(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素含有化合物に対して触媒作用を有する複数の触媒粉体を基板面に接した状態で付着させ、上記基板面上に担持している基板において、
上記複数の触媒粉体は分散媒に単離分散した状態で上記基板面上に電着されており、
上記基板面に鍍金により触媒作用が無い非触媒材料からなる非触媒膜が固定されていると共に、
上記複数の触媒粉体それぞれの一部が上記非触媒膜の表面上から露出して点在しており、
上記複数の触媒粉体の露出部分に炭素含有化合物を作用させることで、上記複数の触媒粉体の露出部分の上部にカーボンファイバを成長させることができる、ことを特徴とするカーボンファイバ製造用触媒担持基板。
【請求項２】
上記触媒粉体が上記非触媒膜と反応していないことを特徴とする請求項１に記載のカーボンファイバ製造用触媒担持基板。
【請求項３】
上記触媒粉体は、その最大径の部分が非触媒膜中に埋め込まれている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンファイバ製造用触媒担持基板。
【請求項４】
請求項１に記載のカーボンファイバ製造用触媒担持基板の製造方法において、
上記複数の触媒粉体を基板面上に互いとの間に隙間を隔てて単離した状態に電着するステップと、上記付着した触媒粉体の一部が露出する状態に基板面上に非触媒膜を鍍金するステップと、を含むことを特徴とするカーボンファイバ製造用触媒担持基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素ガスなどの炭素含有化合物に対して触媒作用を有する触媒粉体を基板面上に担持するカーボンファイバ製造用触媒担持基板およびカーボンファイバ製造用触媒担持基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ等のカーボンファイバは、ナノオーダーで細くかつ高アスペクト比であり、電子エミッタ材料、水素吸蔵体、高容量キャパシタ材料、二次電池または燃料電池の電極材料、電磁波吸収材料、等に汎用されつつある。
【０００３】
このようなカーボンファイバの製造方法には、基板上に炭素含有化合物に対して触媒作用の有る触媒粉体を担持させ、この触媒粉体を成長核としてカーボンファイバを成長させて製造する技術が知られている。そして、この触媒粉体を担持する担持体として例えば多孔質のゼオライトを用いた技術が知られている（特許文献１参照）。ゼオライトは、分子サイズの細孔径を有する結晶性無機酸化物である。この場合の担持は、触媒粉体が合着（互いに付着して一体化すること）して凝集することなく個々独立に担持することにより、触媒粉体の粒径に対応したカーボンファイバ、すなわち、一定径のカーボンファイバを成長させるためである。
【０００４】
しかしながら、この製造方法では、触媒粉体はゼオライトに固定されているものではないから、以下に述べる種々の課題がある。
【０００５】
（１）同一基板にカーボンファイバを製造する製造サイクルを繰り返す場合には、触媒粉体をゼオライト上に再配置する必要があり、製造工数が多く必要となって製造コストが高くつく。
【０００６】
（２）触媒粉体がゼオライトの細孔内に配置されただけで固定されてはいないから、触媒粉体同士が合着しやすく、結果として触媒粉体の粒径が大きく変化し、触媒粉体を成長核とするカーボンファイバを高精度に製造することができなくなる。
【０００７】
（３）触媒粉体の合着を防止するためには触媒粉体の配置間隔を広く確保する必要があり、結果としてカーボンファイバを高密度に成長させることができなくなり、基板上の単位面積当たりのカーボンファイバの収量が低下する。
【０００８】
（４）基板上から剥離して回収したカーボンファイバには触媒粉体が含まれていて純度が極めて低い。
【０００９】
（５）基板上にて使用する場合においては、カーボンファイバが基板に対して電気的コンタクトをとることができず、また、基板面上に機械的に強固に支持されていないから剥離強度が低く、基板上にカーボンファイバを成長させて使用する特定の用途、例えば、電子エミッタやキャパシタ電極等には採用することができない。電子エミッタでは、基板からカーボンファイバに電流を通電させる必要がある。また、キャパシタ電極などの用途においては、カーボンファイバが基盤上において高い剥離強度を有する必要があるからである。
【特許文献１】特開２００５−２７２２６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は、カーボンファイバの成長に際して基板上から触媒粉体が合着することを有効に防止することができかつ剥離しないよう強固に固定することができるようにして、上記（１）ないし（５）の課題を解決し、同時に一定径のカーボンファイバを製造することができるカーボンファイバ製造用触媒担持基板およびカーボンファイバ製造用触媒担持基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるカーボンファイバ製造用触媒担持基板は、炭素含有化合物に対して触媒作用を有する複数の触媒粉体を基板面に接した状態で付着させ、上記基板面上に担持している基板において、上記複数の触媒粉体は分散媒に単離分散した状態で上記基板面上に電着されており、上記基板面に鍍金により触媒作用が無い非触媒材料からなる非触媒膜が固定されていると共に、上記複数の触媒粉体それぞれの一部が上記非触媒膜の表面上から露出して点在しており、上記複数の触媒粉体の露出部分に炭素含有化合物を作用させることで、上記複数の触媒粉体の露出部分の上部にカーボンファイバを成長させることができる、ことを特徴とするものである。
【００１２】
炭素含有化合物としては、メタン、エチレン、アセチレン、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、アセトン、一酸化炭素から選ばれた少なくとも１種であるのが好ましい。
【００１３】
上記触媒粉体の一部(非触媒膜の表面からの露出部分)は、触媒担持基板に対してその頂点やその近傍に限定されるものではなく、任意の一部でよい。
【００１５】
ここで上記触媒粉体は上記非触媒膜と反応していないことが好ましい。
【００１７】
非触媒膜は金属に限定されず非金属でもよく、その膜は一つの層から成るものに限定されず複数層であっても良い。
【００１８】
触媒粉体は単層に限定されるものではなく複数の層をなしてもよい。
本発明は好ましくは触媒粉体の最大径の部分が非触媒膜中に埋め込まれていることである。これは、触媒粉体が、非触媒膜中により効果的に埋め込み固定することができるからである。この最大径の部分とは触媒粉体が例えば球状であればその球の直径を通る部分である。
【００１９】
本発明においては、非触媒膜は基板面に固定されている。そして、この非触媒膜中に触媒粉体が埋め込み固定されているので、この触媒粉体に炭素含有化合物を作用させてカーボンファイバを成長させた場合、カーボンファイバの成長はいわゆるボトムグロース(成長点がカーボンファイバの下端にあること)となって触媒粉体はカーボンファイバの成長につれて非触媒膜により基板から分離されず基板に止まる。そのことにより、本発明では、同一基板にカーボンファイバを製造する製造サイクルを例えば所定回数繰り返す間は、触媒粉体を基板上に再配置する工程が不要となり、その分、その工程の実施回数が減って製造コストを低減することができる。
【００２０】
また、触媒粉体は非触媒膜で埋め込み固定されているので、触媒担持基板に熱が加えられても、触媒粉体同士が合着しにくく、結果として触媒粉体の配置間隔を狭めても触媒粉体の粒径が変化しにくく、触媒粉体を成長核とするカーボンファイバを高精度に製造することができるようになる。触媒粉体および非触媒膜が共に金属である場合、合金化してしまう可能性があるので、触媒微粒子の表面処理（酸化処理）などを行って合金化を防止することが好ましい。なお、非触媒膜表面から露出した金属からなる触媒粉体については、反応時の炭素含有化合物が分解することによって生じる還元性ガスによって、触媒能を発揮することができる。
【００２１】
さらに、触媒粉体の合着が防止されるから、触媒粉体の配置間隔を狭くしてカーボンファイバを高密度に成長させることができ、基板上の単位面積当たりのカーボンファイバの収量が増加する。
【００２２】
さらに、基板上から剥離して回収したカーボンファイバには触媒粉体が含まれていないから高純度のカーボンファイバを製造することができるようになる。
【００２３】
さらに、非触媒膜が基板に固定され、この非触媒膜に触媒粉体が埋め込み固定されているから、触媒粉体を基板に対して良好に電気的コンタクトをとることができる。さらに、触媒粉体は非触媒膜に埋め込み固定されているから、基板面上に機械的に強固に支持されて剥離強度が高くなる。その結果、基板上にカーボンファイバを成長させて使用する特定の用途、例えば、電子エミッタ等に好適に採用することができるようになる。これは、カーボンファイバを電子エミッタとして用いる場合、基板と電気的コンタクトをとって基板側からカーボンファイバに通電する必要があるからである。また、キャパシタ電極などに用いる場合は基板面上に高い剥離強度でカーボンファイバが存在している必要があるからである。
【００２４】
以上により本発明では従来の課題を解決することができるとともに、触媒粉体を個々に互いに合着を起こさせることなく基板上に配置させることができるようになる結果、一定径のカーボンファイバを製造することができる触媒担持基板を提供することができる。
【００２５】
本発明によるカーボンファイバ製造用触媒担持基板の製造方法は、複数の触媒粉体を基板面上に担持しているカーボンファイバ製造用触媒担持基板の製造方法において、上記複数の触媒粉体を基板面上に互いとの間に隙間を隔てて単離した状態に電着するステップと、上記付着した触媒粉体の一部が露出する状態に基板面上に非触媒膜を鍍金するステップと、を含むことを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の製造方法においては、触媒粉体は鍍金した非触媒膜で固定されるので、触媒粉体を基板に対して良好な電気的コンタクトをとることができることに加えて基板面上に機械的に強固に支持させて剥離強度が高い触媒担持基板を製造することができる。なお、触媒粉体の基板面の付着は電着によることが好ましい。非触媒膜の鍍金前に触媒粉体を基板面に電着して仮固定しておくことにより触媒粉体を鍍金に際して位置決めしておくことができ、これによって触媒粉体同士が鍍金中に接触するようなことを防止することにより鍍金工程を容易にすることができる。
【００２７】
なお、カーボンファイバは、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ、グラファイトナノファイバを含むことができる。
【００２８】
触媒粉体の材料は、カーボンファイバの成膜を促進する物質であれば特に限定されないが、例えば、鉄、コバルト、ニッケル等の金属材やその酸化物などの化合物材がある。触媒粉体および非触媒膜が共に金属である場合、合金化してしまう可能性があるので、触媒微粒子の表面処理（酸化処理）などを行って合金化を防止することが好ましい。なお、非触媒膜表面から一部露出した触媒粉体は、反応時の炭素含有化合物が分解することによって生じる還元性ガスによって、触媒能および導電性を発揮することができる。
【００２９】
触媒担持基板上に触媒粉体を付着する方法は電着を例示することができるが、本発明は触媒担持基板上に触媒粉体を配置する方法として電着に限定されない。また、触媒担持基板上に非触媒膜を成膜する方法は鍍金を例示することができるが、本発明は触媒担持基板上に非触媒膜を成膜する方法として鍍金に限定されない。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、カーボンファイバの成長に際して基板上から触媒粉体が合着することを有効に防止することができかつ剥離しないよう強固に固定することができるカーボンファイバ製造用触媒担持基板を提供することができる。
【００３１】
その結果、本発明では、一定径のカーボンファイバを製造することができるカーボンファイバ製造用触媒担持基板を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る触媒担持基板およびその製造方法を説明する。
【００３３】
図１は実施の形態の触媒担持基板を示す断面図、図２は同触媒担持基板の平面図である。なお、これらの図を含め他の図は理解のために誇張して示されており、本発明を限定するものではない。
【００３４】
触媒担持基板１０は、導電材から構成されているが、絶縁材から構成されてもよい。触媒担持基板１０は、炭素含有化合物、例えば、炭化水素ガスに対して触媒作用を有する触媒粉体１２を基板面１０ａ上に担持する基板である。
【００３５】
触媒担持基板１０の基板面１０ａ上には、触媒作用が無い非触媒材料からなる非触媒膜１４が固定されている。この非触媒膜１４の膜材料は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属材料を例示することができる。触媒粉体１２の材料にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の金属材料やその酸化物を例示することができる。触媒粉体１２の直径は、数ｎｍないし数１０ｎｍである。
【００３６】
触媒粉体１２は、それぞれとの隙間に非触媒材料が入り込んだ状態で非触媒膜１４中に埋め込み固定されて合着を防止されている。
【００３７】
触媒粉体１２は、それぞれの一部(露出部分)１２ａが非触媒膜１４の表面上に露出して非触媒膜１４上に点在している。
【００３８】
触媒粉体１２は非触媒膜１４中に単離して埋め込まれているが、非触媒膜１４に埋め込み固定されているので合着を防止することができれば多少接触していてもよい。触媒粉体１２は、その最大径の部分が非触媒膜１４中に埋め込まれていることが、非触媒膜１４中での埋め込み固定力を確保するうえで好ましい。触媒粉体１２が球形であればその球直径が最大径となり、触媒粉体１２が断面多角形、楕円形、その他の不定形であっても、その最大径となる部分が非触媒膜１４中に埋め込み固定されているとよい。触媒粉体１２は基板面１０ａに吸着ないし付着しているが、吸着や付着することに限定されず、非触媒膜中に浮いている状態でもよい。
【００３９】
以上の構成を備えた実施の形態の触媒担持基板１０においては、
・図３（ａ）で示すように加熱雰囲気中で触媒粉体１２の露出部分１２ａに炭化水素ガスが作用すると、この触媒粉体１２の露出部分１２ａをカーボンファイバ１６の成長核として該触媒粉体１２上にカーボンファイバ１６が成長することができる。この場合、触媒粉体１２は、非触媒膜１４中にその大半部分が強固に埋め込み固定されているので、カーボンファイバ１６が成長しても触媒粉体１２は非触媒膜１４中に止まることができる。そのため、同一基板にカーボンファイバ１６を製造する製造サイクルを例えば所定回数繰り返すような場合には、触媒粉体１２を基板１０上に再配置する必要が無くなり、同一基板を触媒粉体１２を基板上に配置する工程を経ることなく繰り返してカーボンファイバ１６の製造に用いることができる。そのため、製造工数が減って製造コストを低減することができる。
【００４０】
また、触媒粉体１２は非触媒膜１４で埋め込み固定されているので、触媒粉体１２同士が合着しにくく、結果として触媒粉体１２を配置間隔を狭めても触媒粉体１２の粒径が変化しにくく、触媒粉体１２を成長核とするカーボンファイバ１６を高精度に製造することができるようになる。
【００４１】
さらに、触媒粉体１２の合着が防止されるから、触媒粉体１２の配置間隔を狭くしても、触媒粉体１２毎に所要の単一径のカーボンファイバ１６を高密度に成長させることができ、また、基板１０上の単位面積当たりのカーボンファイバ１６の収量が増加する。
【００４２】
さらに、図３（ｂ）で示すように掻き取り治具(スクレーパ)で触媒担持基板１０上から剥離して回収したカーボンファイバ１６には触媒粉体１２が含まれていないから高純度のカーボンファイバ１６を製造することができるようになる。
【００４３】
さらに、非触媒膜１４が基板１０に固定され、この非触媒膜１４に触媒粉体１２が埋め込み固定されているから、触媒粉体１２を成長核として成長したカーボンファイバ１６は基板１０に対して接触面積を大きくすることができることにより電気的コンタクトを良好にとることができ、また、基板面１０ａ上に機械的に強固に支持されて剥離強度が高くなる。その結果、基板１０上にカーボンファイバ１６を成長させて使用する特定の用途、例えば、電子エミッタ等に好適に採用することができるようになる。また、カーボンファイバ１６は基板１０に対して接触面積を大きくすることができることにより、熱伝導性も良好となることから、放熱用デバイスとしても好適に採用可能である。
【００４４】
触媒粉体１２の非触媒膜１４からの露出面積を制御することによりカーボンファイバ１６をその直径を一定径に制御して成長させることができる。
【００４５】
次に、上記触媒担持基板１０の製造方法を説明する。この製造方法では説明の理解のための一例として非触媒膜１４の非触媒材料を銅（Ｃｕ）とし、触媒粉体１２の材料を鉄（Ｆｅ）とする。
【００４６】
(電着工程)
図４（ａ）で示すように電着溶液中に触媒担持基板１０を浸漬し負電圧を印加する一方、この溶液中に酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）微粒子からなる触媒粉体１２を投入する。触媒粉体１２をＦｅ微粒子の形態ではなくＦｅ2Ｏ3微粒子の形態で投入するのは、後程説明する鍍金工程で電解鍍金をする場合に触媒粉体１２には鍍金されないようにＦｅ2Ｏ3微粒子の低導電性を利用して触媒担持基板１０の導電性の有る基板面１０ａにのみ鍍金して非触媒膜１４を形成するためである。したがって、上記鍍金を無電解鍍金する場合では酸化鉄微粒子ではなく鉄微粒子を触媒粉体１２として電着溶液中に投入することができる。鉄微粒子の場合、例えば、触媒担持基板１０の表面に窒化チタン膜（無電解鍍金触媒膜）を設け、鉄微粒子上には成膜されにくい銅を窒化チタン膜上に非触媒膜として成膜させることができる。
【００４７】
この酸化鉄微粒子からなる触媒粉体１２は導電性が無く電着溶液中で帯電する。そのため、触媒粉体１２は図４（ｂ）で示すように触媒担持基板１０に触媒粉体１２の帯電電荷と反対のバイアス電圧を印加することにより触媒粉体１２は基板１０に引き寄せられていき、基板１０にかける印加電圧の制御によって最終的には図４（ｃ）で示すように触媒担持基板１０上に互いに単離した状態で分散して付着させることができる(電着)。この単離の程度は例えば分散媒の原子１〜数分子分程度以上である。また、分散媒中に界面活性剤などを用いた場合はこの界面活性剤によりミセル構造を形成するため、粒子表面の界面活性剤層厚分以上となる。この触媒粉体１２は、カーボンファイバ１６の成長時に炭化水素ガスを導入するとき、その水素成分により鉄に還元されるが、酸化鉄の状態でもカーボンファイバ１６の成長のための触媒作用を有する。
【００４８】
(鍍金工程)
次に図５（ａ）で示すように、触媒担持基板１０を鍍金溶液に浸漬する。次いで、図５（ｂ）で示すように触媒担持基板１０上に例えばＣｕを電解鍍金により鍍金する。最後に図５（ｃ）で示すようにＣｕが鍍金されて非触媒膜１４が形成された状態となる。この電解鍍金（電気鍍金）は電流でＣｕイオンを触媒担持基板１０の表面にて還元させることにより基板１０表面に固着させて非触媒膜１４を生成する鍍金である。
【００４９】
実施の形態では鍍金として電解鍍金に限定されるものではなく無電解鍍金（化学鍍金）でもよい。無電解鍍金はたとえば化学反応でＣｕを触媒担持基板１０上に析出する鍍金であり、Ｃｕを溶かした鍍金浴中に触媒担持基板１０を浸漬しＣｕイオンを化学還元剤の作用で還元して、触媒担持基板１０の表面にＣｕを析出させる。
【００５０】
以上の電着と電解鍍金のため触媒担持基板１０は導電性を有する必要があるが、触媒担持基板１０の全体が導電性を有する必要はなく、例えば、電着するべき領域、鍍金するべき領域に導電性を有するようにしてもよい。無電解鍍金では触媒担持基板１０は導電性を有する必要はない。
【００５１】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は実施の形態の触媒担持基板を示す断面図である。
【図２】図２は同触媒担持基板の平面図である。
【図３】図３（ａ）は触媒担持基板上にカーボンファイバが成長した状態を示す断面図、図３（ｂ）は触媒担持基板上からカーボンファイバを剥離した状態を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は電着溶液中に触媒担持基板を浸漬し酸化鉄を投入した状態を示す図、図４（ｂ）は触媒担持基板に酸化鉄が引き寄せられていく状態を示す図、図４（ｃ）は触媒担持基板に酸化鉄が電着された状態を示す図である。
【図５】図５（ａ）は鍍金浴中に触媒担持基板を浸漬した状態を示す図、図５（ｂ）は鍍金浴中に浸漬した触媒担持基板に非触媒膜の鍍金が施された初期段階の状態を示す図、図５（ｃ）は触媒担持基板上に非触媒膜が鍍金された状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  触媒担持基板
１２  触媒粉体
１４  非触媒膜
【図１】
0005131616.tif 000002
【図２】
0005131616.tif 000003
【図３】
0005131616.tif 000004
【図４】
0005131616.tif 000005
【図５】
0005131616.tif 000006