(57)【要約】【課題】本発明は、周知の窒素原子を混入するカーボンナノチューブを触媒とする時、比表面積が小さいことから、触媒効率が高くないという問題を解決することにある。【解決手段】本発明は、表面に窒素原子を混入する窒化炭素材料を水溶剤と混合して第一分散液を形成し、さらに前記第一分散液をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと混合して第一ゲルを形成し、さらに、前記第一ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第一ゲルを昇華させることで水分を取除き、第一産物を得て、最後に、前記第一産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行うことで前記第一産物を熟成させ、窒素原子を混入する三次元網目状材料を形成しており、前記三次元網目状材料は、大きな比表面積を有することで、触媒反応の効率を向上している。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に窒素原子を混入する窒化炭素材料を水溶剤と混合して第一分散液を形成し、さらに前記第一分散液をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと混合して第一ゲルを形成する工程１Ａと、
前記第一ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第一ゲルを昇華させることで水分を取除き、第一産物を得る工程２Ａと、
前記第一産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行うことで前記第一産物を熟成させ、窒素原子を混入する三次元網目状材料を形成する工程３Ａと、を包括することを特徴とする触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項２】
工程１Ａにおいて、炭素材料をアンモニアが充満する容器内に置き、前記容器内に５００℃から１０００℃の間に介する温度を提供することで、前記アンモニアが窒素原子を分解し、これを前記炭素材料に付着させて前記窒化炭素材料を形成することを特徴とする請求項１に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項３】
前記炭素材料は、カーボンナノチューブ、グラフィン及びカーボンナノリボンからなる群のいずれかより選出することを特徴とする請求項２に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項４】
工程１Ａにおいて、前記窒化炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記第一分散液との重量比は、０．１：１００から５０：１００の間に介することを特徴とする請求項１に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項５】
前記第一ゲルに、ドデシル硫酸ナトリウム或いはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムのいずれかである第一界面活性剤をさらに加えることを特徴とする請求項１に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項６】
前記窒化炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記水溶剤との重量比は、０．１：１００から８０：１００の間に介し、前記第一界面活性剤と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介することを特徴とする請求項５に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項７】
前記第一ゲルに、グリセリンをさらに加え、前記グリセリンと前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースとの重量比は、０．０１：１から５：１の間に介することを特徴とする請求項１に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項８】
前記凍結乾燥工程は、０℃から−２００℃の間に介する凍結温度で提供することを特徴とする請求項１に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項９】
前記低温加熱温度の加熱温度は、８０℃から３５０℃の間に介することが好ましく、また、前記低温加熱温度の加熱時間は、１分から１０時間に介することが好ましいことを特徴とする請求項１に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１０】
炭素材料を水溶剤と混合して第二分散液を形成し、さらに前記第二分散液をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと混合して第二ゲルを形成する工程１Ｂと、
前記第二ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第二ゲルを昇華させることで水分を取除き、第二産物を得る工程２Ｂと、
前記第二産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行うことで前記第二産物を熟成させ、第三産物を形成する工程３Ｂと、
前記第三産物をアンモニアが充満する容器内に置き、前記容器内に５００℃から１０００℃の間に介する温度を提供して表面に窒素原子を混入する三次元網目状材料を形成する工程４Ｂと、包括することを特徴とする触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１１】
工程１Ｂにおいて、まず、前記炭素材料に対して酸化工程を行い、酸化炭素材料を得てから、さらに、前記酸化炭素材料を前記水溶剤と混合して第二分散液を形成することを特徴とする請求項１０に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１２】
前記酸化炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記水溶剤との重量比は、０．１：１００から１００：１００の間に介することを特徴とする請求項１１に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１３】
前記炭素材料は、カーボンナノチューブ、グラフィン及びカーボンナノリボンからなる群のいずれかより選出することを特徴とする請求項１０に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１４】
工程１Ｂにおいて、前記炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記第二分散液との重量比は、０．１：１００から１００：１００の間に介することを特徴とする請求項１０に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１５】
前記第二ゲルに、ドデシル硫酸ナトリウム或いはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムのいずれかである第二界面活性剤をさらに加えることを特徴とする請求項１０に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１６】
前記炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記水溶剤との重量比は、０．１：１００から１００：１００の間に介し、前記第二界面活性剤と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介することを特徴とする請求項１５に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１７】
前記第二ゲルに、グリセリンをさらに加え、前記グリセリンと前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースとの重量比は、０．０１：１から５：１の間に介することを特徴とする請求項１０に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１８】
前記凍結乾燥工程は、０℃から−２００℃の間に介する凍結温度で提供することを特徴とする請求項１０に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【請求項１９】
前記低温加熱温度の加熱温度は、８０℃から３５０℃の間に介することが好ましく、また、前記低温加熱温度の加熱時間は、１分から１０時間に介することが好ましいことを特徴とする請求項１０に記載の触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒機能を備える材料の生成方法であって、特に触媒機能を備える三次元網目状材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラチナ触媒は、その他と反応を起こしにくい低反応性及び高触媒効率等の特性を有するため、様々な分野、特に燃料電池等に広く応用されている。燃料電池の発電原理は、化学エネルギーから電気エネルギーに転換することから、プラチナ触媒の高触媒効率は、燃料電池中におけるエネルギーの転換効率、さらには電気エネルギーの生産能力を向上するが、プラチナ触媒の多くは、貴金属を材料として生成するためコストが高いという欠点を有している。これを鑑み、プラチナ触媒に取って代わる、窒素原子を混入する炭素材料が発展した。
【０００３】
周知の窒素原子を混入する炭素材料として、例えば、特許文献１に示す「燃料電池に応用するカーボンナノチューブ」は、陰極本体、接続層及び触媒層を包括する燃料電池陰極が掲示されており、前記接続層は、前記陰極本体と接続し、導電性ポリマ及び非平行に配列する複数の第一カーボンナノチューブを包括し、前記触媒層は、前記接続層と接続し、垂直且つ並列に呈して窒素原子を混入する複数の第二カーボンナノチューブを包括し、窒素原子を混入する前記第二カーボンナノチューブにより触媒効果を提供することで、燃料電池の発電効率を向上する効果に達している。
【０００４】
しかし、カーボンナノチューブは、重合し易く、カーボンナノチューブ束（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｂｕｎｄｌｅ）を形成することから、有効的な表面が減少し、触媒機能を低減してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公告第ＵＳ８，２２１，９３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の主要な目的は、周知の窒素原子を混入するカーボンナノチューブを触媒とする時、比表面積が小さいことから、触媒効率が高くないという問題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明は、
表面に窒素原子を混入する窒化炭素材料を水溶剤と混合して第一分散液を形成し、さらに前記第一分散液をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと混合して第一ゲルを形成する工程１Ａと、
前記第一ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第一ゲルを昇華させることで水分を取除き、第一産物を得る工程２Ａと、
前記第一産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行うことで前記第一産物を熟成させ、窒素原子を混入する三次元網目状材料を形成する工程３Ａと、を包括する、触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法を提供している。
【０００８】
また、上述の目的を達成するため、本発明は、
炭素材料を水溶剤と混合して第二分散液を形成し、さらに前記第二分散液をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと混合して第二ゲルを形成する工程１Ｂと、
前記第二ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第二ゲルを昇華させることで水分を取除き、第二産物を得る工程２Ｂと、
前記第二産物に対して５０℃から３８０℃の間に介する低温加熱工程を行うことで前記第二産物を熟成させ、第三産物を形成する工程３Ｂと、
前記第三産物をアンモニアが充満する容器内に置き、前記容器内に５００℃から１０００℃の間に介する温度を提供して表面に窒素原子を混入する三次元網目状材料を形成する工程４Ｂと、包括する、もう一つの触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法を提供している。
【発明の効果】
【０００９】
これによって、本発明が提供する前記三次元網目状材料は、炭素材料を主な成分とし、且つ窒素原子を混入するため、触媒効果を有している。また、立体的な三次元網目状構成を呈することから、多くの開放型の孔洞を有するため、極めて大きな比表面積を有し、より好ましい触媒効果を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明に係る第一実施例の工程を示すフローチャートである。
【図１Ｂ】本発明に係る第一実施例の三次元網目状材料を示す写真である。
【図２】本発明に係る第二実施例の工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に関する詳細な説明及び技術的内容について、図面を参照しつつ以下において説明する。
【００１２】
本発明に係る第一実施例の工程を示すフローチャート、及び第一実施例の三次元網目状材料を示す写真である図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、図示されているとおり、本発明は、触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法を提供しており、以下の工程を包括している。
【００１３】
工程１Ａは、カーボンナノチューブ、グラフィン、カーボンナノリボン及びこれ等の組合せのいずれかとする炭素材料をアンモニアが充満する容器内に置き、前記容器内に５００℃から１０００℃の間に介する温度を提供することで、前記アンモニアが窒素原子を分解し、これを前記炭素材料に付着させて窒化炭素材料を形成ており、これに続けて、表面に窒素原子を混入する前記窒化炭素材料を水溶剤と混合して第一分散液を形成し、さらに前記第一分散液をアンモニウムカルボキシメチルセルロースと混合して第一ゲルを形成しており、そのうち、前記窒化炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記第一分散液との重量比は、０．１：１００から５０：１００の間に介している。
【００１４】
工程２Ａは、前記第一ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第一ゲルを昇華させることで水分を取除き、第一産物を得ており、前記凍結乾燥工程は、０℃から−２００℃の間に介する凍結温度で提供している。
【００１５】
工程３Ａは、前記第一産物に対して５０℃から３８０℃の間、好ましくは、加熱温度が８０℃から３５０℃の間に介し、且つ加熱時間が１分から１０時間に介する低温加熱工程を行うことで前記第一産物を熟成させ、本発明に係る第一実施例の三次元網目状材料を示す図１Ｂのような、窒素原子を混入する三次元網目状材料を形成している。
【００１６】
また、工程１Ａにおいて、前記第一ゲルにドデシル硫酸ナトリウム或いはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムのいずれかである第一界面活性剤をさらに加えることが可能であって、この時、前記窒化炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記水容剤との重量比は、０．１：１００から８０：１００の間に介し、前記第一界面活性剤と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介している。さらにまた、前記第一ゲルにグリセリンをさらに加えることで、前記三次元網目状材料の機械的性質を増強しており、前記グリセリンと前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースとの重量比は、０．０１：１から５：１の間に介している。
【００１７】
次に、本発明に係る第二実施例の工程を示すフローチャートである図２を参照すると、図示されているとおり、本発明は、第二実施例において、もう一つの触媒機能を備える三次元網目状材料の生成方法を提供し、第一実施例と異なる点は、窒素原子を前記炭素材料に付着させるための順序にあり、これに関する工程は以下のとおりである。
【００１８】
工程１Ｂは、カーボンナノチューブ、グラフィン、カーボンナノリボン及びこれ等の組合せのいずれかとする前記炭素材料を前記水溶剤と混合して第二分散液を形成し、さらに前記第二分散液を前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと混合して第二ゲルを形成しており、そのうち、前記炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記第二分散液との重量比は、０．１：１００から１００：１００の間に介している。また、前記第二ゲルは、以下のような方法から得ることもできる。まず、前記炭素材料に対して酸化工程を行い、酸化炭素材料を得てから、さらに、前記酸化炭素材料を前記水溶剤と混合して前記第二分散液を形成し、さらに前記第二分散液を前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと混合して第二ゲルを形成し、この時、前記酸化炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記水溶剤との重量比は、０．１：１００から１００：１００の間に介している。
【００１９】
工程２Ｂは、前記第二ゲルに対して凍結乾燥工程を行い、前記第二ゲルを昇華させることで水分を取除き、第二産物を得ており、前記凍結乾燥工程は、０℃から−２００℃の間に介する凍結温度で提供している。
【００２０】
工程３Ｂは、前記第二産物に対して５０℃から３８０℃の間、好ましくは、加熱温度が８０℃から３５０℃の間に介し、且つ加熱時間が１分から１０時間に介する低温加熱工程を行うことで前記第二産物を熟成させ、第三産物を形成している。
【００２１】
工程４Ｂは、前記第三産物をアンモニアが充満する容器内に置き、前記容器内に５００℃から１０００℃の間に介する温度を提供することで、前記アンモニアが窒素原子を分解し、これを前記炭素材料に付着させて表面に窒素原子を混入する前記三次元網目状材料を形成している。
【００２２】
また、工程１Ｂにおいて、前記第二ゲルにドデシル硫酸ナトリウム或いはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムのいずれかである第二界面活性剤をさらに加えることが可能であって、この時、前記炭素材料と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介し、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースと前記水溶剤との重量比は、０．１：１００から１００：１００の間に介し、前記第二界面活性剤と前記水溶剤との重量比は、０．０１：１００から５０：１００の間に介している。さらにまた、前記第二ゲルにグリセリンをさらに加えることで、前記三次元網目状材料の機械的性質を増強しており、前記グリセリンと前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースとの重量比は、０．０１：１から５：１の間に介している。
【００２３】
また、工程３Ｂ及び工程４Ｂにおいて、前記アンモニウムカルボキシメチルセルロースが熱に当たると、前記アンモニアを放出するため、前記アンモニアを前記容器内に加えるための手段を必要とせずに、前記容器に前記アンモニアを充満させる効果を達することで、窒素原子を前記炭素材料の表面に付着させ、前記三次元網目状材料に混入している。さらにまた、前記三次元網目状材料は孔洞構成を有するため、構成支持体が極めて小さく、通常の材料ではこの構成支持体に充填することが難しいが、大きさがナノクラスの前記炭素材料であれば、構成支持体に充填することができ、構成支持体強化することで、前記三次元網目状材料は好ましい機械的性質を有し、且つ前記炭素材料をカーボンナノチューブ、グラフィン及びカーボンナノリボンからなる群のいずれかより選出すると、前記三次元網目状材料は、好ましい導電性、耐候性及び防食性を有することができる。
【００２４】
以上のことから、本発明は、炭素材料を主な成分とし、且つ窒素原子を混入するため、触媒効果を有しており、また、凍結乾燥工程によって窒素原子を混入する前記炭素材料は、立体的な三次元網目状構成を呈することから、多くの開放型の孔洞及び極めて大きな比表面積を有するため、前記三次元網目状材料は、触媒を行うことが可能な面積が広くなり、より好ましい触媒効果を提供することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１Ａ        工程
２Ａ        工程
３Ａ        工程
１Ｂ        工程
２Ｂ        工程
３Ｂ        工程
４Ｂ        工程
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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