(57)【要約】  本発明は、β−ＳｉＣ多孔質基板上に、ナノファイバまたはナノチューブを含む複合材の製造方法において、（ａ）前記β−ＳｉＣ多孔質基板の中またはＳｉＣ前駆体の中に、ナノチューブまたはナノファイバの成長触媒を取込む過程と、（ｂ）少なくとも一つの炭化水素および水素を含む混合物からカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを成長させる過程と、（ｃ）任意には、前記カーボン製ナノチューブまたはカーボン製ナノファイバをＳｉＣナノファイバへと変換する過程とを含む方法に関する。この複合製品は、触媒または触媒担体として利用可能である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状物、押出し加工物、モノリスの形、さらにはまた発泡体の形を呈するβ−ＳｉＣ多孔質基板上に、ナノファイバまたはナノチューブを含む複合材の製造方法において、
（ａ）前記β−ＳｉＣ多孔質基板の中またはβ−ＳｉＣ前駆体の中に、ナノチューブまたはナノファイバの成長触媒を取込む過程と；
（ｂ）少なくとも一つの炭化水素および水素を含む混合物からカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを成長させる過程と；
（ｃ）任意には、前記カーボン製ナノチューブまたはカーボン製ナノファイバをＳｉＣナノファイバへと変換する過程と、
を含む方法。
【請求項２】
前記β−ＳｉＣ前駆体が、ケイ素封入体を含む炭素発泡体である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記β−ＳｉＣ多孔質基板が少なくとも５ｍ2／ｇ、好ましくは少なくとも１０ｍ2／ｇの比表面積を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記成長触媒が、ニッケル、鉄、コバルト、これら三つの元素の二元混合物、これら三つの元素の三元混合物からなる群から選択されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
過程（ｂ）で利用されている前記炭化水素が、脂肪族、オレフィン系またはアセチレン系、直鎖状または分岐状のＣ１〜Ｃ１０である炭化水素の中、または芳香族炭化水素の中から選択されている、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
前記炭化水素がＣ１〜Ｃ４の脂肪族またはオレフィン系炭化水素の中、好ましくはＣ２またはＣ３の炭化水素の中から選択されている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記炭化水素がアセチレンまたは芳香族炭化水素とフェロセンの混合物である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
過程（ｃ）において、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバとＳｉＯ蒸気を、１０００℃〜１５００℃の間、好ましくは１０５０℃〜１４００℃の間に含まれる温度で反応させる、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバ、および／またはＳｉＣナノファイバまたはＳｉＣナノチューブと共に、粒状物、押出し加工物、モノリスまたは発泡体の形を呈しかつ少なくとも５ｍ2／ｇ、好ましくは少なくとも１０ｍ2／ｇの比表面積を有するβ−ＳｉＣ多孔質基板を含む複合材。
【請求項１０】
６０ｍ2／ｇ超、好ましくは１００ｍ2／ｇ超、さらに好ましくは１００ｍ2／ｇ〜１６０ｍ2／ｇの間に含まれる比表面積を呈することを特徴とする、カーボン製ナノチューブまたはカーボン製ナノファイバを伴う請求項９に記載の複合材。
【請求項１１】
２０ｍ2／ｇ超、好ましくは３０ｍ2／ｇ超、さらに好ましくは２０ｍ2／ｇ〜８０ｍ2／ｇの間に含まれる比表面積を呈することを特徴とする、ＳｉＣ製ナノファイバを伴う請求項９に記載の複合材。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一つに記載の複合製品の、液相および／または気相反応における触媒または触媒担体としての使用方法。
【請求項１３】
アルデヒド水素化反応、好ましくは液相での桂皮アルデヒドの水素化における、請求項１２に記載の使用方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の複合材の、５００℃超の温度での酸化雰囲気下での気相反応における請求項１２または１３に記載の使用方法。
【請求項１５】
８００℃超の温度での空気下での請求項１４に記載の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバ、より具体的にはβ−ＳｉＣ発泡体からなる基板上に被着されたカーボンナノファイバまたはＳｉＣナノファイバの技術分野に関するものである。かくして形成された複合材は、触媒または触媒担体としての応用分野を有する。
【背景技術】
【０００２】
カーボン製ナノチューブおよびカーボン製ナノファイバは、かなり以前から公知である。これらの材料は有利な触媒特性を有する。これらの材料は、多くの場合綿毛の外観をもち、非常に高い比体積を有し、そのため取扱いが困難である、非常に微細な長い構造の形を呈している。これらは、特に吸入によって、健康に有害となる可能性が危惧されている。今日、その生産、取扱い、梱包そして輸送の際には、多大な予防策が講じられている。その上、微小サイズの遊離した粒子または繊維（粉末または繊維など）の形を呈する触媒または触媒担体の使用は、これらの粒子または繊維と接触する気体の圧力損失という問題を示す。触媒作用において使用される際には、これらの粒子または繊維が気体流または液体流により運び出されることがないようにすることが必要である。
【０００３】
さまざまな担体上にナノチューブまたはナノファイバを固定することでこの問題を回避することができる。一例として、Ｒ．Ｖｉｅｉｒａらによる論文「ニッケル触媒上でのＣ2Ｈ6／Ｈ2の触媒分解によって形成された巨視的形状を伴うカーボンナノファイバの合成および特徴づけ」（Ａｐｌｉｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｉｓ  Ａ、２７４（２００４年）、１〜８）は、カーボンフェルト上へのカーボンナノファイバの被着について記載している。仏国特許出願公開第２８３２６４９号明細書（ＳＩＣＡＴ）は、カーボンフェルト、アルミナ、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたはコーディエライトといったようなさまざまな担体上でのカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバの成長について記載している。Ｓｕｍｉｎ  Ｚｈｕらによる論文「多孔質ＳｉＣセラミックス中のβ−ＳｉＣナノワイヤーの原位置成長」（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．８８〔９〕、２６１９〜２６２１（２００５年））は、α−ＳｉＣをベースとするいわゆる「多孔質」セラミック（平均気孔サイズ１．３７μｍで気孔率４７％）上における分子質量約１２５０のポリカルボシランからのＳｉＣナノファイバの成長について記載している。日本特許出願第２００４００６７３９３号は、α−ＳｉＣセラミック上へのカーボンナノチューブの被着について記載している。
【０００４】
しかしながら、カーボン製ナノチューブおよびカーボン製ナノファイバはそれ自体、酸化しやすいという欠点を有し、このため実際には触媒または触媒担体としての利用は制限されている。
【０００５】
同様に、数十ナノメートルの厚みのニッケルフィルムでコーティングされた単結晶ケイ素基板Ｓｉ（００１）上に非常に少量でかつカーボンナノチューブと同時に被着可能であるＳｉＣナノファイバも公知である。（例えばＢ．Ｑ．Ｗｅｉらによる論文「化学蒸着による炭化ケイ素ナノロッドおよびカーボンナノチューブの同時成長」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ３５４（２００２年）、２６４〜２６８頁を参照のこと）。カーボンナノチューブ上への非晶質ケイ素の薄層の被着とそれに続く１２００℃でのアニーリングにより、カーボンナノチューブ上にＳｉＣ層のみが形成される（Ｊ．Ｗ．Ｌｕｉらの「Ｓｉで被覆されたカーボンナノチューブのアニーリングによるＳｉＣナノファイバの合成」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ３４８、３５７〜３６０頁（２００１年）を参照のこと）。ケイ素基板上のカーボンナノチューブのアニーリング時のＳｉＣナノファイバの形成も記載されている（Ｅ．Ｍｕｎｏｚら、「単層カーボンナノチューブシートからのＳｉＣナノロッドの合成」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ３５９（２００２年）、３９７〜４０２頁）。β−ＳｉＣナノファイバを形成するためのもう一つの方法が、Ｙ．Ｈ．Ｍｏらによる論文「高周波誘導ＣＶＤ反応装置内での異なるケイ素源を用いた反応によるカーボンナノチューブから炭化ケイ素ナノロッドまたは微結晶への構造変換」（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｍｅｔａｌｓ  １４０（２００４年）、３０９〜３１５）の中で記載されている。すなわち、ケイ素基板上に被着されたカーボンナノチューブを１２５０℃の温度でＳｉＨ4＋Ｃ3Ｈ8＋Ｈ2またはＴＭＳ（テトラメチルシラン）＋Ｈ2の混合物と反応させる。
【０００６】
さらに、米国特許出願公開第２００６／０１１５６４８号明細書（「ナノファイバとその製造過程」）は、１６００℃に達し得る温度で炉の小さな穴を通して溶融押出方法による、長さが数百メートルに達し得る「ＳｉＣ＋Ｃ」、「ＳｉＣ＋ＴｉＣ」または「ＳｉＣ＋ＡＩＮ」タイプのいわゆる複合ナノファイバの製造について記載している。これらのファイバの構造については記載されていない。
【０００７】
米国特許出願公開第２００４／０２０２５９９号明細書（「ナノメートル炭化ケイ素材料の製造方法」）は、アルゴン雰囲気中において触媒（ＡｌまたはＦｅ）の存在下での１３００℃〜２０００℃の間に含まれる温度でのＳｉＣ粉末からのＳｉＣナノファイバの製造について記載している。これらのファイバの最小直径は５ｎｍであり最大長さは５μｍである。
【０００８】
米国特許出願公開第２００５／０２５５０３３号明細書（「連続ナノファイバのレーザによる製造」）は、５００℃〜１４００℃の間に含まれる温度で触媒として作用する遷移金属の存在下でのレーザービームによって誘発される蒸発方法によるＳｉＣナノファイバの製造について記載している。
【０００９】
Ｊ．Ｍ．Ｎｈｕｔらによる論文「炭素および炭化ケイ素ナノ構造の合成および触媒としての使用」（Ｃａｔａｌｙｓｉｓ  Ｔｏｄａｙ  ７６（２００２年、１１〜３２）は、ＳｉおよびＳｉＯ2の混合物の反応により反応装置内で生成されたＳｉＯ蒸気の影響下での、カーボンナノファイバからＳｉＣナノチューブへの変換について記載している。これらのＳｉＣナノチューブは、非常に脆性であることがわかっており、触媒反応を目的とした取扱いまたは使用は不可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、ナノチューブまたはナノファイバをベースとする新規の複合材であって、これらのナノチューブまたはナノファイバの利点、すなわち触媒作用向けの活性相の担体として役立つその適性、ならびにその固有の触媒活性を保ち、しかもその成形の困難さ、塵埃発生、固定床反応装置におけるその利用の困難さ、およびそのコストといったナノチューブまたはナノファイバの公知の欠点を有していない新規の複合材を提案することを目的とする。本発明は同様に、酸化性媒質内での高温での長時間使用に充分耐えるナノチューブまたはナノファイバをベースとする複合材を提案することをも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第一の目的は、粒状物、押出し加工物、モノリスの形、さらにはまた発泡体の形を呈するβ−ＳｉＣ多孔質基板上に、ナノファイバまたはナノチューブを含む複合材の製造方法において、
（ａ）  前記β−ＳｉＣ多孔質基板の中またはＳｉＣ前駆体の中に、ナノチューブまたはナノファイバの成長触媒を取込む過程と；
（ｂ）  少なくとも一つの炭化水素および水素を含む混合物からカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを成長させる過程と；
（ｃ）  任意には、前記カーボン製ナノチューブまたはカーボン製ナノファイバをＳｉＣナノファイバへと変換する過程と、を含む方法にある。
【００１２】
有利には、前記β−ＳｉＣ多孔質基板は少なくとも５ｍ2／ｇ、好ましくは少なくとも１０ｍ2／ｇの比表面積を有する。
【００１３】
この方法によって、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバおよび／またはＳｉＣナノファイバを伴うＳｉＣ多孔質基板、好ましくはＳｉＣナノファイバを伴う少なくとも５ｍ2／ｇ、好ましくは少なくとも１０ｍ2／ｇの比表面積をもつβ−ＳｉＣ発泡体製基板を含む複合材を調製することができる。この複合材が、本発明のもう一つの目的である。
【００１４】
本発明のさらにもう一つの目的は、液相および／または気相反応における触媒または触媒担体としてのこの複合製品の使用にある。
【００１５】
１〜３と付番された四つの図は、本発明に従った方法または製品に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】１５℃／分の勾配（これは図中では温度目盛りを基準にする斜めの直線によって表わされている）で２５℃から８３０℃まで温度が上昇する際の、質量分析法によって追跡されたＣＯ2形成を示す図である。任意単位（ａ．ｕ．）は、所与のｍ／ｚ（質量電荷比）値についてのシグナル強度に対応する。  曲線（ａ）は、実施例１に従って調製されたＳｉＣ上のカーボンナノファイバ複合材に対応する。  曲線（ｂ）は、実施例４に従って調製されたＳｉＣ上のＳｉＣナノファイバ複合材に対応する。
【図２】桂皮アルデヒドの液相水素化のためのβ−ＳｉＣ発泡体上のＳｉＣナノファイバ複合材上に担持されたＰｄ触媒の活性および選択性を示す図である。縦座標は、％単位の選択性または転換収率を表わす。横座標は、触媒と反応媒質の間の接触時間の長さを表わす。  曲線ａ）：転換  曲線ｂ）：ヒドロ桂皮アルデヒドの収率  曲線ｃ）：桂皮アルコールの収率  曲線ｄ）：フェニルプロパノールの収率
【図３】同じ厚みの三つの発泡体について、気体（空気）流を用いて測定された、本発明に従った複合材の圧力損失を示す図である。横座標は、気体の線速度（ｍ／秒）を表わす。縦座標はミリバール単位の圧力損失を表わす。  黒色正方形：β−ＳｉＣ発泡体＋３８％（質量）のＳｉＣナノファイバ  白色方形：β−ＳｉＣ発泡体＋２３％（質量）のＳｉＣナノファイバ  黒色三角形：β−ＳｉＣ発泡体。
【００１７】
定義
本発明の枠内で、「カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバ」および「炭素ベースのナノ構造化化合物」という用語は、ここでは、或る種の条件において合成可能な、黒鉛タイプの六角形で構成された高秩序原子構造のチューブまたはファイバを意味する（ＭＲＳ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ誌に掲載されたＳ．Ｉｉｊｉｍａの「カーボンナノチューブ」４３〜４９頁（１９９４年）、およびＣａｔａｌｙｓｉｓ  Ｔｏｄａｙ誌に掲載されたＭ．Ｊ．ＬｅｄｏｕｘおよびＣ．Ｐｈａｍ−Ｈｕｕによる「触媒利用分野向けのカーボンナノ構造」、１０２〜１０３、２〜１４頁（２００５年）という論文を参照のこと）。蒸着による合成条件に応じて、そして特に利用される触媒に応じて、場合によっては異なる直径の複数の同心チューブで形成される中空チューブか、または、同じく糸状であるものの典型的には比較的秩序の低い形状で黒鉛炭素を含む中実ファイバかを得ることができるということは公知である。前記チューブまたはファイバは、典型的には２〜２００ｎｍの間に含まれる直径を有することができ、この直径は、各チューブまたはファイバの全長にわたりほぼ均一である。
【００１８】
この用語は、ＳｉＣといったようなその他の材料でできたナノファイバまたはナノチューブについても、必要な変更を加えて同様に用いられる。
【００１９】
「比表面積」という用語は、当業者にとって周知であり特にフランス規格ＮＦＸ１１−６２１に記載されている、いわゆるＢｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔ−Ｔｅｌｌｅｒ技術に従って液体窒素温度での窒素の吸着によって測定される「ＢＥＴ」比表面積を意味する。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に従うと、β−ＳｉＣタイプの炭化ケイ素の多孔質担体上、または炭化ケイ素前駆体上に直接ナノチューブまたはナノファイバを成長させることによって課題が解決される。β−ＳｉＣは、そのようなものとして公知であり、場合によってはゼオライト層の被着の後、触媒担体または触媒としてこれを使用できることがわかっている（Ｊ．  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｃａｔａｌｙｓｉｓ  Ａ２４８中に掲載されたＧ．  Ｗｉｎｅらによる論文「β−ＳｉＣ発泡体モノリス上に支持されたベータゼオライト：固定床フリーデル・クラフツ反応用の無拡散触媒」、１１３〜１２０頁（２００６年）を参照のこと）。β−ＳｉＣは、１１００℃〜１４００℃の間に含まれる温度で反応性炭素とＳｉＯ蒸気を反応させることによって（Ｌｅｄｏｕｘの方法、欧州特許第０３１３４８０Ｂ１号明細書）、または液体またはペースト状のプレポリマーとケイ素粉末の混合物を１０００℃〜１４００℃の間に含まれる温度で押出し加工、網状化、炭化および加炭する方法によって（Ｄｕｂｏｔｓの方法、欧州特許第０４４０５６９Ｂ１号明細書または欧州特許第０９５２８８９Ｂ１号明細書）得ることができる。
【００２１】
さらに、有機樹脂におけるケイ素粉末の懸濁液でのポリウレタン発泡体の含浸を含む、Ｄｕｂｏｔｓの方法の一変形形態（Ｐｒｉｎの方法、欧州特許第０６２４５６０Ｂ１号明細書、欧州特許第０８３６８８２Ｂ１号明細書または欧州特許出願公開第１００７２０７Ａ１号明細書）によって得ることのできるβ−ＳｉＣ発泡体も公知である。
【００２２】
これらのβ−ＳｉＣ担体は全て、本発明の枠内で利用可能である。有利には、β−ＳｉＣのモノリス、押出し加工物、粒状物または発泡体が用いられる。当業者には周知であるＢＥＴ方法によって測定される担体の比表面積は、好ましくは５ｍ2／ｇ超であり、そしてより好ましくは１０ｍ2／ｇ超である。上述したＰｒｉｎの方法またはその他のあらゆる方法によって調製される、比表面積が５ｍ2／ｇ超そして有利には１０ｍ2／ｇ超であるβ−ＳｉＣ発泡体は、本発明の実施のために特に好ましい担体である。
【００２３】
カーボンナノチューブもしくはカーボンナノファイバ、またはＳｉＣナノチューブもしくはＳｉＣナノファイバをβ−ＳｉＣの多孔質担体上で成長させることのできる本発明に従った方法には、以下の過程が含まれる。
【００２４】
過程（ａ）：β−ＳｉＣ多孔質担体中へのナノチューブまたはナノファイバの成長触媒の取込み。
【００２５】
この触媒は、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバの成長を触媒するためのものである。有利には、特にカーボンナノファイバを製造するためにニッケルが使用され、あるいはカーボン製ナノチューブを製造するために鉄、コバルトまたは鉄とコバルトの混合物が使用される。これら三つの元素のその他のあらゆる二元または三元混合物も使用可能である。
【００２６】
ここでは、この過程のための典型的な一実施形態について記載する。β−ＳｉＣ多孔質担体には活性相前駆体溶液が含浸される。水溶液またはアルコール溶液が適切である。前駆体は、例えばＮｉ（ＮＯ3）2などの遷移金属の塩であってよい。金属含有量は、有利には０．４質量％〜３質量％の間、好ましくは０．５質量％〜２質量％の間に含まれる。含浸の後、恒温器で好ましくは８０℃〜１２０℃の間に含まれる温度で１〜１０時間乾燥させ、その後、２５０℃〜５００℃の間に含まれる温度で空気下または不活性雰囲気下でか焼する。このとき活性相前駆体は、好ましくは、例えば水素下で２５０℃〜５００℃の間に含まれる温度といったような、還元性ガス下における適切な温度での還元によって活性相へと変換される。この還元の持続時間は、典型的に０．２時間〜３時間の間にある。
【００２７】
過程（ｂ）：少なくとも一つの炭化水素と水素を含む混合物からのカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバの成長。
【００２８】
炭化水素は、脂肪族、オレフィン系、アセチレン系または芳香族のＣ１〜Ｃ１０の炭化水素である。脂肪族、オレフィン系またはアセチレン系炭化水素は、直鎖状であっても分岐状であってもよい。Ｃ１〜Ｃ４の脂肪族またはオレフィン系炭化水素、特にＣ２またはＣ３の脂肪族またはオレフィン系の炭化水素が好ましい。アセチレンも同じく適切である。利用可能な芳香族炭化水素としては、本発明者らの確認事実によるとフェロセンと混合させた場合にＳｉＣ基板上で整列したカーボン製ナノチューブを形成させることになるトルエンがある。
【００２９】
Ｍ．Ｐｉｎａｕｌｔらによる論文「整列多層カーボンナノチューブ多重層の成長における逐次持ち上げの証拠」（Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ第５巻、第１２号、２３９４〜２３９８頁（２００５年））から、ベンゼンまたはトルエンおよびフェロセンの混合物を含有するエアロゾルを用いたＣＶＤ（化学蒸着）技術が、ケイ素基板上で、整列した多重層をもつカーボンナノチューブの形成をもたらすことがわかっている。
【００３０】
本発明の枠内では、少なくとも一つの炭化水素および水素を含む気体混合物が利用される。反応の温度は、３００℃〜１０００℃の間に含まれていなければならず、好ましくは６００℃〜８００℃の間にある。かくして、カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブが得られる。ＳｉＣナノファイバを得るためには、第三の過程が必要である。
【００３１】
過程（ｃ）：カーボン製ナノチューブまたはカーボン製ナノファイバからＳｉＣナノチューブおよびＳｉＣナノファイバへの変換。
【００３２】
この任意の過程においては、熱処理エンクロージャ内でカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバとＳｉＯ蒸気を反応させる。ＳｉＯ蒸気を、熱処理エンクロージャ内の、ＳｉＣに転換すべき含炭素構造に最も近いところで生成させることができる。一実施形態においては、ＳｉＯを、カーボン製ナノチューブまたはカーボン製ナノファイバの近くに置かれたＳｉとＳｉＯ2の混合物の加熱により生成させることができる。別の実施形態では、例えばＳｉとフェノール樹脂の混合物を含むＳｉＣ前駆体マトリクス（この用語については以下で説明する）の中にカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを包埋させることができる。
【００３３】
β−ＳｉＣを得るためには、反応温度を有利には１０００℃〜１５００℃の間、好ましくは１０５０℃〜１４００℃の間、さらに一層好ましくは１１５０℃〜１３５０℃の間にする。
【００３４】
反応の持続時間に応じて、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバからＳｉＣナノファイバ特にβ−ＳｉＣナノファイバへの部分的または完全な転換が得られる。
【００３５】
かくして、過程（ａ）および（ｂ）と任意にはそれに続く過程（ｃ）により、カーボンナノチューブもしくはカーボンナノファイバおよび／またはＳｉＣのナノチューブまたはナノファイバを伴うβ−ＳｉＣ多孔質基板を含む新規の複合製品がもたらされる。これらのナノチューブまたはナノファイバは、（ｉ）少なくとも一つの芳香族炭化水素、好ましくはトルエンと、（ｉｉ）フェロセンとで形成された混合物を過程（ｂ）における炭化水素として使用することによって、整列させることが可能である。
【００３６】
特に好ましい製品は、
（ｉ）少なくとも１０ｍ2／ｇの比表面積を有するβ−ＳｉＣの発泡体で構成され、かつ、
（ｉｉ）カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブ、および／またはＳｉＣナノファイバを含む、
複合材である。
【００３７】
この新規製品は、触媒または触媒担体として利用可能である。
【００３８】
以下では、本発明に従った方法の一変形形態について記載する。この方法に従うと、ＳｉＣ多孔質基板上ではなく、ここで「ＳｉＣ前駆体」と呼ぶこのようなＳｉＣ多孔質基板の前駆体上にナノチューブまたはナノファイバを被着させる。この変形形態の枠内では、炭素およびケイ素を含有する多孔質基板上にカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを成長させる。この基板は例えば押出し加工物または発泡体の形態を呈する。その後、この基板およびナノチューブまたはナノファイバをＳｉＣ、特にβ−ＳｉＣへと変換させる。この変形形態の典型的な一実施形態においては、過程（ａ）には、熱硬化性樹脂およびケイ素粉末を含む液体混合物を炭化性重合体発泡体に浸潤させ、その後浸潤を受けた発泡体を乾燥させ、次に樹脂を重合させ、その後樹脂と発泡体を炭化させることによる、ＳｉＣ多孔質基板の前駆体の調製が含まれる。
【００３９】
熱硬化性樹脂は、純粋なものであってもよく、またエタノール、アセトンまたは別の適当な有機溶媒といった適切な溶媒中に希釈されていてもよい。こうして、その粘度を調整でき、このことはケイ素粉末との混合そして重合体発泡体中へのその浸潤に有利に作用する。熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂またはフルフリル樹脂を利用することができる。
【００４０】
重合体発泡体としては、有利には気泡ポリウレタンフォームが用いられる。この発泡体は、例えば、約６００μｍ〜４５００μｍの間で選択される平均直径を有する開放的な巨視的構造を呈していてよい。
【００４１】
浸潤後、発泡体を周囲空気にて乾燥させることができる。重合温度は、典型的には１３０℃〜２００℃の間であり、炭化温度は５００℃〜９００℃の間である。約８００℃の温度が特に有利である。この処理をアルゴン雰囲気下で実施することが好ましい。かくして、ケイ素封入体を含む炭素骨格を有し、かつ、ＳｉＣ前駆体を形成する炭素発泡体が得られる。この炭素発泡体は有利には、８０ｍ2／ｇ〜２５０ｍ2／ｇ、より有利には１００ｍ2／ｇ〜２００ｍ2／ｇの間に含まれるＢＥＴ比表面積を有する。この非常に高い比表面積は、ＳｉＣ前駆体上のナノチューブまたはナノファイバの成長触媒の優れた分散を可能にすることから有利である。この非常に優れた分散のおかげで、形成されたナノチューブまたはナノファイバの表面密度、ひいてはその合成時の効率が非常に高いものとなる。
【００４２】
好適度は下がるものの代替的には、典型的に炭素サブミクロン結晶粒で構成されケイ素封入体を含有する、炭素押出し加工物を利用することができる。これらの押出し加工物は、炭化性樹脂とケイ素粉末の混合物を炭化することによって調製可能である。そのＢＥＴ比表面積は、典型的に２０ｍ2／ｇ〜７０ｍ2／ｇの間である。
【００４３】
ナノチューブまたはナノファイバ成長触媒をこのＳｉＣ前駆体の中に取込む作業は、ニッケル、鉄、コバルトまたはこれら三つの元素の二元または三元混合物の塩の水溶液（エタノールといったアルコールとの混合も可能）を含浸させることによって実施できる。この塩が活性相前駆体である。一例を挙げると、ニッケル塩、典型的にはＮｉ（ＮＯ3）2を被着させることができる。０．１％〜１０％の間、好ましくは０．２％〜５％の間（質量パーセント）に含まれる金属含有量が有利である。上述されているように、活性相前駆体を乾燥させか焼して活性相に変換する。
【００４４】
この材料上で、上述のとおり過程（ｂ）においてカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを成長させる。β−ＳｉＣ基板上にＳｉＣナノチューブまたはＳｉＣナノファイバを有する複合材料を得るためには、過程（ｃ）において、１２００℃〜１５００℃の間および好ましくは１３００℃〜１４００℃の間に含まれる温度での熱処理により、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバおよびＳｉＣ前駆体を同時にβ−ＳｉＣに変換させる。０．５〜５時間の間、典型的には１時間の持続時間中、約１３５０℃の温度が適切である。アルゴン下での作業が好ましい。これらの方法条件の中で、ケイ素粉末は、炭素骨格の炭素と反応する。この反応はおそらく、炭素発泡体中心部から外部へと拡散する、ｉｎ  ｓｉｔｕで生成されたＳｉＯ蒸気を伴う。ＳｉＯの酸素は特に、ケイ素の不動態化層（酸化物層）ならびに樹脂層に由来する。さらに加えて、上述のとおり、外因性ＳｉＯ源を利用することもできる。上述のとおり、ＳｉＣの前駆体も追加してよい。利用可能なケイ素の量が不充分である場合、または充分量のＳｉＯを形成できないような形で条件が選択された場合には、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバは、ＳｉＣに全く変換されないかまたは部分的にしか変換されない。
【００４５】
β−ＳｉＣ基板から出発する方法には、出発β−ＳｉＣの形成をもたらした過程を入れて三つの高温処理過程が含まれるのに対し、この方法の変形形態は、二つの高温処理過程しか含んでいないため、β−ＳｉＣ基板上のＳｉＣナノファイバの複合材を得たい場合に特に有利である。
【００４６】
一方で、この方法の変形形態は、カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブの成長触媒として使用された活性相粒子（例えばニッケル）が過程（ｃ）の条件下で炭化またはケイ化されることから、前記粒子を不活性化させるという利点を呈している。これらの不活性化粒子は、触媒または触媒担体としての複合材のその後の用途の妨げになるものではない。
【００４７】
本発明の利点と使用
本発明は数多くの利点を呈している。ナノチューブまたはナノファイバの成長は、特にβ−ＳｉＣ発泡体の場合において、担体の気孔、特にマクロ孔を充分に満たすことができる。ナノチューブまたはナノファイバの存在が場合によってひき起こす気体流または液体流の圧力損失は極めて小さいものであることが確認されている。一方、ナノチューブまたはナノファイバは、超音波処理の際などに確認されるとおり、その担体から容易に離脱しない。ナノチューブまたはナノファイバは同様に優れた固有の安定性も示し、そのため触媒として利用に適する。
【００４８】
その上、本発明に従った複合製品は、大きい比表面積を呈する。カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを用いると、有利には６０ｍ2／ｇ超、さらに一層有利には１００ｍ2／ｇ超であり、さらに２００ｍ2／ｇにも達し得る非常に大きい比表面積が得られる。６０ｍ2／ｇ〜２００ｍ2／ｇの間に含まれる比表面積をもつ複合材が好ましく、さらに詳細には、１００ｍ2／ｇ〜１６０ｍ2／ｇの間に含まれる比表面積をもつものが好ましい。
【００４９】
ＳｉＣナノファイバを用いると、やや小さい比表面積が得られる。すなわち、比表面積は有利には２０ｍ2／ｇ超であり、さらに一層有利には３０ｍ2／ｇ超である。本発明に従ったこのような製品は、典型的には２０ｍ2／ｇ〜８０ｍ2／ｇの間に含まれる比表面積を呈し、３０ｍ2／ｇ〜５０ｍ2／ｇの間に含まれる比表面積を有する製品が好ましい。
【００５０】
この比表面積は、気相での化学反応において触媒または触媒担体としてそれが使用される際に、気相がきわめて容易にアクセスできるものであり、しかも多孔質材料の大きい厚みを横断する拡散によってこのアクセスが制限されることはない。このことは触媒される反応の選択性をうまく制御する上で有利である。実際、本発明に従ったこれらの複合製品の大きな表面は、一方では非多孔質表面（ナノチューブの外部幾何学表面）そして他方では数十ミクロンを超えない厚み上にわたるメソ多孔質およびマクロ多孔質表面（ＳｉＣの気泡発泡体の多孔質表面）で構成されている。
【００５１】
一方、ＳｉＣ担体上のＳｉＣナノチューブまたはＳｉＣナノファイバで形成された本発明に従った複合製品は、ＳｉＣ担体上のカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバで形成された材料に比べて、酸化性媒質内で改善された安定性を呈する。このことは、熱重量分析（ＴＧＡ）曲線を示す図１に示されている。この新しい触媒担体は、酸化性媒質で、そしてより詳細には酸化性気相と共に、例えば空気下で５００℃超さらには８００℃超ひいては９００℃超の温度で空気下において、工業的に許容される寿命で利用可能である。従って、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを用いた本発明に従った複合材の比表面積よりもわずかに低い比表面積にも関わらず、ＳｉＣ製ナノファイバを用いた本発明に従ったこの複合材は、化学工業にとってきわめて有利である。
【００５２】
本発明に従った複合製品は、適切な活性相を被着させた後、触媒担体として使用できる。一例を挙げると、既知の方法により担体上にパラジウム粒子を被着させることができる。アルデヒドの水素化反応といったような、気相および／または液相化学反応を触媒させることが可能である。液相での桂皮アルデヒドの水素化は、適切な活性相の被着後に本発明に従った複合製品が触媒しうる反応の一例である。触媒は非常に安定している。
【００５３】
本発明に従った複合製品は、触媒として直接使用することもできる。
【００５４】
ＳｉＣ発泡体のモノリシック部品であることから、触媒と反応生成物の分離には全く問題がない。
【００５５】
以下の実施例は、本発明の実施形態を例示しているものの、本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例１】
【００５６】
実施例１：
本発明に従った「β−ＳｉＣ発泡体上のカーボンナノファイバ」製品の調製
【００５７】
約１７００μｍのマクロ孔平均サイズと１０ｍ2／ｇの比表面積を有する、公知の技術に従って調製したβ−ＳｉＣ発泡体に、β−ＳｉＣ発泡体中に１質量％のニッケル含有量を得るような形で、Ｎｉ（ＮＯ3）2水溶液を含浸させた。炉内において１００℃で２時間、含浸させた発泡体を乾燥させ、次に４００℃で空気下にてか焼した。この温度でｉｎ  ｓｉｔｕで水素による還元を実施した。その後、水素をＣ2Ｈ6とＨ2の混合物（流量：６０ｍｌ分-1／４０ｍｌ分-1）で置き換え、２０℃分-1の加熱速度で４００℃から７５０℃まで反応温度を上昇させた。これらの条件下で２時間カーボンナノファイバの合成を行ない、その後、Ｃ2Ｈ6／Ｈ2の気体流を維持しながら周囲温度まで反応装置を冷却させた。
【００５８】
このようにして得た「β−ＳｉＣ発泡体上のカーボンナノファイバ」複合製品は、２８質量％のカーボンナノファイバを含有し、最初のβ−ＳｉＣの緑灰色が黒色に変化したという点を除き、出発発泡体と同じ外観および形態そして同じ機械的挙動を有していた。走査型電子顕微鏡（金薄膜コーティングされた表面上に３ｋＶの加速電圧を有する、ＣＣＤカメラの備わったＪＳＭ−６７００ＦタイプのＪｅｏｌ（登録商標）顕微鏡を用いたＳＥＭ）による形態の顕微鏡観察は、最初のβ−ＳｉＣ発泡体の空洞全てが、カーボンナノファイバの絡み合った高密度網状構造で満たされていたということを示している。
【００５９】
出発β−ＳｉＣ発泡体の比表面積が約１０ｍ2／ｇにすぎなかったのに対し、この複合製品の比表面積は５２ｍ2／ｇであった。カーボンナノファイバの比表面積は約１４０ｍ2／ｇであると推定されている。粉砕し超音波撹拌下でエタノール中に分散させた後、炭素がコーティングされた銅格子上に液滴を被着させた試料についての、２００ｋＶの加速電圧および０．１７ｎｍの点間分解能をもつ００２Ｂ型のＴｏｐｃｏｎ（登録商標）顕微鏡を用いた透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析は、カーボンナノ粒子がほぼ存在しないことを示している。すなわち、均一な層を形成し、およそ４０ｎｍのほぼ恒常な直径と数十マイクロメートルに達し得る長さをもつ繊維が互いにブリッジにより連結されて絡み合った網状構造を表わすカーボンナノファイバしか見られない。気体流または液体流下での優れた機械的安定性を呈する触媒の入手が望まれる触媒作用における使用に好都合な特性であるこのナノファイバの絡み合いの高い機械的強度の原因は、おそらくこれらのブリッジにある。さらに、ナノファイバ内には気孔が存在しないことが指摘される。このためにこれらのナノファイバは、特に拡散現象が優勢となる液体媒質内で、触媒または触媒担体として有利なものとなっている。
【００６０】
製品は、図１の曲線（ａ）が示すとおり、カーボンナノファイバがＣＯ2へと酸化し始める約６００℃の温度まで、酸化性媒質内で優れた安定性を呈する。
【００６１】
本発明に従った複合材における圧力損失を測定した。結果は図３に示されている。この圧力損失は、ナノスケール材料で基板（β−ＳｉＣ発泡体）のマクロ孔を充てんする場合には大きな圧力損失が予測できるのに対し、きわめて小さい。同様に、最初のβ−ＳｉＣ発泡体のマクロ多孔率の減少が、カーボンナノファイバの成長に際しては非常にわずか（すなわち、２０質量％のカーボンナノファイバ率について０．９（すなわち空の見かけ体積の９０％）〜０．８５）であることも確認される。
【００６２】
３０分間の超音波処理試験により、β−ＳｉＣ発泡体担体上でのナノファイバの定着を判定した。この試験の際にはナノファイバの損失は見られなかった。
【実施例２】
【００６３】
実施例２：
本発明に従った「β−ＳｉＣ発泡体上のＳｉＣナノファイバ」製品の調製
【００６４】
実施例１で記述された方法の一変形形態においては、反応装置を周囲温度まで冷却させる代りに、温度を１２００℃まで上昇させた。この温度で、ＳｉＯ蒸気のｉｎ  ｓｉｔｕでの生成により、カーボンナノファイバをＳｉＣナノファイバに変換させることが可能である。１２００℃の温度は４時間１２００℃であった。この反応はＣＯとＣＯ2の形成を伴っていたことから、これらの気体を圧送によって常時除去した。得られた製品は、約２５ｍ2／ｇというＢＥＴ比表面積を呈する。
【００６５】
１２００℃の反応温度は、きわめて顕著な比表面積の損失を生み出すと思われる、β−ＳｉＣ発泡体からα−ＳｉＣへの変換を誘発するには不充分である。実際、さらに高い適切な温度で形成されたα−ＳｉＣの比表面積はおよそ０．１ｍ2／ｇ〜１ｍ2／ｇであることがわかった。
【００６６】
この複合材の顕微鏡観察を、実施例１において記載されているものと類似の条件で実施した。ＳｉＣナノファイバはナノファイバの軸に沿ってＳｉＣナノ粒子を積層することで形成され、これらのナノ粒子はおよそ３０ｎｍ〜６０ｎｍのサイズを有し、ＳｉＣナノファイバの直径はこれらのナノファイバが由来したカーボンナノファイバの直径よりもわずかに大きい、ということが確認された。
【実施例３】
【００６７】
実施例３：液相での化学反応を触媒させるための本発明に従った製品の使用
【００６８】
機械的撹拌機を備えた有効容積１０００ｍｌのガラス製オートクレーブ反応装置中で、液相での桂皮アルデヒドの水素化を実施した。反応溶液は、５００ｍｌのジオキサンおよび１０ｍｌの桂皮アルデヒドを含有していた。望ましくない重い副産物をもたらす可能性のある均一な反応を回避するため、アルコールではなくむしろジオキサンを使用した。ガラス棒上に発泡体触媒（直径３０ｍｍ、厚み１５ｍｍ）を固定し、これを撹拌機として使用した。溶液中の微量酸素を全て除去するため、勢いよく撹拌しながら（約５００回転・分-1）この液相の全体にわたり周囲温度でアルゴンの気泡を導入した（５０ｍｌ分-1の流量）。その後、約１０℃分-1の加熱速度で８０℃まで温度を上昇させ、アルゴン流束を同じ流量の水素流束に置き換えた。全反応中、メチルシロキサンでコーティングされたＰｏｎａ毛管カラムおよび水素炎イオン化検出器（英語で「Ｆｌａｍｅ  Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」、ＦＩＤ）を備えたＶａｒｉａｎ（登録商標）３８００タイプのクロマトグラフを用いたガスクロマトグラフィにより、時間に応じた桂皮アルデヒドの濃度および様々な生成物の分布を追跡し、このクロマトグラフィにより、定期的に採取しジオキサン中に希釈させた微小試料が分析された。桂皮アルデヒド、桂皮アルコール、３−フェニルプロパノールおよび３−フェニルプロペナールの既知の濃度の純粋物質を用いて、クロマトグラムを較正した。
【００６９】
【化１】
2010526009.tif 000002
【００７０】
この複雑な反応には、Ｃ＝ＣおよびＣ＝Ｏ結合の水素化が伴い、この反応は、複数の中間生成物、特に桂皮アルコール（反応スキームの右上）およびヒドロ桂皮アルデヒド（反応スキームの左下）を通過し、これらの中間生成物は次に３−フェニル−１−プロパノール（反応スキームの右下）に転換され得る。
【００７１】
触媒と反応媒質を２４時間接触させた後、少なくとも９０％の桂皮アルデヒド転換率および少なくとも７５％のヒドロ桂皮アルデヒド収率を得、桂皮アルコール収率は１５％以下である。これらの試験の典型的な結果は図２に示されている。
【実施例４】
【００７２】
実施例４：本発明に従ったβ−ＳｉＣ発泡体上のＳｉＣナノファイバ複合製品の調製
【００７３】
（粘度を調整するためエタノール中に希釈させた）フェノール樹脂とケイ素粉末を含む液体混合物を、気泡ポリウレタンフォームに浸潤させた。乾燥後、約１６０℃での重合、およびアルゴン下で約８００℃の温度での炭化を行なった。かくして、ケイ素粉末封入体を含む炭素骨格を得た。これに対して、１％（質量パーセント）のニッケル含有量を得るような形で、Ｎｉ（ＮＯ3）2水溶液を含浸させる。その後この材料を、実施例１と同様に処理して、炭化前駆体上のカーボンナノファイバを得た。このようにして得られた複合材料を１時間１バールのアルゴン下で１３６０℃に置き、ｉｎ  ｓｉｔｕで存在するケイ素と反応させることにより、炭素骨格およびカーボンナノファイバをβ−ＳｉＣに変換させた。
【００７４】
炭化後に得られた製品は、β−ＳｉＣの特徴である「青色」を呈する。この材料を３０分間超音波処理したが、いかなる質量損失も観察されず、このことはナノ構造体がその担体上に正しく定着していることを証明している。
【００７５】
製品は、５５ｍ2／ｇというＢＥＴ比表面積と、７３０℃超の温度まで酸化性媒質内での優れた安定性とを呈する。図１の曲線（ｂ）は、カーボンナノファイバ由来の残留炭素に起因する第一の酸化ピークと、それに続くＳｉＣナノファイバの酸化開始に起因するより高温での肩部を示している。
【実施例５】
【００７６】
実施例５
本発明の二つの異なる変形形態に従って、β−ＳｉＣ製多孔質担体上にカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを被着させた。
【００７７】
（ｉ）アルゴン下７５０℃で３時間、樹脂とケイ素粉末の混合物を熱分解することにより、平均サイズ１ｍｍの炭素押出し加工物をＳｉＣ前駆体として調製した。このようにして得られた炭素押出し加工物は、３４．９ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有していた。これらの押出し加工物上に、１％のニッケル含有量に対応するニッケル塩の溶液を被着させた。この基板上に、カーボンナノチューブまたはカーボンナノチューブを成長させ、２４質量％、５０質量％および７３質量％のカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバに対応する三つの異なる持続時間の後に成長反応を停止させた。その後、合計ＢＥＴ表面積を測定した。これはそれぞれ、７１．８ｍ2／ｇ、９８．９ｍ2／ｇおよび１４８ｍ2／ｇであった。
【００７８】
（ｉｉ）押出し加工物の粉砕によって得られた、１２５μｍ〜２５０μｍの間に含まれる直径と３０．７ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有するβ−ＳｉＣ結晶粒の上に、１％のニッケル含有量に対応するニッケル塩の溶液を被着させた。この基板上に、カーボンナノチューブまたはカーボンナノチューブを成長させ、１０質量％および１９質量％のカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバに対応する二つの異なる持続時間の後に成長反応を停止させた。その後、合計ＢＥＴ表面積を測定した。これはそれぞれ、８０．４ｍ2／ｇおよび１０１ｍ2／ｇであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７９】
【特許文献１】仏国特許出願公開第２８３２６４９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０１１５６４８号明細書
【図１】
2010526009.tif 000003
【図２】
2010526009.tif 000004
【図３】
2010526009.tif 000005
【国際調査報告】
2010526009.tif 000006
2010526009.tif 000007
2010526009.tif 000008
2010526009.tif 000009
2010526009.tif 000010
2010526009.tif 000011