KR102524467B1

KR102524467B1 - 질화붕소 나노튜브의 정제

Info

Publication number: KR102524467B1
Application number: KR1020197017444A
Authority: KR
Inventors: 토마스 지. 두샤틴스키; 케빈 씨. 조단; 마이클 더블유. 스미스; 알. 로이 휘트니; 조나단 씨. 스티븐스
Original assignee: 비엔엔티 엘엘씨
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2023-04-24
Also published as: US11629054B2; US20190292052A1; CA3043507A1; AU2017367089B2; WO2018102423A1; KR20190087492A; AU2017367089A1; EP3548434A4; JP7029465B2; KR20230058179A; EP3548434B1; EP3548434A1; JP2020514230A; US20230286801A1

Abstract

본 명세서에는 합성된 대로의 질화붕소 나노튜브(BNNT) 물질을 정제하여 붕소, 무정형 질화붕소(a-BN), 육각형 질화붕소(h-BN) 나노 케이지, h-BN 나노 시트, 및 탄소 함유 화합물을 제거하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 불활성 기체 및 수소 공급원료의 존재 하에 또는 산소의 존재 하에 상기 BNNT 물질을 상이한 온도에서 가열하는 단계를 포함한다.

Description

질화붕소 나노튜브의 정제

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2016년 11월 29일자 출원된 미국 가특허출원 제62/427,506호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

정부 지원에 대한 진술

없음.

기술분야

본 발명은 불순물들, 보다 구체적으로 붕소, 무정형 질화붕소(a-BN), 육각형 질화붕소(h-BN) 및 탄소계 화합물을 제거하기 위하여, 합성된 대로의(as-synthesized) 질화붕소 나노튜브(BNNT) 물질을 정제하는 것에 관한 것이다.

BNNT에 대해 많은 응용이 존재한다. BNNT의 독특한 특성은 합성된 대로의 BNNT 물질의 불순물로 인해 다소 감소될 수 있다. 고온 방법이나 고온 고압 방법으로 합성된 BNNT는 전형적으로 고품질의 BNNT이며, 다시 말해 월(wall)의 수가 1 내지 10(대부분 2-월 및 3-월)이며, 길이 대 직경의 비율은 전형적으로 10,000 대 1 또는 그 이상이고, 상기 BNNT는 촉매가 없고, 상기 BNNT는 결함이 아주 거의 없으면서(100 직경의 길이당 하나 미만의 결함) 매우 결정성이다. 그러나, 붕소, a-BN 및 (h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트를 포함하는) h-BN의 작은 입자들이 존재할 수 있다. 이러한 작은 입자들은 전형적으로 수십 나노 미터(nm)의 규모이지만 제조 공정에 따라 더 작거나 더 클 수 있다. 합성 조건에 따라, 이들 작은 입자들은 합성된 대로의 물질의 질량의 5 내지 95%를 차지할 수 있다(일부 합성 조건은 이 범위를 초과하는 불순물을 생성할 수 있음). 이러한 불순물은 분산제에서 BNNT 물질의 분산을 방해하고, BNNT 표면적을 감소시키고, 강도를 감소시키고, 복합체(composite)에서 계면 상호 작용을 감소시키고, 붕소 입자의 경우 BN 화학작용을 간섭하는 것을 포함하는 여러가지 단점을 갖는다. 다른 BNNT 합성 방법들이 알려져 있지만, 이들은 상당한 불순물로 인해 문제를 겪는 합성된 대로의 BNNT 물질을 생성한다.

합성된 대로의 BNNT 물질의 BNNT 정제에는 현존하는 이용가능한 방법이 거의 없으며, 상기 이용가능한 방법들은 중요한 단점을 갖는다. 상기 이용가능한 방법들은 종종 하나의 유형의 불순물(예를 들어 붕소 입자)만을 제거하고, 및/또는 상기 방법들은 BNNT 자체의 많은 손상 및/또는 제거로 인해 최종 BNNT 수율이 10% 미만이 된다. 일부 정제 방법들은 합성된 대로의 BNNT를 초음파처리를 통해 분산시킴으로써 합성된 BNNT 물질의 고종횡비를 희생시키고, 이후 원심 분리를 수행한다. 이들 방법은 또한 10% 미만의 수율로 상청액 내 정제된 BNNT를 생성할 수 있다. 이러한 수율로 인해 대용량 제조가 매우 비효율적이게 된다.

따라서, BNNT에 악영향을 미치지 않으면서 불순물을 제거하는 합성된 대로의 BNNT 물질의 정제 방법에 대한 필요가 존재한다.

본 명세서에 개시된 바와 같이, 붕소 입자, 무정형 질화붕소(a-BN), 육각형 질화붕소(h-BN) 나노케이지, h-BN 나노시트 및 탄소계 화합물의 불순물들이 BNNT를 손상시키지 않으면서 합성된 대로의 BNNT로부터 제거될 수 있다. 정제 방법은 여러 단계들로 수행될 수 있으며, 각 단계는 표적 불순물을 제거하도록 설계된다. 합성된 대로의 BNNT 물질에 따라, 일부 구현예에서 하나 이상의 단계가 필요하지 않을 수 있다. 마찬가지로, 단계들은 특정의 합성된 대로의 BNNT 물질 및 불순물의 상대량에 따라, 본 명세서에 개시된 것과 다른 순서로 수행될 수 있다.

일부 구현예에서, BNNT 물질을 정제하는 방법은 (1) 불활성 기체 및 수소 공급원료의 존재 하에서, 질화붕소 나노튜브(BNNT) 물질을 제1 온도에서 제1 기간 동안 가열하여 붕소 불순물을 제거하는 단계; (2) 상기 BNNT 물질을 제2 온도에서 제2 기간 동안 가열하여 질화붕소 불순물을 제거하는 단계; 및 (3) 상기 BNNT 물질을 제3 온도에서 제3 기간 동안 가열하여 산화붕소 불순물을 제거하는 단계를 포함한다. 붕소 불순물을 제거하기 위해, 상기 온도는 바람직하게는 약 500 내지 650℃일 수 있고, 상기 합성된 대로의 물질은 주어진 시간 동안, 바람직하게는 약 0.16 내지 12 시간 동안, 상기 온도에서 챔버에 남아있을 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 불활성 기체는 질소를 포함할 수 있거나, 질소로 이루어질 수 있거나, 또는 질소로 필수적으로 이루어질 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 수소 공급원료는 수증기 및 수소 기체 중 적어도 하나일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 질소 기체 중의 수증기의 함량은 건조 질소 기체를 사용하고, 예로서 30 내지 100℃의 온도에서 포화 수증기 조건에 상기 건조 질소 기체를 제공함으로써 제어될 수 있다. 질화붕소 불순물을 제거하기 위해, 상기 온도는 제2 온도, 바람직하게는 약 650 내지 800℃로 상승될 수 있고, 상기 제2 기간은 바람직하게는 약 0.16 내지 12 시간이다. 산화붕소 불순물을 제거하기 위해, 상기 온도는 제3 온도, 바람직하게는 약 500 내지 650℃로 낮춰질 수 있고, 상기 제3 기간은 바람직하게는 약 0.16 내지 12 시간이다. 상기 온도, 기간 및 수소 기체 흐름 및 압력의 파라미터가 특정 구현예에 따라, 그리고 주어진 합성된 대로의 BNNT 물질에 따라 달라질 수 있음은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 상기 작동 파라미터는 특정 구현예 및 합성된 대로의 BNNT 물질에 대해 최적화될 수 있으며, 따라서 본 명세서에 개시된 구현예로부터 벗어날 수 있다.

탄소 불순물이 일부의 합성된 대로의 BNNT 물질에 존재할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 상기 BNNT 물질을 예비-베이킹하여 탄소 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 예비-베이킹 온도는 바람직하게는 약 400 내지 500℃일 수 있고, 상기 예비-베이킹 기간은 약 0.5 내지 3 시간일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 예비-베이킹은 오존을 포함하는 환경에서 수행될 수 있다.

일부 구현예에서, BNNT 물질의 정제 방법은 (1) 산소 풍부 환경에서 BNNT 물질을 제1 온도에서 제1 기간 동안 가열하여 붕소 불순물을 제거하는 단계; (2) 상기 BNNT 물질을 제2 온도에서 제2 기간 동안 가열하여 질화붕소 불순물을 제거하는 단계; 및 (3) 상기 BNNT 물질을 제3 온도에서 제3 기간 동안 가열하여 산화붕소 불순물을 제거하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT 물질은 0.1 내지 1.0 대기압을 갖는 환경에서 가열된다. 상기 제1 온도는 바람직하게는 약 500 내지 650℃일 수 있고, 상기 제1 기간은 바람직하게는 약 0.16 내지 12 시간일 수 있다. 상기 제 2 온도는 바람직하게는 약 650 내지 800℃일 수 있고, 상기 제2 기간은 약 0.16 내지 12 시간일 수 있다. 상기 제3 온도는 바람직하게는 약 500 내지 650℃일 수 있고, 상기 제3 기간은 약 0.16 내지 12 시간일 수 있다.

상기 온도, 기간 및 산소 파라미터가 특정 구현예에 따라, 그리고 주어진 합성된 대로의 BNNT 물질에 따라 달라질 수 있음은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 상기 작동 파라미터는 특정 구현예 및 합성된 대로의 BNNT 물질에 대해 최적화될 수 있으며, 따라서 본 명세서에 개시된 구현예들로부터 벗어날 수 있다. 모든 구현예에서 모든 단계가 필요한 것은 아니며, 단계들은 본 명세서에 설명된 구현예에 개시된 것과 다른 순서로 수행될 수 있다.

도 1은 합성된 대로의 BNNT 물질을 나타낸다.
도 2는 비교적 다량의 h-BN 나노시트들의 영역에서, 합성된 대로의 BNNT 물질의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 도시한다.
도 3은 비교적 다량의 h-BN 나노케이지 영역에서, 탄소 레이스 격자(carbon lacy grid) 상 합성된 대로의 BNNT 물질의 TEM 이미지를 도시한다.
도 4는 BNNT가 있는 h-BN 나노케이지의 TEM 이미지를 도시한다.
도 5는 붕소 입자 및 a-BN이 제거되고, h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트의 거의 전부가 제거된, 정제된 BNNT 물질의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
도 6은 합성된 대로의 BNNT "퍼프 볼" 및 정제된 BNNT "퍼프 볼"을 나타낸다.
도 7은 이소프로필 알코올에 분산된 것으로서, 좌측에 부분적으로 정제된 BNNT 물질, 그리고 우측에 정제된 BNNT 물질을 나타낸다.
도 8은 분말로 냉동 건조된, 부분적으로 정제된 BNNT 물질을 도시한다.
도 9는 매트로서 수집된, 부분적으로 정제된 BNNT를 도시한다.
도 10은 버키페이퍼(buckypaper)로 제조된, 거의 완전히 정제된 BNNT 물질을 도시한다.
도 11은 본 접근법에 따른 정제 방법의 일 구현예를 도시한다.

본 명세서에서는 합성된 대로의 BNNT를 정제하는 방법에서 수행될 수 있는 단계들을 설명한다. 상기 단계들은 본 명세서에 나타낸 것 이외의 순서로 수행될 수 있고, 일부 단계들은 특정 합성된 대로의 BNNT 물질의 경우에는 필요하지 않을 수 있다. 합성된 대로의 BNNT 물질에 잠재적인 변형이 주어진 경우, 일부 구현예는 본 접근법으로부터 벗어나지 않으면서 본 명세서에 개시된 예시적인 범위를 벗어나는 다양한 공정 조건을 사용할 수 있음이 이해되어야 한다.

고품질 BNNT, 예컨대 고온 방법에 의해 합성되는 것들은 결함이 거의 없고, 촉매 불순물이 없고, 1 내지 10 월을 가지며(2-월에서 분포 피크를 가짐), 더 큰 수의 월을 빠르게 감소시킨다. 상기 BNNT의 직경은 전형적으로 1.5 내지 6 nm 범위이지만, 상기 범위를 넘어 연장될 수 있다. 상기 BNNT의 길이는 전형적으로 수백 nm 내지 수백 마이크론 범위이지만, 상기 범위를 넘어 연장될 수 있다. 고온 방법으로 합성된 BNNT는 전형적으로 벌크 물질의 약 50%를 차지하며, 붕소, a-BN, h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트의 불순물을 가질 수 있다. 이들 불순물은 전형적으로 수십 nm 이하의 크기이지만, 상기 범위를 넘어 연장될 수 있으며, 특히 h-BN 나노시트인 경우에 그러하다. 상기 고온 방법의 제조 파라미터는 a-BN, h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트 불순물에 비해 더 많거나 적은 붕소 불순물을 갖도록 조정될 수 있다. 본 명세서에 개시된 장치 및 방법은 본 명세서에서 명시적으로 언급되지 않는 한, 특정 품질의 BNNT 물질에 제한되기 위한 의도가 아님이 이해되어야 한다.

합성된 대로의 고온 방법 BNNT 물질의 밀도는 전형적으로 대략 0.5그램/리터(0.5 g/L)이지만, 50% 이상만큼 쉽게 변한다. "탭 밀도"의 상기 값은 h-BN에 대해 밀도 2,100 g/L와 비교될 수 있다. 도 1은 고온 방법을 이용해서 합성된 BNNT 물질(11)의 사진을 나타낸다. 상기 합성된 대로의 BNNT 물질(11)은 도 1에 나타낸 바와 같은 "퍼프 볼" 또는 "코튼 볼"의 외관을 가지며, 여기서 상기 BNNT 물질(11)은 전형적으로, 자(12)로 나타낸 바와 같이, 수 센티미터 내지 수십 센티미터의 크기이다. 일부 구현예에서, 상기 합성된 대로의 BNNT 물질은 이것이 수확될 때의 BNNT의 흐름 패턴을 유지하는 배열로 수집될 수 있다. 상기 수집의 기하학은 본 명세서에 설명된 정제 방법에 영향을 미치지 않을 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT 물질(11)은 쉽게 압축될 수 있다.

상기 합성된 대로의 BNNT 물질의 TEM 이미지를 도 2 및 도 3에 나타낸다. 상기 이미지에서, BNNT(21) 및 BNNT(31)는 긴 섬유를 형성하는 반면 (붕소, a-BN, h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트를 포함하는) 불순물(22) 및 불순물(32)은 물질의 덩어리로 보여질 수 있다. TEM 이미지를 만드는 과정에서, 상기 합성된 대로의 BNNT 물질을 지지하기 위해 레이스 탄소 격자(33)가 존재한다. 도 4는 BNNT(41) 내에 h-BN 나노케이지(42)의 확대 이미지를 나타낸다.

실험에서, BNNT의 정제가 약 200℃ 및 약 1800 psi에서 수행된 것으로 나타났으며, 이는 BNNT를 손상시키지 않으면서 각각의 오염된 붕소 및 질화붕소 종들을 휘발될 수 있는 보레이트(borate)로 발전시키는 활성화 온도가 증가된 압력에서 감소될 수 있음을 제시한다. 그러나, 보다 안전한 대기압 옵션이 이용가능하므로, 승격된 온도 및 압력에서 작동시키는 것은 바람직하지 않다. 온도, 압력 및 반응 종들의 농도의 증가를 통해, BNNT의 정제가 단계적으로 달성될 수 있으며, 각 단계에서 주로 하나의 불순물 종을 제거한다. 예를 들어, 탄소를 제거하는데 가장 낮은 에너지를 필요로 하고, 이후 붕소, a-BN, h-BN 나노시트, h-BN 나노케이지, 그리고나서 관형 h-BN이다. b-BN 나노시트 및 h-BN 나노케이지는 상기 합성된 대로의 물질의 조성에 따라 대부분의 구현예에서 거의 동시에 또는 유사한 조건에서 제거될 수 있다. 특정 구현예에서 필요하다면, 이들 단계들은 상이한 순서로 수행될 수 있음이 이해되어야 한다.

일부 구현예에서, 상기 정제 방법은 합성된 대로의 BNNT 물질로부터 a-BN, h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트를 포함하는 h-BN, 및 붕소 불순물이 제거되는 불연속 단계들을 포함한다. 상기 단계들은, 상기 합성된 대로의 BNNT 물질이 전체 정제 공정 동안 동일 챔버에 남아있으면서, 순차적으로 중단 없이 수행될 수 있다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 단계는, 다른 챔버에서 또는 개입 물질 처리 또는 다른 공정과 함께, 개별적으로 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 임의의 단계는 합성된 대로의 BNNT 물질로부터 탄소 및 탄소계 화합물(예: 탄화수소)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 합성된 대로의 BNNT 물질이 탄소 또는 탄소계 화합물을 가지지 않을 수 있기 때문에 상기 단계는 "임의적"이다. 그러나, 예를 들어, 만일 합성된 대로의 물질이, 탄화수소를 함유하는 용액에서의 초음파처리와 같이, 탄소계 화합물을 이용하여 처리된 경우, 상기 조성물은 BNNT 물질에 존재하는 잔류 탄화수소를 가질 것이다. 또다른 예비-정제 처리로 인해, 상기 합성된 대로의 BNNT 물질이 탄소 (및/또는 다른) 불순물을 포함하게 될 수 있다. 일부 구현예에서, 탄소계 화합물의 제거는 상기 탄소계 화합물 함유하는 물질을 공기, 건조 질소, 및 진공에서 상기 탄소계 화합물의 비등점 이상의 온도로 가열함으로써 적어도 부분적으로 달성될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT 물질은, 탄소가 산소 함유 환경에서 열분해되고 이산화탄소로 발전되는 온도인 약 400℃ 이상의 온도로 가열된다. 그러나, 상기 탄소계 화합물의 비등점 이상에서의 가열은 BNNT에 부착되거나 수소에 결합되지 않은 탄소계 화합물을 제거하지 못할 수 있다. 일부 구현예에서, 탄소 또는 탄소계 화합물을 함유하는 BNNT 물질은 약 450 내지 500℃로 가열된다. 일부 구현예에서, 특정 단계에서 탄화수소만 제거되고 붕소 및 h-BN 물질은 영향을 받지 않아야 한다면, 상기 BNNT 물질은 400 내지 450℃로 가열될 수 있다. 존재하는 탄소 및/또는 탄화수소의 함량에 따라, 상기 BNNT 물질은 약 30분 내지 3시간 동안 가열될 수 있지만, 일부 구현예에서는 더 짧거나 더 긴 기간이 적절할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 주어진 구현예 및/또는 합성된 대로의 BNNT 물질에 대해 예비-베이킹 기간을 최적화하는 방법을 이해할 것이다. 일부 구현예에서, 탄소 및/또는 탄화수소가 존재하는 BNNT 물질은, 20 내지 150 cfm의 기체 유속으로 300 ㎎/hr 이상의 오존 출력을 갖는 넓은 공간에서 공기를 청정하는데 사용되는 표준 오존 발생기에 의해 공급되는 것과 같은, 오존이 존재하는 공기 중에 배치될 수 있다. 상기 오존은 전형적으로 30분 내지 3시간 동안 존재하는 탄소 및 탄화수소를 산화시킬 수 있지만, 일부 구현예에서는 더 짧거나 더 긴 기간이 적절할 수 있다.

일부 구현예에서, 합성된 대로의 BNNT 물질의 정제 방법은 붕소 입자를 제거하기 위한 단계를 포함한다. 붕소는 산소 기체 및 물과 같은 산소 공급원료의 존재하에 450℃ 이상의 온도에서 준-안정(meta-stable) 상태의 보레이트(BO₃, BO₄, B₂O₃ 등)로 발전된다. 가열 기간은 챔버, BNNT 물질, 및 구현예에 따라 달라지지만, 일반적으로 약 0.12 내지 12시간일 수 있다. 수소 공급원료 없이는, 가열 후 BNNT 샘플 상에 보레이트가 고형 잔류물로 남아있을 수 있다. 수증기, 수소 기체, 또는 양이온 종과 수소 기체로 분해되는 화학물질과 같은 수소 공급원료를 함유하는 퍼니스 챔버를 통해 흐른 기체는, 샘플이 수소화됨에 따라, 산화붕소 화합물(BxOxHx)을 붕산(수소 보레이트)으로 전환시킨다. 붕산의 승화 속도는 본 기술분야의 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 보레이트가 최대로 가수분해됨에 따라 극대화될 수 있다.

일부 구현예에서, 붕소 입자는 바람직하게는 산소 없이 또는 최소한의 산소와 함께, 질소 기체와 수증기 기체를 갖는 환경에서 BNNT 물질을 가열함으로써 제거될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 질소 기체 및 수증기는 약 500℃ 내지 약 650℃의 온도에서 상기 합성된 대로의 BNNT 물질을 통해 흐를 수 있다. 상기 가열 기간은 챔버, BNNT 물질 및 구현예에 따라 달라지지만, 일반적으로 약 0.12 내지 12시간일 수 있다. 상기 수증기 중의 산소는 붕소 입자를 산화붕소 화합물로 전환시키고, 이어서 상기 산화붕소 화합물을 휘발성 붕산으로 전환시키기에 충분하다. 이후, 흐르는 질소 기체 및 수증기가 상기 BNNT 물질로부터 붕산을 제거할 수 있다. 일부 구현예에서, 약 550℃의 온도가 바람직하다. 일부 구현예에서, 기상의(gaseous) 산소가 없거나 소량의 기상의 산소를 가지고(즉, 약 0.1 내지 1 대기압에서) 높은 수준의 수증기(즉, 상대 질량으로 측정시 약 30 내지 90%)를 갖는 질소 기상 환경에서 제어된 가열에 의해 합성된 대로의 BNNT 물질을 정제한다. 상기 질소 기체 유속은 전형적으로 BNNT 물질의 그램당 1 내지 100 cfph이지만 상기 범위를 넘어 연장될 수 있다. 주어진 구현예 및/또는 특정 합성된 대로의 BNNT 물질에 대해, 질소, 물 및 산소 함량 및 유속이 최적화될 수 있음은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다.

일부 구현예에서, 상기 질소 기체 내의 수증기의 함량은 초기에 영역을 건조 질소 기체로 채우고 여기에 약 30℃ 내지 약 120℃의 온도에서 포화 수증기 조건을 제공한 다음, 상기 질소 기체-수증기 혼합물을 더 높은 온도의 영역으로 흘려 보냄으로써 제어될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 포화 증기는 초기에 약 80 내지 100℃로 가열된다. 일부 구현예에서, 500 내지 650℃ 환경으로 공급되는 질소와 수증기의 온도는 120℃ 내지 200℃이며, 수증기가 수증기에 대하여 질소 내 포화 압력 이상이 되도록 시스템 내로 물이 주입된다. 일부 구현예에서, 붕소 입자 및 관련된 보레이트를 제거하는 시간은 10분 미만(특히, 수증기의 수준이 비교적 높은 경우, 즉 50 중량% 이상인 경우)일 수 있지만, 특히 낮은 수준, 즉 20 중량% 이하의 수증기에서, 12시간 이상까지 연장될 수 있다. 일부 구현예에서, BN 물질을 더 산화시키지 않으면서 상기 발전된 보레이트를 제거하는데 걸리는 시간은, 다량의 습한 기체 하에서 10분(예를 들어, 습윤 기체 흐름의 지시된 바와 같은 온도의 상부 범위에서 BNNT 물질의 그램당 약 100 cfph 인 경우)에서부터, 습한 기체의 보다 낮은 유속 하에서 수시간(예를 들어, 지시된 바와 같은 온도의 하부 범위에서 BNNT 물질의 그램당 1 내지 10 cfph 인 경우)이 될 수 있다.

일부 구현예에서, 바람직하게는 일단 붕소 입자가 제거되면, 질화붕소 화합물을 제거하기 위해 온도를 약 650 내지 800℃로 상승시킬 수 있다. 가열은 상기 질화붕소 화합물을 다양한 형태의 산화붕소, 붕산 및 질소 기체로 전환시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 온도는 약 700℃로 상승된다. 상기 가열 기간은 챔버, BNNT 물질 및 구현예에 따라 달라지지만, 일반적으로 약 0.12 내지 12시간일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 BNNT 물질은 다른 변수들 중에서 일반적으로 유속 및 수증기 수준에 따라, 1 내지 12시간 동안 가열된다. 상기 방법은 주어진 구현예 및/또는 특정 합성된 대로의 BNNT 물질에 대해 최적화될 수 있음은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다.

생성된 산화붕소는 상기 단계에서 휘발성 붕산으로 전환될 수 있으며, 이후 흐르는 수증기-함유 질소 기체에 의해 공정으로부터 제거될 수 있다. 주어진 BNNT 물질 공급원료에 대해 온도 및 수증기압을 최적화하면, 먼저 a-BN이 붕산으로 전환된 다음 h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트를 포함하는 h-BN 입자의 가장자리가 붕산으로 전환된다. 마지막으로 BNNT가 붕산으로 전환되며, 보통 이 단계에서 BNNT 손실을 최소화하도록 공정 파라미터가 최적화될 수 있다. 특히, 상기 가열 기간, 온도 및 수증기 함량은 BNNT 손실을 피하거나 최소화하기 위해 달라질 수 있다. 또한, 많은 BNNT는 a-BN, h-BN 나노시트 및 h-BN 나노케이지를 포함하는 h-BN 입자에서 종결된다. h-BN 나노 시트를 포함하는 h-BN 입자의 가장자리가 전환됨에 따라, 전체 h-BN 입자가 서서히 전환되고 상기 BNNT의 말단이 붕산으로 전환되기 시작한다. 상기 합성된 대로의 BNNT 물질의 조건을 설명하기 위해 시간, 온도 및 수증기 농도의 조건을 조정할 수 있음은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다. 예를 들어, 비교적 적은 양의 입자 불순물(22)을 갖는 도 2의 TEM 이미지에 나타낸 합성된 대로의 BNNT 물질을 정제하기 위한 바람직한 조건이, 다량의 입자 불순물(32)을 갖는 도 3의 TEM 이미지에 나타낸 합성된 대로의 BNNT 물질을 정제하기 위한 바람직한 조건과 상이할 수 있음을, 화학 반응을 공급원료의 조건에 맞추는 기술분야의 기술자는 이해할 것이다. 합성된 대로의 BNNT 물질의 공급원료의 주어진 조건 하에서, 10℃ 정도의 작은 온도 변화는 공정으로부터 정제된 BNNT의 수율에 상당한 영향을 미칠 수 있다.

일부 구현예에서, 합성된 대로의 BNNT 물질을 정제하는 방법은, 정제된 BNNT에 영향을 미치지 않고 잔류 산화붕소가 붕산으로 전환되고 휘발되고 제거되도록 온도를 약 500 내지 650℃로 낮추는 단계를 포함한다. 상기 단계를 위한 시간은, 다른 요인들 중에서도 구현예에서 유속 및 수증기의 수준에 따라, 10분(0.16 시간)만큼 짧거나 1시간까지 연장될 수 있다. 그러나, 전반적으로, 상기 가열 기간은 챔버, BNNT 물질 및 구현예에 따라 달라지지만, 일반적으로 약 0.12 내지 12시간일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 온도는 약 550℃로 설정될 수 있다. 일부 구현예에서, 산화붕소를 재도입하지 않기 위해, 잔류 산화붕소는 바람직하게는 무산소 환경 또는 저산소 환경, 즉 기체의 1 중량% 미만이 산소인 환경에서 제거될 수 있다.

반대로, 일부 구현예에서, 일부 산소 기체를 공정에 도입하는 것이 바람직 할 수 있지만, 전형적으로, 공기 중에서 발견되는 것 이상은 아니다. 그렇게 하는 것은 최적의 수율을 위한 시간, 온도 및 수증기 압력을 바꿀 것이다. 산화붕소를 붕산을 포함하는 보레이트로 전환시키기 위해서 약간의 수증기 또는 수소 기체가 필요하더라도, 고온의 수증기의 존재 하에서 산소 기체를 첨가하면 보다 적극적으로 BNNT를 공격할 것이기 때문에 보다 적은 수증기가 필요할 수 있다. 일부 구현예에서, 산소의 농도 및 온도를 신중히 제어하여, 상기 BNNT를 산화붕소 화합물(BO₃, B0₄, B₂O₃ 등)로 쉽게 전환시키지 않도록 한다. 일부 구현예에서, 보다 낮은 온도에서 수증기만 갖는 질소 기체의 최종 단계가 산화붕소를 더 이상 만들지 않고 깨끗이 제거하는데 필요할 수 있다.

일부 구현예에서, 반응 시간을 가속시키기 위해 각각의 정제 단계에서의 압력이 상승될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 압력은 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 0.1 내지 12 기압 및 100 기압 이상에서 수행될 수 있다. 승격된 온도에서 가압화된 시스템을 작동시키는데 부가적인 안전 및 작동 요구사항이 있을 수 있고 대기압에서 작동시킴으로써 이를 피할 수 있음이 본 기술분야의 기술자에게 이해될 것이다.

도 5는 불순물(52)(붕소 입자, a-BN, h-BN 나노시트 및 h-BN 나노케이지)이 대부분 제거된, 정제된 BNNT 물질(51)의 SEM을 도시한다. 정제 정도는 구현예마다 달라질 수 있음은 이해될 것이다. 도 6은 합성된 대로의 BNNT "퍼프 볼"(61) 및 정제된 BNNT "퍼프 볼"(62)을 나타낸다. 정제된 합성된 대로의 BNNT "퍼프 볼"(62)은 전형적으로 백색이고 두툼하며, 얇은 양의 물질만 존재하는 경우 반투명한 푸른색이다. 이는 전형적으로 회색-흰색 색상이고 그다지 반투명하지 않은 합성된 대로의 BNNT 물질 "퍼프 볼"(61)과 비교된다. 물론 외관은 합성 방법에 따라 달라진다. 합성된 대로의 BNNT "퍼프 볼"(61)을 통과하지 않는 광선과, 정제된 BNNT "퍼프 볼"을 빛나게 하는 광선의 차이가 도 6에 나타난다. 본 명세서의 방법이 사용된 경우, 상기 합성된 대로의 BNNT 공급원료의 특성에 따라, 50 내지 80%의 (BNNT, h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트를 포함하는) BNNT 물질의 수율이 전형적으로 붕소 제거 후에 관찰되며, 10 내지 40%의 BNNT 물질의 수율이 전형적으로 산화붕소 제거 후에 관찰된다. 상기 합성된 대로의 BNNT 물질의 품질이 향상됨에 따라 상기 수율은 추가로 증가될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 BNNT 합성 및 BNNT 정제 모두에 관한 최적화를 통해 더 높은 수율이 얻어질 수 있음을 이해할 것이다.

정제된 BNNT 물질은 예를 들어, 짧고 긴 사슬 알코올, 수성 산, 중합 용액 등과 같은 다양한 분산제에서 가벼운 초음파처리로 잘 분산된다. 분산 후에, 상기 정제된 BNNT는 수일 동안 방치 후 대부분 분산된 채로 남아있을 수 있다. 반대로, 합성된 대로의 물질의 분산은 전형적으로 붕소 입자의 존재에 의해 지배되며 수일 동안 분산된 채로 남아있지 않는다. 도 7은 "부분적으로" 정제된 BNNT 물질(71)(붕소 정제 단계를 거친 물질)이 이소프로필 알코올에 분산되고 약간 침전되는 용기, 그리고 "충분히" 정제된 BNNT 물질(72)(붕소 및 질화붕소 정제 단계를 거친 물질)이 이소프로필 알코올에 분산된 용기를 나타낸다. 상기 "충분히" 정제된 BNNT 물질(72)은 "부분적으로" 정제된 BNNT 물질(71)에 비해 잘 분산된채 남아있음을 알 수 있다.

일부 구현예에서, 부분적으로 정제된 BNNT를 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 특정 BNNT 응용에서, 붕소 입자와 더 작은 a-BN 입자, 더 작은 h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트를 제거하는 것으로 충분할 수 있다. 일부 정제 단계의 가열 시간을 단축시키거나 온도를 낮추어 이런 결과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 약 700℃에서 약 6시간 동안 질화붕소 화합물을 제거하는 공정을 수행하는 대신, 상기 단계를 약 650℃에서 약 1시간으로 줄일 수 있다. 산화붕소가 풍부하게 존재하는 경우 산화붕소를 제거하는 단계가 수행될 수 있지만, 일부 구현예에서는 이 또한 줄일 수 있다. 일부 구현예에서, BNNT, h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트의 수율은 약 50 내지 약 70%의 범위일 수 있다. 결과물인 부분적으로 정제된 BNNT 물질은 여전히 분산제에 잘 분산될 수 있지만, 상기 침전 시간은 수일이 아닌 수시간으로 단축될 수 있다. 도 8은 부분적으로 정제된 BNNT 물질이 되도록 처리된 합성된 대로의 BNNT 물질의 일 예로서, 후속적으로 메틸 알코올 물 혼합물에 분산되고 동결 건조됨으로써, 다른 건조 물질 및 에폭시와 같은 액체와 쉽게 혼합가능한 분말(81)이 생성된 경우를 나타낸다. 도 9는 여과막(92) 상에 매트(91)로 형성된 BNNT 분말의 예를 나타낸다. 도 10은 h-BN 나노케이지 및 h-BN 나노시트가 존재하는 부분적으로 정제된 물질의 버키 페이퍼(101)를 나타낸다. 본 기술분야의 기술자가 알 수 있는 바와 같이, 정제의 정도는 다양하다. 상기 정제 방법은 특정 용도로 쓰이는 합성된 대로의 물질의 수율을 최대화하도록 조정될 수 있다.

도 11은 본 접근법에 따른 정제 방법의 일 구현예를 도시한다. 전술한 바와 같이, 각 단계에 대한 특정 작동 파라미터는 특정 구현예, 원하는 결과, 출발물질로서 합성된 대로의 BNNT 물질 및 BNNT 물질의 예비-정제 처리 등에 따라 달라질 수 있다. 일부 구현예는 임의의 예비-베이킹 단계(SI 101)에서 시작할 수 있다. 상기 예비-베이킹 단계에서, 상기 합성된 대로의 BNNT 물질(의심의 여지를 피하기 위해, 합성 후에 추가로 가공될 수 있음)은 베이킹 기간 동안 베이킹 온도에서 베이킹되어 탄소 또는 탄소-함유 화합물을 제거할 수 있다. 상기 예비-베이킹 온도는 바람직하게는 약 400 내지 500℃일 수 있고, 상기 예비-베이킹 기간은 약 0.5 내지 3시간일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 예비-베이킹은 오존을 포함하는 환경에서 수행할 수 있다. 붕소 제거 단계(SI 103)는 수증기를 갖는 불활성 기체에서 BNNT 물질을 제1 온도에서 제1 기간 동안 가열하여 붕소를 제거하는 단계를 포함한다. 붕소 불순물을 제거하기 위해, 상기 제1 온도는 바람직하게는 약 500 내지 650℃일 수 있고, 상기 합성된 대로의 물질은 주어진 시간 동안, 바람직하게는 약 0.16 내지 12 시간 동안 상기 온도에서 챔버에 남아있을 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 불활성 기체는 질소를 포함할 수 있거나, 질소로 이루어질 수 있거나, 또는 질소로 필수적으로 이루어질 수 있다. 일부 구현예에서, 수소 공급원료는 수증기 및 수소 기체 중 적어도 하나일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 질소 기체 내 수증기의 함량은 건조 질소 기체를 사용하고, 예로서 30 내지 120℃의 온도에서 상기 건조 질소 기체를 포화 수증기 조건에 제공함으로써 제어될 수 있다. 대안적으로, 산소계 붕소 제거 단계(SI 104)가 사용될 수 있다. 상기 BNNT 물질은 산소가 풍부한 환경에서 제1 온도로 제1 기간 동안 가열되어 붕소를 제거할 수 있다. 산소가 풍부한 단계에서 상기 제1 온도는 바람직하게는 약 500 내지 650℃일 수 있고, 상기 제1 기간은 바람직하게는 약 0.16 내지 12 시간일 수 있다. 붕소 제거 후에, BN 제거 단계(SI 105)가 수행될 수 있다. SI 105 단계에서, 상기 온도는 제2 온도까지 제2 기간 동안 증가되어 BN 화합물을 제거할 수 있다. 질화붕소 불순물을 제거하기 위해, 상기 온도는 제2 온도, 바람직하게는 약 650 내지 800℃로 상승될 수 있고, 상기 제2 기간은 바람직하게는 약 0.16 내지 12 시간이다. 산화붕소는 단계 SI 106에서 제거될 수 있고, 여기서 상기 온도는 제3 온도로 제3 기간 동안 감소되고, BO 화합물을 가열하여 제거한다. 산화붕소 불순물을 제거하기 위해, 상기 온도는 제3 온도, 바람직하게는 약 500 내지 650℃로 낮아질 수 있고, 상기 제3 기간은 바람직하게는 약 0.16 내지 12 시간이다. 상기 정제 방법은 도 11에 도시된 순서대로 수행될 필요가 없음이 이해될 것이다. 예를 들어, 단계 SI 105는 단계 SI 103 전에 수행될 수 있다. 또한, 본 기술분야의 통상의 기술자는 어느 하나의 단계가 본 접근법을 벗어나지 않으면서 본 명세서에 설명된 바람직한 작동 범위를 벗어나 작동될 수 있음을 이해할 것이다.

본 명세서에서 이용되는 용어는 단지 특정 구현예를 설명하려는 목적을 위한 것일 뿐이며, 본 접근법을 제한하려는 의도는 아니다. 본 명세서에서 이용되는 단수 형태 "하나", "한", 및 "상기"는 문맥 상 명확히 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 포함하려는 의도이다. 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에서 이용되는 경우, 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 및/또는 성분의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분, 및/또는 이들의 군의 존재 또는 부가를 배제하지 않음이 추가로 이해될 것이다.

본 접근법은 이의 사상 또는 본질적 특징에서 벗어나지 않고 다른 구체적 형태로 구현될 수 있다. 따라서 상기 개시된 구현예는 모든 측면에서 예시적이고 제한적이 아닌 것으로 간주되어야 하며, 본 접근법의 범위는 상기 기재에 의해서가 아니라 본 출원의 청구범위에 의해 시사되고, 따라서 청구범위의 의미 및 균등 범위 내에 속하는 모든 변화가 청구범위에 포괄되는 의도이다. 다양한 가능성이 있으며, 본 접근법의 범위는 여기에 설명된 구현예에 의해 제한되지 않음을 본 기술분야의 통상의 기술자는 이해해야 한다.

Claims

질화붕소 나노튜브(BNNT) 물질을 500 내지 650℃의 제1 온도에서 제1 기간 동안 가열하여 붕소 입자를 보레이트로 전환함으로써 붕소 불순물을 제거하는 단계;
상기 BNNT 물질을 650 내지 800℃의 제2 온도에서 제2 기간 동안 가열하여 질화붕소 불순물을 제거하는 단계; 및
상기 BNNT 물질을 500 내지 650℃의 제3 온도에서 제3 기간 동안 가열하여 산화붕소 불순물을 제거하는 단계;를 포함하는 질화붕소 나노튜브 물질을 정제하여 불순물을 제거하는 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제1 기간은 0.16 내지 12시간인 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 BNNT 물질은 불활성 기체 및 수증기 또는 수소 기체의 존재하에 제1 온도에서 제1 기간 동안 가열되는 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제2 기간은 1 내지 12시간인 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제3 기간은 0.16 내지 1시간인 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 기간, 상기 제2 기간, 및 상기 제3 기간은 대략 동일한 기간인 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 BNNT 물질을 베이킹 온도에서 베이킹 기간 동안 예비-베이킹하여 탄소 불순물을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 베이킹 온도는 400 내지 500℃이고, 상기 베이킹 기간은 0.5 내지 3시간인 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 예비-베이킹은 상기 BNNT 물질을 제1 온도에서 제1 기간 동안 가열하기 전에 수행되는 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 BNNT 물질은 오존을 포함하는 환경에서 예비-베이킹되는 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 불활성 기체는 질소인 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 불활성 기체는 질소이고, 상기 질소 기체 중 수증기의 함량은 건조 질소 기체를 사용하고 상기 건조 질소 기체를 30 내지 100℃의 온도에서 포화 수증기 조건에 제공함으로써 제어되는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 BNNT 물질은 0.1 내지 12 대기압을 갖는 환경에서 가열되는 방법.
불활성 기체 및 수증기 또는 수소 기체의 존재하에서 또는 산소 풍부 환경의 존재하에서 질화붕소 나노튜브(BNNT) 물질을 500 내지 650℃의 제1 온도에서 0.16 내지 12시간의 제1 기간 동안 가열하여 붕소 불순물을 제거하는 단계;
상기 BNNT 물질을 650 내지 800℃의 제2 온도에서 0.16 내지 12시간의 제2 기간 동안 가열하여 질화붕소 불순물을 제거하는 단계; 및
상기 BNNT 물질을 500 내지 650℃의 제3 온도에서 0.16 내지 1시간의 제3 기간 동안 가열하여 산화붕소 불순물을 제거하는 단계;를 포함하는 BNNT 물질의 정제 방법.
청구항 17에 있어서,
상기 BNNT 물질을 400 내지 500℃의 베이킹 온도에서 0.5 내지 3시간의 베이킹 기간 동안 예비-베이킹하여 탄소 불순물을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
청구항 18에 있어서,
상기 BNNT 물질은 오존을 포함하는 환경에서 예비-베이킹되는 방법.
청구항 17에 있어서,
상기 BNNT 물질은 0.1 내기 12 대기압을 갖는 환경에서 가열되는 방법.
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