(57)【要約】本発明は、触媒系を用いる接触工程を含む調製方法によって入手しうる、間隙金属を含んでいてもよい単層および／または多層カーボンナノチューブに関する。前記触媒系は、触媒と担体とを有し、前記担体は、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物を含んでいる。本発明は前記調製方法によって入手しうる炭素繊維にも関する。本発明はまた前記触媒系および前記調製方法にも関する。他の側面は本発明によるナノチューブおよび触媒系の使用に関する。
2004532789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒系を用いる少なくとも１つの接触工程を含む調製方法によって入手しうる、間隙金属を含んでいてもよい単層および／または多層カーボンナノチューブであって、前記触媒系が、触媒と担体とを有し、前記担体が、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物を含む単層および／または多層カーボンナノチューブ。
【請求項２】
間隙金属が、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａ、およびＴｉからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の単層および／または多層カーボンナノチューブ。
【請求項３】
少なくとも触媒系を用いる少なくとも１つの接触工程を含む調製方法によって入手しうる炭素繊維であって、前記触媒系が、触媒と担体とを有し、前記担体が、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物を含む炭素繊維。
【請求項４】
触媒系の担体が、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ａｌ２（ＣＯ３）３、Ｃｅ２（ＣＯ３）３、Ｔｉ（ＣＯ３）２、Ｌａ２（ＣＯ３）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される炭酸塩を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブおよび／または炭素繊維。
【請求項５】
触媒系の担体が、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ａｌ（ＯＨ）３、Ｃｅ（ＯＨ）４、Ｔｉ（ＯＨ）４、Ｌａ（ＯＨ）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される水酸化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブおよび／または炭素繊維。
【請求項６】
触媒系の担体が、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブおよび／または炭素繊維。
【請求項７】
単層および／または多層カーボンナノチューブの調製のため、および／または炭素繊維の調製のための触媒系であって、前記触媒系が、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物中にあらゆる酸化状態の金属を含むナノ粒子の分散液を含み、前記金属が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される触媒系。
【請求項８】
前記ナノチューブが間隙金属を含むことを特徴とする多層カーボンナノチューブ。
【請求項９】
触媒系を用いる少なくとも１つの接触工程を含む、単層および／または多層カーボンナノチューブの調製のための方法であって、前記触媒系が、触媒と担体とを有し、前記触媒が、金属および／または金属酸化物および／または金属誘導体からなる群から選択される場合において、前記担体が、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
接触工程における触媒系による炭素繊維の調製のための方法であって、前記触媒系が、触媒と担体とを有し、前記触媒が、金属および／または金属酸化物および／または金属誘導体からなる群から選択される場合において、前記担体が、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
触媒系の担体が、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ａｌ２（ＣＯ３）３、Ｃｅ２（ＣＯ３）３、Ｔｉ（ＣＯ３）２、Ｌａ２（ＣＯ３）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される炭酸塩を含むことを特徴とする請求項９および１０に記載の方法。
【請求項１２】
触媒系の担体が、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ａｌ（ＯＨ）３、Ｃｅ（ＯＨ）４、Ｔｉ（ＯＨ）４、Ｌａ（ＯＨ）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される水酸化物を含むことを特徴とする請求項９および１０に記載の方法。
【請求項１３】
触媒系の担体が、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項９および１０に記載の方法。
【請求項１４】
接触工程が、多層ナノチューブを調製するために５００〜９００℃、単層ナノチューブを調製するために９００〜１１００℃で実施されることを特徴とする請求項９〜１３に記載の方法。
【請求項１５】
単層および多層ナノチューブの調製のための請求項７に記載の触媒系の使用。
【請求項１６】
炭素繊維の調製のための請求項７に記載の触媒系の使用。
【請求項１７】
水素の貯蔵のための請求項１，２，４，５または６に記載のナノチューブの使用。
【請求項１８】
半導体およびトランジスターにおける適用のための請求項１，２，４，５または６に記載のナノチューブの使用。
【請求項１９】
水素の調製のための請求項７に記載の触媒系または請求項９〜１４による方法によって入手しうる触媒系の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、単層および多層カーボンナノチューブの分野に関する。
【０００２】
より正確には本発明は、カーボンナノチューブの調製のための水酸化物および炭酸塩ベースの担持触媒に関する。
【０００３】
技術の状態
カーボンナノチューブは、１９９１年に飯島によって最初に観察された（Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、Ｎａｔｕｒｅ  ３５４，５６−５８（１９９１））。
【０００４】
カーボンナノチューブは例えば、アーク放電、レーザアブレーション、あるいは炭化水素の接触分解によって生成することができる。
【０００５】
アーク放電およびレーザアブレーション技術によるカーボンナノチューブの生成は、スス、無定形炭素、およびカプセル化金属ナノ粒子とともに、多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）を生成するために触媒の不存在下に、あるいはＭＷＮＴと単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）との両方を生成するために触媒の存在下に実施することができる。触媒は一般に、金属、金属酸化物、または他の金属誘導体、またはこれらの混合物を含む。これらの金属の例は、すなわちＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｎ等である。
【０００６】
本発明は、ＭＷＮＴとＳＷＮＴとの両方を生成するために触媒の存在下に実施されるＣＣＶＤ（接触炭素蒸着）と呼ばれる技術である、炭化水素の接触分解によるカーボンナノチューブの調製を開示する。ススおよびカプセル化金属ナノ粒子が、その他の副生物である。炭化水素は、アセチレン、エチレン、ブタン、プロパン、エタン、メタン、またはその他のあらゆる気体または揮発性炭素含有化合物であってもよい。触媒、例えば遷移金属は一般に、純粋であるかあるいは担体上に分散されている。
【０００７】
触媒用担体の存在は、カーボンナノチューブの形成における触媒の活性に大いに影響を与える。ナノチューブの生成用触媒の選択性はまた、触媒担体の相互作用のタイプにもよる。
【０００８】
カーボンナノチューブ生成用の担持触媒を調製するために用いられる最も通常の担体は、酸化物［すなわち、シリカ（Ｐ．Ｐｉｅｄｉｇｒｏｓｓｏら、Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．２、１６３−１７０（２０００））、アルミナ（Ｉ．Ｗｉｌｌｅｍｓら、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３１７、７１−７６（２０００））、シリカ−アルミナ混合物（Ｋｕｋｏｖｅｃｚ、Ａら、Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．２、３０７１−３０７６（２０００））、酸化マグネシウム（Ｊ．−Ｆ．Ｃｏｌｏｍｅｒら、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３１７、８３−８９（２０００））、酸化カルシウム（Ｃ．Ｐｉｎｇら、ＣＮ１１７０６３１  Ａ  １９９８０１２１）、酸化チタン（Ｖ．Ｃｕｒｔｉｓら、Ｂｏｏｋ  ｏｆ  Ａｂｓｔｒａｃｔｓ，２１９ｔｈ  ＡＣＳ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｓａｎ  Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，ＣＡ、Ｍａｒｃｈ  ２６−３０、２０００）、酸化セリウム（Ｌ．Ｊｉら、Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．７２、３２７−３３１（２０００））、ゼオライト（Ｋ．Ｈｅｒｎａｄｉら、Ｚｅｏｌｉｔｅｓ  １７、４１６−４２３（１９９６））、粘土（Ａ．Ｆｏｎｓｅｃａら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ６７、１１−２２（１９９８））、スピネル（Ａ．Ｇｏｖｉｎｄａｒａｊら、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．１４、２５６７−２５７６（１９９９））、アルポ（ＡＬＰＯｓ）（Ｗａｎｇ，Ｎ．ら、Ｎａｔｕｒｅ  ４０８、５０−５１（２０００））］、およびグラファイト（Ｖ．Ｉｖａｎｏｖら、Ｃａｒｂｏｎ  ３３、１７２７−１７３８（１９９５））である。
【０００９】
触媒用担体としての多孔質物質（すなわち、シリカ、アルミナ、ゼオライト等）の使用は、多量のススおよび無定形炭素で、その上に生成されたカーボンナノチューブを汚染し、一方で、カーボンナノチューブの精製の間、担体を溶解する。
【００１０】
本発明において用いられている触媒担体は、この従来技術の状態の触媒担体の欠点を有していない。
【００１１】
Ｄｕｊａｒｄｉｎ  Ｅ．ら、「Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（２０００）」、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ米国、第１４巻、Ｎｏ．１０、ｐｐ．５４３−５４６の文献は、例えばＣｏ、Ｎｉなどの触媒を用いた単一シェルカーボンナノチューブの合成に関しており、沸騰濃縮ＨＮＯ３中の長時間処理後でさえ、精製単一シェルカーボンナノチューブの残留間隙金属残渣の存在について記載している。
【００１２】
Ｃａｓｓｅｌｌ  Ａ．Ｍ．ら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｂ．（１９９９）、第１０３巻、Ｎｏ．３１、ｐｐ．６４８４−６４９２の文献は、様々な金属化合物および／または様々な担体物質とともに様々な触媒を用いた、単層カーボンナノチューブの大規模ＣＶＤ合成を開示している。最適化された触媒は、シリカ−アルミナ多成分物質上に担持されたＦｅ／Ｍｏ二金属種からなる。
【００１３】
Ｂｉｒｏ  Ｌ．Ｐ．ら、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（２００２）、第Ｃ１９巻、ｐｐ．９−１３、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、米国の文献は、担持Ｃｏ触媒上のアセチレンの接触分解によって成長させられ、かつ望まれない生成物および触媒痕跡を除去するために湿潤および乾燥酸化に付された多層カーボンナノチューブに関する。ＫＭｎＯ４／Ｈ２ＳＯ４水性酸化手順は、Ｃｏ含量の減少において効果的であるが、一方で、ナノチューブの外層をわずかしか損傷しないことが分かった。
【００１４】
文献ＸＰ−００２１９７３９５（データベースＷＰＩ、Ｄｅｒｗｅｎｔ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｌｔｄ．、英国、ロンドン）および１９９９年８月２７日の第ＲＵ２１３５４０９Ｃ号は、中空および／または金属充填層状カーボンナノチューブに関しており、これは、ガスストリームまたは静的媒質の形態にある不活性ガス（窒素、へリウム、アルゴン、キセノン、クリプトン）雰囲気下に６００〜１，０００℃に加熱された、例えば水酸化物、酸化物、塩、有機金属化合物、またはカルボニルなどの鉄−、コバルト−、またはニッケル−含有物質と炭素鎖ポリマーおよび高分子炭素環式またはヘテロ環式化合物との混合物から得られ、この場合、幾何学的パラメーターおよび金属封入物の数が制御される。
【００１５】
Ｃｈｅ  Ｇ．ら、Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．（１９９８）、第１０巻、ｐｐ．２６０−２６７の文献は、グラファイトカーボンナノ繊維とナノチューブの調製方法を開示している。この方法は、Ｎｉ触媒を伴なって、または伴なわずに、アルミナテンプレート膜の細孔内の炭素の化学蒸着ベースの合成を必要とする。エチレンまたはピレンは、化学蒸着において、Ｎｉ−触媒方法の場合は５４５℃、非触媒方法の場合は９００℃の反応器温度で用いられた。その結果生じたカーボンナノ構造は、開放末端を有する均一中空管であることが分かった。
【００１６】
Ｆｏｎｓｅｃａ  Ａ．ら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．（１９９８）、第６７巻、ｐｐ．１１−２２の文献は、担持遷移金属触媒を用いた単層および多層カーボンナノチューブの接触合成を開示している。前記触媒は、様々な方法によって調製され、固定床流反応器を用いる、７００℃での炭化水素の分解によるナノチューブの生成においてテストされた。
【００１７】
Ｓｉｎｈａ  Ａ．Ｋ．ら、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．（２０００）、第３３２巻、ｐｐ．４５５−４６０の文献は、微孔質アルミノリン酸塩担体を用いる接触化学蒸着方法による、金属で満たされたカーボンナノチューブの大規模生成を開示しており、前記担体をＮａ−Ｙゼオライト担体の代替物として紹介している。
【００１８】
文献第ＷＯ００／１７１０２号は、あるいくつかの実験条件下、大きい不規則なサイズの多層カーボンフィブリルの成長よりもむしろ、特異的サイズ範囲内の単層カーボンナノチューブの成長を促進する触媒−担体系を用いた、単層カーボンナノチューブの生成方法に関している。
【００１９】
文献第ＥＰ−Ａ−０６１９３８８号は、カーボンフィブリル、特に連続熱炭素保護皮膜を有さず、実質的にフィブリル軸と平行なグラファイト層を有する蠕虫状管からなる形態を有するカーボンフィブリルの調製のために、第Ｖ、ＶＩ、またはＶＩＩ族から選ばれる少なくとも１つの元素またはランタニドと鉄とを含む非水性金属触媒を開示している。
【００２０】
文献ＸＰ−００２１９７３９６号（データベースＷＰＩ、セクションＣＨ、ウイーク１９８２３７、Ｄｅｒｗｅｎｔ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｌｔｄ．、英国ロンドン）および第ＪＰ−Ａ−５７１２７４４９号は、コロイド状金属化合物担持触媒の製造方法であって、コロイド状金属化合物と、アルカリ土類金属塩からなる粉末とを、保護コロイドの不存在下に接触させ、これによってコロイド状金属化合物を粉末上に担持させることを含む方法に関する。
【００２１】
米国特許第ＵＳ−Ａ−５９８２１０２号は、分子酸素の存在下に液相におけるアルデヒドとアルコールとの反応に使用するためのカルボン酸エステルの生成用触媒を開示している。前記触媒は、炭酸カルシウムおよびパラジウム、ビスマス、およびバリウム、鉄、亜鉛、およびゲルマニウムからなる群から選択される少なくとも１つの元素であって、前記炭酸カルシウム上に担持されている元素を含んでいる。
【００２２】
予備的定義
「金属」という用語は、単一金属（すなわち、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｍｏ等）、または２つまたはそれ以上の金属の混合物を表わす。
【００２３】
「触媒」は一般に、金属、金属酸化物、または他の金属誘導体、またはこれらの混合物を含む。
【００２４】
「担持触媒」とは、触媒と担体とを混合することによって生成される物質を意味する。初期加熱の間、水と他の揮発性化合物とは、活性触媒が形成されつつある間、担持触媒から除去される。
【００２５】
「活性触媒」という表現は、担体、触媒、およびガス間の反応による担持触媒の初期加熱の間に形成された、あらゆる金属、金属酸化物、またはその他の金属誘導体のことを言う。活性触媒は、ＣＣＶＤによるカーボンナノチューブ生成を担う。
【００２６】
アルミニウムアルコキシドまたはその他のあらゆるアルミニウム塩はまた、以後「水酸化アルミニウム先駆物質」とも呼ばれる。
【００２７】
「ＣＣＶＤ」は、接触炭素蒸着の英語の省略形であり、炭化水素の接触分解のことを言う。
【００２８】
「炭化水素」は、アセチレン、エチレン、ブタン、プロパン、エタン、メタン、またはその他のあらゆる気体または揮発性炭素含有化合物であってもよい。
【００２９】
「粗ナノチューブ」という表現は、カーボンナノチューブと消費済み担持触媒との混合物のことを言う。
【００３０】
「炭素物質」は、可変重量比における、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、炭素繊維、カーボンナノ粒子、無定形炭素、熱分解炭素、およびススから構成される。
【００３１】
本発明の目的
本発明は、ＣＣＶＤによるカーボンナノチューブの生成のための触媒用の効率的触媒担体としての水酸化物および炭酸塩を提供することを目的とする。
【００３２】
さらには本発明は、触媒担体を溶解しつつ、無定形炭素を導入せずに生成されたカーボンナノチューブから消費済み担持触媒を除去するための方法も提供する。
【００３３】
本発明のもう１つの目的は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａ、およびＴｉ含有カーボンナノチューブの生成方法を提供すること、および上記担体をベースとする担持触媒上に生成されたカーボンナノチューブの容易かつ迅速な精製方法を開示することである。
【００３４】
発明の概要
本発明は、触媒系を用いる少なくとも１つの接触工程を含む調製方法によって入手しうる、間隙金属を含んでいてもよい単層および／または多層カーボンナノチューブに関する。前記触媒系は、触媒と担体とを有し、前記担体は、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物を含んでいる。
【００３５】
好ましくは、多層ナノチューブ中に存在する間隙金属は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａ、およびＴｉからなる群から選択される。
【００３６】
本発明のさらなるキー側面は、触媒系を用いる少なくとも１つの接触工程を含む調製方法によって入手しうる炭素繊維である。前記触媒系は、触媒と担体とを有し、前記担体は、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物を含んでいる。
【００３７】
本発明のもう１つのキー側面は、触媒系の担体が、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ａｌ２（ＣＯ３）３、Ｃｅ２（ＣＯ３）３、Ｔｉ（ＣＯ３）２、Ｌａ２（ＣＯ３）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される炭酸塩、ならびにＣａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ａｌ（ＯＨ）３、Ｃｅ（ＯＨ）４、Ｔｉ（ＯＨ）４、Ｌａ（ＯＨ）３、および／またはこれらの混合物から選択される水酸化物、およびＡｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される酸化物を含むことを特徴とする、カーボンナノチューブおよび／または炭素繊維に関する。
【００３８】
本発明の一部は、単層および／または多層カーボンナノチューブの調製のため、および／または炭素繊維の調製のための触媒系であり、前記触媒系は、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物中にあらゆる酸化状態の金属を含むナノ粒子の分散液を含み、前記金属は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される。
【００３９】
本発明の第一実施態様において、触媒系を用いる少なくとも１つの接触工程を含む、単層および／または多層カーボンナノチューブおよび炭素繊維の調製のための方法が開示されている。前記触媒系は、触媒と担体とを有し、前記触媒は、金属および／または金属酸化物および／または金属誘導体からなる群から選択され、前記担体が、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする。
【００４０】
本発明の好ましい実施態様において、前記炭酸塩は、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ａｌ２（ＣＯ３）３、Ｃｅ２（ＣＯ３）３、Ｔｉ（ＣＯ３）２、Ｌａ２（ＣＯ３）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択され、水酸化物が、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ａｌ（ＯＨ）３、Ｃｅ（ＯＨ）４、Ｔｉ（ＯＨ）４、Ｌａ（ＯＨ）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択され、前記酸化物が、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される。
【００４１】
本発明の第二実施態様において、この調製方法は、接触工程が、多層ナノチューブを調製するために５００〜９００℃、単層ナノチューブを調製するために９００〜１１００℃で実施されることを特徴とする。
【００４２】
図面の詳細な説明
図１はＮ２流下、７００、８００、９００、および１，０００℃の加熱時間の関数としての担持触媒ＳＣＡ２（表１参照）の減量を表わす。各実験において３００ｍｌ／分の窒素流下、２５０ｍｇのＳＣＡ２を用いた。点線ａ〜ｇは、理論的連続減量を表わす。
図２は連続および不連続の両方のプロセスにおける、ＳＣＡ２上７００℃でのアセチレン分解からの結果を表わす。
図３ａは担持触媒ＳＣＡ２上で、６０分の連続反応において７００℃でのアセチレン分解によって合成された、製造時のＭＷＮＴの低倍率の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を表わす。触媒は、Ｎ２流中で１０分予熱することによって活性化された。
図３ｂは図３ａのように合成されたＭＷＮＴのより高い倍率のＴＥＭ画像を表わす。
図３ｃは担持触媒ＳＣＡ６３（表６ａ参照）上で、６０分の連続反応において７００℃でのアセチレン分解によって合成された、製造時の炭素繊維の低倍率のＴＥＭを表わす。触媒は、Ｎ２流中で１０分予熱することによって活性化された。
図３ｄは担持触媒ＳＣＣ８１（表８ｂ参照）上で、１，０００℃で６分のＣＨ４／Ｈ２分解によって合成された、束になった精製ＳＷＮＴの低倍率のＴＥＭを表わす。触媒は、ＣＨ４／Ｈ２流中で２５〜１，０００℃で４分の現場での予熱によって活性化された。
図４ａは図３ａのように合成されたＭＷＮＴの内径および外径分布の棒グラフを表わす。
図４ｂは図３ａのように合成されたＭＷＮＴの内径分布の関数としての層の数を表わす。
図５は７００、８００、および９００℃での不連続プロセスにおける（Ｎ２流中で１０分予熱することによって活性化された）ＳＣＡ２上のエチレン分解からの結果を含んでいる。連続プロセスにおける７００℃でのエチレン分解の結果も示されている。
図６は７００、８００、および９００℃での連続プロセスにおける（Ｎ２流中で１０分予熱することによって活性化された）ＳＣＡ２上のエタン分解からの結果を含んでいる。不連続プロセスにおける８００℃でのエタン分解の結果も示されている。
図７は不連続プロセスにおいて９００℃および１，０００℃での（Ｎ２流中で１０分予熱することによって活性化された）ＳＣＡ２上のメタン分解からの結果を含んでいる。
図８は９００〜１，１００℃での水素の存在下における（ＣＨ４／Ｈ２流中で２５から９００〜１，０００℃で４分の現場での予熱によって活性化された）ＳＣＡ２上の６分間のメタン分解の結果を含んでいる。
発明の詳細な説明
触媒担体の調製のために本発明において用いられる水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）は、好ましくは可変粒子サイズの商業用粉末（Ａｃｒｏｓ  Ｏｒｇａｎｉｃｓ）である。この粒子サイズは非常に小さくてもよく（約１ｎｍ）、または非常に大きくてもよい（約１ｍｍ）。大きい粒子の場合、サイズ分布は常により幅広くなる。これはまた、それぞれ加水分解剤として水または塩基を用いる、アルミニウムアルコキシドまたはその他のあらゆるアルミニウム塩の加水分解によって調製される物質であってもよい。アルミニウムアルコキシドまたはその他のあらゆるアルミニウム塩は以後、水酸化アルミニウム先駆物質と呼ばれる。
【００４３】
水酸化物（すなわちＣａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｃｅ（ＯＨ）４、Ｔｉ（ＯＨ）４、Ｌａ（ＯＨ）３等）は好ましくは、可変粒子サイズ（１ｎｍ〜１ｍｍ）の商業用粉末である。
【００４４】
炭酸塩（すなわちＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ａｌ２（ＣＯ３）３、Ｃｅ２（ＣＯ３）３、Ｔｉ（ＣＯ３）２、Ｌａ２（ＣＯ３）３等）は好ましくは、可変粒子サイズ（１ｎｍ〜１ｍｍ）の商業用粉末である。
【００４５】
担持触媒の調製方法は、次の工程を含む：
−  水酸化物および／または炭酸塩と触媒とを（適切な割合で）混合する工程。この混合は、細かい粉末が得られるように十分な時間、モルタルまたはボールミル粉砕装置において実施される。触媒および担体（水酸化物および／または炭酸塩）は、乾燥しているか、あるいは溶媒、例えばエタノール、メタノール、水、または溶媒の混合物を含む。
−  もう１つのプロセスにおいて、例えば水酸化アルミニウム先駆物質は、その加水分解前に（適切な割合で）触媒と混合される。水酸化アルミニウム先駆物質は好ましくは乾燥しているか、あるいは溶媒を含んでいる。
−  様々な手段、例えばフィルター上の空気流、回転蒸発器、真空ポンプによるか、または乾燥機または炉（３０℃〜１，２００℃の様々な温度で加熱されたもの）の使用による、担体−触媒−溶媒混合物の乾燥工程。
−  任意に、前記担持触媒の細かい粉末を得るのに十分な時間、モルタルまたはボールミル粉砕装置において担体−触媒混合物を最終的に粉砕する工程。
【００４６】
ＣＣＶＤによる担持触媒上のカーボンナノチューブ生成は、次の工程を含む：
−  固定床反応器において担持触媒用の床として用いられる石英ボート上に、適切な量の担持触媒を手動でまたは機械的に広げる工程。移動床反応器の場合、担持触媒は、反応器の移動床上に連続的または断続的に機械的にまたは手動で広げられる。
−  担持触媒が入っている反応器は、当初、適切な一定の反応温度（４００〜１，２００℃）に維持されるか、あるいはこれは、適切な反応時間の間反応温度まで加熱される。不活性または反応体ガスは、この工程の間担持触媒上を通過させることができる。
−  純粋または希釈炭化水素を、予め決定された温度において担持触媒上を通過させる。カーボンナノチューブは、ＣＣＶＤ反応の結果として担持触媒上で成長させられる。希釈炭化水素は、少なくとも１つの炭化水素と他のガス、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、ＣＯ等とを混合することによって得られる。
−  カーボンナノチューブと消費済み担持触媒との混合物から構成される粗ナノチューブは、移動床反応器の場合は連続的に、あるいは固定床反応器の場合は工程毎に回収される。
【００４７】
好ましくはカーボンナノチューブ精製は、消費済み担持触媒を次のように溶解することによって実施される：
−  濃縮塩基性溶液、好ましくは濃縮ＮａＯＨ溶液中で、１００〜２５０℃の温度において粗ナノチューブを攪拌する工程。濾過による固体生成物の回収、および好ましくは中性ｐＨが得られるまでのこれの洗浄工程。この第一工程は、触媒担体がＭｇおよび／またはＣａ誘導体しか含まないならば必要ではない。
−  濃縮酸性溶液、好ましくは濃縮ＨＣｌ溶液中に、０〜１２０℃の温度で生成物を攪拌する工程。
−  濾過によって固体生成物（精製カーボンナノチューブ）を回収する工程、および好ましくは中性ｐＨが得られるまで洗浄する工程。
−  フィルター上の空気流によって、または回転蒸発器によって、または真空ポンプの使用によって、または乾燥機または炉の使用によって、最終的に精製カーボンナノチューブを乾燥する工程。好ましくは乾燥機または炉は、空気中で３０℃〜４００℃の様々な温度で、または３０℃〜１，２００℃で、真空下または不活性雰囲気下で加熱される。
本発明の好ましい実施態様の説明
パートＩ：触媒担体としての水酸化アルミニウムの使用
水酸化アルミニウムベースの担持触媒の生成
【００４８】
水酸化アルミニウムベースの担持触媒の生成は、Ａｌ（ＯＨ）３担体を得る工程、および担持触媒の調製を含んでいる。
ｉ）Ａｌ（ＯＨ）３担体の製造
【００４９】
水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）は、可変粒子サイズ（１ｎｍ〜１ｍｍ）の商業用粉末であるか、あるいはそれぞれ加水分解剤として水または塩基を用いる、アルミニウムアルコキシドまたはその他のあらゆるアルミニウム塩の加水分解によって調製された物質である。アルミニウムアルコキシドまたはその他のアルミニウム塩は以後水酸化アルミニウム先駆物質として表わされる。
【００５０】
水酸化アルミニウムは、水酸化アルミニウム先駆物質の加水分解によって調製される。先駆物質に応じて、次の２つの例が示される：
１．先駆物質は、アルミニウムアルコキシドである。７０〜９０℃に加熱された水１リットルに、アルミニウムイソプロポキシド粉末１０４．７４ｇ（Ａｌｄｒｉｃｈ）を、激しく攪拌しつつ少量ずつ添加した。粉末の完全な添加後、形成された水酸化アルミニウムゲルを、１時間攪拌しつつ７０〜９０℃に維持する。固体を濾過によって分離し、空気乾燥機において１２０℃で２４時間乾燥し、細かい粉末として水酸化アルミニウムを得るためにモルタルで粉砕する。
２．この先駆物質は、なんらかの他のアルミニウム塩である。ビーカーに取られた水１リットルに、アルミニウム塩（例えばＡｌ（ＮＯ３）３、Ａｌ２（ＳＯ４）３、ＡｌＣｌ３等）をポーションに分けて添加し、完全な溶解に至るまで７０〜９０℃に加熱する。アルミニウム塩の高温溶液に、２８％アンモニア（またはＮａＯＨの同等な規定度）を、沈殿が完了するまで一定の攪拌を行ないつつ一滴ずつ添加する。このようにして得られた水酸化アルミニウムゲルは消化され、濾過され、使用済みアルミニウム塩のアニオンがなくなるまで蒸留水で洗浄される。Ａｌ（ＯＨ）３ゲルを、ガラスプレート上に広げ、高温空気乾燥機において一晩１２０℃で乾燥する。乾燥後得られた固体は好ましくは、水酸化アルミニウム担体を得るために、モルタルまたはボールミルにおいて細かい粉末に粉砕される。
ｉｉ）担持触媒の調製
【００５１】
触媒粒子サイズが前記触媒上に得られるナノチューブの直径を予め決定するので、十分に分散された触媒ナノ粒子の合成に対して努力を傾注した。様々な化学環境において、様々な直径分布の触媒粒子を含む担持触媒を調製するために、様々な「方法」を用いた。好ましくは担持触媒は、以下に記載されている方法Ａ〜Ｈのうちの１つによって調製する。これらの方法は、４つのカテゴリーに分類することができる。
【００５２】
カテゴリー１
担持触媒は、水酸化アルミニウム粉末と触媒とを（適切な割合で）混合することによって生成される。混合は好ましくは、細かい粉末が得られるように十分な時間、モルタルまたはボールミル粉砕装置において実施される。水酸化アルミニウムは、好ましくは純粋である。触媒は乾燥しているか、あるいは溶媒として水、エタノール、メタノール等、または溶媒の混合物を含む。このカテゴリーは好ましくは、触媒の調製方法Ａ、Ｂ、およびＣを包含する。
【００５３】
方法Ａ：ＳＣＡという名称の担持触媒の生成
溶液は、ビーカー中への２．８ｇのＣｏ（ＡｃＯ）２・４Ｈ２Ｏと４．７ｇのＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏとの導入、ついで１２ｍｌのＨ２Ｏの添加によって調製される。４０．０ｇのＡｌ（ＯＨ）３粉末が、モルタル中に導入される。これらの塩溶液がＡｌ（ＯＨ）３粉末に添加され、１０分間完全に混合され、均質粉末が得られる。最後に、固体は空気中、１２０℃の乾燥機で一晩乾燥され、室温まで冷却され、細かい粉末に粉砕され、担持触媒が得られる。
【００５４】
このように調製された担持触媒は任意に、１００℃〜１，２００℃の様々な温度で加熱された炉で焼成される。
【００５５】
方法Ｂ：ＳＣＢという名称の担持触媒の生成
溶液は、ビーカー中への２．８ｇのＣｏ（ＡｃＯ）２・４Ｈ２Ｏと４．７ｇのＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏとの導入、ついで１２ｍｌのＨ２Ｏの添加によって調製される。４０．０ｇのＡｌ（ＯＨ）３粉末が、モルタル中に導入される。これらの塩溶液がＡｌ（ＯＨ）３粉末に添加され、１０分間完全に混合され、均質粉末が得られる。粉末が空気中、１２０℃の乾燥機で２時間乾燥され、室温まで冷却され、再び固体がモルタルで均質化され、追加の６ｍｌのＨ２Ｏが粉末に添加される。この粉末は１０分間完全に混合され、空気中、１２０℃の乾燥機で一晩乾燥される。最後に、固体が室温まで冷却され、細かい粉末に粉砕されて、担持触媒が得られる。任意焼成も、方法Ａのように担持触媒に加えられる。
【００５６】
方法Ｃ：ＳＣＣという名称の担持触媒の生成
溶液は、ビーカー中への２．８ｇのＣｏ（ＡｃＯ）２・４Ｈ２Ｏと４．７ｇのＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏとの導入、ついで４８ｍｌのエタノールの添加および１０分間の音波処理によって調製される。４０．０ｇのＡｌ（ＯＨ）３が添加され、混合物が１０分間激しく攪拌されて均質な湿潤ケーキが得られる。この湿潤ケーキが、焼結ガラスフィルターに移送され、吸引によって２時間乾燥され、さらに空気中、１２０℃の乾燥機で一晩乾燥される。最後に、固体が室温まで冷却され、細かい粉末に粉砕されて、担持触媒が得られる。任意焼成も、方法Ａのように担持触媒に加えられる。
【００５７】
カテゴリー２
担持触媒は、触媒と、水酸化アルミニウム先駆物質（アルミニウムアルコキシドまたは他のアルミニウム塩）の加水分解剤（水）とを、あるいは水酸化アルミニウム先駆物質とを、その加水分解に先立って（適切な割合で）混合することによって生成される。水酸化物アルミニウム先駆物質は、好ましくは純粋であるか、あるいは溶媒を含む。触媒の先駆物質は好ましくは純粋であるか、あるいは溶媒を含む。溶媒は好ましくは、水、エタノール、メタノール等、または溶媒の混合物である。このカテゴリーは好ましくは、触媒の調製方法Ｄを含む。
【００５８】
方法Ｄ：ＳＣＤという名称の担持触媒の生成
溶液は、１リットルのＨ２Ｏが入っている２リットル丸底フラスコ中への２．８ｇのＣｏ（ＡｃＯ）２・４Ｈ２Ｏと４．７ｇのＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏとの導入によって調製される。溶液は、７０〜９０℃で加熱され、アルミニウムイソプロポキシド粉末１０４．７４ｇが、激しく攪拌しつつ少量ずつ添加された。この粉末の完全な添加後、形成されたゲルは、１時間攪拌しつつ７０〜９０℃で消化される。ついで過剰水が回転蒸発器によって除去され、残渣が空気乾燥機において１２０℃で２４時間乾燥され、モルタルで粉砕されて、細かい粉末としての担持触媒が得られる。任意焼成も、方法Ａのように担持触媒に加えられる。
【００５９】
カテゴリー３
担持触媒は、モルタルあるいはボールミルにおいて、触媒と水酸化アルミニウム粉末とを（適切な割合で）混合することによって生成される。このカテゴリーは好ましくは、触媒の調製方法ＥおよびＦを包含する。
【００６０】
方法Ｅ：ＳＣＥという名称の担持触媒の生成
２．８ｇのＣｏ（ＡｃＯ）２・４Ｈ２Ｏ、４．７ｇのＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ、および４０．０ｇのＡｌ（ＯＨ）３がモルタルに導入され、完全に混合されて、均質粉末が得られ、これは、空気中、１２０℃の乾燥機で一晩乾燥される。最後に、固体が室温まで冷却され、細かい粉末に粉砕されて、担持触媒が得られる。任意焼成も、方法Ａのように担持触媒に加えられる。
【００６１】
方法Ｆ：ＳＣＦという名称の担持触媒の生成
２．８ｇのＣｏ（ＡｃＯ）２・４Ｈ２Ｏ、４．７ｇのＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ、および４０．０ｇのＡｌ（ＯＨ）３がボールミルに導入され、ミル粉砕されて（すなわち２時間）、均質粉末が得られ、これは、空気中、１２０℃の乾燥機で一晩乾燥される。最後に、固体が室温まで冷却され、細かい粉末に粉砕されて、担持触媒が得られる。任意焼成も、方法Ａのように担持触媒に加えられる。
【００６２】
カテゴリー４
担持触媒は、触媒を含むマイクロエマルジョンと、水酸化アルミニウム粉末とを（適切な割合で）混合し、ついで溶媒の除去によって調製される。このカテゴリーは好ましくは、触媒の調製方法ＧおよびＨを包含する。
【００６３】
方法Ｇ：ＳＣＧという名称の担持触媒の生成
２．８ｇのＣｏ（ＡｃＯ）２・４Ｈ２Ｏおよび２．０ｇのＦｅ（ＡｃＯ）２が、２２．８ｍｌの水中に溶解され、溶液が、１１４ｇのヘキサノール中に溶解された９１．２ｇのＣＴＡＢ（臭化セチルトリメチルアンモニウム）に添加される。この溶液は、透明になるまで強力に（すなわち音波処理によって）攪拌される。透明になるということは、これがマイクロエマルジョン安定状態に達したという意味である。このマイクロエマルジョンは、４０ｇのＡｌ（ＯＨ）３に添加され、溶媒は、回転蒸発器によって除去される。空気中で５００℃での焼成が蒸発残渣に５時間加えられて、担持触媒が得られる。
【００６４】
方法Ｈ：ＳＣＨという名称の担持触媒の生成
２．８ｇのＣｏ（ＡｃＯ）２・４Ｈ２Ｏおよび２．０ｇのＦｅ（ＡｃＯ）２が２２．８ｍｌの水中に溶解され、溶液が、１１４ｇのヘキサノール中に溶解された９１．２ｇのＣＴＡＢに添加される。溶液は、透明になるまで強力に（すなわち音波処理によって）攪拌される。透明になるということは、これがマイクロエマルジョン安定状態に達したという意味である。触媒は、５℃に維持されたマクロエマルジョンに、激しい攪拌下、０℃で２２．８ｍｌの水中に溶解された還元剤（すなわちＮａＢＨ４またはＮａＨＢ（Ｅｔ）３）の３倍過剰を一滴ずつ添加して還元される。反応の終了時、過剰水素化物の完全な加水分解が生じるまで、温度を室温まで上昇させた。４０ｇのＡｌ（ＯＨ）３がマイクロエマルジョンに添加され、溶媒が回転蒸発器によって除去される。空気中、５００℃での焼成が蒸発残渣に５時間加えられて、担持触媒が得られる。
【００６５】
好ましい水酸化アルミニウムベースの担持触媒
好ましい水酸化アルミニウムベースの担持触媒のいくつかの金属含量が、表１ａに示されている。単純化のために、金属は金属形態で導入されたものとして考えられている。
【表１ａ】
2004532789.tif 000003
【００６６】
表１ａの担持触媒は、以後、様々な実験条件におけるＣＣＶＤによるカーボンナノチューブ生成についてテストされる。
【００６７】
カーボンナノチューブ生成用触媒担体としての水酸化アルミニウムの特別な効果の証拠
担持触媒上にカーボンナノチューブを生成するために、これらの担持触媒は４００〜１，２００℃の温度で加熱されなければならない。初期加熱は好ましくは、不活性ガス（すなわちＮ２、Ａｒ等）の存在下に実施されるが、反応体ガス（すなわち、Ｏ２、Ｈ２、炭化水素等）が同様に存在してもよい。初期加熱の間、活性触媒が形成されている間に、水およびその他の揮発性化合物が担持触媒から除去される。ここで活性触媒とは、担体、触媒、およびガス間の反応による担持触媒の初期加熱の間に形成される、金属粒子、金属酸化物、あるいはその他の金属誘導体のことを言う。活性触媒は、ＣＣＶＤによるカーボンナノチューブ生成を担う。
【００６８】
パートＡ：担持触媒ＳＣＡ２を用いる主な実験
１．不活性ガスとしてＮ２を用いる活性触媒の形成
典型的なＳＣＡ２担持触媒の初期加熱は、水、酢酸、ＮＯ２、およびＯ２の除去を引起こし、したがって担持触媒の減量を引起こす。減量は、次のように要約することができる（４７．５ｇの担持触媒ＳＣＡ２から出発する）：
２．８ｇのＣｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏ
→１．９９ｇのＣｏ（ＯＡｃ）２＋０．８１ｇのＨ２Ｏ    （ａ：−１．７０％）
→０．８４ｇのＣｏＯ＋１．１５ｇのＡｃＯＡｃ    （ｂ：−２．４２％）
４．７ｇのＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ
→２．８１ｇのＦｅ（ＮＯ３）３＋１．８８ｇのＨ２Ｏ    （ｃ：−３．９６％）
→０．９３ｇのＦｅ２Ｏ３＋１．８９ｇの［６ＮＯ２＋３／２  Ｏ２］  （ｄ：−３．９７％）
４０．０ｇのＡｌ（ＯＨ）３
→３５．４ｇのＡｌ２Ｏ（ＯＨ）４＋４．６ｇのＨ２Ｏ    （ｅ：−９．６８％）
→３０．８ｇのＡｌ２Ｏ２（ＯＨ）２＋４．６ｇのＨ２Ｏ    （ｆ：−９．６８％）
→２６．２ｇのＡｌ２Ｏ３＋４．６ｇのＨ２Ｏ    （ｇ：−９．６８％）
最大減量：                                                （４１．０９％）
【００６９】
担持触媒ＳＣＡ２の減量は、７００、８００、９００、および１，０００℃においてＮ２流下加熱時間の関数として測定された。これらの結果は、図１に示されている。図１から分かるように、担持触媒ＳＣＡ２の減量は、７００℃よりも８００℃においての方が急速である。それにもかかわらず、ＭＷＮＴ形成に都合のよい温度であるこれらの温度の両方において、減量平衡には、Ｎ２流下１０分の加熱後にほぼ到達する。ＳＷＮＴ形成に都合のよい温度である９００℃と１，０００℃の間で、減量はより大きい。しかしながらここでもまた減量の平衡には、Ｎ２流下ほぼ１０分の加熱後に到達する。
【００７０】
不活性ガス（すなわちＮ２）下の初期加熱時間の決定は、活性触媒の形成において非常に重要である。前のセクションで調製された担持触媒は、カーボンナノチューブ生成に先立って、適切な雰囲気中での初期加熱時間によって活性化されなければならないことは、次の点から明らかである。カーボンナノチューブ生成は、次のようにしてＳＷＮＴあるいはＭＷＮＴのどちらかに向けられる：
−  ＭＷＮＴの生成は好ましくは、３０ｍｌ／分のアセチレン、エチレン、またはエタン流および搬送ガスとしての３００ｍｌ／分のＮ２を用いて、５００〜９００℃で１時間、１ｇの担持触媒を用いて実施された。
−  ＳＷＮＴの生成は好ましくは、２５０ｍｌ／分のメタン流および搬送ガスとしての１，０００ｍｌ／分のＨ２またはＮ２を用いて、９００〜１，１００℃で６分間、４ｇの担持触媒を用いて実施された。
【００７１】
２．活性触媒の形成および反応体ガス混合物としてＣ２Ｈ２／Ｎ２を用いたその失活
０、１０、または６０分のＮ２流中の予熱時間を用いて、担持触媒ＳＣＡ２から出発して活性触媒が形成され、これらのカーボンナノチューブ形成活性が現場で測定された。反応時間の関数としての炭素堆積物に関するこれらの結果が図２に示されている。炭素堆積物という用語は次のものを意味する：
炭素堆積物（％）＝１００（ｍｃｒｕｄｅ−ｍｃａｔ．ｄｒｙ）／ｍｃａｔ．ｄｒｙ
式中：ｍｃｒｕｄｅは、製造時の炭素物質および消費済み担持触媒の質量であり；ｍｃａｔ．ｄｒｙは、消費済み担持触媒の質量である。炭素物質は、可変重量比におけるＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、炭素繊維、炭素ナノ粒子、無定形炭素、熱分解炭素、およびススから構成されている。ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴ含量が高くなればなるほど、炭素物質の品質は良好になる。
【００７２】
図２は、連続および不連続プロセスの両方における、ＳＣＡ２上で７００℃におけるアセチレン分解からの結果を含んでいる。この図面では次の傾向が観察される：
−  炭素堆積物は、７００℃でＮ２流中１０分の予熱時間の場合さらに多い。６０分までのそれ以上の予熱は、触媒を漸進的に失活させる。それにもかかわらず、７００℃でＮ２流中予熱がない場合、最低の炭素堆積物が観察された。このことは、この場合、はるかに少ない活性部位が形成されたという意味である。
−  窒素流を３００ｍｌ／分に維持しつつ、３０ｍｌ／分（正常流）から６０ｍｌ／分（高い流れ）へのアセチレン流の増加は、炭素堆積物の増加を引起こす（図２の不連続プロセス）。
−  炭素堆積物は、不連続プロセスと比較して、連続プロセスにとってさらに重要である。
−  開始段階（図２の曲線の起点の傾斜）は非常に急速であり、生長段階と区別することができない。この段階で、最初の炭化水素分子の分解によって活性触媒中に「溶解された」炭素は、活性触媒から拡散して出て行き、濃縮してナノチューブの前部先端を形成する。
−  生長段階（図２の曲線の最初の傾斜）は、それぞれ７００℃でＮ２流中１０分または６０分の予熱が用いられるかどうかに応じて、約１５または６０分続く。この段階において、さらなる炭化水素分子の分解により活性触媒中に「溶解された」炭素は、活性触媒から拡散して出て行き、濃縮してナノチューブの本体を形成する。ここで、炭素は同様に濃縮して、このナノチューブを終了させるナノチューブの後部先端、および新たなナノチューブ前部先端を形成しうることに注目すべきである。
−  失活段階（図２の曲線の屈曲）は、はるかに低い炭素堆積物のところで、かつ予熱時間が１０分を超える反応時間の時に発生する。この段階で、最後の炭化水素分子の分解によって活性触媒中に「溶解された」炭素は、活性触媒から拡散して出て行き、濃縮してナノチューブ後部先端を形成し、活性触媒をカプセル化するか、あるいはまたナノチューブ後部先端において活性触媒をカプセル化する。反応を停止し、粗生成物を秤量のために室温まで冷却するプロセス、ついで同じサンプルに対する次の反応（図２の不連続反応）が、触媒の失活を増強する。
−  無定形炭素生成段階（図２の曲線の第二の傾斜）は、はるかに低い炭素堆積物のところで、かつ予熱時間が１０分を超える反応時間の時に発生する。この段階で、炭化水素分子は、カーボンナノチューブの「グラファイト様」外部表面上で分解され、無定形炭素を形成し、これはナノチューブの外部表面上で濃縮する。この曲線の第二傾斜は、無定形炭素の形成速度に近付けることができる。窒素流を３００ｍｌ／分に維持しつつ、３０ｍｌ／分（正常流）から６０ｍｌ／分（高い流れ）へのアセチレン流の増加は、図２の不連続プロセスにおける無定形炭素形成速度の増加を引起こす。
【００７３】
ナノチューブの特徴
ＴＥＭによる直接観察
これらのナノチューブは、テクナイ１０（フィリップス）顕微鏡を用いる透過電子顕微鏡法によって分析された。ＴＥＭグリッドを調製するため、１ｍｇのサンプルを２０ｍｌのエタノール中に分散し、ついで２分間の音波処理を行なった。ついで一滴を、フォームバー（ｆｏｒｍｖａｒ）と呼ばれるビニルポリマー、あるいはホーリーカーボン（ｈｏｌｅｙ−ｃａｒｂｏｎ）で覆われたＣｕ／Ｒｈグリッド上に付着させ、このグリッドを真空下、一晩乾燥した。
【００７４】
これらのサンプルのＴＥＭ観察は、６０〜９０分間連続プロセスで生成された炭素物質（図２）が、外部表面上にわずかな量の無定形炭素しか含まないＭＷＮＴＳであったことを明らかにした（図３ａおよび３ｂ）。３０分の不連続プロセスで生成されたＭＷＮＴは、同じ品質を有していたが、より低い炭素堆積物を示した。３００分間の連続プロセスで生成されたＭＷＮＴは、少量の無定形炭素を含んでおり、一方、不連続プロセスからのチューブは、多くの無定形炭素を含んでいた。高いアセチレン流下（図２の高い流れの曲線）、不連続プロセスで生成されたチューブは、さらに一層多い無定形炭素を含んでいた。
【００７５】
カーボンナノチューブの分布
Ｎ２流中１０分間予熱することによって活性化された担持触媒ＳＣＡ２上の６０分の連続反応において７００℃でのアセチレン分解によって合成された、ＭＷＮＴの内径および外径の分布棒グラフが、図４ａに示されている。ＭＷＮＴの平均内径および外径は、それぞれ４．７ｎｍおよび９．７ｎｍであることが分かった。無定形炭素は、サンプルにもチューブの層上にも見られなかった。これらのチューブは一般に、ターボ層的（ｔｕｒｂｏｓｔｒａｔｉｃ）であり、外部表面にいくつかの欠陥を有する。これらのサンプルにおいて、外径の３つのカテゴリー、すなわち厚い、薄い、および非常に薄いＭＷＮＴが観察された：
−  ６／２５ｎｍの平均内径／外径、および５０μｍまでの長さを有するＭＷＮＴは、以後「厚いＭＷＮＴ」と呼ばれる。
−  ４／１５ｎｍの平均内径／外径、および５０μｍまでの長さを有するＭＷＮＴは、以後「薄いＭＷＮＴ」と呼ばれる。これらは一般に、長い束および厚い束として生成される。
−  ５／１０ｎｍの平均内径／外径、および５０μｍまでの長さを有するＭＷＮＴは、以後「非常に薄いＭＷＮＴ」と呼ばれる。
【００７６】
図４ｂに、内径の関数としての、合成されたままのＭＷＮＴの層の数の分布が示されている。これらのＭＷＮＴは、担持触媒ＳＣＡ２上の６０分間の連続反応における７００℃でのアセチレン分解によって得られる。担持触媒は、Ｎ２流中でこれを１０分間予熱することによって活性化された。ＭＷＮＴの層の数は、２〜２６の範囲内にあり、平均値は８である。
【００７７】
カーボンナノチューブのＰＩＸＥおよびＰＩＧＥ分析
精製プロセス中の担体および触媒の除去に続いて、粉末Ｘ線回折法、ＰＩＧＥ（プロトン励起ガンマ線放射分析法）、およびＰＩＸＥ（プロトン励起Ｘ線放射分析法）技術によって、精製の様々な段階でこれらのサンプルを分析した。ＰＩＧＥ分析は、精製ＭＷＮＴ（図３ａの見出しに記載されているようにＳＣＡ２上で合成されたもの）が、０．１重量％のＡｌを含んでいることを示した。同じサンプルのＰＩＸＥ分析は、０．３重量％のＦｅおよび０．２重量％のＣｏの存在を明らかにした。
【００７８】
補足反応
担持触媒の重量の効果
ナノチューブの性質に対する担持触媒の重量の効果は、（ｉ）反応体ガス混合物の速度を変えて、および（ｉｉ）変えずに調査された。すべての場合に、消費済み触媒上の炭素のスポンジ状堆積物が得られた。
（ｉ）担持触媒の重量が様々に変えられ、反応体ガス混合物の速度が、この比を一定に保つために（一定の接触時間条件）比例して変えられる時、炭素堆積物は、２％の誤差範囲内で一定である（５８０％）であることが分かった（表１ｂ）。このことは、これらのガスが反応器中で完全に混合されていることを意味する。
【表１ｂ】
2004532789.tif 000004
（ｉｉ）担持触媒の重量が、６０分反応において、反応体ガス混合物の速度を変えずに様々に変えられる時、炭素堆積物は、初期担持触媒重量がそれぞれ０．２５ｇから０．５０ｇに増加され、ついで１．０ｇに増加される時、５８９％から３２５％に、ついで２５２％に減少した。担持触媒の重量が０．２５ｇあるいは０．５０ｇであった時、触媒上の炭素物質は均質であるが、一方、１ｇの担持触媒が用いられる時、担持触媒プレートのもう一方の端部よりもガスの入口の方に、より多くの炭素物質があった。
【００７９】
アセチレン流量の効果
アセチレン流を３０ｍｌ／分から６０ｍｌ／分に増加する効果は、図２に示されている不連続プロセスにおいて見られるものと同様であった。同じ効果はまた、１．０ｇの担持触媒を用いる連続プロセスの６０分反応においても調査された。炭素堆積物が２５２％から３４９％に増加し、アセチレン流量が３０ｍｌ／分から５０ｍｌ／分に増加するのが観察された。ここで再び、炭素物質はスポンジ状のままであったが、これは触媒上で均一でなかった。もう一方の端部よりもガスが反応器に入る端部の方に、より多くの炭素物質があった。
【００８０】
アセチレンガスの流量の効果
アセチレン流を３０ｍｌ／分から６０ｍｌ／分に増加する効果は、図２に示されている不連続プロセスにおいて見られるものと同様であった。同じ効果はまた、１．０ｇの担持触媒を用いる連続プロセスの６０分反応においても調査された。炭素堆積物が２５２％から３４９％に増加し、アセチレン流量が３０ｍｌ／分から５０ｍｌ／分に増加するのが観察された。ここで再び、炭素物質はスポンジ状のままであったが、これは触媒上で均一でなかった。もう一方の端部よりもガスが反応器に入る端部の方に、より多くの炭素物質があった。
【００８１】
窒素ガスの流量の効果
３００、４００、および５００ｍｌ／分における窒素の流量の効果が、０．５ｇの担持触媒を用いる６０分連続プロセスにおいて調査された。この目的は、消費済み触媒上の炭素物質の均一性を改良することであった。行なうことができた唯一の観察は、Ｎ２ガスの流量が高くなればなるほど、消費済み触媒上の炭素物質の高さがより低くなり、堆積物がより規則的になるということであった。
【００８２】
３．反応体ガス混合物としてＣ２Ｈ４／Ｎ２を用いる活性触媒の形成およびその失活
図５は、７００、８００、および９００℃で実施された不連続プロセスにおける（Ｎ２流中１０分間の予熱によって活性化された）ＳＣＡ２上のエチレン分解からの結果を含んでいる。連続プロセスにおける７００℃でのエチレン分解の結果も示されている。この図面から、次の傾向が観察される：
−  ７００℃で、６０分の連続プロセスにおける炭素堆積物は、不連続プロセスと比較した時に２倍も高い。したがって不連続反応プロセスは、触媒を失活させる。
−  ７００〜９００℃で不連続プロセスにおいて得られた炭素堆積物についての曲線を比較した場合、最適反応温度が７００℃であると結論することができる。実際、この温度において、失活工程後、この炭素堆積物曲線の第二傾斜は水平であり、このことは、カーボンナノチューブ上に無定形炭素堆積がないことを意味する。８００および９００℃において、無定形炭素堆積速度の特徴である炭素堆積物曲線の第二傾斜はそれぞれ、非常に小さく、及び大きい。
【００８３】
ＴＥＭ観察からのナノチューブの特徴
非常に豊富な薄いＭＷＮＴおよび非常に薄いＭＷＮＴ、ならびにいくつかの厚いＭＷＮＴが、７００℃または８００℃で生成されたサンプル上に観察される。無定形炭素は、連続プロセス（７００℃で６０分）でも、不連続プロセスでも（７００℃または８００℃で１８０分）、これらのＭＷＮＴの層上に観察されなかった。
９００℃での不連続プロセスにおいて生成されたＭＷＮＴは、無定形炭素の非常に厚い層によって覆われている。
【００８４】
４．反応体ガス混合物としてＣ２Ｈ６／Ｎ２を用いる活性触媒の形成およびその失活
図６は、７００、８００、および９００℃での連続プロセスにおける（Ｎ２流中１０分間の予熱によって活性化された）ＳＣＡ２上のエタン分解からの結果を含んでいる。不連続プロセスにおける８００℃でのエタン分解の結果も示されている。この図面上で、次の傾向が観察される：
−  ８００℃で、６０分の反応の場合の炭素堆積物は、不連続プロセスよりも連続プロセスの方が２倍多い。したがって不連続反応プロセスは、触媒を失活させる。
−  ７００〜９００℃での不連続プロセスの炭素堆積物曲線を比較した場合、最適反応温度が８００℃であると結論することができる。実際この温度では、失活工程後、この炭素堆積物曲線の第二傾斜はまったく水平であり、このことは、カーボンナノチューブ上に非常に少量の無定形炭素堆積があることを意味する。
【００８５】
ＴＥＭ観察からのナノチューブの特徴
非常に豊富な薄いＭＷＮＴおよび非常に薄いＭＷＮＴ、ならびにいくつかの厚いＭＷＮＴが、７００℃または８００℃で生成されたサンプル上に観察される。無定形炭素は、連続プロセス（７００℃または８００℃で６０分）でも、不連続プロセスでも（８００℃で１５０分）、これらのＭＷＮＴの層上に観察されなかった。
９００℃で６０分の連続プロセスにおいて生成されたＭＷＮＴは、無定形炭素の薄い層によって覆われ、無定形炭素の島も観察される。
【００８６】
５．反応体ガス混合物としてＣＨ４／Ｎ２を用いる活性触媒の形成およびその失活
図７は、９００および１，０００℃での不連続プロセスにおける（Ｎ２流中１０分間の予熱によって活性化された）ＳＣＡ２上のメタン分解からの結果を含んでいる。この図面上で、炭素堆積物は１，０００℃よりも９００℃の方が多いことが観察される。
【００８７】
ＴＥＭ観察からのナノチューブの特徴
カプセル化金属ナノ粒子、繊維、および無定形炭素で汚染されたＭＷＮＴおよびＳＷＮＴが、９００℃および１，０００℃の両方で合成されたサンプル中に見られた。ＳＷＮＴ含量は、１，０００℃で合成されたサンプルの場合の方が多かった。
【００８８】
メタンの接触分解によって合成されたＳＷＮＴは、２ｎｍの平均直径および１０μｍまでの長さを有するナノチューブであった。これらは、単離されていると同時に小さい束になっているのが分かった。
【００８９】
６．反応体ガス混合物としてＣＨ４／Ｈ２を用いる活性触媒の形成およびその失活
図８は、９００〜１，１００℃で水素の存在下における（７５／３００ｍｌ．分−１のＣＨ４／Ｈ２流中２５℃から９００〜１，１００℃への４分の現場での予熱によって活性化された）ＳＣＡ２上の６分間のメタン分解の結果を含んでいる。この図面上で、炭素堆積物は、９８０℃まで反応温度の増加とともに増加することが観察される。さらに温度を１，１００℃まで増加することによって、炭素堆積物の減少を引起こす。９００℃から９８０℃までの温度の増加に伴なう炭素堆積物の増加は、より高い温度での担持触媒のより良好な活性の特徴である。逆に反応温度を９８０℃から１，１００℃へ増加させることに伴なう炭素堆積物の減少は、それだけ高い水素化速度によって説明することができ、したがって温度の関数として、連続反応における炭素堆積物を除去する。
【００９０】
ＴＥＭ観察からのナノチューブの特徴
ＭＷＮＴ、カプセル化金属ナノ粒子、繊維、および無定形炭素で汚染されたＳＷＮＴが、主として９５０℃〜１，０５０℃で合成されたサンプル上に見られた。ＳＷＮＴ含量は、１，０００℃で合成されたサンプルの方が多かった。
【００９１】
水素の存在下におけるメタンの接触分解によって合成されたＳＷＮＴは、２ｎｍの平均直径および１０μｍまでの長さを有するナノチューブであった。これらは、単離されていると同時に小さい束になっているのが分かった。
パートＢ：水酸化アルミニウム上に担持された触媒の相対活性
【００９２】
表１ａに記載されているすべての水酸化アルミニウムベースの担持触媒の活性が、同一の反応条件において測定された。アセチレン分解からＭＷＮＴを生成するためのこれらの活性の比較が、表１ｃに報告されている。
【００９３】
（３００ｍｌ．分−１のＮ２流中で２５℃から７００℃への５分の現場での予熱および７００℃で５分の水平段階（ｐｌａｔｅａｕ）によって活性化された）１．０ｇの担持触媒および３０／３００ｍｌ．分−１のＣ２Ｈ２／Ｎ２を用いた、７００℃で６０分間の担持触媒上でのアセチレン分解は、以後「ＭＷＮＴ−７００条件」と呼ばれる。
【表１ｃ】
2004532789.tif 000005
【００９４】
表１ｃから分かるように、個々の金属に関するかぎり、コバルトは、ＭＷＮＴを生成するのに最も活性な金属であり（１４７％）、ついで鉄（７２％）およびニッケル（４３％）である。銅、モリブデン、およびバナジウムは、最も活性でない金属である（それぞれ１７％、１６％、および１２％）。個々の金属の活性は、Ｃｏ＞Ｆｅ＞Ｎｉ＞Ｃｕ＝Ｍｏ＞Ｖの順序である。
【００９５】
金属混合物を含む水酸化アルミニウムベースの担持触媒のＭＷＮＴを生成する活性に関して（表１ｃ）：
−  担持触媒を調製するために用いられる「方法」は重要である。Ｃｏ−Ｆｅ担持触媒は、方法Ａ、Ｂ、またはＥによって調製される場合非常に活性であり、方法Ｃ、Ｆ、またはＨによって調製される場合は活性であり、方法ＧまたはＤによって調製される場合あまり活性でないことが分かった。さらには螺旋状炭素ナノチューブが、方法ＤおよびＦの生成物上に見られた。
−  Ｆｅ−Ｃｏは最も活性であり、ついでＦｅ−ＮｉおよびＦｅ−Ｃｕである（２５２％、２３１％、５３％）。
−  Ｃｏ−Ｆｅは最も活性であり、ついでＣｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｃｕ、Ｃｏ−Ｍｏ、およびＣｏ−Ｎｉである（２５２％、１９３％、１０８％、８７％、５０％）。
Ｎｉ−Ｆｅが最も活性であり、ついでＮｉ−ＣｏおよびＮｉ−Ｃｕである（２３１％、１０７％、５０％）。
−  Ｃｕ−ＣｏおよびＣｕ−Ｎｉは等しく活性であり、ついでＣｕ−Ｆｅである（１０８％、１０７％、５３％）。
−  金属混合物の活性は、Ｆｅ−Ｃｏ＞Ｆｅ−Ｎｉ＞Ｃｏ−Ｖ＞Ｃｏ−Ｃｕ＝Ｎｉ−Ｃｕ＞Ｃｏ−Ｍｏ＞Ｆｅ−Ｃｕ＝Ｃｏ−Ｎｉの順序である。
【００９６】
２つの異なる金属−酢酸塩および硝酸塩が、担持触媒を調製するため、およびこの塩のアニオンがカーボンナノチューブの生成における担持触媒活性に対してなんらかの影響を有するかどうかを発見するために用いられた。酢酸塩から調製された担持触媒（表１ｄ）は、１２０℃で一晩の乾燥後粉末であり、さらにこれを細かい粉末にするために容易に粉砕することができた。他方、硝酸塩から得られた担持触媒は硬質で、１２０℃での乾燥後ビーカーに粘着し、ビーカーから取出し、モルタルまたはボールミルで細かい粉末に粉砕するのが難しかった。炭素堆積物に関するこれらの結果が表１ｄに挙げられている。
【表１ｄ】
2004532789.tif 000006
【００９７】
表１ｄから分かるように、アニオンの効果は限定されているが、硝酸鉄が用いられる時、より良い結果が得られる（ＳＣＡ２およびＳＣＡ２ｃ）。
パートＩＩ：触媒担体としてのＡｌ（ＯＨ）３以外の水酸化物の使用
【００９８】
Ａｌ（ＯＨ）３以外の水酸化物ベースの担持触媒が、好ましくは方法Ａを用いて調製された。その他の水酸化物ベースの担持触媒の活性が、同一反応条件において測定された。アセチレン分解からＭＷＮＴを生成するため、およびメタン分解からＳＷＮＴを生成するためのこれらの活性の比較が、それぞれ表２ａおよび２ｂに報告されている。「他の水酸化物」という用語は、Ａｌ以外の金属の水酸化物を表わす（すなわち、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｃｅ（ＯＨ）４、Ｔｉ（ＯＨ）４、Ｌａ（ＯＨ）３等）。
【表２ａ】
2004532789.tif 000007
【００９９】
表２ａから分かるように、他の水酸化物中に担持された混合金属（すなわちＣｏ−Ｆｅ）触媒のＭＷＮＴを生成するための活性もまた、単一金属（すなわちＣｏ）の活性よりも高い。Ａｌの水酸化物（表１ｃ）が最良の担体であり、ついでＣａ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｔｉ、およびＬａの水酸化物である。
【０１００】
（ＣＨ４／Ｈ２流中２５〜１，０００℃で４分の現場での予熱によって活性化された）１．０ｇの担持触媒および７５／３００ｍｌ．分−１のＣＨ４／Ｈ２流を用いた、１，０００℃で６分間担持触媒上でのメタン分解は、以後「ＳＷＮＴ−１，０００条件」と呼ばれる。
【表２ｂ】
2004532789.tif 000008
【０１０１】
表２ｂから分かるように、水酸化物上に担持された触媒上の炭素堆積物を生成するための活性は、金属、および担持触媒の調製「方法」に応じる。Ａｌの水酸化物は、炭素堆積物を生成するための最良の担体であり、ついでＭｇ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、およびＴｉの水酸化物である。それにもかかわらずＳＷＮＴは、ＴＥＭによって、主としてＭｇの水酸化物上に堆積された炭素物質上に観察され、ついでＡｌおよびＣａの水酸化物であった。担持触媒の調製「方法」も、ＳＷＮＴを生成するためのその活性に影響を与え、方法Ｃによって調製された担持触媒の場合により良い活性が観察される。
パートＩＩＩ：触媒担体としての混合水酸化物の使用
【０１０２】
混合水酸化物ベースの担持触媒が、好ましくは２工程で調製された。第一に、モルタルまたはボールミルにおいて水酸化物を完全に混合する工程、第二に、方法Ａを用いて純粋水酸化物の代わりに混合物を用いる工程である。混合水酸化物ベースの担持触媒の活性が、同一反応条件において測定された。アセチレン分解からＭＷＮＴを生成するため、およびメタン分解からＳＷＮＴを生成するためのこれらの活性の比較は、それぞれ表３ａおよび３ｂに報告されている。
【表３ａ】
2004532789.tif 000009
【０１０３】
表３ａから分かるように、混合水酸化物中に担持された触媒のＭＷＮＴを生成するための活性は、Ｃａ／Ｍｇの水酸化物の場合より高く、ついでＣａ／Ａｌ、Ｃａ／Ｍｇ／Ａｌ、およびＭｇ／Ａｌの水酸化物である。
【表３ｂ】
2004532789.tif 000010
【０１０４】
表３ｂから分かるように、炭素堆積物は、すべての混合水酸化物上で同程度の規模を有する。それにもかかわらず、混合水酸化物上に担持された触媒のＳＷＮＴを生成するための活性は、Ｃａ／Ｍｇの水酸化物の場合により高く、ついでＭｇ／ＡｌおよびＣａ／Ａｌの水酸化物である。
【０１０５】
パートＩＶ：触媒担体としての炭酸塩の使用
炭酸塩ベースの担持触媒は、好ましくは方法Ａを使用し、水酸化物の代わりに炭酸塩を用いて調製された。炭酸塩ベースの担持触媒の活性は、様々な反応条件において測定された。アセチレン分解からＭＷＮＴを生成するため、およびメタン分解からＳＷＮＴを生成するためのこれらの活性の比較は、それぞれ表４ａおよび４ｂに報告されている。
【表４ａ】
2004532789.tif 000011
【０１０６】
表４ａから分かるように、炭酸塩上に担持された混合金属（すなわちＣｏ−Ｆｅ）触媒のＭＷＮＴを生成するための活性もまた、単一金属（すなわちＣｏ）の活性よりも高い。Ｃｅの炭酸塩は最良の担体であり、ついでＣａ、Ｌａ、Ｍｇ、およびＡｌの炭酸塩である。
【表４ｂ】
2004532789.tif 000012
【０１０７】
表４ｂから分かるように、炭酸塩上に担持された触媒上の炭素堆積物は、ＬａおよびＣａ炭酸塩の場合により多く、ついでＭｇ、Ｃｅ、およびＡｌである。それにもかかわらず、ＳＷＮＴを生成するための活性は、Ｍｇ炭酸塩上でより高く、ついでＣａおよびＣｅの炭酸塩である。
【０１０８】
パートＶ：触媒担体としての混合炭酸塩の使用
混合炭酸塩ベースの担持触媒が、好ましくは２工程で調製された。第一に、モルタルまたはボールミルにおいて炭酸塩を完全に混合する工程、第二に、方法Ａを用いて水酸化物の代わりに混合物を用いる工程である。混合炭酸塩ベースの担持触媒の活性が、同一反応条件において測定された。アセチレン分解からＭＷＮＴを生成するため、およびメタン分解からＳＷＮＴを生成するためのこれらの活性の比較は、それぞれ表５ａおよび５ｂに報告されている。
【表５ａ】
2004532789.tif 000013
【０１０９】
表５ａから分かるように、混合炭酸塩上に担持された触媒のＭＷＮＴを生成するための活性は低い。それにもかかわらず、これは、Ｍｇ／ＡｌおよびＣａ／Ｍｇ／Ａｌの炭酸塩の場合により高く、ついでＣａ／ＭｇおよびＣａ／Ａｌの炭酸塩である。
【表５ｂ】
2004532789.tif 000014
【０１１０】
表５ｂから分かるように、炭素堆積物は、Ｃａ／ＭｇおよびＣａ／Ｍｇ／Ａｌの混合炭酸塩上でより多い。それにもかかわらず、混合炭酸塩中に担持された触媒のＳＷＮＴを生成するための活性は、非常に低い。
【０１１１】
パートＶＩ：触媒担体としての水酸化物と炭酸塩との混合物の使用
水酸化物と炭酸塩との混合物ベースの触媒が、好ましくは２工程で調製された。第一に、モルタルまたはボールミルにおいて水酸化物と炭酸塩とを完全に混合する工程、第二に、方法Ａを用いて水酸化物の代わりに混合物を用いる工程である。水酸化物と炭酸塩との混合物ベースの担持触媒の活性が、異なる反応条件において測定された。アセチレン分解からＭＷＮＴを生成するため、およびメタン分解からＳＷＮＴを生成するためのこれらの活性の比較は、それぞれ表６ａおよび６ｂに報告されている。
【表６ａ】
2004532789.tif 000015
【０１１２】
表６ａから分かるように、水酸化物と炭酸塩との混合物上に担持された触媒のＭＷＮＴを生成するための活性は、Ｃａ／Ｃａの場合に高く、Ｍｇ／Ｍｇの場合中程度であり、Ｃａ／ＭｇおよびＭｇ／Ｃａの場合低い。
【０１１３】
部分的に中空のコアを有し、かつ普通の直径（約１５〜７０ｎｍ）のヘリンボーン炭素繊維が、Ａｌの水酸化物と炭酸塩との混合物上に得られる。それぞれＣａ／Ｃａ、Ｍｇ／Ｍｇ、およびＣａ／Ｍｇの水酸化物と炭酸塩との混合物上に、ますます不規則になって行く炭素繊維が同様に得られる。
【表６ｂ】
2004532789.tif 000016
【０１１４】
表６ｂから分かるように、炭素堆積物は、すべての水酸化物と炭酸塩との混合物上で、同程度の規模を有する。それにもかかわらず、水酸化物と炭酸塩との混合物上に担持された触媒のＳＷＮＴを生成するための活性は、Ｍｇ／Ｍｇの場合により高く、ついでＣａ／Ｍｇ、Ｍｇ／Ｃａ、Ａｌ／Ａｌ、およびＣａ／Ｃａである。
【０１１５】
パートＶＩＩ：触媒担体としての他の生成物と混合された水酸化物および／または炭酸塩の使用
他の生成物と混合された水酸化物および／または炭酸塩ベースの担持触媒が、好ましくは２工程で調製された。第一に、モルタルまたはボールミルにおいて水酸化物および／または炭酸塩と他の生成物とを完全に混合する工程、第二に、担持触媒の調製「方法Ａ〜Ｈ」のうちの１つを用いて、水酸化物の代わりに混合物を用いる工程である。これらの他の生成物は、好ましくは酸化物（すなわち、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等）、ゼオライト、粘土、スピネル、ＡＬＰＯ等である。他の生成物と混合された水酸化物および／または炭酸塩ベースの担持触媒の活性が、異なる反応条件において測定され、以下にＣａＯおよび／またはＭｇＯを用いた例が示されている。アセチレン分解からＭＷＮＴを生成するため、およびメタン分解からＳＷＮＴを生成するためのＣａＯ（ＭｇＯ）と混合された水酸化物および／または炭酸塩の活性は、それぞれ表７ａ（８ａ）および７ｂ（８ｂ）に報告されている。
【０１１６】
他の生成物、例えばＣａＯ、ＭｇＯ、およびこれらの混合物上に担持された触媒の活性も、同じ条件下に測定され、これらの結果は、それぞれ表７ａ〜ｂ、８ａ〜ｂ、および９ａ〜ｂに報告されている。
【表７ａ】
2004532789.tif 000017
【０１１７】
表７ａから分かるように、触媒のＭＷＮＴを生成するための活性は、触媒の調製方法および金属による。方法Ｃによって調製されたＣｏ−Ｆｅ／ＣａＯは、非常に活性である。ＣａＯと混合された水酸化物および／または炭酸塩上に担持された触媒のＭＷＮＴを生成するための活性も、Ａｌ水酸化物およびＣａ炭酸塩の場合に非常に高い。これは、Ｍｇ、およびＣａ水酸化物の場合、ならびに三成分混合物Ｃａ（ＯＨ）２／ＣａＣＯ３／ＣａＯの場合に高い。それぞれＭｇおよびＡｌの炭酸塩と混合されたＣａＯの場合、低いおよび非常に低い活性が観察された。
【表７ｂ】
2004532789.tif 000018
【０１１８】
表７ｂから分かるように、炭素堆積物は、触媒担体がＣａＯ単独であるか、あるいはＣａの水酸化物および／または炭酸塩と混合されている時の方が高い。同程度の規模の炭素堆積物が同様に、Ａｌの水酸化物、ついでＣａＯとの混合物としてのＭｇの水酸化物を用いても観察される。それにもかかわらず、ＳＷＮＴは主として、単独（好ましくは方法Ｃによって調製されたもの）、またはＭｇ炭酸塩またはＣａ水酸化物と混合されたＣａＯ上で観察される。
【表８ａ】
2004532789.tif 000019
【０１１９】
表８ａから分かるように、ＭｇＯと混合された水酸化物および／または炭酸塩上に担持された触媒のＭＷＮＴを生成するための活性は、触媒の調製方法による。さらには、高い炭素堆積物は、ＭＷＮＴ形成と直接関連していない。炭素物質中のＭＷＮＴの高い密度は、ＣａまたはＭｇ水酸化物と混合されるか、または単独（方法Ｃによって調製されたもの）のＭｇＯの場合にのみ観察された。
【表８ｂ】
2004532789.tif 000020
【０１２０】
表８ｂから分かるように、炭素堆積物は、触媒担体がＣａ炭酸塩と混合されたＭｇＯである時の方がより高い。同程度の規模の炭素堆積物はまた、触媒担体が単独またはＡｌ炭酸塩以外の他の担体と混合されたＭｇＯである時にも観察される。それにもかかわらず、ＳＷＮＴは主として、単独（方法Ｃによって調製されたもの）またはＡｌまたはＣａの水酸化物と混合されたＭｇＯ上で観察された。Ｍｇ水酸化物とともに、またはこれを伴なわずに、ＭｇＯとＣａ炭酸塩との混合物もまた、ＳＷＮＴを生成するための良好な触媒担体である。それぞれＭｇＯとＭｇ炭酸塩およびＭｇ水酸化物との二成分混合物の場合に、ＳＷＮＴを生成するためのますます低くなる活性が観察された。
【表９ａ】
2004532789.tif 000021
【０１２１】
表９ａから分かるように、ＣａＯ／ＭｇＯ混合物は、ＭＷＮＴを生成するための良好な触媒担体である。それにもかかわらず、ＣｏよりもＣｏ−Ｆｅを使用する時の方が、より良好な活性が観察された。
【表９ｂ】
2004532789.tif 000022
【０１２２】
表９ｂから分かるように、ＣａＯ／ＭｇＯ混合物は、ＳＷＮＴを生成するための良好な触媒担体である。それにもかかわらず、Ｃｏ−ＦｅよりもＣｏを使用する時の方が、より良好な活性が観察された。
【０１２３】
パートＶＩＩＩ：ナノチューブ合成の間の触媒担体からカーボンナノチューブへの金属移行の証拠
まず粗ＭＷＮＴサンプルが、その金属含量を確立するためにＰＩＧＥおよびＰＩＸＥによって分析され、これらの結果が表１０ａに示されている。第二に、消費済み担持触媒は、精製ナノチューブを生成するための触媒担体に応じて、濃縮ＨＣｌ中および／または濃縮ＮａＯＨ中への反復溶解によって、粗ナノチューブサンプルから完全に除去された。消費済み担持触媒の完全な除去は、粉末Ｘ線回折によって監視された。その後精製ナノチューブは、ナノチューブ中に組込まれている金属の含量を測定するためにＰＩＸＥおよびＰＩＧＥによって分析され、これらの結果が表１０ｂに示されている。
【表１０ａ】
2004532789.tif 000023
【表１０ｂ】
2004532789.tif 000024
【０１２４】
表１０ｂから分かるように、触媒担体からの金属（すなわち、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｔｉ）は、これらの合成の間カーボンナノチューブ中に組込まれる。これらの金属は酸性溶解によって除去可能ではないので、かつこれらはまた、カプセル化金属ナノ粒子を含まないカーボンナノチューブ中に存在するので、これらは、ナノチューブ欠陥の間隙位置にあると推論された。
【０１２５】
一般的結論：
・触媒担体は、非常に重要な役割を果たすが、その理由は、これが触媒化学環境の一部であり、したがってその活性を決定するからである。これはまた、触媒粒子サイズにも影響を与える。
・厚いＭＷＮＴ合成に都合のよい触媒粒子サイズ（直径約５〜２０ｎｍ）は、好ましくは単一金属（好ましくはＣｏ）および触媒の調製方法における溶媒としての水の使用に関わっている。
・薄いＭＷＮＴを得るためには、金属混合物の方がより都合がよく、水（マイクロエマルジョンとして、または単独で）は、依然として有利な溶媒である。実際、金属混合物において、各々の個々の金属はさらに、もう一方の金属によって分散され、したがって触媒粒子サイズを直径約２〜１２ｎｍまで減少させる。
・非常に薄いＭＷＮＴを得るためには、金属混合物の方が同様により都合がよいが、アルコール（すなわちエタノール、メタノール）は、直径約１〜８ｎｍの触媒粒子を生成するための最良の溶媒である。
・好ましくはアルコール（すなわちエタノール、メタノール）を用いて触媒担体中に分散された、直径約１〜５ｎｍの触媒ナノ粒子（好ましくはＣｏ）は、ＳＷＮＴを生成するための最良の触媒である。金属混合物の使用は、ＳＷＮＴ合成の間、他の炭素構造の生成を増加させる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】Ｎ２流下、７００、８００、９００、および１，０００℃の加熱時間の関数としての担持触媒ＳＣＡ２（表１参照）の減量を表わす。
【図２】連続および不連続の両方のプロセスにおける、ＳＣＡ２上７００℃でのアセチレン分解からの結果を表わす。
【図３ａ】担持触媒ＳＣＡ２上で、６０分の連続反応において７００℃でのアセチレン分解によって合成された、製造時のＭＷＮＴの低倍率の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を表わす。
【図３ｂ】図３ａのように合成されたＭＷＮＴのより高い倍率のＴＥＭ画像を表わす。
【図３ｃ】担持触媒ＳＣＡ６３（表６ａ参照）上で、６０分の連続反応において７００℃でのアセチレン分解によって合成された、製造時の炭素繊維の低倍率のＴＥＭを表わす。
【図３ｄ】担持触媒ＳＣＣ８１（表８ｂ参照）上で、１，０００℃で６分のＣＨ４／Ｈ２分解によって合成された、束になった精製ＳＷＮＴの低倍率のＴＥＭを表わす。
【図４ａ】図３ａのように合成されたＭＷＮＴの内径および外径分布の棒グラフを表わす。
【図４ｂ】図３ａのように合成されたＭＷＮＴの内径分布の関数としての層の数を表わす。
【図５】７００、８００、および９００℃での不連続プロセスにおける（Ｎ２流中で１０分予熱することによって活性化された）ＳＣＡ２上のエチレン分解からの結果を含んでいる。
【図６】７００、８００、および９００℃での連続プロセスにおける（Ｎ２流中で１０分予熱することによって活性化された）ＳＣＡ２上のエタン分解からの結果を含んでいる。
【図７】不連続プロセスにおいて９００℃および１，０００℃での（Ｎ２流中で１０分予熱することによって活性化された）ＳＣＡ２上のメタン分解からの結果を含んでいる。
【図８】９００〜１，１００℃での水素の存在下における（ＣＨ４／Ｈ２流中で２５から９００〜１，０００℃で４分の現場での予熱によって活性化された）ＳＣＡ２上の６分間のメタン分解の結果を含んでいる。
【図１】
2004532789.tif 000025
【図２】
2004532789.tif 000026
【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
2004532789.tif 000029
【図３ｄ】
2004532789.tif 000030
【図４ａ】
2004532789.tif 000031
【図４ｂ】
2004532789.tif 000032
【図５】
2004532789.tif 000033
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年5月7日(2003.5.7)
【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】
単層および／または多層カーボンナノチューブの調製のため、および／または炭素繊維の調製のための触媒系であって、前記触媒系が、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物中にあらゆる酸化状態の金属を含むナノ粒子の分散液を含み、前記金属が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される触媒系。
【請求項２】
触媒系を用いる少なくとも１つの接触工程を含む、単層および／または多層カーボンナノチューブの調製のための方法であって、前記触媒系が、触媒と担体とを有し、前記触媒が、金属および／または金属酸化物および／または金属誘導体からなる群から選択される場合において、前記担体が、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項３】
接触工程における触媒系による炭素繊維の調製のための方法であって、前記触媒系が、触媒と担体とを有し、前記触媒が、金属および／または金属酸化物および／または金属誘導体からなる群から選択される場合において、前記担体が、金属酸化物を伴なって、または伴なわずに、水酸化物および／または炭酸塩またはこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項４】
触媒系の担体が、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ａｌ２（ＣＯ３）３、Ｃｅ２（ＣＯ３）３、Ｔｉ（ＣＯ３）２、Ｌａ２（ＣＯ３）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される炭酸塩を含むことを特徴とする請求項２および３に記載の方法。
【請求項５】
触媒系の担体が、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ａｌ（ＯＨ）３、Ｃｅ（ＯＨ）４、Ｔｉ（ＯＨ）４、Ｌａ（ＯＨ）３、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される水酸化物を含むことを特徴とする請求項２および３に記載の方法。
【請求項６】
触媒系の担体が、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、および／またはこれらの混合物からなる群から選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項２および３に記載の方法。
【請求項７】
接触工程が、多層ナノチューブを調製するために５００〜９００℃、単層ナノチューブを調製するために９００〜１１００℃で実施されることを特徴とする請求項２〜６に記載の方法。
【請求項８】
単層および多層ナノチューブの調製のための請求項１に記載の触媒系の使用。
【請求項９】
炭素繊維の調製のための請求項１に記載の触媒系の使用。
【請求項１０】
水素の調製のための請求項１に記載の触媒系または請求項２〜７による方法の使用。
【国際調査報告】
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