(57)【要約】【課題】水素吸蔵量が高いナノカーボン粒子を提供する。【解決手段】直径が１０〜５００ｎｍであるアモルファス構造のカーボンブラック粒子を、放電プラズマ中に曝して炭素原子を再配列させ、断続した炭素六方網平面が略同心円状に配列して積層化した構造とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断続した炭素六方網平面が略同心円状に配列して積層した結晶構造であることを特徴とするナノカーボン粒子。
【請求項２】
粒径が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のナノカーボン粒子。
【請求項３】
アモルファス構造のナノカーボン粒子を、放電プラズマ中に曝して炭素原子を再配列させることを特徴とするナノカーボン粒子の製造方法。
【請求項４】
前記アモルファス構造のナノカーボン粒子の粒径が１０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項３記載のナノカーボン粒子の製造方法。
【請求項５】
アモルファス構造のナノカーボン粒子を、放電プラズマ中に曝し、断続した炭素六方網平面が略同心円状に配列して積層した結晶構造にすることを特徴とするナノカーボン粒子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノサイズのカーボン粒子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素材料は、微細組織と結晶構造をナノサイズで制御することにより、新しい特徴と機能が発現し、用途と応用が格段に拡がることを期待できる。例えば、エネルギー問題との関連においてメタンあるいは水素の貯蔵は重要な問題であるが、ここでナノ構造を制御された炭素材料が大きな役割を果たすことが期待されている。すなわちメタンの貯蔵に対しては、２ｎｍ以下の細孔を内部に形成し、水素の貯蔵については、吸着サイトをナノスケールで制御することが必要である。
【０００３】
このようなナノ構造を制御する技術の例として、カーボンブラックからナノサイズ真球状黒鉛を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法によれば、非常に結晶性の高い多層フラーレンを製造することができる。
【０００４】
ナノサイズのカーボン粒子については、結晶質のものからアモルファス構造のものまで、種々の構造のものがカーボンブラックとして多量に生産されている。その結晶度合いは製造方法に依存しているが、一般に、ファーネスブラックはアモルファスに近く、アセチレンブラックは結晶化度合いが大きい。
【特許文献１】特許第３０７４１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、カーボンナノチューブやフラーレンも含め、ナノカーボンに対する注目が高まっている。その一つが水素吸蔵用途である。吸収された水素は吸着状態であるため繰り返し使用による劣化が少なく、また高温での吸蔵反応を必要とせず有望な材料である。しかし吸蔵量が他の材料に比べて劣るという欠点がある。
【０００６】
この原因の一つとして、表面だけが吸着作用に寄与し、内部まで水素が入らないことが考えられる。すなわち、カーボンナノチューブやフラーレン、あるいは特許文献１で提案されている真球状黒鉛では、表面が完全な炭素六方網平面で覆われてしまい、ナノ粒子内部に侵入する通路がないために、表面のみが吸着作用に寄与することになる。
【０００７】
酸化処理等で欠陥を導入して進入路を形成する方法が試みられているが、均一な処理を行うことが難しく、また欠陥の位置あるいは大小の制御ができていない。
【０００８】
そこで、内部の炭素六方網平面も水素吸着に寄与する構造のナノカーボン粒子及びその製造方法が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した課題を解決するために、本願発明の一態様によれば、断続した炭素六方網平面が略同心円状に配列して積層した結晶構造であることを特徴とするナノカーボン粒子が提供される。
【００１０】
また、ナノカーボン粒子の粒径が１０〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００１１】
また、本願発明の別の一態様によれば、アモルファス構造のナノカーボン粒子を、放電プラズマ中に曝して炭素原子を再配列させることを特徴とするナノカーボン粒子の製造方法が提供される。
【００１２】
前記アモルファス構造のナノカーボン粒子の粒径が１０〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００１３】
また、本願発明の別の一態様によれば、アモルファス構造のナノカーボン粒子を、放電プラズマ中に曝し、断続した炭素六方網平面が略同心円状に配列して積層した結晶構造にすることを特徴とするナノカーボン粒子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、水素あるいはメタンを粒子内部に貯蔵することができる吸蔵量の高いナノカーボン粒子及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。
【００１６】
図１に示すように、本発明に係るナノカーボン粒子は、断続した炭素六方網平面が略同心円状に配列して積層した結晶構造を呈している。すなわち、連続した一枚の炭素六方網平面が同心円状に配列して球状を呈する多層フラーレンとは異なり、炭素六方網平面が断続している。ここで、断続とは、言わば結晶構造的な途切れを意味し、本発明に係るナノカーボン粒子は、完全なチューブでもフラーレンでもない。また、炭素六方網平面は炭素六角網平面とも称され、五員環である必要はなく、その内部に中空部があってもよいことは勿論である。
【００１７】
このような結晶構造的な特徴のナノカーボン粒子は、例えば以下のようにして製造することができる。
【００１８】
アモルファス構造を有するナノカーボン粒子を放電プラズマ中に曝すことにより、断続した炭素六方網平面が略同心円状に配列して積層した結晶構造のするナノカーボン粒子が得られる。
【００１９】
出発原料は、アモルファス構造をもつカーボン粒子であり、典型的にはカーボンブラックが挙げられる。粒径が大きい原料粒子の場合、外周部に結晶子が発達していることが多く、本発明による寄与が少ない。また、水素吸蔵用とした場合、粒径が大きいために吸蔵効率が低下する。小さな粒子を用いることによって、本発明による水素吸蔵能力の増大効果は顕著となるが、一次粒子径が１０ｎｍ以下のカーボン粒子の作製は困難である。このため、出発原料であるアモルファス構造をしたカーボン粒子の直径は１０〜５００ｎｍが好適であり、より好ましくは１０〜１００ｎｍのものである。
【００２０】
放電プラズマは、交流ないし直流の電源によって起こされる。圧力および雰囲気は特に制限されないが、１００Ｐａ程度の真空中であれば放電プラズマが発生しやすく簡便である。図２に本発明にかかるナノカーボン粒子の製造方法で使用する放電プラズマ曝露装置の模式図を示す。この例では、アモルファス構造の原料粉が自由落下して放電プラズマ中を通過する際、炭素原子の再配列が誘発され、不完全に結晶化される。
【００２１】
本発明における、微結晶構造変化のメカニズムは必ずしも明らかとはなっていないが、放電プラズマ中を通過することによる瞬間的な通電で結晶化が促進されたのではないかと考えられる。
【実施例】
【００２２】
以下に、実施例を挙げて説明するが、本願発明はこれら実施例により限定されるものではない。
【００２３】
市販のアモルファス構造を持つカーボンブラックとして、東海カーボン株式会社製シースト９ＨＳＡＦ-ＨＳを用意した。これを、アルコール中に懸濁させ、３分間超音波処理を行って分散させた後乾燥させた。これに、図２に示すように放電プラズマによる処理を行った。雰囲気は酸素：アルゴン＝10：1とし、１００Ｐａで19.5ｋＶの交流電圧を電極間に加えて放電プラズマを発生させた。処理後の粉は、装置下部から回収した。
【００２４】
この放電プラズマ処理前後のカーボン粉について、日本電子製透過電子顕微鏡で観察した。図３は、カーボンブラック粉の凝集構造と一次粒子内部の組織を示す透過型電子顕微鏡写真である。また、図４は、放電プラズマ暴露処理後のカーボンブラック粉の凝集構造と一次粒子内部の組織を示す透過型電子顕微鏡写真である。図３に示すように、処理前のカーボン粉については、明瞭な格子像は観察されず、完全なアモルファス構造が認められた。処理後のカーボン粉は、図４に示すように、若干の格子の配列が認められた。尚、これらの像の横幅の寸法は、８０ｎｍである。
【００２５】
このように、本発明によるナノカーボン粒子は、断続した炭素六方網平面が略同心円状に配列して積層した結晶構造を呈しているので、ナノ粒子内部に水素が侵入する通路が確保され、ナノカーボン粒子の内部も吸着作用に寄与する。例えば多層フラーレンの如く、既存の粒子構造のナノカーボン粒子に比べて、水素吸蔵量は、１．５倍を超えるものとなっている。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態にかかるナノカーボン粒子の模式図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるナノカーボン粒子の製造方法に使用する放電プラズマ暴露処理装置の構成図。
【図３】カーボンブラック粉の凝集構造と一次粒子内部の組織を示す透過型電子顕微鏡写真。
【図４】放電プラズマ暴露処理後のカーボンブラック粉の凝集構造と一次粒子内部の組織を示す透過型電子顕微鏡写真。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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