(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質材料生成室を画成する反応管内に、炭素系材料で構成されたアノードと、該アノードと対向し該アノードとの間でアーク放電部を規定する炭素系材料で構成されたカソードとを配置し、
該アノード及びカソード間に電圧を供給してアーク放電がなされ、該アーク放電部で炭素質材料が生成される炭素質材料の製造方法において、
アーク放電の際に、該アーク放電部に向って触媒を含有したガスを供給することを特徴とする炭素質材料の製造方法。
【請求項２】
該触媒を含有したガスは、有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の炭素質材料の製造方法。
【請求項３】
該触媒を含有したガスは、不活性ガスと触媒ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の炭素質材料の製造方法。
【請求項４】
該触媒を含有したガスは、不活性ガスと有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の炭素質材料の製造方法。
【請求項５】
該アノードは、触媒を含有しない炭素系材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の炭素質材料の製造方法。
【請求項６】
該反応管内の該触媒を含有したガスは、所定方向に流されることを特徴とする請求項１記載の炭素質材料の製造方法。
【請求項７】
炭素質材料生成室を画成する反応管と、
該反応管内に配置され炭素系材料で構成されたアノードと、
該反応管内に該アノードと対向して設けられ、該アノードとの間でアーク放電部を規定する炭素系材料で構成されたカソードと、
該アノード及びカソード間にアーク放電を発生させるために、該アノード及び該カソードに接続された電流供給部とを備えた炭素質材料の製造装置において、
該反応管には該アーク放電部に向って触媒を含有したガスを供給するための触媒含有ガス供給部が設けられていることを特徴とする炭素質材料の製造装置。
【請求項８】
該アノードは、触媒を含有しない炭素系材料で構成されていることを特徴とする請求項７記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項９】
該触媒を含有したガスは、有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項７記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項１０】
該触媒を含有したガスは、不活性ガスと触媒ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項７記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項１１】
該触媒を含有したガスは、不活性ガスと有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項７記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項１２】
該反応管内の該触媒を含有したガスを所定方向に流すための流量制御手段が該反応管に接続して設けられており、該触媒含有ガス供給部は、該アーク放電部の少なくとも上流側に位置していることを特徴とする請求項７記載の炭素質材料の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は炭素質材料の製造方法及び製造装置に関し、特にアーク放電を利用して単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料を製造する炭素質材料の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、１９９１年に、Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３５４（１９９１）５６において、飯島により初めて報告された新しい材料である。特に、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）は、いわゆるカイラリティ（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）と呼ばれる螺旋の巻き方に因り、電子物性が金属的性質から半導体的性質まで変化することが理論的に分かっており、次世代の電子材料として有望視され、ナノエレクトロニクス材、電界電子放出エミッタ、高指向性放射源、軟Ｘ線源、一次元伝導材、高熱伝導材、水素貯蔵材等への応用が考えられている。又、表面の官能基化、金属被覆、異物質内包により、カーボンナノチューブの応用範囲は更に広がると思われる。
【０００３】
単層カーボンナノチューブをはじめとする炭素質材料を製造する装置としては、図７に示されるような装置が従来より知られている。この装置には、カソード１１４とアノード１１３とが設けられており、これらアノード１１３とカソード１１４との間にアーク放電を発生させることによって、炭素質材料の製造が行われる。
【０００４】
具体的には、炭素質材料の製造装置１０１には反応管１１１が設けられており、反応管１１１の内部には、アノード１１３とカソード１１４とが僅かな隙間を隔てて対向配置されている。アノード１１３は正極側の電流導入端子１４２に電気的に接続されており、カソード１１４は負極側の電流導入端子１４１に電気的に接続されている。これら２つの電流導入端子１４１、１４２は、反応管１１１の外部に設けられた図示せぬ電流供給部に電気的に接続されており、アノード１１３、カソード１１４に電圧を印加可能に構成されている。アノード１１３とカソード１１４とが互いに対向する先端間でアーク放電部が規定される。アーク放電部は、反応管１１１の軸方向の略中央に位置している。
【０００５】
アノード１１３は、触媒を含有するカーボンにより構成されている。触媒は、具体的には、Ｆｅ、Ｎｉ等であり、アーク放電を発生することによって単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料を製造する際に用いられる。カソード１１４は、触媒を含有しない純粋なカーボンのロッドにより構成されている。アノード１１３は、アーク放電部において単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料を製造するときに原料として用いられるため消耗する。この消耗により、アノード１１３とカソード１１４との間の隙間が広がりアーク放電が生じなくなってしまうことを防止するため、カソード１１４とアノード１１３との間の隙間は、常に一定に保たれるように構成されている。即ち、カソード１１４と対向しているアノード１１３の一端に対する反対側の他端は、アノード１１３をアノード１１３の長手方向に移動可能とする直線運動導入機構１１６によって支持されている。
【０００６】
反応管１１１には図示せぬ貫通孔が形成されており、図示せぬ貫通孔には、図示せぬ不活性ガス注入器が接続されている。図示せぬ不活性ガス注入器によって、反応管１１１内部をＨｅやＡｒ等の不活性ガスで充満可能に構成されている。図示せぬ貫通孔は、開閉可能に構成されており、不活性ガスが反応管１１１内に供給された後、アーク放電時に閉じられる。
【０００７】
アノード１１３は、カーボンを粉状に粉砕し、粉状のカーボンにＦｅ、Ｎｉ等の触媒金属の粉体を混ぜたものを、棒状に成形し、更に、焼成、加工することによって製造される。カソード１１４は、カーボン塊がそのまま棒状に成形されて製造される。次に、アノード１１３とカソード１１４とを、炭素質材料の製造装置１０１内部にセットし、一旦、反応管１１１内部を真空する。その後に、図示せぬ不活性ガス注入器によって反応管１１１内部を不活性ガスで充満し、図示せぬ貫通孔を閉じて、反応管１１１内部と大気とを遮断する。そして、アーク放電を行い、触媒金属の触媒作用よりアノード１１３を構成するカーボンを原料として単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料の製造を行う。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の炭素質材料の製造方法及び製造装置１０１では、上述のように、触媒金属を含有するアノード１１３を製造するのに多大な手間と費用を要していた。即ち、カーボンロッドでアノード１１３を構成する場合には、上述のように、先ずカーボンを粉状に粉砕し、粉状のカーボンに触媒金属の粉体を混ぜたものを、アノードの形状に成形し、更に、焼成、加工しなければならなかった。このため、炭素質材料の製造装置１０１の効率的な製造とコストダウンとを妨げるという重大な問題が生じており、結果的に、単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料の効率的な製造とコストダウンとを妨げていた。
【０００９】
そこで本発明は、低いコストで炭素質材料を製造することができる炭素質材料の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、炭素質材料生成室を画成する反応管内に、炭素系材料で構成されたアノードと、該アノードと対向し該アノードとの間でアーク放電部を規定する炭素系材料で構成されたカソードとを配置し、該アノード及びカソード間に電圧を供給してアーク放電がなされ、該アーク放電部で炭素質材料が生成される炭素質材料の製造方法において、アーク放電の際に、該アーク放電部に向って触媒を含有したガスを供給する炭素質材料の製造方法を提供している。
【００１１】
ここで、該触媒を含有したガスは、有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【００１２】
又、該触媒を含有したガスは、不活性ガスと触媒ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【００１３】
又、該触媒を含有したガスは、不活性ガスと有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【００１４】
又、該アノードは、触媒を含有しない炭素系材料で構成されていることが好ましい。
【００１５】
又、該反応管内の該触媒を含有したガスは、所定方向に流されることが好ましい。
【００１６】
本発明は、更に、炭素質材料生成室を画成する反応管と、該反応管内に配置され炭素系材料で構成されたアノードと、該反応管内に該アノードと対向して設けられ、該アノードとの間でアーク放電部を規定する炭素系材料で構成されたカソードと、該アノード及びカソード間にアーク放電を発生させるために、該アノード及び該カソードに接続された電流供給部とを備えた炭素質材料の製造装置において、該反応管には該アーク放電部に向って触媒を含有したガスを供給するための触媒含有ガス供給部が設けられている炭素質材料の製造装置を提供している。
【００１７】
ここで、該アノードは、触媒を含有しない炭素系材料で構成されていることが好ましい。
【００１８】
又、該触媒を含有したガスは、有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【００１９】
又、該触媒を含有したガスは、不活性ガスと触媒ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【００２０】
又、該触媒を含有したガスは、不活性ガスと有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【００２１】
又、該反応管内の該触媒を含有したガスを所定方向に流すための流量制御手段が該反応管に接続して設けられており、該触媒含有ガス供給部は、該アーク放電部の少なくとも上流側に位置していることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による炭素質材料の製造方法及び製造装置について図１乃至図３に基づき説明する。
【００２３】
炭素質材料の製造装置１は、主として単層カーボンナノチューブを製造する。図１に示されるように、炭素質材料の製造装置１は、略筒状の反応管１１及び電流供給部１２を有し、反応管１１は、略筒状をした左側反応管１１Ａと右側反応管１１Ｂとの２つの部分から構成されている。従って、反応管１１は、左側反応管１１Ａと右側反応管１１Ｂとに分離可能に構成されており、後述の捕獲器２３から単層カーボンナノチューブを取出しやすい構造となっている。反応管１１は石英からなり、耐熱性に優れ、化学的に安定な性質を持つ。
【００２４】
左側反応管１１Ａの内部には、棒状のアノード１３とカソード１４とが設けられている。アノード１３及びカソード１４は、純粋なカーボンにより構成されている。アノード１３、カソード１４の直径は、それぞれ１０ｍｍ、１５ｍｍである。アノード１３とカソード１４とは同一線上に配置されており、アノード１３の一端１３Ａとカソード１４の一端１４Ａとは、僅かな隙間を隔てて対向配置されている。アノード１３の他端１３Ｂは、電流供給部１２の正極に電気的に接続されており、カソード１４の他端１４Ｂは、電流供給部１２の負極に電気的に接続されており、アノード１３、カソード１４に電流を供給することによって、アノード１３の一端１３Ａとカソード１４の一端１４Ａとの間にアーク放電を発生可能に構成されている。図示せぬ切換スイッチにより、電極の極性を逆にすることもできるように構成されており、アノード１３の位置とカソード１４の位置とを逆にしてアーク放電を発生させることもできるように構成されている。アノード１３とカソード１４とが互いに対向する先端間でアーク放電部が規定される。アーク放電部は、左側反応管１１Ａの軸方向の略中央に位置している。
【００２５】
アノード１３は、単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料の製造する際に炭素質材料の原料として用いられるため消耗する。この消耗により、アノード１３とカソード１４との間の隙間が広がることによりアーク放電が生じなくなってしまうことを防止するため、アノード１３とカソード１４との間の隙間は、常に一定に保たれるように構成されている。即ち、アノード１３の他端１３Ｂは、直線運動導入機構１６によって支持されており、アノード１３をアノード１３の長手方向に移動可能としている。カソード１４の他端１４Ｂは、カソード１４を移動不能に支持する支持部材１５によって支持されている。
【００２６】
反応管１１の両端は、反応管１１の端部を覆う蓋体１１Ｃ、１１Ｄがそれぞれ設けられており、反応管１１内を大気から遮断する。反応管１１の両端は円形をしているため、反応管１１の両端を覆う蓋体１１Ｃ、１１Ｄの形状も円形をしている。反応管１１の一部であって、蓋体１１Ｃからアーク放電部の方へ少し寄った位置には、ガスを反応管内に供給するための供給管１７が設けられており、供給管１７の内部は反応管１１の内部に連通している。
【００２７】
供給管１７は、図２に示されるように、左側反応管１１Ａの周面の接線方向に延出して設けられている。従って、左側反応管１１Ａ内に供給されるガスも、反応管１１の接線方向から供給される。このため、供給されたガスは、図２に矢印で示されるように、反応管１１内で螺旋流となり、螺旋流のままアーク放電部に供給されるように構成されている。
【００２８】
供給管１７の一部には、流量制御手段たる供給管フローメータ１８（図１）が設けられており、反応管１１と接続されている供給管１７の一端に対する他端には、図示せぬガス供給部が設けられている。図示せぬガス供給部は、不活性ガス、又は触媒ガスと有機ガスとの混合ガスを選択的に供給可能に構成されている。触媒ガスとしては、具体的には昇華した状態のフェロセンが使用される。不活性ガスとしては、ヘリウムガスが使用される。有機ガスは、アノードをなすカーボンと共に、生成される単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料の原料をなし、メタンガス単体が使用される。供給管フローメータ１８は、供給管１７内を流れ反応管１１内に供給される混合ガスの流速を調節可能に構成されている。反応管１１内のガスの最大流量は５Ｌ／ｍｉｎである。
【００２９】
左側反応管１１Ａ内のアーク放電部に、生成される炭素質材料の原料たる有機ガスが供給されるため、アノードが炭素質材料の原料として用いられる比率が低くなり、アノードの消耗を大幅に減じることができる。又、反応管１１内のアーク放電部に触媒ガスが供給されるため、触媒とカーボンと混合してアノードを構成する必要がなくなり、アノード製造の手間とコストとを低減することができ、単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料を安価で容易に製造することができる。
【００３０】
又、螺旋流のままアーク放電部にガスが供給されるため、アーク放電部において触媒ガスや有機ガスが均一に供給され、均一な放電を得ることができ、安定した質の炭素質材料の生成を確保することができる。
【００３１】
右側反応管１１Ｂの一部であって蓋体１１Ｄからアーク放電部の方へ少し寄った位置には、反応管内からガスを排出するための排出管１９が設けられており、排出管１９の内部は反応管１１の内部に連通している。排出管１９の一部には、排出管フローメータ２０が設けられており、反応管１１と接続されている排出管１９の一端に対する他端には、ポンプ２１が設けられている。ポンプ２１は、負圧によって反応管１１内部のガスを吸引することによって、反応管１１内部のガスを反応管１１内部から排出可能に構成されている。排出管フローメータ２０は、ポンプ２１による吸引力を調節可能に構成されている。
【００３２】
円形をした蓋体１１Ｄの中央には、反応管１１の軸方向、即ち、アーク放電部に向かって延出する棒状の捕獲器支持部材２２が設けられている。蓋体１１Ｄと接続されている捕獲器支持部材２２の一端に対する他端には、アーク放電部で生成された単層カーボンナノチューブ等を含む炭素質材料を捕獲するための捕獲器２３が設けられている。捕獲器２３は、黒鉛ロッドからなり、円柱形状をし、その長手方向の一端が捕獲器支持部材２２に接続されている。捕獲器２３は、右側反応管１１Ｂ内部であって右側反応管１１Ｂの軸方向の略中央からアーク放電部寄りの所定の位置までの部分に位置している。この位置は、供給管１７から供給されるガスの流れに着目すれば、アーク放電部よりも下流側であり、これに対して供給管１７の設けられている位置は、アーク放電部よりも上流側である。アーク放電部で生成される炭素質材料には、Ｗｅｂ状サンプル、アモルファス状カーボン、黒鉛、触媒が含まれるが、この順に密度が大きくなる。この密度の違いに着目し、ガスの流量を適当な値とすることにより、下流側に設けられた捕獲器２３でＷｅｂ状サンプルのみを選択的に得ることができるように構成されている。捕獲器２３に捕獲された単層カーボンナノチューブを取出す際には、左側反応管１１Ａと右側反応管１１Ｂとを分割して取り出すことができるように構成されている。
【００３３】
右側反応管１１Ｂ内部の捕獲器２３に捕獲された炭素質材料を加熱するために、捕獲器２３が設けられている位置に対して、右側反応管１１Ｂの外周を巻回するようにＲＦヒーター２４が設けられている。捕獲された炭素質材料を、捕獲器２３に捕獲されたままの状態で、ＲＦヒーター２４により加熱することができるため、得られた炭素質材料を大気に曝すことなく精製処理することができる。このため、触媒に含まれるＦｅ等の不純物を酸化することなく除去することことができ、且つ、結晶性の悪い単層カーボンナノチューブを再配列し結晶性の良い単層カーボンナノチューブとすることができ、炭素質材料中の単層カーボンナノチューブの比率を、効率よく高めることができる。
【００３４】
反応管１１の径は、図１及び図３に示されるように、全ての部分において均一となってはおらず、部分的に径の小さい縮径部１１Ｅを有している。即ち、反応管１１の左端部からアーク放電部に向かって供給管１７の設けられている位置を過ぎた辺りまでは、径の大きい大径部１１Ｆが同一径で続いているが、この位置から、径の小さな縮径部１１Ｅとなりアーク放電部に至り、ガスの流れ方向下流側の捕獲器２３が設けられている直前まで縮径部１１Ｅは続く。縮径部１１Ｅとなっている部分はその区間内で同一径である。捕獲器２３の直前から再び反応管１１の左端部と同一の大径部１１Ｇとなり、排出管１９の設けられている位置を過ぎて反応管１１の右端部へと至る。この大径部１１Ｇも区間内では同一径である。縮径部１１Ｅの径は、３０ｍｍであり、大径部１１Ｆ、１１Ｇの径は５０ｍｍである。このように、大径部１１Ｆ、１１Ｇ、縮径部１１Ｅは、反応管内の雰囲気ガスの対流を防止できる程度に小さく構成されている。
【００３５】
又、アーク放電部の位置において反応管１１の径が細い縮径部１１Ｅとなっており、縮径部１１Ｅの断面積が、供給管１７の設けられている大径部１１Ｆの断面積よりも小さいため、原料ガスたる有機ガスを図３の矢印に示されるように、効率的にアーク放電部に収束させることができ、安定した原料ガスの供給を行うことができる。このため、アーク放電部で有機ガスが希薄になることを防ぐことができ、安定した放電が可能となり、安定して炭素質材料を生成することができる。
【００３６】
又、アーク放電部を過ぎて捕獲器２３の直前まで縮径部１１Ｅとなっているため、反応管１１内を流れるガス流速を高めることができ、アーク放電部と捕獲器２３との間の反応管１１の内周面部分に、生成した炭素質材料が付着してしまうのを極力防ぐことができ、効率よく捕獲器２３にて炭素質材料を捕獲することができる。
【００３７】
又、捕獲器２３の直前の位置において大径部１１Ｇとなっており、捕獲器２３の周囲を流れるガスの流速を低下させることができるため、生成した炭素質材料が捕獲器２３に捕獲されずに通過してしまうのを極力防ぐことができる。
【００３８】
次に、単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料の製造方法について説明する。炭素質材料の製造に先立ち、先ず、アノード１３が製造される。即ち、カーボン塊を棒状に削り、アノード１３、カソード１４のそれぞれの形状とする。
【００３９】
次に、アノード１３、カソード１４を直線運動導入機構１６、支持部材１５にそれぞれセットし、一旦、反応管１１内を１０−１Ｐａ以下に真空引きする。そして、反応管１１内部に、図示せぬガス供給部から供給管を介して不活性ガスを供給し、反応管１１内を約６６．７ｋＰａ（５００Ｔｏｒｒ）にする。その後、不活性ガスの供給を止め、アーク放電部においてアーク放電を発生させ、図示せぬガス供給部から触媒ガスと有機ガスとの混合ガスを供給し、これと同時に、ポンプ２１を動作させて反応管１１内のガスを排出し、反応管１１内にガスの流れを生じさせる。混合ガス中の触媒ガスの比率は、触媒ガスが５０ｗｔ％である。この間、反応管１１内の気圧は約６６．７ｋＰａに保たれ、アーク放電を行う時間は３０分間である。このときガスは、供給管１７から左側反応管１１Ａの内周面接線方向に供給されるため、反応管１１内部、特にアーク放電部において螺旋流となっている。又、アーク放電部の位置においては反応管１１の径が小さい縮径部１１Ｅとなっているため、原料ガスたる有機ガスと触媒ガスとの混合ガスを効率的にアーク放電部に収束させている。この状態で、単層カーボンナノチューブ等を含む炭素質材料がアーク放電部において生成され、有機ガスと触媒ガスとの混合ガスの流れによって捕獲器２３へと搬送される。
【００４０】
アーク放電が終了した後に、反応管１１内を１０−１Ｐａ以下に真空引きし、この状態で、捕獲器２３によって捕獲された炭素質材料を、ＲＦヒーター２４によって加熱する。加熱温度、時間は、１１００℃で３０分間である。以上の製造工程によって、純度の高い単層カーボンナノチューブが、高効率で製造される。
【００４１】
次に、本発明による炭素質材料の製造方法及び装置について実験を行った。実験では、本実施の形態における炭素質材料の製造装置１を用いて、反応管１１内に供給される混合ガス中の触媒ガス（フェロセン）の比率の変化に対する炭素質材料の回収量と、回収された炭素質材料中に含まれるＦｅの含有量とを調べることにより行った。このＦｅは、触媒ガスたるフェロセン中に含まれていたＦｅであり、生成された単層カーボンナノチューブに含まれる不純物である。この実験では、触媒ガスの比率に対する不純物Ｆｅの量を明らかにするため、捕獲器２３に捕獲された炭素質材料に対してＲＦヒーター２４による加熱は行わなかった。
【００４２】
【表１】
0004724929.tif 000002
【００４３】
表１に示されるように、触媒の比率が２％と低いときには、炭素質材料の回収量は０．９ｇと少ない。触媒の比率を４％、２０％と高めてゆくにつれて炭素質材料の回収量は１．８ｇ、２．０ｇと多くなる。しかし、触媒の比率を５０％、５５％と高めても、回収量は２．１ｇより増加しない。一方、回収された炭素質材料中の不純物Ｆｅの含有量は、触媒の比率が高くなるに従い多くなる。従って、触媒の比率が５０％、５５％と高くなると、回収された炭素質材料中の単層カーボンナノチューブの比率が低くなってしまうことになる。以上より、混合ガス中の触媒ガスの比率は４〜５０％が適当であることが分かる。この範囲内で炭素質材料を製造し、回収した炭素質材料についてＴＥＭ観察を行った結果、図４に示されるように、純度の高い単層カーボンナノチューブが多量に含まれているのが観察された。
【００４４】
本発明による炭素質材料の製造方法及び製造装置は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、本実施の形態では、触媒ガスと有機ガスとの混合ガスとしたが、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスと触媒ガスとの混合ガスとしてもよく、触媒ガスと有機ガスと不活性ガスとの混合ガスとしてもよい。
【００４５】
又、触媒ガスとして、フェロセンを昇華させたものを用いたが、フェロセンに代えてフェロセン以外の他のメタロセン、即ち、フェロセン中のＦｅに代えてＮｉを有するニッケロセンや、Ｆｅに代えてＣｏを有するコバルトセン（Ｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｃｏｂａｌｔ）等を用いてもよく、又、これらを混合したもの、例えば、フェロセンとニッケロセンとを混合したもの等を用いてもよい。
【００４６】
又、アノード１３、カソード１４は純粋なカーボンにより構成されたが、予めＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の触媒を含有しているような材料を用いてアノードを製造する場合には、これらの触媒をカーボンロッドからわざわざ除去する必要はなく、そのまま使用してよい。
【００４７】
又、反応管内に供給される有機ガスとしては、メタンガス単体を用いたが、メタン、エタン、ブタン等のアルカン類のガスの単体または混合物でもよい。これらが特に好ましいが、これらに代えて、アルケン類、アルキン類、芳香族等の有機ガスの単体又は混合物を用いることができる。
【００４８】
又、不活性ガスとしては、ヘリウムガスに代えてアルゴンガス、ネオンガス等を用いてもよい。
【００４９】
又、混合ガスの比率は、触媒ガスを５０ｗｔ％としたが、４〜５０％の範囲内であればよい。
【００５０】
又、反応管１１は石英により構成されたが、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、タンタル、モリブデン等により構成されてもよい。即ち、溶接可能であり、耐熱性が高く、化学的に安定であり、高周波の影響を受けない物質であればよい。又、反応管１１の一部であってアーク放電部周辺の位置のみをこれらの物質で構成するようにしてもよい。
【００５１】
又、ＲＦヒーター２４に代えて電気炉又は赤外炉を設けて、捕獲器２３に捕獲された単層カーボンナノチューブを含む炭素質材料の加熱を行ってもよい。
【００５２】
又、ＲＦヒーター２４による加熱をアーク放電が終了してから行ったが、アーク放電を行うのと同時に加熱してもよい。このようにすることによって、単層カーボンナノチューブ等の炭素質材料を短時間で製造することができる。
【００５３】
又、アーク放電が行われているときの反応管１１内の気圧を６６．７ｋＰａ（５００Ｔｏｒｒ）としたが、約１３．３〜３３３．３ｋＰａ（１００〜２５００Ｔｏｒｒ）の範囲内であればよい。
【００５４】
又、ガスを供給する供給管１７を反応管１１に１つだけ設けたが、図６に示されるように、複数接線方向に設けてもよい。この場合でも、供給管を、アーク放電部よりもガスの流れ方向上流側の位置に設ける。さらに、複数の種類の異なるガスを、それぞれ別個に独立して各供給管から反応管内に供給するようにして、反応管内で複数のガスを混合するようにしてもよい。又、各供給管にはそれぞれフローメータを設けて、各供給管から供給されるガスの流速をそれぞれ速度ｖ１、速度ｖ２として異なるようにすれば、反応管内で発生する混合ガスの螺旋流を強力にすることができ、第１の管で第１のガスを、第２管で第２のガスを流すといったことが可能となるので、両者の配合の制御が容易となるばかりか、反応管にガスを導入する前に第１のガスと第２のガスとを混合させておくという手間を省略できる。更に、第１のガスと第２のガスとが混ざり易くなり、混合ガスの均質性を高めることができる。
【００５５】
又、ガスを供給する供給管１７は、反応管１７の周面の接線方向に延出して設けられていたが、このことに加えて、アーク放電部から捕獲器へと向かう方向に対して鋭角に延びて反応管に接続されるようにしてもよい。このようにすれば、反応管内で発生する混合ガスの螺旋流の、下流方向への流速を速くすることができる。
【００５６】
又、上述した混合ガスの螺旋流をより良好に形成するために、反応管よりも径の小さい内管が、反応管内に反応管と同軸的に配置されていてもよい。この内管は、少なくとも供給管が設けられている位置に設けられる。
【００５７】
又、反応管１１の縮径部１１Ｅを、アーク放電部の位置から捕獲器２３の直前までの位置としたが、アーク放電部の位置のみを縮径部としてもよい。
【００５８】
又、反応管１１の一部であって捕獲器２３の周辺を大径部１１Ｇとしたが、この部分も縮径部として、縮径部１１Ｅを右側反応管１１Ｂ全体に延長するような形状にしてもよい。
【００５９】
又、捕獲器２３に捕獲された炭素質材料の加熱を真空下で行ったが、減圧下で行ってもよく、又、真空下、減圧下以外の状態で行ってもよい。
【００６０】
又、反応管１１のアーク放電部近傍には、アーク放電の状態を監視するための窓を設けてもよい。
【００６１】
又、ガスを供給する供給管１７は、反応管１７の周面の接線方向に延出して設けられていたが、どの様な方向に延出するようにしてもよい。
【００６２】
又、反応管１１に縮径部１１Ｅを設けたが、縮径部を設けなくてもよい。
【００６３】
又、本実施の形態による炭素質材料の製造装置は、ＲＦヒーター２４を有していたが、ＲＦヒーター２４を設けずに、捕獲器及び捕獲器支持部材に冷却機構を設けてもよい。冷却機構を設けることにより、捕獲器に捕獲された炭素質材料を短時間で冷却することができるため、炭素質材料の生成後、直ぐに炭素質材料を反応管内から取出すことができる。
【００６４】
具体的には、図５に示されるように、反応管１１の他端に設けられた蓋体１１Ｄ′には、反応管１１の軸方向に貫通する貫通孔が形成されており、貫通孔には、二重管をなす捕獲器支持部材２５が貫通した状態で設けられている。従って、捕獲器支持部材２５の一部は、反応管１１内部に位置している。捕獲器支持部材２５の一端であって反応管１１内に位置している側の端部には、捕獲器２６が設けられている。捕獲器２６の内部は、捕獲器支持部材２５の外管の内周と内管の外周とで画成される空間に連通する空間と、捕獲器支持部材２５の内管の内周により画成される空間に連通する空間とが形成されている。これら２の空間は互いに連通している。この構成により、捕獲器支持部材２５の端部であって捕獲器２６が設けられていない側から、内管の内周により画成させる空間に冷却水が注入されると、冷却水は、内管の内周により画成される空間を通過して捕獲器２６内に到達し、捕獲器を冷却し、捕獲器支持部材２５の外管の内周と内管の外周とで画成される空間へ流込み、捕獲器支持部材２５の他端から排出されるように構成される。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１記載の炭素質材料の製造方法によれば、アーク放電の際にアーク放電部に向って触媒を含有したガスを供給するので、アノードを触媒を含有させずに製造することができる。よって、従来のように粉砕カーボンと粉体状の触媒とを混合、成形、焼成、加工してアノードを製造するという手間が大幅に縮減され、これらの製造が簡単となる。
【００６６】
請求項２記載の炭素質材料の製造方法によれば、触媒を含有したガスが有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであるため、アーク放電による炭素の消費が有機ガスによって補われるので、アノードの消費量が減り、長期に亘ってのアーク放電が可能となり、且つ、アノードを触媒を含有させずに製造することができる。
【００６７】
請求項３記載の炭素質材料の製造方法によれば、触媒を含有したガスは不活性ガスと触媒ガスとの混合ガスであるため、アノードを触媒を含有させずに製造することができる。
【００６８】
請求項４記載の炭素質材料の製造方法によれば、触媒を含有したガスが不活性ガスと有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであるため、アーク放電による炭素の消費が有機ガスによって補われるので、アノードの消費量が減り、長期に亘ってのアーク放電が可能となり、且つ、アノードを触媒を含有させずに製造することができる。
【００６９】
請求項５記載の炭素質材料の製造方法によれば、アノードは触媒を含有しない炭素系材料で構成されているので、アノードを触媒を含有しない炭素質材料のみ、例えばグラファイト棒等で製造することができる。
【００７０】
請求項６記載の炭素質材料の製造方法によれば、反応管内の触媒を含有したガスは、所定方向に流されるので、反応管内で積極的なガス流が発生する。そのため、アーク放電により生成された炭素質材料は、任意の反応管の内壁面に付着することなく、所定の方向に流され、反応管内の所定箇所に集合又は凝集することができ、回収が容易となる。
【００７１】
請求項７記載の炭素質材料の製造装置によれば、アノードは触媒を含有させずに構成されているので、従来装置のように粉砕カーボンと粉体状の金属触媒とを混合、成形、焼成、加工してアノードを製造するという手間が大幅に縮減され、製造が簡単となる。
【００７２】
請求項８記載の炭素質材料の製造装置によれば、アノードは触媒を含有しない炭素系材料で構成されているので、アノードを触媒を含有しない炭素質材料のみ、例えばグラファイト棒等で構成することができる。
【００７３】
請求項９記載の炭素質材料の製造装置によれば、触媒を含有したガスが有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであるため、アーク放電による炭素の消費が有機ガスによって補われるので、アノードの消費量が減り、長期に亘ってのアーク放電が可能となり、且つ、アノードを触媒を含有させずに製造することができる。
【００７４】
請求項１０記載の炭素質材料の製造装置によれば、触媒を含有したガスは不活性ガスと触媒ガスとの混合ガスであるため、アノードを触媒を含有させずに製造することができる。
【００７５】
請求項１１記載の炭素質材料の製造装置によれば、触媒を含有したガスが不活性ガスと有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであるため、アーク放電による炭素の消費が有機ガスによって補われるので、アノードの消費量が減り、長期に亘ってのアーク放電が可能となり、且つ、アノードを触媒を含有させずに製造することができる。
【００７６】
請求項１２記載の炭素質材料の製造装置によれば、流量制御手段によって触媒を含有したガスが所定方向に流されるため、反応管内で積極的なガス流が発生する。そのため、アーク放電により生成された炭素質材料は、任意の反応管の内壁面に付着することなく、所定の方向に流され、反応管内の所定箇所に集合又は凝集することができ、その回収が容易となる。また、触媒含有ガス供給部は、アーク放電部の少なくとも上流側に位置しているので、必ずアーク放電部を通過し、炭素質材料を効率的に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による炭素質材料の製造装置を示す概略図。
【図２】本発明の実施の形態による炭素質材料の製造装置の反応管の、供給管が設けられた部分を示す概略図。
【図３】本発明の実施の形態による炭素質材料の製造装置の反応管の、縮径部を示す概略図。
【図４】本発明による炭素質材料の製造方法及び製造装置により得られた炭素質材料のＴＥＭ写真。
【図５】本発明の実施の形態の変形例を示す概略図。
【図６】本発明の実施の形態の変形例の反応管の、供給管が設けられた部分を示す概略図。
【図７】従来の炭素質材料の製造装置を示す概略図。
【符号の説明】
１    炭素質材料の製造装置
１１  反応管
１２  電流供給部
１３  アノード
１４  カソード
１７  供給管
１８  供給管フローメータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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