(57)【要約】【課題】水素貯蔵能力の高い炭素材料を提供する。【解決手段】炭素材料表面に、Ａｇ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる１種以上の金属及びＰｄを含む合金を被覆する。炭素材料としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、活性炭、及びフラーレンから選ばれる１種以上を含むことが好ましい。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料表面に、Ａｇ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる１種以上の金属及びＰｄを含む合金が被覆されていることを特徴とする金属被覆炭素材料。
【請求項２】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、活性炭、及びフラーレンから選ばれる１種以上を含むことを特徴とする、請求項１記載の金属被覆炭素材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来公知の炭素材料と比較して、優れた水素貯蔵能力を有する炭素材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素は、燃焼によって二酸化炭素が発生しないクリーンな燃料として注目され、水素を燃料として使用するための水素の貯蔵・運搬に関する材料・方法の開発が数多く行われている。
【０００３】
水素を貯蔵する方法として、高圧ガスボンベによる水素貯蔵・運搬方法が一般的であるが、装置の重量が大きくなり、かつ装置の単位体積当たりの貯蔵可能な水素量に実用上限界があるという欠点を有する。水素を効率よく貯蔵・運搬することができる材料として、水素吸蔵合金が公知である。しかし、水素吸蔵合金はそれ自身の重量が大きいという欠点を有し、特に車載用の水素貯蔵・運搬に適した、いっそう軽量かつ水素貯蔵能力の高い材料が求められている。
【０００４】
水素貯蔵能力を有する軽量な材料として、活性炭、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の炭素材料を水素貯蔵材料として利用するための検討が行われてきた。しかし、分子状水素を吸着させる場合の、これら炭素材料の水素の貯蔵能力は必ずしも高いものではなく、かつ、常温では水素は吸着されずに、ほとんど放出されてしまう。例えば、カーボンナノチューブは、液体窒素温度付近で、カーボンナノチューブの質量に対し、数％の水素貯蔵能力を有することが明らかにされているが、室温付近では水素は放出され、水素貯蔵材料としては実質的に機能しないことが明らかにされている。この欠点を改良するための方法として、例えば、特開平１０−７２２０１号公報には、多孔質炭素材料の表面に、水素分子を水素原子に分離させる能力を有する金属又は合金の被膜を形成した材料が、良好な水素貯蔵能力を有することが開示されている。また、同様に分子状水素を原子状水素に解離させて炭素材料に貯蔵するための技術として、特開２００１−１４６４０８号公報には、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の炭素材料の内壁面あるいは外壁面に水素分子を水素原子に分離させる触媒を担持した材料、及びその材料にさらにアルカリ金属をドーピングした材料が、高い水素貯蔵能力を有し、かつ室温でも水素を貯蔵できることが開示されている。
【０００５】
上記公知の方法において、分子状水素を原子状水素に解離させるために、炭素材料表面へ担持し、又は表面を被覆する触媒としての金属は、特開平１０−７２２０１号公報では、白金、パラジウム、マグネシウム、チタン、マンガン、ランタン、バナジウム、ジルコニウム、水素吸蔵合金が、また、特開２００１−１４６４０８号公報では、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕ等の元素が示されている。しかし、上記公報中で実際に用いられた金属は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｕ、Ａｕ−Ｎｉであり、Ａｇ等及びＰｄを含む特定の合金を炭素材料表面へ担持、又は表面を被覆した場合に、その炭素材料の水素貯蔵能力が、特に顕著に向上することは知られていなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高い水素貯蔵能力を有する炭素材料を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属被覆炭素材料は、炭素材料に、Ａｇ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる１種以上の金属及びＰｄを含む合金が被覆されていることを特徴とする。
【０００８】
さらに、上記炭素材料が、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、活性炭、フラーレンから選ばれた１種以上を含むことが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は炭素材料に水素を貯蔵させることに基づくものであり、炭素材料の表面に、Ａｇ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる１種以上の金属及びＰｄ（以下「Ａｇ等及びＰｄ」という。）を含む合金を被覆した金属被覆炭素材料が高い水素貯蔵能力を有することを発見したことに基づき完成したものである。なお、本明細書中で使用する「被覆」の語は、炭素材料表面の全部又は一部を金属が覆っていることを意味するものであり、金属が炭素材料表面の一部を覆っている場合は、覆っている金属表面領域が連続している場合及び不連続な多数の領域を含む場合を包含する。
【００１０】
また、本明細書中の「水素貯蔵能力が優れる」とは、材料に水素を吸着させ、さらにこの水素を放出させたときに、より多くの水素量を放出できることをいうが、一般的には、材料に吸着した水素は適当な条件を選択することによって、そのほとんどを放出することができるため、多くの水素を吸着できる材料ほど、水素貯蔵能力は高いといえる。
【００１１】
本発明において「炭素材料」の語は、本質的に、ダイヤモンドを除く炭素同素体を意味するものとして用い、具体的には、グラファイト、活性炭、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー等を含む概念として用いるが、一部酸化等の反応により炭素以外の元素を含有するものも含む。
【００１２】
炭素材料に、Ａｇ等及びＰｄを含む合金を被覆することによって、高い水素貯蔵能力を有する材料を得ることができる。
【００１３】
Ａｇ等及びＰｄを含む合金で被覆する炭素材料は、公知の炭素材料を全て用いることができるが、水素は炭素材料の表面に吸着されると考えられることから、比表面積の大きな炭素材料が特に好ましい。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、フラーレン等のいわゆるカーボンナノ材料や、活性炭を用いることが好ましく、これらの２種以上の混合物を用いることもできる。カーボンナノチューブは、単層ナノチューブ、多層ナノチューブを含む。カーボンナノチューブの製造法としては、アーク放電法、レーザーアブレーション法、炭化水素触媒分解法が知られているが、本発明で用いるカーボンナノチューブはいずれの方法で製造したものも用いることができる。
【００１４】
この炭素材料の表面に被覆する合金は、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれる１種以上の金属、及びパラジウム（Ｐｄ）を含む合金が好ましく、特にＡｇ及びＰｄの合金を用いることが好ましい。好ましい合金の組成は、Ｐｄに対して、Ａｇ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる１種以上の金属を５〜５０モル％、さらに好ましくは１５〜３０モル％、特に好ましくは２０〜２５モル％添加した合金であり、この組成の合金を炭素材料に被覆した場合に、特に高い水素貯蔵能力を有する金属被覆炭素材料が得られる。本発明で用いるＰｄを含む合金は、分子状水素を原子状水素に解離し、さらに解離した原子状水素を炭素材料へ速やかに移動することができるため、この合金を被覆した金属被覆炭素材料が高い水素貯蔵能力を有すると考えられる。
【００１５】
上記のＰｄを含む合金で炭素材料表面を被覆するためには、公知の金属製膜方法を使用することができるが、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を使用することが好ましい。炭素材料の表面積に対する金属被膜の面積の割合、及び、この金属被膜の厚み等は、金属を被覆して得られる炭素材料の水素貯蔵量を測定することにより、最も水素貯蔵量が多くなるよう最適化することができる。
【００１６】
本発明の金属被覆炭素材料は、特開２００１−１４６４０８号公報に記載されている、アルカリ金属のドーピングにより水素貯蔵能力をさらに高めることができる。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム等を用いることが好ましく、特にリチウムが、原子半径が小さいために炭素材料に入り込みやすいことから好ましい。アルカリ金属のドーピングは炭素材料に金属被覆をする前でも、金属被覆をした後でも可能であるが、炭素材料表面の金属被覆面積を多くする場合は、金属被覆をする前にドーピングすることが好ましい。ドーピングは、例えば、不活性雰囲気中で減圧下、アルカリ金属を加熱蒸発させ、この金属蒸気に炭素材料又は金属被覆炭素材料を接触させることによって行うことができる。アルカリ金属のドーピングの量は、任意の量を選択できるが、好ましくはドーピングする炭素材料又は金属被覆炭素材料の炭素原子数に対し、１／６以下の原子数が好ましい。
【００１７】
本発明のＰｄ及びＡｇ等を含む合金を被覆した金属被覆炭素材料は、室温を超える温度においても、高い水素貯蔵能力を有し、水素貯蔵材料として有用である。この金属被覆材料を水素貯蔵材料として用い、温度及び圧力を制御することによって、水素吸蔵及び水素放出を行わせることができる。
【００１８】
以下、本発明を具体例に基づいて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１９】
【実施例】
〔製造例〕
炭化水素触媒分解法によって製造されたカーボンナノチューブに、スパッタリング法を使用してＡｇ−Ｐｄ合金を被覆した。被覆に用いたＡｇ−Ｐｄ合金は、Ｐｄのモル数に対して、Ａｇを１５、２０、２３、２７、３０モル％添加した５種類の合金であり、それぞれの合金を被覆したカーボンナノファイバーを製造した。カーボンナノチューブへのＡｇ−Ｐｄ合金の被覆量は、カーボンナノチューブに対して、約０．２質量％であった。
【００２０】
〔比較製造例〕
上記製造例と同様の方法により、Ｐｄを被覆した金属被覆カーボンナノチューブを製造した。カーボンナノチューブへのＰｄ被覆量は、質量で約０．２％であった。
【００２１】
〔実施例〕
以下の測定は、上記製造例及び比較製造例で製造した、Ａｇ含有量の異なる各合金又はＰｄを被覆したカーボンナノファイバーそれぞれについて行った。耐圧容器に、上記製造例及び比較製造例で製造した金属被覆カーボンナノチューブを入れ、５００℃において、常圧の水素ガスに接触させ、水素を吸着させた。その後、容器を６００℃に加熱し、常圧で水素を放出させた。５００℃、常圧における水素吸着後、及び６００℃、常圧における水素放出後の、金属被覆カーボンナノチューブの質量の差から、この２つの条件における水素貯蔵量の差を測定した。得られた結果をグラフ１に示す。水素の量は、合金を被覆したカーボンナノチューブに対する質量％で表した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
この結果から、Ａｇ−Ｐｄ合金を被覆したカーボンナノファイバーは、Ｐｄを被覆したカーボンナノファイバーよりも大きな水素貯蔵能力を有し、水素貯蔵材料として適していることがわかる。さらに、特定のＡｇ含有量を有するＡｇ−Ｐｄ合金が、特に水素貯蔵能力に優れている。
【００２４】
【発明の効果】
炭素材料表面に、Ａｇ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる１種以上の金属及びＰｄを含む合金を被覆することによって得られた金属被覆炭素材料は、優れた水素貯蔵能力を有し、常温以上の温度でも水素を貯蔵することができる。さらに、上記炭素材料として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、活性炭、及びフラーレンから選ばれる１種以上の材料を用いて得られる金属被覆炭素材料は、比表面積を大きくでき、かつ軽量であって、水素の貯蔵・運搬に用いる材料として優れている。