(57)【要約】      （修正有）【課題】グラファイトナノファイバーをベースにした電極を用い、電気化学コンデンサーの性能を高める。【解決手段】管状フラーレン（通常「バッキーチューブ」と言う）、ナノチューブとフィブリルを包含するグラファイトナノファイバーを、電気化学コンデンサーの電極として用いる。ナノファイバーが約１００ｍ2／ｇ以上の表面積を持ち、実質的にミクロ細孔を持たない。ナノファイバーがキノン、ヒドロキノン、第四級芳香族アミン等から選ばれた１種以上の官能基で官能化されている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもつナノファイバーより成る電極を有することを特徴とするコンデンサー。
【請求項２】
前記ナノファイバーが実質的にミクロ細孔をもたない、請求の範囲第１項に記載するコンデンサー。
【請求項３】
ミクロ孔が５％未満の表面積に寄与する、請求の範囲第１項に記載するコンデンサー。
【請求項４】
前記ナノファイバーが官能化されている、請求の範囲第１項に記載するコンデンサー。
【請求項５】
前記ナノファイバーが、キノン、ヒドロキノン、第四級芳香族アミン、メルカプタン又はジサルファイドから選ばれた１種又はそれ以上の官能基で官能化されている、請求の範囲第４項に記載するコンデンサー。
【請求項６】
官能基が、式：
【化１】
2008205487.tif 000037
〔式中、Ｇは、ＣＨ又はＮであるか、又は式：
【化２】
2008205487.tif 000038
【化３】
2008205487.tif 000039
【化４】
2008205487.tif 000040
で表される１種又はそれ以上のグラフェニック類似化合物である〕
で表されるラダーポリマー中に含まれる、請求の範囲第５項に記載するコンデンサー。
【請求項７】
前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第６項に記載するコンデンサー。
【請求項８】
前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第６項に記載するコンデンサー。
【請求項９】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第８項に記載するコンデンサー。
【請求項１０】
前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第２項に記載するコンデンサー。
【請求項１１】
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもつナノファイバーより成ることを特徴とする電極。
【請求項１２】
前記ナノファイバーが実質的にミクロ孔をもたない、請求の範囲第１１項に記載する電極。
【請求項１３】
ミクロ孔が５％未満の表面積に寄与する、請求の範囲第１１項に記載する電極。
【請求項１４】
前記ナノファイバーが官能化されている、請求の範囲第１１項に記載する電極。
【請求項１５】
前記ナノファイバーが、キノン、ヒドロキノン、第四級芳香族アミン、メルカプタン又はジサルファイドから選ばれた１種又はそれ以上の官能基で官能化されている、請求の範囲第１４項に記載する電極。
【請求項１６】
官能基が、式：
【化５】
2008205487.tif 000041
〔式中、Ｇは、ＣＨ又はＮであるか、又は式：
【化６】
2008205487.tif 000042
【化７】
2008205487.tif 000043
【化８】
2008205487.tif 000044
で表される１種又はそれ以上のグラフェニック類似化合物である〕
で表されるラダーポリマー中に含まれる、請求の範囲第１５項に記載する電極。
【請求項１７】
前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第１６項に記載する電極。
【請求項１８】
前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第１６項に記載する電極。
【請求項１９】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第１８項に記載する電極。
【請求項２０】
前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第１６項に記載する電極。
【請求項２１】
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもつナノファイバーより成る第１電極；
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもつナノファイバーより成る第２電極；と
電極間に配置され、電気的に非伝導性であるがイオン的に伝導性の材料より成る電極隔離板；
から成ることを特徴とするコンデンサー。
【請求項２２】
前記ナノファイバーが実質的にミクロ孔をもたない、請求の範囲第２１項に記載するコンデンサー。
【請求項２３】
ミクロ孔が５％未満の表面積に寄与する、請求の範囲第２１項に記載するコンデンサー。
【請求項２４】
前記電極のナノファイバーが官能化されている、請求の範囲第２１項に記載するコンデンサー。
【請求項２５】
前記電極のナノファイバーが、キノン、ヒドロキノン、第四級芳香族アミン、メルカプタン又はジサルファイドから選ばれた１種又はそれ以上の官能基で官能化されている、請求の範囲第２４項に記載するコンデンサー。
【請求項２６】
官能基が、式：
【化９】
2008205487.tif 000045
〔式中、Ｇは、ＣＨ又はＮであるか、又は式：
【化１０】
2008205487.tif 000046
【化１１】
2008205487.tif 000047
【化１２】
2008205487.tif 000048
で表される１種又はそれ以上のグラフェニック類似化合物である〕
で表されるラダーポリマー中に含まれる、請求の範囲第２５項に記載するコンデンサー。
【請求項２７】
前記第１電極の前記ナノファイバーが、前記第２電極の前記ナノファイバーと同一の官能基で官能化されている、請求の範囲第２６項に記載するコンデンサー。
【請求項２８】
前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第２７項に記載するコンデンサー。
【請求項２９】
前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第２７項に記載するコンデンサー。
【請求項３０】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第２９項に記載するコンデンサー。
【請求項３１】
前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第２７項に記載するコンデンサー。
【請求項３２】
前記第２電極の前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第２７項に記載するコンデンサー。
【請求項３３】
前記第２電極の前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第２７項に記載するコンデンサー。
【請求項３４】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第３３項に記載するコンデンサー。
【請求項３５】
前記第２電極の前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第２７項に記載するコンデンサー。
【請求項３６】
前記第１電極の前記ナノファイバーが、前記第２電極の前記ナノファイバーとは異なる官能基で官能化されている、請求の範囲第２６項に記載するコンデンサー。
【請求項３７】
前記第２電極が前記第１電極とは異なる酸化還元電圧を有する、請求の範囲第３６項に記載するコンデンサー。
【請求項３８】
前記第２電極の酸化還元電圧がゼロに近い（ＮＨＥ）、請求の範囲第３７項に記載するコンデンサー。
【請求項３９】
前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第３７項に記載するコンデンサー。
【請求項４０】
前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第３７項に記載するコンデンサー。
【請求項４１】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第３９項に記載するコンデンサー。
【請求項４２】
前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第３７項に記載するコンデンサー。
【請求項４３】
前記第２電極の前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第３７項に記載するコンデンサー。
【請求項４４】
前記第２電極の前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第３７項に記載するコンデンサー。
【請求項４５】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第４４項に記載するコンデンサー。
【請求項４６】
前記第２電極の前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第３７項に記載するコンデンサー。
【請求項４７】
複数のセルから成るコンデンサーであって、各セルが：
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもつナノファイバーより成る第１電極；
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもつナノファイバーより成る第２電極；と
電極間に配置され、電気的に非伝導性であるがイオン的に伝導性の材料より成る電極隔離板
から成り、そしてセル間が電気的に接続されていることを特徴とする前記コンデンサー。
【請求項４８】
前記ナノファイバーが実質的にミクロ孔をもたない、請求の範囲第４７項に記載するコンデンサー。
【請求項４９】
ミクロ孔が５％未満の表面積に寄与する、請求の範囲第４７項に記載するコンデンサー。
【請求項５０】
前記ナノファイバーが官能化されている、請求の範囲第４７項に記載するコンデンサー。
【請求項５１】
前記ナノファイバーが、キノン、ヒドロキノン、第四級芳香族アミン、メルカプタン又はジサルファイドから選ばれた１種又はそれ以上の官能基で官能化されている、請求の範囲第５０項に記載するコンデンサー。
【請求項５２】
官能基が、式：
【化１３】
2008205487.tif 000049
〔式中、Ｇは、ＣＨ又はＮであるか、又は式：
【化１４】
2008205487.tif 000050
【化１５】
2008205487.tif 000051
【化１６】
2008205487.tif 000052
で表される１種又はそれ以上のグラフェニック類似化合物である〕
で表されるラダーポリマー中に含まれる、請求の範囲第５１項に記載するコンデンサー。
【請求項５３】
前記複数のセルの前記第１電極が、前記複数のセルの前記第２電極の前記ナノファイバーと同一の官能基により官能化されている、請求の範囲第５２項に記載するコンデンサー。
【請求項５４】
前記複数のセルの前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第５３項に記載するコンデンサー。
【請求項５５】
前記複数のセルの前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第５３項に記載するコンデンサー。
【請求項５６】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第５５項に記載するコンデンサー。
【請求項５７】
前記複数のセルの前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第５３項に記載するコンデンサー。
【請求項５８】
前記複数のセルの前記第２電極の前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第５３項に記載するコンデンサー。
【請求項５９】
前記複数のセルの前記第２電極の前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第５３項に記載するコンデンサー。
【請求項６０】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第５９項に記載するコンデンサー。
【請求項６１】
前記第２電極の前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第５３項に記載するコンデンサー。
【請求項６２】
前記複数のセルの前記第１電極の前記ナノファイバーが、前記複数のセルの前記第２電極の前記ナノファイバーとは異なる官能基で官能化されている、請求の範囲第５２項に記載するコンデンサー。
【請求項６３】
前記第２電極が前記第１電極とは異なる酸化還元電圧を有する、請求の範囲第６２項に記載するコンデンサー。
【請求項６４】
前記第２電極の酸化還元電圧がゼロに近い（ＮＨＥ）、請求の範囲第６３項に記載するコンデンサー。
【請求項６５】
前記複数のセルの前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第６３項に記載するコンデンサー。
【請求項６６】
前記複数のセルの前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第６３項に記載するコンデンサー。
【請求項６７】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第６６項に記載するコンデンサー。
【請求項６８】
前記複数のセルの前記第１電極と第２電極の前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第６３項に記載するコンデンサー。
【請求項６９】
前記複数のセルの前記第２電極の前記ナノファイバーが、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第６３項に記載するコンデンサー。
【請求項７０】
前記複数のセルの前記第２電極の前記ナノファイバーが、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第６３項に記載するコンデンサー。
【請求項７１】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第７０項に記載するコンデンサー。
【請求項７２】
前記複数のセルの前記第２電極の前記ナノファイバーが、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造を形成する、請求の範囲第６３項に記載するコンデンサー。
【請求項７３】
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもつ２層のナノファイバー電極、と電気的に非伝導性であるがイオン的に伝導性の材料より成る少なくとも２層の電極隔離板から成ることを特徴とする巻取りロールコンデンサー。
【請求項７４】
前記２層のナノファイバーが、実質的にミクロ孔をもたない、請求の範囲第７３項に記載するコンデンサー。
【請求項７５】
ミクロ孔が５％未満の表面積に寄与する、請求の範囲第７３項に記載するコンデンサー。
【請求項７６】
ナノファイバー電極が官能化されている、請求の範囲第７３項に記載するコンデンサー。
【請求項７７】
ナノファイバー電極が、キノン、ヒドロキノン、第四級芳香族アミン、メルカプタン又はジサルファイドから選ばれた１種又はそれ以上の官能基で官能化されている、請求の範囲第７６項に記載するコンデンサー。
【請求項７８】
官能基が、式：
【化１７】
2008205487.tif 000053
〔式中、Ｇは、ＣＨ又はＮであるか、又は式：
【化１８】
2008205487.tif 000054
【化１９】
2008205487.tif 000055
【化２０】
2008205487.tif 000056
で表される１種又はそれ以上のグラフェニック類似化合物である〕
で表されるラダーポリマー中に含まれる、請求の範囲第７７項に記載するコンデンサー。
【請求項７９】
ナノファイバー電極の第１層が、ナノファイバー電極の第２層と同一の官能基により官能化されている、請求の範囲第７８項に記載するコンデンサー。
【請求項８０】
前記ナノファイバー電極の第１層と第２層が、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第７９項に記載するコンデンサー。
【請求項８１】
前記ナノファイバー電極の第１層と第２層が、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第７９項に記載するコンデンサー。
【請求項８２】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第８１項に記載するコンデンサー。
【請求項８３】
前記ナノファイバー電極の第１層と第２層が、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造電極を形成する、請求の範囲第７９項に記載するコンデンサー。
【請求項８４】
前記ナノファイバー電極の第２層が、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第７９項に記載するコンデンサー。
【請求項８５】
前記ナノファイバー電極の第２層が、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第７９項に記載するコンデンサー。
【請求項８６】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第８５項に記載するコンデンサー。
【請求項８７】
前記ナノファイバー電極の第２層が、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造電極を形成する、請求の範囲第７９項に記載するコンデンサー。
【請求項８８】
前記ナノファイバー電極の第１層が、前記ナノファイバー電極の第２層とは異なる官能基で官能化されている、請求の範囲第７８項に記載するコンデンサー。
【請求項８９】
前記ナノファイバー電極の第２層が、前記ナノファイバー電極の第１層とは異なる酸化還元電圧を有する、請求の範囲第８８項に記載するコンデンサー。
【請求項９０】
前記ナノファイバー電極の第２層の酸化還元電圧がゼロに近い（ＮＨＥ）、請求の範囲第８８項に記載するコンデンサー。
【請求項９１】
前記ナノファイバー電極の第１層と第２層が、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバーである、請求の範囲第８９項に記載するコンデンサー。
【請求項９２】
前記ナノファイバー電極の第１層と第２層が、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第８９項に記載するコンデンサー。
【請求項９３】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーからなる、請求の範囲第９２項に記載するコンデンサー。
【請求項９４】
前記ナノファイバー電極の第１層と第２層が、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造電極を形成する、請求の範囲第８９項に記載するコンデンサー。
【請求項９５】
前記ナノファイバー電極の前記第２層が、実質的に一定の直径をもつ実質的に円柱状であり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイト層を有し、且つ熱分解堆積炭素を実質的に含まないカーボンナノファイバー電極である、請求の範囲第８９項に記載するコンデンサー。
【請求項９６】
前記ナノファイバー電極の前記第２層が、熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されている、請求の範囲第８９項に記載するコンデンサー。
【請求項９７】
前記被覆層が、フェノール−フォルムアルデヒド樹脂、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、とＨ−樹脂より成る群から選ばれる１種又はそれ以上のポリマーから成る、請求の範囲第９６項に記載するコンデンサー。
【請求項９８】
前記ナノファイバー電極の前記第２層が、絡み合い及び相互に連結して、硬質の多孔性カーボン構造電極を形成する、請求の範囲第８９項に記載するコンデンサー。
【請求項９９】
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもつ第１電極；
約１００ｍ２／ｇ以上の表面積をもち、前記第１電極とは異なる酸化還元電圧を有する第２電極；
電極間に配置され、電気的に非伝導性であるがイオン的に伝導性の材料より成る電極隔離板；
から成り、そして酸化還元反応が前記第１電極と第２電極の表面だけで起きることを特徴とするコンデンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は一般的には電気化学的蓄積デバイスに関し、より詳しくは、電気化学キャパシター(electrochemical capacitors)における電極としてのグラファイチックナノファイバー（graphitic nanofiber)の応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
本願は幾つかの刊行物を引用している。これら資料は本発明が関係する技術分野の状況を記載しており、本願明細書中に組み入れられる。
電気化学キャパシター（ＥＣｓ）はエレトロニクス産業ではシステム設計者達がそれらの属性や利点に通じてくるにつれて受け入れられつつある。コンベンショナルキャパシターと比べて、ＥＣｓは極めて高いキャパシタンス値、限られた周波数応答、電極厚さに正比例し電極の断面積に反比例する高い等価直列抵抗、電圧依存性キャパシタンス、及び電圧依存性自己放電速度を有している。ＥＣｓは元々は、軌道レーザー（orbital laser)用の駆動エネルギーの大きな噴出を提供するために開発された。コンプレメンタリー金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）メモリーバックアップ用途には、例えば、たった２分の１立方インチの容積を有する１ファラドのＥＣが、ニッケル‐カドミウムバッテリー又はリチウムバッテリーの代わりをすることができ、数カ月分のバックアップパワーを提供することができる。また、電気乗物（electric vehicle）用途には、大きなＥＣｓがバッテリーシステム上のパワーを「負荷均等化する（load-level)」ことができ、それによってバッテリー寿命を増加し乗物の範囲を拡大することができる。
キャパシターは絶縁体によって隔離されている２つの互いに逆に帯電した平行なプレートの間の電場にエネルギーを蓄積する。キャパシターが蓄積できるエネルギーの量は、導電性プレートの面積が増加、プレート間の距離が減少、及び絶縁材料の誘電率（プレート間に電荷を蓄積する能力）が増加するにつれて、増加することができる。
ＥＣｓは、適切な金属における制御された電解酸化プロセスによってしばしば形成される薄い絶縁性の酸化膜を介しての電荷離隔によってエネルギーを蓄積するトラディショナル電解キャパシターとは区別される。
ＥＣの高容積キャパシタンス密度（コンベンショナルキャパシターより１０〜１００倍大きい）は大きな有効「プレート面積」を生じさせる多孔質電極を使用すること及び拡散二重層の中にエネルギーを蓄積することに由来する。電圧を印加されたときに固体‐電解質界面に自然に発生するこの二重層はたった約１ｎｍの厚さを有し、従って極めて小さな有効「プレート隔離」を形成する。幾つかのＥＣｓでは、やはり固体‐電解質界面に起こるいわゆる「プソイドキャパシタンス（pseudocapacitance)」効果によって蓄積エネルギーは実質的に増大する。二重層キャパシタンスは普通、１６〜４０μＦ  ｃｍ−２のオーダーであるが、ＥＣシステムに関連したプソイドキャパシタンスは普通、１０〜１００μＦ  ｃｍ−２である。
【０００３】
二重層キャパシターは、電解質の中に浸漬した活性炭の如き高い表面積の電極材料を基本にしている。分極二重層は各電極において形成され二重層キャパシタンスを提供する。炭素は高い表面積Ａを与え、そして有効ｄは原子尺に減少し、従って、高いキャパシタンスが提供される。
二重層のエネルギー蓄積能力は１００年以上前から認識されていたが、ＥＣｓのための市場を創出するには小電流ドロー（low-current-draw)の揮発性のコンピューター用メモリーの開発を必要とした。
コンベンショナル電気化学エネルギー蓄積はガルヴァーニセル(galvanic cell)又はかかるセルのバッテリーの中で達成される。エネルギーは、セルの電極間の電位差を乗じた、放電時にバッテリーの中で起こり得る化学的レドックス変化に関連した変化に対応している。放電プロセスは、反応体１モル当たりの或る数の電子の通過又はファラデー数に関連したセル内での正味の化学反応を伴う。
レドックスプロセスのような電気化学反応が電極で又は電極近くで起こるはずであるならば、キャパシタンスは更に増加するかも知れない。この増加したキャパシタンスはしばしば「プソイドキャパシタンス」と称され、そして得られるデバイスは正当に電気化学キャパシターであるのに、非公式に、プソイドキャパシター、スーパーキャパシター又はウルトラキャパシターと呼ばれている。電気化学キャパシターは純粋な二重層キャパシターとは異なるサイクリックボルタモグラム（cyclic voltammogram)、即ち、ファラダイック（Faradaic)特徴を現すプソイドキャパシタンス、を有する。
電気化学キャパシターのためのレドックスシステム、特にＲｕＯ２・ｘＨ２Ｏのレドックスシステムは実証されている（Ｚ．Ｐ．ゼングとＴ．Ｒ．ジャウ執筆の「電気化学キャパシターのための新しい電荷蓄積メカニズム」、ジャーナルオブ  エレクトロケミカル  ソサイエティ第１４２巻Ｌ６（１９９５年)(Zheng, Z.P. and Jow, T.R., "A new charge storage mechanism for Electrochemical Capacitors", J. Electrochem. Soc., 142, L6(1995))、しかし、高コストと限られたサイクル寿命はかかる材料の商業的使用に対して存続する障害である。キャパシタンスのファラダイック成分が大きくなるほど、放電曲線及び寿命はキャパシターのものよりもバッテリーのものに近づく。他方、ＥＶ応用に適する高いパワー出力を得るという特殊な目標は、既知の又は提案された電極材料を用いた純粋な二重層キャパシターによって満足させることができない（Ｅ．Ｔ．エイザンマンの「炭素系ウルトラキャパシターのための設計基準と実体検証」（Eisenmann, E.T., "Design Rules and Reality Check for Carbon-Based Ultracapacitors") 、ＳＡＮＤ９５−０６７１・ＵＣ−４００、１９９５年４月）。
【０００４】
ＥＣｓはバッテリーのエネルギー密度に近づいていない。与えられた印加電圧では、与えられた電荷に関連した静電容量的蓄積エネルギーは同じ電荷の通過のための対応バッテリーシステムの中に蓄積可能なそれの半分である。この相違は２相システムを伴う理想的なバッテリー反応においては電荷が一定電位で蓄積されることができるのに、キャパシターでは電圧及び電荷が継続的に蓄積されつつあるキャパシターの中へと電荷が移動しなければならないという事実のせいである。これがキャパシターによるエネルギー蓄積は他の点では同一の理想的条件下でのバッテリーエネルギー蓄積における同じ電荷及び電圧についてのそれの半分になる理由である。
それにもかかわらず、ＥＣｓは極めて魅力的なパワー源である。バッテリーに比べて、それらは保守を必要とせず、はるかに高いサイクル寿命を呈し、非常に簡単な充電回路で済み、「記憶効果（memory effect)」を体験せず、かつ一般にはるかに安全である。化学的エネルギー蓄積よりむしろ物理的エネルギー蓄積であることがそれらの安全な操作と異常に高いサイクル寿命の主な理由である。
しかしながら、容易に入手可能なＥＣ製品は主としてそれらの目標がメモリーバックアップ用途であるためにサイズとパワー性能が制約されている。それらは数ファラド迄のキャパシタンス値、１〜５０Ωの等価直列抵抗（ＥＳＲ）、及び３〜１１Ｖの作業電圧を有する。
最近までは、高パワー応用に適するＥＣｓは入手不可能であった。しかし、電気乗物（ＥＶ）の負荷均等化におけるばかりでなく自動車のスターティング・ライティング・イグニッション（ＳＬＩ）における関心は、かかる高パワーデバイスについての製品開発活動を刺激している。目標はこれら高級応用のために特定された時間で効率的に充電でき次いで放電できる製品を開発することである。
ＥＶに使用されるエネルギー蓄積システムに対しては厳しい要求が出されている。このシステムは許容可能な駆動範囲を提供するのに十分なエネルギーを蓄積しなければならない。それは許容可能な駆動性能特に加速度を提供するのに十分なパワーを有していなければならない。加えて、このシステムは信頼性のある操作の年数を与えるように耐久性でなければならない。そして最後に、このシステムは供給可能でなければならない。これら４つの要件は候補のエネルギー蓄積技術にとってはしばしば両立しない。この状況はＥＶエネルギー蓄積システムの開発者達にとってかなり挑戦的である。
【０００５】
キャパシターはＥＶエネルギー蓄積システムに有意な利点を与える。しかし、有効であるためには、それは約４００Ｗｈのエネルギーを蓄積しなければならないし、約１０秒間に約４０ｋＷのパワーを引き渡すことができなければならないし、高いサイクル寿命（＞１００，０００サイクル）を提供しなければならないし、かつ特定された容積、重量及びコストの拘束を満足させなければならない。このようなキャパシターは現在、存在しない。
しばしばウルトラキャパシター又はスーパーキャパシターと呼ばれる電気化学キャパシターはハイブリッド電気乗物において関心が持たれており、そこでそれらは電気自動車に使用されるバッテリーを補足して急加速、即ち、バッテリー推進自動車を商業的に実行可能にするための最大の技術的ハードル、に必要なパワーの噴出を提供することができる。バッテリーは長距離を経済速度で走るためにも使用されるものであるが、キャパシターは（バッテリーよりも遥かに急速にエネルギーを放出するので）、自動車が併走、追越し、緊急行動及び登坂のために加速を必要とするときいつでもキックインするのである。追加バッテリー容量に比較して有効なコスト及び重量であるためには、それらは十分に特異なエネルギーと特異なパワーを長いサイクル寿命と共に兼ね備えていなければならないし、並びにコスト目標を満足させなければならない。
電気化学キャパシターの性能特徴は基本的には、電極の電気化学的性質によって決まる。多数の従来提案された電極材料は許容できない高コストのキャパシターをもたらしてきた。
充電キャパシターに蓄積されるエネルギーは誘電体の絶縁破壊によってのみ制限される電圧の増加に比例して連続的に増加させることができる。与えられた化学種にとって、最大の利用可能な蓄積エネルギーは電気活性材料の量、それらの標準電極電位及びそれらの当量によって決まり、そしてパワーは放電中に起こる電気化学変化の可逆性並びに材料及び外部回路の電気抵抗によって決まる。
炭素電極電気化学キャパシターによる経験は、測定された表面積とダイポール層の巾から算出された幾何学的キャパシタンスが型通りには達成されないことを示している。実際、非常に高い表面積の炭素では、「理論」キャパシタンスの典型的にたった約１０％が実測されるようである。
【０００６】
この失望させられる性能は微小孔の存在に関係しており、そして互いに逆に帯電した表面が約２０Å未満しか離れていない孔での湿潤不足及び／又はうまく二重層を形成する能力の無さのせいであるとみられる。活性炭では、炭素源及び熱処理温度に依存して、表面の驚くべき量がかかる微小孔の形態にあることがある（Ｊ．Ｗ．パトリック編のカーボン類の多孔度: 特徴と応用の中のＪ．Ｆ．バーンとＨ．マーシュ執筆の「序説概論」、ハルステッド、１９９５年(Byrne, J.F. and Marsh, H., "Introductory Overview" in Patrick, J.W., Porosity in Carbons: Characterization and Applications, Halsted, 1995))。
バッテリーの代わりに電気化学キャパシターを考察する基本的理由はパワー密度と寿命である。これらは真に静電容量的なシステムに固有のものであるが、例えば、電気乗物応用に要求されるエネルギー密度の目標はかかるシステムでは満足させることができない。電気化学キャパシターのエネルギー蓄積の範囲を押し上げる努力は常に、キャパシタンスの実質的部分（大部分）がファラダイックメカニズムから生じることに頼っている。
高い利用可能表面積と高い多孔度を有しそして減少した微小孔を有するか又は微小孔の無い炭素系電極を使用して、より大きな幾何学的キャパシタンスを示す電気化学キャパシターを製造することが望まれているのである。現時点の炭素系電極の中の微小孔の存在はそれをＥＶエネルギー蓄積システムに応用することを不可能にしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明の目的
本発明の目的は電気化学キャパシターの性能を増すためにカーボンナノファイバー系電極を提供することである。
本発明の目的はまた、ナノファイバー系電極を表面処理してファラダイックキャパシタンスを改変することである。
本発明の別の目的は、かかる電極に使用するための官能化されたナノファイバーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
その最も広い態様においては、本発明はナノチューブ（ナノファイバー）を図１に示すような電気化学キャパシター電極に応用することに関する。特に、前記ナノファイバーはグラファイチックナノファイバーである。より詳しくは、本発明は高い表面積（＞１００ｍ２／ｇ）を有し且つ微小孔（即ち、２ｎｍ未満の直径又は断面を有する細孔）を実質的に含有しないカーボンナノファイバーからなる電極に関する。更により詳しくは、本発明はかかる電極を電気化学キャパシターに使用することに関する。好ましくは、電極の各々は異なる官能基によって官能化されたカーボンナノファイバーからなる。
一態様において、本発明は約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有するナノファイバーを含む電極を有するキャパシターに関する。有利には、ナノファイバーは実質的に微小孔を含有しない又は微小孔は表面積の５％以下に寄与する。
好ましくは、ナノファイバーは官能化されている、例えば、キノン、ヒドロキノン、第４級化芳香族アミン類、メルカプタン類又はジスルフィド類から選ばれた一つ又はそれ以上の官能基によって官能化されている。官能基は、式
【化１】
2008205487.tif 000002
（式中、ＧはＣＨ又はＮである）
のラダーポリマーの中に含有されてもよいし、又は
【化２】
2008205487.tif 000003
【化３】
2008205487.tif 000004
【化４】
2008205487.tif 000005
の一つ又はそれ以上のグラフェニック類似体（graphenic analogue）であってもよい。
【０００９】
ナノファイバーは有利には、実質的に一定の直径を有する実質的に円筒状であるカーボンナノファイバーであり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイチック層を有し且つ熱分解堆積炭素を実質的に含有しない。
ナノファイバーは熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されてもよい。被覆層は好ましくは、フェノール類‐ホルムアルデヒド、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、及びＨ−レジンからなる群から選ばれた一つ又はそれ以上のポリマーからなる。
ナノファイバーは硬質の多孔性カーボン構造を形成するように互いにより合わされそして互いに連結されてもよい。
別の態様においては、本発明は約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有するナノファイバーを含む電極に関する。有利には、ナノファイバーは実質的に微小孔を含有しない又は微小孔は表面積の５％以下に寄与する。
好ましくは、ナノファイバーは官能化されている、例えば、キノン、ヒドロキノン、第４級化芳香族アミン類、メルカプタン類又はジスルフィド類から選ばれた一つ又はそれ以上の官能基によって官能化されている。官能基は、式
【化５】
2008205487.tif 000006
（式中、ＧはＣＨ又はＮである）
のラダーポリマーの中に含有されてもよいし、又は
【化６】
2008205487.tif 000007
【化７】
2008205487.tif 000008
【化８】
2008205487.tif 000009
の一つ又はそれ以上のグラフェニック類似物であってもよい。
【００１０】
ナノファイバーは有利には、実質的に一定の直径を有する実質的に円筒状であるカーボンナノファイバーであり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイチック層を有し且つ熱分解堆積炭素を実質的に含有しない。
ナノファイバーは熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されてもよい。被覆層は好ましくは、フェノール類‐ホルムアルデヒド、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、及びＨ−レジンからなる群から選ばれた一つ又はそれ以上のポリマーからなる。
ナノファイバーは硬質の多孔性カーボン構造を形成するように互いにより合わされそして互いに連結されてもよい。
更に別の態様においては、本発明はキャパシターに関し、それは、
第一電極、該第一電極は約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有するナノファイバーを含んでいる；
第二電極、該第二電極は約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有するナノファイバーを含んでいる；及び
電極間に置かれた電極隔離板、該電極隔離板は電気不導性かつイオン伝導性の材料を含んでいる；
を含む。
有利には、ナノファイバーは実質的に微小孔を含有しない又は微小孔は表面積の５％以下に寄与する。
電極のナノファイバーは官能化されている、例えば、キノン、ヒドロキノン、第４級化芳香族アミン類、メルカプタン類又はジスルフィド類から選ばれた一つ又はそれ以上の官能基によって。官能基は、式
【化９】
2008205487.tif 000010
（式中、ＧはＣＨ又はＮである）
のラダーポリマーの中に含有されてもよいし、又は
【化１０】
2008205487.tif 000011
【化１１】
2008205487.tif 000012
【化１２】
2008205487.tif 000013
の一つ又はそれ以上のグラフェニック類似体であってもよい。
【００１１】
前記第一電極のナノファイバーは前記第二電極の前記ナノファイバーと同じ官能基によって官能化されていてもよい。
前記第一電極及び前記第二電極のナノファイバーは有利には、実質的に一定の直径を有する実質的に円筒状であるカーボンナノファイバーであり、ナノファイバー軸と同軸のグラファイチック層を有し且つ熱分解堆積炭素を実質的に含有しない。
前記第一電極及び前記第二電極のナノファイバーは熱分解炭素質ポリマーの薄い被覆層で被覆されてもよい。被覆層は好ましくは、フェノール類‐ホルムアルデヒド、ポリアクリロニトリル、スチレンＤＶＢ、セルロース系ポリマー、及びＨ−レジンからなる群から選ばれた一つ又はそれ以上のポリマーからなる。
前記第一電極及び前記第二電極のナノファイバーは硬質の多孔性カーボン構造を形成するように互いにより合わさせそして互いに連結されてもよい。
前記第一電極のナノファイバーは前記第二電極の前記ナノファイバーとは異なる官能基によって官能化されていてもよい。
第二電極は有利には、前記第一電極とは異なるレドックス電圧を有する。好ましくは、前記第二電極のレドックス電圧はゼロ（ＮＨＥ）に近い。
更に別の態様においては、本発明は複数のセルとセル間の電気的接続とを含むキャパシターに関し、各セルは、
第一電極、該第一電極は約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有するナノファイバーを含んでいる；
第二電極、該第二電極は約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有するナノファイバーを含んでいる；及び
電極間に置かれた電極隔離板、該電極隔離板は電気不導性かつイオン伝導性の材料を含んでいる；
を含む。
更に別の態様においては、本発明は、約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有するナノファイバー電極の２つの層と、電気不導性かつイオン伝導性の材料を含んでいる電極隔離板の少なくとも２つの層を含む、巻いたロールキャパシターに関する。
本発明はまた、
約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する第一電極；
約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する第二電極、該第二電極は前記第一電極とは異なるレドックス電位を有する；
電極間に置かれた電極隔離板、該電極隔離板は電気不導性かつイオン伝導性の材料を含んでいる；
を含み、そしてレドックス反応が前記第一及び第二電極の表面だけで起こる、キャパシターに関する。
【００１２】
発明の詳細な説明
用語の定義
用語「官能基」は、それらが結合した化合物又は物質に特徴的な化学的及び物理的性質を与える原子団を称する。「官能化された」表面は、炭素による電子輸送のために及び電解質の中でのイオンとの相互作用のために利用可能であるように化学種が吸着又は化学結合されたカーボン表面を称する。本発明と典型的に関連する官能基としては、限定されるものではないが、−ＳＯ３、−Ｒ′ＣＯＸ、−Ｒ′(ＣＯＯＨ)２、−ＣＮ、−Ｒ′ＣＨ２Ｘ、＝Ｏ、−Ｒ′ＣＨＯ、−Ｒ′ＣＮが挙げられ、Ｒ′は炭化水素基であり、そしてＸは−ＮＨ２、−ＯＨ又はハロゲンである。
「グラフェニック」カーボンは、炭素原子の各々が、六角形の縮合環（複数）を形成する本質的に平面の層の中の３つの他の炭素原子と結合しているカーボンの形態である。層は直径に数個の環があるだけの小さな板状体である、又はそれはリボンであってもよく、長さ方向には多数個の環があるが、巾方向には数個の環しかない。層間の関係には秩序がなく、殆どが平行でない。層間の空間の多くは電気化学キャパシターにとって有効な細孔である。
「グラファイチック」カーボンにおいては、層は本質的に互いに平行であり且つ３．６Å以下の間隔である。
用語「微小孔」は、少なくとも一つの次元が小さ過ぎて二重層の形成又はファラダイック過程又はイオン拡散を許さないが窒素の吸着（ＢＥＴを利用可能）をなお許す細孔を称する。
用語「ナノファイバー」、「ナノチューブ」及びフィブリルは、互いに交換可能に使用されている。各々は、１μ未満の横断面（例えば、角のある角張ったファイバー）又は直径（例えば、丸い）を有する細長い構造体を称する。構造体は中空又は中実どちらであってもよい。
用語「ポリマー」は、多数の既知の方法のいずれかによってモノマーから形成された高分子量の物質を称する。
用語「細孔」は、被覆された又は被覆されないナノファイバーの表面における開口又は陥凹を称する。
用語「プソンドキャパシタンス」及び「ファラダイックキャパシタンス」は、互いに交換可能に使用される。
用語「熱分解」は、熱だけの適用によって起こった物質の中の化学的変化を称する。
用語「比較的に」は、物理的性質の値の９５％が平均値の±５０％の範囲内にあることを意味する。
用語「実質的に」は、物理的性質の値の９５％が平均値の±１０％の範囲内にあることを意味する。
用語「表面積」は、ＢＥＴ技術により測定可能な物質の全表面積を称する。
用語「薄い被覆層」は、ナノファイバー上に堆積した伝導性の非金属性物質の層を称する。代表的には、薄い被覆層は被覆用ポリマー物質の適用とその後のポリマーの熱分解とによって堆積されたカーボン層である。
【００１３】
本発明並びに他の目的及びその特徴は、或る好ましい態様についての下記の記載から更に明確かつ完全に理解されるであろう。
図を引用すると、図１には、本発明の基本的なキャパシター構造（セル）の横断面を示されている。官能化されたナノファイバーのマット１Ａ及び１Ｂは２つの別個の導体プレートメッシュ２に結合されて、１００ｍ２／ｇより大きい又は好ましくは２００ｍ２／ｇより大きい高い表面積を有する２つの官能化されたナノファイバー電極４Ａ及び４Ｂを形成する。導体プレートメッシュ２は金やアルミニウム等のような金属シート、又は細孔が官能化されたナノファイバー又は官能化されたナノファイバーメッシュで充填されているカーボンファイバーペーパーのようなカーボンシートであることができる。好ましくは、電極の寸法は長さ及び巾が約５〜１０ｃｍであり、そして高さが約１ｃｍである。
２つの官能化されたナノファイバー電極４Ａと４Ｂは、あらゆるイオン伝導性電解質（水性又は非水性）であることができる多孔性隔離板３によって隔離されている。各層は互いに緊密に接触しており、そして電解質は官能化されたナノファイバーのマットの細孔に完全に満ち溢れている。官能化されたナノファイバーのマット１Ａ及び１Ｂは好ましくは、代表的には直径が１００Åで長さが数μであるフィブリルから形成されている。グラファイト同様、フィブリルは炭素原子の平行な層から構成されているが、平坦なグラファイトシートの多層としてではなくファイバーの長軸のまわりに配列した一連の同軸チューブの形態にある。
【００１４】
グラファイチックナノチューブ
ナノファイバーは電気化学キャパシターの中に様々な幾何学的形態で使用されてもよく、分散体として、集合体として、マット又はフィルムとして、大きな支持体に堆積されたもの、又は他の材料と混合されそして複合体として使用されるものも包含される。ナノファイバーは主として、化学的に改変可能なグラファイチックカーボンからなる。それらは一般に、０．１μｍ以下の直径及び少なくとも５の長さ／直径比を有する。代表的には、０．０１μｍの直径と１〜１０μｍの長さを有する。
１９７０年代から、ナノファイバー及びフィブリルは様々な応用にとって興味ある材料として確認されてきた。サブミクロンのグラファイチックナノファイバーはしばしば、気相成長カーボンファイバーと呼ばれている。カーボンナノファイバーは直径が１．０μ未満、好ましくは０．５μ未満、より好ましくは０．２μ未満であるバーミキュラーカーボンデポジット（vermicular carbon deposit)である。それらは様々な形態で存在しており、そして様々な炭素含有気体を金属表面において接触分解することを通して製造されてきた。かかるバーミキュラーカーボンデポジットはほとんど電子顕微鏡の出現以来観察されてきた。優れて早い時期の調査及び資料はベーカーとハリスの著作カーボンの化学と物理、ウォーカー  アンド  スローワー出版、第１４巻、１９８７年、第８３頁（Baker and Harris, Chemistry and Physics of Carbon, Walker and Thrower ed., Vol. 14, 1978, p. 83）の中に見いだせる。また、Ｎ．ロドリゲズ、ジェーナル  オブ  マテリアルズ  リサーチ、第８巻第３２３３頁（１９９３年）（Rodriguez, N., J. Mater. Research, Vol. 8, p. 3233 (1993))を参照。
１９７６年には、エンドー等はかかるカーボンフィブリルが成長する基本的メカニズムを明らかにした（Ａ．オベリンとＭ．エンドー、ジャーナル  オブ  クリスタリル  グロウス、第３２巻（１９７６年）第３３５〜３４９頁（Obelin, A. and Endo, M., J. of Crystal Growth, Vol. 32 (1976), pp. 335-349)を参照）。それらは、炭化水素含有気体の存在下で炭素の中に過飽和されていく金属触媒粒子から発生することがわかった。円筒状の秩序化したグラファイチックコアが押し出され、それはエンドー等によれば直ちに熱分解堆積グラファイトの外層によって被覆されてしまう。熱分解オーバーコートを有するこれらフィブリルは典型的に０．１μを越す直径を有し、より典型的には０．２〜０．５μの直径を有する。
【００１５】
１９８３年に、テナント（Tennent)の米国特許第４，６６３，２３０号は、熱分解炭素によって汚染されていない円筒状の秩序化したグラファイトコアを成長させることに成功した。従って、テナントの発明はより小さな直径の代表的には３５〜７００Å（０．００３５〜０．０７０μ）のフィブリルおよび秩序化した「成長したままの」グラファイチック表面の入手を提供した。それよりも完全でない構造ではあるがやはり熱分解炭素を含有しないフィブリル性カーボンも成長した。
フィブリル、バッキーチューブ及びナノチューブは、強化材として商業的に入手可能な連続した炭素繊維とは区別することができる。大きいことが望ましいが不可避的に有限のアスペクト比を有するフィブリルとは対照的に、連続炭素繊維はアスペクト比（Ｌ／Ｄ）が少なくとも１０４、しばしば１０６又はそれ以上である。連続繊維の直径もまた、フィブリルのそれよりもはるかに大きく、常に、＞１．０μであり、代表的には５〜７μである。
連続炭素繊維は、有機の前駆体繊維、通常、レーヨン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）及びピッチ、の熱分解によって製造される。従って、それらはその構造内にヘテロ原子を包含するかも知れない。「製造したままの」連続炭素繊維のグラファイチック特性は変化するが、それら繊維は後続のグラファイト化工程を受けてもよい。存在するとしてもグラファイト面のグラファイト化度、配向及び結晶化度における相違や、可能性のあるヘテロ原子の存在や、更に基質直径における絶対的相違は、連続繊維での経験をしてナノファイバー化学の予測を乏しいものにしている。
テナントの米国特許第４，６６３，２３０号には、連続したサーマルカーボンのオーバーコートを含有しない且つフィブリル軸に実質的に平行な多数のグラファイチック外層を有するカーボンフィブリルが記載されている。そういうものとして、それらはそれらのｃ軸、即ち、それらの円筒軸に対して実質的に垂直な、グラファイトの湾曲層の接線に垂直である軸、を有するとして特徴付けられるかも知れない。それらは一般に、０．１μより大きくない直径と、少なくとも５の長さ／直径比を有している。望ましくは、それらは連続したサーマルカーボンのオーバーコートすなわち製造に使用した供給気体の熱分解から生じた熱分解堆積炭素を実質的に含有しない。
【００１６】
テナントの米国特許第５，１７１，５６０号には、サーマルオーバーコートを含有しないで、そしてフィブリル軸に実質的に平行なグラファイチック層を有していて、前記フィブリル軸上の前記層の突起が少なくとも２つのフィブリル直径の距離分延びている、カーボンフィブリルが記載されている。代表的には、かかるフィブリルは実質的に一定直径の実質的に円筒状のグラファイチックナノファイバーであり、そしてそれらのｃ軸がそれらの円筒軸に実質的に垂直であるところの円筒状のグラファイチックシートからなる。それらは熱分解堆積炭素を実質的に含有せず、０．１μ未満の直径と５より大きい長さ／直径比を有する。これらのフィブリルは本発明において第一に関心がもたれるものである。
カーボンフィブリルの形成に関する更なる詳細は、スナイダー（Snyder)等の１９８８年１月２８日出願の米国特許出願第１４９，５７３号及び１９８９年１月２８日出願のＰＣＴ出願第ＵＳ８９／００３２２号（「カーボン  フィブリルズ」）ＷＯ第８９／０７１６３号、及びモイ（Moy)等の１９８９年９月２８日出願の米国特許出願第４１３，８３７号及び１９９０年９月２７日出願のＰＣＴ出願第ＵＳ９０／０５４９８号（「フィブリル集合体とその製造法（Fibril Aggregates and Method of Making Same)」）ＷＯ第９１／０５０８９号、の開示の中に見いだすことができ、それら出願のいずれもが本発明と同じ譲受人に譲渡されている。
モイ等の１９９２年５月２２日出願ＵＳＳＮ  ０７／８８７，３０７号には、互いに無作為に絡み合わされてバードネスト（bird nest)（「ＢＮ」）に似た絡み合ったフィブリルの球を形成していて（走査電子顕微鏡によって測定したときに）多様な巨視的形態を有している集合体として製造されたフィブリル；又は、実質的に同じ相対配向を有しそしてコーマヤーン (combed yarn)（「ＣＹ」）の外観を有する真っ直ぐな又は僅かに曲がった又はよじれたカーボンフィブリルの束からなる集合体として製造されたフィブリル、例えば、各フィブリルの長軸は（個々の曲がり又はよじれにもかかわらず）束の中の周りのフィブリルの方向と同じ方向に延びている；又は、互いにゆるく絡み合わされて「オープンネット」(open net)（「ＯＮ」）構造を形成している真っ直ぐ乃至僅かに曲がった又はよじれたフィブリルからなる集合体として製造されたフィブリル; が記載されている。オープンネット構造では、フィブリルの絡み度合はコーマヤーン集合体（そこでは個々のフィブリルは実質的に同じ相対配向を有する）で観察されるものよりも大きいが、バードネストのものよりも小さい。ＣＹ集合体及びＯＮ集合体はＢＮよりも容易に分散されるので、構造体全体を通して均一な性質が要望される複合体加工においてそれらを有効ならしめる。
【００１７】
フィブリル軸上のグラファイチック層の突起がフィブリル直径２つ分より小さな距離延びている場合には、横断面におけるグラファイチックナノファイバーの炭素面はヘリングボーン（herring bone) 外観を帯びる。これらはフィッシュボーンフィブリルと称される。ゲウス（Geus) の米国特許第４，８５５，０９１号は、熱分解オーバーコートを実質的に含有しないフィッシュボーンフィブリルを製造する方法を提供する。これらフィブリルも本発明の実施に有効である。
上記の触媒作用で成長したフィブリルに似た形態のカーボンナノチューブが、高温炭素アークの中で成長された（イイジマ、ネーチャー第３５４巻第５６頁、１９９１年（Iijima, Nature 354 56 1991)。これらアーク成長ナノファイバーはテナントの当初の触媒作用で成長したフィブリルと同じ形態を有することが今や一般に受け入れられている（ウィーバー、サイエンス第２６５巻、１９９４年（Weaver, Science 265 1994)。アーク成長カーボンナノファイバーも本発明に有効である。
フィブリルはＳ．イイジマのネーチャー第３５４巻第５６頁（１９９１年）及びＳ．イイジマとＴ．イチハシとＹ．アンドーのネーチャー第３５６巻第７７６頁（１９９２年）によって報告されたナノチューブに似た寸法及び形態を有しており、電気アークプロセスによって製造され、そして最近ではＳ．アマリンクス(Amelinckx)等によって触媒作用で製造された：サイエンス第２６５巻第６３５頁（１９９４年）。
アーク成長細管とは対照的に、気相成長フィブリル性カーボンは無定形カーボンで汚染されていない自由流動性の集合体又はその他のグラファイチック非チューブ構造体として製造される。集合体の多孔度は非常に高い。これら集合体は分散されることができ、そしてフェルトファイバーマットに似た互いに連結されたフィブリルナノチューブからなるマクロ構造体に再集合されることができる。
カーボンナノチューブは酸素含有基の高い表面濃度を生じるように酸化されることができる（１９９０年１１月２９日にＷＯ第９０／１４２２１号として公開されたベニング(Bening)等のＰＣＴ／ＵＳ９０／０２６６７号; Ｔ．マッカーシー(McCarthy)とＲ．ベニングの、ポリマー  プレプリント（Polymer Preprints)第３０巻第１号第４２０頁（１９９０年））。これら酸化されたナノチューブは極性溶媒の中に容易かつ高度に分散可能であり、そして約１．０ｇ／ｃｃのような高い密度をもつマットを形成する。また、それらの酸性官能基は通常の有機反応によって実質的にあらゆる所望の第二の官能基に変換可能であり、それによって広範囲の表面親水性又は疎水性を与える。
【００１８】
フィブリルは電気伝導性である。個々のフィブリルの導電率は測定するのが難しいが、一つの試み（１９９４年のサンフランシスコでのＭＲＳ会議で呈示されたＧ．ホワイトサイデスとＣ．Ｓ．ワイスバッヘルの「個々のカーボンナノチューブの導電率の測定」（Whitesides, G. and Weisbacher, C.S., "Measurement of the Conductivity of Individual Carbon Nanotubes")）は、９．５（±４．５）×１０−３Ωcmの値の推定抵抗率、即ち、グラファイト化炭素について典型的に測定されたものより僅かに高い抵抗率、を生じた。マット電極状に圧縮した場合、温度の関数としての抵抗率の丁寧な測定は、室温において、２４×１０−３Ωcmの値を示す。
その小さな直径故に、フィブリルはＢＥＴ測定によって測定したとき約２００ｍ２／ｇの表面積を有する。表面積のこの値は平均フィブリル寸法に基づく計算によっても到達できる。計算とＢＥＴ測定の間のこの一致は、２００ｍ２／ｇがフィブリルの外表面上の全部であることを実証している。フィブリルマット電極１Ａ及び１Ｂの分析の電気化学的作用は、フィブリル表面積の全部が電気化学プロセスのために利用可能であることを実証している。例えば、フィブリルマット電極の二重層帯電容量はフィブリルマット密度の広範囲にわたって、電極の中のフィブリルの質量と共に直線的に変動する。
一態様においては、電極４Ａと４Ｂは対称拡散二重層キャパシターを形成するために同じである。言い換えれば、フィブリルマット１Ａと１Ｂは対称電極を形成するために同じ官能基によって官能化されている（又は同じように酸化されている）。極めて小さな有効プレート隔離を形成する拡散二重層は電圧を適用されたときに電極‐電解質界面に自然に発生する。従って、分極二重層は電荷を分離する数百万個の薄いプレートからなる各電極にて形成される。
【００１９】
図４のサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）曲線は未処理のナノファイバー電極の挙動と硝酸で酸化されたものからなる電極の挙動との間の大きな相違を示している。未処理のナノファイバー電極を使用した曲線Ａの矩形の形状は、純粋に静電容量的な二重層帯電の特徴である。フィブリルマット１Ａ及び１Ｂの中の細孔は電荷を分離する数百万の薄い「プレート」として作用するので、「プレート」間の間隔が最小である間は「プレート」の総面積が最大になる。二重層キャパシタンスは硝酸で酸化されたフィブリルのＣＶに約４４μＦ／cm２寄与する。ファラダイックプロセスは硝酸で酸化されたフィブリルを使用したＣＶ曲線Ｂの非矩形の形状によって示される。図４は硝酸で酸化されたフィブリルが二重層寄与に匹敵する大きなプソイドキャパシタンスを有することを示している。
電気化学キャパシターでのナノファイバーの有用性の直接表示は、硫酸電解質中での酸化ナノファイバー電極のＡＣキャパシタンスの測定から生じる。図１のデバイスは約１．０ｇ／ccの密度を有する酸化（官能化）ナノファイバーマットから造った電極を用いて集成した。キャパシタンスと等価直列抵抗（ＥＳＲ）は方法ＤＯＤ−Ｃ−２９５０１に従って、６５×１０３〜１０−３Ｈｚの周波数範囲にわたって０ボルトと１．０ボルトのバイアスで１０ミリボルトのＡＣ信号を使用して室温で測定した。要約すると、低周波数、０ボルトのバイアスで３．２３Ｆのキャパシタンスが測定され、それは酸化された電極のナノファイバーについての８６Ｆ／ｇのキャパシタンスに相応している。このデバイスは、０ボルトのバイアスでは約２Ｈｚまでは及び１ボルトのバイアスでは約４Ｈｚまでの周波数では理想的な静電容量挙動を示した。等価直列抵抗は約０．１Ωであった。
測定されたキャパシタンスが有意なファラダイック成分を含有すると考えられる幾つかの理由が存在する：
１）  １ボルトのバイアス電位における測定キャパシタンスは０ボルトにおけるそれの約半分である。
２）  図４に示されるようなサイクリックボルタンメトリー。
３）  カーボンの「代表的」表面キャパシタンスは１０〜４０μＦ／cm２に及ぶが、基底面グラファイトのキャパシタンスはたった３μＦ／cm２であると測定されている（Ｊ．Ｐ．ランディンとＥ．イエーガー、ジャーナル  オブ  エレクトアナリナィカル  ケミストリー第３６巻第２５７頁（１９７２）（Randin, J.P. and Yearger, E., J. Electroanal. Chem. 36, 257 (1972)）；Ｊ．Ｐ．ランディンとＥ．イエーガー、同書の第５８巻第３１３頁（１９７５））；ナノチューブの表面は主として基底面グラファイトであると予想されるのである。
【００２０】
ナノファイバー系電気化学キャパシターの基本的利点が存在する。
第一に、図４のサイクリックボルタンメトリーに示されているように、全体的に微小孔が存在しないので２００ｍ２／ｇにわたって異常に利用可能な表面が提供される。従って、求めるものは、大抵の炭素系電極に特有のより大きい比表面積のより劣悪な利用に比べて２００ｍ２／ｇの１００％利用である。
また、高エネルギー密度の電気化学キャパシターデバイス用に電気接続（図示されてない）によって互いに接合されてもよいマルチセルスタック１０（図２）を形成するために、図１のキャパシターセルを反復することにより、似た層をもつ電極と隔離板から構成される追加のセルを造りだすことができる。個々のキャパシター電極は、図２に図解されているように、電気不導性であるがイオン伝導性の隔離板３によって互いに電気的に絶縁されている。セル内電圧差を維持するためには電気不導性は欠くことが出来ない。加えて、隔離板３はイオン伝導、電気化学キャパシターの内部抵抗の主な成分、を促進するのに十分な多孔性でなければならない。
セルを積み重ねてマルチセルスタック１０をつくる代わりに、電極を長くし、そして高エネルギー密度の電気化学キャパシターデバイスを提供するために図３に示されているように「ゼリーロール」２０の状態に巻くことができる。
好ましくは、「ゼリーロール」２０においては、電極は長さが約１００ｃｍであり、そして巾が約５ｃｍである。
加えて、ナノファイバーの段階でファラダイック寄与を改変するためにナノファイバーを表面処理することができ次いで簡単な濾過によって電極マットの状態に集成することができるという能力が存在する。このことは一度形成されたら本質的に誘導体化することが難しいエーロゲルやその他の高い表面積の炭素とは対照的である。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、電極は熱分解炭素質ポリマーの非常に薄い多孔性層で被覆されているナノファイバーから構成されてもよい。それから、薄いポリマー層に熱を適用してポリマーの非炭素成分を熱分解し、それによってポリマーの中の以前これら非炭素成分があったところに「細孔」が残される。非炭素ポリマー成分の熱分解によって残された細孔は増加した表面積を効率的に生み出す。ナノファイバーの有効表面積は「活性化」として知られるプロセスにより更に増加させてもよい。かかる高表面積ナノファイバーとその製造方法はハワード  テナント（Howard Tennent)とデービッド  モイ(David Moy)とチュン‐ミングニウ(Chun-Ming Niu)による「高表面積ナノファイバー、その製造方法、その使用方法及びそれを含有する製品（High Surface Area Nanofibers, Methods of Making, Methods of Using and Products Containing Same)」と題する同時出願された暫定出願第            号（ＣＭＳ包袋番号３７００７７−３６３０）に記載されており、それは本願明細書の中に組み入れられる。
理想的には表面基だけが関与するので、充電／放電の事象は急速であり、物理的不安定につながるかも知れない過剰の分子転位反応は回避される。従って、バッテリーのメカニズムとエネルギー密度の状況を侵害する間に、電気化学キャパシターのパワー密度と寿命の利点は維持される。
本発明の更に別の態様によれば、電極は互いにより合わされたカーボンナノファイバーからなる硬質の多孔性構造の形態にあるナノファイバーから成ってもよい。ナノファイバーが結合を形成するようにするか又はファイバーの交叉点で他のナノファイバーと接着されるようにすることによってナノファイバーの硬さは改良される。結合は、ナノファイバーの表面を結合を促進するように化学的に改変することにより、「接着」剤を添加することにより及び／又はナノファイバーを熱分解して連結点で融合又は結合を起こさせることにより、誘発させることができる。かかる構造とその製造方法は、ハワード  テナント（Howard Tennent)とデービッド  モイ(David Moy)とチュン‐ミング  ニウ(Chun-Ming Niu)による「硬質の多孔性カーボン構造、その製造方法、その使用方法及びそれを含有する製品（Rigid Porous Carbon Structures, Methods of Making, Methods of Using and Products Containing Same)」と題する同時出願された米国暫定出願第            号（ＣＭＳ包袋番号３７００７７−３４８０）に記載されており、それは本願明細書の中に組み入れられる。
【００２２】
本発明の更に別の態様によれば、異なるレドックス電位をもつ２つの電極４Ａ及び４Ｂが使用される。言い換えれば、ナノファイバーマット１Ａ及び１Ｂの各々は異なる官能基によって官能化されて異なるファラダイック特性をもつ非対称電極を形成する。有利には、ナノファイバー電極の一方はゼロ（標準水素電極、ＮＨＥ）に近いレドックス電圧を有する。
かかる非対称ファラダイックプソイドキャパシターは初期電圧がその官能基のレドックス電位の差であるときには純粋な二重層キャパシターのエネルギーの４倍まで蓄積することができる。これは、二重層キャパシターの平均電圧がその初期電圧の半分であり放電すると０ボルトになるからであり且つ二重層キャパシターデバイスの２つの電極が直列に連結した２つの別個のキャパシターとして作用するからである。従って、各々にかかる電圧はデバイス電圧のたったの半分である。
レドックス電位の差が１ボルトである表面基を担持し、デバイス重量の５０％が電極重量であると推定し、そして表面炭素６個当たり１個の官能基の負荷を有する２つの２００ｍ２／ｇの電極は、１５Ｗｈ／Kgの比エネルギーを達成するであろう。より高い表面積では、より低い負荷ですむであろう。
電極がデバイス重量の５０％を構成すると仮定し、１ボルトで測定した等価直列抵抗に基づいて、３３５０Ｗ／Kgのピークパワーが算出される。
フィブリルの比キャパシタンスは次の２つの方法で数倍に増加する：（１）高濃度のレドックス基によって官能化することができる熱分解炭素質ポリマーの非常に薄い多孔質層で被覆することによって有効表面積を増加させる; 及び（２）その中に（別個に）強い酸化又は還元電気を有するかかる基を組み入れる。理想的には、コンベンショナルバッテリーと違って、電極の表面での又は表面近くでのレドックス反応は相変化を伴わない。コンベンショナルバッテリーでは、一つの酸化状態から別の酸化状態への転化は一つの相の実質的に全てが別の相に転化されるまで理想的には唯一の電位で進行する（Ｂ，Ｅ．コンウェイの「電気化学エネルギー蓄積における‘スーパーキャパシター’から‘バッテリー’への挙動の転移」、ジャーナル  オブ  エレクトロケミカル  ソサイエティ第１３８巻第６号、１９９１年６月（B.E. Conway "Transition from 'Supercapacitor' to 'Battery' Behavior in Electrochemical Energy Storage, " J. Electrochem. Soc. Vol. 138, No. 6, June 1991)を参照、これは本願明細書中に組み入れられる)。本質的に、これは純粋キャパシターと再充電可能なバッテリーの間のハイブリッドをもたらすであろう。
【００２３】
好ましくは、酸化用半電池（half cell)は酸化されたナノファイバーに観察されるプソンドキャパシタンスの原因となると考えられるキノン／ヒドロキノン対である。もう一方の半電池は好ましくは、第４級化芳香族アミン類、又はメルカプタン‐ジスルフィド対を含有する：
【化１３】
2008205487.tif 000014
好ましくは、これら基を含有するポリマーは芳香環のラダーである：
【化１４】
2008205487.tif 000015
炭素質ポリマーはアセチレンの酸化カップリングと環化によって形成される。含窒素ラダーはシアノゲンの重合によって又は炭素質ポリマーの熱分解脱水素とその後のＮ2 との反応によって形成される（Ｇ．アーリ著炭素の素平衡化学、ワイリー、ＮＹ、１９８９年（Urry, G., Elementary Equilibrium Chemistry of Carbon, Wiley, NY 1989)）。ポリマーは既知の芳香族反応によって又は熱分解脱水素とその後のＯ２（同上の書物）、Ｓ２又は官能化されたアセチレンとの反応によって官能化される。
概括的には、粒子は官能化されたナノファイバー、即ち、その表面が一つ又はそれ以上の物質と反応又は接触してその上に様々な化学種の化学的置換又は物理的吸着のための活性サイトを付与されているナノファイバーである。
【００２４】
マッカーシー等の１９８９年５月１５日出願の米国特許出願第３５１，９６７号には、カーボンフィブリルの表面を酸化するための方法が記載されており、そこには、フィブリルの表面を酸化するのに十分な条件（例えば、時間、温度、及び圧力）下でフィブリルを酸化剤（硫酸Ｈ２ＳＯ４や塩素酸カリウムＫＣlＯ３も包含される）と接触させることも包含されている。マッカーシー等の方法に従って酸化されたフィブリルは不均一に酸化されており、即ち、炭素原子はカルボキシル、アルデヒド、ケトン、フェノール性の及びその他のカルボニル基の混合物によって置換されている。
ナノファイバーは硝酸による処理によっても不均一に酸化されてきた。国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９４／１０１６８号は官能基の混合物を含有する酸化フィブリルの形成を開示している。Ｍ．Ｓ．ホウゲンバード（Hoogenvaad) 等も（１９９４年、ベルギー、ブリュッセルにおける、不均一触媒の製造のための科学的基礎についての第６回国際会議（Sixth International Conference on Scientific Basis for the Preparation of Heterogeneous Catalusts）で呈示した「新規炭素支持体に支持された金属触媒（Metal Catalysts supported on a Novel Carbon Support)」）、フィブリルに支持された貴金属の製造においてはフィブリルをまず硝酸で酸化することが有益であることを見いだした。酸によるかかる前処理は炭素で支持された貴金属触媒の製造においては標準的な工程であり、かかる炭素の通常の源を与えられたときに、望ましくない材料の表面を清浄にするのと同じように、それを官能化することは有益である。
公開された研究において、マッカーシーとベニングは（ポリマー  プレプリント  ＡＣＳ  デビジョン  オブ  ポリマー  ケミストリー  第３０巻  第１号第４２０頁（１９９０年））、表面が様々な酸化された基から構成されたことを実証するために酸化フィブリルの誘導体を製造した。彼らが製造した化合物、フェニルヒドラゾン類、ハロ芳香族エステル類、第一タリウム塩、等々は、それらの分析有用性、例えば、鮮やかに着色すること、又は何らかのその他の強度及び容易に同定され区別されるしるしを有することを理由に、選ばれた。
【００２５】
官能化されたナノファイバー
有利には、ナノファイバーは官能化されたナノファイバー、即ち、それらに関連した官能性化学成分を有するように表面が均一又は不均一に修飾されているナノファイバー、である。ナノファイバー表面は酸化剤又はその他の化学物質との反応によって官能化されてもよい。ナノファイバー表面は化学反応によるか又は化学反応性をそれ自体有する種の物理吸着によるかどちらかによって均一に修飾されてもよい。ナノファイバー表面は例えば酸化によって修飾されてもよいし、そして他の官能基との反応によって更に修飾されてもよい。ナノファイバー表面はナノファイバーが様々な基質の中の化学基に化学的に反応又は物理的に結合することができるように官能基のスペクトルによって修飾されてもよい。
ナノファイバーの複合体構造はフィブリル上の官能基を或る範囲のリンカーの化学作用によって互いに連結させることによって得られる。
ナノファイバーはキャパシターの諸性質を向上させるように官能化されてもよい。官能化されたナノファイバー及びその製造方法は、１９９４年１２月８日出願の、官能化されたナノチューブ (FUNCTIONALIZED NANOTUBES) 、に関する米国特許出願第０８／３５２，４００号に記載されており、それは本願明細書中に組み入れられる。このナノファイバーは、次の式を有する好ましく官能化されたナノファイバーである：
2008205487.tif 000016
式中、
ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎより小さい数であり、ｍは０．５ｎより小さい数であり、
Ｒの各々は同一であって、
2008205487.tif 000017
から選ばれ、
ｙは３以下の整数であり、
Ｒ′はアルキル、アリール、ヘテロアルキル、シクロアルキル、アラルキル又はヘテロアラルキルであり、
Ｒ″はフルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル、フルオロアラルキル又はシクロアリールであり、
Ｘはハライドであり、そして
Ｚはカルボキシレート又はトリフルオロアセテートである。
炭素原子、Ｃｎは、ナノファイバーの表面炭素である。
【００２６】
ナノファイバーには、不均一に置換されたナノファイバーも包含される。また式
2008205487.tif 000018
（式中、ｎ、Ｌ、ｍ、Ｒ′及びＲは上記と同じ意味を有する）
を有する官能化されたナノファイバーも包含される。
均一に置換されているナノファイバー及び不均一に置換されているナノファイバーどちらにおいても、表面炭素Ｃn は反応されている。グラファイチックナノファイバーの表面層の中の大抵の炭素原子は、グラファイトにおいてそうであるように、基礎面炭素である。基礎面炭素は化学的攻撃に対して比較的不活性である。欠陥サイトには、例えば、グラファイト面がナノファイバーの周りに十分に延びることに失敗したところには、グラファイト面のエッジ炭素原子に類似した炭素原子が存在する（エッジ炭素及び基礎面炭素に関する議論については、アーリ著、炭素の素平衡化学、ワイリー、ＮＹ、１９８９年（Urry, Elementary Equilibrium Chemistry of Carbon, Wiley, New York 1989)を参照)。
欠陥サイトにおいては、ナノファイバーのもっと下の内層のエッジ又は基礎面の炭素が露出しているであろう。用語、表面炭素はナノファイバーの最外層の基礎面とエッジの全炭素ばかりでなく、最外層の欠陥サイトにおいて露出する下層の基礎面及び／又はエッジどちらの炭素をも包含する。エッジ炭素は反応性であり、そして炭素原子価を満たすために若干のヘテロ原子又は基を含有しなければならない。
【００２７】
上記の置換ナノファイバーは有利には更に官能化されてもよい。かかる組成物には、式
2008205487.tif 000019
〔式中、炭素はナノファイバーの表面炭素であり、ｎ、Ｌおよびｍは上記の通りであり、
Ａは
2008205487.tif 000020
から選ばれ、
Ｙは、タンパク質、ペプチド、酵素、抗体、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、抗原、又は酵素基質、酵素阻害物質又は酵素基質の遷移状態類似物、の適切な官能基であり、又は
2008205487.tif 000021
から選ばれ、
そしてｗは１より大きくかつ２００より小さい整数である〕
の組成物が包含される。
【００２８】
構造
2008205487.tif 000022
の官能性ナノファイバーは、式
2008205487.tif 000023
を有する組成物を生成するように官能化されてもよい。式中、ｎ、Ｌ、ｍ、Ｒ′およびＡは上記定義通りである。
本発明の粒子としては、或る種の環式化合物が吸着されているところのナノファイバーも挙げられる。これらには、式
2008205487.tif 000024
（式中、ｎは整数であり、Ｌは０．１ｎより小さい数であり、ｍは０．５ｎより小さい数であり、ａはゼロであるか又は１０より小さい数であり、Ｘは多核芳香族、ポリヘテロ核芳香族またはメタロポリヘテロ核芳香族の成分であり、そしてＲは上記の通りである）
の物質の組成物が包含される。
【００２９】
好ましい環式化合物は、コットンとウィルキンソンのアドバンスド  オーガニック  ケミストリー(Cotton and Wilkinson, Advanced Organic Chemistry)の７６頁に記載されている通りの平面状の巨大環式化合物である。吸着にとってより好ましい環式化合物はポリフィリン類およびフタロシアニン類である。
吸着された環式化合物は官能化されてもよい。かかる組成物としては、式
2008205487.tif 000025
（式中、ｍ、ｎ、Ｌ、ａ、ＸおよびＡは上記定義通りであり、そして炭素は上記の通り実質的に円筒状のグラファイチックナノファイバーの表面炭素である）
の化合物が挙げられる。
上記のように官能化されたカーボンナノファイバーはマトリックスの中に組み入れられてもよい。好ましくは、マトリックスは、有機重合体（例えば、熱硬化樹脂、例えば、エポキシ、ビスマレイミド、ポリアミド、またはポリエステル樹脂；熱可塑性樹脂；反応射出成形樹脂；又はエラストマー、例えば、天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、またはシス−１，４−ポリブタジエン）；無機重合体（例えば、ポリマー性無機酸化物、例えばガラス）、金属（例えば、鉛または銅）、またはセラミック材料（例えば、ポルトランド  セメント）である。
官能基は、カーボンナノファイバーと強い酸化剤とを、前記ナノファイバーの表面を酸化するのに十分な時間接触させ、そして更に前記ナノファイバーを酸化表面に官能基を付加するのに適する反応体と接触させることによって、カーボンナノファイバーの表面に導入されてもよい。好ましくは、酸化剤は強酸中のアルカリ金属塩素酸塩の溶液からなる。別の態様においては、アルカリ金属塩素酸塩は塩素酸ナトリウム又は塩素酸カリウムである。好ましい態様においては、使用される強酸は硫酸である。酸化のために十分な時間は約０．５時間〜約２４時間である。
カーボンナノファイバーの網目構造は、カーボンフィブリルと酸化剤を十分な時間接触させてカーボンナノファイバーの表面を酸化し、この表面酸化されたカーボンナノファイバーをカーボンナノファイバーの表面に官能基を付加するのに適する反応体と接触させ、そしてこの表面官能化されたナノファイバーをカーボンナノファイバーの網目構造を生成するのに有効な架橋剤と更に接触させることをによって、製造される。好ましい架橋剤はポリオール、ポリアミンまたはポリカルボン酸である。
【００３０】
官能化されたナノファイバーはナノファイバーの硬質網目構造の形態であってもよい。酸官能化ナノファイバーのよく分散された三次元網目構造は、例えば、酸基（インター‐フィブリル）をポリオールまたはポリアアミンによって交叉結合させて硬質網目構造を形成することによって安定化されてもよい。
ナノファイバー粒子としては、本発明の官能化されたナノファイバーを連結することによって形成された三次元網目構造も挙げられる。これら複合体として、直接結合又は化学成分からなる一つ又はそれ以上のリンカーによって連結された少なくとも２つの官能化ナノファイバーが挙げられる。これらの網目構造は顕著に一様な均等な孔径の多孔質媒体を構成する。
これらのナノファイバーの間の隙間は大きさ及び形状どちらにおいても不規則であるが、細孔として考えることができ、そして多孔質媒体を特徴付けるのに用いられる方法によって特徴付けることができる。かかる網目構造の中の隙間の大きさは、ナノファイバーの濃度及び分散度、及び架橋剤の濃度及び鎖長によってコントロールすることができる。
各々の場合に、ナノファイバーの表面に関連する官能基を付与するように、ナノファイバーの表面を化学的に修飾する方法及びナノファイバーの表面に種を物理的に吸着させる方法を説明する。
【００３１】
ナノファイバーを官能化する方法
本発明の官能化されたナノファイバーはスルホン化や、脱酸素されたナノファイバー表面への求電子付加や、メタレーションによって直接製造できる。アーク成長ナノチューブを使用する場合には、官能化に先立って長大な精製を必要とするかも知れない。エバスン等（ネーチャー第３６７巻第５１９頁（１９９４年))（Ebbesen et al. (Nature 367 519 (1994))は、かかる精製のための手順を与えている。
好ましくは、カーボンナノファイバーはそれらを官能化剤と接触させる前に加工される。かかる加工はナノファイバーを溶剤中に分散させることを包含するであろう。場合によっては、それから、カーボンナノファイバーは更なる接触に先立って濾過され乾燥される。
【００３２】
１．スルホン化
背景技術は次の文献に記載されている：Ｊ．Ｐ．マーチ、アドバンスド  オーガニック  ケミストリー、第３版、ワイリー、ニューヨーク、１９８５年；Ｈ．ホウス、モダーン  シンセティック  リアクションズ、第２版、ベンジャミン／カミングズ、メンロパーク、ＣＡ州、１９７２年（March, J.P., Advanced Organic Chemistry, 3rd Ed., Wiley, New York 1985; House, H., Mordern Synthetic Reactions, 2nd Ed., Benjamin/Cummings, Menlo Park, CA 1972)。
活性化されたＣ−Ｈ（芳香族のＣ−Ｈも含まれる）結合はＳＯ３を２０％まで含有する濃硫酸の溶液である発煙硫酸（oleum)を使用してスルホン化することができる。通常の方法は発煙硫酸を使用してＴ〜８０℃の液相によってである；しかしながら、活性化されたＣ−Ｈ結合は不活性な非プロトン性溶媒中のＳＯ３又は気相中のＳＯ３を使用してスルホン化することも可能である。反応は次の通りである：
2008205487.tif 000026
過剰反応は次の反応に従ってスルホンの生成を生じる：
2008205487.tif 000027
製造Ａ
ＳＯ３を使用してのＣ−Ｈ結合の活性化
反応は気相中と溶液中で行い、結果に有意差を生じなかった。気相反応はリンドバーグ炉によって加熱された水平アルミナ管反応器の中で行った。気体流入／流出管を装着した、濃硫酸中の２０％ＳＯ３を含有する多口フラスコを、ＳＯ３源として使用した。
磁製ボートの中のフィブリル（ＢＮまたはＣＣ）の秤量試料を、気体導入口を備えた１″管の中に入れた；流出口は濃硫酸バブラートラップ（bubbler trap)に接続した。反応器全体にアルゴンを２０分間フラッシュして全空気を除去し、そして試料を３００℃に１時間加熱して残留水分を除去した。乾燥後、アルゴン下で温度を反応温度に調節した。
【００３３】
所定温度が安定化したら、ＳＯ３源を反応管に接続し、そしてアルゴン流を使用してＳＯ３蒸気をアルミナ管反応器の中に送った。反応は所定温度で所定時間行い、その後で反応器をアルゴン流の下で冷却した。それからフィブリルを５″Ｈｇ真空で９０℃で乾燥して乾燥重量増加を得た。スルホン酸（−ＳＯ３Ｈ）含有量は０．０１０ＮのＮａＯＨとの反応および０．０１０ＮのＨＣｌによる逆滴定で終点としてｐＨ  ６．０を使用して求めた。
液相反応は温度計／温度コントローラー及び磁気攪拌機を装着した１００ｃｃの多口フラスコの中でＳＯ３２０％を含有する濃硫酸中で行った。濃硫酸（５０）の中のフィブリルスラリをフラスコに入れた。発煙硫酸溶液（２０ｃｃ）を反応器に加える前に〜６０℃に予め加熱した。反応後、酸スラリーを砕いた氷の上に注ぎ、そして直ちに１リットルの脱イオン水で希釈した。固体を濾過し、そして洗浄排出液のｐＨが変化しなくなる迄、脱イオン水で完全に洗浄した。フィブリルを５″Ｈｇ真空で１００℃で乾燥した。濾過での移し替えによる損失のせいで、正確な重量増加は観察されなかった。結果は表１に列挙されている。
【表１】
2008205487.tif 000028
気相または液相での反応によってスルホン酸含量に有意差はなかった。温度効果はあった。より高い温度の反応（気相）は、より高い量のスルホンを与える。１１８−６１Ｂでは、４．２％の重量増加はスルホン酸含量（理論値は０．５１ミリ当量／ｇであった）と一致した。実験６０Ａおよび６１Ａはスルホン酸含量によるだけと説明するには高すぎる重量増加を有した。従って、かなりの量のスルホンも製造されたと推定された。
【００３４】
２．無酸化フィブリル表面への付加
背景技術は次の文献に記載されている：Ｇ．アーリ著、炭素の素平衡化学、ワイリー、ＮＹ、１９８９年（Urry, G., Elementary Equilibrium Chemistry of Carbon, Wiley, New York 1989）。
フィブリルの中の表面炭素はグラファイトのように挙動する; すなわち、それらは基礎面炭素とエッジ炭素の両方を含有するヘキサゴナルシート（hexagonal sheet)の状態に配列されている。基礎面炭素は化学的攻撃に比較的不活性であるが、エッジ炭素は反応性であり、そして炭素原子価を満たすために若干のヘテロ原子または基を含有しなければならない。フィブリルは、基本的にエッジ炭素でありヘテロ原子または基を含有する表面欠陥サイトをも有している。
フィブリルの表面炭素に結合している最も普通のヘテロ原子は次のようなものである：水素、製造中の主な気体成分; 酸素、その高い反応性のせい及び微量のそれを回避するのが非常に難しいせい；及びＨ２Ｏ、それは触媒のせいで常に存在する。真空中での〜１０００℃における熱分解はメカニズムのわからない複雑な反応で表面を脱酸素するであろう。生成物はＣＯとＣＯ２である。得られたフブリル表面はＣ１−Ｃ４整列の中に基を含有しており、それら基は活性化されたオレフィンに対して非常に反応性である。表面は真空中で又は不活性気体の存在下で安定であるが、反応性気体に曝されるまではその高い反応性を維持する。従って、フィブリルは真空中又は不活性雰囲気下で〜１０００℃で熱分解され、これらの同じ条件下で冷却され、そして低温で適切な分子と反応して安定な官能基を与えることができる。代表的な例は次の通りである：
1000℃
フィブリル−Ｏ  ------→  反応性フィブリル表面（ＲＦＳ）＋ＣＯ＋ＣＯ２
それに続いて次の通り：
25℃− 200℃
ＲＦＳ＋ＣＨ２＝ＣＨＣＯＸ  ------→  フィブリル−Ｒ′ＣＯＸ
（ＸはＯＨ、−Ｃ１、−ＮＨ２、−Ｈ）
ＲＦＳ＋無水マレイン酸  --------→  フィブリル−Ｒ′(ＣＯＯＨ)２
ＲＦＳ＋シアノゲン    --------→  フィブリル−ＣＮ
ＲＦＳ＋ＣＨ２＝ＣＨ−ＣＨ２Ｘ  --------→  フィブリル−Ｒ′ＣＨ２Ｘ
（Ｘは−ＮＨ２、−ＯＨ、ハロゲン）
ＲＦＳ＋Ｈ２Ｏ  --------→  フィブリル＝Ｏ（キノイド性）
ＲＦＳ＋ＣＨ２＝ＣＨＣＨＯ ---→  フィブリル−Ｒ′ＣＨＯ（アルデヒド性）
ＲＦＳ＋ＣＨ２＝ＣＨ−ＣＮ  --------→  フィブリル−Ｒ′ＣＮ
ＲＦＳ＋Ｎ２  -------→  フィブリル  エッジ  Ｎ
ＲＦＳ＋Ｏ２  --------→  フィブリル  Ｃ＝Ｏ
但し、Ｒ′は炭化水素基（アルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキ
ル、アラルキル、ヘテロアラルキル、等）である。
【００３５】
製造Ｂ
アクリル酸と無酸化フィブリル表面との反応による
官能化されたフィブリルの製造
磁製ボートの中の１ｇの１００分の１のＢＮフィブリルを、熱電対を装着した水平の１″アルミナ管の中で入れ、そしてリンドバーグ管炉の中に置いた。端部に気体流入口／流出口を装着した。管を乾燥脱酸素アルゴンで１０分間パージした後に、炉の温度を３００℃に昇げて３０分維持した。その後で、アルゴンの連続流の下で、温度を１００℃増分で１０００℃まで昇げ、そしてそこに１６時間維持した。その後で、管をアルゴン流の下で室温（ＲＴ）に冷却した。次いで、アルゴンの流れを、５０℃の純粋な精製アクリル酸を含有し気体流入口／流出口を装着した多口フラスコの中を通過するようにそらした。アクリル酸／アルゴン蒸気の流れはＲＴで６時間継続した。その後、残留した未反応アクリル酸は、まずアルゴンによるパージによって、次いで＜５″の真空で１００℃で真空乾燥することによって除去した。カルボン酸含量は、過剰の０．０１０ＮのＮａＯＨと反応させそして０．０１０ＮのＨＣｌでｐＨ  ７．５の終点まで逆滴定することによって、測定した。
【００３６】
製造Ｃ
アクリル酸と無酸化フィブリル表面との反応による
官能化されたフィブリルの製造
手順は熱分解と冷却を１０−４トル真空で行ったこと以外は上記手順と同じように繰り返した。精製アルリル酸蒸気は上記手順におけるようにアルゴンで希釈した。
【００３７】
製造Ｄ
マレイン酸と無酸化フィブリル表面との反応による
官能化されたフィブリルの製造
手順はＲＴにおける反応体が精製した無水マレイン酸（ＭＡＮ）であり、それがアルゴン気体を８０℃の溶融ＭＡＮ浴に通すことによって反応器に供給されたこと以外は製造Ｂと同じように繰り返した。
【００３８】
調製Ｅ
塩化アクリロイルと酸化物の無いフィブリル表面の反応による官能化フィブリルの調製
室温の反応体が精製塩化アクリロイルであり、２５℃で純塩化アクリロイル上にアルゴンを通過させることにより反応容器に供給する以外は、調製Ｂの方法を繰り返した。塩化アクリロイル含有量の測定は、過剰の０．０１０ＮのＮａＯＨとの反応及び０．０１０ＮのＨＣｌによる逆滴定で行う。
真空中のフィブリルの熱分解は、フィブリル表面から酸素と水素を除去する。ＴＧＡ装置内で、真空又は精製Ａｒ流中で１０００℃で行う熱分解は、ＢＮフィブリルの３個のサンプルに対し平均３％の重量損失を与える。ガスクロマトグラフ分析では、ＣＯ、ＣＯ２と低分子量の炭化水素を検知したに過ぎない。得られた表面は極めて反応性であり、そしてアクリル酸、塩化アクリロイル、アクリルアミド、アクロレイン、無水マレイン酸、アリルアミン、アリルアルコール又はハロゲン化アリルのような活性オレフィンが、室温でも反応して活性オレフィンに結合した官能体だけを含む純粋生成物を生成する。カルボン酸だけを含有する表面は、アクリル酸又は無水マレイン酸との反応により得られ；酸塩化物だけを含むものは塩化アクリロイルとの反応で得られ；アルデヒドだけを含むものはアクロレインから得られ；ヒドロキシルだけを含むものはアリルアルコールから得られ；アミンだけを含むものはアリルアミンから得られ；そしてハロゲンだけを含むものはハロゲン化アリルから得られる。
【００３９】
３．メタル化
背景技術は、マーチのAdvanced Organic Chemistry、第３版、５４５頁に記載されている。
芳香族Ｃ−Ｈ結合は、種々の有機金属試薬を用いたメタル化によって、炭素−金属結合（Ｃ−Ｍ）を生成可能である。Ｍは、通常Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇ、ＡｌまたはＴｌであるが、他の金属も使用できる。最も単純な反応は、活性芳香族化合物における水素の直接置換である：
１.フィブリル−Ｈ  ＋  Ｒ−Ｌｉ--------→フィブリル−Ｌｉ  ＋  ＲＨ
反応は、さらに強塩基、例えばカリウムｔ−ブトキサイド又はキレート化ジアミンを必要とする。また、非プロトン性溶媒も必要である（パラフィン、ベンゼン）。
２．フィブリル−Ｈ  ＋  ＡｌＲ３--------→フィブリル−ＡｌＲ３  ＋  ＲＨ
３．フィブリル−Ｈ  ＋  Ｔｌ（ＴＦＡ）３--------→
フィブリル−Ｔｌ（ＴＦＡ）２  ＋  ＨＴＦＡ
ＴＦＡ＝トリフルオロ酢酸エステル  ＨＴＦＡ＝トリフルオロ酢酸
メタル化誘導体は、主要な単独官能化フィブリルの例である。しかし、これらのフィブリルは、さらに反応して別の主要な単独官能化フィブリルを与える。中間体を分離することなく同一容器中で引き続いて数種の反応が行われる。
４．フィブリル−Ｍ  ＋  Ｏ２--------→フィブリル−ＯＨ  ＋  ＭＯ
Ｍ＝Ｌｉ、Ａｌ
Ｈ＋
フィブリル−Ｍ  ＋  Ｓ--------→フィブリル−ＳＨ  ＋  Ｍ＋
フィブリル−Ｍ  ＋  Ｘ２--------→フィブリル−Ｘ  ＋  ＭＸ
Ｘ＝ハロゲン
触媒
フィブリル−Ｍ  ＋  ＣＨ３ＯＮＨ２・ＨＣｌ--------→
エーテル                          フィブリル−ＮＨ２＋  ＭＯＣＨ３
触媒
フィブリル−Ｔｌ（ＴＦＡ）２  ＋  ＮａＯＨ--------→フィブリル−ＯＨ
触媒
フィブリル−Ｔｌ（ＴＦＡ）２  ＋  ＮＨ３ＯＨ--------→
フィブリル−ＮＨ２  ＋  ＨＴＦＡ
フィブリル−Ｔｌ（ＴＦＡ）２  ＋  ＫＣＮ水溶液--------→
フィブリル−ＣＮ  ＋  ＴｌＴＦＡ  ＋  ＫＴＦＡ
フィブリル−ＣＮ  ＋  Ｈ２--------→
フィブリル−ＣＨ２−ＮＨ２
【００４０】
調製Ｆ
フィブリル−Ｌｉの調製
０．０１ｇのＣＣフィブリルを磁器性舟形容器に入れ、１インチのアルミナ管反応容器に挿入して、リンドバーグ管状炉に入れる。管の両端にガスの取入口と排出口をつける。Ｈ２の連続流下でフィブリルを７００℃で２時間加熱して全ての表面酸化物をＣ−Ｈ結合に変えた。その後、反応容器をＨ２を流しながら室温に冷却した。
水素化フィブリルを、乾燥した脱酸素ヘプタン（ＬｉＡｌＨ４と共に）と共に１リットルの多頚丸底フラスコに移す。このフラスコは、全空気を除去し不活性雰囲気を維持するための精製アルゴン浄化装置、凝縮器、マグネチック攪拌機と液体を注射器で添加するためのゴム隔膜を備えている。アルゴン雰囲気下で、ヘプタン中に５ｍｍｏｌのブチルリチウムを含有する２％溶液を注射器で添加し、スラリーを穏やかに還流しながら４時間攪拌した。この時間の最後に、アルゴン雰囲気のグローブボックス中で重力濾過により、フィブリルを分離し、濾紙上で乾燥した脱酸素ヘプタンを用い洗浄した。フィブリルを、止めコック付きの５０ccの丸底フラスコに移し、１０−４トールの真空下で５０℃で乾燥した。リチウム濃度の測定は、フィブリルサンプルと過剰量の０．０１０ＮのＨＣｌ溶解脱イオン水の反応及びＰＨ５．０を終点とする０．０１０ＮのＮａＯＨによる逆滴定により実施した。
【００４１】
調製Ｇ
フィブリル−Ｔｌ（ＴＦＡ）２の調製
０．０１ｇのＣＣフィブリルを調製Ｅのように水素化し、ＨＴＦＡと共に多頚フラスコに入れ、乾燥アルゴンによる浄化を繰り返して脱ガスした。ＨＴＦＡ中５ｍｍｏｌのＴｌ（ＴＦＡ）３の５％溶液をゴム隔膜を介してフラスコに添加し、スラリーを穏やかに還流しながら６時間攪拌した。反応後、フィブリルを集めて調製Ａのように乾燥した。
【００４２】
調製Ｈ
フィブリル−ＯＨの調製
（ＯＨ機能だけを含有する酸素化誘導体）
調製Ｆで調製したリチウム化フィブリル０．５ｇを、アルゴン雰囲気のグローブバッグ中で、乾燥した脱酸素ヘプタンと共に、止めコックと磁気攪拌子を備えた５０ccの単頚フラスコに移した。フラスコをグローブバックから取り出し、マグネチックスターラー上で攪拌した。止めコックを大気に対して開放し、スラリーを２４時間攪拌する。この時間の最後に、フィブリルを濾過により分離し、ＭｅＯＨ水溶液で洗浄し、５０℃で５インチの真空で乾燥した。ＯＨ基の濃度測定は、８０℃でジオキサン中の無水酢酸標準溶液（０．２５２Ｍ）との反応により、ＯＨ基を酢酸エステルに変換して行った。この反応では、反応無水物１モル当たり１等量の酢酸を放出する。ＰＨ７．５を終点とする０．０１０ＮのＮａＯＨを用いた滴定により、全酸量、遊離酢酸と未反応無水酢酸を測定した。
【００４３】
調製Ｉ
フィブリル−ＮＨ２の調製
０．０１ｇのタリウム化フィブリルを調製Ｇのように調製した。フィブリルをジオキサンに入れスラリーを作り、ジオキサンに溶解した０．５ｇのトリフェニルホスフィンを添加した。スラリーを５０℃で数分間攪拌し、続いて５０℃で３０分間に気体状アンモニアを加えた。その後、フィブリルを濾過分離しジオキサン中に続いて脱イオン水中で洗浄した後、８０℃で５インチの真空で乾燥した。アミン濃度の測定は、過剰量の無水酢酸との反応及び遊離酢酸と未反応無水物を０．０１０ＮのＮａＯＨによる逆滴定により実施した。
【００４４】
４．誘導された多環式芳香族、多複素環式芳香族と平面大環式化合物
フィブリルのグラファイト表面は、芳香族化合物を物理的に吸収する。吸引はファン・デア・ワールス力による。この力は、多環複素環式芳香族化合物と黒鉛表面の基底面炭素の間では相当なものである。脱着は、競合する表面吸着が起きる時、又は吸着物質が高溶解性である場合に起きる
【００４５】
調製Ｊ
フィブリル上へのポルフィリンとフタロシアニンの吸着
フィブリル上の物理的吸着に好適な化合物は、誘導されたポルフィリン又はフタロシアニンであり、これらはグラファイト又はカーボンブラック上に強力に吸着することで知られている。幾つかの化合物が入手可能であり、例えばテトラカルボン酸ポルフィリン、コバルト（II）フタロシアニン又はジリチウムフタロシアニンである。後者の２つはカルボン酸型に誘導可能である。
ポルフィリンとフタロシアニンのローデイング（roading)能力の測定は、これらを漸次添加する時の溶液の脱色で行うことが可能である。溶液の深い色（メタノール中のテトラカルボン酸ポルフィリンに対しては深い桃色、アセトン又はピリジン中のコバルト（II）又はジリチウムフタロシアニンに対しては暗青緑色）が、フィブリルの黒色表面に分子が吸着除去されるに従って消失する。
ローデイング能力をこの方法で評価し、誘導体の足跡を概略の測定（〜１４０平方Å）から計算した。２５０ｍ２／ｇのフィブリル平均表面積に対し、最大ローデイングは〜０．３ｍｍｏｌになる。
テトラカルボン酸ポルフィリンを滴定により分析した。周辺温度と高い温度の水性溶液系で色の放出によって完全吸着度を試験した。
フィブリルスラリーを最初に混合（ワーリングブレンダーを使用）し、ローデイング中攪拌した。色が放出されなくなった後に超音波をかけたが、効果は得られなかった。
ローデイング後、実験１６９−１１、−１２、−１４と−１９−１（表II参照）は、同一溶剤中で洗浄し、吸着された色素を除去した。全てサンプルが、洗浄液で連続的に弱い色を示したので、飽和点を正確に決定することが困難であった。実験１６８−１８と−１９−２は、ローデイングに計算量の色素を使用し、ローデイング後には極く軽く洗浄した。
テトラカルボン酸ポルフィリン（アセトンから）とＣｏフタロシアニン（ピリジンから）をフィブリル上にローデイングして、特徴を表示した（それぞれ、実験１６８−１８と−１９−２）。
【００４６】
テトラカルボン酸ポルフィリンの分析
過剰の塩基の添加（ＰＨ１１−１２）は、滴定中のスラリーを即座に桃色に着色させた。これは、滴定を妨害しなかったが、高ＰＨでポルフィリンが脱着したことを示した。カルボン酸濃度は、ＰＨ７．５の終点を用い過剰のＮａＯＨの逆滴定によって測定した。滴定は１．１０ミリ等量／酸１ｇのローデイング値、０．２７５ミリ等量／ポルフィリン１ｇに等しい値を示した。
【００４７】
コバルト又はジリチウムフタロシアニンの分析
これらの吸着物質の濃度は、脱色実験から評価した。３０分後に青緑色が褪色しない点を、飽和点と考えた。
多くの置換した多環式芳香族化合物と多複素環式芳香族化合物をフィブリル表面に吸着させた。堆積力の点からは、芳香環の数は、ペンダントの官能基当たり２環より多くなければならない。従って、３融合環を含む、置換アントラセン、フェナントレンなど、或いは、４又はそれ以上の融合環を含む多官能性誘導体は、ポルフィリン又はフタロシアニン誘導体の代わりに使用できる。同様に、キノリンのような置換芳香族複素環化合物、又は４又はそれ以上の環を含む多置換複素芳香族化合物も使用可能である。
表IIは、３つのポルフィリン／フタロシアニン誘導体に対するローデイング実験の結果を掲載する。
【表２】
2008205487.tif 000029
ＴＣＡＰｏｒｐｈ＝テトラカルボン酸ポルフィリン  （ｃａｌ）＝計算
ＤｉＬｉＰｈｔｈ＝ジリチウムフタロシアニン  （Ｔ）＝滴定
ＣｏＰｈｔｈ＝コバルト（II）フタロシアニン
【００４８】
５．塩素酸塩又は硝酸酸化
濃硫酸又は硝酸中の塩素酸カリのような強酸化剤によるグラファイトの酸化に関する文献には、Ｒ．Ｎ．スミス、Quarterly Review13、２８７（１９５９）；Ｍ．Ｊ．Ｄ．ロウ、Chem.Rev.60、２６７（１９６０）がある。一般に、稜炭素（欠陥位置を含む）が攻撃を受けて、カルボン酸、フェノールと他の酸化された基の混合物を与える。この機構は複雑であり、ラジカル反応を含んでいる。
【００４９】
調製Ｋ
塩素酸塩を用いたカルボン酸−官能化フィブリルの調製
ＣＣフィブリルのサンプルを濃硫酸中でスパチュラを使用して混合してスラリーを作り、ガス取入口／排出口と頭上式攪拌機を備えた反応フラスコに移した。攪拌を続け、アルゴンを徐々に流しながら、室温下で実験時間中に数回に別けてＮａＣｌＯ３を加えた。実験の全過程で塩素蒸気が発生し、これを反応器から排出してＮａＯＨ水溶液トラップ中に取り込んだ。実験の最終段階で、フィブリルのスラリーを砕氷の上に注ぎ、真空濾過した。濾過ケーキをソックスレー筒に移し、ソックスレー抽出器中で脱イオン水を用いて洗浄した。洗浄水は数時間おきに交換した。新規な脱イオン水を加えた時にフィブリルのサンプルが水のＰＨを変化させなくなる迄、洗浄を続けた。その後、フィブリルを濾過分離し、１００℃で５インチの真空で一夜乾燥させた。
サンプルを過剰量の０．０１０ＮのＮａＯＨと反応させ、ＰＨ７．５を終点として０．０１０ＮのＨＣｌを用いた逆滴定により、カルボン酸含有量の測定を行った。結果を表IIIに掲載する。
【表３】
2008205487.tif 000030
【００５０】
調製Ｌ
硝酸を用いたカルボン酸−官能化フィブリルの調製
秤量したフィブリルサンプルを、丸底多頚の窪みのある反応フラスコ中で、適切な強さの硝酸を用いてスラリーとした。このフラスコは頭上式攪拌機と水凝縮器を備えていた。一定の攪拌を続け、温度調節を行い、反応を特定時間実施した。酸強度に関係なく、温度が７０℃を越えると即座に、茶色の発煙があった。反応後、スラリーを砕氷の上に注ぎ、脱イオン水で希釈した。スラリーを濾過し、ソックスレー抽出器中で過剰の酸を洗浄除去した。この洗浄は、数時間毎に水溜まりを新鮮な脱イオン水で置き換えながら、スラリー状のサンプルが脱イオン水のＰＨに変化を与えなくなる迄、継続して実施した。フィブリルを１００℃で５インチの真空で一夜乾燥させた。秤量したフィブリルを標準０．０１０ＮのＮａＯＨと反応させ、０．０１０ＮのＨＣｌを用いた逆滴定によりカルボン酸含有量の測定を行った。表面の酸素含有量をＸＰＳを用いて測定した。水中の分散性を、０．１重量％の濃度で、ワーニングブレンダー中で高速で２分間混合して試験した。結果を表IVに掲載する。
【表４】
2008205487.tif 000031
【００５１】
６．官能化フィブリルの２次誘導体
カルボン酸−官能化フィブリル
正しくカルボン酸から調製可能な２次誘導体の数は本質的に無制限である。アルコール又はアミンは、酸と容易に結合して安定なエステル又はアミドを与える。アルコール又はアミンが、ジ−又はポリ−官能性分子の一部であるならば、Ｏ−又はＮＨ−を介した結合はペンダント基として他の機能部位を残す。代表的な２次試薬の例を以下に示す。
【表５】
2008205487.tif 000032
【００５２】
アルコール又はアミンを用いてカルボン酸をエステル化する又はアミノ化するために開発された如何なる方法を用いても、この反応を実施できる。それらの内、エステル又はアミドのためのアッシル化剤としてＮ，Ｎ’−カルボニルジイミダゾール（ＣＤＩ）を使用するＨ．Ａ．スターブ、Angew.Chem.Internat.Edit.、（１）、３５１（１９６２）の方法と、Ｎ−ヒドロキシサクシンイミドを使用してアミド化のためにカルボン酸を活性化するＧ．Ｗ．アンダーソンら、J.Amer. Chem.Soc. ８６、１８３９（１９６４）の方法を用いた。
【００５３】
調製Ｍ
官能化フィブリルの２次誘導体の調製
Ｎ，Ｎ'−カルボニルジイミダゾール
この方法には、純粋な乾燥非プロトン性溶剤（例えば、トルエン又はジオキサン）が必要である。化学量論量の試薬で十分である。エステル化の場合、カルボン酸化合物を、不活性雰囲気（アルゴン）下トルエン中で、トルエンに溶解した化学量論量のＣＤＩと室温で２時間反応させる。この間中、ＣＯ２が発生する。２時間後、触媒量のＮａエトキサイドと共に、アルコールを加え、８０℃で４時間反応を続ける。通常のアルコールの場合、収量は定量的である。反応は下記のように進行する：
１．Ｒ−ＣＯＯＨ＋Ｉｍ−ＣＯ−Ｉｍ--------→Ｒ−ＣＯ−Ｉｍ＋ＨＩｍ＋ＣＯ２
Ｉｍ＝イミダゾリド、ＨＩｍ＝イミダゾール
ＮａＯＥｔ
２．Ｒ−ＣＯ−Ｉｍ＋Ｒ’ＯＨ--------→Ｒ−ＣＯ−ＯＲ’＋ＨＩｍ
アミンのアミド化は、非触媒的に室温で起きる。この方法の第１段階は同一である。ＣＯ２の発生後、化学量論量のアミンを室温で加え、１−２時間反応させる。反応は定量的である。その反応は下記のようである：
３．Ｒ−ＣＯ−Ｉｍ＋Ｒ’ＮＨ２--------→Ｒ−ＣＯ−ＮＨＲ＋ＨＩｍ
Ｎ−ヒドロキシサクシンイミド
第１アミンを用いるアミノ化のためのカルボン酸の活性化は、Ｎ−ヒドロキシサクシナミルエステルを介して起きる；置換尿素として、カルボジイミドを用い放出水を結合させる。その後、ＮＨＳエステルは、第１アミンと反応して室温でアミドに変換する。反応は下記のようである。
１．Ｒ−ＣＯＯＨ＋ＮＨＳ＋ＣＤＩ--------→Ｒ−ＣＯＮＨＳ＋置換尿素
２．Ｒ−ＣＯＮＨＳ＋Ｒ’ＮＨ２--------→Ｒ−ＣＯ−ＮＨＲ’
シリル化
下記の式に従って、トリアルキルシリルクロライド又はトリアルキルシラノールは、酸性Ｈと直ちに反応する：
Ｒ−ＣＯＯＨ＋Ｃｌ−ＳｉＲ’３--------→Ｒ−ＣＯ−ＳｉＲ’３＋ＨＣｌ
少量のジアゾ−１，１，１，−ビシクロオクタン（ＤＡＢＣＯ）を触媒として使用する。適切な溶剤は、ジオキサンとトルエンである。
【００５４】
調製Ｎ
カルボン酸−官能化フィブリルからエステル／アルコール誘導体の調製
カルボン酸−官能化フィブリルを、調製Ｋのように調製した。カルボン酸含有量は０．７５ミリ等量／ｇであった。不活性雰囲気下でトルエンを溶剤として用い、室温でフィブリルを化学量論量のＣＤＩと、ＣＯ２の発生が終了するまで反応させた。その後、スラリーを８０℃で、１０倍モルの過剰のポリエチレングリコール（ＭＷ６００）と少量のＮａＯＥｔ触媒と反応させた。２時間の反応後、フィブリルを濾過分離し、トルエンで洗浄し、１００℃で乾燥した。
【００５５】
調製Ｏ
カルボン酸−官能化フィブリルからアミド／アミン誘導体の調製
（１７７−０４１−１）
セラム(serum)ストッパーを備えた１００mlの丸底フラスコ中で、０．２４２ｇの塩素酸塩−酸化フィブリル（０．６２ミリ等量／ｇ）を、攪拌しながら２０mlの無水ジオキサンに分散させた。２０倍モルの過剰のＮ−ヒドロキシサクシンイミド（０．２９９ｇ）を加え、溶解させた。その後、２０倍モルの過剰の１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）−カルボジイミド（ＥＤＡＣ）（０．５１０ｇ）を加え、室温で２時間攪拌を続けた。この時間の最終に、攪拌を停止し、浮遊物質を吸引排除し、固形物を無水ジオキサンとＭｅＯＨで洗浄した後、０．４５ミクロンのポリスルホンメンブラン上で濾過した。そのメンブラン濾紙上で追加のＭｅＯＨを用いて、固形物を洗浄し、重量減少がなくなる迄真空乾燥した。ＮＨＳ−活性化酸化フィブリルの収率は、観察された６重量％の増加をベースにして１００％であった。
１０mlの０．２ＭのＮａＨＣＯ３緩衝液に１００μＬのエチレンジアミン（ｅｎ）を加えた。同量の酢酸（ＨＯＡｃ）を加え、ＰＨを８付近に維持した。ＮＨＳ−活性化酸化フィブリル（０．３１０ｇ）を加え激しく攪拌して、１時間反応させた。追加の３００μＬのｅｎと３００μＬのＨＯＡｃをさらに１０分間に添加した。溶液を０．４５ミクロンのポリスルホンメンブラン上で濾過し、続いてＮａＨＣＯ３緩衝液、１％ＨＣｌ、脱イオン水とＥｔＯＨで洗浄した。固形物を真空下で１夜乾燥した。ＨＣｌ塩をＮａＯＨと反応させてフリーのアミンに変換し（１７７−０４６−１）、さらに分析と反応を行った。
ＥＳＣＡを実施してアミノ化フィブリル上に存在するＮの量を定量した（ＧＦ／ＮＨ２）。１７７−０４６−１のＥＳＣＡ分析は、０．９０ａｔ％Ｎを示した（１７７−０５９）。このＮ中のどの程度が受け入れ易く、反応性のアミン基として存在するかをさらに評価するために、気相反応によりペンタフルオロベンズアルデヒドと反応させて、誘導体を作り、利用可能な第１アミン基との相当するシッフ塩基結合を作成した。予想したように、ＥＳＣＡ分析は、０．９０ａｔ％Ｎと１．６８ａｔ％Ｆを示した。これは、アミノ化フィブリル上の反応性第１アミンとして存在するＮの０．３４ａｔ％に書き換える（ペンタフルオロベンズアルデヒド分子当たり５Ｆ）。０．４５ａｔ％Ｎは、各Ｎのフリー末端との完全な反応を推定して予想される。観察された水準は、ＮとＮＨＳ−活性化フィブリルの反応から極めて高収率を示唆し、利用可能なアミノ基の反応性を裏書きするものである。
ＥＳＣＡデータから計算され、フリーアミンとして存在する０．３４ａｔ％Ｎの水準では、フィブリルは、フリーアミン基により殆ど完全に被覆されていて、他の物質とのカップリングが可能になる。
【００５６】
調製Ｐ
カルボン酸−官能化フィブリルからシリル誘導体の調製
調製Ｋのように調製した酸−官能化フィブリルを、不活性雰囲気下でジオキサン中でスラリーとした。攪拌しながら、化学量論量のクロロトリエチルシランを加え、０．５時間反応の後、ＤＡＢＣＯの５％ジオキサン溶液の数滴を添加した。この系をさらに１時間反応させた後、濾過によりフィブリルを回収し、ジオキサン中で洗浄した。フィブリルを１００℃、５インチの真空で１夜乾燥した。
表Ｖは、２次誘導体の調製の概要を示す。生成物をＥＳＣＡ分析し、Ｃ、Ｏ、Ｎ、ＳｉとＦの表面濃度を求めた。
【表６】
2008205487.tif 000033
【００５７】
調製Ｑ
カルボン酸−官能化フィブリルからシリル誘導体の調製
調製Ｋのように調製した酸−官能化フィブリルを、不活性雰囲気下でジオキサン中でスラリーとした。攪拌しながら、化学量論量のクロロトリエチルシランを加え、０．５時間反応の後、ＤＡＢＣＯの５％ジオキサン溶液の数滴を添加した。この系をさらに１時間反応させた後、濾過によりフィブリルを回収し、ジオキサン中で洗浄した。フィブリルを１００℃、５インチの真空下で１夜乾燥した。
表VIは、２次誘導体の調製の概要を示す。生成物をＥＳＣＡ分析した。この分析は、所望のペンダント基の組込みを裏付けた。生成物をＥＳＣＡ分析し、Ｃ、Ｏ、Ｎ、ＳｉとＦの表面濃度を求めた。
【表７】
2008205487.tif 000034
【００５８】
スルホン酸−官能化フィブリル
調製Ａのように調製したアリールスルホン酸を更に反応させて２次誘導体を作成してもよい。スルホン酸は、ＬｉＡｌＨ４又はトリフェニルホスフィンとヨウ素の組合わせでメルカプタンに還元できる（マーチ、J.P.、p.１１０７）。これらは、ジアルキルエーテルとの反応によりスルホン酸エステルに変換できる、即ち：
フィブリル−ＳＯ３Ｈ  ＋  Ｒ−Ｏ−Ｒ--------→
フィブリル−ＳＯ２ＯＲ  ＋  ＲＯＨ
【００５９】
酸素のないフィブリル表面に対する求電子付与又はメタル化による官能化フィブリル
酸素のないフィブリル表面に対する活性化した求電子試薬を付加して得られる１次生成物は、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＣｌ、−ＣＮ、−ＣＨ２ＮＨ２、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＨ２−ハロゲン、又はＨＣ＝Ｏのペンダントを有する。これらの化合物は、下記のように２次誘導体に変換可能である：
フィブリル−ＣＯＯＨ--------→上を参照
フィブリル−ＣＯＣｌ（酸クロライド）＋  ＨＯ−Ｒ−Ｙ--------→
Ｆ−ＣＯＯ−Ｒ−Ｙ（Sec.４／５）
フィブリル−ＣＯＣｌ  ＋  ＮＨ２−Ｒ−Ｙ--------→Ｆ−ＣＯＮＨ−Ｒ−Ｙ
フィブリル−ＣＮ  ＋  Ｈ２--------→Ｆ−ＣＨ２−ＮＨ２
フィブリル−ＣＨ２ＮＨ２  ＋  ＨＯＯＣ−Ｒ−Ｙ--------→
Ｆ−ＣＨ２ＮＨＣＯ−Ｒ−Ｙ
フィブリル−ＣＨ２ＮＨ２  ＋  Ｏ＝ＣＲ−Ｒ’−Ｙ--------→
Ｆ−ＣＨ２Ｎ＝ＣＲ−Ｒ’−Ｙ
フィブリル−ＣＨ２ＯＨ  ＋  Ｏ（ＣＯＲ−Ｙ）２--------→
Ｆ−ＣＨ２ＯＣＯＲ−Ｙ
フィブリル−ＣＨ２ＯＨ  ＋  ＨＯＯＣ−Ｒ−Ｙ--------→
Ｆ−ＣＨ２ＯＣＯＲ−Ｙ
フィブリル−ＣＨ２−ハロゲン  ＋  Ｙ ---------→Ｆ−ＣＨ２−Ｙ  ＋  Ｘ -
Ｙ -＝ＮＣＯ -、−ＯＲ -
フィブリル−Ｃ＝Ｏ  ＋  Ｈ２Ｎ−Ｒ−Ｙ--------→Ｆ−Ｃ＝Ｎ−Ｒ−Ｙ
【００６０】
多環式又は多複素環式芳香族化合物、又は平面大環式化合物の吸着による官能化フィブリル
ジリチウムフタロシアニン
一般的に、２個のＬｉ＋イオンは、多くの金属錯体（特に多価の）によって、フタロシアニン（Ｐｃ）基から置換される。従って、安定な配位子と結合した金属イオンによるＬｉ＋イオンの置換は、フィブリル表面に安定な官能基を結合させる手段である。殆ど全ての遷移金属錯体は、ＰｃからＬｉ＋を置換して安定な、変化しないキレートを形成する。この点は、この金属を安定な配位子と結合させる。
【００６１】
コバルト（II）フタロシアニン
コバルト（II）錯体は特にこれに適している。Ｃｏ＋＋イオンは、２個のＬｉ＋イオンと置換して、極めて安定なキレートを形成する。Ｃｏ＋＋イオンは、ニコチン酸のような配位子に配位結合する。このニコチン酸はペンダントのカルボン酸基をつけたピリジン環を含有し、該カルボン酸基はピリジン基に優先的に結合することで知られている。過剰量のニコチン酸の存在で、コバルト（II）Ｐｃは、電気化学的に酸化されてコバルト（III）Ｐｃになり、ニコチン酸のピリジン部位と安定な錯体を形成する。このように、ニコチン酸配位子の遊離カルボン酸基は、フィブリル表面に堅く結合する。
その他の好適な配位子は、アミノピリジン又はエチレンジアミン（ペンダントＮＨ２）、メルカプトピリジン（ＳＨ）、又は一端にアミノ−或はピリジル部位、他端に所望の機能を含んだ他の多官能性配位子である。
【００６２】
７．３次元構成物
酸化フィブリルは、非酸化フィブリルに比較して水性媒体に容易に分散される。メソ−及びマクロ細孔（細孔＞２ｎｍ）をもつ安定な、多孔性３次元構成は、触媒又はクロマトグラフ担体として大変有用である。フィブリルは個別の規模で分散するので、架橋により安定化された高分散性サンプルがこのような担体を構成する。官能化フィブリルは水性媒体又は極性媒体中に容易に分散し、且つ機能部位が架橋点を提供する故、官能化フィブリルはこのような用途に対して理想的である。さらに、機能部位は、触媒の又はクロマトグラフの部位を保持する点を提供する。最後に得られる結果は、精密な３次元構成物であり、活性な薬剤を保持する官能部位を受け入れ得る全表面積を有している。
触媒担体としての代表的な応用は、含浸作成した金属触媒、例えば貴金属水素化触媒のための超多孔性担体の用途がある。さらに、構造体の超微細孔と結びついた機能部位により鎖で分子触媒を担体に固定する能力は、不均一系で均一反応を行うことを可能にする。鎖で結ばれた分子触媒は、均一系反応体と同様に連続液相中では本質的にダングリング（dangling)しており、均一系反応に付属する選択性と速度の利点を利用できる。しかし、固体の担体に鎖で結ばれていることは、活性、且つ多くの場合極めて高価な触媒の分離と回収を容易にしている。
これまで、これらの安定で精密な構成物は、担体に適切な鏡像異性触媒又は選択的支持体を堆積することにより、不斉合成又はアフィニテイ・クロマトグラフのような、極めて困難な反応を実施可能にした。また、金属−Ｐｃ又は金属−ポルフィリン錯体を経た誘導は、金属イオンに結合した配位子、及び２次誘導体を経て配位子に結合した分子の回復を可能にしている。例えば、官能化フィブリルの３次元構成物が電極又は電極の一部であり、且つ機能部位がＣｏ（II）Ｐｃの吸着に由来する場合、ニコチン酸の存在下でのＣｏ（II）からＣｏ（III）への電気化学的酸化は、ペンダント基としてカルボン酸をもった安定なＣｏ（III）−ピリジル錯体を生成する。適切な抗原、抗体、触媒的抗体、又は他の部位特定補足剤と結合することは、分子の選択的分離（アフィニテイクロマトグラフ）を可能にし、この選択的分離はこれ以外では達成が極めて困難である。電極を洗浄して吸着物質を除去した後、標的分子を含有するＣｏ（III）錯体を電気化学的に還元して不安定なＣｏ（II）に戻す。標的分子を含有するＣｏ（II）上の配位子は、不安定なＣｏ（II）配位子の質量作用の交代現象により復元され、分子の分離と回収を効果的に行うことができ、さもなくば実施に際し極めて困難又は極めて高費用である（例えばキラルドラッグ）。
３次元構成物の他の例はフィブリル−セラミック複合体である。
以上の説明及び例示によって説明したように、本発明は広範囲の官能化ナノファイバーの作成に適用できる。
使用した用語と表現は、説明のために用いたものであって、このような用語と表現を使用したことで、それらの部分として示し且つ説明した特性をもつ均等物を除外することを意図していない。種々の変性が本発明の範囲内で可能であることを認識すべきである。
【００６３】
本発明の好適な実施態様の説明
ナノファイバーは、表面処理を変更することにより調製できる。ナノファイバーの湿式酸化の２システムを例証する：塩素酸塩酸化及び硝酸酸化。これらの内で、酸の強さと温度が変更できる。
ナノファイバー表面にレドックス基の生成が特に好適である。キノン及びヒドロキノンが、ナノファイバーの存在下で適切な溶剤から吸着又は沈殿により沈積可能である。新種の構成物と表面被覆手段がフィブリルから得られ、これを電極に組立てる。
処理ナノファイバーのスラリーを単純に濾過することにより、電極を組立てられる。厚みは、経験に基づき密度を予測して、使用材料の量と形態により調節できる。自己支持フェルトを得るためには厚みの調節が必要になることがある。ナノファイバーと従来ファイバーのスラリーから得た複合電極も使用できる。
電極の特性は、循環式電圧電流測定、電導度と直流静電容量測定で明らかにできる。
酸化還元電位差がゼロに近いファラデイック電極を作成するために、酸化還元電位差がゼロに近い表面基を導入する。このような表面基は、好ましくはジサルファイドと４級アミンを包含する。サルファイドと適切なアミンは、好ましくはフィブリルの存在下で吸着又は沈殿させて、マット状に組立てる。
【００６４】
実施例
機器
天秤：オース  型式Ｅ１２０
周波数応答分析器（ＦＲＡ）：シュランベルガー  型式１２５０
電位差調節器：ＥＧ＆Ｇ  型式２７３
デジタルマルチメーター：ケイスレイ  型式１９７
ＲＣＬモーター：フィリップスＰＭ６３０３
【００６５】
実施例−１
秤量したフィブリルサンプルを、頭上式攪拌機と水凝縮器を備えた丸底多頚式の窪んだ反応フラスコに入れ、適切な強さの硝酸を用いてスラリーとした。一定の攪拌を続けながら、温度調節を行い、決められた時間反応させた。酸の強さに無関係に、温度が７０℃を越えた直後に茶色の発煙が認められた。反応後、スラリーを砕氷上に注ぎ、脱イオン水で希釈した。スラリーを濾過し、そしてソックスレー抽出器を用いて、数時間毎に水溜めを新鮮な脱イオン水と置き換えながら、スラリーサンプルが脱イオン水のＰＨと同一になるまで、過剰の酸を洗浄除去した。フィブリルを１００℃で５インチの真空で一晩中乾燥した。
１．３ｇの乾燥フィブリルを新鮮な脱イオン水を用いてスラリーとなし、直径７cmの濾紙を用いて濾過して、酸化フィブリルの薄いシートを作成した。
このフィブリルシート材料を１７０−４２と分類し、脱イオン水に浸漬し、その後直径０．７３インチの円板に打ち抜いた。これを８５℃で約１時間乾燥した後に秤量した。平均重量は０．０７４ｇであった。この円板を、約８５℃に保った３８重量％の硫酸に一晩中浸漬した後、セル組立てまでは２５℃の酸溶液に保存した。数対の円板を用いて、シングルセル電気化学コンデンサーを作成した。コンデンサーは、０．００１インチ厚さの多孔質隔離板を用いて水浸し条件で評価した。打ち抜き円板を用いて３つの独立したシングルセルコンデンサーを組立てヽ試験した。
１０オームと１００オームの充電抵抗器を用いて、ＤＯＤ−Ｃ−２９５０１に記載された試験方法に従って、静電容量を測定した。
ＤＯＤ−Ｃ−２９５０１に従い、０−Ｖバイアス、１ＫＨｚで、ＥＳＲを測定した。また、漏れ電流もこの方法で測定した。
各テストコンデンサーの複合インピーダンスを、ＦＲＡと電位差調節器を用いて、室温で測定した。測定は、周波数範囲６５×１０３Ｈｚ−約１×１０-３Ｈｚにわたって０−Ｖと１−Ｖで行った。この周波数範囲は、容量性の反応が現れた時には、範囲を広げた。
【００６６】
各テスト考案装置の静電容量とＥＳＲ測定を、最初に組立て直後に、そして各装置を評価する時間にわたり周期的に行った。一般的に、静電容量は時間と共に増加し、ＥＳＲは一定であった。結果を表VIIに示す。続けて行った測定結果もこの表に掲載した。
【表８】
2008205487.tif 000035
インピーダンスデータを用いて、テストコンデンサー“ａ”に対して、等価回路モデルを導いた。図５は、分巻抵抗器と直列誘導器をもつ、シングル−タイム−コンスタント(single-time-constant)ＲＣモデルを表している。回路素子値を表VIIIに掲載した。
【００６７】
本テストコンデンサーの低周波、０−Ｖバイアス静電容量は、約３．２３Ｆであり、電極静電容量は約６．４Ｆであった。電極質量が０．０７４ｇである故、材料は約８６Ｆ／ｇの低周波比静電容量であった。有意義にも、この考案装置は、０−Ｖバイアスでは約２Ｈｚの周波数まで、そして１Ｖバイアスでは約４Ｈｚまでの理想的な静電容量反応を示した。
【表９】
2008205487.tif 000036
時間と共に静電容量チャージングのドリフト(drift)が、３つのテスト考案装置に全て認められた。その方向は一貫して上方であり、装置“ｃ”では約４０％に達した。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明のキャパシターの概略図である。
【図２】スタック構成における図１のキャパシターの概略図である。
【図３】図１のキャパシターの巻いたロール構成の概略図である。
【図４】未処理のグラファイチックナノファイバー又は酸化されたグラファイチックナノファイバーどちらかから造った対称電極を使用しての０．０５Ｍの硫酸中でのサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）曲線を示すグラフである。
【図５】キャパシターの電気的性能を表す等価回路図である。
【図１】
2008205487.tif 000057
【図２】
2008205487.tif 000058
【図３】
2008205487.tif 000059
【図４】
2008205487.tif 000060
【図５】
2008205487.tif 000061