窒素含有カーボンナノチューブの製造方法
【課題】カーボンナノチューブの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来的な特性を充分に有し、且つ簡単で且つ安価な窒素含有カーボンナノチューブを得ることのできる窒素含有カーボンナノチューブの製造方法を提供する。
【解決手段】カーボンナノチューブを、窒素含有化合物を存在させつつ、前記カーボンナノチューブ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱して窒素化処理を施すことを特徴とする。
【解決手段】カーボンナノチューブを、窒素含有化合物を存在させつつ、前記カーボンナノチューブ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱して窒素化処理を施すことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒素含有カーボンナノチューブの製造方法に関し、更に詳細には簡易に且つ安価に製造できる窒素含有カーボンナノチューブの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブの特性の改善或いは新たな特性を付与し得る窒素含有カーボンナノチューブの製造方法は、種々検討されている。
例えば、下記特許文献１には、酸化鉄と酸化モリブデンが保持されたアルミナ基板を加熱炉に設置し、この炉中でＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド蒸気とアンモニアガスとを導入し、５００℃以上の温度で加熱する窒素含有カーボンナノチューブの製造方法が提案されている。
また、下記特許文献２には、窒素原子を含む導電性高分子で被覆されたカーボンナノチューブ合成用触媒を、炭化水素及び水素の混合ガス中で加熱する窒素含有カーボンナノチューブの製造方法が提案されている。
更に、下記特許文献３には、フェロセンとメラミンとの混合物をアルゴンガス雰囲気中で加熱する窒素含有カーボンナノチューブの製造方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−２６３５８９号公報
【特許文献２】特開２００４−１３１８５３号公報
【特許文献３】特開２００４−２３０４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に提案された窒素含有カーボンナノチューブの製造方法によれば、電界放出特性、ガス貯蔵性、電子移動特性に優れた高窒素含有率の窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
また、特許文献２に提案された窒素含有カーボンナノチューブの製造方法によれば、水素吸蔵量を多くできる窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
更に、特許文献３に提案された窒素含有カーボンナノチューブの製造方法によれば、電界放射特性を有する窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
これらの方法は、いずれもカーボンナノチューブを製造する製造工程で、窒素化合物を介在させている。
しかし、カーボンナノチューブの製造の際に、窒素含有化合物を併存させることは、得られるカーボンナノチューブの全体に窒素が存在し、カーボンナノチューブが有している優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来的な特性が損なわれるおそれがある。
しかも、これらの改善或いは新規な特性を有する窒素含有カーボンナノチューブを製造する専用工程を、通常のカーボンナノチューブの製造工程とは別に設けることを要し、得られた窒素含有カーボンナノチューブの製造原価は高価となる。
そこで、本発明の課題は、カーボンナノチューブの製造の際に、窒素含有化合物を併存させる従来の窒素含有カーボンナノチューブの製造方法の課題を解決し、カーボンナノチューブの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来的な特性を充分に有し、且つ簡単で且つ安価な窒素含有カーボンナノチューブを得ることのできる窒素含有カーボンナノチューブの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、通常の製造方法で得られたカーボンナノチューブを、窒素ガス雰囲気中で、カーボンナノチューブ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱処理することによって、外表層部側に窒素成分を内層部よりも高濃度に含有した窒素含有カーボンナノチューブを得ることができることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、カーボンナノチューブに、窒素含有化合物を存在させつつ、前記カーボンナノチューブ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱する窒素化処理を施すことを特徴とする窒素含有カーボンナノチューブの製造方法にある。
かかる本発明において、窒素成分を、カーボンナノチューブの外表層部に含有させることが好ましい。
また、窒素含有化合物として、窒素ガス、アンモニアガス又はアンモニウム化合物を好適に用いることができる。この際に、加熱処理雰囲気中に、アルゴンガス等の不活性ガスを存在させることによって、反応のコントロール等を容易に行うことができる。
ここで、窒素含有化合物として、窒素ガスを用いる場合には、加熱処理ガスの後処理等を容易に行うことができる。
或いは、窒素含有化合物として、アンモニアガス又はアンモニウム化合物を用いる場合には、加熱処理温度を低下できる。このため、不活性ガスとして窒素ガスを存在させることによって、得られる窒素含有カーボンナノチューブ中の窒素含有量を調整できる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、通常のカーボンナノチューブの製造方法で得られたカーボンナノチューブに、窒素含有化合物を存在させつつ、所定温度で加熱して窒素化処理を施す簡易な処理によって、窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
このため、従来のカーボンナノチューブの製造工程内又は従来のカーボンナノチューブの製造工程に引き続いて、窒素化処理工程を設けることができ、安価に窒素含有カーボンナノチューブを製造できる。
或いは、予め大量のカーボンナノチューブを製造しておき、必要量のカーボンナノチューブに用途に応じた窒素化処理を施すことができる。
また、本発明で得られた窒素含有カーボンナノチューブは、その外表層部（外表面から１０ｎｍ程度の外表層部）に窒素成分が高濃度に含有されており、全体に窒素成分が含有されている窒素含有カーボンナノチューブに比較して、カーボンナノチューブの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来的な特性は損なわれない。
尚、カーボンナノチューブを黒鉛化処理する場合には、黒鉛化処理の冷却過程の際に、窒素ガス等の窒素化合物を存在させても、窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明で用いるカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称することがある）は、公知の製造方法（例えば、アーク法、プラズマ法、触媒ＣＶＤ法）で得られたＣＮＴを用いることができる。このうち、触媒ＣＶＤ法によれば、同一品質のＣＮＴを安価に大量に製造できる。従って、触媒ＣＶＤ法によって得られたＣＮＴに窒素を含有できれば、樹脂、セラミック、金属等との複合材用に用いるＣＮＴの特性を改善できる。
かかる触媒ＣＶＤ法として、例えばベンゼン、トルエン等の窒素非含有の有機化合物を原料とし、フェロセン、ニッケルセン等の有機遷移金属化合物を金属系触媒として用い、これらをキャリアーガスとともに高温の反応炉に導入し、ＣＮＴを基板上に生成させる方法（特開昭６０−２７７００号公報）、浮遊状態でＣＮＴを生成させる方法（特開昭６０−５４９９８号公報）、或いはＣＮＴを反応炉壁に成長させる方法（特許２７７８４３４号）等を用いることができる。また、特公平３−６４６０６号公報に示される様に、予めアルミナ、炭素等の耐火性支持体に担持された金属含有粒子を炭素含有化合物と高温で接触させて、径が７０ｎｍ以下のＣＮＴを得るようにすることもできる。
本発明で用いるＣＮＴとしては、太さ（直径）が１０〜３５０ｎｍ、特に２０ｎｍ〜２００ｎｍであって、アスペクト比が概ね５０〜２００程度のものが好適である。
【０００７】
上述した触媒ＣＶＤ法で製造したＣＮＴには、通常、その表面にアモルファス状の熱分解炭素や残留触媒金属等の不純物が存在している。このため、用途によっては、得られたＣＮＴに黒鉛化処理を施すことがある。かかる黒鉛化処理では、得られたＣＮＴに対し、２０００℃以上、特に２５００℃以上、特に好ましくは２８００℃〜３２００℃で加熱処理を施す。
この様な黒鉛化処理を施したＣＮＴを、本発明の原料に用いてもよいが、黒鉛化処理前のＣＮＴを原料に用いることが好ましい。黒鉛化処理前のＣＮＴは、炭素の結晶性が低く且つその表面にアモルファス状の熱分解炭素が部分的に存在しており、反応性に富むからである。
尚、表面がアモルファス状の熱分解炭素を焼成除去すべく、１０００〜２０００℃で焼成処理して得られたＣＮＴにも、本発明を適用できる。
【０００８】
本発明では、公知の製造方法によって得られたＣＮＴに、窒素含有化合物を存在させつつ、ＣＮＴ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱する窒素化処理を施す。
この窒素含有化合物としては、窒素ガス、アンモニアガス、アンモニア化合物である塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム等を好適に用いることができる。かかる窒素含有化合物は、単独で又は二種以上を混合して用いてもよい。
これらの窒素含有化合物のうち、窒素ガスを用いることによって、加熱処理ガスの後処理等を容易に行うことができる。
また、「ＣＮＴ内に窒素成分を含有させることのできる温度」とは、窒素含有化合物がＣＮＴと反応する温度をいう。かかる温度は、主として窒素含有化合物の種類に依存する。例えば、窒素含有化合物が、窒素ガスの場合、そのＣＮＴと反応する温度は１１００〜１６００℃（好ましくは１２００〜１５００℃）、アンモニアガスの場合、そのＣＮＴと反応する温度は５００〜１２００℃（好ましくは８００〜１０００℃）、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウムの場合、そのＣＮＴと反応する温度は５００〜１２００℃（好ましくは８００〜１０００℃）である。
ここで、ＣＮＴと反応する上記温度の下限未満の場合には、窒素との反応性が低下し、ＣＮＴ内に含有される窒素量を増加することが困難となる傾向にある。他方、ＣＮＴと反応する上記温度の上限を超える場合には、ＣＮＴ内に含有される窒素量が減少する傾向にある。ＣＮＴ内に含有された窒素が、抜け出てしまうものと考えられる。
かかる窒素化処理を施すＣＮＴとして、例えば硝酸等の強酸処理、粉砕、酸化等によって表面を粗面化したＣＮＴを用いると、窒素化処理後のＣＮＴ中の窒素成分の含有量が増加する傾向にある。表面の粗面化によって、窒素化処理中に窒素成分と接触する接触面積が増大したことによると考えられる。
また、窒素ガスを用いてＣＮＴを加熱して窒素化処理する際に、加熱雰囲気中に不活性ガスを存在させることによって、反応のコントロール等を容易に行うことができる。
尚、ここで用いる不活性ガスとしては、周期律表Ｏ族に属する気体、例えばヘリウム、ネオン、アルゴンから成るガスを用いることができ、アルゴンガスを好適に用いることができる。
【０００９】
かかる窒素化処理の際に、窒素含有化合物として、アンモニアガスを用いた場合にも、不活性ガスをキャリアガスとして用いることが好ましい。
また、窒素含有化合物として、アンモニウム化合物である塩化アンモニウム、炭酸アンモニウムを用いて窒素化処理する際には、ＣＮＴとアンモニウム化合物とを混合し、密閉された不活性ガス雰囲気中で加熱して窒素化処理することが好ましい。
ここで用いる不活性ガスとしては、周期律表Ｏ族に属する気体、例えばヘリウム、ネオン、アルゴンから成るガスを用いることができる。
但し、アンモニアガスやアンモニウム化合物を窒素含有化合物して用いた場合の加熱温度は、上述した様に、窒素含有化合物として窒素ガスを用いた場合の加熱温度に比較して低温化できる。このため、アンモニアガスやアンモニウム化合物を窒素含有化合物して用いたとき、その加熱温度が窒素ガスを不活性ガスとして取り扱うことのできる程度に低温化できる場合には、不活性ガスとして窒素ガスを用いることができる。
【００１０】
得られた窒素含有ＣＮＴは、その外表層部に窒素成分が含有されている。このことは、後述する実施例１で述べる様に、窒素含有カーボンナノチューブの全体中の窒素成分を検出しようとしても、その含有量は分析装置の測定限界値（０．１atom％）以下であって、窒素を検出できなかったこと、及び外表面から１０ｎｍ程度の外表層部に含有されている成分を分析できるＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）による表層分析によって、窒素が初めて検出されたことからも判る。
この様に、本発明の製造方法によって得られた窒素含有ＣＮＴは、その全体に亘って窒素成分が含有されておらず、外表層部に窒素成分が含有されている。このため、得られた窒素含有ＣＮＴは、ＣＮＴの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来の特性に併せて、水等の溶媒に対する濡れ性を向上でき、水等の溶媒に対する分散性を向上できる。
かかるＣＮＴの水等の溶媒に対する濡れ性は、ＣＮＴの外表面の性質が関与するため、ＣＮＴの樹脂、セラミック、金属等への分散性の向上も期待でき、ＣＮＴが分散された複合材等を容易に製造できることが期待できる。
【００１１】
ところで、本発明の窒素化処理を施した後、必要に応じて追加の加熱処理を施してもよい。この場合、追加の加熱処理では、本発明の窒素化処理時の加熱温度以下の温度で加熱処理を施すことが好ましい。本発明の窒素化処理時の加熱温度を超える温度で加熱処理を施すと、ＣＮＴ中の窒素が抜け出るおそれがあるからである。
ここで、ＣＮＴの黒鉛化処理を終了した後の冷却工程において、雰囲気温度が所定温度に到達したとき、例えば窒素ガスを供給して本発明の窒素化処理を行ってもよい。
また、窒素含有ＣＮＴに対し、再度、窒素含有化合物を存在させつつ、所定温度で加熱して窒素化処理してもよく、ＣＮＴの表面の性質を改善できる。
ところで、ＣＮＴの外表面層部に含有される窒素成分を、炭素に対して０．１〜５atom％とすることが望ましい。ＣＮＴの外表面層部に含有される窒素成分を炭素に対して０．１atom％未満では、ＣＮＴに窒素成分を含有する効果、例えば水等の溶媒に対する濡れ性の向上が不充分となり易い傾向にある。他方、ＣＮＴの外表面層部に含有される窒素成分を炭素に対して５atom％を超えると、ＣＮＴの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来の特性を損なう傾向がある。
【実施例１】
【００１２】
（１）ＣＮＴの製造
縦型加熱炉（内径17.0cm，長さ150cm ）の頂部に、スプレーノズルを取り付ける。加熱炉の炉内壁温度を１２００℃に昇温・維持し、スプレーノズルから４ wt％のフェロセンを含有するベンゼンの液体原料２０ｇ ／分を１００リットル／分の水素ガスの流量で炉壁に直接噴霧（スプレー）散布するように供給する。このような条件の下で、フェロセンは熱分解して鉄微粒子を作り、これがシード（種）となってベンゼンの熱分解による炭素から、ＣＮＴを生成成長させた。ここで得られたＣＮＴを未処理ＣＮＴと称する。
この未処理ＣＮＴをアルゴン雰囲気中で２８００℃の温度で熱処理して、処理ＣＮＴとした。得られた処理ＣＮＴは、直径が約８０ｎｍ、長さ１０〜２０μｍ、比表面積（ＢＥＴ法）１８ｍ2／ｇ、真比重２．０８ｇ／ｃｍ3の高純度のマルチウォールのＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）であった。この処理ＣＮＴは、相対的に直線状で、長い管状のものであった。処理ＣＮＴ中の鉄含有量は、１００ｐｐｍ以下（ＩＣＰ法で測定）であった。
（２）窒素化処理
得られた未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々を１００ｍｇ計量し、セラミックボートに載置した。このセラミックボートを高温電気炉のチャンバー内に載置、チャンバー内を真空状態とした後、窒素ガスを注入して窒素ガス雰囲気とした。
次いで、チャンバー内を１２００℃に昇温して３０分間保持し加熱処理を終了した。その後、室温まで降温させてセラミックボートを取り出した。
（３）窒素量の測定
【００１３】
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、窒素含有量を測定した。この測定は、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）によって行った。
Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）では、ＣＮＴの外表層部（外表面から１０ｎｍ程度）に含有されている窒素量を分析する。
その結果、未処理ＣＮＴでは、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して０．２atom％含有されていた。また、処理ＣＮＴでも、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して０．１atom％含有されていた。
この様に、未処理ＣＮＴの窒素化率が、処理ＣＮＴの窒素化率よりも高いのは、未処理ＣＮＴでは、結晶性が低く、且つその表面にアモルファス状の熱分解炭素が部分的に存在しており、反応性に富むためと考えられる。
尚、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、燃焼法［酸素・窒素分析装置（ＥＭＧＡ−２８００：堀場製作所製）を用いた。この分析装置の窒素成分の検出限界は０．１atom ％である。］でも測定を行ったが、窒素は検出されなかった。
（４）分散性調査
【００１４】
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、水に対する分散性を調査した。かかる調査の際に、比較対象として、窒素化処理を施す前のＣＮＴ（窒素化処理なしＣＮＴ）についても、水に対する分散性を調査した。
この分散性の調査では、未処理ＣＮＴ、処理ＣＮＴ及び窒素化処理なしＣＮＴの各々を０．０２ｇ計量した後、計量した未処理ＣＮＴ、処理ＣＮＴ及び窒素化処理なしＣＮＴの各々をビーカ中の蒸留水４．９８ｇに添加した。
次いで、各ビーカ中のＣＮＴが添加された蒸留水に超音波を約１０分間付与し、ＣＮＴを分散した。
その後、ビーカを静置状態とし、分散状態を目視で判定し、その結果を下記表１に示す。
【００１５】
【表１】
表１から明らかな様に、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとのいずれも、窒素化処理なしＣＮＴに比較して、水に対する分散性が向上されている。
【実施例２】
【００１６】
実施例１で得た未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、１２０℃の硝酸溶液中で５時間還流させて前処理を施し、外表面を粗面化した後、実施例１と同様にして窒素化処理を施した。
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして、外表層中の窒素含有量をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）によって測定した。
その結果、未処理ＣＮＴでは、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して０．６atom％含有されていた。また、処理ＣＮＴでも、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して０．２atom％含有されていた。
これらの窒素含有量は、実施例１の窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとよりも多い。本実施例では、窒素化処理を施す未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴの外表面を粗面化することによって、窒素ガスに接触する表面積が増大したことによるものと考えられる。
【実施例３】
【００１７】
実施例１において、チャンバー内を真空状態とした後、アンモニアガス（１０vol％）とアルゴンガス（９０vol％）との混合ガスを注入した。次いで、チャンバー内を１０００℃に昇温して３０分間保持し加熱処理を終了した他は、実施例１と同様にして未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々に窒素化処理を行った。
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして、外表層中の窒素含有量をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）によって測定した。
その結果、未処理ＣＮＴでは、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して３．０atom％含有されていた。また、処理ＣＮＴでも、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して１．０atom％含有されていた。
また、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして水に対する分散性を調査し、その結果を下記表２に示す。
【００１８】
【表２】
表２から明らかな様に、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとのいずれも、水に対する分散性が良好である。
【実施例４】
【００１９】
実施例１において、未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々を１００ｍｇ計量し、１０ｍｇの塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）と混合した後、セラミックボートに載置した。このセラミックボートを高温電気炉のチャンバー内に載置し、チャンバー内を真空状態とした後、アルゴンガスを注入して不活性ガス雰囲気とした。次いで、密閉されたチャンバー内を１０００℃に昇温して３０分間保持し加熱処理を終了した他は、実施例１と同様にして未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々に窒素化処理を行った。
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして、外表層中の窒素含有量をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）によって測定した。
その結果、未処理ＣＮＴでは、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して３．５atom％含有されていた。また、処理ＣＮＴでも、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して１．０atom％含有されていた。
また、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして水に対する分散性を調査し、その結果を下記表３に示す。
【００２０】
【表３】
表３から明らかな様に、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとのいずれも、水に対する分散性が良好である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒素含有カーボンナノチューブの製造方法に関し、更に詳細には簡易に且つ安価に製造できる窒素含有カーボンナノチューブの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブの特性の改善或いは新たな特性を付与し得る窒素含有カーボンナノチューブの製造方法は、種々検討されている。
例えば、下記特許文献１には、酸化鉄と酸化モリブデンが保持されたアルミナ基板を加熱炉に設置し、この炉中でＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド蒸気とアンモニアガスとを導入し、５００℃以上の温度で加熱する窒素含有カーボンナノチューブの製造方法が提案されている。
また、下記特許文献２には、窒素原子を含む導電性高分子で被覆されたカーボンナノチューブ合成用触媒を、炭化水素及び水素の混合ガス中で加熱する窒素含有カーボンナノチューブの製造方法が提案されている。
更に、下記特許文献３には、フェロセンとメラミンとの混合物をアルゴンガス雰囲気中で加熱する窒素含有カーボンナノチューブの製造方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−２６３５８９号公報
【特許文献２】特開２００４−１３１８５３号公報
【特許文献３】特開２００４−２３０４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に提案された窒素含有カーボンナノチューブの製造方法によれば、電界放出特性、ガス貯蔵性、電子移動特性に優れた高窒素含有率の窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
また、特許文献２に提案された窒素含有カーボンナノチューブの製造方法によれば、水素吸蔵量を多くできる窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
更に、特許文献３に提案された窒素含有カーボンナノチューブの製造方法によれば、電界放射特性を有する窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
これらの方法は、いずれもカーボンナノチューブを製造する製造工程で、窒素化合物を介在させている。
しかし、カーボンナノチューブの製造の際に、窒素含有化合物を併存させることは、得られるカーボンナノチューブの全体に窒素が存在し、カーボンナノチューブが有している優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来的な特性が損なわれるおそれがある。
しかも、これらの改善或いは新規な特性を有する窒素含有カーボンナノチューブを製造する専用工程を、通常のカーボンナノチューブの製造工程とは別に設けることを要し、得られた窒素含有カーボンナノチューブの製造原価は高価となる。
そこで、本発明の課題は、カーボンナノチューブの製造の際に、窒素含有化合物を併存させる従来の窒素含有カーボンナノチューブの製造方法の課題を解決し、カーボンナノチューブの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来的な特性を充分に有し、且つ簡単で且つ安価な窒素含有カーボンナノチューブを得ることのできる窒素含有カーボンナノチューブの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、通常の製造方法で得られたカーボンナノチューブを、窒素ガス雰囲気中で、カーボンナノチューブ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱処理することによって、外表層部側に窒素成分を内層部よりも高濃度に含有した窒素含有カーボンナノチューブを得ることができることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、カーボンナノチューブに、窒素含有化合物を存在させつつ、前記カーボンナノチューブ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱する窒素化処理を施すことを特徴とする窒素含有カーボンナノチューブの製造方法にある。
かかる本発明において、窒素成分を、カーボンナノチューブの外表層部に含有させることが好ましい。
また、窒素含有化合物として、窒素ガス、アンモニアガス又はアンモニウム化合物を好適に用いることができる。この際に、加熱処理雰囲気中に、アルゴンガス等の不活性ガスを存在させることによって、反応のコントロール等を容易に行うことができる。
ここで、窒素含有化合物として、窒素ガスを用いる場合には、加熱処理ガスの後処理等を容易に行うことができる。
或いは、窒素含有化合物として、アンモニアガス又はアンモニウム化合物を用いる場合には、加熱処理温度を低下できる。このため、不活性ガスとして窒素ガスを存在させることによって、得られる窒素含有カーボンナノチューブ中の窒素含有量を調整できる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、通常のカーボンナノチューブの製造方法で得られたカーボンナノチューブに、窒素含有化合物を存在させつつ、所定温度で加熱して窒素化処理を施す簡易な処理によって、窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
このため、従来のカーボンナノチューブの製造工程内又は従来のカーボンナノチューブの製造工程に引き続いて、窒素化処理工程を設けることができ、安価に窒素含有カーボンナノチューブを製造できる。
或いは、予め大量のカーボンナノチューブを製造しておき、必要量のカーボンナノチューブに用途に応じた窒素化処理を施すことができる。
また、本発明で得られた窒素含有カーボンナノチューブは、その外表層部（外表面から１０ｎｍ程度の外表層部）に窒素成分が高濃度に含有されており、全体に窒素成分が含有されている窒素含有カーボンナノチューブに比較して、カーボンナノチューブの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来的な特性は損なわれない。
尚、カーボンナノチューブを黒鉛化処理する場合には、黒鉛化処理の冷却過程の際に、窒素ガス等の窒素化合物を存在させても、窒素含有カーボンナノチューブを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明で用いるカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称することがある）は、公知の製造方法（例えば、アーク法、プラズマ法、触媒ＣＶＤ法）で得られたＣＮＴを用いることができる。このうち、触媒ＣＶＤ法によれば、同一品質のＣＮＴを安価に大量に製造できる。従って、触媒ＣＶＤ法によって得られたＣＮＴに窒素を含有できれば、樹脂、セラミック、金属等との複合材用に用いるＣＮＴの特性を改善できる。
かかる触媒ＣＶＤ法として、例えばベンゼン、トルエン等の窒素非含有の有機化合物を原料とし、フェロセン、ニッケルセン等の有機遷移金属化合物を金属系触媒として用い、これらをキャリアーガスとともに高温の反応炉に導入し、ＣＮＴを基板上に生成させる方法（特開昭６０−２７７００号公報）、浮遊状態でＣＮＴを生成させる方法（特開昭６０−５４９９８号公報）、或いはＣＮＴを反応炉壁に成長させる方法（特許２７７８４３４号）等を用いることができる。また、特公平３−６４６０６号公報に示される様に、予めアルミナ、炭素等の耐火性支持体に担持された金属含有粒子を炭素含有化合物と高温で接触させて、径が７０ｎｍ以下のＣＮＴを得るようにすることもできる。
本発明で用いるＣＮＴとしては、太さ（直径）が１０〜３５０ｎｍ、特に２０ｎｍ〜２００ｎｍであって、アスペクト比が概ね５０〜２００程度のものが好適である。
【０００７】
上述した触媒ＣＶＤ法で製造したＣＮＴには、通常、その表面にアモルファス状の熱分解炭素や残留触媒金属等の不純物が存在している。このため、用途によっては、得られたＣＮＴに黒鉛化処理を施すことがある。かかる黒鉛化処理では、得られたＣＮＴに対し、２０００℃以上、特に２５００℃以上、特に好ましくは２８００℃〜３２００℃で加熱処理を施す。
この様な黒鉛化処理を施したＣＮＴを、本発明の原料に用いてもよいが、黒鉛化処理前のＣＮＴを原料に用いることが好ましい。黒鉛化処理前のＣＮＴは、炭素の結晶性が低く且つその表面にアモルファス状の熱分解炭素が部分的に存在しており、反応性に富むからである。
尚、表面がアモルファス状の熱分解炭素を焼成除去すべく、１０００〜２０００℃で焼成処理して得られたＣＮＴにも、本発明を適用できる。
【０００８】
本発明では、公知の製造方法によって得られたＣＮＴに、窒素含有化合物を存在させつつ、ＣＮＴ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱する窒素化処理を施す。
この窒素含有化合物としては、窒素ガス、アンモニアガス、アンモニア化合物である塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム等を好適に用いることができる。かかる窒素含有化合物は、単独で又は二種以上を混合して用いてもよい。
これらの窒素含有化合物のうち、窒素ガスを用いることによって、加熱処理ガスの後処理等を容易に行うことができる。
また、「ＣＮＴ内に窒素成分を含有させることのできる温度」とは、窒素含有化合物がＣＮＴと反応する温度をいう。かかる温度は、主として窒素含有化合物の種類に依存する。例えば、窒素含有化合物が、窒素ガスの場合、そのＣＮＴと反応する温度は１１００〜１６００℃（好ましくは１２００〜１５００℃）、アンモニアガスの場合、そのＣＮＴと反応する温度は５００〜１２００℃（好ましくは８００〜１０００℃）、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウムの場合、そのＣＮＴと反応する温度は５００〜１２００℃（好ましくは８００〜１０００℃）である。
ここで、ＣＮＴと反応する上記温度の下限未満の場合には、窒素との反応性が低下し、ＣＮＴ内に含有される窒素量を増加することが困難となる傾向にある。他方、ＣＮＴと反応する上記温度の上限を超える場合には、ＣＮＴ内に含有される窒素量が減少する傾向にある。ＣＮＴ内に含有された窒素が、抜け出てしまうものと考えられる。
かかる窒素化処理を施すＣＮＴとして、例えば硝酸等の強酸処理、粉砕、酸化等によって表面を粗面化したＣＮＴを用いると、窒素化処理後のＣＮＴ中の窒素成分の含有量が増加する傾向にある。表面の粗面化によって、窒素化処理中に窒素成分と接触する接触面積が増大したことによると考えられる。
また、窒素ガスを用いてＣＮＴを加熱して窒素化処理する際に、加熱雰囲気中に不活性ガスを存在させることによって、反応のコントロール等を容易に行うことができる。
尚、ここで用いる不活性ガスとしては、周期律表Ｏ族に属する気体、例えばヘリウム、ネオン、アルゴンから成るガスを用いることができ、アルゴンガスを好適に用いることができる。
【０００９】
かかる窒素化処理の際に、窒素含有化合物として、アンモニアガスを用いた場合にも、不活性ガスをキャリアガスとして用いることが好ましい。
また、窒素含有化合物として、アンモニウム化合物である塩化アンモニウム、炭酸アンモニウムを用いて窒素化処理する際には、ＣＮＴとアンモニウム化合物とを混合し、密閉された不活性ガス雰囲気中で加熱して窒素化処理することが好ましい。
ここで用いる不活性ガスとしては、周期律表Ｏ族に属する気体、例えばヘリウム、ネオン、アルゴンから成るガスを用いることができる。
但し、アンモニアガスやアンモニウム化合物を窒素含有化合物して用いた場合の加熱温度は、上述した様に、窒素含有化合物として窒素ガスを用いた場合の加熱温度に比較して低温化できる。このため、アンモニアガスやアンモニウム化合物を窒素含有化合物して用いたとき、その加熱温度が窒素ガスを不活性ガスとして取り扱うことのできる程度に低温化できる場合には、不活性ガスとして窒素ガスを用いることができる。
【００１０】
得られた窒素含有ＣＮＴは、その外表層部に窒素成分が含有されている。このことは、後述する実施例１で述べる様に、窒素含有カーボンナノチューブの全体中の窒素成分を検出しようとしても、その含有量は分析装置の測定限界値（０．１atom％）以下であって、窒素を検出できなかったこと、及び外表面から１０ｎｍ程度の外表層部に含有されている成分を分析できるＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）による表層分析によって、窒素が初めて検出されたことからも判る。
この様に、本発明の製造方法によって得られた窒素含有ＣＮＴは、その全体に亘って窒素成分が含有されておらず、外表層部に窒素成分が含有されている。このため、得られた窒素含有ＣＮＴは、ＣＮＴの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来の特性に併せて、水等の溶媒に対する濡れ性を向上でき、水等の溶媒に対する分散性を向上できる。
かかるＣＮＴの水等の溶媒に対する濡れ性は、ＣＮＴの外表面の性質が関与するため、ＣＮＴの樹脂、セラミック、金属等への分散性の向上も期待でき、ＣＮＴが分散された複合材等を容易に製造できることが期待できる。
【００１１】
ところで、本発明の窒素化処理を施した後、必要に応じて追加の加熱処理を施してもよい。この場合、追加の加熱処理では、本発明の窒素化処理時の加熱温度以下の温度で加熱処理を施すことが好ましい。本発明の窒素化処理時の加熱温度を超える温度で加熱処理を施すと、ＣＮＴ中の窒素が抜け出るおそれがあるからである。
ここで、ＣＮＴの黒鉛化処理を終了した後の冷却工程において、雰囲気温度が所定温度に到達したとき、例えば窒素ガスを供給して本発明の窒素化処理を行ってもよい。
また、窒素含有ＣＮＴに対し、再度、窒素含有化合物を存在させつつ、所定温度で加熱して窒素化処理してもよく、ＣＮＴの表面の性質を改善できる。
ところで、ＣＮＴの外表面層部に含有される窒素成分を、炭素に対して０．１〜５atom％とすることが望ましい。ＣＮＴの外表面層部に含有される窒素成分を炭素に対して０．１atom％未満では、ＣＮＴに窒素成分を含有する効果、例えば水等の溶媒に対する濡れ性の向上が不充分となり易い傾向にある。他方、ＣＮＴの外表面層部に含有される窒素成分を炭素に対して５atom％を超えると、ＣＮＴの優れた強度、熱伝導度、導電性等の本来の特性を損なう傾向がある。
【実施例１】
【００１２】
（１）ＣＮＴの製造
縦型加熱炉（内径17.0cm，長さ150cm ）の頂部に、スプレーノズルを取り付ける。加熱炉の炉内壁温度を１２００℃に昇温・維持し、スプレーノズルから４ wt％のフェロセンを含有するベンゼンの液体原料２０ｇ ／分を１００リットル／分の水素ガスの流量で炉壁に直接噴霧（スプレー）散布するように供給する。このような条件の下で、フェロセンは熱分解して鉄微粒子を作り、これがシード（種）となってベンゼンの熱分解による炭素から、ＣＮＴを生成成長させた。ここで得られたＣＮＴを未処理ＣＮＴと称する。
この未処理ＣＮＴをアルゴン雰囲気中で２８００℃の温度で熱処理して、処理ＣＮＴとした。得られた処理ＣＮＴは、直径が約８０ｎｍ、長さ１０〜２０μｍ、比表面積（ＢＥＴ法）１８ｍ2／ｇ、真比重２．０８ｇ／ｃｍ3の高純度のマルチウォールのＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）であった。この処理ＣＮＴは、相対的に直線状で、長い管状のものであった。処理ＣＮＴ中の鉄含有量は、１００ｐｐｍ以下（ＩＣＰ法で測定）であった。
（２）窒素化処理
得られた未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々を１００ｍｇ計量し、セラミックボートに載置した。このセラミックボートを高温電気炉のチャンバー内に載置、チャンバー内を真空状態とした後、窒素ガスを注入して窒素ガス雰囲気とした。
次いで、チャンバー内を１２００℃に昇温して３０分間保持し加熱処理を終了した。その後、室温まで降温させてセラミックボートを取り出した。
（３）窒素量の測定
【００１３】
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、窒素含有量を測定した。この測定は、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）によって行った。
Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）では、ＣＮＴの外表層部（外表面から１０ｎｍ程度）に含有されている窒素量を分析する。
その結果、未処理ＣＮＴでは、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して０．２atom％含有されていた。また、処理ＣＮＴでも、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して０．１atom％含有されていた。
この様に、未処理ＣＮＴの窒素化率が、処理ＣＮＴの窒素化率よりも高いのは、未処理ＣＮＴでは、結晶性が低く、且つその表面にアモルファス状の熱分解炭素が部分的に存在しており、反応性に富むためと考えられる。
尚、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、燃焼法［酸素・窒素分析装置（ＥＭＧＡ−２８００：堀場製作所製）を用いた。この分析装置の窒素成分の検出限界は０．１atom ％である。］でも測定を行ったが、窒素は検出されなかった。
（４）分散性調査
【００１４】
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、水に対する分散性を調査した。かかる調査の際に、比較対象として、窒素化処理を施す前のＣＮＴ（窒素化処理なしＣＮＴ）についても、水に対する分散性を調査した。
この分散性の調査では、未処理ＣＮＴ、処理ＣＮＴ及び窒素化処理なしＣＮＴの各々を０．０２ｇ計量した後、計量した未処理ＣＮＴ、処理ＣＮＴ及び窒素化処理なしＣＮＴの各々をビーカ中の蒸留水４．９８ｇに添加した。
次いで、各ビーカ中のＣＮＴが添加された蒸留水に超音波を約１０分間付与し、ＣＮＴを分散した。
その後、ビーカを静置状態とし、分散状態を目視で判定し、その結果を下記表１に示す。
【００１５】
【表１】
表１から明らかな様に、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとのいずれも、窒素化処理なしＣＮＴに比較して、水に対する分散性が向上されている。
【実施例２】
【００１６】
実施例１で得た未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、１２０℃の硝酸溶液中で５時間還流させて前処理を施し、外表面を粗面化した後、実施例１と同様にして窒素化処理を施した。
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして、外表層中の窒素含有量をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）によって測定した。
その結果、未処理ＣＮＴでは、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して０．６atom％含有されていた。また、処理ＣＮＴでも、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して０．２atom％含有されていた。
これらの窒素含有量は、実施例１の窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとよりも多い。本実施例では、窒素化処理を施す未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴの外表面を粗面化することによって、窒素ガスに接触する表面積が増大したことによるものと考えられる。
【実施例３】
【００１７】
実施例１において、チャンバー内を真空状態とした後、アンモニアガス（１０vol％）とアルゴンガス（９０vol％）との混合ガスを注入した。次いで、チャンバー内を１０００℃に昇温して３０分間保持し加熱処理を終了した他は、実施例１と同様にして未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々に窒素化処理を行った。
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして、外表層中の窒素含有量をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）によって測定した。
その結果、未処理ＣＮＴでは、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して３．０atom％含有されていた。また、処理ＣＮＴでも、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して１．０atom％含有されていた。
また、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして水に対する分散性を調査し、その結果を下記表２に示す。
【００１８】
【表２】
表２から明らかな様に、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとのいずれも、水に対する分散性が良好である。
【実施例４】
【００１９】
実施例１において、未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々を１００ｍｇ計量し、１０ｍｇの塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）と混合した後、セラミックボートに載置した。このセラミックボートを高温電気炉のチャンバー内に載置し、チャンバー内を真空状態とした後、アルゴンガスを注入して不活性ガス雰囲気とした。次いで、密閉されたチャンバー内を１０００℃に昇温して３０分間保持し加熱処理を終了した他は、実施例１と同様にして未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々に窒素化処理を行った。
窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして、外表層中の窒素含有量をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）によって測定した。
その結果、未処理ＣＮＴでは、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して３．５atom％含有されていた。また、処理ＣＮＴでも、その外表層部に窒素が、炭素（Ｃ）に対して１．０atom％含有されていた。
また、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとの各々について、実施例１と同様にして水に対する分散性を調査し、その結果を下記表３に示す。
【００２０】
【表３】
表３から明らかな様に、窒素化処理を施した未処理ＣＮＴと処理ＣＮＴとのいずれも、水に対する分散性が良好である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブに、窒素含有化合物を存在させつつ、前記カーボンナノチューブ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱する窒素化処理を施すことを特徴とする窒素含有カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項２】
窒素成分を、カーボンナノチューブの外表層部に含有させる請求項１記載の窒素含有カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項３】
窒素含有化合物として、窒素ガス、アンモニアガス又はアンモニウム化合物を用いる請求項１又は請求項２記載の窒素含有カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項４】
加熱処理雰囲気中に不活性ガスを存在させる請求項１〜３のいずれか一項記載の窒素含有カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項１】
カーボンナノチューブに、窒素含有化合物を存在させつつ、前記カーボンナノチューブ内に窒素成分を含有させることのできる温度で加熱する窒素化処理を施すことを特徴とする窒素含有カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項２】
窒素成分を、カーボンナノチューブの外表層部に含有させる請求項１記載の窒素含有カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項３】
窒素含有化合物として、窒素ガス、アンモニアガス又はアンモニウム化合物を用いる請求項１又は請求項２記載の窒素含有カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項４】
加熱処理雰囲気中に不活性ガスを存在させる請求項１〜３のいずれか一項記載の窒素含有カーボンナノチューブの製造方法。
【公開番号】特開２００８−１７９５３１（Ｐ２００８−１７９５３１Ａ）
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３０７４７（Ｐ２００７−３３０７４７）
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（５０４４６９７７６）ＭＥＦＳ株式会社 (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（５０４４６９７７６）ＭＥＦＳ株式会社 (13)
【Ｆターム（参考）】
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