(57)【要約】【課題】多重金属又は金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体の粉末状大量生産及び応用拡大のために、従来よりも単純な同時気化工程を経て複合体粉末を効果的に合成できる複合体大量合成装置、その反応器及びこれを用いた複合体合成方法を提供する。【解決手段】２つ以上の試料を気化器でそれぞれ気化させた後、気体状態の試料が伝送される連結管に比べて大きな寸法の横断面直径を有し、連結管の温度よりも低い温度に維持される反応器に試料を流入させ、粉末状の複合体を生成し、生成された複合体を被着面に静電気的に付着された状態で合成する。その結果、多重金属又は金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体の大量生産が可能であり、合成された複合体を容易に回収して他の工程に適用できる。また、連結管の直径と複合体粒子が合成される反応器の横断面の直径を調節することで、金属板の表面に合成される複合体粒子の量を容易に制御できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成するための第１試料を気化させる第１気化器と、
前記第１試料と合成するための第２試料を気化させる第２気化器と、
前記第１気化器を加熱する第１加熱器と、
前記第２気化器を加熱する第２加熱器と、
前記第１気化器及び前記第２気化器と反応器を連結する連結管と、
前記第１気化器及び前記第２気化器でそれぞれ気化された前記第１試料及び前記第２試料が流入して複合体が合成される前記反応器を備える複合体合成装置であって、
前記反応器は、前記連結管に比べて相対的に大きな寸法の横断面直径を有し、前記連結管の温度よりも低い温度に維持され、
前記連結管から前記反応器に気体状態の前記第１試料および前記第２試料が流入するとき、瞬間的に圧力差と温度差によって気体状態の前記第１試料および前記第２試料が分散されながら粉末状の複合体が生成され、生成された粉末状の前記複合体が被着面に静電気的に付着された状態で合成されることを特徴とする複合体大量合成装置。
【請求項２】
前記反応器の下部には、硝子類からなる板又は金属板が更に設置され、
前記生成された粉末状の前記複合体は、前記硝子類からなる板又は金属板上に静電気的に付着されることを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項３】
前記金属板は、アルミニウム、ニッケル、シリコン及びアルミニウムにニッケル、マグネシウム、鉄、シリコン、又は硫黄元素が含まれている合金の中から選択された何れか１つからなることを特徴とする請求項２に記載の複合体大量合成装置。
【請求項４】
前記反応器の下部には、石英又は炭素素材のフィルタが更に設置され、前記硝子類からなる板又は金属板は、前記フィルタの上部に装着されることを特徴とする請求項２に記載の複合体大量合成装置。
【請求項５】
前記反応器の横断面の直径は、前記連結管の直径よりも１５倍以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項６】
前記反応器の周囲には、加熱炉が更に備えられ、前記反応器の内部は、６０℃以下に維持されることを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項７】
前記連結管には、前記連結管を介して前記反応器に伝送される気体状態の前記第１試料及び前記第２試料を加熱するための熱線が更に備えられ、前記連結管の内部は、６０〜２５０℃に維持されることを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項８】
前記反応器の素材は、硝子類又は金属類であることを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項９】
前記第１試料及び前記第２試料は、それぞれ互いに異なる２種類の金属であるか、それぞれ金属及び炭素であることを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項１０】
前記反応器に前記第１試料と前記第２試料の反応に必要な反応気体供給器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項１１】
前記被着面は、硝子類又は金属類からなる前記反応器の内部壁面全体であることを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項１２】
前記反応器から流出する排ガスを前記反応器に再び供給するリサイクル器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項１３】
前記第１気化器又は前記第２気化器は、
試料が収容される本体部と、
前記本体部の一側に形成され、前記試料が供給される試料供給部と、
前記本体部の一側に形成され、前記試料を気化させるためのガスが供給されるガス供給部と、
前記本体部の上部に形成され、前記試料が気化されて排出される排出部と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の複合体大量合成装置。
【請求項１４】
前記ガス供給部又は排出部には、試料が空気と接触しないようにするストップコック（stopcock）が備えられることを特徴とする請求項１３に記載の複合体大量合成装置。
【請求項１５】
気体状態の第１試料及び第２試料が通過する連結管と連結されて気体状態の前記第１試料及び前記第２試料が流入する流入部と、
前記連結管に比べて相対的に大きな寸法の横断面直径を有し、前記連結管の温度よりも低い温度に維持され、前記連結管から気体状態の前記第１試料及び前記第２試料が流入するとき、瞬間的に圧力差及び温度差によって気体状態の前記第１試料及び前記第２試料が分散されながら粉末状複合体の生成反応がなされ、前記生成された粉末状複合体が被着面に静電気的に付着するようになされる本体と、
複合体の生成反応後に排ガスが排出される排出部と、
を含むことを特徴とする複合体大量合成装置用反応器。
【請求項１６】
前記本体の下部には、硝子類からなる板又は金属板が更に設置され、
前記生成された粉末状複合体は、前記硝子類からなる板又は金属板上に静電気的に付着されることを特徴とする請求項１５に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項１７】
前記金属板は、アルミニウム、ニッケル、シリコン及びアルミニウムにニッケル、マグネシウム、鉄、シリコン、又は硫黄元素が含まれている合金の中から選択された何れか１つからなることを特徴とする請求項１６に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項１８】
前記本体の下部には、石英又は炭素素材のフィルタが更に設置され、前記硝子類からなる板又は金属板は、前記フィルタの上部に装着されることを特徴とする請求項１６に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項１９】
前記流入部は、前記連結管から前記本体に向かって横断面の直径が次第に大きくなる形状からなることを特徴とする請求項１５に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項２０】
前記本体の横断面の直径は、前記連結管の直径よりも１５倍以上大きいことを特徴とする請求項１５に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項２１】
前記反応器の周囲には、加熱炉が更に備えられ、前記反応器の内部は、６０℃以下に維持されることを特徴とする請求項１５に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項２２】
前記反応器の素材は、硝子類又は金属類であることを特徴とする請求項１５に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項２３】
前記第１試料及び前記第２試料は、それぞれ互いに異なる２種類の金属であるか、それぞれ金属及び炭素であることを特徴とする請求項１５に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項２４】
前記被着面は、硝子類又は金属類からなる反応器の内部の壁面であることを特徴とする請求項１５に記載の複合体大量合成装置用反応器。
【請求項２５】
請求項１乃至請求項１４の何れか１項に記載の複合体大量合成装置による複合体の合成方法において、
前記第１試料を加熱して気化する前記第１試料の気化工程と、
前記第２試料を加熱して気化する前記第２試料の気化工程と、
気化された前記第１試料及び前記第２試料が前記連結管を介して前記反応器の内部に流入させる工程と、
前記流入した気体状態の前記第１試料及び前記第２試料が前記連結管と前記反応器間の圧力差及び温度差によって分散されながら粉末状の前記複合体を生成する工程と、
生成された前記複合体が硝子類からなる板又は金属板、又は硝子類又は金属類からなる前記反応器の内部壁面全体に静電気的に付着させる工程と
を備えることを特徴とする複合体の合成方法。
【請求項２６】
前記反応器から流出される排ガスを再び前記反応器に供給するリサイクル工程を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の複合体の合成方法。
【請求項２７】
前記粉末状の複合体の生成工程は、
前記反応器に前記第１試料と前記第２試料の反応に必要な反応気体を供給する工程を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の複合体の合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重金属ハイブリッド複合体又は金属-炭素異種複合体などの合成装置、複合体合成装置用反応器及びこれを用いた複合体合成方法に関し、更に詳しくは、互いに異なる２つ以上の成分からなる粉末状複合体を被着面に静電気的に付着された状態で合成するための複合体大量合成装置、複合体合成装置用反応器及びこれを用いた複合体合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、触媒研究分野において多重金属触媒を効果的に合成するために触媒支持体の表面に金属触媒粒子を効果的にデコレーションする分野や、多重金属触媒粒子を効果的に合金化して反応活性や耐久性を向上させる分野が注目を浴びている。また、炭素を基盤としたナノ金属触媒構造体を合成して反応活性や耐久性を向上させ、反応後に炭素成分を焼却して金属成分を回収又はリサイクルする技術も注目されている。
【０００３】
このような複合体を合成する技術として、下記の特許文献１には、イオン溶液状態で混合してリチウムマンガン酸化物-炭素ナノ複合体を製造する技術が開示されている。しかし、このような方法は、複合体の合成のために、溶液反応、結晶の成長、テンプレート成分の除去のための強酸、強アルカリ処理工程及び合金化のための熱処理など複数の工程を経なければならないという問題があった。
【０００４】
そのため、本発明者らは、従来よりも単純な同時気化工程を経て金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体を合成する方法及び合成装置に関する技術を下記の特許文献２及び特許文献３として出願した。
【０００５】
更に、本発明者らは、前記のような異種複合体粒子の大量生産及び応用拡大のために、多重金属又は金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体を大量生産できる装置及び方法を開発するに至った。前記開発された装置及び方法によれば、今後、粉末状複合体の使用や複合体粉末が分散されたペーストなどの製造に有利であることが期待される。また、このような工程で合成された多重金属又は金属-炭素ハイブリッド粒子は、気相反応用触媒、燃料電池及び二次電池の電極素材として活用が容易であり、使用後の簡単な焼却だけで高価な金属成分を１００％回収できるという長所を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国公開特許第１０-２０１１-０１３９９９４号公報
【特許文献２】韓国公開特許第１０-２０１３-０１２２１０２号公報
【特許文献３】韓国公開特許第１０-２０１３-０１２２２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、多重金属又は金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体の粉末状大量生産及び応用拡大のために、従来よりも単純な同時気化工程を経て複合体粉末を効果的に合成できる複合体大量合成装置、複合体合成装置用反応器及びこれを用いた複合体合成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明に係る複合体大量合成装置は、合成するための第１試料を気化させる第１気化器と、前記第１試料と合成するための第２試料を気化させる第２気化器と、前記第１気化器を加熱する第１加熱器と、前記第２気化器を加熱する第２加熱器と、前記第１気化器及び前記第２気化器と反応器を連結する連結管と、前記第１気化器及び前記第２気化器でそれぞれ気化された前記第１試料及び前記第２試料が流入して複合体が合成される前記反応器を備える複合体合成装置であって、前記反応器は、前記連結管に比べて相対的に大きな寸法の横断面直径を有し、前記連結管の温度よりも低い温度に維持され、前記連結管から前記反応器に気体状態の前記第１試料および前記第２試料が流入するとき、瞬間的に圧力差と温度差によって気体状態の前記第１試料および前記第２試料が分散されながら粉末状の複合体が生成され、生成された粉末状の前記複合体が被着面に静電気的に付着された状態で合成されることを特徴とする。
【０００９】
一実施形態において、前記反応器の下部には、硝子類からなる板又は金属板が更に設置され、前記生成された粉末状の前記複合体は、前記硝子類からなる板又は金属板上に静電気的に付着され得る。この場合、前記反応器の下部には、石英又は炭素素材のフィルタが更に設置され、前記硝子類からなる板又は金属板は、前記フィルタの上部に装着されるようになされ得る。
【００１０】
一方、他の実施形態において、前記生成された粉末状複合体が静電気的に付着される被着面は、硝子類又は金属類からなる反応器の内部壁面全体であり得る。
【００１１】
前記２つの実施形態において、反応器の横断面の直径は、前記連結管の直径よりも１５倍以上大きいことが好ましく、例えば前記連結管の直径は約３ｍｍであり、前記反応器の直径は約５０ｍｍとなるように構成できる。
【００１２】
また、前記反応器の周囲には加熱炉が更に備えられることができ、前記反応器の内部は、６０℃以下に維持されるようにすることが好ましい。また、前記連結管には、前記連結管を介して反応器に伝送される気体状態の第１試料及び第２試料を一定温度に維持するための熱線が更に備えられ、前記連結管の内部は、６０〜２５０℃に維持されることが好ましい。
【００１３】
前記反応器は、石英、パイレックス（登録商標）などの硝子類やステンレス、アルミニウムなどの金属類などからなり得る。また、複合体を形成する前記第１試料及び第２試料は、それぞれ互いに異なる２種類の金属、又はそれぞれ金属及び炭素であり得る。
【００１４】
前記反応器に第１試料と第２試料の反応に必要な反応気体供給器が更に含まれ得、前記反応器から流出される排ガスを前記反応器に再び供給するリサイクル器が更に含まれ得る。また、前記第１気化器及び第２気化器に第１試料及び第２試料を気化させるためのガスを供給するガス供給器が更に備えられることができる。
【００１５】
また、本発明の合成装置において、前記第１気化器又は第２気化器は、試料が収容される本体部と、前記本体部の一側に形成され、試料が供給される試料供給部と、前記本体部の一側に形成され、前記試料を気化させるためのガスが供給されるガス供給部と、前記本体部の上部に形成され、前記試料が気化されて排出される排出部とを含む構成からなる。ここで、前記本体部は、パイレックス（登録商標）又は石英素材の硝子類又は金属素材で形成され得る。また、前記ガス供給部又は排出部には、試料が空気と接触しないようにするストップコック（stopcock）が備えられることができる。
【００１６】
一方、前記目的を達成するために、本発明に係る複合体大量合成装置用反応器は、気体状態の第１試料及び第２試料が通過する連結管と連結されて気体状態の第１試料及び第２試料が流入する流入部と、前記連結管に比べて相対的に大きな寸法の直径を有し、連結管の温度よりも低い温度に維持され、前記連結管から本体に気体状態の第１試料及び第２試料が流入するとき、瞬間的に圧力差及び温度差によって気体状態の第１試料及び第２試料が分散されながら粉末状複合体の生成反応がなされ、前記生成された粉末状複合体が被着面に静電気的に付着されるようになされる本体と、複合体の生成反応後に排ガスが排出される排出部と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
一実施形態において、前記反応器本体の下部には、硝子類からなる板又は金属板が更に設置され、前記生成された粉末状複合体は、前記硝子類からなる板又は金属板上に静電気的に付着され得る。この場合、前記反応器の下部には、石英又は炭素素材のフィルタが更に設置され、前記硝子類からなる板又は金属板は、前記フィルタの上部に装着されるようになされ得る。
【００１８】
一方、他の実施形態において、前記生成された粉末状複合体が静電気的に付着される被着面は、反応器の内部壁面全体であり得る。反応器の素材としては、石英、パイレックス（登録商標）などの硝子類やステンレス、アルミニウムなどの金属類などが使用され得る。
【００１９】
前記２つの実施形態において、反応器の流入部は、連結管から本体に向かって横断面の直径が次第に大きくなる形状からなることが好ましい。また、反応器の横断面の直径は、前記連結管の直径よりも１５倍以上大きいことが好ましく、例えば前記連結管の直径は約３ｍｍであり、前記反応器の直径は約５０ｍｍとなるように構成できる。
【００２０】
また、前記反応器の周囲には、加熱炉が更に備えられ、前記反応器の内部は、６０℃以下に維持されることが好ましい。
【００２１】
複合体を形成する前記第１試料及び第２試料は、それぞれ互いに異なる２種類の金属であり得、又はそれぞれ金属及び炭素であり得る。
【００２２】
一方、本発明の目的を達成するために、前述した構成の複合体大量合成装置による複合体の合成方法は、第１試料を加熱して気化する第１試料の気化工程と、第２試料を加熱して気化する第２試料の気化工程と、前記気化された第１試料及び第２試料が連結管を介して反応器の内部に流入する工程と、前記流入した気体状態の第１試料及び第２試料が連結管と反応器間の圧力差及び温度差によって分散されながら粉末状複合体が生成される工程と、前記生成された複合体が被着面に静電気的に付着される工程とを含むことを特徴とする。ここで、前記被着面は、硝子類からなる板又は金属板であるか、このような板構造が反応器内に設置されていない場合には、硝子類又は金属類からなる反応器の内部壁面全体であり得る。
【００２３】
前記複合体の合成方法には、前記反応器から流出される排ガスを再び前記反応器に供給するリサイクル工程が更に含まれ得る。また、前記第１試料の気化工程及び第２試料の気化工程はそれぞれ、前記気化器に試料を気化させるためのガスが供給されるガス供給工程を更に含むことができる。更に、前記粉末状複合体の生成工程は、前記反応器に第１試料と第２試料の反応に必要な反応気体を供給する工程を更に含むことができる。前記複合体の合成方法において、前記第１試料及び第２試料は、それぞれ互いに異なる２種類の金属であるか、又はそれぞれ金属及び炭素であり得る。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る複合体大量合成装置、反応器及びこれを用いた合成方法によれば、金属-金属又は金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体を被着面に化学的結合なしに静電気的に付着された状態で合成できるようになるので、複合体の大量生産が可能であり、簡単な捕集作業だけで合成された複合体を容易に回収して他の工程に適用できるようになるという利点がある。また、気体状態の前駆体が伝送される連結管の直径と複合体粒子が合成される反応器の横断面の直径を調節することで、合成される複合体粒子の量を容易に制御できるという効果を奏する。
【００２５】
また、２種類以上の気体状態の前駆体を流しながら反応器の温度を調節するだけで、多重金属ハイブリッド複合体や金属-炭素異種複合体などを効果的に合成でき、複合体の性状を制御できるという効果があり、複合体合成装置の簡単なスケール変化だけでも別途の設計がなくても複合体を大量に生産できるという効果がある。
【００２６】
更に、本発明によれば、多重金属や金属-炭素異種複合体を製造でき、その適用範囲が金属及び炭素を基盤とした各種吸着剤、吸収剤、気体及び液体分離膜や各種触媒工程に広範囲に適用が可能であり、金属成分の変化や炭素構造の変化を通じてその適用対象を具体化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の複合体合成装置を示すブロック図である。
【図２Ａ】本発明の複合体合成装置用反応器の断面を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の複合体合成装置用反応器の斜視図である。
【図３】本発明の複合体合成装置により中央ホールがある金属板の表面に生成された金属-炭素ナノ複合体の性状を示す図である。
【図４】本発明の複合体合成装置により金属板の表面に生成された金属-炭素異種複合体の走査電子顕微鏡の分析結果を示す図である。
【図５】本発明の複合体合成装置により金属板の表面に生成された白金-炭素異種複合体の透過電子顕微鏡の分析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の好適な実施形態について、添付の図１〜図５に示す図面を参照して更に具体的に説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明に係る粉末状複合体の合成装置１００は、第１気化器１１０、第２気化器１２０、第１加熱器１３０、第２加熱器１４０、反応器１６０、反応気体供給器１７０、ガス供給器１８０及びリサイクル器１９０を含んで構成され得る。
【００３０】
第１気化器１１０及び第２気化器１２０は、本体部１１２、試料供給部１１４、ガス供給部１１６、排出部１１８及びストップコック（stopcock、ＳＣ）を含んで構成され得る。
【００３１】
本体部１１２は、内部に試料が収容され得るように空間が形成され、内部試料の状態及び残量を確認できるように透明な素材を用いることが好ましいが、圧力調節及び耐久性の向上のために金属素材で成形された反応器を用いることもできる。そして、本発明に用いられる試料は前駆体であって、有機物や金属と反応を起こし得る前駆体を用いる場合には、それに適した安定した素材を用いることが好ましい。それにより、本発明の実施形態では、パイレックス（登録商標）や石英素材などの硝子類を採択できる。
【００３２】
試料供給部１１４は、本体の一側に連結形成され、外部から試料を供給できるように形成される。そして、試料供給部１１４の端部には、本体部１１２の内部を密閉するために密閉器１１４ａを装着できる。密閉器１１４ａは、テフロン（登録商標）素材などの隔壁（septum）が形成され得る。
【００３３】
本発明の第１気化器１１０及び第２気化器１２０に供給される試料は、固体相の前駆体及び液体相の前駆体が試料として利用され得る。このうち、固体相の前駆体を第１気化器１１０や第２気化器１２０に供給する場合には、密閉器１１４ａを試料供給部１１４から分離した後、粉末形態の固体前駆体を入れて再び密閉器１１４ａを試料供給部１１４に装着する。このようにすることで、固体相の前駆体を第１気化器１１０や第２気化器１２０に供給し、本体部１１２の内部が外部空気と接触しないようにする。
【００３４】
そして、液体相の前駆体を第１気化器１１０や第２気化器１２０に供給する場合には、本体部１１２の内部を窒素雰囲気にした後に密閉器１１４ａに形成されたテフロン（登録商標）素材の隔壁（septum）を通じて気密シリンジなどを用いて液体相の前駆体を本体部１１２の内部に供給できる。
【００３５】
ガス供給部１１６は、ガス供給器から供給されたガスが本体部１１２の内部に供給されるようにするためのものであって、本体部１１２の上部に連結形成される。この際に供給されるガスは、固体状態や液体状態の第１試料や第２試料を気化させるために供給されるガスである。
【００３６】
排出部１１８は、気化された試料が排出される部分であって、本体部１１２の上部に連結形成される。そのため、排出部１１８は反応器１６０と連結され、本体部１１２で気化された試料が排出部１１８を介して反応器１６０に移動され得る。
【００３７】
ストップコック（ＳＣ）は、ガス供給部１１６及び排出部１１８にそれぞれ備えられる。そのため、ストップコック（ＳＣ）は、本体部１１２の内部をガス供給器や反応器１６０と遮断できる。これは、試料として用いられる金属又は炭化水素系有機物前駆体が空気と接触すれば変質されるおそれがあるためであり、試料が本体部１１２に供給される前後に外部空気と試料が接触するのを防止する。
【００３８】
即ち、液体相の前駆体を本体部１１２に供給する場合、本体部１１２の内部を窒素雰囲気にするとき、ガス供給器から供給された窒素がガス供給部１１６を介して本体部１１２の内部に供給された後は、ガス供給部１１６に装着されているストップコック（ＳＣ）が閉鎖され、これ以上窒素が供給されないようにする。このとき、排出部１１８に装着されているストップコック（ＳＣ）は、閉じられている状態であることが好ましい。
【００３９】
そして、試料が気化された後は、排出部１１８に装着されているストップコック（ＳＣ）を開放し、気化された試料が反応器１６０に移動され得るようにする。
【００４０】
ここで、第１気化器１１０に供給される試料を第１試料、第２気化器１２０に供給される第２試料とし、第１試料及び第２試料は互いに反対に供給され得、互いに異なる金属や金属、炭化水素系有機物成分を有する試料であり得る。
【００４１】
一方、第１気化器１１０及び第２気化器１２０を加熱するために、第１加熱器１３０及び第２加熱器１４０が備えられることができる。本実施形態では、オーブン（oven）型加熱器が採択された場合を例示的に示した。
【００４２】
即ち、第１加熱器１３０及び第２加熱器１４０は、第１気化器１１０又は第２気化器１２０を内部に収容できる空間を有する本体部１３２と、本体部１３２の内部側面に形成され、外部から電力の供給を受けて熱を発生させて本体部１３２の内部を加熱する熱線部１３４、及び本体部１３２内部の空気を循環させるファン１３６を含んで構成され得る。前記ファン１３６を介して気化器を収容する本体部１３２内部の温度が常に一定に維持され得る。
【００４３】
前記のように、第１加熱器１３０及び第２加熱器１４０の内部に第１気化器１１０及び第２気化器１２０をそれぞれ位置させて加熱することで、加熱炉やジャケット形式で製作されたヒーティングマントル（heating mantle）、等温に維持されるヒーティングバス（heating bath）に気化器を浸して用いる場合よりも第１気化器１１０及び第２気化器１２０の本体部１１２だけでなく、試料供給部１１４、ガス供給部１１６及び排出部１１８までも一定の温度に加熱できる。更に、加熱炉のように温度偏差が発生しないようにして気化器の素材によって比熱差による温度の変動が発生しないようにすることができ、約１００℃以下の低い温度でも容易に温度を制御できる。
【００４４】
そして、第１気化器１１０及び第２気化器１２０でそれぞれ気化された試料は、連結管１５０を介して反応器１６０に伝送される。即ち、連結管１５０の一側は第１気化器１１０及び第２気化器１２０の排出口と連結され、他側は反応器１６０と連結される。そして、連結管１５０には熱線ＨＬが形成されて連結管１５０を加熱することで、第１気化器１１０及び第２気化器１２０での温度が維持された状態で反応器１６０まで移動できるようにする。
【００４５】
これは、気体状態の試料が連結管１５０を介して移動するとき、移動する過程で凝縮現象なしに反応器１６０まで移動しなければならないためである。そのため、連結管１５０の温度は、第１加熱器１３０及び第２加熱器１４０で加熱した温度と同一であることが好ましく、連結管１５０は、最大限短く形成されることが好ましい。
【００４６】
反応器１６０は、第１気化器１１０及び第２気化器１２０で気化された気体状態の試料が捕集される部分であって、反応器１６０の入口には、第１気化器１１０及び第２気化器１２０から気化された試料以外に試料を反応させるための反応気体が反応気体供給器１７０から供給され得る。この反応気体は、酸素や水素などが利用され、酸素や水素などの反応気体により凝集又は副反応が起こり得る場合には窒素が使用され得る。
【００４７】
図２Ａに本発明の複合体合成装置に用いられる反応器の断面構造を示し、図２Ｂに前記反応器の形状を斜視図として示した。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本発明の反応器１６０は大きく、連結管１５０と連結されて気体状態の第１試料及び第２試料が流入する流入部１６０-１、気体状態の第１試料及び第２試料の複合体合成反応が起きる本体１６０-２、複合体の生成反応後に排ガスが排出される排出部１６０-３に区分され得る。また、図２Ａに示すように、連結管１５０と反応器１６０は、密閉器１５５を介在させて固定連結され得る。
【００４８】
具体的に、本発明の反応器１６０は、気体状態の第１試料と第２試料が流入するとき、ノズル効果によって金属-炭素ハイブリッドのような異種複合体が生成され、生成された複合体は、被着面に静電気的に付着された状態で合成され得る構造及び温度条件を備える構成からなる。即ち、反応器本体１６０-２は、連結管１５０の直径Ａに比べて相対的に大きな寸法の横断面直径Ｂを有し、気体状態の第１試料と第２試料が運搬される連結管の温度よりも低い温度に維持されなければならない。
【００４９】
また、生成された多重金属又は金属-炭素ハイブリッド粒子を静電気的に付着された状態で合成するために、図２Ａに示すように、反応器本体１６０-２の下部には、硝子類又は金属素材の板１６２が設置され得る。この場合、前記硝子類又は金属素材の板１６２は、本体の下部に反応生成物を捕集するために設置された石英又は炭素フィルタ１６４の上に装着され得る。選択的に、反応器本体の下部に硝子類又は金属素材の板を設置せず、反応器を石英、パイレックス（登録商標）などの硝子類又はステンレス、アルミニウムなどの金属類素材で構成して生成された複合体が前記反応器の内部壁面全体に静電気的に付着されるようにすることも可能である。
【００５０】
更に、反応器内で特定方向にノズル効果を発生させ、その方向に対面する被着面に複合体を合成するために、連結管の端部から反応器の流入部に該当する区間に特定方向に誘導管を延設するか、反応器の構造を多様に変形できる。例えば、図２の実施形態では、反応器流入部が下方へ対称的に傾斜しているが、設定しようとするノズルの方向によって反応器流入部の構造を非対称的に形成してもよく、反応器流入部の構造によって本体の構造も多様に変更できる。
【００５１】
一方、本発明に係る反応器本体の横断面の内部直径Ｂは、連結管の内部直径Ａよりも１５倍以上大きな寸法で形成することが好ましい。例えば、連結管１５０の内部直径Ａは約３ｍｍ、本体１６０-２横断面の内部直径Ｂは約５０ｍｍで形成されることができ、この場合、反応器の全長は約５０ｍｍ、硝子素材の板又は金属板の直径は４０ｍｍ前後で構成できる。しかし、連結管と反応器本体の寸法は、前記特定数値に限定されるものではないため、金属-金属又は金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体を生成できるノズル効果を誘導できる寸法であれば、制限なしに適用され得る。従って、連結管の直径と複合体粒子が合成される反応器本体の横断面の直径を調節することで、硝子素材の板又は金属板の表面、又は反応器の内部壁面のような被着面に合成される複合体粒子の量を容易に制御できる。
【００５２】
また、本体１６０-２の内部温度は、連結管よりも低い温度、例えば、６０℃以下に維持されることが好ましく、気化された試料の反応がなされ得るように反応器本体の温度を一定に維持するために、反応器の周囲には加熱炉が備えられることができる。気体状態の第１試料及び第２試料を運搬する連結管の内部は、６０〜２５０℃に維持されることが好ましい。
【００５３】
このような構成で、連結管１５０から本体１６０-２に気体状態の第１試料及び第２試料が流入するとき、細い管を介して伝送された気体が相対的に広い断面の反応器本体で広がる効果、即ち、ノズル効果が発生するようになる。また、これと同時に気体状態で伝送された第１試料及び第２試料が瞬間的にノズル効果によって連結管に比べて相対的に低い温度に維持される反応器本体の内部に分散されながら、ナノ規模の複合体粒子が生成される。このとき、生成された複合体粒子は、本体の下部に設置された硝子素材の板又は金属板の表面、又は前記板構造が設置されていない場合には、硝子又は金属素材の反応器の内部壁面のような被着面にファンデルワールス（Van der Waals）力によって静電気的に付着される。これにより、金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体を被着面との化学的結合なしに被着面に静電気的に付着された状態で合成できるようになる。
【００５４】
本発明に係る反応器１６０は、金属素材を成形するか、又は硝子類の反応器を用いることが可能であるが、合成された複合体粒子と親和力がなく、且つ、反応器の内部を観察できるように石英ガラス又はパイレックス（登録商標）素材が用いられることが好ましい。このように反応器を硝子類素材で構成し、反応器の下部に金属素材の板を設置する場合、合成された複合体粒子が反応器の壁面に付着されることなく、合成された全量が金属素材の板上に付着され得るという利点がある。また、特に制限されるものではないが、前記金属素材としては、アルミニウム、ニッケル、シリコン及びアルミニウムにニッケル、マグネシウム、鉄、シリコン、硫黄元素が含まれている合金の中から選択された何れか１つを用いることができる。
【００５５】
このように本発明に係る粉末状複合体の合成装置、反応器及びこれを用いた合成方法によれば、金属-金属、金属-炭素ハイブリッド粒子のような異種複合体を被着面との化学的結合なしに硝子類からなる板又は金属板、又は硝子類又は金属類からなる反応器の内部壁面に静電気的に付着された状態で合成できるようになるので、複合体の大量生産が可能であり、合成された複合体を容易に回収して他の工程に適用できるようになる。
【００５６】
一方、特に制限されるものではないが、反応器１６０上部の流入部１６０-１は、連結管１５０から本体１６０-２に向かってその横断面の直径が次第に大きくなる形状で構成し、気体状態の試料が連結管から反応器の本体に効果的に分散されるようにすることが好ましい。また、反応器１６０下部の排出部１６０-３は、下方へ行くほど横断面の直径が次第に小さくなる形状で構成し、複合体の合成後の排ガスが効果的に排出されるようにすることが好ましい。
【００５７】
反応気体供給器１７０は、反応器１６０に反応気体を供給するために備えられる。この際の反応気体は、気化された試料の反応を活性化するために、酸素、水素又は窒素であり得る。図１に示すように、第１気化器１１０及び第２気化器１２０で気化された試料は、反応器１６０に到達する前に混合され、別途の経路を介して反応気体が反応気体供給器１７０を介して流入する。
【００５８】
ガス供給器１８０は、第１気化器１１０及び第２気化器１２０のガス供給部１１６と連結され、試料を気化させるためのガスが供給される。このとき、供給されるガスとしては、窒素が供給され得る。
【００５９】
一方、反応器１６０を通過して反応器１６０の排出部１６０-３を介して排出される排ガスを再び反応器１６０に供給するためにリサイクル器１９０が備えられることができる。リサイクル器１９０としては、ミニポンプ（recycling pump）やソレノイドバルブ（solenoid valve）が利用され、このようなリサイクル器１９０を介して排出される排ガスを再び反応器１６０に供給して排出される排ガスを再び反応させることができる。このとき、圧力の維持のためにリリースバルブ（release valve）などが追加で装着され得る。
【００６０】
前述した構成からなる複合体大量合成装置を用いて、中央ホールがある金属板の表面に生成された金属-炭素ナノ複合体の性状を図３に示した。また、図４には、本発明の複合体合成装置により硝子素材の板又は金属板の表面に生成された金属-炭素異種複合体の走査電子顕微鏡の分析結果を示し、図５には、金属板の表面に生成された白金-炭素異種複合体の透過電子顕微鏡の分析結果を示した。
【００６１】
以上、本発明に係る複合体大量合成装置の特徴的な構成を説明した。また、出願人の先出願第１０-２０１２-００４５５１６号（特許文献３）と重複する構成と関連してここに説明されていない内容は、前記先出願の内容を参照して理解され得る。
【００６２】
また、前記本発明に関する具体的な説明は、添付の図面を参照した実施形態によって行われたが、前述した実施形態は、本発明の好適な例を挙げて説明しただけであるので、本発明が前記実施形態にのみ限定されるものとして理解されてはならず、本発明の権利範囲は、後述する請求範囲及びその等価概念として理解されるべきである。
【符号の説明】
【００６３】
１００    複合体合成装置
１１０    第１気化器
１２０    第２気化器
１１２    本体部
１１４    試料供給部
１１４ａ    密閉器
１１６    ガス供給部
１１８    排出部
ＳＣ    ストップコック
１３０    第１加熱器
１４０    第２加熱器
１３２    本体部
１３４    熱線部
１３６    ファン
１５０    連結管
ＨＬ    熱線
１６０    反応器
１６２    金属板
１６４    フィルタ
Ａ    連結管１５０の内部直径
Ｂ    反応器の内部直径
１７０    反応気体供給器
１８０    ガス供給器
１９０    リサイクル器
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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