中央に設置し、炉内を圧力50Paまで減圧する。このとき、真空吸引するラインの反対側から酸素5000ppm含有アルゴンガスを5ml/minの速度で供給する。これにより、反応炉の内容積をA(リットル)とし、酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aを、2.5×10-3とした。次いで、反応温度1000℃まで減圧のまま昇温する。
【0158】
工程 (2)
1000℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、圧力を6.7×104Paに制御する。一方、熱分解性炭素源として、ベンゼン槽にアルゴンガスをバブリングさせて、揮発したベンゼンとアルゴンの混合ガスを、反応炉容積1リットル当たり、30ml/minの流速で炉内に導入し、希釈ガスとして、アルゴンガスを20ml/minの流速で導入する。
【0159】
1000℃の反応温度で120分間反応させた後、1000℃のまま圧力50Paまで減圧する。その後、アルゴン雰囲気で9.0×104Paにし、炉内を、1400℃まで120分で昇温後、1400℃で6時間維持し、500℃まで24時間で冷却し、ヒーターを取り外して室温まで放冷することで本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を180mg得た。
【0160】
SEM観察の結果から、得られた炭素質材料を構成するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、直径20〜50nm、長さ、2〜5ミクロンで直線性の高いものであった。また、炭素からなる壁部の厚さは、2〜10nmであり、全長に亘って実質的に均一であった。また、該壁部は、TEM観察及びX線回折法から、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有する入れ子構造の多層カーボンナノチューブであることを確認した。
【0161】
上記本発明の炭素質材料を構成する多数のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、入れ子構造の多層カーボンナノチューブの空間部(入れ子構造の多層カーボンナノチューブのチューブ壁で囲まれた空間)への充填率が10〜50%の範囲の種々の充填率を有するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体が混在していた。
【0162】
内包物について鮮明な電子回折パターンが観測され、内包物が高い結晶性を有していた。TEM観察の結果、内包物の結晶化率は、約100%であった。
【0163】
TEM観察の結果から、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料において、入れ子構造の多層カーボンナノチューブ内空間部への平均充填率は20%(炭素質材料としての平均値)であった。また、実施例1と同様にしてX線回折から算出されたR値は、0.38であった。
【0164】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような顕著な効果が達成される。
【0165】
本発明の製造方法によると、炭素材の壁部で囲まれた空間部の10〜90%がコバルト又はコバルト合金により充たされた新規な構成を有するコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を、簡便な手法により高収率でかつ大量に得ることができる。
【0166】
得られたコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、空間部の10〜90%にコバルト又はコバルト合金を内包する点において、カーボンナノチューブの先端にコバルトが存在する公知材料とは、構造上明確に相違するものであり、特異な構造に基づく新規な特異な性質を有する新規材料である。
【0167】
また、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、耐久性に優れたグラファイト壁で囲まれた空間に金属が内包されているので、特性の劣化を殆ど生じない半永久的な導電体乃至分子導電線、及び、磁性体乃至分子磁石としての機能を備えている。
【0168】
従って、本発明によるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、電子放出材料、コバルト徐放性材料、磁気記録材料、摺動材料、導電性フィブリル、磁性材料、磁性流動体、超伝導材料、耐摩耗性材料、半導体材料などとして、極めて有用である。
【0169】
また、本発明では、内包物であるコバルト又はコバルト合金によりカーボンチューブ内空間部の全体が充填されているのではなく、該空間部の10〜90%が充填されているので製造が容易であり、カーボンナノチューブ単独からなる材料に比べて電気伝導度が高く、磁性も付与でき、その他ナノサイズの量子効果が期待できる点で優れている。
【0170】
また、内包物であるコバルト又はコバルト合金の内包率がカーボンチューブ内空間部の10〜90%の範囲のものを製造できるので、特定の内包率を有する本発明コバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を選択することにより、電気的特性、磁気特性、比重等の諸物性を制御できる。
【0171】
比重に関しては、他物質との複合化の際、内包率100%、即ちカーボンチューブの全長に亘ってコバルトなどの金属が内包されている複合体は、内包金属のために比重が高すぎて、他物質中への均一分散が困難となる場合もある。しかし、本発明のコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は内包率10〜90%の範囲で内包金属量を減少させることができるので、均一混合が容易となる。
【0172】
特に、本発明のナノフレークカーボンチューブとコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体は、次のような利点を有している。
(a) 電子放出の起点が多い。グラフェンシートのエッジからも電子放出が起こる可能性が大きいので、大きな電流密度を得る観点から有利である。
(b)黒鉛性が高いので寿命特性に優れる。
(c)ペーストとの馴染みが良くなる。黒鉛性が高いと、ペースト化の際、溶媒、ペースト剤との馴染みが悪くなるが、ナノフレークカーボンチューブとコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体はグラフェンシートのエッジの効果のためか、ペースト化が容易である。
(d)放熱性が良い。
(e)構造制御が容易である。側壁がフレーク状ないし張り子状であるため、切断加工、表面修飾などの構造制御が容易となる。
(f)フレキシブルである。側壁がフレーク状ないし張り子状であるために柔軟性が付与され、複合材料等に用いた場合には剛性と耐衝撃性を両立させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法を行うための製造装置の一例を示す概略図である。
【図2】本発明の製造方法を行うための製造装置の他の例を示す概略図である。
【図3】カーボンチューブのTEM像の模式図を示し、(a-1)は、円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図であり、(a-2)は入れ子構造の多層カーボンナノチューブのTEM像の模式図である。
【符号の説明】
1 反応炉
2 加熱装置
3 加熱装置
100 ナノフレークカーボンチューブの長手方向のTEM像
110 略直線状のグラフェンシート像
200 ナノフレークカーボンチューブの長手方向にほぼ垂直な断面のTEM像
210 弧状グラフェンシート像
300 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシート像
400 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの長手方向に垂直な断面のTEM像[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to cobalt or a cobalt alloy-containing carbon composite containing a cobalt-based compound such as cobalt or a cobalt alloy, a carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
A carbon nanotube is a hollow carbon material in which a graphite sheet (that is, a carbon atom plane or graphene sheet of a graphite structure) is closed like a tube, its diameter is nanometer scale, and the wall structure has a graphite structure. . Such a carbon nanotube was discovered in 1991 by Sumio Iijima. Among the carbon nanotubes, one with a single graphite sheet whose wall structure is closed in a tube shape is called a single-walled carbon nanotube, and a plurality of graphite sheets are each closed in a tube shape and are nested. It is called a multi-walled carbon nanotube with a nested structure.
[0003]
In addition, it has been reported that a graphite wall structure has a scroll shape, which is similar to an ordinary multi-walled carbon nanotube having a nested structure, but has a different wall structure made of carbon.
[0004]
In recent years, with the aim of improving electrical and magnetic properties of conductors, electron emitters, etc., a metal is encapsulated in a hollow portion surrounded by a tube wall such as these carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as “CNTs”). Attempts have been made.
[0005]
For example, Japanese Patent No. 2546114 describes a foreign substance-encapsulated carbon nanotube in which a substance other than carbon such as metal is encapsulated in a hollow hole at the center of a nested multi-layer carbon nanotube. The foreign substance-encapsulated carbon nanotube is obtained by depositing a substance other than carbon on the tip of the carbon nanotube at the same time as or after removing the cap end of the nested multi-walled carbon nanotube that has been closed like a cap. It is manufactured by introducing into the hollow hole in the center of the tube from the tip of the tube.
[0006]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-142819 describes a carbon tube in which a foreign substance is included in a carbon tube having a diameter of 10 nm to 1 μm and a length of 1 to 100 μm. This foreign substance-encapsulating carbon tube uses an inorganic substance having substantially straight pores as a mold, and carbonizes an organic substance coated on the inner walls of the pores by heating, or gas in the pores. A carbon tube is temporarily produced by vapor-phase carbonization of a hydrocarbon in a gaseous state, and then a foreign substance is brought into contact with the tube in a solution state or a molten state to the hollow portion of the carbon tube. It is produced by inserting foreign substances (inorganic substances are dissolved and removed before or after insertion).
[0007]
Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-204471 discloses a fine metal wire made of a fine wire material having a diameter of 1 to 100 nm and a ratio of the diameter to the long axis length of 50 or more, particularly a fine metal wire covered with a carbon tube. Is described. The manufacturing method of the fine metal wire covered with the carbon tube is the same as the manufacturing method described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-142819, and a cylindrical shape is formed on the inner wall of an inorganic substance having substantially linear pores. It is manufactured by a manufacturing method comprising a first step of forming carbon and a second step of depositing metal inside the cylindrical carbon.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method requires at least two steps of once forming a carbon tube and then inserting a foreign substance, which is complicated in terms of management and control of each step and has low productivity. Further, in the production methods described in JP-A Nos. 9-142819 and 2000-204471, a step of dissolving and removing the inorganic substance used as the mold is necessary.
[0009]
In addition, a method has been developed for obtaining a composite in which a metal such as cobalt is enclosed in a space surrounded by a wall made of carbon of a tubular carbon material such as a carbon nanotube in a carbon tube at a mg scale or more. Not. For this reason, no practical practical research has been conducted on a carbon-metal composite in which a metal such as cobalt is encapsulated in a hollow portion of a tubular carbon material.
[0010]
The main object of the present invention is to provide a composite in which a metal such as cobalt is enclosed in a substantial portion of the space surrounded by the carbon tube, a carbonaceous material containing such a composite, and a method for producing the same. Objective.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of conducting research in view of the current state of the prior art as described above, the present inventors have found the following matters.
[0012]
(1) (1) Pressure is 10 in an inert gas atmosphere.-FiveThe oxygen concentration in the reactor is adjusted to Pa to 200 kPa, and the ratio B / A when the reactor volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 1 × 10-Ten~ 1x10-1In a reaction furnace, the cobalt halide or (a) cobalt halide and (b) a halide such as other metals are heated to 600 to 1100 ° C. in a reaction furnace. ) The inside of the reactor is an inert gas atmosphere, and the pressure is 10-FiveBy adjusting to Pa to 200 kPa, introducing a pyrolyzable carbon source and performing heat treatment at 600 to 1100 ° C., cobalt made of cobalt or cobalt alloy contained in the tube and a space inside the tube or A carbon material containing a cobalt alloy-encapsulating carbon composite can be produced all at once.
[0013]
(2) In the cooling step after the above step (2), the tube made of carbon obtained by controlling the cooling rate to a specific range has a plurality of flake-like graphite sheets (usually many) patchwork. This is a carbon tube made of an aggregate of graphite sheets, which is considered to be configured in the shape of a shape or a tensioner. In this specification, this carbon tube is referred to as a “nano flake carbon tube”. This nano flake carbon tube is a single-walled carbon nanotube in which a single graphite sheet is closed in a cylindrical shape or a multi-walled carbon nanotube in which a plurality of graphite sheets are closed in a cylindrical shape and are concentric cylindrical or nested. It is a tubular carbon material with a completely different structure.
[0014]
(3) The space in the tube of the nano flake carbon tube (that is, the space surrounded by the tube wall of the nano flake carbon tube) is a substantial part of the space, particularly 10 to 90% of the space is cobalt. Alternatively, it is filled with a cobalt alloy to form a cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite.
[0015]
(4) Further, as a subsequent step of the above step (2), the tube made of carbon obtained by heat treatment in an inert gas and cooling at a specific cooling rate becomes a multi-walled carbon nanotube with a nested structure. Become. A space in the tube of the multi-walled carbon nanotube is filled with cobalt or a cobalt alloy in a substantial part of the space, particularly 10 to 90% of the space, thereby forming a cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite. ing.
[0016]
The present invention has been completed through further studies based on these findings, and provides the following cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite and a method for producing the same.
[0017]
Item 1 (a) A carbon tube selected from the group consisting of nano-flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, and (b) cobalt or cobalt alloy-containing carbon composites consisting of cobalt or a cobalt alloy, Cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite, characterized in that 10 to 90% of the space is filled with cobalt or cobalt alloy.
[0018]
[0019]
[0020]
Item 4. The cobalt or cobalt alloy-encapsulated carbon composite according to any one of
[0021]
Item 5. The cobalt or cobalt alloy-encapsulated carbon composite according to any one of
[0022]
Item 6 The cobalt alloy contains 55% by weight or more of cobalt and is selected from the group consisting of carbon, Co, Fe, Cu, Mn, Cr, Pb, Zn, Mo, Al, Ti, Nb, Ta, S, and Si. Item 6. The cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite according to any one of
[0023]
Item 7 (a) A carbon tube selected from the group consisting of nano-flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes and (b) cobalt or a cobalt alloy, and cobalt or cobalt in 10 to 90% of the space in the carbon tube A carbonaceous material containing cobalt or a cobalt alloy-containing carbon composite filled with an alloy.
[0024]
Item 8 25mm for 1mg of carbonaceous material2In the powder X-ray diffraction measurement of irradiating CuKα X-rays with the above irradiation area, the strongest integrated intensity among the peaks of 40 ° <2θ <50 ° attributed to cobalt or cobalt alloy contained in the carbon tube Where Ia is the integrated intensity of the peak indicating Ia, and Ib is the integrated intensity of the peak at 26 ° <2θ <27 ° attributed to the average distance (d002) between the carbon network surfaces of the carbon tube. Item 8. The carbonaceous material according to Item 7, wherein the ratio R is 0.3 to 4.4.
[0025]
Item 9 The cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite is linear, has an outer diameter of 1 to 100 nm, and has a wall thickness of 49 nm or less and is substantially uniform over the entire length. Item 9. The carbonaceous material according to Item 7 or 8, wherein the aspect ratio L / D is 5 to 10,000 when the length is L and the outer diameter is D.
[0026]
[0027]
Item 11. The carbonaceous material according to any one of Items 7 to 10, wherein the carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite is a nanoflake carbon tube.
[0028]
Item 12. The carbonaceous material according to any one of Items 7 to 10, wherein the carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite is a nested multi-walled carbon nanotube.
[0029]
Item 13 The cobalt alloy contains 55 wt% or more of cobalt, and is selected from the group consisting of carbon, Co, Fe, Cu, Mn, Cr, Pb, Zn, Mo, Al, Ti, Nb, Ta, S, and Si. Item 14. The cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite according to any one of Items 7 to 13, which is an alloy further containing at least one kind.
[0030]
Item 14 (a) A carbon tube selected from the group consisting of a nano-flake carbon tube and a multi-layer carbon nanotube with a nested structure, and (b) cobalt or a cobalt alloy, and cobalt or cobalt in 10 to 90% of the space in the carbon tube A method for producing a carbonaceous material containing cobalt or a cobalt alloy-containing carbon composite filled with an alloy,
(1) Pressure is 10 in an inert gas atmosphere.-FiveThe oxygen concentration in the reactor is adjusted to Pa to 200 kPa, and the ratio B / A when the reactor volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 1 × 10-Ten~ 1x10-1The cobalt halide is heated to 600 to 1100 ° C. in a reaction furnace, or (a) cobalt halide and (b) iron halide, nickel halide, copper halide, halogen At least one selected from the group consisting of manganese halide, chromium halide, lead halide, zinc halide, molybdenum halide, aluminum halide, titanium halide, niobium halide, tantalum halide, sulfur halide, and silicon halide Heating the seed to 600-1100 ° C., and
(2) The inside of the reactor is an inert gas atmosphere and the pressure is 10-FiveThe manufacturing method characterized by including the process of adjusting to Pa-200kPa, introducing a heat-decomposable carbon source, and heat-processing at 600-1100 degreeC.
[0031]
Item 15 Cobalt or cobalt alloy filled in 10 to 90% of the nano-flake carbon tube and the space in the tube by cooling to 500 ° C. at 50 to 2000 ° C./h after the heat treatment step of step (2) Item 15. The method according to Item 14, wherein a carbonaceous material containing cobalt or a cobalt alloy-containing carbon composite is formed.
[0032]
Item 16 After the heat treatment step of step (2),
(3) A step of replacing the inside of the reactor with an inert gas while maintaining the temperature of step (2),
(4) A step of raising the temperature in the reactor substituted with an inert gas to 1100 to 1450 ° C.,
(5) a step of maintaining the end point temperature at the end point of temperature increase until a multi-walled carbon nanotube with a nested structure is formed, and
(6) The process of cooling the reactor at a rate of 50 ° C / h or less
To produce a carbonaceous material including a multi-walled carbon nanotube with a nested structure and cobalt or a cobalt alloy-containing carbon composite made of cobalt or a cobalt alloy filled in 10 to 90% of the space in the tube. 14. The production method according to 14.
[0033]
Item 17 The method according to Item 14, wherein the heat treatment in the step (2) is performed in the presence of an organic cobalt complex.
[0034]
Item 18. The method according to Item 17, wherein the organic cobalt complex is dicyclopentadienyl cobalt or a cobalt carbonyl complex.
[0035]
Item 19 The method according to any one of Items 14 to 18, wherein the cobalt halide is a chloride of cobalt.
[0036]
[0037]
Item 21 The pyrolyzable carbon source is selected from the group consisting of aromatic hydrocarbons having 6 to 12 carbon atoms, saturated aliphatic hydrocarbons having 1 to 10 carbon atoms, and unsaturated aliphatic hydrocarbons having 2 to 5 carbon atoms. Item 21. The method according to any one of Items 14 to 20, which is at least one.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite of the present invention
The cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite according to the present invention comprises (a) a carbon tube selected from the group consisting of a nano-flake carbon tube and a multi-walled carbon nanotube with a nested structure, and (b) cobalt or a cobalt alloy. In addition, substantially all of the space inside the carbon tube (that is, the space surrounded by the tube wall) is not filled, but a part of the space, more specifically about 10 to 90%, especially About 30 to 80%, preferably about 40 to 70% is filled with cobalt or a cobalt alloy.
[0039]
In the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention, the carbon part is subjected to the production steps (1) and (2), and then cooled at a specific rate to become a nanoflake carbon tube, and the production step (1) and After performing (2), heat treatment is performed in an inert gas, and cooling is performed at a specific cooling rate, so that a multi-walled carbon nanotube with a nested structure is obtained.
[0040]
<(A-1) Nano flake carbon tube>
The nano-flake carbon tube of the present invention and cobalt or a cobalt alloy-containing carbon composite made of cobalt or a cobalt alloy are typically cylindrical. FIG. 3 (a-1) shows a schematic diagram of a TEM image of such a columnar nano-flake carbon tube. In (a-1) of FIG. 3, 100 schematically shows a TEM image in the longitudinal direction of the nano flake carbon tube, and 200 indicates a TEM image in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction of the nano flake carbon tube. This is shown schematically.
[0041]
As is apparent from 200 of FIG. 3 (a-1), the nanoflakes carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is observed by a TEM observation of a cross section across its longitudinal direction. A large number of arc-shaped graphene sheet images are gathered in a tube structure having a multilayer structure, but each graphene sheet image does not form a completely closed continuous ring, as shown in 210, 214, for example. It forms a discontinuous ring that is interrupted along the way. Some graphene sheet images may be branched as indicated by 211. At the discontinuity point, a plurality of arc-shaped TEM images constituting one discontinuous ring may have a partially disturbed layer structure as indicated by 222 in FIG. As shown by 223, there may be a space between adjacent graphene sheet images, but a large number of arc-shaped graphene sheet images observed by TEM form a multilayer tube structure as a whole. Yes.
[0042]
Further, as is clear from 100 in FIG. 3 (a-1), when the longitudinal direction of the nano flake carbon tube is observed by TEM, a number of substantially straight graphene sheet images are included in the cobalt or cobalt alloy inclusion of the present invention. The
[0043]
The structure of the nanoflake carbon tube of the present invention is greatly different from the conventional multi-walled carbon nanotube. That is, as shown by 400 in FIG. 3 (a-2), the multi-walled carbon nanotube having a nested structure has a TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction thereof, as shown by 410, and a completely circular TEM image. A concentric tube, and a structure in which straight
[0044]
Although the details have not been fully elucidated from the above, the nano-flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention has a large number of flake-like graphene sheets overlapping in a patchwork or tension form. It seems to form a tube as a whole.
[0045]
Such a nano-flake carbon tube of the present invention and a cobalt or cobalt alloy-encapsulated carbon composite made of cobalt or a cobalt alloy encapsulated in the space inside the tube have a nested structure as described in Japanese Patent No. 2546114. Compared to the composite in which the metal is included in the space in the tube of the multi-walled carbon nanotube, the structure of the carbon tube is greatly different, and it is a novel carbon material that has not been known so far.
[0046]
In the case of TEM observation of the nano flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention, each graphene sheet relates to a number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction. The length of the image is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm. That is, as indicated by 100 in FIG. 3 (a-1), a large number of TEM images of the substantially linear graphene sheet indicated by 110 are collected to form a TEM image of the wall portion of the nanoflake carbon tube. The length of each substantially linear graphene sheet image is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm.
[0047]
The carbon portion of the wall portion of the nano flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention has a tube shape as a whole with a plurality of flake-like graphene sheets oriented in the longitudinal direction as described above. However, when measured by the X-ray diffraction method, the carbon fiber has an average distance (d002) between the carbon network surfaces of 0.34 nm or less.
[0048]
Moreover, the thickness of the wall part which consists of the nano flake carbon tube of the cobalt or cobalt alloy inclusion | inner_cover carbon composite of this invention is 49 nm or less, Especially about 0.1-20 nm, Preferably it is about 1-10 nm, Comprising: It is substantially uniform throughout.
[0049]
<(A-2) Nested multi-walled carbon nanotubes>
As described above, by performing the specific heating step after performing the steps (1) and (2), the carbon tube constituting the obtained cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite is a multi-layer carbon nanotube having a nested structure. It becomes.
[0050]
The nested multi-walled carbon nanotube thus obtained is a concentric tube in which a TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction forms a complete circle, as indicated by
[0051]
The carbon portion of the wall portion of the nested multi-walled carbon nanotube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention has an average distance (d002) between carbon network surfaces of 0 when measured by X-ray diffraction. It has a graphite structure of .34 nm or less.
[0052]
Further, the thickness of the wall portion composed of the multi-walled carbon nanotube of the nested structure of the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is 49 nm or less, particularly about 0.1 to 20 nm, preferably about 1 to 10 nm, It is substantially uniform over the entire length.
[0053]
<(B) Cobalt or cobalt alloy contained>
In this specification, the filling rate (10 to 90%) of cobalt or a cobalt alloy in the space part in the carbon tube is observed with a transmission electron microscope for the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite obtained by the present invention. This is the ratio of the area of the image of the portion filled with cobalt or cobalt alloy to the area of the image of the space of each carbon tube (that is, the space surrounded by the tube wall of the carbon tube).
[0054]
The filling form of cobalt or cobalt alloy includes a form in which the space in the carbon tube is continuously filled and a form in which the space in the carbon tube is filled intermittently. Filled. Therefore, the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention should also be referred to as a metal-encapsulated carbon composite, a cobalt compound-encapsulating carbon composite, or a cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite.
[0055]
In the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention, examples of the cobalt alloy encapsulated in the carbon tube include various cobalt-based alloys. For example, cobalt is 55% by weight or more (preferably 55 to 95% by weight). %), Especially 65% by weight or more (preferably 65 to 95% by weight), with the balance being carbon, Ni, Fe, Cu, Mn, Cr, Pb, Zn, Mo, Al, Ti, Nb, Ta, S and An alloy that is at least one selected from the group consisting of Si is preferable.
[0056]
Among these cobalt alloys, in particular, iron-cobalt, iron-cobalt-nickel containing 55 wt% or more (preferably 55 to 95 wt%), particularly 65 wt% or more (preferably 65 to 95 wt%) of cobalt, Cobalt-nickel, copper-cobalt, cobalt-chromium and the like, and these carbon-containing alloys are preferred.
[0057]
Carbon, sulfur and silicon are not metals, but in this specification, the term “alloy” means that at least one selected from the group consisting of carbon, sulfur and silicon is cobalt or other than cobalt and cobalt. The materials contained in alloys with these metals (Ni, Fe, Cu, Mn, Cr, Pb, Zn, Mo, Al, Ti, Nb, Ta) are also included.
[0058]
The cobalt or cobalt alloy included in the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is oriented in the longitudinal direction of the carbon tube, has high crystallinity, and is filled with cobalt or a cobalt alloy. The ratio of the area of the TEM image of crystalline cobalt or cobalt alloy to the area of the TEM image (hereinafter referred to as “crystallization rate”) is generally about 90 to 100%, particularly about 95 to 100%.
[0059]
The high crystallinity of the included cobalt or cobalt alloy is because the TEM images of the inclusions are arranged in a lattice pattern when TEM observation is performed from the side surface of the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention. It is clear, and it is also clear from the fact that a clear diffraction pattern can be obtained from electron diffraction.
[0060]
Moreover, it can be easily confirmed with an electron microscope and EDX (energy dispersive X-ray detector) that cobalt or a cobalt alloy is included in the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention.
[0061]
<Overall shape of cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite>
The cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is less curved, straight, and has a uniform thickness over the entire length of the wall, so it is homogeneous over the entire length. It has a different shape. The shape is columnar and mainly cylindrical.
[0062]
The outer diameter of the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite according to the present invention is usually about 1 to 100 nm, particularly about 1 to 50 nm, preferably about 1 to 30 nm, more preferably 10 to 30 nm. It is in the range of the degree. The aspect ratio (L / D) of the tube length (L) to the outer diameter (D) is about 5 to 10,000, and particularly about 10 to 1,000.
[0063]
The term “linear”, which is one term representing the shape of the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention, is defined as follows. That is, the carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention was observed in a range of 200 to 2000 nm square by a transmission electron microscope, the length of the image was set to W, and the image was straightened. When the length of time is Wo, it means a shape characteristic in which the ratio W / Wo is 0.8 or more, particularly 0.9 or more.
[0064]
Carbonaceous material containing cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite
The cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention has the following properties when viewed as a bulk material. That is, in the present invention, cobalt or a cobalt alloy is filled in the range of 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube selected from the nano flake carbon tube and the multi-walled carbon nanotube of the nested structure as described above. Cobalt alloy inclusion carbon composite is not a trace amount that can be barely observed by microscopic observation, but is a bulk material containing a large number of the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite, It is obtained in a large amount in the form of a material that should be referred to as a carbonaceous material containing cobalt or a cobalt alloy.
[0065]
In the carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention, basically, in almost all (particularly 99% or more) carbon tubes, the space (that is, the tube wall of the carbon tube). In general, a carbon tube in which 10 to 90% of the space) is filled with cobalt or a cobalt alloy and the space portion is not filled is substantially absent. However, in some cases, a small amount of carbon tubes not filled with cobalt or a cobalt alloy may be mixed.
[0066]
Moreover, in the carbonaceous material of the present invention, cobalt or a cobalt alloy-encapsulating carbon composite in which 10 to 90% of the above-described carbon tube inner space is filled with cobalt or a cobalt alloy is a main constituent. In addition to the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention, soot may be contained. In such a case, components other than the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite of the present invention are removed to improve the purity of the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite in the carbonaceous material of the present invention. It is also possible to obtain a carbonaceous material consisting only of the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the invention.
[0067]
Also, unlike materials that could only be confirmed in microscopic amounts by conventional microscopic observation, the carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention can be synthesized in large quantities, and its weight can easily be 1 mg or more. It can be. There is virtually no upper limit because the material of the present invention can be produced indefinitely by scaling up or repeating the process of the present invention described below. In general, the carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention may be in an amount of about 1 mg to 100 g, particularly about 10 to 1000 mg, even at a laboratory level with a reactor volume of about 1 liter. Can be easily provided.
[0068]
Inventive carbonaceous material is 25 mm per 1 mg of the carbonaceous material.2In the powder X-ray diffraction measurement in which the X-ray of CuKα is irradiated with the above irradiation area, it shows the strongest integrated intensity among the peaks of 40 ° <2θ <50 ° attributed to the included cobalt or cobalt alloy. When the integrated intensity of the peak is Ia, and the integrated intensity Ib of the peak of 26 ° <2θ <27 ° attributed to the average distance (d002) between the carbon network surfaces of the carbon tube, the ratio R ( = Ia / Ib) is preferably about 0.3 to 4.4, particularly about 0.4 to 3.5, and more preferably about 1.1 to 3.2.
[0069]
In this specification, the ratio of Ia / Ib is referred to as an R value. This R value is 25 mm in the X-ray diffraction method of the carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention.2Since the peak intensity is observed as the average value of the entire carbonaceous material when observed with the above X-ray irradiation area, the inclusion rate or filling in one cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite that can be measured by TEM analysis It shows not the rate but the average value of the cobalt or cobalt alloy filling rate or inclusion rate as the whole carbonaceous material which is an aggregate of cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite.
[0070]
The average filling rate of the entire carbonaceous material including a large number of cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composites of the present invention is obtained by observing a plurality of fields of view with TEM, and a plurality of cobalt or cobalt alloy-encapsulated carbons observed in each field of view. It can also be determined by measuring the average filling factor of cobalt or cobalt alloy in the composite and calculating the average value of the average filling factors of a plurality of visual fields. When measured by such a method, the average filling rate of cobalt or cobalt alloy as a whole carbonaceous material comprising the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is about 10 to 90%, particularly about 40 to 70%. .
[0071]
Cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention and method for producing carbonaceous material containing the same (first production method)
The carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention,
(1) Pressure is 10 in an inert gas atmosphere.-FiveThe oxygen concentration in the reactor is adjusted to Pa to 200 kPa, and the ratio B / A when the reactor volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 1 × 10-Ten~ 1x10-1The cobalt halide is heated to 600 to 1100 ° C. in the reaction furnace, or (a) cobalt halide and (b) iron halide, nickel halide, copper halide, halogen At least one selected from the group consisting of manganese halide, chromium halide, lead halide, zinc halide, molybdenum halide, aluminum halide, titanium halide, niobium halide, tantalum halide, sulfur halide, and silicon halide Heating the seed to 600-1100 ° C., and
(2) The inside of the reactor is an inert gas atmosphere and the pressure is 10-FiveIt adjusts to Pa-200kPa, is obtained by the manufacturing method including the process of introduce | transducing a heat-decomposable carbon source and heat-processing at 600-1100 degreeC.
[0072]
Here, “Ncc”, which is a unit of the oxygen amount B, means a volume (cc) when converted to a standard state of gas at 25 ° C.
[0073]
Examples of the cobalt halide which is a supply source of cobalt or a cobalt alloy contained therein and also exhibits a function as a catalyst include cobalt fluoride, cobalt chloride, cobalt bromide and the like. Among these, cobalt chloride Is preferred. Examples of cobalt chloride include CoCl2, CoCl2・ H2O, CoCl2・ 1.5H2O, CoCl2・ 2H2O, CoCl2・ 4H2O, CoCl2・ 6H2O, CoClThreeEtc., and at least one of these is used. The shape of these catalysts is not particularly limited, but usually, it is preferably used in a powder form, for example, a powder form having an average particle diameter of about 1 to 100 μm, particularly about 1 to 20 μm, or in a gaseous form.
[0074]
In addition, when obtaining a composite in which the inclusion is a cobalt alloy, the iron halide, nickel halide, copper halide, manganese halide, chromium halide, halogenated together with the cobalt halide in the reaction furnace. At least one selected from the group consisting of lead, zinc halide, molybdenum halide, aluminum halide, titanium halide, niobium halide, tantalum halide, sulfur halide, and silicon halide (hereinafter referred to as at least one species). “Cocatalyst”) may be present.
[0075]
Also in this case, the cobalt halide and the cocatalyst are preferably used in the form of powder having an average particle diameter of about 1 to 100 μm, particularly about 1 to 20 μm. The usage ratio of both may be selected as appropriate from a wide range, but generally the ratio is such that cobalt is the main component. For example, the cobalt halide is used in an amount of about 55 to 95% by weight, particularly about 65 to 95% by weight of the total amount of the cobalt halide and the cocatalyst.
[0076]
Cobalt halide and cocatalyst can be present in the reactor as follows: a) a method in which both are placed in different parts of the reactor, b) both are dry-mixed in advance, and the resulting mixture is placed in the reactor. C) a powder obtained by uniformly dissolving or dispersing both in an organic solvent (for example, a lower alcohol such as methanol) and then pulverizing the residue obtained by distilling off the organic solvent. The method etc. which are made to exist in a reaction furnace can be illustrated.
[0077]
As the pyrolytic carbon source, various organic compounds can be used, for example, aromatic hydrocarbons having 6 to 12 carbon atoms such as benzene, toluene, xylene, etc., carbon atoms of 1 such as methane, ethane, propane, butane, hexane and the like. Organic compounds such as 10 to 10 saturated aliphatic hydrocarbons and unsaturated aliphatic hydrocarbons having 2 to 5 carbon atoms such as ethylene, propylene, and acetylene. The liquid organic compound is usually used after being vaporized. Among these, benzene, toluene and the like are preferable.
[0078]
As a reaction apparatus used by this invention, an apparatus as shown in FIG. 1 can be illustrated, for example. In the apparatus of FIG. 1, the
[0079]
Process (1)
In the production method of the present invention, first, in the reaction furnace, the above-mentioned catalyst and raw material cobalt halide or (a) cobalt halide and (b) cocatalyst (that is, iron halide, cobalt halide) , Copper halide, manganese halide, chromium halide, lead halide, zinc halide, molybdenum halide, aluminum halide, titanium halide, niobium halide, tantalum halide, sulfur halide and silicon halide At least one selected from the group) in an inert gas atmosphere up to 600 to 1100 ° C., particularly about 800 to 1100 ° C.
[0080]
Inert gases include He, Ar, Ne, N2Etc. can be illustrated. The pressure in the reactor when the catalyst is heat-treated in an inert gas atmosphere is, for example, 10-FiveIt is preferably about Pa to 200 kPa, particularly about 0.1 kPa to 100 kPa.
[0081]
The heat treatment is performed until the temperature in the reaction furnace, particularly the temperature of the catalyst, reaches the thermal decomposition temperature of the pyrolytic carbon source used in the step (2). The pyrolysis temperature of the pyrolyzable carbon source varies depending on the type of the pyrolyzable carbon source, but in general, the temperature of the catalyst in the reaction furnace is about 600 to 1100 ° C, particularly about 800 to 1100 ° C. preferable.
[0082]
According to the study of the present inventor, it is preferable that a small amount of oxygen is present during the heating in step (1). When a large amount of oxygen is present, the cobalt halide or cocatalyst becomes an oxide such as cobalt oxide, and it is difficult to obtain a desired complex. Accordingly, the oxygen concentration in the reactor is 1 × 10, where the ratio B / A is 1 × 10 when the reactor volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc).-Ten~ 1x10-1, Especially 1 × 10-8~ 5x10-3It is preferable that the concentration be such that
[0083]
In this case, various methods can be adopted as the method for introducing oxygen. For example, a mixed gas composed of an inert gas such as argon containing about 5 to 0.01% of oxygen is introduced from the gas inlet of the reactor. It is preferable to add gradually.
[0084]
Process (2)
Next, in the present invention, as step (2), a reaction comprising cobalt halide heated to 600 to 1100 ° C. by heat treatment in step (1) or (a) cobalt halide and (b) a cocatalyst. The inside of the furnace is set to an inert gas atmosphere, and a heat decomposable carbon source is introduced from the gas inlet to perform heat treatment.
[0085]
The pressure at the time of heat treatment in this step (2) is 10-FiveIt is preferably about Pa to 200 kPa, particularly about 1 kPa to 100 kPa. The temperature during the heat treatment in step (2) is usually 600 ° C. or higher, particularly 600 to 1100 ° C., preferably about 750 to 1100 ° C.
[0086]
As a method for introducing a pyrolytic carbon source, for example, an inert gas carrying a pyrolytic carbon source such as benzene by bubbling an inert gas such as argon gas to the pyrolytic carbon source such as benzene. However, the method is not limited to this method, and other methods may be adopted. The supply rate of the inert gas carrying the pyrolyzable carbon source such as benzene can be selected from a wide range, but is generally about 0.1 to 1000 ml / min, particularly 1 to 1 per liter of the reactor volume. The speed is preferably about 100 ml / min. At that time, if necessary, an inert gas such as Ar, Ne, He, or nitrogen may be introduced as a dilution gas.
[0087]
The quantitative ratio of cobalt halide, or (a) cobalt halide, (b) cocatalyst, and pyrolyzable carbon source may be appropriately selected from a wide range, but 100 parts by weight of cobalt halide, or ( It is preferable that the pyrolyzable carbon source is about 10 to 5000 parts by weight, particularly about 50 to 300 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total of a) cobalt halide and (b) cocatalyst. When the quantitative ratio of the organic compound that is the pyrolyzable carbon source increases, the carbon tube is sufficiently grown to obtain a long-sized carbon tube.
[0088]
The reaction time in the step (2) varies depending on the type and amount of the raw material and is not particularly limited, but is usually about 0.1 to 10 hours, particularly about 0.5 to 2 hours.
[0089]
By cooling to 500 ° C. at a rate of usually about 50 to 2000 ° C./h, preferably about 70 to 1500 ° C./h, more preferably about 100 to 1000 ° C./h after the heat treatment step of the above step (2). A cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite made of cobalt or a cobalt alloy filled in a nano-flake carbon tube and 10 to 90% of the space in the tube can be produced.
[0090]
In addition, after the heat treatment step of step (2),
(3) A step of replacing the inside of the reactor with an inert gas while maintaining the temperature of step (2),
(4) A step of raising the temperature of the reaction furnace substituted with an inert gas to about 1100 to 1450 ° C, preferably about 1200 to 1450 ° C, more preferably about 1300 to 1400 ° C,
(5) a step of maintaining the end point temperature at the end point of temperature increase until a multi-walled carbon nanotube with a nested structure is formed, and
(6) A step of cooling the reactor at a rate of about 50 ° C./h or less, preferably about 5 to 40 ° C./h, more preferably about 10 to 30 ° C./h.
By performing the above, it is possible to generate a cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite composed of cobalt or a cobalt alloy filled in 10 to 90% of the multi-walled carbon nanotube with a nested structure and the space portion in the tube.
[0091]
Examples of the inert gas used in the above step (3) include inert gases such as Ar, Ne, He, and nitrogen. Further, the pressure in the furnace after replacement in step (3) is not particularly limited, but 10-Five~Ten7Pa degree, preferably 50-2 × 10FiveAbout Pa, more preferably 100-1.2 × 10FiveIt is about Pa.
[0092]
The temperature raising rate in step (4) is not particularly limited, but is generally about 50 to 2000 ° C./h, particularly about 70 to 1500 ° C./h, more preferably about 100 to 1000 ° C./h. Is preferred.
[0093]
In addition, the time for maintaining the end point temperature in the step (5) may be a time until the nested multi-walled carbon nanotube is generated, but is generally about 2 to 30 hours.
[0094]
The atmosphere at the time of cooling in step (6) is an inert gas atmosphere such as Ar, Ne, He, nitrogen, etc., and the pressure conditions are not particularly limited.-Five~Ten7Pa degree, preferably 50-2 × 10FiveAbout Pa, more preferably 100-1.2 × 10FiveIt is about Pa.
[0095]
Yield improvement method (second manufacturing method)
Further, according to another embodiment of the present invention, by supplying an organic cobalt complex together with a pyrolyzable carbon source in step (2) of the first production method, the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is further provided. Yield can be increased. In the present specification, the manufacturing method of this embodiment is referred to as a “second manufacturing method”.
[0096]
Examples of the organic cobalt complex include dicyclopentadienyl cobalt and Co.2(CO)8, CoFour(CO)12Among them, dicyclopentadienyl cobalt is particularly preferable.
[0097]
The method for allowing an organic cobalt complex such as dicyclopentadienyl cobalt to be present in the reaction system can be carried out by various methods. As a typical method, for example, the method shown in FIG. 2 can be adopted.
[0098]
That is, first, as shown in FIG. 2, in a reactor equipped with a gas inlet (not shown) and a gas suction port (not shown), an organic substance is formed upstream (ie, at a position close to the gas inlet). A
[0099]
Next, as the step (1), cobalt halide or cobalt halide and a cocatalyst are set to a pressure of 10 in an inert gas atmosphere.-FiveThe oxygen concentration in the reactor is adjusted to Pa to 200 kPa, and the ratio B / A when the reactor volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 1 × 10-Ten~ 1x10-1, Especially 1 × 10-8~ 5x10-3It adjusts to the density | concentration which becomes and heats with the
[0100]
Subsequently, in step (2), the inside of the reactor is set to an inert gas atmosphere, and the pressure is set to 10.-FiveIt is controlled to Pa to 200 kPa, preferably 1 Pa to 100 kPa. On the other hand, the organic cobalt complex is heated to a sublimation temperature of the organic cobalt complex or higher (200 ° C. in the case of dicyclopentadienyl cobalt) by another
[0101]
That is, the pressure at the time of performing the heat treatment is 10-FiveIt is preferably about Pa to 200 kPa, particularly about 1 kPa to 100 kPa. Moreover, the temperature at the time of the said heat processing is 600 degreeC or more normally, Especially 600-1100 degreeC, Preferably it is about 750-1100 degreeC. The supply rate of the inert gas carrying the pyrolyzable carbon source such as benzene can be selected from a wide range, but is generally about 0.1 to 1000 ml / min, particularly 1 to 1 per liter of the reactor volume. The speed is preferably about 100 ml / min. The time for the heat treatment varies depending on the type and amount of the raw material and is not particularly limited, but is usually about 0.1 to 10 hours, particularly about 0.5 to 2 hours.
[0102]
In the above, the quantitative proportions of the organic cobalt complex, the cobalt halide (or the cobalt halide and cocatalyst), and the thermally decomposable carbon source can be selected from a wide range, but in general, the following is preferable. The organic cobalt complex is used in an amount of about 1 to 5000 parts by weight, preferably about 10 to 1000 parts by weight, per 100 parts by weight of cobalt halide (or cobalt halide and cocatalyst). The amount of the pyrolyzable carbon source used is preferably about 10 to 5000 parts by weight, particularly about 50 to 300 parts by weight, per 100 parts by weight of cobalt halide (or cobalt halide and cocatalyst).
[0103]
According to this second production method, the yield of the carbonaceous material containing the obtained cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite is improved.
[0104]
As in the case of the first production method, after the heat treatment step of the above step (2), it is usually about 50 to 2000 ° C./h, preferably about 70 to 1500 ° C./h, more preferably about 100 to 1000 ° C./h. By cooling to 500 ° C. at a rate of 5 ° C., a cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite made of cobalt or a cobalt alloy filled in 10 to 90% of the space portion in the tube can be generated. .
[0105]
In addition, after the heat treatment step of step (2),
(3) A step of replacing the inside of the reactor with an inert gas while maintaining the temperature of step (2),
(4) A step of raising the temperature of the reaction furnace substituted with an inert gas to about 1100 to 1450 ° C, preferably about 1200 to 1450 ° C, more preferably about 1300 to 1400 ° C,
(5) a step of maintaining the end point temperature at the end point of temperature increase until a multi-walled carbon nanotube with a nested structure is formed, and
(6) A step of cooling the reactor at a rate of 50 ° C./h or less, preferably about 5 to 40 ° C./h, more preferably about 10 to 30 ° C./h.
By performing the above, it is possible to generate a cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite composed of cobalt or a cobalt alloy filled in 10 to 90% of the multi-walled carbon nanotube with a nested structure and the space portion in the tube.
[0106]
Examples of the inert gas used in the above step (3) include inert gases such as Ar, Ne, He, and nitrogen. Further, the pressure in the furnace after replacement in step (3) is not particularly limited, but 10-Five~Ten7Pa degree, preferably 50-2 × 10FiveAbout Pa, more preferably 100-1.2 × 10FiveIt is about Pa.
[0107]
The temperature raising rate in step (4) is not particularly limited, but is generally about 50 to 2000 ° C./h, particularly about 70 to 1500 ° C./h, more preferably about 100 to 1000 ° C./h. Is preferred.
[0108]
In addition, the time for maintaining the end point temperature in the step (5) may be a time until the nested multi-walled carbon nanotube is generated, but is generally about 2 to 30 hours.
[0109]
The atmosphere at the time of cooling in step (6) is an inert gas atmosphere such as Ar, Ne, He, nitrogen, etc., and the pressure conditions are not particularly limited.-Five~Ten7Pa degree, preferably 50-2 × 10FiveAbout Pa, more preferably 100-1.2 × 10FiveIt is about Pa.
[0110]
From the carbonaceous material obtained by said 1st manufacturing method or the 2nd manufacturing method, the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite which comprises this material can also be isolated.
[0111]
The cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite obtained by the first production method or the second production method of the present invention has the following unique properties.
[0112]
A carbon tube selected from the group consisting of a nano flake carbon tube constituting a wall portion and a multi-walled carbon nanotube having a nested structure has higher linearity than known CNTs. Since the linearity is high, the bulk density can be increased, and many carbon tubes can be packed in a certain volume, so that packing can be performed at a high density. Also, for electron emission applications, high linearity is an advantage.
[0113]
10 to 90% of the space surrounded by the tube wall is filled with cobalt or a cobalt alloy. Cobalt or cobalt alloy present in the space exists in a highly developed crystalline state, as is apparent from the examples. Therefore, since the inclusion body exhibits magnetism and the surface layer is covered with carbon, a novel molecular magnet excellent in durability can be obtained.
[0114]
It is known that the electrical or magnetic properties of carbon nanotubes that do not encapsulate metals are highly dependent on the structure of the wall, but in order to bring out specific electrical or magnetic properties uniformly, the wall structure must be refined. Need to control. For example, in the case of hollow single-walled carbon nanotubes that do not contain inclusions, it is theoretically known that the graphene sheet is wound in an armchair type, zigzag type, or chiral type, which has different conductive properties and becomes a conductor or semiconductor. It has been. However, precise control of the wall structure is extremely difficult with current synthesis techniques.
[0115]
On the other hand, the carbon material of the present invention in which 10 to 90% of cobalt or a cobalt alloy is included in the hollow portion of the carbon tube selected from the group consisting of the nano-flake carbon tube of the present invention and the multi-layered carbon nanotube of the nested structure, Since the electrical or magnetic characteristics are mainly caused by the inclusion metal rather than the wall structure made of carbon, it is superior in that it does not require precise control of the wall structure, and is easy to manufacture. In particular, in the case of a nano flake carbon tube, since the wall structure is isotropic while maintaining the graphitic property, the ratio of electrical characteristics depending on the inclusion metal increases, and the control of the characteristics becomes easy.
[0116]
The cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention having high linearity and containing cobalt or a cobalt alloy is excellent in electron emission ability, has high magnetic orientation, and is suitable for FED (field emission display) applications. Can be.
[0117]
In addition, even when the cobalt or cobalt alloy-encapsulated carbon composite of the present invention is blended and used as a conductive additive in a resin or the like, an improvement in conductivity is recognized with a small blending amount. The transparency, hue, etc. are not impaired.
[0118]
Moreover, there exists an advantage that the intensity | strength of a resin molding increases by mix | blending the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite of this invention with resin.
[0119]
Furthermore, the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention can gradually release the encapsulated metal or the like when a part of the wall is opened by chemical treatment.
[0120]
【Example】
Examples are given below to describe the features of the present invention in more detail.
[0121]
Example 1
The reaction apparatus as shown in FIG. 1 was used to obtain the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention as follows.
[0122]
Process (1)
Anhydrous CoCl2Spread 0.2 g (Kanto Chemical Co., Ltd.) thinly in a nickel boat. This is installed in the center of the furnace made of quartz tube, and the inside of the furnace is depressurized to a pressure of 50 Pa. At this time, argon gas containing 5000 ppm of oxygen is supplied at a rate of 50 ml / min from the side opposite to the end of the reactor equipped with a vacuum suction line (left side of the reaction tube in FIG. 1). Accordingly, the ratio B / A when the reactor volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 6 × 10 6.-3It was. Next, the temperature is raised to 1000 ° C. with reduced pressure.
[0123]
Process (2)
When the temperature reached 1000 ° C., argon was introduced and the pressure was 6.7 × 10 6.FourControl to Pa. On the other hand, as a pyrolytic carbon source, argon gas was bubbled into a benzene tank, and a mixed gas of volatilized benzene and argon was introduced into the furnace at a flow rate of 60 ml / min per 1 liter of reactor volume, and diluted gas As described above, argon gas is introduced at a flow rate of 40 ml / min.
[0124]
A carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention by reacting at a reaction temperature of 1000 ° C. for 90 minutes, lowering the temperature to 500 ° C. in 20 minutes, and then removing the heater and air-cooling to room temperature in 20 minutes. Of 300 mg was obtained.
[0125]
From the results of SEM observation, the obtained cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite was highly linear with an outer diameter of 20 to 50 nm and a length of 3 to 5 microns. Moreover, the thickness of the wall part which consists of carbon was 2-10 nm, and was substantially uniform over the full length. Further, it was confirmed from the TEM observation and the X-ray diffraction method that the wall portion was a nanoflake carbon tube having a graphite structure having an average distance (d002) between carbon network surfaces of 0.34 nm or less. Moreover, it was confirmed by X-ray diffraction and EDX that cobalt carbide was included in the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention.
[0126]
When a large number of cobalt or cobalt alloy-encapsulated carbon composites (cobalt carbide-encapsulated carbon composites) constituting the obtained carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM), the space portion of the nanoflake carbon tube (that is, Cobalt or cobalt alloy-containing carbon composites having various filling rates in the range of 10 to 80% of the filling rate of cobalt carbide into the space surrounded by the tube wall of the nano flake carbon tube were mixed.
[0127]
Incidentally, the average filling rate of cobalt carbide in the space portion of the nano flake carbon tube of the large number of cobalt or cobalt alloy-containing carbon composites was 45%. Table 1 below shows the average filling rate of cobalt carbide calculated by observing a plurality of fields of TEM observation images of the obtained cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite. The R value calculated from X-ray diffraction was 0.58.
[0128]
[Table 1]
[0129]
A clear electron diffraction pattern was observed for the inclusions, and the inclusions had high crystallinity. As a result of TEM observation, the crystallization rate of the inclusion (ratio of the area of the TEM image of crystalline cobalt carbide to the area of the TEM image in the range in which cobalt carbide was filled) was about 100%.
[0130]
In the carbonaceous material obtained in Example 1, the carbon wall surface is not nested or scrolled, but appears to be patchwork (so-called paper mache or cord), and the nano-flakes carbon tube Met.
[0131]
The shape of the nano flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite obtained in this example is cylindrical, and the graphene sheet image observed in the cross-sectional TEM photograph across the longitudinal direction is It was not a closed ring, but a discontinuous ring with many discontinuities.
[0132]
In addition, when the nano flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is observed by TEM, a number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction are individually The length of the graphene sheet image was generally in the range of 2 to 30 nm.
[0133]
Example 2
The reaction apparatus as shown in FIG. 1 was used to obtain the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention as follows.
[0134]
Process (1)
CoCl2・ 4H2Spread 0.2 g of O (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) thinly in a nickel boat. This is installed in the center of the furnace made of quartz tube, and the inside of the furnace is depressurized to a pressure of 50 Pa. At this time, argon gas containing 5000 ppm of oxygen is supplied at a rate of 10 ml / min from the side opposite to the end of the reaction furnace to which the vacuum suction line is attached (left side of the reaction tube in FIG. 1). As a result, the ratio B / A when the internal volume of the reactor is A (rill) and the oxygen amount is B (Ncc) is 6 × 10 6.-3It was. Next, the temperature is raised to 1000 ° C. with reduced pressure.
[0135]
Process (2)
When the temperature reached 1000 ° C., argon was introduced and the pressure was 6.7 × 10 6.FourControl to Pa. On the other hand, as a pyrolytic carbon source, argon gas was bubbled into a benzene tank, and a mixed gas of volatilized benzene and argon was introduced into the furnace at a flow rate of 60 ml / min per 1 liter of reactor volume, and diluted gas As described above, argon gas is introduced at a flow rate of 40 ml / min.
[0136]
By reacting at a reaction temperature of 1000 ° C. for 90 minutes, the temperature is lowered to 500 ° C. in 20 minutes, and then the heater is removed and air-cooled to room temperature in 20 minutes. 200 mg of material was obtained.
[0137]
From the results of SEM observation, the carbon or cobalt alloy-containing carbon composite constituting the obtained carbonaceous material was 20 to 40 nm in diameter and 3 to 5 microns in length, and was highly linear. Moreover, the thickness of the wall part which consists of carbon was 2-10 nm, and was substantially uniform over the full length. Further, it was confirmed from the TEM observation and the X-ray diffraction method that the wall portion was a nanoflake carbon tube having a graphite structure having an average distance (d002) between carbon network surfaces of 0.34 nm or less.
[0138]
When a large number of cobalt or cobalt alloy-containing carbon composites constituting the carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM), the space portion of the nanoflake carbon tube (enclosed by the tube wall of the nanoflake carbon tube) Cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composites having various filling ratios in the range of 10 to 80% in the space) were mixed.
[0139]
From the results of TEM observation, in the carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention, the average filling rate into the space portion in the nanoflakes carbon tube was 45% (average value as a carbonaceous material). It was. The R value calculated from X-ray diffraction in the same manner as in Example 1 was 0.48.
[0140]
Regarding the inclusion, a clear electron diffraction pattern was observed, and it was found that the inclusion had high crystallinity. As a result of TEM observation, the crystallization rate of the inclusion was about 100%.
[0141]
The shape of the nano flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite obtained in this example is cylindrical, and the graphene sheet image observed in the cross-sectional TEM photograph across the longitudinal direction is It was not a closed ring, but a discontinuous ring with many discontinuities.
[0142]
In addition, when the nano flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is observed by TEM, a number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction are individually The length of the graphene sheet image was generally in the range of 2 to 30 nm.
[0143]
Example 3
Using the apparatus shown in FIG. 2, the following steps (1) and (2) were carried out to obtain the cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite of the present invention.
[0144]
Process (1)
Anhydrous CoCl2Spread 0.2 g (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) thinly in a porcelain boat. This is installed downstream in the furnace. In addition, dicyclopentadienyl cobalt placed in a porcelain boat is installed upstream in the furnace.
[0145]
The pressure in the furnace is reduced to 50 Pa. At this time, argon gas containing 5000 ppm oxygen is supplied at a rate of 50 ml / min from the opposite side of the vacuum suction line. Accordingly, the ratio B / A when the reactor volume is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 6 × 10 6.-3It was. Next, the temperature is raised to 1000 ° C. with reduced pressure.
[0146]
Process (2)
When the reaction temperature reaches 1000 ° C., argon is introduced and the pressure is 6.7 × 10 6.FourControl to Pa. On the other hand, dicyclopentadienyl cobalt in a porcelain boat installed on the upstream side of the furnace is 6.7 × 10FourThe temperature is raised to Pa.
[0147]
In addition, argon gas was bubbled into the benzene tank as a pyrolytic carbon source, and a mixed gas of volatilized benzene and argon was introduced into the furnace at a flow rate of 60 ml / min per liter of reactor volume, and diluted gas As described above, argon gas is introduced at a flow rate of 40 ml / min. The reaction was carried out at a reaction temperature of 1000 ° C. for 90 minutes.
[0148]
Next, after the temperature was lowered to 500 ° C. in 20 minutes, the heater was removed and air-cooled to room temperature in 20 minutes to obtain 400 mg of carbonaceous material containing cobalt or a cobalt alloy-containing carbon composite in the reaction tube.
[0149]
From the results of SEM observation, the obtained cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite was 20 to 40 nm in diameter and 3 to 5 microns in length and was highly linear.
[0150]
Moreover, the thickness of the wall part which consists of carbon was 5-15 nm, and was substantially uniform over the full length. Further, it was confirmed from the TEM observation and the X-ray diffraction method that the wall portion was a nanoflake carbon tube having a graphite structure having an average distance (d002) between carbon network surfaces of 0.34 nm or less.
[0151]
When a large number of cobalt or cobalt alloy-containing carbon composites constituting the carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM), the space part of the nanoflake carbon tube (enclosed by the carbon wall of the nanoflake carbon tube) Cobalt or cobalt alloy-containing carbon composites having various filling ratios in the range of 25 to 90% in the space) were mixed.
[0152]
A clear electron diffraction pattern was observed for the inclusion, and the inclusion had high crystallinity. As a result of TEM observation, the crystallization rate of the inclusion was about 100%.
[0153]
From the result of TEM observation, in the carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention, the average filling rate (average value as the carbonaceous material) into the space portion in the nanoflakes carbon tube was 70%. It was. The R value calculated from X-ray diffraction in the same manner as in Example 1 was 3.5.
[0154]
The shape of the nano flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite obtained in this example is cylindrical, and the graphene sheet image observed in the cross-sectional TEM photograph across the longitudinal direction is It was not a closed ring, but a discontinuous ring with many discontinuities.
[0155]
In addition, when the nano flake carbon tube constituting the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention is observed by TEM, a number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction are individually The length of the graphene sheet image was generally in the range of 2 to 30 nm.
[0156]
Example 4
In the reaction apparatus as shown in FIG. 1, the reaction tube was made of carbon and used with enhanced heat resistance, and the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention was obtained as follows.
[0157]
Process (1)
Anhydrous CoCl2Spread 0.2 g (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) thinly in a porcelain boat. This is installed in the center of the furnace made of quartz tube, and the inside of the furnace is depressurized to a pressure of 50 Pa. At this time, argon gas containing 5000 ppm oxygen is supplied at a rate of 5 ml / min from the opposite side of the vacuum suction line. Thus, the ratio B / A when the internal volume of the reactor is A (liter) and the oxygen amount is B (Ncc) is 2.5 × 10-3It was. Next, the temperature is raised to 1000 ° C. with reduced pressure.
[0158]
Process (2)
When the temperature reached 1000 ° C., argon was introduced and the pressure was 6.7 × 10 6.FourControl to Pa. On the other hand, as a pyrolytic carbon source, argon gas was bubbled into a benzene tank, and a mixed gas of volatilized benzene and argon was introduced into the furnace at a flow rate of 30 ml / min per liter of reactor volume, and diluted gas As described above, argon gas is introduced at a flow rate of 20 ml / min.
[0159]
After reacting at a reaction temperature of 1000 ° C. for 120 minutes, the pressure is reduced to 50 Pa at 1000 ° C. Then 9.0 x 10 in argon atmosphereFourThe temperature inside the furnace was raised to 1400 ° C. in 120 minutes, maintained at 1400 ° C. for 6 hours, cooled to 500 ° C. in 24 hours, removed from the heater and allowed to cool to room temperature. 180 mg of a carbonaceous material containing a cobalt alloy-containing carbon composite was obtained.
[0160]
From the results of SEM observation, the carbon or cobalt alloy-containing carbon composite constituting the obtained carbonaceous material was 20 to 50 nm in diameter, 2 to 5 microns in length, and highly linear. Moreover, the thickness of the wall part which consists of carbon was 2-10 nm, and was substantially uniform over the full length. Further, it was confirmed from the TEM observation and the X-ray diffraction method that the wall portion was a nested multi-walled carbon nanotube having a graphite structure having an average distance (d002) between carbon network surfaces of 0.34 nm or less.
[0161]
When a large number of cobalt or cobalt alloy-containing carbon composites constituting the carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM), the space of the nested multi-walled carbon nanotubes (the tube wall of the nested multi-walled carbon nanotubes) Cobalt or cobalt alloy-encapsulated carbon composites having various filling ratios in the range of 10 to 50% in the space surrounded by) were mixed.
[0162]
A clear electron diffraction pattern was observed for the inclusions, and the inclusions had high crystallinity. As a result of TEM observation, the crystallization rate of the inclusion was about 100%.
[0163]
From the results of TEM observation, in the carbonaceous material containing the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention, the average filling rate into the inner space of the multi-walled carbon nanotube of the nested structure is 20% (average value as the carbonaceous material) Met. The R value calculated from X-ray diffraction in the same manner as in Example 1 was 0.38.
[0164]
【The invention's effect】
According to the present invention, the following remarkable effects are achieved.
[0165]
According to the production method of the present invention, a cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite having a novel configuration in which 10 to 90% of a space surrounded by a wall of a carbon material is filled with cobalt or a cobalt alloy can be easily obtained. Can be obtained in high yields and in large quantities.
[0166]
The obtained cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite is clearly different in structure from a known material in which cobalt is present at the tip of the carbon nanotube in that cobalt or cobalt alloy is included in 10 to 90% of the space. It is a novel material having a novel and unique property based on a unique structure.
[0167]
In addition, since the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention has a metal encapsulated in a space surrounded by a graphite wall having excellent durability, a semi-permanent conductor or molecule that hardly causes deterioration in characteristics. It has functions as a conductive wire and a magnetic or molecular magnet.
[0168]
Therefore, the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite according to the present invention includes an electron emission material, a cobalt sustained-release material, a magnetic recording material, a sliding material, a conductive fibril, a magnetic material, a magnetic fluid, a superconducting material, an abrasion resistant material. It is extremely useful as a conductive material, a semiconductor material, and the like.
[0169]
In addition, in the present invention, the entire space inside the carbon tube is not filled with cobalt or a cobalt alloy as an inclusion, but 10 to 90% of the space is filled, so that the manufacturing is easy. Compared with a material composed of carbon nanotubes alone, it is excellent in that it has high electrical conductivity, can impart magnetism, and can expect nano-sized quantum effects.
[0170]
In addition, since the inclusion rate of cobalt or cobalt alloy which is inclusion can be produced in the range of 10 to 90% of the space inside the carbon tube, the cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite of the present invention having a specific inclusion rate can be obtained. By selecting the carbonaceous material to be included, various physical properties such as electrical characteristics, magnetic characteristics, and specific gravity can be controlled.
[0171]
Regarding the specific gravity, the composite with 100% inclusion rate, that is, a metal containing cobalt or the like over the entire length of the carbon tube, is too high due to the inclusion metal, Uniform dispersion in other materials may be difficult. However, since the cobalt or cobalt alloy-encapsulating carbon composite of the present invention can reduce the amount of encapsulated metal within the range of the encapsulation rate of 10 to 90%, uniform mixing is facilitated.
[0172]
In particular, the nano-flake carbon tube of the present invention and cobalt or a cobalt alloy-containing carbon composite made of cobalt or a cobalt alloy have the following advantages.
(a) There are many starting points of electron emission. Since there is a high possibility of electron emission from the edge of the graphene sheet, it is advantageous from the viewpoint of obtaining a large current density.
(b) Excellent in life characteristics due to its high graphitic properties.
(c) Become familiar with the paste. When the graphitization is high, the compatibility with the solvent and the paste agent becomes worse at the time of pasting, but the nano-flake carbon tube and cobalt or cobalt alloy-containing carbon composite made of cobalt or cobalt alloy have the effect of the edge of the graphene sheet. Therefore, pasting is easy.
(d) Good heat dissipation.
(e) Structure control is easy. Since the side wall has a flake shape or a tension shape, structure control such as cutting and surface modification becomes easy.
(f) Flexible. Since the side wall is flake-like or tension-like, flexibility is imparted, and when used as a composite material, both rigidity and impact resistance can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a production apparatus for performing the production method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing another example of a production apparatus for performing the production method of the present invention.
FIG. 3 shows a schematic diagram of a TEM image of a carbon tube, (a-1) is a schematic diagram of a TEM image of a cylindrical nanoflaked carbon tube, and (a-2) is a multi-layer carbon nanotube with a nested structure It is a schematic diagram of TEM image.
[Explanation of symbols]
1 reactor
2 Heating device
3 Heating device
100 TEM image of nano flake carbon tube in the longitudinal direction
110 Nearly straight graphene sheet image
200 TEM image of cross section almost perpendicular to the longitudinal direction of the nano flake carbon tube
210 Arc graphene sheet image
300 Straight graphene sheet image continuous over the entire length in the longitudinal direction of a multi-walled carbon nanotube with a nested structure
400 TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of a multi-walled carbon nanotube with a nested structure
Claims (17)
(b)コバルト又はコバルト合金とからなり、
上記 (a) のナノフレークカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間の10〜90%に上記 (b) のコバルト又はコバルト合金が充填されていることを特徴とするコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体。(a) and the nano flakes carbon tubes
(b) consisting of cobalt or a cobalt alloy ,
The cobalt or cobalt alloy containing carbon composites 10 to 90% of the space surrounded by the tube wall of the nanoflake carbon tube cobalt or cobalt alloy (b) described above is characterized in that it is filled in (a) .
(b)コバルト又はコバルト合金とからなり、
上記 (a) のナノフレークカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間の10〜90%に上記 (b) のコバルト又はコバルト合金が充填されているコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料。(a) and the nano flakes carbon tubes
(b) consisting of cobalt or a cobalt alloy,
Carbonaceous material containing cobalt or cobalt alloy containing carbon composites cobalt or a cobalt alloy of the (b) 10 to 90% of the space surrounded by the tube wall of the nanoflake carbon tubes (a) above are filled .
(b)コバルト又はコバルト合金とからなり、
上記 (a) のカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間の10〜90%に上記 (b) のコバルト又はコバルト合金が充填されているコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料の製造方法であって、
(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1となる濃度に調整して、反応炉内でハロゲン化コバルトを600〜1100℃まで加熱するか、又は、(a)ハロゲン化コバルトと(b)ハロゲン化鉄、ハロゲン化ニッケル、ハロゲン化銅、ハロゲン化マンガン、ハロゲン化クロム、ハロゲン化鉛、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化モリブデン、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化チタン、ハロゲン化ニオブ、ハロゲン化タンタル、ハロゲン化硫黄及びハロゲン化珪素からなる群から選ばれる少なくとも1種とを600〜1100℃まで加熱する工程、及び
(2)上記反応炉内を不活性ガス雰囲気として圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、熱分解性炭素源を導入して600〜1100℃で加熱処理を行う工程を包含することを特徴とする製造方法。(a) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes;
(b) consisting of cobalt or a cobalt alloy,
Production of carbonaceous material comprising a cobalt or cobalt alloy containing carbon composites cobalt or a cobalt alloy of the (b) 10 to 90% of the space surrounded by the tube wall of the carbon tube (a) above are filled A method,
(1) Ratio when the pressure is adjusted to 10 −5 Pa to 200 kPa in an inert gas atmosphere, the oxygen concentration in the reactor is A (liter), and the oxygen amount is B (Ncc). The B / A is adjusted to a concentration of 1 × 10 −10 to 1 × 10 −1 and the cobalt halide is heated to 600 to 1100 ° C. in the reaction furnace, or (a) cobalt halide and ( b) Iron halide, nickel halide, copper halide, manganese halide, chromium halide, lead halide, zinc halide, molybdenum halide, aluminum halide, titanium halide, niobium halide, tantalum halide, Heating at least one selected from the group consisting of sulfur halides and silicon halides to 600-1100 ° C., and
(2) including a step of adjusting the pressure to 10 −5 Pa to 200 kPa with the inside of the reaction furnace as an inert gas atmosphere, introducing a pyrolytic carbon source, and performing heat treatment at 600 to 1100 ° C. Manufacturing method.
(3)反応炉内を工程(2)の温度を維持したまま不活性気体で置換する工程、
(4)不活性気体で置換された反応炉内を1100〜1450℃に昇温する工程、(5)昇温終点で終点温度を入れ子構造の多層カーボンナノチューブが生成するまで維持する工程、及び
(6)反応炉内を50℃/h以下の速度で冷却する工程
を行うことにより入れ子構造の多層カーボンナノチューブとそのチューブ内空間部の10〜90%に充填されているコバルト又はコバルト合金からなるコバルト又はコバルト合金内包炭素複合体を含む炭素質材料を生成させる請求項10に記載の製造方法。After the heat treatment step of step (2),
(3) A step of replacing the inside of the reactor with an inert gas while maintaining the temperature of step (2),
(4) a step of raising the temperature of the inside of the reactor substituted with an inert gas to 1100 to 1450 ° C., (5) a step of maintaining the end point temperature at the end point of the temperature rise until a multi-layer carbon nanotube having a nested structure is formed,
(6) The reaction furnace is made of cobalt or a cobalt alloy filled in 10 to 90% of the multi-walled carbon nanotube with a nested structure by performing a process of cooling the reactor at a rate of 50 ° C./h or less. The manufacturing method of Claim 10 which produces | generates the carbonaceous material containing a cobalt or cobalt alloy inclusion carbon composite.
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