(57)【要約】  量産化を図ることが可能な金属型ナノカーボンと半導体型ナノカーボンとの分離装置及び分離方法を提供する。ナノカーボンの分離装置は、電気泳動槽と、電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極と、電気泳動槽に液体を注入する第１の注入口と、第１の注入口よりも下方に設けられ、第１の注入口から注入する液体よりもｐＨが小さい液体を電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、第１の注入口及び第２の注入口を有する面と対向する面に設けられた回収口と、を有し、第１の注入口及び第２の注入口のうち少なくとも一方から注入する液体は、ナノカーボンを分散させた分散液である。
2018158830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気泳動槽と、
前記電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極と、
前記電気泳動槽に液体を注入する第１の注入口と、
前記第１の注入口よりも下方に設けられ、前記第１の注入口から注入する液体よりもｐＨが小さい液体を前記電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、
前記第１の注入口及び前記第２の注入口を有する面と対向する面に設けられた回収口と、を有し、
前記第１の注入口及び第２の注入口のうち少なくとも一方から注入する液体は、ナノカーボンを分散させた分散液である、
ことを特徴とするナノカーボンの分離装置。
【請求項２】
電気泳動槽と、
前記電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極と、
前記電気泳動槽に液体を注入する第１の注入口と、
前記第１の注入口よりも下部に設けられ、前記第１の注入口から注入する液体よりもｐＨが小さい液体を前記電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、
前記第１の注入口と対向する位置に設けられた第１の回収口と、
前記第２の注入口と対向する位置に設けられた第２の回収口と、を有し、
前記第１の注入口及び第２の注入口から注入する液体のうち少なくとも一方は、ナノカーボンを分散させた分散液である、
ことを特徴とするナノカーボンの分離装置。
【請求項３】
前記第１の注入口及び前記第２の注入口から液体を注入する速度と、前記回収口から液体が排出される速度と、が等しい、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のナノカーボンの分離装置。
【請求項４】
前記電気泳動槽の下部に配置された電極は陽極であり、前記電気泳動槽の上部に配置された電極は陰極である、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のナノカーボンの分離装置。
【請求項５】
電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極に直流電流を印加し、
前記電気泳動槽の一側面に設けられた第１の注入口から前記電気泳動槽へ分散液を注入し、
前記一側面の前記第１の注入口よりも下部に設けられた第２の注入口から前記電気泳動槽へ前記分散液よりもｐＨの低い液体を注入し、
前記第１の注入口と対向する位置に設けられた第１の回収口と、前記第２の注入口と対向する位置に設けられた第２の回収口と、から液体を回収し、
前記第１の注入口及び第２の注入口から注入する液体の少なくとも一方は、ナノカーボンが分散した分散液である、
ことを特徴とするナノカーボンの分離方法。
【請求項６】
前記電気泳動槽の上部に配置された電極が陰極であり、
前記電気泳動槽の下部に配置された電極が陽極であり、
前記第１の回収口から回収する液体は、金属型のナノカーボンを主として含むナノカーボンが分散した分散液であり、
前記第２の回収口から回収する液体は、半導体型のナノカーボンを主として含むナノカーボンが分散した分散液である、
ことを特徴とする請求項５に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項７】
前記第１の注入口から液体を注入する速度と、前記第２の注入口から液体を注入する速度と、前記第１の回収口から液体が排出される速度と、前記第２の回収口から液体が排出される速度と、が等しい、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項８】
前記第１の注入口及び前記第２の注入口から液体を注ぐ前に、前記電気泳動槽へ液体を注入し、ｐＨが重力方向の下から上へ向かって増加するｐＨ勾配を形成させる、
ことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項９】
前記分散液よりもｐＨの大きい液体は、前記ナノカーボンが分散した分散液である、
ことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項１０】
前記液体は前記ナノカーボン以外の添加剤を含む、
ことを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１項に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項１１】
前記添加剤は、非イオン界面活性剤である、
ことを特徴とする請求項１０に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項１２】
前記液体は重水及び軽水を含む、
ことを特徴とする請求項５ないし１１のいずれか１項にナノカーボンの分離方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノカーボンの分離装置及び分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノメートル領域のサイズを有する炭素材料（以下、ナノカーボン）が、その機械的特性、電気的特性、化学的特性等から様々な分野への適用が期待されている。
ナノカーボンでは、製造の段階で性質の異なるナノカーボンが同時に生成される場合がある。電気的特性の異なるナノカーボンが混合した状態で電子材料として用いた場合、特性の低下などの問題を引き起こす可能性がある。そこで、性質の異なるナノカーボンを分離することが必要となる。【０００３】
ナノカーボンを分離するために、特許文献１には、異なる複数の電荷を持つナノカーボンミセル群に分散した、ナノカーボン材料の分散溶液と、該ナノカーボン材料と異なる比重を持つ保持溶液とを、電気泳動槽内に所定の方向に積層して導入配置する工程と、該積層して導入配置した分散溶液と保持溶液に、直列方向に印加することにより、該ナノカーボンミセル群を２以上のナノカーボンミセル群に分離する工程と、を含むナノカーボン材料分離方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１５０８０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の分離方法では分離の効率に課題があった。すなわち、特許文献１に記載の分離方法では分離に時間を要した。
本発明は、性質の異なるナノカーボンの分離において、分離効率を向上させる、または分離に要する時間を短縮すると共に、量産化を図ることが可能な、ナノカーボンの分離装置及び分離方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のナノカーボンの分離装置は、
電気泳動槽と、
前記電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極と、
前記電気泳動槽に液体を注入する第１の注入口と、
前記第１の注入口よりも下方に設けられ、前記第１の注入口から注入する液体よりもｐＨが小さい液体を前記電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、
前記第１の注入口及び前記第２の注入口を有する面と対向する面に設けられた回収口と、を有し、
前記第１の注入口及び第２の注入口のうち少なくとも一方から注入する液体は、ナノカーボンを分散させた分散液である。【０００７】
本発明のナノカーボンの分離装置は、
電気泳動槽と、
前記電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極と、
前記電気泳動槽に液体を注入する第１の注入口と、
前記第１の注入口よりも下部に設けられ、前記第１の注入口から注入する液体よりもｐＨが小さい液体を前記電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、
前記第１の注入口と対向する位置に設けられた第１の回収口と、
前記第２の注入口と対向する位置に設けられた第２の回収口と、を有し、
前記第１の注入口及び第２の注入口から注入する液体のうち少なくとも一方は、ナノカーボンを分散させた分散液である。【０００８】
本発明のナノカーボンの分離方法は、
電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極に直流電流を印加し、
前記電気泳動槽の一側面に設けられた第１の注入口から前記電気泳動槽へ分散液を注入し、
前記一側面の前記第１の注入口よりも下部に設けられた第２の注入口から前記電気泳動槽へ前記分散液よりもｐＨの低い液体を注入し、
前記第１の注入口と対向する位置に設けられた第１の回収口と、前記第２の注入口と対向する位置に設けられた第２の回収口と、から液体を回収し、
前記第１の注入口及び第２の注入口から注入する液体の少なくとも一方は、ナノカーボンが分散した分散液である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、性質の異なるナノカーボンの分離において、分離効率を向上させる、または分離に要する時間を短縮すると共に、量産化を図ることが可能な、ナノカーボンの分離装置及び分離方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本実施形態に係る分離装置の一例を示す概略図である。
【図１Ｂ】本実施形態に係る分離装置の他の一例を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る変形例の分離装置の概略図である。
【図３】本実施形態に係る分離方法を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態に係る電気泳動条件を示す概略図である。
【図５】本実施形態に係る電気泳動時の試料移動状態を示す写真である。
【図６】溶液の界面活性剤の濃度とｐＨの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本実施形態に係るナノカーボンの分離方法及び精製方法、並びに分散液について説明する。本実施形態において、ナノカーボン材料とは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノツイスト、グラフェン、フラーレンなどを含めた主に炭素により構成されている炭素材料を意味する。ナノカーボンの一例として、単層カーボンナノチューブを包含する分散液から半導体型を持つ単層カーボンナノチューブと、金属型を持つ単層カーボンナノチューブと、を分離する場合について詳述する。
【００１２】
（１）単層カーボンナノチューブ
単層カーボンナノチューブは、チューブの直径、巻き方によって金属型と半導体型という２つの異なる性質に分かれることが知られている。現在知られている製造方法を用いて単層カーボンナノチューブを合成すると、金属的な性質を有する単層カーボンナノチューブ（以下、金属型の単層カーボンナノチューブと記す）と半導体的な性質を有する単層カーボンナノチューブ（以下、半導体型の単層カーボンナノチューブと記す）が統計的に１：２の割合で含まれる単層カーボンナノチューブの混合材料が得られる。
【００１３】
なお、以下では、金属型の単層カーボンナノチューブと半導体型の単層カーボンナノチューブとが混合した単層カーボンナノチューブことを、単層カーボンナノチューブ混合物と記す。単層カーボンナノチューブ混合物は、金属型の単層カーボンナノチューブと半導体型の単層カーボンナノチューブとを含むものであれば特に制限されない。また本実施形態における単層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ単体であってもよいし、一部の炭素が任意の官能基で置換された単層カーボンナノチューブや、任意の官能基で修飾された単層カーボンナノチューブであってもよい。
以降では、単層カーボンナノチューブ混合物が分散媒に分散した分散液を、半導体型を持つ単層カーボンナノチューブと、金属型を持つ単層カーボンナノチューブと、に分離する一例について詳述する。
【００１４】
（２）単層カーボンナノチューブ混合物の分散液
本実施形態における単層カーボンナノチューブ混合物の分散液は、単層カーボンナノチューブ混合物が分散媒に分散した液体である。分散液の分散媒には、水もしくは重水を用いることが好適である。しかし、単層カーボンナノチューブを分散させることができる分散媒であれば、有機溶媒、イオン液体などの分散媒を用いても良い。分散媒中に単層カーボンナノチューブ混合物を分散させる補助材料として、非イオン性界面活性剤、陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、その他の分散補助剤などを用いてもよい。特に、非イオン性界面活性剤を用いることが好適である。非イオン性界面活性剤については後述する。分散液の調製方法についても後述する。
【００１５】
次に、本実施形態において使用する分離装置について説明する。
図１Ａおよび図１Ｂは何れも、本実施形態における分離装置である。
図１Ａの分離装置１は、電気泳動槽１０と、電気泳動槽１０内の上部に配置された電極２０と、電気泳動槽１０内の下部に配置された電極３０と、電気泳動槽１０内に液体を注入する第１注入口４０と、第１の注入口４０よりも下方に設けられ、第１の注入口４０から注入する液体よりもｐＨが小さい液体を電気泳動槽１０へ注入する第２の注入口５０と、第１の注入口４０及び第２の注入口５０を有する面と対向する面に設けられた回収口６０と、を有する。第１の注入口４０及び第２の注入口５０のうち少なくとも一方から注入する液体は、ナノカーボンを分散させた分散液である。
【００１６】
図１Ｂの分離装置１は、電気泳動槽１０と、電気泳動槽１０内の上部に配置された電極２０と、電気泳動槽１０内の下部に配置された電極３０と、電気泳動槽１０内に液体を注入する第１注入口４０と、第１の注入口４０よりも下部に設けられ、第１の注入口４０から注入する液体よりもｐＨが小さい液体を電気泳動槽１０へ注入する第２の注入口５０と、第１の注入口４０と対向する位置に設けられた第１の回収口７０と、第２の注入口５０と対向する位置に設けられた第２の回収口８０と、を有する。第１の注入口４０及び第２の注入口５０から注入する液体のうち少なくとも一方は、ナノカーボンを分散させた分散液である。
【００１７】
電気泳動槽１０は、液体を収容可能な空間を有する。電気泳動槽１０内に分離対象である単層カーボンナノチューブ混合物の分散液を注入し、カーボンナノチューブ混合物の分離を行う。電気泳動槽１０の材質は、絶縁性の材質であればよい。例えば、電気泳動槽１０の材質として、ガラス、石英、アクリル樹脂等を用いることができる。
【００１８】
電極２０と電極３０とに電圧を印加すると、単層カーボンナノチューブ混合物が、金属型の単層カーボンナノチューブと、半導体型のカーボンナノチューブと、に分離する。金属型の単層カーボンナノチューブは、陰極近傍に集まる。一方、半導体型の単層カーボンナノチューブは陽極近傍に集まる。このため、電極２０及び電極３０を、電気泳動槽１０の上端部と下端部とに配置することが望ましい。電気泳動槽１０の下部に陽極を配置し、電気泳動槽１０の上部に陰極を配置することがより好ましい。電極３０を陽極、電極２０を陰極とした場合、電界Ｚが電気泳動槽１０の下方から上方へ向かう。一方、電気泳動槽１０の下部に配置された電極３０を陰極、電気泳動槽１０の上部に配置された電極２０を陽極とした場合、電界Ｚが電気泳動槽１０の上方から下方へ向かう。
ここで、上下とは、分離装置１を使用可能な状態で設置した場合での、重力方向の上を上、重力方向の下を下と示す。電極２０、３０の材料は、白金などを用いることができる。
【００１９】
注入口４０は、電気泳動槽１０内に液体を注入するための開口である。本実施形態における注入口４０は電気泳動槽１０の上端に設けられた開口である。
回収口５０は、液体を電気泳動槽１０から回収するための開口である。回収口５０は電気泳動槽１０の下端に設けてもよい。回収口５０を複数有する場合、それぞれの回収口は電極２０、３０の近傍に設けることが好ましい。分離された金属型の単層カーボンナノチューブは陰極近傍に移動し、半導体型の単層カーボンナノチューブは陽極近傍に移動するので、移動した単層カーボンナノチューブを効率的に回収することができる。
【００２０】
図１に示す一例では注入口４０と回収口５０とを有する構成を示したが、分離装置１の構成はこれに限定されるものではない。
【００２１】
次に、本実施形態に係る分離方法を説明する。図３は、本実施形態における分離方法のフローチャートである。
【００２２】
まず、第１のステップ（Ｓ１）では、互いにｐＨの異なる複数の液体を準備する。複数の液体のうち少なくとも１つは、単層カーボンナノチューブ混合物の分散液である。ｐＨの異なる複数の液体は、所定の溶質が所定の溶媒に含有された液体である。所定の溶質としては、例えば、界面活性剤を用いることができる。また、所定の溶媒としては、水、重水を用いることができる。溶質である界面活性剤の濃度を調整することによって、ｐＨの調製ができる。例えば、溶媒に重水を、溶質として界面活性剤として非イオン性界面活性剤であるポリオキシエチレン（１００）ステアリルエーテル（Ｂｒｉｊ７００［商品名］）を用いることができる。この場合、室温（２５℃）においてＢｒｉｊ７００の１ｗｔ％水溶液は、Ｂｒｉｊ７００の０．５ｗｔ％水溶液よりもｐＨが小さくなる。
次に、単層カーボンナノチューブ混合物の分散液を得る方法は特に限定されず、既知の方法を適用することができる。例えば、単層カーボンナノチューブ混合物と分散媒を混合し、超音波処理を行うことで単層カーボンナノチューブ混合物を分散媒に分散させる。または、機械的なせん断力により単層カーボンナノチューブを分散媒に分散させることもできる。分散液は、単層カーボンナノチューブ混合物と分散媒との他に界面活性剤等の分散補助剤を含んでもよい。
【００２３】
次に、第２のステップ（Ｓ２）では、液体のｐＨが重力方向の下から上へ向かって増加するように、第１のステップで準備した液体を電気泳動槽１０へ注入する。その際、液体が単層カーボンナノチューブを含むか否かに拘わらない。具体的には、準備した液体のうち、ｐＨが最小の液体を電気泳動槽１０へ注ぐ。次に、準備した液体のうち２番目にｐＨが大きい液体を電気泳動槽１０へ注ぐ。以下、ｐＨの小さい液体から順に電気泳動槽１０へ注ぐ。これにより、電気泳動槽中に、液体のｐＨが重力方向の下から上へ向かって増加するｐＨ勾配を形成することができる。
【００２４】
第３のステップ（Ｓ３）では、電気泳動槽へ直流電圧を印加する。液体中に分散したカーボンナノチューブ混合物のうち金属型の単層カーボンナノチューブが陰極近傍に移動し、半導体型の単層カーボンナノチューブが陽極側に移動する。この結果、液体中に分散したカーボンナノチューブ混合物を金属型と半導体型とに分離することができる。非イオン性界面活性剤が溶解した液体を用いる場合、金属型の単層カーボンナノチューブは液体中で正電荷を帯び、半導体型の単層カーボンナノチューブは極めて弱い負電荷を持つ。また、電圧印加後には、半導体型の単層カーボンナノチューブは金属型の単層カーボンナノチューブに比べｐＨが大きくなる傾向にある。このｐＨの差によって生じる移動力と、電界と電荷とにより生じる電気泳動力と、の合力により単層カーボンナノチューブ混合物が金属型と半導体型とに分離される。
印加する電圧は、分散媒の組成及び単層カーボンナノチューブ混合物の電荷量により最適な値を決定する必要がある。水及び重水などを分散媒として用いた場合、最も離れた電極間に加える印加電圧は０Ｖより大きく、１０００Ｖ以下（０〜１０００Ｖ）の間の任意の値とすることが可能である。特に水・重水では電気分解の効果を抑えるため、０Ｖより大きく、１２０Ｖ以下（０〜１２０Ｖ）の範囲において電圧を印加することが望ましい。
【００２５】
第４のステップ（Ｓ４）では、電気泳動槽の一側面に設けた第一の注入口から分散液を電気泳動槽へ注入するとともに、第１の注入口よりも下部に設けられた第２の注入口から電気泳動槽へ前記分散液よりもｐＨの低い液体を注入する。分離処理の実行中は、注入を継続する。
【００２６】
最後に、第５のステップ（Ｓ５）では、分離後の液体を回収する。電圧を印加した状態で、回収口５０から回収を行う。分離が進行すると、電極２０（陰極）がある電気泳動槽１０の上部に金属型カーボンナノチューブが蓄積した金属型カーボンナノチューブ層が生じる。また、電極３０（陽極）のある電気泳動槽１０の下部に半導体型単層カーボンナノチューブが蓄積した半導体型単層カーボンナノチューブ層が生じる。これにより、第１の回収口７０からは金属型カーボンナノチューブを含む分離後の液体が回収され、第２の回収口８０からは半導体型単層カーボンナノチューブを含む分離後の液体が回収される。
【００２７】
第１の注入口４０から分散液を注入する速度と、第２の注入口５０から前記分散液よりもｐＨの低い液体を注入する速度と、第１の回収口７０と第２の回収口８０から分離後の液体を回収する速度と、が等しくなるように制御する。これにより、電気泳動槽１０へ第１の注入口４０から分散液を注入すると同時に、第２の注入口５０から前記分散液よりもｐＨの低い液体を注入しながら、第１の回収口７０から金属型単層ナノカーボンチューブを含む分離後の液体を連続して回収すると同時に、第２の回収口８０から半導体型単層ナノカーボンチューブを含む分離後の液体を連続して回収することができる。
【００２８】
以上では、図１Ｂに示す分離装置に基づき、分離方法のフローチャートを説明したが、図１Ｂの分離装置１に代えて、図２の分離装置１Ａを用いてもよい。
図２の分離装置１Ａは、第１の注入口４０と第２の注入口５０の間に第３の注入口４０Ａを有し、第１の注入口４０と対向する位置に設けられた第１の回収口７０と、第２の注入口５０と対向する位置に設けられた第２の回収口８０との間に第３の回収口７０Ａを有する点が、図１Ｂの分離装置１と異なる。
分離装置１Ａを用いて分離操作を行なう場合には、第１の注入口４０から弱アルカリ性・中性に調整された液体を注入し、第２の注入口５０から弱酸性に調整された液体を注入し、第３の注入口４０Ａから単層カーボンナノチューブ混合物を分散媒に分散した分散液を注入する。分離後の液体は、それぞれ独立して第１の回収口７０、第２の回収口８０、第３の回収口７０Ａから回収する。
【００２９】
以上により単層カーボンナノチューブ混合物を、金属型の単層カーボンナノチューブと、半導体型の単層カーボンナノチューブと、に分離することができる。なお、第５のステップで得た回収液を用いて、第１のステップから第５のステップを繰り返し実行してもよい。繰り返し行うことにより、金属型の単層カーボンナノチューブおよび半導体型の単層カーボンナノチューブの純度を向上させることができる。
【００３０】
なお、以上では単層カーボンナノチューブ混合物を、金属型の単層カーボンナノチューブと、半導体型の単層カーボンナノチューブと、に分離する一例について説明したがこれに限定されるものではない。例えば、電気泳動槽１０内で分離させた後、目的の性質を持つ単層カーボンナノチューブのみを回収する、単層カーボンナノチューブの精製方法として行ってもよい。
【００３１】
回収した試料の分離効率は、顕微Ｒａｍａｎ分光分析法（Ｒａｄｉａｌ Ｂｒｅａｔｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ（ＲＢＭ）領域のＲａｍａｎスペクトルの変化、ＢＷＦ領域のＲａｍａｎスペクトル形状の変化）、及び紫外可視近赤外吸光光度分析法（吸収スペクトルのピーク形状の変化）などの手法により評価することができる。また、単層カーボンナノチューブの電気的特性について評価することによっても分離効率を評価することが可能である。例えば、電界効果トランジスタを作製して、そのトランジスタ特性を測定することによって試料の評価を行うことができる。
【００３２】
上記の説明では非イオン性界面活性剤としてポリオキシエチレン（１００）ステアリルエーテル（Ｂｒｉｊ７００［商品名］）を用いる例を説明した。しかし、非イオン性界面活性剤はこれに限定させるものではない。
非イオン性界面活性剤として、イオン化しない親水性部位とアルキル鎖など疎水性部位で構成されている非イオン性界面活性剤を１種類もしくは複数組み合わせて用いることができる。例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系に代表されるポリエチレングリコール構造を有する非イオン性界面活性剤や、アルキルグルコシド系非イオン性界面活性剤などを用いることができる。また、ポリオキシエチレン（ｎ）アルキルエーテル（ｎが２０以上１００以下、アルキル鎖長がＣ１２以上Ｃ１８以下）で規定される非イオン性界面活性剤が好適に用いられる。例えば、ポリオキシエチレン（２３）ラウリルエーテル（Ｂｒｉｊ３５［商品名］）、ポリオキシエチレン（２０）セチルエーテル（Ｂｒｉｊ５８［商品名］）、ポリオキシエチレン（２０）ステアリルエーテル（Ｂｒｉｊ７８［商品名］）、ポリオキシエチレン（１０）オレイルエーテル（Ｂｒｉｊ９７［商品名］）、ポリオキシエチレン（１０）セチルエーテル（Ｂｒｉｊ５６［商品名］）、ポリオキシエチレン（１０）ステアリルエーテル（Ｂｒｉｊ７６［商品名］）、ポリオキシエチレン（２０）オレイルエーテル（Ｂｒｉｊ９８［商品名］）、ポリオキシエチレン（１００）ステアリルエーテル（Ｂｒｉｊ７００［商品名］）などを用いることができる。
【００３３】
以上、単層カーボンナノチューブの金属型および半導体型分離に対して適用できる実施形態を説明したが、他のナノカーボン、すなわち多層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、グラフェンなどにも適用できる。
【００３４】
本実施形態に係る分離方法を用いることにより、性質の異なるナノカーボンの分離において、分離効率を向上させる、または分離に要する時間を短縮すると共に、量産化を図ることができる。
【００３５】
以下に実施形態を示す。以下の実施形態は例示であり、以下の実施形態に発明が限定されるものではない。
（実施形態１）
図４は、本実施形態に示す電気泳動条件の一例を示す概略図である。以下では、図４を参照して説明する。
（１）分離用の液体の調製
分散媒として、水に、非イオン性界面活性剤であるＢｒｉｊ７００を０．２５ｗｔ％溶解した水溶液を準備した。この分散媒に対して、単層カーボンナノチューブ混合物（ｅＤＩＰＳ単層カーボンナノチューブ）を単分散させた。単分散させた液体に対して、ホーン型超音波破砕機（出力約３００Ｗ、３０分間）による超音波分散処理を行った。その後、超遠心分離操作を行い、上澄み５０％を分散液（以下、ＣＮＴ分散液と記す）として得た。
また、水に非イオン性界面活性剤であるＢｒｉｊ７００を１ｗｔ％溶解した水溶液（以下、Ｂｒｉｊ１ｗｔ％水溶液と記す）と、水に非イオン性界面活性剤であるＢｒｉｊ７００を０．２５ｗｔ％溶解した水溶液（以下、Ｂｒｉｊ０．２５ｗｔ％水溶液と記す）を用意した。
液体のｐＨは、Ｂｒｉｊ１ｗｔ％水溶液が最も小さく（ｐＨ４〜４．５）、次いでＢｒｉｊ０．２５ｗｔ％水溶液（ｐＨ６〜７）であった。
【００３６】
（２）液体の注入
調製した液体を、図２に示す分離装置１Ａの電気泳動槽１０に注入した。
まず、第２の注入口５０からＢｒｉｊ１ｗｔ％水溶液（ｐＨ４〜４．５）を電気泳動槽１０内に注いだ。これにより、注いだＢｒｉｊ１ｗｔ％水溶液によりＢｒｉｊ１ｗｔ％層が形成された。次いで、Ｂｒｉｊ１ｗｔ％層の上にＢｒｉｊ０．２５ｗｔ％水溶液が積層するように、第１の注入口４０からＢｒｉｊ０．２５ｗｔ％水溶液（ｐＨ６〜７）を分離装置１Ａの電気泳動槽１０に静かに注入した。
以上により、電気泳動槽１０内の液体に、重力方向下から上に向かって増加するｐＨ勾配を形成した。
【００３７】
（３）分離操作
分離装置１Ａの下側の電極３０（陽極）と上側の電極２０（陰極）間に直流電圧（３０Ｖ）を印加した。
電圧印加終了後、電気泳動槽１０内において液体のｐＨ勾配が形成された状態で、第１の注入口４０からＢｒｉｊ０．２５ｗｔ％水溶液（ｐＨ６〜７）を注入し、第２の注入口５０からＢｒｉｊ１ｗｔ％水溶液（ｐＨ４〜４．５）を注入し、第３の注入口４０Ａから単層カーボンナノチューブ混合物を分散媒に分散した分散液を注入した。
分離操作時の電気泳動槽１０の写真を図５に示す。第３の注入口４０Ａから注入された単層カーボンナノチューブ混合物を分散媒に分散した分散液は、時間の経過に伴い、第１回収口７０と、第２回収口８０へと移動し、金属型単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域（２０１）と透明な領域（２０２）、半導体型単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域（２０３）の３層を形成した状態となった。そして、第１の回収口７０、第２の回収口８０、第３の回収口７０Ａから分離後の液体を回収した。
【００３８】
本発明においては、電気泳動槽１０の下方から上方へ向けて、液体が小さいｐＨから大きいｐＨとなるｐＨ勾配を有するように、電気泳動槽１０内にｐＨの異なる液層を形成した状態で、第１の注入口４０、第２の注入口５０からｐＨの異なる液体を注入しながら、第３の注入口４０Ａから単層カーボンナノチューブ混合物を分散媒に分散した分散液を注入し、かつ、第１の回収口７０、第２の回収口８０、第３の回収口７０Ａから分散後の液体を回収する。これにより、本発明によれば、連続的に半導体型単層カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブを分離回収できることが確認された。
【符号の説明】
【００３９】
１、１Ａ・・・分離装置
１０・・・電気泳動槽
２０、３０・・・電極
４０・・・第１の注入口
４０Ａ・・・第３の注入口
５０・・・第２の注入口
７０・・・第１の回収口
７０Ａ・・・第３の回収口
８０・・・第２の回収口
【図１Ａ】
2018158830.tif 000003
【図１Ｂ】
2018158830.tif 000004
【図２】
2018158830.tif 000005
【図３】
2018158830.tif 000006
【図４】
2018158830.tif 000007
【図５】
2018158830.tif 000008
【図６】
2018158830.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月11日(2017.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐＨの異なる複数の液体であって、前記複数の液体の少なくとも１つが電気的性質の異なる少なくとも２種類のナノカーボンが分散した分散液である前記複数の液体を収容可能な電気泳動槽と、
前記電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極であって、直流電圧を印加することで、電気的性質の異なる前記ナノカーボンの一方を上部に配置された前記電極側に移動させ、前記ナノカーボンの他方を下部に配置された前記電極側に移動させて分離する電極と、
前記電気泳動槽に前記複数の液体のうち、第１の液体を注入する第１の注入口と、
前記第１の注入口よりも下方に設けられ、前記複数の液体のうち、前記第１の液体よりもｐＨが小さい第２の液体を前記電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、
前記第１の注入口及び前記第２の注入口を有する面と対向する面に設けられた回収口と、を有し、
前記第１の液体及び第２の液体のうち少なくとも一方は、前記分散液である、
ことを特徴とするナノカーボンの分離装置。
【請求項２】
ｐＨの異なる複数の液体であって、前記複数の液体の少なくとも１つが電気的性質の異なる少なくとも２種類のナノカーボンが分散した分散液である前記複数の液体を収容可能な電気泳動槽と、
前記電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極であって、直流電圧を印加することで、電気的性質の異なる前記ナノカーボンの一方を上部に配置された前記電極側に移動させ、前記ナノカーボンの他方を下部に配置された前記電極側に移動させて分離する電極と、
前記電気泳動槽に前記複数の液体のうち、第１の液体を注入する第１の注入口と、
前記第１の注入口よりも下部に設けられ、前記複数の液体のうち、前記第１の液体よりもｐＨが小さい第２の液体を前記電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、
前記第１の注入口と対向する位置に設けられた第１の回収口と、
前記第２の注入口と対向する位置に設けられた第２の回収口と、を有し、
前記第１の液体及び第２の液体のうち少なくとも一方は、前記分散液である、
ことを特徴とするナノカーボンの分離装置。
【請求項３】
前記第１の注入口及び前記第２の注入口から液体を注入する速度と、前記回収口から液体が排出される速度と、が等しい、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のナノカーボンの分離装置。
【請求項４】
前記電気泳動槽の下部に配置された電極は陽極であり、前記電気泳動槽の上部に配置された電極は陰極である、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のナノカーボンの分離装置。
【請求項５】
ｐＨの異なる複数の液体を収容可能な電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極に直流電圧を印加し、
前記電気泳動槽の一側面に設けられた第１の注入口から前記電気泳動槽へ前記複数の液体のうち、電気的性質の異なる少なくとも２種類のナノカーボンが分散した分散液である第１の液体を注入し、
前記一側面の前記第１の注入口よりも下部に設けられた第２の注入口から前記電気泳動槽へ、前記複数の液体のうち、前記第１の液体よりもｐＨの小さい第２の液体を注入し、
前記第１の注入口と対向する位置に設けられた第１の回収口と、前記第２の注入口と対向する位置に設けられた第２の回収口と、から、前記電極に直流電圧を印加することで、電気的性質の異なる前記ナノカーボンの一方を上部に配置された前記電極側に移動させ、前記ナノカーボンの他方を下部に配置された前記電極側に移動させて分離した液体を回収する、
ことを特徴とするナノカーボンの分離方法。
【請求項６】
前記電気泳動槽の上部に配置された電極が陰極であり、
前記電気泳動槽の下部に配置された電極が陽極であり、
前記第１の回収口から回収する液体は、金属型のナノカーボンを主として含むナノカーボンが分散した分散液であり、
前記第２の回収口から回収する液体は、半導体型のナノカーボンを主として含むナノカーボンが分散した分散液である、
ことを特徴とする請求項５に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項７】
前記第１の注入口から液体を注入する速度と、前記第２の注入口から液体を注入する速度と、前記第１の回収口から液体が排出される速度と、前記第２の回収口から液体が排出される速度と、が等しい、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項８】
前記第１の注入口及び前記第２の注入口から液体を注ぐ前に、前記電気泳動槽へ前記ｐＨの異なる複数の液体を順次注入し、ｐＨが重力方向の下から上へ向かって増加するｐＨ勾配を形成させる、
ことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項９】
前記液体を注入するときに、注入する前記液体は前記ナノカーボン以外の添加剤を含む、
ことを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項１０】
前記添加剤は、非イオン界面活性剤である、
ことを特徴とする請求項９に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項１１】
前記液体は重水及び軽水を含む、
ことを特徴とする請求項５ないし１０のいずれか１項に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項１２】
前記複数の液体が、ｐＨの異なる３つ以上の液体である請求項１又は２に記載のナノカーボンの分離装置。
【請求項１３】
前記複数の液体が、前記分散液を２つ含む請求項１又は２に記載のナノカーボンの分離装置。
【請求項１４】
前記複数の液体が、ｐＨの異なる３つの液体であって、
前記分散液が他の液体の間に位置するように、前記ｐＨの異なる３つの液体を順次注入する請求項１又は２に記載のナノカーボンの分離装置。
【請求項１５】
前記複数の液体が、ｐＨの異なる３つ以上の液体である請求項５に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項１６】
前記複数の液体が、前記第１の液体を含めて、電気的性質の異なる少なくとも２種類のナノカーボンが分散した分散液を２つ含む請求項５に記載のナノカーボンの分離方法。
【請求項１７】
前記複数の液体が、ｐＨの異なる３つの液体であって、
前記第１の液体が他の液体の間に位置するように、前記ｐＨの異なる３つの液体を順次注入する請求項５に記載のナノカーボンの分離方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
ナノカーボンを分離するために、特許文献１には、異なる複数の電荷を持つナノカーボンミセル群に分散した、ナノカーボン材料の分散溶液と、該ナノカーボン材料と異なる比重を持つ保持溶液とを、電気泳動槽内に所定の方向に積層して導入配置する工程と、該積層して導入配置した分散溶液と保持溶液に、直列方向に電圧を印加することにより、該ナノカーボンミセル群を２以上のナノカーボンミセル群に分離する工程と、を含むナノカーボン材料分離方法が記載されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明のナノカーボンの分離装置は、
ｐＨの異なる複数の液体であって、前記複数の液体の少なくとも１つが電気的性質の異なる少なくとも２種類のナノカーボンが分散した分散液である前記複数の液体を収容可能な電気泳動槽と、
前記電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極であって、直流電圧を印加することで、電気的性質の異なる前記ナノカーボンの一方を上部に配置された前記電極側に移動させ、前記ナノカーボンの他方を下部に配置された前記電極側に移動させて分離する電極と、
前記電気泳動槽に前記複数の液体のうち、第１の液体を注入する第１の注入口と、
前記第１の注入口よりも下方に設けられ、前記複数の液体のうち、前記第１の液体よりもｐＨが小さい第２の液体を前記電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、
前記第１の注入口及び前記第２の注入口を有する面と対向する面に設けられた回収口と、を有し、
前記第１の液体及び第２の液体のうち少なくとも一方は、前記分散液である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明のナノカーボンの分離装置は、
ｐＨの異なる複数の液体であって、前記複数の液体の少なくとも１つが電気的性質の異なる少なくとも２種類のナノカーボンが分散した分散液である前記複数の液体を収容可能な電気泳動槽と、
前記電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極であって、直流電圧を印加することで、電気的性質の異なる前記ナノカーボンの一方を上部に配置された前記電極側に移動させ、前記ナノカーボンの他方を下部に配置された前記電極側に移動させて分離する電極と、
前記電気泳動槽に前記複数の液体のうち、第１の液体を注入する第１の注入口と、
前記第１の注入口よりも下部に設けられ、前記複数の液体のうち、前記第１の液体よりもｐＨが小さい第２の液体を前記電気泳動槽へ注入する第２の注入口と、
前記第１の注入口と対向する位置に設けられた第１の回収口と、
前記第２の注入口と対向する位置に設けられた第２の回収口と、を有し、
前記第１の液体及び第２の液体のうち少なくとも一方は、前記分散液である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明のナノカーボンの分離方法は、
ｐＨの異なる複数の液体を収容可能な電気泳動槽の上部と下部とに配置された電極に直流電圧を印加し、
前記電気泳動槽の一側面に設けられた第１の注入口から前記電気泳動槽へ前記複数の液体のうち、電気的性質の異なる少なくとも２種類のナノカーボンが分散した分散液である第１の液体を注入し、
前記一側面の前記第１の注入口よりも下部に設けられた第２の注入口から前記電気泳動槽へ、前記複数の液体のうち、前記第１の液体よりもｐＨの小さい第２の液体を注入し、
前記第１の注入口と対向する位置に設けられた第１の回収口と、前記第２の注入口と対向する位置に設けられた第２の回収口と、から、前記電極に直流電圧を印加することで、電気的性質の異なる前記ナノカーボンの一方を上部に配置された前記電極側に移動させ、前記ナノカーボンの他方を下部に配置された前記電極側に移動させて分離した液体を回収する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
第４のステップ（Ｓ４）では、電気泳動槽の一側面に設けた第一の注入口から分散液を電気泳動槽へ注入するとともに、第１の注入口よりも下部に設けられた第２の注入口から電気泳動槽へ前記分散液よりもｐＨの小さい液体を注入する。分離処理の実行中は、注入を継続する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
第１の注入口４０から分散液を注入する速度と、第２の注入口５０から前記分散液よりもｐＨの小さい液体を注入する速度と、第１の回収口７０と第２の回収口８０から分離後の液体を回収する速度と、が等しくなるように制御する。これにより、電気泳動槽１０へ第１の注入口４０から分散液を注入すると同時に、第２の注入口５０から前記分散液よりもｐＨの小さい液体を注入しながら、第１の回収口７０から金属型単層ナノカーボンチューブを含む分離後の液体を連続して回収すると同時に、第２の回収口８０から半導体型単層ナノカーボンチューブを含む分離後の液体を連続して回収することができる。
【国際調査報告】
2018158830.tif 000010
2018158830.tif 000011
2018158830.tif 000012
2018158830.tif 000013