JP7081252B2 - Manufacturing method and equipment for carbon structure - Google Patents

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本発明は、炭素構造体の製造方法および炭素構造体の製造装置に関し、特には、化学気相成長法を用いて炭素構造体を製造する方法および化学気相成長法を用いて炭素構造体を製造する装置に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a carbon structure and an apparatus for producing a carbon structure, and in particular, a method for producing a carbon structure using a chemical vapor phase growth method and a method for producing a carbon structure using a chemical vapor phase growth method. It is about the equipment to be manufactured.

従来、カーボンナノチューブ(以下、「CNT」と称することがある。)やグラフェンなどの炭素構造体を製造する方法として、化学気相成長(CVD)法が知られている。 Conventionally, a chemical vapor deposition (CVD) method is known as a method for producing a carbon structure such as carbon nanotubes (hereinafter, may be referred to as “CNT”) or graphene.

ここで、CVD法を用いた炭素構造体の製造においては、炭素を含む原料ガスを触媒と接触させて炭素構造体を形成する際に、副反応によって揮発性有機化合物(VOC)や多環芳香族炭化水素(PAHs)などの炭素系副生成物が生成する。そして、生成した炭素系副生成物は、炭素構造体に付着して製品品質の低下を招いたり、製造装置の排気管を閉塞させて製造効率を低下させたりすることがある。 Here, in the production of a carbon structure using the CVD method, when a raw material gas containing carbon is brought into contact with a catalyst to form a carbon structure, a volatile organic compound (VOC) or a polycyclic fragrance is produced by a side reaction. Carbon-based by-products such as group hydrocarbons (PAHs) are produced. Then, the produced carbon-based by-product may adhere to the carbon structure and cause deterioration of product quality, or may block the exhaust pipe of the manufacturing apparatus and reduce the manufacturing efficiency.

そこで、例えば特許文献1では、表面に触媒を担持した基材上に原料ガスを供給してCNTを製造する際に、CNTの成長に使われた後の原料ガスと、水素、アンモニア、酸素、オゾン、水蒸気などの反応ガスとを混合して反応させることにより、炭素系副生成物として炭素固形物が生成するのを防止している。 Therefore, for example, in Patent Document 1, when a raw material gas is supplied onto a substrate having a catalyst on its surface to produce a CNT, the raw material gas after being used for the growth of the CNT, hydrogen, ammonia, oxygen, and the like are used. By mixing and reacting with a reaction gas such as ozone and water vapor, it is possible to prevent the formation of carbon solids as carbon-based by-products.

特開2011-219316号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-219316

しかし、上記従来の技術には、CVD法により炭素構造体を製造する際の炭素系副生成物の生成を更に抑制するという点において改善の余地があった。 However, there is room for improvement in the above-mentioned conventional technique in that the formation of carbon-based by-products when producing a carbon structure by the CVD method is further suppressed.

そこで、本発明は、CVD法により炭素構造体を製造する際に炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる炭素構造体の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing a carbon structure capable of sufficiently suppressing the formation of carbon-based by-products when the carbon structure is produced by the CVD method.

本発明者は、上記課題を解決することを目的として鋭意検討を行った。そして、本発明者は、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを使用すれば、CVD法による炭素構造体の製造において炭素系副生成物の生成を十分に抑制可能であることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventor has made diligent studies for the purpose of solving the above problems. Then, by using a reactive gas containing a compound having 1 or more and 5 or less carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group, the present inventor can generate a carbon-based by-product in the production of a carbon structure by the CVD method. We have found that it is possible to sufficiently suppress the above, and have completed the present invention.

即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の炭素構造体の製造方法は、炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる工程(A)と、前記工程(A)で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する工程(B)とを含むことを特徴とする。このように、工程(A)で生じた反応排ガスに対してヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給すれば、炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。 That is, the present invention aims to advantageously solve the above problems, and the method for producing a carbon structure of the present invention is a chemical vapor phase growth method in which a raw material gas containing a carbon compound is supplied to a catalyst. A step of growing a carbon structure by the above step (A) and a step of supplying a reactive gas containing a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms to the reaction exhaust gas generated in the step (A). It is characterized by including (B). As described above, if a reactive gas containing a compound having 1 or more and 5 or less carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group is supplied to the reaction exhaust gas generated in the step (A), a carbon-based by-product is produced. Can be sufficiently suppressed.

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の炭素構造体の製造装置は、炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる成長炉と、前記成長炉で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する反応性ガス供給部とを備えることを特徴とする。このように、反応性ガス供給部を設け、成長炉で生じる反応排ガスに対してヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給すれば、炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。 Further, the present invention has an object of advantageously solving the above-mentioned problems, and the apparatus for producing a carbon structure of the present invention supplies a raw material gas containing a carbon compound to a catalyst and uses a chemical vapor phase growth method. A reactive gas supply unit that supplies a reactive gas containing a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms to a growth furnace for growing a carbon structure and the reaction exhaust gas generated in the growth furnace. It is characterized by having and. As described above, if the reactive gas supply unit is provided and the reactive gas containing a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms is supplied to the reaction exhaust gas generated in the growth furnace, it is carbon-based. The formation of by-products can be sufficiently suppressed.

なお、本発明において、前記化合物は、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1の化合物であることが好ましい。炭素数が1の化合物を使用すれば、炭素系副生成物の生成を更に抑制することができるからである。 In the present invention, the compound is preferably a compound having 1 carbon atom and having a hydroxy group and / or an aldehyde group. This is because if a compound having one carbon atom is used, the formation of carbon-based by-products can be further suppressed.

また、本発明において、前記化合物は、メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸は、炭素系副生成物の生成抑制効果に優れているからである。 Further, in the present invention, the compound is preferably at least one selected from the group consisting of methanol, formaldehyde and formic acid. This is because methanol, formaldehyde and formic acid are excellent in suppressing the production of carbon-based by-products.

そして、本発明において、前記炭素構造体は、カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンであることが好ましい。カーボンナノチューブおよびグラフェンは、導電性、熱伝導性および機械的特性などの各種特性に優れる材料として有用だからである。 In the present invention, the carbon structure is preferably carbon nanotubes and / or graphene. This is because carbon nanotubes and graphene are useful as materials having excellent various properties such as conductivity, thermal conductivity and mechanical properties.

本発明によれば、CVD法により炭素構造体を製造する際に炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to sufficiently suppress the formation of carbon-based by-products when producing a carbon structure by the CVD method.

本発明に従う炭素構造体の製造装置の一例の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of an example of the manufacturing apparatus of the carbon structure according to this invention. 図1に示す製造装置の成長炉の構造を拡大して示す図である。It is a figure which shows the structure of the growth furnace of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1 in an enlarged manner. 本発明に従う炭素構造体の製造装置の他の例の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the other example of the manufacturing apparatus of the carbon structure according to this invention.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
ここで、本発明の炭素構造体の製造方法は、化学気相成長(CVD)法を用いて炭素構造体を製造する方法である。また、本発明の炭素構造体の製造装置は、CVD法を用いて炭素構造体を製造する装置であり、例えば本発明の炭素構造体の製造方法を用いて炭素構造体を製造する際に用いることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
Here, the method for producing a carbon structure of the present invention is a method for producing a carbon structure by using a chemical vapor deposition (CVD) method. Further, the carbon structure manufacturing apparatus of the present invention is an apparatus for manufacturing a carbon structure by using a CVD method, and is used, for example, when manufacturing a carbon structure by using the carbon structure manufacturing method of the present invention. be able to.

(炭素構造体の製造方法)
本発明の炭素構造体の製造方法は、炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる工程(A)と、工程(A)で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する工程(B)とを含む。
(Manufacturing method of carbon structure)
In the method for producing a carbon structure of the present invention, a raw material gas containing a carbon compound is supplied to a catalyst, and the carbon structure is grown by a chemical vapor phase growth method (A) and the reaction exhaust gas generated in the step (A). The step (B) of supplying a reactive gas containing a compound having 1 or more and 5 or less carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group is included.

そして、本発明の炭素構造体の製造方法では、工程(B)においてヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給しているので、多環芳香族炭化水素などの炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。従って、形成された炭素構造体や製造装置内部に炭素系副生成物が付着するのを十分に抑制して、製品品質の低下および排気管の閉塞等を防止することができる。
なお、炭素系副生成物の生成が抑制される理由は、明らかではないが、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物自体、或いは、当該化合物が分解して形成された化合物が、炭素系副生成物を生成し得る反応排ガス中の成分と反応し、炭素系副生成物の生成を抑制するためであると推察される。
In the method for producing a carbon structure of the present invention, a reactive gas containing a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms is supplied in the step (B). The formation of carbon-based by-products such as group hydrocarbons can be sufficiently suppressed. Therefore, it is possible to sufficiently suppress the adhesion of carbon-based by-products to the formed carbon structure or the inside of the manufacturing apparatus, and prevent deterioration of product quality and blockage of the exhaust pipe.
Although the reason why the formation of carbon-based by-products is suppressed is not clear, the compound itself having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms, or the compound is formed by decomposition. It is presumed that this is because the compound reacts with the components in the reaction exhaust gas that can generate carbon-based by-products and suppresses the formation of carbon-based by-products.

<工程(A)>
工程(A)では、原料ガスと、触媒とを用いて、CVD法により炭素構造体を成長させる。
なお、本発明の炭素構造体の製造方法では、任意に、触媒の周囲環境(例えば、触媒からの距離が5cm以下の範囲)を還元ガス環境とすると共に、触媒及び/又は還元ガスを加熱するフォーメーション工程を工程(A)の前に実施してもよい。フォーメーション工程の実施により、触媒の還元、触媒の微粒子化(炭素構造体の成長に適合した状態化)の促進、及び、触媒の活性向上のうち少なくとも一つの効果が得られる。また、本発明の炭素構造体の製造方法では、任意に、成長した炭素構造体および触媒を不活性ガス下において冷却する冷却工程を工程(A)の後に実施してもよい。冷却工程の実施により、炭素構造体や触媒が酸化するのを防止することができる。そして、フォーメーション工程および冷却工程は、例えば国際公開第2014/208097号や特開2011-219316号公報の記載等に従って行うことができる。
<Process (A)>
In the step (A), the carbon structure is grown by the CVD method using the raw material gas and the catalyst.
In the method for producing a carbon structure of the present invention, the ambient environment of the catalyst (for example, the range where the distance from the catalyst is 5 cm or less) is arbitrarily set as the reducing gas environment, and the catalyst and / or the reducing gas is heated. The formation step may be carried out before the step (A). By carrying out the formation step, at least one of the effects of reducing the catalyst, promoting the atomization of the catalyst (state suitable for the growth of the carbon structure), and improving the activity of the catalyst can be obtained. Further, in the method for producing a carbon structure of the present invention, a cooling step of cooling the grown carbon structure and the catalyst under an inert gas may be optionally performed after the step (A). By carrying out the cooling step, it is possible to prevent the carbon structure and the catalyst from being oxidized. The formation step and the cooling step can be performed according to, for example, the description in International Publication No. 2014/208097 and JP-A-2011-219316.

[炭素構造体]
ここで、本発明の製造方法で製造する炭素構造体としては、CVD法により製造し得る任意の炭素構造体が挙げられる。中でも、炭素構造体としては、炭素ナノ構造体が好ましく、カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンがより好ましく、カーボンナノチューブが更に好ましい。炭素ナノ構造体、特にカーボンナノチューブおよびグラフェンは、導電性、熱伝導性および機械的特性などの各種特性に優れる材料として有用だからである。
[Carbon structure]
Here, examples of the carbon structure manufactured by the manufacturing method of the present invention include any carbon structure that can be manufactured by the CVD method. Among them, as the carbon structure, carbon nanostructures are preferable, carbon nanotubes and / or graphene are more preferable, and carbon nanotubes are further preferable. This is because carbon nanostructures, especially carbon nanotubes and graphene, are useful as materials having excellent various properties such as conductivity, thermal conductivity and mechanical properties.

[原料ガス]
炭素構造体の生成に用いる原料ガスとしては、例えば、成長温度において原料炭素源を有するガスなどの、炭素構造体の製造に実績のあるものを適宜用いることができる。中でも、原料ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、プロピレン、アセチレン、または、これらの混合物などの炭素化合物を含むガスを用いることが好ましい。なお、原料ガスは、炭素化合物に加え、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどの不活性ガスを含んでいてもよい。また、原料ガス中の炭素化合物には、アセトン、一酸化炭素などの酸素含有炭素化合物が含まれていてもよいが、炭素化合物は酸素含有炭素化合物を含まないことが好ましい。
[Raw material gas]
As the raw material gas used for producing the carbon structure, for example, a gas having a proven material in the production of the carbon structure, such as a gas having a raw material carbon source at the growth temperature, can be appropriately used. Among them, as the raw material gas, it is preferable to use a gas containing a carbon compound such as methane, ethane, ethylene, propane, butane, pentane, hexane, heptane, propylene, acetylene, or a mixture thereof. The raw material gas may contain an inert gas such as helium gas, argon gas, or nitrogen gas in addition to the carbon compound. Further, the carbon compound in the raw material gas may contain an oxygen-containing carbon compound such as acetone or carbon monoxide, but the carbon compound preferably does not contain the oxygen-containing carbon compound.

[触媒]
触媒としては、炭素構造体の製造に実績のあるものを適宜用いることができる。具体的には、触媒としては、特に限定されることなく、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、モリブデン、並びに、これらの塩化物及び合金、或いは、これらが、さらにアルミニウム、アルミナ、チタニア、窒化チタン、酸化シリコンなどと複合化し、又は層状になったものが挙げられる。具体的には、触媒としては、例えば、鉄-モリブデン薄膜、アルミナ-鉄薄膜、アルミナ-コバルト薄膜、アルミナ-鉄-モリブデン薄膜、アルミニウム-鉄薄膜およびアルミニウム-鉄-モリブデン薄膜などを例示することができる。
[catalyst]
As the catalyst, a catalyst having a proven track record in the production of carbon structures can be appropriately used. Specifically, the catalyst is not particularly limited, and for example, iron, nickel, cobalt, molybdenum, and chlorides and alloys thereof, or these are further aluminum, alumina, titania, titanium nitride, and the like. Examples thereof include those compounded with silicon oxide or the like or layered. Specifically, examples of the catalyst include iron-molybdenum thin film, alumina-iron thin film, alumina-cobalt thin film, alumina-iron-molybdenum thin film, aluminum-iron thin film, and aluminum-iron-molybdenum thin film. can.

なお、触媒は、任意の基材に担持されていてもよい。ここで、基材を構成する部材は、その表面に炭素構造体成長反応用の触媒を担持することのできるものであればよく、400℃以上の高温でも形状を維持できることが好ましい。その材質としては、例えば、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、チタン、アルミニウム、マンガン、コバルト、銅、銀、金、白金、ニオブ、タンタル、鉛、亜鉛、ガリウム、インジウム、ゲルマニウムおよびアンチモンなどの金属、並びに、これらの金属を含む合金及び酸化物;シリコン、石英、ガラス、マイカ、グラファイトおよびダイヤモンドなどの非金属;並びに、セラミックなどを例示できる。金属は、非金属およびセラミックと比較して低コストであるから好ましく、特に、Fe-Cr(鉄-クロム)合金、Fe-Ni(鉄-ニッケル)合金、Fe-Cr-Ni(鉄-クロム-ニッケル)合金等は好適である。 The catalyst may be supported on any substrate. Here, the member constituting the base material may be any as long as it can support a catalyst for a carbon structure growth reaction on its surface, and it is preferable that the shape can be maintained even at a high temperature of 400 ° C. or higher. The materials include, for example, iron, nickel, chromium, molybdenum, tungsten, titanium, aluminum, manganese, cobalt, copper, silver, gold, platinum, niobium, tantalum, lead, zinc, gallium, indium, germanium and antimony. Examples thereof include metals and alloys and oxides containing these metals; non-metals such as silicon, quartz, glass, mica, graphite and diamond; and ceramics. Metals are preferred because they are cheaper than non-metals and ceramics, especially Fe-Cr (iron-chromium) alloys, Fe-Ni (iron-nickel) alloys, Fe-Cr-Ni (iron-chromium-). Nickel) alloys and the like are suitable.

基材の形状は、平板状、薄膜状、ブロック状、粒子状、あるいは粉末状などが挙げられ、特に体積の割に表面積を大きくとれる平板状、粒子状または粉末状が炭素構造体を大量に製造する場合において有利である。
なお、粒子状の基材としては、Al、Si、Zr、O、N、及びCの内の何れか一種以上の元素を含む支持体を含む粒子、好ましくはこれらの内の何れか一種以上の元素を含むセラミック粒子が挙げられる。具体的には、粒子状のアルミナであるアルミナビーズ、粒子状のシリカであるシリカビーズ、粒子状のジルコニアであるジルコニアビーズ、および各種複合酸化物のビーズ等が挙げられる。そして、粒子状の基材の体積平均粒子径は、0.1mm以上が好ましく、0.15mm以上がより好ましく、2.0mm以下がより好ましい。
The shape of the base material includes a flat plate, a thin film, a block, a particle, or a powder. In particular, the flat plate, the particle, or the powder, which can take a large surface area for the volume, has a large amount of carbon structure. It is advantageous in the case of manufacturing.
The particulate substrate includes particles containing a support containing one or more of the elements Al, Si, Zr, O, N, and C, preferably one or more of these. Examples include ceramic particles containing elements. Specific examples thereof include alumina beads which are particulate alumina, silica beads which are particulate silica, zirconia beads which are particulate zirconia, and beads of various composite oxides. The volume average particle diameter of the particulate substrate is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.15 mm or more, and even more preferably 2.0 mm or less.

なお、基材として用いる平板状基板の表面及び裏面のうち少なくともいずれか一方には、浸炭防止層が形成されていてもよい。表面および裏面の両面に浸炭防止層が形成されていることが望ましい。この浸炭防止層は、工程(A)中に基板が浸炭されて変形することを防止するための保護層である。 A carburizing prevention layer may be formed on at least one of the front surface and the back surface of the flat plate-shaped substrate used as the base material. It is desirable that carburizing prevention layers are formed on both the front and back surfaces. This carburizing prevention layer is a protective layer for preventing the substrate from being carburized and deformed during the step (A).

ここで、浸炭防止層は、金属またはセラミック材料によって構成されることが好ましく、特に浸炭防止効果の高いセラミック材料によって構成されることが好ましい。金属としては、銅およびアルミニウム等が挙げられる。セラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、シリカアルミナ、酸化クロム、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化亜鉛などの酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの窒化物が挙げられ、なかでも浸炭防止効果が高いことから、酸化アルミニウム、酸化ケイ素が好ましい。 Here, the carburizing prevention layer is preferably made of a metal or ceramic material, and particularly preferably made of a ceramic material having a high carburizing prevention effect. Examples of the metal include copper and aluminum. Examples of the ceramic material include oxides such as aluminum oxide, silicon oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, titanium oxide, silica alumina, chromium oxide, boron oxide, calcium oxide and zinc oxide, and nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride. Of these, aluminum oxide and silicon oxide are preferable because they have a high effect of preventing carbon dioxide.

基材表面への触媒の担持には、ウェットプロセスおよびドライプロセスのいずれを適用してもよい。具体的には、特に限定されることなく、例えば、スパッタリング蒸着法や、金属微粒子または金属化合物を適宜な溶媒に分散または溶解させてなる液体の塗布・焼成による方法などを適用することができる。 Either a wet process or a dry process may be applied to support the catalyst on the surface of the substrate. Specifically, without particular limitation, for example, a sputtering vapor deposition method, a method of applying or firing a liquid obtained by dispersing or dissolving metal fine particles or a metal compound in an appropriate solvent, or the like can be applied.

[化学気相成長]
工程(A)における炭素構造体の化学気相成長は、例えば成長炉内において、任意に基材に担持された触媒に対し、原料ガスと、任意に触媒賦活物質とを供給し、且つ、触媒および原料ガスのうち少なくとも一方を加熱することにより、行う。そして、工程(A)では、任意に基材に担持された触媒上に炭素構造体を成長させる。なお、工程(A)では触媒賦活物質を使用しなくてもよいが、炭素構造体の成長反応が行なわれる雰囲気中に触媒賦活物質を存在させることによって、炭素構造体の生産効率や純度をより一層改善することができる。また、工程(A)において成長させた炭素構造体は、任意に冷却工程を実施した後に、既知の手段を用いて回収することができる。
[Chemical vapor deposition]
In the chemical gas phase growth of the carbon structure in the step (A), for example, in a growth furnace, a raw material gas and an optional catalyst activator are supplied to a catalyst arbitrarily supported on a substrate, and the catalyst is used. And by heating at least one of the source gases. Then, in the step (A), the carbon structure is arbitrarily grown on the catalyst supported on the substrate. Although it is not necessary to use the catalyst activator in the step (A), the production efficiency and purity of the carbon structure can be further improved by allowing the catalyst activator to be present in the atmosphere in which the growth reaction of the carbon structure is carried out. It can be further improved. Further, the carbon structure grown in the step (A) can be recovered by using a known means after optionally performing a cooling step.

なお、触媒および原料ガスのうち少なくとも一方を加熱するにあたって、その両方を加熱することがより好ましい。炭素構造体を成長させる反応温度は、触媒と原料ガスの種類及び濃度、並びに反応圧力等を考慮して適宜定められるが、触媒失活の原因となる副次生成物を排除するための触媒賦活物質の効果が十分に発現する温度範囲に設定することが望ましい。つまり、最も望ましい温度範囲としては、アモルファスカーボン、グラファイト等の副次生成物を触媒賦活物質が除去し得る温度を下限値とし、主生成物である炭素構造体が触媒賦活物質によって酸化されない温度を上限値とすることである。したがって、触媒および原料ガスのうち少なくとも一方を加熱する温度は、炭素構造体の成長が可能な温度であればよいが、好ましくは400℃以上1100℃以下であり、より好ましくは600℃以上900℃以下である。上記温度範囲であれば、触媒賦活物質の効果を良好に発現させることができ、かつ触媒賦活物質が炭素構造体と反応することを抑制できる。 When heating at least one of the catalyst and the raw material gas, it is more preferable to heat both of them. The reaction temperature for growing the carbon structure is appropriately determined in consideration of the types and concentrations of the catalyst and the raw material gas, the reaction pressure, etc., but the catalyst activation for eliminating the by-products that cause the catalyst deactivation. It is desirable to set the temperature range so that the effect of the substance is fully exhibited. That is, the most desirable temperature range is the temperature at which the catalyst activator can remove by-products such as amorphous carbon and graphite as the lower limit, and the temperature at which the carbon structure as the main product is not oxidized by the catalyst activator. It is to be the upper limit. Therefore, the temperature for heating at least one of the catalyst and the raw material gas may be a temperature at which the carbon structure can grow, but is preferably 400 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, and more preferably 600 ° C. or higher and 900 ° C. It is as follows. Within the above temperature range, the effect of the catalyst activator can be satisfactorily exhibited, and the reaction of the catalyst activator with the carbon structure can be suppressed.

また、炭素構造体を成長させる際の圧力は、10Pa以上、10Pa(100大気圧)以下が好ましく、10Pa以上、3×10Pa(3大気圧)以下がさらに好ましい。 The pressure for growing the carbon structure is preferably 10 2 Pa or more and 10 7 Pa (100 atm) or less, and more preferably 10 4 Pa or more and 3 × 10 5 Pa (3 atm) or less.

工程(A)において任意に使用し得る触媒賦活物質としては、酸素を含む物質がより好ましく、炭素構造体の成長温度で炭素構造体に多大なダメージを与えない物質であることがさらに好ましい。例えば、水、酸素、オゾン、酸性ガス、酸化窒素;一酸化炭素及び二酸化炭素などの低炭素数の含酸素化合物;エタノール、メタノールなどのアルコール類;テトラヒドロフランなどのエーテル類;アセトンなどのケトン類;アルデヒド類;エステル類;並びにこれらの混合物が有効である。この中でも、触媒賦活物質としては、水、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、エーテル類が好ましく、特に水および二酸化炭素が好適である。
なお、ヒドロキシ基を有するアルコール類、アルデヒド基を有するアルデヒド類を工程(A)において触媒賦活物質として使用する場合、それら濃度は、工程(B)で反応性ガスとして使用する場合の濃度の1/1000以上1/10以下とすることが好ましい。工程(A)でのアルコール類およびアルデヒド類の過度な添加は、CNT合成反応の過度な抑制、触媒微粒子の失活(酸化など)の原因となる。
また、例えばアルコール類や一酸化炭素などのような炭素と酸素とを含有する化合物は、原料ガスとしても触媒賦活物質としても作用し得る。例えば、これらの化合物をエチレンなどの、分解して炭素源となりやすい原料ガスと併用する場合は、これらの炭素と酸素とを含有する化合物は、触媒賦活物質として作用する。また、炭素と酸素とを含有する化合物を、水などの活性が高い触媒賦活物質と併用する場合は、炭素と酸素とを含有する化合物は原料ガスとして作用するものと推測される。さらに、一酸化炭素などは、分解して生じる炭素原子が、炭素構造体の成長反応の炭素源となる一方で、酸素原子がアモルファスカーボンおよびグラファイトなどを酸化してガス化する触媒賦活物質としても作用するものと推測される。
As the catalyst activating substance that can be arbitrarily used in the step (A), a substance containing oxygen is more preferable, and a substance that does not cause a great deal of damage to the carbon structure at the growth temperature of the carbon structure is further preferable. For example, water, oxygen, ozone, acidic gas, nitrogen oxide; low carbon oxygen-containing compounds such as carbon monoxide and carbon dioxide; alcohols such as ethanol and methanol; ethers such as tetrahydrofuran; ketones such as acetone; Aldehydes; esters; as well as mixtures thereof are effective. Among these, as the catalyst activator, water, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, and ethers are preferable, and water and carbon dioxide are particularly preferable.
When alcohols having a hydroxy group and aldehydes having an aldehyde group are used as catalyst activators in the step (A), their concentrations are 1 / of the concentration when they are used as a reactive gas in the step (B). It is preferably 1000 or more and 1/10 or less. Excessive addition of alcohols and aldehydes in the step (A) causes excessive suppression of the CNT synthesis reaction and deactivation (oxidation, etc.) of the catalyst fine particles.
Further, a compound containing carbon and oxygen, such as alcohols and carbon monoxide, can act as a raw material gas and a catalyst activator. For example, when these compounds are used in combination with a raw material gas such as ethylene, which easily decomposes into a carbon source, the compounds containing carbon and oxygen act as catalyst activators. Further, when a compound containing carbon and oxygen is used in combination with a catalyst-activating substance having high activity such as water, it is presumed that the compound containing carbon and oxygen acts as a raw material gas. Further, carbon monoxide and the like can be used as a catalyst activator in which carbon atoms generated by decomposition serve as a carbon source for the growth reaction of a carbon structure, while oxygen atoms oxidize and gasify amorphous carbon and graphite. It is presumed to work.

触媒賦活物質の添加量に格別な制限はないが、触媒賦活物質が水の場合には、触媒の周囲環境中の体積濃度で、好ましくは10ppm以上10000ppm以下、より好ましくは50ppm以上1000ppm以下、さらに好ましくは100ppm以上700ppm以下の範囲とするとよい。また触媒賦活物質が二酸化炭素の場合には、触媒の周囲環境中の二酸化炭素の濃度は、好ましくは0.2~70体積%、より好ましくは0.3~50体積%、さらに好ましくは0.7~20体積%とするとよい。 There is no particular limitation on the amount of the catalyst activator added, but when the catalyst activator is water, the volume concentration in the ambient environment of the catalyst is preferably 10 ppm or more and 10000 ppm or less, more preferably 50 ppm or more and 1000 ppm or less, and further. It is preferably in the range of 100 ppm or more and 700 ppm or less. When the catalyst activator is carbon dioxide, the concentration of carbon dioxide in the ambient environment of the catalyst is preferably 0.2 to 70% by volume, more preferably 0.3 to 50% by volume, and even more preferably 0. It is preferable to use 7 to 20% by volume.

なお、触媒賦活物質が所期の機能を発揮するメカニズムは、現時点では以下のように推測される。炭素構造体の成長過程において、副次的に発生したアモルファスカーボンおよびグラファイトなどが触媒に付着すると触媒は失活してしまい炭素構造体の成長が阻害される。しかし、触媒賦活物質が存在すると、アモルファスカーボンおよびグラファイトなどが一酸化炭素および二酸化炭素などへと酸化されてガス化するため、触媒が清浄化され、触媒の活性を高め且つ活性寿命を延長させる作用(触媒賦活作用)が発現すると考えられる。 At present, the mechanism by which the catalyst activator exerts its intended function is presumed as follows. In the growth process of the carbon structure, if amorphous carbon, graphite, etc. generated as a by-product adhere to the catalyst, the catalyst is inactivated and the growth of the carbon structure is inhibited. However, in the presence of the catalyst activator, amorphous carbon, graphite, etc. are oxidized to carbon monoxide, carbon dioxide, etc. and gasified, so that the catalyst is purified, the activity of the catalyst is enhanced, and the active life is extended. (Catalyst activation action) is considered to occur.

そして、工程(A)における炭素構造体の化学気相成長は、高炭素濃度環境で行うことが好ましい。高炭素濃度環境とは、触媒の周囲環境中の原料ガスの体積割合が2~20%程度の成長雰囲気のことをいう。特に、触媒賦活物質存在下においては、触媒活性が著しく向上するため、高炭素濃度環境下においても、触媒は活性を失わず、長時間の炭素構造体の成長が可能となると共に、炭素構造体の成長速度が著しく向上する。ここで、高炭素濃度環境では、低炭素濃度環境に比べ、炭素系副生成物が生成し易い。しかし、本発明に係る製造方法によれば、炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができるため、効率よく高品質な炭素構造体を製造することができる。 The chemical vapor deposition of the carbon structure in the step (A) is preferably carried out in a high carbon concentration environment. The high carbon concentration environment refers to a growth atmosphere in which the volume ratio of the raw material gas in the surrounding environment of the catalyst is about 2 to 20%. In particular, since the catalytic activity is remarkably improved in the presence of the catalyst activator, the catalyst does not lose its activity even in a high carbon concentration environment, and the carbon structure can be grown for a long time and the carbon structure can be grown. Growth rate is significantly improved. Here, in a high carbon concentration environment, carbon-based by-products are more likely to be produced than in a low carbon concentration environment. However, according to the production method according to the present invention, the formation of carbon-based by-products can be sufficiently suppressed, so that a high-quality carbon structure can be efficiently produced.

<工程(B)>
工程(B)では、工程(A)で生じる反応排ガスに対してヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する。そして、工程(B)では、反応性ガスの供給により、反応排ガスからの炭素系副生成物(例えば、ナフタレン、ビフェニレン、フルオレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等の多環芳香族炭化水素など)の生成が十分に抑制される。
<Process (B)>
In the step (B), a reactive gas containing a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms is supplied to the reaction exhaust gas generated in the step (A). Then, in the step (B), the supply of the reactive gas produces carbon-based by-products (for example, polycyclic aromatic hydrocarbons such as naphthalene, biphenylene, fluorene, phenanthrene, anthracene, and pyrene) from the reaction exhaust gas. Is sufficiently suppressed.

[反応排ガス]
工程(A)で生じる反応排ガスには、通常、触媒と接触して炭素構造体の成長に使われた後のガスが含まれ、任意に炭素構造体の成長に使われていない(即ち、触媒と接触していない)未反応ガスも含まれ得る。
そして、反応排ガスは、工程(A)において炭素構造体を成長させた際の温度と略等しい温度を有しており、また、炭素系副生成物を生成し得る成分を含んでいる。
[Reactive exhaust gas]
The reaction exhaust gas generated in the step (A) usually contains a gas after being used for the growth of the carbon structure in contact with the catalyst, and is not optionally used for the growth of the carbon structure (that is, the catalyst). Unreacted gas (not in contact with) may also be included.
The reaction exhaust gas has a temperature substantially equal to the temperature at which the carbon structure is grown in the step (A), and also contains a component capable of producing a carbon-based by-product.

[反応性ガス]
反応性ガスは、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含み、任意に、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどの不活性ガスを更に含む。
[Reactive gas]
The reactive gas contains a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms, and optionally further contains an inert gas such as helium gas, argon gas, or nitrogen gas.

ここで、ヒドロキシ基(-OH)を有する炭素数1以上5以下の化合物としては、特に限定されることなく、例えば、メタノール、エタノール、n-プロパノール、2-プロパノール、n-ブタノールなどの炭素数1以上5以下のアルコールが挙げられる。
また、アルデヒド基(-CHO)を有する炭素数1以上5以下の化合物としては、特に限定されることなく、例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどのアルデヒド、並びに、ギ酸が挙げられる。
更に、ヒドロキシ基およびアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物としては、特に限定されることなく、例えば、2-ヒドロキシアセトアルデヒドなどが挙げられる。
なお、これらの化合物は、1種単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
Here, the compound having a hydroxy group (-OH) and having 1 or more and 5 or less carbon atoms is not particularly limited, and has, for example, methanol, ethanol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol and the like. Examples include 1 or more and 5 or less alcohols.
The compound having an aldehyde group (-CHO) and having 1 or more and 5 or less carbon atoms is not particularly limited, and examples thereof include aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde, and formic acid.
Further, the compound having 1 or more and 5 or less carbon atoms having a hydroxy group and an aldehyde group is not particularly limited, and examples thereof include 2-hydroxyacetaldehyde.
In addition, these compounds can be used individually by 1 type, or a mixture of 2 or more types.

上述した中でも、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物としては、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上3以下の化合物が好ましく、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1の化合物がより好ましく、メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸からなる群から選択される少なくとも1種が更に好ましく、メタノールおよび/またはホルムアルデヒドが特に好ましい。これらの化合物は、炭素系副生成物の生成抑制効果に優れているからである。 Among the above-mentioned compounds, the compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms is preferably a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 3 or less carbon atoms, and has a hydroxy group and / or an aldehyde. A compound having a group and having one carbon number is more preferable, at least one selected from the group consisting of methanol, formaldehyde and formic acid is more preferable, and methanol and / or formaldehyde is particularly preferable. This is because these compounds are excellent in the effect of suppressing the formation of carbon-based by-products.

なお、炭素系副生成物の生成を効果的に抑制する観点からは、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物の反応性ガスと反応排ガスとの混合ガス中における濃度は、2体積%以上であることが好ましく、4体積%以上であることがより好ましく、通常、100体積%以下であり、50体積%以下であることが好ましい。 From the viewpoint of effectively suppressing the formation of carbon-based by-products, the concentration of a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms in a mixed gas of a reactive gas and a reaction exhaust gas. Is preferably 2% by volume or more, more preferably 4% by volume or more, and usually 100% by volume or less, preferably 50% by volume or less.

そして、反応排ガスに対する反応性ガスの供給は、通常、反応性ガスが触媒に接触しないように行う。具体的には、反応性ガスの供給は、例えば、原料ガスおよび反応排ガスの流れ方向で見て、触媒と原料ガスとが接触する位置よりも下流側において行うことができる。また、触媒を担持した基材を載置する保持具や、触媒を担持した基材の端縁等の基材の一部を把持する保持具などの保持具を使用して触媒を担持した基材を保持する場合、反応性ガスは、触媒を担持した基材(例えば、端縁の少なくとも一部を保持具で把持された基材など)の裏面側、或いは、触媒を担持した基材を保持する保持具(例えば、基材を載置して保持する保持具など)の裏面側から供給することもできる。 The reactive gas is usually supplied to the reactive exhaust gas so that the reactive gas does not come into contact with the catalyst. Specifically, the reactive gas can be supplied, for example, on the downstream side of the position where the catalyst and the raw material gas come into contact with each other when viewed in the flow direction of the raw material gas and the reaction exhaust gas. Further, a group on which a catalyst is supported by using a holder such as a holder on which a base material carrying a catalyst is placed and a holder for gripping a part of the base material such as an edge of the base material on which the catalyst is carried. When holding the material, the reactive gas is the back surface side of the base material on which the catalyst is supported (for example, the base material in which at least a part of the edge is held by the holder), or the base material on which the catalyst is supported. It can also be supplied from the back surface side of a holder for holding (for example, a holder on which a base material is placed and held).

なお、炭素系副生成物の生成を効果的に抑制する観点からは、反応排ガスに対する反応性ガスの供給量は、1/20以上とすることが好ましく、1/10以上とすることがより好ましく、等量以下とすることが好ましく、1/2以下とすることがより好ましい。 From the viewpoint of effectively suppressing the formation of carbon-based by-products, the supply amount of the reactive gas to the reaction exhaust gas is preferably 1/20 or more, and more preferably 1/10 or more. , The amount is preferably equal to or less, and more preferably 1/2 or less.

そして、反応排ガスと反応性ガスとは、例えば200℃以上900℃以下の温度で混合することが好ましい。なお、混合は、拡散、対流または撹拌などの任意の手段を用いて行うことができる。また、炭素系副生成物の生成をより効果的に抑制する観点からは、反応排ガスと反応性ガスとを混合する際の温度は、400℃以上であることが好ましく、600℃以上であることがより好ましく、880℃以下であることが好ましく、860℃以下であることがより好ましい。 The reactive exhaust gas and the reactive gas are preferably mixed at a temperature of, for example, 200 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. The mixing can be performed by any means such as diffusion, convection or stirring. Further, from the viewpoint of more effectively suppressing the formation of carbon-based by-products, the temperature at which the reactive exhaust gas and the reactive gas are mixed is preferably 400 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher. Is more preferable, 880 ° C. or lower is preferable, and 860 ° C. or lower is more preferable.

(炭素構造体の製造装置)
本発明の炭素構造体の製造装置は、炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる成長炉と、成長炉で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する反応性ガス供給部とを備える。なお、反応性ガス供給部は、反応排ガスに反応性ガスを供給可能であれば、成長炉内に設けられていてもよいし、成長炉の外側(例えば、排気管内など)に設けられていてもよい。
(Carbon structure manufacturing equipment)
The apparatus for producing a carbon structure of the present invention supplies a raw material gas containing a carbon compound to a catalyst to grow the carbon structure by a chemical vapor phase growth method, and a hydroxy group and a hydroxy group in the reactive exhaust gas generated in the growth furnace. / Or a reactive gas supply unit for supplying a reactive gas containing a compound having 1 or more and 5 or less carbon atoms having an aldehyde group. The reactive gas supply unit may be provided inside the growth furnace as long as it can supply the reactive gas to the reaction exhaust gas, or may be provided outside the growth furnace (for example, inside the exhaust pipe). May be good.

そして、本発明の炭素構造体の製造装置では、反応性ガス供給部を設け、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給しているので、多環芳香族炭化水素などの炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。従って、形成された炭素構造体や製造装置内部に炭素系副生成物が付着するのを十分に抑制して、製品品質の低下および排気管の閉塞等を防止することができる。 Further, in the apparatus for producing a carbon structure of the present invention, a reactive gas supply unit is provided to supply a reactive gas containing a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having 1 or more and 5 or less carbon atoms. The formation of carbon-based by-products such as polycyclic aromatic hydrocarbons can be sufficiently suppressed. Therefore, it is possible to sufficiently suppress the adhesion of carbon-based by-products to the formed carbon structure or the inside of the manufacturing apparatus, and prevent deterioration of product quality and blockage of the exhaust pipe.

以下、本発明の炭素構造体の製造装置の一例および他の例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、炭素構造体、原料ガス、触媒および反応性ガス、並びに、任意の触媒賦活物質などとしては、上述した本発明の炭素構造体の製造方法と同様のものを用いることができるので、以下では説明を省略する。 Hereinafter, an example and other examples of the carbon structure manufacturing apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As the carbon structure, raw material gas, catalyst and reactive gas, and any catalyst activator, the same method as described above for producing the carbon structure of the present invention can be used. The explanation is omitted.

<炭素構造体の製造装置の一例>
図1に、本発明の炭素構造体の製造装置の一例を示す。図1に示す製造装置100は、炭素構造体を連続的に製造する連続式製造装置であり、入口パージ部1、フォーメーションユニット2、ガス混入防止手段101~103、成長ユニット3、冷却ユニット4、出口パージ部5、搬送ユニット6、及び、接続部7~9を備えている。
<Example of carbon structure manufacturing equipment>
FIG. 1 shows an example of an apparatus for manufacturing a carbon structure of the present invention. The manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1 is a continuous manufacturing apparatus that continuously manufactures a carbon structure, and includes an inlet purge unit 1, a formation unit 2, gas mixing preventing means 101 to 103, a growth unit 3, and a cooling unit 4. It includes an outlet purging unit 5, a transport unit 6, and connecting units 7 to 9.

フォーメーションユニット2はフォーメーション炉2aを備えており、成長ユニット3は成長炉3aを備えており、冷却ユニット4は冷却炉4aを備えている。フォーメーション炉2a、成長炉3a、及び、冷却炉4aの各炉内空間は、接続部7~9によって空間的に連結された状態になっている。 The formation unit 2 includes a formation furnace 2a, the growth unit 3 includes a growth furnace 3a, and the cooling unit 4 includes a cooling furnace 4a. The space inside each of the formation furnace 2a, the growth furnace 3a, and the cooling furnace 4a is in a state of being spatially connected by the connecting portions 7 to 9.

[入口パージ部]
製造装置100の入口には入口パージ部1が設けられている。入口パージ部1とは、触媒を担持した基材20の入口から装置炉内へ外部空気が混入することを防止するための装置一式のことである。入口パージ部1は、装置内に搬送された基材20の周囲環境をパージガスで置換する機能を有する。
[Inlet purge section]
An inlet purge section 1 is provided at the inlet of the manufacturing apparatus 100. The inlet purge unit 1 is a set of devices for preventing external air from entering the apparatus furnace from the inlet of the base material 20 carrying the catalyst. The inlet purge unit 1 has a function of replacing the surrounding environment of the base material 20 conveyed into the apparatus with purge gas.

入口パージ部1は、パージガスを上下からシャワー状に噴射するガスカーテン構造となっている。これにより、入口から製造装置100内に外部の空気が混入することを防止している。入口パージ部1は、例えば、パージガスを保持するための炉又はチャンバ、及び、パージガスを噴射するための噴射部等により構成されてもよい。 The inlet purge unit 1 has a gas curtain structure in which purge gas is jetted from above and below in a shower shape. This prevents external air from entering the manufacturing apparatus 100 from the inlet. The inlet purge unit 1 may be composed of, for example, a furnace or chamber for holding the purge gas, an injection unit for injecting the purge gas, and the like.

パージガスとしては不活性ガスが好ましく、特に安全性、コスト、及び、パージ性等の点から、パージガスは窒素であることが好ましい。 The purge gas is preferably an inert gas, and the purge gas is preferably nitrogen, particularly from the viewpoint of safety, cost, and purge property.

[フォーメーションユニット]
フォーメーションユニット2とは、フォーメーション工程を実現するための装置一式のことである。フォーメーションユニット2は、基材20の表面に形成された触媒の周囲環境を還元ガス環境にすると共に、触媒及び還元ガスのうち少なくとも一方を加熱する機能を有する。
[Formation unit]
The formation unit 2 is a set of devices for realizing the formation process. The formation unit 2 has a function of changing the surrounding environment of the catalyst formed on the surface of the base material 20 to a reducing gas environment and heating at least one of the catalyst and the reducing gas.

フォーメーションユニット2は、還元ガスを保持するためのフォーメーション炉2aと、還元ガスをフォーメーション炉2a内に噴射するための還元ガス噴射部2bと、触媒及び還元ガスの少なくとも一方を加熱するためのヒーター2cと、フォーメーション炉2a内のガスを排気するための排気フード2dとにより構成される。 The formation unit 2 includes a formation furnace 2a for holding the reduction gas, a reduction gas injection unit 2b for injecting the reduction gas into the formation furnace 2a, and a heater 2c for heating at least one of the catalyst and the reduction gas. And an exhaust hood 2d for exhausting the gas in the formation furnace 2a.

還元ガス噴射部2bには、複数の噴射口を備えるシャワーヘッドを用いてもよい。かかる還元ガス噴射部2bは、基材20の触媒担持面を臨む位置に設けられている。臨む位置とは、各噴射口における噴射軸線と基材20の法線との成す角が0°以上90°未満となる位置である。つまり還元ガス噴射部2bにおける噴射口から噴出するガス流の方向が、基材20に概ね直交するようにされている。 A shower head provided with a plurality of injection ports may be used for the reducing gas injection unit 2b. The reduced gas injection unit 2b is provided at a position facing the catalyst-supporting surface of the base material 20. The facing position is a position where the angle formed by the injection axis and the normal line of the base material 20 at each injection port is 0 ° or more and less than 90 °. That is, the direction of the gas flow ejected from the injection port in the reduced gas injection unit 2b is set to be substantially orthogonal to the base material 20.

還元ガス噴射部2bにこのようなシャワーヘッドを用いれば、還元ガスを基材20上に均一に散布することができ、効率良く触媒を還元することができる。その結果、基材20上に成長する炭素構造体の均一性を高めることができ、かつ還元ガスの消費量を削減することもできる。 If such a shower head is used for the reducing gas injection unit 2b, the reducing gas can be uniformly sprayed on the base material 20, and the catalyst can be efficiently reduced. As a result, the uniformity of the carbon structure grown on the base material 20 can be enhanced, and the consumption of the reducing gas can be reduced.

ヒーター2cとしては、触媒及び還元ガスのうち少なくとも一方を加熱することができるものであれば限定されず、例えば、抵抗加熱ヒーター、赤外線加熱ヒーター、電磁誘導式ヒーターなどが挙げられる。 The heater 2c is not limited as long as it can heat at least one of the catalyst and the reducing gas, and examples thereof include a resistance heater, an infrared heater, and an electromagnetic induction heater.

[成長ユニット]
成長ユニット3は、触媒の周囲環境を原料ガス環境とすると共に触媒及び原料ガスの少なくとも一方を加熱することにより炭素構造体を成長させる成長工程(工程(A))を実現するための装置一式である。そして、成長ユニット3は、基材20の周囲の環境を原料ガス環境に保持する炉である成長炉3aと、原料ガスを基材20上に噴射するための原料ガス噴射部3bと、触媒と原料ガスの少なくとも一方を加熱するためのヒーター3cと、成長炉3a内のガスを排気するための排気フード3dとを含んでいる。更に、図2に成長炉3aを拡大して示すように、成長ユニット3は、成長炉3aで生じる反応排ガスに反応性ガスを供給する反応性ガス供給部16、17を更に備えている。また、成長ユニット3は、触媒賦活物質を供給するための触媒賦活物質噴射部(図示せず)を有していてもよい。なお、原料ガス噴射部3bは、触媒賦活物質噴射部を兼ねていてもよい。また、反応性ガス供給部16および反応性ガス供給部17は、何れか一方のみが設けられていてもよい。
[Growth unit]
The growth unit 3 is a set of devices for realizing a growth step (step (A)) in which a carbon structure is grown by setting the ambient environment of the catalyst as a raw material gas environment and heating at least one of the catalyst and the raw material gas. be. The growth unit 3 includes a growth furnace 3a, which is a furnace that keeps the environment around the base material 20 in the raw material gas environment, a raw material gas injection unit 3b for injecting the raw material gas onto the base material 20, and a catalyst. It includes a heater 3c for heating at least one of the raw material gas and an exhaust hood 3d for exhausting the gas in the growth furnace 3a. Further, as shown in an enlarged view of the growth furnace 3a in FIG. 2, the growth unit 3 further includes reactive gas supply units 16 and 17 for supplying the reactive gas to the reactive exhaust gas generated in the growth furnace 3a. Further, the growth unit 3 may have a catalyst activator injection unit (not shown) for supplying the catalyst activator. The raw material gas injection unit 3b may also serve as a catalyst activator injection unit. Further, only one of the reactive gas supply unit 16 and the reactive gas supply unit 17 may be provided.

成長炉3aとは、成長工程を行うための炉のことであり、基材20上の触媒の周囲環境を原料ガス環境とすると共に、触媒及び原料ガスの少なくとも一方を加熱することで、基材20上に炭素構造体を成長させてなる炭素構造体付き基材10を得るための炉である。 The growth furnace 3a is a furnace for performing a growth step, and the ambient environment of the catalyst on the base material 20 is used as a raw material gas environment, and at least one of the catalyst and the raw material gas is heated to be a base material. It is a furnace for obtaining a base material 10 with a carbon structure obtained by growing a carbon structure on 20.

成長工程では、成長炉3a内を移動する基材20に対し、原料ガス噴射部3bから原料ガスを噴射することが好ましい。 In the growth step, it is preferable to inject the raw material gas from the raw material gas injection unit 3b onto the base material 20 moving in the growth furnace 3a.

原料ガス噴射部3b及び排気フード3dはそれぞれ少なくとも1つ以上備えられており、全ての原料ガス噴射部3bから噴射される全ガス流量と、全ての排気フード3dから排気される全ガス流量は、ほぼ同量又は同量であることが好ましい。このようにすることで、原料ガスが成長炉3a外へ流出すること、及び、成長炉3a外のガスが成長炉3a内に流入することを防止できる。 At least one of the raw material gas injection unit 3b and the exhaust hood 3d is provided, and the total gas flow rate injected from all the raw material gas injection units 3b and the total gas flow rate exhausted from all the exhaust hoods 3d are set. It is preferably about the same amount or the same amount. By doing so, it is possible to prevent the raw material gas from flowing out of the growth furnace 3a and the gas outside the growth furnace 3a from flowing into the growth furnace 3a.

ヒーター3cとしては、例えば、抵抗加熱ヒーター、赤外線加熱ヒーター、電磁誘導式ヒーター等が挙げられる。 Examples of the heater 3c include a resistance heater, an infrared heater, an electromagnetic induction heater, and the like.

反応性ガス供給部16および反応性ガス供給部17は、反応性ガスが触媒および炭素構造体の成長に使われる前の原料ガスと接触せず、且つ、炭素構造体の成長に使われた後の反応排ガスとはよく混合される位置に配置されている。具体的には、反応性ガス供給部16は、図2に示すように、成長炉3a内で基材20上に炭素構造体を成長させてなる炭素構造体付き基材10の下方に設置されている。より具体的には、図2に示す反応性ガス供給部16は、成長炉3a内を通る搬送ユニット6のメッシュベルト6aの下側に配置されて炉長方向に伸び、且つ、側方(図2では左右方向)に反応性ガスを噴射するための孔が設けられている配管よりなる。また、反応性ガス供給部17は、排気フード3dに設置されている。より具体的には、図2に示す反応性ガス供給部17は、成長炉3aから排気管23へと排気される反応排ガスを集約する排気フード3d内に反応性ガスを直接噴射する配管よりなる。
なお、反応性ガス供給部16、17から供給した反応性ガスにより炭素系副生成物の生成を更に効果的に抑制する観点からは、排気管23には、排気管23内を加熱するヒーター(図示せず)または排気管23を保温するための断熱材(図示せず)が設けられていることが好ましい。
The reactive gas supply unit 16 and the reactive gas supply unit 17 do not come into contact with the raw material gas before the reactive gas is used for the catalyst and the growth of the carbon structure, and after the reactive gas is used for the growth of the carbon structure. It is arranged in a position where it is well mixed with the reactive exhaust gas of. Specifically, as shown in FIG. 2, the reactive gas supply unit 16 is installed below the base material 10 with a carbon structure formed by growing a carbon structure on the base material 20 in the growth furnace 3a. ing. More specifically, the reactive gas supply unit 16 shown in FIG. 2 is arranged below the mesh belt 6a of the transport unit 6 passing through the growth furnace 3a, extends in the furnace length direction, and is lateral (FIG. In 2, it is composed of a pipe provided with a hole for injecting a reactive gas in the left-right direction). Further, the reactive gas supply unit 17 is installed in the exhaust hood 3d. More specifically, the reactive gas supply unit 17 shown in FIG. 2 includes a pipe that directly injects the reactive gas into the exhaust hood 3d that collects the reactive exhaust gas exhausted from the growth furnace 3a to the exhaust pipe 23. ..
From the viewpoint of more effectively suppressing the generation of carbon-based by-products by the reactive gas supplied from the reactive gas supply units 16 and 17, the exhaust pipe 23 is provided with a heater for heating the inside of the exhaust pipe 23. (Not shown) or a heat insulating material (not shown) for keeping the exhaust pipe 23 warm is preferably provided.

[冷却ユニット]
冷却ユニット4とは、冷却工程を実現するため、すなわち炭素構造体が成長した炭素構造体付き基材10を冷却するための装置一式のことである。冷却ユニット4は、成長工程後の炭素構造体、触媒、及び基材を冷却する機能を有する。
[Cooling unit]
The cooling unit 4 is a set of devices for realizing the cooling process, that is, for cooling the base material 10 with a carbon structure in which the carbon structure has grown. The cooling unit 4 has a function of cooling the carbon structure, the catalyst, and the substrate after the growth step.

冷却ユニット4は、水冷方式と空冷方式とを組み合わせた構成であり、不活性ガスを保持するための冷却炉4a、冷却炉4a内の空間に不活性ガスを噴射する冷却ガス噴射部4b、及び、冷却炉4a内空間を囲むように配置した水冷冷却管4cにより構成される。なお、冷却ユニット4は、水冷方式のみの構成又は空冷方式のみの構成であってもよい。 The cooling unit 4 has a configuration in which a water cooling method and an air cooling method are combined, and has a cooling furnace 4a for holding the inert gas, a cooling gas injection unit 4b for injecting the inert gas into the space inside the cooling furnace 4a, and a cooling gas injection unit 4b. , It is composed of a water-cooled cooling pipe 4c arranged so as to surround the space inside the cooling furnace 4a. The cooling unit 4 may have a configuration of only a water cooling system or a configuration of only an air cooling system.

冷却ユニット4にて冷却することにより、成長工程後の炭素構造体、触媒、及び基材の酸化を防止することができる。 By cooling with the cooling unit 4, it is possible to prevent oxidation of the carbon structure, the catalyst, and the substrate after the growth step.

[出口パージ部]
製造装置100の出口には、入口パージ部1とほぼ同様の構造をした出口パージ部5が設けられている。出口パージ部5とは、製造装置100の出口から内部に外部の空気が混入することを防止するための装置一式のことである。出口パージ部5は、炭素構造体付き基材10の周囲環境をパージガス環境にする機能を有する。
[Exit purge section]
At the outlet of the manufacturing apparatus 100, an outlet purge unit 5 having substantially the same structure as the inlet purge unit 1 is provided. The outlet purge unit 5 is a set of devices for preventing external air from entering the inside from the outlet of the manufacturing device 100. The outlet purge unit 5 has a function of changing the surrounding environment of the base material 10 with a carbon structure into a purge gas environment.

出口パージ部5は、パージガスを上下からシャワー状に噴射することで、出口から冷却炉4a内に外部の空気が混入することを防止している。なお、出口パージ部5は、パージガス環境を保持するための炉又はチャンバ、及び、パージガスを噴射するための噴射部等により構成されてもよい。 The outlet purge unit 5 sprays the purge gas from above and below in a shower shape to prevent outside air from entering the cooling furnace 4a from the outlet. The outlet purge unit 5 may be composed of a furnace or chamber for maintaining the purge gas environment, an injection unit for injecting the purge gas, and the like.

パージガスとしては、不活性ガスが好ましく、特に安全性、コスト、及び、パージ性等の点からパージガスは窒素であることが好ましい。 As the purge gas, an inert gas is preferable, and the purge gas is particularly preferably nitrogen from the viewpoints of safety, cost, purge property and the like.

[接続部]
接続部7~9とは、各ユニットの炉内空間を空間的に接続し、基材がユニットからユニットへ搬送されるときに、基材が外気に曝されることを防ぐための装置一式のことである。接続部7~9としては、例えば、基材周囲環境と外気とを遮断し、基材をユニットからユニットへ通過させることができる炉又はチャンバなどが挙げられる。
[Connection part]
The connection portions 7 to 9 are a set of devices for spatially connecting the space inside the furnace of each unit and preventing the base material from being exposed to the outside air when the base material is transported from the unit to the unit. That is. Examples of the connecting portions 7 to 9 include a furnace or a chamber that can block the environment around the base material from the outside air and allow the base material to pass from unit to unit.

入口パージ部1とフォーメーションユニット2とは、接続部7によって空間的に接続されている。接続部7には、ガス混入防止手段101が配置されており、入口パージ部1において噴射されたパージガスと還元ガス噴射部2bから噴射された還元ガスとの混合ガスが排気される。これによって、フォーメーション炉2a内空間へのパージガスの混入、及び、入口パージ部1側への還元ガスの混入が防止される。 The inlet purge unit 1 and the formation unit 2 are spatially connected by a connection unit 7. A gas mixing preventing means 101 is arranged in the connecting portion 7, and a mixed gas of the purge gas injected in the inlet purge portion 1 and the reduced gas injected from the reducing gas injection unit 2b is exhausted. This prevents the purge gas from being mixed into the space inside the formation furnace 2a and the reducing gas from being mixed into the inlet purge portion 1 side.

フォーメーションユニット2と成長ユニット3とは、接続部8によって空間的に接続されている。接続部8には、ガス混入防止手段102が配置されており、フォーメーション炉2a内空間の還元ガスと成長炉3a内空間の原料ガス及び触媒賦活物質を排気している。これにより、フォーメーション炉2a内空間への原料ガス又は触媒賦活物質の混入、及び、成長炉3a内空間への還元ガスの混入が防止される。 The formation unit 2 and the growth unit 3 are spatially connected by a connecting portion 8. A gas mixing preventing means 102 is arranged in the connection portion 8, and exhausts the reducing gas in the space inside the formation furnace 2a, the raw material gas in the space inside the growth furnace 3a, and the catalyst activator. This prevents the mixing of the raw material gas or the catalyst activator into the space inside the formation furnace 2a and the mixing of the reducing gas into the space inside the growth furnace 3a.

成長ユニット3と冷却ユニット4とは、接続部9によって空間的に接続されている。接続部9には、ガス混入防止手段103が配置されており、成長炉3a内空間の原料ガス及び触媒賦活物質と冷却炉4a内空間の不活性ガスとの混合ガスを排気している。これにより、冷却炉4a内空間への原料ガス又は触媒賦活物質の混入、及び、成長炉3a内空間への不活性ガスの混入が防止される。 The growth unit 3 and the cooling unit 4 are spatially connected by a connecting portion 9. A gas mixing preventing means 103 is arranged in the connecting portion 9, and exhausts a mixed gas of a raw material gas and a catalyst activator in the space inside the growth furnace 3a and an inert gas in the space inside the cooling furnace 4a. This prevents the mixing of the raw material gas or the catalyst activator into the space inside the cooling furnace 4a and the mixing of the inert gas into the space inside the growth furnace 3a.

なお、炭素構造体製造装置100は、成長ユニット3と冷却ユニット4との間の接続部9を加熱する加熱手段をさらに備えていてもよい。成長炉3aの出口付近の温度が低下すると、原料ガスの分解物がアモルファスカーボンとなって炭素構造体に堆積する可能性があるからである。 The carbon structure manufacturing apparatus 100 may further include a heating means for heating the connection portion 9 between the growth unit 3 and the cooling unit 4. This is because when the temperature near the outlet of the growth furnace 3a drops, the decomposition product of the raw material gas may become amorphous carbon and deposit on the carbon structure.

接続部9を加熱する加熱手段の具体的な形態としては、例えば、成長ユニット3と冷却ユニット4との間のガス混入防止手段103において噴出されるシールガスを加熱するものであってもよい。シールガスを加熱することによって成長炉3aの出口及びその付近を加熱することができる。 As a specific form of the heating means for heating the connecting portion 9, for example, the seal gas ejected by the gas mixing preventing means 103 between the growth unit 3 and the cooling unit 4 may be heated. By heating the seal gas, the outlet of the growth furnace 3a and its vicinity can be heated.

[ガス混入防止手段]
ガス混入防止手段101~103は、各ユニットの炉内空間に存在するガスが、相互に混入することを防ぐ機能を実現するための装置一式のことである。ガス混入防止手段101~103は、各ユニットの炉内空間を互いに空間的に接続する接続部7~9に設置される。ガス混入防止手段101~103は、各炉における基材の入口及び出口の開口面に沿ってシールガスを噴出するシールガス噴射部101b~103bと、主に噴射されたシールガス(及びその他近傍のガス)を各炉内に入らないように吸引して装置外に排気する排気部101a~103aとを、それぞれ少なくとも1つ以上備えている。
[Measures to prevent gas contamination]
The gas mixing preventing means 101 to 103 are a set of devices for realizing a function of preventing the gas existing in the furnace space of each unit from being mixed with each other. The gas mixing prevention means 101 to 103 are installed in connection portions 7 to 9 that spatially connect the space inside the furnace of each unit to each other. The gas mixing prevention means 101 to 103 include seal gas injection portions 101b to 103b for ejecting seal gas along the opening surfaces of the inlet and outlet of the base material in each furnace, and the seal gas mainly injected (and other nearby areas). Each of the exhaust units 101a to 103a is provided with at least one exhaust unit 101a to 103a that sucks gas) so as not to enter each furnace and exhausts it to the outside of the apparatus.

シールガスが炉の開口面に沿って噴射されることで、シールガスが炉の出入り口を塞ぎ、炉外のガスが炉内に混入することを防ぐことができる。また、シールガスを装置外に排気することにより、シールガスが炉内に混入することを防ぐことができる。 By injecting the seal gas along the opening surface of the furnace, the seal gas can block the entrance and exit of the furnace, and the gas outside the furnace can be prevented from being mixed into the furnace. Further, by exhausting the seal gas to the outside of the apparatus, it is possible to prevent the seal gas from being mixed into the furnace.

シールガスは不活性ガスであることが好ましく、特に安全性、コストなどの点から窒素であることが好ましい。1つのシールガス噴射部101b~103b及び1つの排気部101a~103aの配置としては、1つのシールガス噴射部に隣接して1つの排気部を配置してもよいし、搬送ユニット6のメッシュベルト6aを挟んでシールガス噴射部に対面するように排気部を配置してもよい。なお、ガス混入防止手段101~103の全体の構成が、炉長方向に対称な構造となるようにシールガス噴射部101b~103b及び排気部101a~103aを配置することが好ましい。 The sealing gas is preferably an inert gas, and particularly preferably nitrogen from the viewpoint of safety, cost and the like. As for the arrangement of one seal gas injection unit 101b to 103b and one exhaust unit 101a to 103a, one exhaust unit may be arranged adjacent to one seal gas injection unit, or the mesh belt of the transport unit 6 may be arranged. The exhaust unit may be arranged so as to face the seal gas injection unit with 6a in between. It is preferable that the seal gas injection portions 101b to 103b and the exhaust portions 101a to 103a are arranged so that the overall configuration of the gas mixing prevention means 101 to 103 has a structure symmetrical in the furnace length direction.

例えば、1つの排気部の両端にシールガス噴射部を2つ配置し、排気部を中心にして炉長方向に対称な構造とするとよい。また、シールガス噴射部101b~103bから噴射される全ガス流量と排気部101a~103aから排気される全ガス流量とはほぼ同量であることが好ましい。これによって、ガス混入防止手段101~103を挟んだ両側の空間からのガスが相互に混入することを防止するとともに、シールガスが両側の空間に流出することも防止することが可能になる。このようなガス混入防止手段101~103を成長炉3aの両端に設置することで、シールガスの流れと成長炉3a内のガスの流れとが相互に干渉することを防止できる。また、シールガスの成長炉3a内への流入によるガス流れの乱れも防止することができる。よって、炭素構造体の連続製造に好適な装置を実現できる。 For example, it is preferable to arrange two seal gas injection parts at both ends of one exhaust part so as to have a structure symmetrical with respect to the furnace length direction with the exhaust part as the center. Further, it is preferable that the total gas flow rate injected from the seal gas injection units 101b to 103b and the total gas flow rate exhausted from the exhaust units 101a to 103a are substantially the same amount. This makes it possible to prevent gas from the spaces on both sides of the gas mixing preventing means 101 to 103 from being mixed with each other, and also to prevent the seal gas from flowing out to the spaces on both sides. By installing such gas mixing preventing means 101 to 103 at both ends of the growth furnace 3a, it is possible to prevent the flow of the seal gas and the flow of gas in the growth furnace 3a from interfering with each other. Further, it is possible to prevent the gas flow from being disturbed due to the inflow of the seal gas into the growth furnace 3a. Therefore, it is possible to realize an apparatus suitable for continuous production of carbon structures.

なお、ガス混入防止手段101~103としては、本実施形態における構成に限らず、例えば、基材がユニットからユニットに移動する時間以外の時間に、各ユニットの空間的な接続を機械的に遮断するゲートバルブ装置であってもよい。また、各ユニットの空間的な接続を不活性ガス噴射によって遮断するガスカーテン装置であってもよい。 The gas mixing prevention means 101 to 103 are not limited to the configuration in the present embodiment, and for example, the spatial connection of each unit is mechanically cut off at a time other than the time when the base material moves from the unit to the unit. It may be a gate valve device. Further, it may be a gas curtain device that cuts off the spatial connection of each unit by injecting an inert gas.

[搬送ユニット]
搬送ユニット6とは、複数の基材20を炭素構造体製造装置100内に連続的に搬入するために必要な装置一式のことである。搬送ユニット6は、メッシュベルト6aとベルト駆動部6bとを備えている。基材20は、搬送ユニット6によって各炉内空間を、フォーメーションユニット2、成長ユニット3、及び、冷却ユニット4の順に搬送されるようになっている。
[Transport unit]
The transport unit 6 is a set of devices necessary for continuously carrying a plurality of base materials 20 into the carbon structure manufacturing apparatus 100. The transport unit 6 includes a mesh belt 6a and a belt drive unit 6b. The base material 20 is configured to be conveyed in each furnace space in the order of the formation unit 2, the growth unit 3, and the cooling unit 4 by the transfer unit 6.

搬送ユニット6は、ベルトコンベア式のものであり、フォーメーション炉2a内空間から成長炉3a内空間を経て冷却炉4a内空間へと、表面に触媒が担持された基材20を搬送する。搬送ユニット6は、例えば減速機付き電動モータなどを用いたベルト駆動部6bで駆動されるメッシュベルト6aによって基材20を搬送する。そして、炭素構造体製造装置100では、フォーメーション炉2a内空間と成長炉3a内空間との間、及び、成長炉3a内空間と冷却炉4a内空間との間は、接続部8及び9によって空間的に接続されている。これにより、基材20を載置したメッシュベルト6aは、各炉間を通過することができる。 The transfer unit 6 is of a belt conveyor type, and transfers the base material 20 having a catalyst supported on its surface from the space inside the formation furnace 2a to the space inside the cooling furnace 4a via the space inside the growth furnace 3a. The transport unit 6 transports the base material 20 by a mesh belt 6a driven by a belt drive unit 6b using, for example, an electric motor with a speed reducer. Then, in the carbon structure manufacturing apparatus 100, a space is provided between the space inside the formation furnace 2a and the space inside the growth furnace 3a, and between the space inside the growth furnace 3a and the space inside the cooling furnace 4a by connecting portions 8 and 9. Is connected. As a result, the mesh belt 6a on which the base material 20 is placed can pass between the furnaces.

なお、炭素構造体製造装置100が、連続式で炭素構造体を製造するものである場合であって、搬送ユニットを備える場合、その具体的な構成としては、上述した構成に限らず、例えば、搬送ユニットは、マルチチャンバ方式におけるロボットアーム、ロボットアーム駆動装置等などであってもよい。 When the carbon structure manufacturing apparatus 100 continuously manufactures a carbon structure and includes a transport unit, the specific configuration thereof is not limited to the above-described configuration, for example. The transfer unit may be a robot arm, a robot arm drive device, or the like in a multi-chamber system.

そして、製造装置100では、表面に触媒を有する基材20を搬送ユニット6によって連続的に搬送しつつ、入口パージ部1、フォーメーションユニット2、成長ユニット3、冷却ユニット4、及び、出口パージ部5を順次通過させる。その間に、フォーメーションユニット2における還元ガス環境下で触媒が還元され、成長ユニット3における原料ガス環境下で基材の表面に炭素構造体が成長し、冷却ユニット4において冷却される。また、成長炉3aでは、反応性ガス供給部16、17からの反応性ガスの供給により、炭素系副生成物の生成が抑制される。 Then, in the manufacturing apparatus 100, the base material 20 having a catalyst on the surface is continuously conveyed by the transfer unit 6, and the inlet purge unit 1, the formation unit 2, the growth unit 3, the cooling unit 4, and the outlet purge unit 5 are continuously conveyed. Are passed in sequence. During that time, the catalyst is reduced under the reducing gas environment in the formation unit 2, the carbon structure grows on the surface of the base material under the raw material gas environment in the growth unit 3, and is cooled in the cooling unit 4. Further, in the growth furnace 3a, the production of carbon-based by-products is suppressed by the supply of the reactive gas from the reactive gas supply units 16 and 17.

<炭素構造体の製造装置の他の例>
また、図3に、本発明の炭素構造体の製造装置の他の例を示す。図3に示す製造装置200は、一つの炉(成長炉210)でフォーメーション工程及び成長工程を行う製造装置である。
<Other examples of carbon structure manufacturing equipment>
Further, FIG. 3 shows another example of the carbon structure manufacturing apparatus of the present invention. The manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 3 is a manufacturing apparatus that performs a formation step and a growth step in one furnace (growth furnace 210).

図3に示す製造装置200は、成長炉210、ガス導入口220、ガス排出口230、加熱器(ヒーター)240、及び、反応性ガス供給部としての反応性ガス供給管250を備えている。そして、成長炉210内には、触媒を担持した基材を載置するための保持具211と、ガスの逆流を防止するための任意の多孔板212とが設けられている。また、反応性ガス供給管250は、多孔板212とガス排出口230との間で成長炉210内に反応性ガスを供給するように構成されている。 The manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 3 includes a growth furnace 210, a gas introduction port 220, a gas discharge port 230, a heater (heater) 240, and a reactive gas supply pipe 250 as a reactive gas supply unit. Further, in the growth furnace 210, a holder 211 for placing a base material carrying a catalyst and an arbitrary perforated plate 212 for preventing backflow of gas are provided. Further, the reactive gas supply pipe 250 is configured to supply the reactive gas into the growth furnace 210 between the perforated plate 212 and the gas discharge port 230.

そして、製造装置200では、触媒を担持した基材を保持具211上に設置した状態で、任意にガス導入口220から還元ガスを供給してフォーメーション工程を実施する。また、ガス導入口220から原料ガスと任意の触媒賦活物質とを供給すると共に、反応性ガス供給管250から反応性ガスを供給して、成長工程を実施する。これにより、炭素系副生成物の生成を抑制しつつ、炭素構造体を得ることができる。 Then, in the manufacturing apparatus 200, the formation step is carried out by arbitrarily supplying the reducing gas from the gas introduction port 220 in a state where the base material supporting the catalyst is installed on the holder 211. Further, the raw material gas and an arbitrary catalyst activator are supplied from the gas introduction port 220, and the reactive gas is supplied from the reactive gas supply pipe 250 to carry out the growth step. This makes it possible to obtain a carbon structure while suppressing the formation of carbon-based by-products.

以下、本発明について実施例を用いて更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

(触媒を担持させた基材の準備)
基材として、縦500mm×横500mm、厚さ0.6mmのFe-Cr合金(JFEスチール株式会社製、SUS430、Cr:18質量%)の平板を用意した。なお、レーザ顕微鏡を用いて複数個所の表面粗さを測定したところ、算術平均粗さRaは0.063μmであった。
また、アルミニウムトリ-sec-ブトキシド1.9gを2-プロパノール100ml(78g)に溶解させ、更に安定剤としてトリイソプロパノールアミン0.9gを加えて溶解させて、アルミナ膜形成用コーティング剤を作製した。
そして、室温25℃、相対湿度50%の環境下で、ディップコーティングにより基材上に上述のアルミナ膜形成用コーティング剤を塗布した。具体的には、アルミナ膜形成用コーティング剤に基材を浸漬後、20秒間保持して、10mm/秒の引き上げ速度で基材を引き上げた後、5分間風乾した。次に、300℃の空気環境下で30分間加熱した後、室温まで冷却した。これにより、基材上に膜厚40nmのアルミナ膜を形成した。
続いて、酢酸鉄174mgを2-プロパノール100mlに溶解させ、更に安定剤としてトリイソプロパノールアミン190mgを加えて溶解させて、鉄膜コーティング剤を作製した。
そして、室温25℃、相対湿度50%の環境下で、ディップコーティングにより、前述のアルミナ膜が成膜された基材上に鉄膜コーティング剤を塗布した。具体的には、鉄膜コーティング剤に基材を浸漬後、20秒間保持して、3mm/秒の引き上げ速度で基材を引き上げた。その後、5分間風乾した。次に、100℃の空気環境下で30分加熱した後、室温まで冷却した。これにより、膜厚3nmの触媒膜を有する基材(触媒を担持させた基材)を作製した。
(Preparation of the base material on which the catalyst is supported)
As a base material, a flat plate of Fe—Cr alloy (manufactured by JFE Steel Corporation, SUS430, Cr: 18% by mass) having a length of 500 mm, a width of 500 mm, and a thickness of 0.6 mm was prepared. When the surface roughness of a plurality of places was measured using a laser microscope, the arithmetic average roughness Ra was 0.063 μm.
Further, 1.9 g of aluminum tri-sec-butoxide was dissolved in 100 ml (78 g) of 2-propanol, and 0.9 g of triisopropanolamine was further added and dissolved as a stabilizer to prepare a coating agent for forming an alumina film.
Then, in an environment of room temperature of 25 ° C. and relative humidity of 50%, the above-mentioned coating agent for forming an alumina film was applied onto the substrate by dip coating. Specifically, after immersing the substrate in the coating agent for forming an alumina film, the substrate was held for 20 seconds, the substrate was pulled up at a pulling speed of 10 mm / sec, and then air-dried for 5 minutes. Next, after heating for 30 minutes in an air environment of 300 ° C., the mixture was cooled to room temperature. As a result, an alumina film having a film thickness of 40 nm was formed on the substrate.
Subsequently, 174 mg of iron acetate was dissolved in 100 ml of 2-propanol, and 190 mg of triisopropanolamine was further added and dissolved as a stabilizer to prepare an iron film coating agent.
Then, in an environment of room temperature of 25 ° C. and relative humidity of 50%, the iron film coating agent was applied onto the substrate on which the above-mentioned alumina film was formed by dip coating. Specifically, after immersing the base material in the iron film coating agent, the base material was held for 20 seconds and the base material was pulled up at a pulling speed of 3 mm / sec. Then, it was air-dried for 5 minutes. Next, after heating for 30 minutes in an air environment of 100 ° C., the mixture was cooled to room temperature. As a result, a base material having a catalyst film with a film thickness of 3 nm (a base material on which a catalyst was supported) was produced.

(実施例1)
触媒を担持させた基材を縦40mm×横40mmの大きさに切り出したものを図3に示す製造装置200内に設置し、フォーメーション工程と成長工程とを順次行うことでカーボンナノチューブ(CNT)の製造を行った。
具体的には、保持具211上に基材を設置した後、温度750℃、還元ガスとしての水素ガスの流量3000sccmの条件でフォーメーション工程を23分間実施し、更に、温度800℃において表1に示す組成の原料ガス(炭素化合物:エチレン、触媒賦活物質:水)および反応性ガスを表1に示す流量で10分間供給して、基材上にCNTを成長させる操作を30回繰り返した。
なお、反応炉210としては、石英製の炉を用いた。また、反応炉210内の図3に二点鎖線で示す領域S(ガス排出口230のすぐ上流側)には、金属製の副生成物捕集管を設置した。更に、図示していないが、ガスの流量を制御するため、流量制御弁及び圧力制御弁などを含む制御装置を適所に付設した。
そして、副生成物捕集管の内側に付着した副生成物の重量を測定することで、副生成物捕集管の単位面積当たりの副生成物付着速度を計算した。結果を表1に示す。
(Example 1)
A base material on which a catalyst is supported is cut out to a size of 40 mm in length × 40 mm in width, and is installed in the manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 3, and a formation step and a growth step are sequentially performed to obtain carbon nanotubes (CNTs). Manufactured.
Specifically, after the base material was placed on the holder 211, the formation step was carried out for 23 minutes under the conditions of a temperature of 750 ° C. and a flow rate of hydrogen gas as a reducing gas of 3000 sccm, and further, in Table 1 at a temperature of 800 ° C. The raw material gas (carbon compound: ethylene, catalyst activator: water) and the reactive gas having the composition shown were supplied at the flow rate shown in Table 1 for 10 minutes, and the operation of growing CNT on the substrate was repeated 30 times.
As the reaction furnace 210, a quartz furnace was used. In addition, a metal by-product collection tube was installed in the region S (immediately upstream of the gas discharge port 230) shown by the alternate long and short dash line in FIG. 3 in the reactor 210. Further, although not shown, in order to control the gas flow rate, a control device including a flow rate control valve and a pressure control valve is attached at an appropriate place.
Then, by measuring the weight of the by-product adhering to the inside of the by-product collecting tube, the by-product adhering rate per unit area of the by-product collecting tube was calculated. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
反応性ガスを使用せず、原料ガスのみを供給した以外は実施例1と同様にして基材上にCNTを成長させる操作を30回繰り返し、実施例1と同様にして副生成物付着速度を求めた。結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
The operation of growing CNTs on the substrate was repeated 30 times in the same manner as in Example 1 except that only the raw material gas was supplied without using the reactive gas, and the by-product adhesion rate was adjusted in the same manner as in Example 1. I asked. The results are shown in Table 1.

(比較例2~3)
反応性ガスの組成および流量を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にして基材上にCNTを成長させる操作を30回繰り返し、実施例1と同様にして副生成物付着速度を求めた。結果を表1に示す。
(Comparative Examples 2 to 3)
The operation of growing CNTs on the substrate was repeated 30 times in the same manner as in Example 1 except that the composition and flow rate of the reactive gas were changed as shown in Table 1, and by-products adhered in the same manner as in Example 1. I asked for speed. The results are shown in Table 1.

Figure 0007081252000001
Figure 0007081252000001

表1より、メタノール(気体)を使用した実施例1では、反応性ガスを使用しなかった比較例1、全量に対して20体積%となるように水素を添加したガスを反応性ガスとして用いた比較例2、および、全量に対して酸素が5体積%となるように空気を添加したガスを反応性ガスとして用いた比較例3と比較し、副生成物付着速度が1/12以下まで低減されていることが分かる。
なお、実施例1および比較例1~3において繰返し製造されたCNTの特性の平均値は、何れも、収量:2.0mg/cm、G/D比:6.3および比表面積:1100m/gであった。これより、同等の特性を有するCNTが製造できていることが確認された。
From Table 1, in Example 1 in which methanol (gas) was used, Comparative Example 1 in which no reactive gas was used, a gas to which hydrogen was added so as to be 20% by volume with respect to the total amount was used as the reactive gas. Compared with Comparative Example 2 and Comparative Example 3 in which air was added so that the amount of oxygen was 5% by volume with respect to the total amount as the reactive gas, the by-product adhesion rate was 1/12 or less. It can be seen that it has been reduced.
The average values of the characteristics of the CNTs repeatedly produced in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were: yield: 2.0 mg / cm 2 , G / D ratio: 6.3, and specific surface area: 1100 m 2 . It was / g. From this, it was confirmed that CNTs having the same characteristics could be manufactured.

(実験例)
基材を設置していない製造装置200内に、実施例1および比較例1~3において基材上にCNTを成長させた際と同じ条件で原料ガスおよび反応性ガスを流した。そして、副生成物捕集管付近のガス成分を採取し、ガスクロマトグラフ質量分析計(GCMS)を用いて組成を測定した。結果を表2に示す。
(Experimental example)
The raw material gas and the reactive gas were flowed into the manufacturing apparatus 200 in which the base material was not installed under the same conditions as when the CNTs were grown on the base material in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Then, the gas component near the by-product collection tube was sampled, and the composition was measured using a gas chromatograph mass spectrometer (GCMS). The results are shown in Table 2.

Figure 0007081252000002
Figure 0007081252000002

表2より、メタノールが熱分解することでホルムアルデヒド(CHO)が生成していることが示され、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基をもつ化合物がPAHsの抑制に寄与している可能性が示された。 Table 2 shows that formaldehyde (CH 2O ) is produced by the thermal decomposition of methanol, and it is possible that compounds having hydroxy and / or aldehyde groups contribute to the suppression of PAHs. Was done.

本発明によれば、CVD法により炭素構造体を製造する際に炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to sufficiently suppress the formation of carbon-based by-products when producing a carbon structure by the CVD method.

1 入口パージ部
2 フォーメーションユニット
2a フォーメーション炉
2b 還元ガス噴射部
2c ヒーター
2d 排気フード
3 成長ユニット
3a 成長炉
3b 原料ガス噴射部
3c ヒーター
3d 排気フード
4 冷却ユニット
4a 冷却炉
4b 冷却ガス噴射部
4c 水冷冷却管
5 出口パージ部
6 搬送ユニット
6a メッシュベルト
6b ベルト駆動部
7~9 接続部
10,20 基材
16,17 反応性ガス供給部
23 排気管
101~103 ガス混入防止手段
101a~103a 排気部
101b~103b シールガス噴射部
100,200 製造装置
210 成長炉
211 保持具
212 多孔板
220 ガス導入口
230 ガス排出口
240 加熱器
250 反応性ガス供給管
1 Inlet purge unit 2 Formation unit 2a Formation furnace 2b Reduction gas injection unit 2c Heater 2d Exhaust hood 3 Growth unit 3a Growth furnace 3b Raw material gas injection unit 3c Heater 3d Exhaust hood 4 Cooling unit 4a Cooling furnace 4b Cooling gas injection unit 4c Water cooling Pipe 5 Outlet purge part 6 Conveyance unit 6a Mesh belt 6b Belt drive part 7-9 Connection part 10, 20 Base material 16, 17 Reactive gas supply part 23 Exhaust pipe 101 to 103 Gas mixing prevention means 101a to 103a Exhaust part 101b to 103b Seal gas injection unit 100, 200 Manufacturing equipment 210 Growth furnace 211 Cage 212 Perforated plate 220 Gas inlet 230 Gas discharge port 240 Heater 250 Reactive gas supply pipe

Claims (6)

炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる工程(A)と、
前記工程(A)で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数の化合物を含む反応性ガスを供給する工程(B)と、
を含む、炭素構造体の製造方法。
A step (A) of supplying a raw material gas containing a carbon compound to a catalyst and growing a carbon structure by a chemical vapor deposition method.
The step (B) of supplying the reactive gas containing the compound having a hydroxy group and / or a carbon number 1 having a hydroxy group and / or an aldehyde group to the reaction exhaust gas generated in the step (A).
A method for manufacturing a carbon structure, including.
前記化合物が、メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項に記載の炭素構造体の製造方法。 The method for producing a carbon structure according to claim 1 , wherein the compound is at least one selected from the group consisting of methanol, formaldehyde and formic acid. 前記炭素構造体が、カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンである、請求項1または2に記載の炭素構造体の製造方法。 The method for producing a carbon structure according to claim 1 or 2, wherein the carbon structure is a carbon nanotube and / or graphene. 炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる成長炉と、
前記成長炉で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数の化合物を含む反応性ガスを供給する反応性ガス供給部と、
を備える、炭素構造体の製造装置。
A growth furnace that supplies a raw material gas containing a carbon compound to a catalyst and grows a carbon structure by a chemical vapor deposition method.
A reactive gas supply unit that supplies a reactive gas containing a compound having 1 carbon atom having a hydroxy group and / or an aldehyde group to the reactive exhaust gas generated in the growth furnace.
A carbon structure manufacturing device.
前記化合物が、メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項に記載の炭素構造体の製造装置。 The apparatus for producing a carbon structure according to claim 4 , wherein the compound is at least one selected from the group consisting of methanol, formaldehyde and formic acid. 前記炭素構造体が、カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンである、請求項4または5に記載の炭素構造体の製造装置。 The apparatus for producing a carbon structure according to claim 4 or 5, wherein the carbon structure is a carbon nanotube and / or graphene.
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