JP2003137522A - Production method for carbon nanotube - Google Patents

Production method for carbon nanotube

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JP2003137522A
JP2003137522A JP2001336656A JP2001336656A JP2003137522A JP 2003137522 A JP2003137522 A JP 2003137522A JP 2001336656 A JP2001336656 A JP 2001336656A JP 2001336656 A JP2001336656 A JP 2001336656A JP 2003137522 A JP2003137522 A JP 2003137522A
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carbon nanotubes
carbon
carbon nanotube
ion beam
raw material
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Takahiro Hayashi
高弘 林
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a carbon nanotube uniform in shape and dimension, and also having high purity without needing a complicated refining process. SOLUTION: This method comprises irradiating the ion beam of a catalyst material to the gas of a carbon compound being a raw material of carbon nanotube in a reaction vessel, and generating the carbon nanotube by using an ion in the ion beam as a nucleus.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、形状・寸法の均一
性を高めたカーボンナノチューブの製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing carbon nanotubes having improved shape / dimension uniformity.

【0002】[0002]

【従来の技術】カーボンナノチューブ(CNT)は、炭
素6員環が連なったグラファイトの1層(グラフェンシ
ート)を丸めた円筒状の物質であり、直径が1nm程度
から数十nm程度、長さは1μm程度である。カーボン
ナノチューブには、1層のみから成る単層カーボンナノ
チューブ(SWCNT)と、何層もが同心筒状になった
多層CNT(MWCNT)とがある。カーボンナノチュ
ーブはまた、カーボンナノファイバーと呼ぶ場合もあ
る。
2. Description of the Related Art Carbon nanotubes (CNTs) are cylindrical substances obtained by rolling a single layer (graphene sheet) of graphite in which carbon 6-membered rings are continuous, and have a diameter of about 1 nm to several tens of nm and a length of about 1 nm. It is about 1 μm. Carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) consisting of only one layer and multi-walled CNTs (MWCNT) in which many layers are concentric. Carbon nanotubes may also be referred to as carbon nanofibers.

【0003】これまでにカーボンナノチューブの特性と
して、(1)形状特性(先端径が小さくアスペクト比が大
きい)、(2)電子物性(グラフェンシートの巻き方と直
径により半導体または金属として振舞う等)、(3)高い
吸着性能、(4)優れた機械的性質等の優れた特性が見出
されている。
So far, the characteristics of carbon nanotubes include: (1) shape characteristics (small tip diameter and large aspect ratio), (2) electronic properties (behavior as semiconductor or metal depending on winding and diameter of graphene sheet, etc.), Excellent properties such as (3) high adsorption performance and (4) excellent mechanical properties have been found.

【0004】これらの特性を利用して、例えば走査プロ
ーブ顕微鏡(SPM)の探針、電解放出ディスプレー
(FED)用エミッタ、水素吸蔵材料、リチウム二次電
池の負極、電界効果トランジスタ、複合材料等の多種多
様な用途が期待されている。
Utilizing these characteristics, for example, a probe of a scanning probe microscope (SPM), an emitter for field emission display (FED), a hydrogen storage material, a negative electrode of a lithium secondary battery, a field effect transistor, a composite material, etc. A wide variety of applications are expected.

【0005】これまでに、カーボンナノチューブの製造
方法として種々の方法が提案されているが、特に工業的
な大量生産に適した方法として化学気相成長法(CVD
法)が着目されている。CVD法による製造方法は、原
料となる炭素化合物のガスを800〜1200℃で触媒
粒子と接触させて、触媒粒子上にカーボンナノチューブ
を生成させる。原料ガスとしては、CH4、CO、H2
CO混合ガス(H2:CO=1:3)等の他、アセチレ
ン、エチレン、ベンゼン等が用いられ、触媒粒子として
は、Fe23/Al23混合粉末、Fe23/SiO2
混合粉末、Fe(CO)5、Fe、Co、Ni、Co−
Ni等が用いられる。
Various methods have been proposed so far for producing carbon nanotubes, but as a method particularly suitable for industrial mass production, chemical vapor deposition (CVD) is used.
Law) is drawing attention. In the manufacturing method by the CVD method, a carbon compound gas as a raw material is brought into contact with catalyst particles at 800 to 1200 ° C. to generate carbon nanotubes on the catalyst particles. As the raw material gas, CH 4, CO, H 2 /
In addition to CO mixed gas (H 2 : CO = 1: 3) and the like, acetylene, ethylene, benzene and the like are used, and as the catalyst particles, Fe 2 O 3 / Al 2 O 3 mixed powder, Fe 2 O 3 / SiO 2 are used. 2
Mixed powder, Fe (CO) 5 , Fe, Co, Ni, Co-
Ni or the like is used.

【0006】一般的な製造手順は、(1)反応容器(石英
ガラス管等)内の焼成皿に触媒粉末を配置、(2)容器内
を真空ポンプで減圧、(3)200℃に加熱して系内の不
要分を揮発除去、(4)原料ガスを流しながら800〜1
200℃に昇温して所定時間保持してカーボンナノチュ
ーブを生成、(5)室温まで冷却後にカーボンナノチュー
ブ(すす状の生成物)を取り出す。
The general manufacturing procedure is as follows: (1) place catalyst powder in a baking dish in a reaction vessel (quartz glass tube, etc.), (2) decompress the vessel with a vacuum pump, and (3) heat to 200 ° C. Volatilizes and removes unnecessary components in the system, (4) 800 to 1 while flowing the source gas
The temperature is raised to 200 ° C. and kept for a predetermined time to produce carbon nanotubes, and (5) after cooling to room temperature, the carbon nanotubes (soot-like products) are taken out.

【0007】しかし、上記CVD法による従来の方法で
は、得られるカーボンナノチューブには、不純物とし
て、触媒物質の他、アモルファスカーボン、グラファイ
ト等のチューブに成長しなかった炭素分が多量に含まれ
ているため、これら不純物を除去するための精製工程が
後処理として必要であった。
However, in the conventional method by the above-mentioned CVD method, the obtained carbon nanotubes contain, as impurities, a large amount of carbon such as amorphous carbon and graphite, which has not grown in the tube, in addition to the catalyst substance. Therefore, a purification step for removing these impurities was required as a post-treatment.

【0008】この精製工程の典型例としては、カーボン
ナノチューブと不純物が混在する生成物を60%硝酸溶
液に浸漬して100〜120℃で4時間程度煮沸した
後、洗浄した回収物を大気中で580〜650℃で焼成
する。これにより得られるカーボンナノチューブの純度
は60〜90%程度であった。
As a typical example of this purification step, a product containing carbon nanotubes and impurities is immersed in a 60% nitric acid solution and boiled at 100 to 120 ° C. for about 4 hours, and then the washed recovered product is in the air. Bake at 580-650 ° C. The purity of the carbon nanotubes thus obtained was about 60 to 90%.

【0009】このように、CVD法による方法は、工業
的な大量生産に適しているが、後処理として煩雑な精製
工程を行っても、高純度のカーボンナノチューブが得ら
れないという問題があった。
As described above, the CVD method is suitable for industrial mass production, but there is a problem that high-purity carbon nanotubes cannot be obtained even if a complicated purification step is performed as a post-treatment. .

【0010】一方、CVD法以外の方法として、特開平
11−106208号公報に開示された方法では、高真
空下で炭素質固体表面にイオンビームを照射することに
よって、照射部分にカーボンナノチューブを生成させ
る。この方法は、高真空下でW素質固体からカーボンナ
ノチューブを成長させるので、不純物が混入することが
ないため高純度のカーボンナノチューブが得られる、と
いう利点がある。
On the other hand, as a method other than the CVD method, in the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-106208, the carbonaceous solid surface is irradiated with an ion beam under high vacuum to generate carbon nanotubes in the irradiated portion. Let This method has the advantage that carbon nanotubes of high purity can be obtained because impurities are not mixed in because the carbon nanotubes are grown from the W-based solid under high vacuum.

【0011】しかし、反応性の低い固体表面からの成長
であるため、照射の仕方によってはカーボンナノチュー
ブが生成できなかったり、生成したカーボンナノチュー
ブの寸法・形状(アスペクト比)が不均一になったりす
ることが避けられないという問題があった。
However, since the growth is carried out from a solid surface having low reactivity, carbon nanotubes cannot be produced or the size / shape (aspect ratio) of the produced carbon nanotubes becomes non-uniform depending on the irradiation method. There was a problem that things were unavoidable.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、煩雑な精製
工程の必要なく高純度でかつ寸法・形状(アスペクト
比)の均一なカーボンナノチューブを製造する方法を提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method for producing carbon nanotubes of high purity and of uniform size and shape (aspect ratio) without the need for complicated purification steps.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、反
応容器内で、カーボンナノチューブの原料となる炭素化
合物のガスに触媒物質のイオンビームを照射することに
より、該イオンビーム中のイオンを核としてカーボンナ
ノチューブを生成させることを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the method for producing carbon nanotubes of the present invention is such that an ion beam of a catalytic substance is applied to a gas of a carbon compound as a raw material of carbon nanotubes in a reaction vessel. The irradiation is characterized in that carbon nanotubes are generated by using the ions in the ion beam as nuclei.

【0014】本発明によれば、イオン質量(すなわちイ
オン半径)によりカーボンナノチューブの直径を、かつ
イオンビーム加速電圧によりカーボンナノチューブの長
さをそれぞれ制御できるので所望の寸法・形状(アスペ
クト比)のカーボンナノチューブのみを生成させること
ができ、かつ、生成したカーボンナノチューブは原料ガ
スおよびイオンから成る雰囲気から受ける浮力よりも重
量が大きいので、カーボンナノチューブのみが反応容器
下部へ自由落下して、いわば「重力選別」により容易に
不純物と分離して高純度化することができる。
According to the present invention, the diameter of the carbon nanotube can be controlled by the ionic mass (ie, the ionic radius), and the length of the carbon nanotube can be controlled by the ion beam accelerating voltage, so that the carbon having a desired size and shape (aspect ratio) can be controlled. Since only carbon nanotubes can be generated, and the generated carbon nanotubes are heavier than the buoyancy received from the atmosphere consisting of the raw material gas and the ions, only the carbon nanotubes freely fall to the bottom of the reaction vessel, which is, so to speak, "gravity sorting." Can be easily separated from the impurities and highly purified.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】図1に、本発明のカーボンナノチ
ューブの製造方法を行うための装置の一実施形態を示
す。本発明によるカーボンナノチューブの製造装置1
は、カーボンナノチューブの生成反応を行う反応容器1
0、反応容器10の下部に設けたカーボンナノチューブ
回収室12、触媒物質をイオン化するイオン化室14、
およびイオン化室14で発生したイオンを反応容器10
内へ照射する質量分離型のイオン銃16から基本的に構
成される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an embodiment of an apparatus for carrying out the method for producing carbon nanotubes of the present invention. Carbon nanotube manufacturing apparatus 1 according to the present invention
Is a reaction vessel 1 for carrying out a reaction for producing carbon nanotubes.
0, a carbon nanotube recovery chamber 12 provided under the reaction vessel 10, an ionization chamber 14 for ionizing a catalyst substance,
Ions generated in the ionization chamber 14 and the reaction container 10
It is basically composed of a mass separation type ion gun 16 for irradiating inside.

【0016】図1の装置により、カーボンナノチューブ
は下記の手順により製造する。
Carbon nanotubes are manufactured by the following procedure using the apparatus shown in FIG.

【0017】まず、反応容器10内を排気した後、カー
ボンナノチューブの原料となる炭素化合物のガスを反応
容器10内に導入する。原料ガス導入後の反応容器10
内のガス圧は常圧(1気圧)程度でよい。原料ガスとし
ては、CH4、CO、H2/CO混合ガス(H2:CO=
1:3)、アセチレン、エチレン、ベンゼン等を用いる
ことができる。一般に、従来のCVD法によるカーボン
ナノチューブの製造に用いられていた原料ガスは、本発
明の方法に用いることができる。
First, after exhausting the inside of the reaction vessel 10, a gas of a carbon compound as a raw material of carbon nanotubes is introduced into the reaction vessel 10. Reaction vessel 10 after introduction of raw material gas
The internal gas pressure may be about normal pressure (1 atm). As the source gas, CH 4 , CO, H 2 / CO mixed gas (H 2 : CO =
1: 3), acetylene, ethylene, benzene and the like can be used. In general, the raw material gas used for producing carbon nanotubes by the conventional CVD method can be used for the method of the present invention.

【0018】反応容器10内の原料ガスを反応温度に昇
温して保持する。反応温度は一般に800〜1200℃
程度である。
The raw material gas in the reaction vessel 10 is heated to and held at the reaction temperature. The reaction temperature is generally 800 to 1200 ° C.
It is a degree.

【0019】一方、イオン化室14内に触媒物質を装入
してイオン化させる。触媒物質は一般に粒子状(粉末)
で用意する。触媒粉末としては、Fe23/Al23
合粉末、Fe23/SiO2混合粉末、Fe(CO)5
Fe、Co、Ni、Co−Ni等が用いられる。一般
に、従来のCVD法によるカーボンナノチューブの製造
に用いられていた触媒物質は、本発明の方法に用いるこ
とができる。
On the other hand, a catalyst substance is loaded into the ionization chamber 14 and ionized. Catalytic materials are generally particulate (powder)
To prepare. As the catalyst powder, Fe 2 O 3 / Al 2 O 3 mixed powder, Fe 2 O 3 / SiO 2 mixed powder, Fe (CO) 5 ,
Fe, Co, Ni, Co-Ni or the like is used. Generally, the catalytic material used in the conventional production of carbon nanotubes by the CVD method can be used in the method of the present invention.

【0020】イオン化室14で発生した触媒物質のイオ
ン20は電子銃16へ供給され、電子銃16内で加速さ
れて、イオンビーム22として反応容器10内に導入さ
れる。イオン銃16は質量分離型であり、質量分析計と
同様の原理で4重極に交流電圧を印加することにより、
所定の質量数のイオンのみを選択的に加速してイオンビ
ーム22を形成する。
Ions 20 of the catalytic substance generated in the ionization chamber 14 are supplied to the electron gun 16, accelerated in the electron gun 16, and introduced into the reaction container 10 as an ion beam 22. The ion gun 16 is a mass separation type, and by applying an AC voltage to the quadrupole on the same principle as the mass spectrometer,
Ions 22 are formed by selectively accelerating only ions of a predetermined mass number.

【0021】反応容器10内で、上記の反応温度に保持
された原料ガス24にイオンビーム22が照射される
と、イオンビーム22を構成している触媒物質のイオン
粒子26(原子状またはクラスター状)を核としてカー
ボンナノチューブ28が成長する。イオンビーム22
は、上記のように所定のイオン質量すなわちイオン半径
を有するイオン26のみから成るので、それを核として
生成するカーボンナノチューブ28の直径の均一性は極
めて高い。同時に、イオンビーム加速電圧の制御によ
り、生成するカーボンナノチューブの長さを制御できる
ので、形状(アスペクト比)の均一性も極めて高い。
When the source gas 24 held at the above reaction temperature is irradiated with the ion beam 22 in the reaction vessel 10, the ion particles 26 (atom-shaped or cluster-shaped) of the catalytic substance forming the ion beam 22 are formed. ) As a nucleus, the carbon nanotube 28 grows. Ion beam 22
Is composed of only the ions 26 having a predetermined ionic mass, that is, an ionic radius as described above, and therefore, the uniformity of the diameter of the carbon nanotubes 28 formed by using the nuclei is extremely high. At the same time, the length of the carbon nanotubes produced can be controlled by controlling the ion beam accelerating voltage, so the uniformity of the shape (aspect ratio) is extremely high.

【0022】また、原料ガスと触媒イオンのみから成る
反応系で生成するため、それ以外の不純物が混入するこ
とがない。しかも所定半径のイオン粒子を核として確実
に生成するため、カーボンナノチューブ以外の炭素分が
発生することもない。したがって、生成するカーボンナ
ノチューブの純度は極めて高い。
Further, since it is produced in the reaction system consisting only of the raw material gas and the catalyst ions, no other impurities are mixed. Moreover, since the ionic particles having a predetermined radius are surely generated as nuclei, carbon components other than carbon nanotubes are not generated. Therefore, the purity of the produced carbon nanotube is extremely high.

【0023】生成したカーボンナノチューブ28は、原
料ガス24およびイオン26から成る雰囲気から受ける
浮力より重量が大きいため、自然落下して反応容器10
下部の回収室12内に堆積する。この「重力選別」効果
により、回収されるカーボンナノチューブは純度も形状
・寸法の均一性も更に高められる。
The generated carbon nanotubes 28 have a weight larger than the buoyancy received from the atmosphere composed of the raw material gas 24 and the ions 26, so that the carbon nanotubes 28 naturally fall and fall.
Deposit in the lower recovery chamber 12. Due to this "gravitational sorting" effect, the recovered carbon nanotubes are further enhanced in purity and uniformity of shape and size.

【0024】[0024]

【発明の効果】本発明によれば、煩雑な精製工程の必要
なく高純度でかつ寸法・形状(アスペクト比)の均一な
カーボンナノチューブを製造する方法が提供される。
According to the present invention, there is provided a method for producing carbon nanotubes of high purity and having a uniform size and shape (aspect ratio) without the need for complicated purification steps.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は、本発明のカーボンナノチューブの製造
方法を行うための装置の一実施形態を示す断面図であ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of an apparatus for carrying out the carbon nanotube manufacturing method of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…本発明のカーボンナノチューブ製造装置 10…反応容器 12…回収室 14…イオン化室 16…イオン銃 20…触媒物質のイオン 22…イオンビーム 24…カーボンナノチューブの原料ガス 26…原料ガス24に照射されたイオン粒子 28…生成したカーボンナノチューブ 1 ... Carbon nanotube production apparatus of the present invention 10 ... Reaction vessel 12 ... Collection room 14 ... Ionization room 16 ... Ion gun 20 ... Catalytic substance ions 22 ... Ion beam 24 ... Raw material gas for carbon nanotubes 26 ... Ion particles irradiated on the source gas 24 28 ... Generated carbon nanotube

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反応容器内で、カーボンナノチューブの
原料となる炭素化合物のガスに触媒物質のイオンビーム
を照射することにより、該イオンビーム中のイオンを核
としてカーボンナノチューブを生成させることを特徴と
するカーボンナノチューブの製造方法。
1. A carbon nanotube is produced by irradiating a gas of a carbon compound, which is a raw material for carbon nanotubes, with an ion beam of a catalytic substance in a reaction vessel, with the ions in the ion beam as nuclei. Method for producing carbon nanotubes.
【請求項2】 前記イオンビームは、前記触媒物質のイ
オンを質量分離型イオン銃により加速して形成されるこ
とを特徴とする請求項1記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the ion beam is formed by accelerating the ions of the catalyst substance by a mass separation type ion gun.
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