(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空芯部にガリウムを備えるカーボンナノチューブからなる金属蒸気吸収材料であって、銅、水銀、または、ウラニウムの金属蒸気を吸収することを特徴とする金属蒸気吸収材料。
【請求項２】
カーボンナノチューブの端部のうち少なくとも一方が閉じていることを特徴とする請求項１記載の金属蒸気吸収材料。
【請求項３】
閉じているカーボンナノチューブの端部に、直径が数オングストロームである複数個の穴が開口していることを特徴とする請求項２記載の金属蒸気吸収材料。
【請求項４】
酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）と非晶質活性炭素（ＡＡＣ）とを重量比が７：１から８：１となるように混合した混合物粉末を反応先駆物質として黒鉛るつぼの中に封入し、この反応先駆物質をグラファイト製のサセプタを装備した縦型高周波誘導加熱炉の内部に設置し、次いで、この反応先駆物質を窒素ガス気流下において１３００〜１５００℃で２時間以上にわたり加熱処理を行うことにより反応させ、次いで、グラファイトサセプタの頂部排出黒鉛管の内部表面に約８００℃以下の温度で加熱処理による反応生成物を沈積させることにより生成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの金属蒸気吸収材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、金属蒸気吸収材料に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、主に、銅、水銀、または、ウラニウムなどの金属蒸気を吸収する金属蒸気吸収材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
カーボンナノチューブの発見以来、ナノ構造物に対して強い関心が集まっている。特に、カーボンナノチューブは、水素吸収材およびガスセンサーとして用いられる可能性のあることが、公知である（たとえば、非特許文献１〜５参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
「Ａ．Ｃ．Ｄｉｌｌｏｎ，ほか、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）３８６巻、３７７頁、１９９７年。」
【非特許文献２】
「Ｍ．Ｓ．Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ，ほか、エム・アール・エス・ブリティン（ＭＲＳ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ）２４巻、４５頁、１９９９年。」
【非特許文献３】
「Ｃ．Ｌｉｕ，ほか、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）２８６巻、１１２７頁、１９９９年。」
【非特許文献４】
「Ｐ．Ｇ．Ｃｏｌｌｉｎｓ，ほか、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）２８７巻、１８０１頁、２０００年。」
【非特許文献５】
「Ｊ．Ｋｏｎｇ，ほか、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）２８７巻、６２２頁、２０００年。」
【０００４】
また、ナノチューブの中空芯を金属による充填することにより、電気的、光学的、あるいは、化学的に、有用な特性が発現されることが期待されている。一方、ガリウムは、銅、中毒性の水銀、放射性のウラニウム等との合金を形成しやすい特性を有している。この特性を利用することにより生成されるナノチューブの中空芯部をガリウムで充填したカーボンナノチューブは、優れた金属蒸気吸収材料または金属蒸気センサーとして、工業関連の環境的な監視および浄化等の分野へ応用されることが期待される。このため、ナノチューブの中空芯部をガリウムで充填したカーボンナノチューブによる金属蒸気吸収材料を、安定した特性を備えつつ簡便に製造する方法の開発が望まれている。
【０００５】
従来技術においては、主に、毛管現象を利用してカーボンナノチューブの中空芯部を金属で充填している。毛管現象は、表面張力が小さい溶液に対してのみ効果的であり、表面張力が小さくない金属溶液の場合やカーボンナノチューブの端部が閉じているような構造においては、カーボンナノチューブの中空芯部を金属で充填させることは困難である。したがって、従来技術により、カーボンナノチューブの中空芯部を、ガリウムで充填したカーボンナノチューブを含有する金属蒸気吸収材料を、簡便に形成することは困難であった。
【０００６】
一方、この出願の発明者らは、ナノチューブの中空芯部をガリウムで充填したカーボンナノチューブを用いたナノ温度計を提案している。この中で、毛管現象を利用した方法によらないガリウム充填カーボンナノチューブおよびその製造方法を提案しており、この製造方法によれば、表面張力が小さい溶液に対して以外においても効果的であり、すなわち、表面張力が小さくない金属溶液の場合やカーボンナノチューブの端部が閉じているような構造においても、カーボンナノチューブの中空芯部を金属で充填させることは容易である。（たとえば、非特許文献６参照。）。
【０００７】
【非特許文献６】
「Ｙ．Ｈ．Ｇａｏ，ほか、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）４１５巻、５９９頁、２００２年。」
【０００８】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、安定した物性と実用に耐えうる特性を有するガリウム含有カーボンナノチューブからなる金属蒸気吸収材料を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１に、中空芯部にガリウムを備えるカーボンナノチューブからなる金属蒸気吸収材料であって、銅、水銀、または、ウラニウムの金属蒸気を吸収することを特徴とする金属蒸気吸収材料を提供する。
【００１０】
また、この出願の発明は、上記の金属蒸気吸収材料として、第２に、カーボンナノチューブの端部のうち少なくとも一方が閉じていることを特徴とする金属蒸気吸収材料を、第３に、閉じているカーボンナノチューブの端部に、直径が数オングストロームである複数個の穴が開口していることを特徴とする金属蒸気吸収材料を提供する
【００１１】
さらに、この出願の発明は、上記の金属蒸気吸収材料として、第４に、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）と非晶質活性炭素（ＡＡＣ）とを重量比が７：１から８：１となるように混合した混合物粉末を反応先駆物質として黒鉛るつぼの中に封入し、この反応先駆物質をグラファイト製のサセプタを装備した縦型高周波誘導加熱炉の内部に設置し、次いで、この反応先駆物質を窒素ガス気流下において１３００〜１５００℃で２時間以上にわたり加熱処理を行うことにより反応させ、次いで、グラファイトサセプタの頂部排出黒鉛管の内部表面に約８００℃以下の温度で加熱処理による反応生成物を沈積させることにより生成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの金属蒸気吸収材料をも提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【００１３】
この出願の発明である金属蒸気吸収材料は、中空芯部にガリウムを備えるカーボンナノチューブからなり、主に、銅、水銀、または、ウラニウムの金属蒸気を吸収するものである。この金属蒸気吸収材料を構成するカーボンナノチューブの端部のうち少なくとも一方が閉じており、また、閉じているカーボンナノチューブの端部に、数オングストロームの穴が開口していることが好ましい。
【００１４】
以下に、実際に生成されたこの出願の発明である金属蒸気吸収材料の透過型電子顕微鏡像を用いて、さらに具体的に説明する。
【００１５】
この出願の発明である金属蒸気吸収材料においては、中空芯部がガリウムで充填されており、図１に示すとおり、カーボンナノチューブの端部の少なくとも一方が閉じている。また、図２に示すように、閉じている端部には直径が数オングストロームの複数の穴が開口している。
【００１６】
図３は、この出願の発明である金属蒸気吸収材料による銅蒸気吸収過程を、約１０分間隔で撮影した透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。図３（Ａ）は、８００℃の温度における銅蒸気の吸収が開始した段階のＴＥＭ像である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の状態より１０分後のＴＥＭ像であり、矢印部分で銅蒸気の吸収により銅・ガリウム（Ｃｕ−Ｇａ）合金による核形成がなされた状態を示している。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）の状態より２０分後のＴＥＭ像であり、銅蒸気の吸収が進行し、矢印部分の銅・ガリウム合金部分が成長している様子を明確に示している。図３（Ｄ）は、図３（Ａ）の状態より３０分後のＴＥＭ像であり、銅蒸気の吸収が進行することにより矢印部分の銅・ガリウム合金部分がさらに成長し、銅・ガリウム合金ナノロッドが形成されている様子を示している。
【００１７】
図４は、図３（Ｄ）に示した銅蒸気の吸収過程における、カーボンナノチューブおよび銅・ガリウム合金ナノロッドの合成成分のプロファイルを示すＸ線エネルギー拡散スペクトル（ＥＤＳ）分析の結果である。図４（Ａ）は、端部閉塞カーボンナノチューブの銅のピークおよびガリウム、炭素のピークを示すＥＤＳである。図４（Ｂ）は、銅・ガリウム合金ナノロッドにおける銅とガリウムとの相対的強度比較を示すＥＤＳラインスキャン結果である。なお、炭素の存在はカーボンフィルムの存在によるものである。
【００１８】
カーボンナノチューブに充填されたガリウム量と比較して、ピーク値では約１０倍にもおよぶ非常に大量の銅蒸気を吸収することが可能であることが、図４に示される銅の吸収性能によりわかる。
【００１９】
また、以上で示した銅蒸気の吸収過程においては、気圧を１．１×１０-5Ｐａとし、８００℃に加熱した段階において、銅蒸気が急速にカーボンナノチューブの中に沈積し、そして、銅蒸気の蒸気圧が５００倍（５×１０−３Ｐａ）に高まった段階で銅とガリウムとの合金が形成される。この出願の発明である金属蒸気吸収材料に含まれるカーボンナノチューブの端部の一方が閉じた形態を有しており、この端部は欠陥のために数オングストロームの穴が開口していることから、銅蒸気がナノチューブ内に入ることが可能である。このため、ナノチューブの中のガリウム蒸気圧が、ナノチューブの両端部が解放されたものより高くなるために、銅とガリウムとの合金が形成される傾向を強めており、銅蒸気の沈積速度の高速化、すなわち、吸収性能の向上が発現するものと考えられる。
【００２０】
また、端部が閉じているために蒸発しにくく、内部反応物質としてより高い温度での吸収効果を維持することが可能となるとともに、吸収する銅蒸気の吸収温度の領域が広く、ナノチューブの両端部が解放されているものよりも、銅蒸気の吸収に関する性能が向上していることが確認できた。
【００２１】
そして、この出願の発明である金属蒸気吸収材料においては、銅蒸気と同様に、ガリウムと合金を形成する傾向のある水銀やウラニウム等の金属蒸気も効果的に吸収することが可能である。主に、銅、水銀、または、ウラニウム等の中毒性または放射性の金属蒸気を、極めて希薄な濃度であっても吸収可能な金属蒸気吸収材料として利用可能であることはいうまでもなく、さらには、これらの金属蒸気の検知用材料としての用途にも応用可能である。
【００２２】
この出願の発明である金属蒸気吸収材料は、上記の通り、中空芯部がガリウムで充填されているカーボンナノチューブからなるものであるが、従来の毛管現象を利用したナノチューブ内への金属充填方法ではなく、以下に示す方法により中空芯部に対するガリウムの充填が行われることが好ましい。すなわち、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）と非晶質活性炭素（ＡＡＣ）とを重量比が７：１から８：１となるように混合した混合物粉末を反応先駆物質として用意する。このとき反応先駆物質は黒鉛るつぼの中に封入される。また、反応装置としてグラファイト製のサセプタを装備した縦型高周波誘導加熱炉を用意する。次いで、グラファイトサセプタの内部に反応先駆物質を設置し、反応先駆物質に対して、窒素ガス気流下、温度１３６０℃で２時間にわたり加熱処理を施す。これにより反応先駆物質を反応させ、さらには、グラファイトサセプタの頂部排出黒鉛管の内部表面に約８００℃以下の温度で加熱処理により生成された反応生成物を沈積させることにより、金属蒸気吸収材料を構成する中空芯部がガリウムで充填されているカーボンナノチューブが形成される。以上の方法によれば、表面張力が大きなガリウム溶液を端部が閉じたカーボンナノチューブの中空芯部に充填することが容易に可能である。
【００２３】
以上は、この出願の発明における形態の一例であり、この出願の発明がこれらに限定されることはなく、その細部について様々な形態をとりうることが考
慮されるべきであることは言うまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、安定した物性と実用に耐えうる特性を有するガリウム含有カーボンナノチューブからなる金属蒸気吸収材料が提供される。
【００２５】
この出願の発明である金属蒸気吸収材料においては、中空芯部がガリウムで充填されているカーボンナノチューブからなり、主に銅または水銀もしくはウラニウム等の金属蒸気を吸収可能である。また、この出願の発明である金属蒸気吸収材料は、安価に、かつ、大量に製造することが容易であり、水銀もしくはウラニウム等の毒性蒸気の吸収材等への応用が期待される。さらには、金属蒸気センサー含めた工業関連の環境監視用途、浄化用途、およびウラニウム蒸気の検知と吸収機能によるウラニウムの精製用途等の広範な分野への応用が可能であることからその実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明である金属蒸気吸収材料の透過型電子顕微鏡像である。
【図２】この出願の発明である金属蒸気吸収材料の端部に開口した径が数オングストロームである複数個の穴について示した高分解能電子顕微鏡像である。
【図３】この出願の発明である金属蒸気吸収材料の銅蒸気吸収過程を約１０分間隔で撮影した透過型電子顕微鏡像である。
【図４】図３（Ｄ）に示した状態における金属蒸気吸収材料のプロファイルについて調べたＸ線エネルギー拡散スペクトル（ＥＤＳ）分析結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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