(57)【要約】炭素を含むナノ材料を生産するための方法は、開示される。方法は、２以上の炭素源（１、２）の組合せを合成反応器（１０１）に導入すること、２以上の炭素源（１、２）から炭素（１０４）を放出するために合成反応器において２以上の炭素源（１、２）を少なくとも部分的に分解すること、そして、合成反応器（１０１）において放出された炭素（１０４）から炭素を含むナノ材料を合成すること、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を含むナノ材料を生産するための方法であって、２以上の炭素源の組合せを合成反応器に導入するステップ、前記２以上の炭素源から炭素を放出するために前記合成反応器において前記２以上の炭素源を少なくとも部分的に分解するステップ、および、前記合成反応器において放出された炭素から炭素を含むナノ材料を合成するステップ、を含む、方法。
【請求項２】
前記２以上の炭素源から炭素を放出するために前記合成反応器において前記２以上の炭素源を少なくとも部分的に分解するステップは、前記合成反応器にエネルギーを供給することによっておよび／または分解試薬を導入することによってなされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
１以上のプロモータを前記合成反応器に導入するステップをさらに含む、請求項１〜２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４】
１以上の触媒を前記合成反応器に導入するステップをさらに含み、炭素を含む前記ナノ材料を合成するステップは、前記放出された炭素および前記１以上の触媒から炭素を含む前記ナノ材料を合成するステップを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
精製試薬を導入することによって炭素を含む前記合成されたナノ材料を精製するステップをさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
機能性試薬を導入することによって炭素を含む前記合成されたナノ材料を機能化するステップをさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記炭素源のうちの少なくとも１つは、液体、エアゾールまたはガスとして前記合成反応器に導入される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記炭素源のうちの少なくとも１つは、炭素元素、互いにおよび／または酸素に付着した１以上の炭素原子ＳＰ、ＳＰ２またはＳＰ３を含む分子またはポリマー、１以上のヒドロキシル基、窒素、１以上のニトロソ基、１以上のアミン基および／または１以上のスルホン酸基、有機化合物、炭素酸化物、カーバイド、炭酸塩およびシアン化物、の群から選択される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記有機化合物の１つ以上は、炭化水素または炭水化物である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記触媒は、バルク金属または合金、あるいは金属または合金を含む材料である、請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
前記合成反応器にエネルギーを供給するステップは、加熱によって実行される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
第１の炭素源および第２の炭素源を含む２つの炭素源の組合せが前記合成反応器に導入される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記合成反応器における前記第２の炭素源に対する前記第１の炭素源のモル比は、１：１０００００００と１０００００００：１との間にある、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
３つの炭素源の組合せが前記合成反応器に導入される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記炭素源のうちの少なくとも１つは、一酸化炭素（ＣＯ）である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記炭素源のうちの少なくとも１つは、エチレンまたはトルエンである、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
炭素を含む前記ナノ材料は、炭素、グラフェンまたはフラーレンを含む高アスペクト比分子（ＨＡＲＭ）材料である、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
炭素を含む前記高アスペクト比分子（ＨＡＲＭ）材料は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノバッド（ＣＮＢ）、カーボンナノワイヤ、カーボンナノリボン、グラフィネートされた（ｇｒａｐｈｉｎａｔｅｄ）カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバ、カーボンピーポッド、カーボン窒素ナノチューブまたはカーボンホウ素ナノチューブである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記合成反応器に基体を導入するステップをさらに含み、前記放出された炭素から炭素を含む前記ナノ材料を合成するステップは、前記基体上の前記放出された炭素から炭素を含む前記ナノ材料を合成するステップを含む、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
トランジスタ、可撓性電子デバイス、タッチスクリーン、センサ、光子デバイス、太陽電池用の電極、照明デバイス、検出デバイスまたは表示デバイスの製作における請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法の使用。
【請求項２１】
炭素を含むナノ材料を生産するための装置であって、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法の実施のための手段を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ材料の合成に関する。特に、本発明は、炭素を含むナノ材料の生産のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
透明でかつ導電性または半導電性の薄膜は、多くのアプリケーション（例えばトランジスタ、印刷された電子機器、タッチスクリーン、センサ、光子デバイス、太陽電池用の電極、照明、検出および表示デバイス）にとって重要である。より厚くかつ多孔性のフィルムは、バッテリ、スーパーキャパシタ、燃料電池、太陽電池、ならびに水および空気清浄器およびフィルタに役立つこともできる。合成およびフィルム製造プロセスが改良されるにつれて、構造は、向上する性能および安価なコストを呈する。例えば、透明電極にとって、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ（ＣＮＴｓ））およびカーボンナノバッド（Ｃａｒｂｏｎ  ＮａｎｏＢｕｄ（登録商標）（ＣＮＢ））フィルムの導電率および透明度パフォーマンスは、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）フィルムのそれに接近している。ＩＴＯ薄層を超える高アスペクト比分子（Ｈｉｇｈ  Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ（ＨＡＲＭ））薄膜の主要な利点は、それらの可撓性ならびに、減少した材料および合成コストのための可能性である。特に炭素ベースのＨＡＲＭ構造は、低い反射率、高い原材料有効性および低コストを有する。多くの場合に、ＨＡＲＭ薄膜は、透明でかつ可撓性のコンポーネントおよびデバイスを得るために薄い可撓性基体上に堆積されることができる。一方、ＩＴＯは、通常、剛性および／または厚い基体上に堆積されなければならない脆性材料である。さらに、炭素系フィルムのコストは、安価でかつ容易に利用できる炭素供給に依存する。
【０００３】
しかしながら、ＣＯ不均化を介して生産される最新技術の炭素系フィルムは、優れた特性を有するために、基礎をなすＣＯ不均化反応が比較的遅くて、ナノ炭素へのＣＯの転換に関して低い歩留まりを生じ、したがって、製造コストを増加させ、工業的用途を制限することが明らかになった。ＣＯベースの反応器の歩留まりを上昇させるために、ＣＯプロセスが高圧力で処理された。しかしながら、これは、安全性の減少およびコストの増加のせいで望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、炭素を含むナノ材料の合成における既存の技術の問題点を克服することである。
【０００５】
本発明は、既存の方法のコスト、安全性、歩留まりおよび品質に制限なしに商業的な量の炭素を含むナノ材料の合成に用いることができる、新規のかつ改良された方法および装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このセクションにおいて、請求項に記載の本発明の主要な実施形態は記載され、そして、特定の定義は与えられる。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、炭素を含むナノ材料の生産のための方法は、開示される。方法は、２以上の炭素源の組合せを合成反応器に導入するステップ、２以上の炭素源から炭素を放出するために合成反応器において２以上の炭素源を少なくとも部分的に分解するステップ、および、合成反応器において放出された炭素から炭素を含むナノ材料を合成するステップ、を含む。
【０００８】
方法は、連続フローにおいて、バッチにおいて、または、バッチおよび連続サブプロセスの組合せとして実行されることができる。
【０００９】
炭素を含むナノ材料は、フィルム、グラフェンのようなプレートレット、ナノオニオン、フラーレンおよびバッキーボールのような球体または回転楕円体、カーボンナノツリー、ナノホーン、ナノリボン、ナノコーン、グラフィネートされた（ｇｒａｐｈｉｎａｔｅｄ）カーボンナノチューブ、カーボンピーポッド、カーボン窒素ナノチューブおよびカーボンホウ素ナノチューブのようなファイバおよびより複雑な形状を含む、広範囲にわたる構造および形態をカバーする。
【００１０】
炭素源は、ここでは、炭素を含むナノ材料の形成のために放出されることができる炭素を含むいかなる材料も意味すると理解される。炭素源は、炭素または、一酸化炭素、アルコール、炭化水素および炭水化物を含むがこれに限定されない炭素含有化合物であることができる。より詳しくは、炭素源は、メタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレンのようなガス状の炭素化合物、ならびに、ベンゼン、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、メタノール、エタノール、オクタノール、糖（蔗糖）、ａｃｉｔａｔｅｓ、イソプロピルアルコール、シクロヘキサン、テレビン油、ニーム油、やし油またはアセトニトリル、飽和炭化水素（例えばＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８）のような揮発性液体の炭素源、を含むが、これに限定されない。そして、Ｃ２Ｈ４を介してＣ２Ｈ２からＣ２Ｈ６までの飽和炭素結合を備える系、芳香族化合物（ｏ−キシレンＣ６Ｈ４−（ＣＨ３）２、１，２，４−トリメチルベンゼンＣ６Ｈ３−（ＣＨ３）３）、フラーレン分子は、炭素源として用いられることもできる。にもかかわらず、示された化合物および多くの他の炭素含有分子の全てが、本発明の炭素源として用いられることができる。他の炭素源は可能である。そして、これらの例は、いかなる形であれ本発明の範囲を制限することを意図しない。
【００１１】
組合せで使用する２以上の炭素源は、単一の炭素源と比較して、より高い収率（歩留まり）、改良されたプロセス堅牢性、および結果として生じるカーボンナノ材料の増加した品質の利点を提供する。２以上のソースの組合せも、合成のパラメータおよび条件の選択におけるより多くの柔軟性を可能にする。
【００１２】
実施形態によれば、２以上の炭素源から炭素を放出するために合成反応器において２以上の炭素源を少なくとも部分的に分解するステップは、合成反応器にエネルギーを供給することによっておよび／または分解試薬を導入することによってなされる。
【００１３】
炭素源にエネルギーを伝達するために、またはさもなければ炭素を放出するために、エネルギーは、適切ないかなる形の合成反応器にも供給されることができる。このエネルギー源は、例えば、電気的、導電性の、誘導性の、抵抗性の、高周波、マイクロ波、振動性の、機械的、または音響ソース、レーザー誘導、対流または放射性加熱、燃焼または化学反応、核分裂または融合でありえる。化学反応は、炭素源から炭素を放出するために用いることもできる。
【００１４】
分解試薬は、ここでは、炭素を放出するために２以上の炭素源の１以上の分解を誘発するいかなる化学物質も意味すると理解される。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、方法は、１以上のプロモータを反応器に導入するステップをさらに含む。
【００１６】
プロモータは、ここでは、炭素を含む合成されたナノ材料の１つ以上の特性を制御する際のナノ材料のおよび／または援助の成長速度を改善する、ガス状の、液体の、固体のまたはエアゾールの形のすべての材料をカバーすると理解される。プロモータは、本明細書において、プロモータ材料を合成反応器に提供するプロモータ材料またはプロモータ前駆体に関連してよい。プロモータは、例えば、硫黄、リンまたは窒素元素またはそれらの化合物を含んでよい。プロモータの例は、チオフェン、ジメチル硫化物、水、硫黄、セレニウム、テルル、ガリウム、ゲルマニウム、亜リン酸、鉛、ビスマス、酸素、水素、アンモニア、アルコール、チオール、エーテル、チオエーテル、エステル、チオエステル、アミン、ケトン、チオケトン、アルデヒド、チオアルデヒド、および二酸化炭素を含むが、これに限定されない。他のプロモータは、本発明によって可能である。
【００１７】
プロモータを使用することは、改良された成長速度、化学的性質の変更態様、ナノ材料の形態または構造の変更態様、および／または結果として生じるナノ材料の特性（例えばキラル角度または直径）上の改良されたコントロールを提供することができる。
【００１８】
実施形態によれば、方法は、１つ以上の触媒を反応器に導入するステップをさらに含み、炭素を含むナノ材料は、放出された炭素および１つ以上の触媒から合成される。例えば、触媒性能を高めるために、触媒を活性化するために、触媒を復活させるために、触媒形態をコントロールするために、または触媒材料における炭素の可溶性をコントロールするために、プロモータは作用することができる。
【００１９】
触媒は、ここでは、炭素を含むナノ材料の成長を促進するために用いることができるガス、液体、固体、アクアゾル（ａｑｕａｓｏｌ）またはエアゾールの形のすべての材料をカバーすると理解される。触媒は、合成の前またはその間に触媒材料を生産するために処理されることができる触媒前駆体に関連してもよい。
【００２０】
２つ以上のソースからの炭素の放出が本発明による触媒粒子の存在なしで発生することがありうる点に留意する必要がある。しかしながら、放出された炭素に結果としてなる炭素源の分解が概して動力学的に限られたプロセスであるので、触媒粒子は、特に中程度の温度、低いかまたは中程度の圧力および比較的低い滞留時間で、改良された分解速度を提供してよい。用いられる場合、触媒粒子は、プロセスの一部として生じてよく、または既存のソースから到来することができる。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、方法は、精製試薬を導入することによって炭素を含む合成されたナノ材料を精製するステップをさらに含む。
【００２２】
例えば、望ましくないアモルファスカーボンコーティングおよび／またはカーボンナノ材料にカプセル化される触媒粒子を除去するために、精製は、なされることができる。精製試薬の例は、アルコール、ケトン、有機酸および無機酸を含む。精製性エージェントは、超音波処理または分離などのプロセスを含むこともできる。他の試薬は、本発明によって可能である。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、方法は、機能性試薬を導入することによって炭素を含む合成されたナノ材料を機能化するステップをさらに含む。
【００２４】
炭素を含むナノ材料にその特性を変えるために１つ以上の化学基を結合するために、機能性試薬は、用いることができる。本発明によれば、機能性試薬は、ナノ材料の合成の前、中または後に導入されることができる。
【００２５】
一実施形態によれば、炭素源のうちの少なくとも１つは、液体、エアゾールまたはガスとして合成反応器に導入される。
【００２６】
一実施形態によれば、炭素源のうちの少なくとも１つは、炭素元素、互いにおよび／または酸素に付着した１以上の炭素原子ＳＰ、ＳＰ２またはＳＰ３を含む分子またはポリマー、１以上のヒドロキシル基、窒素、１以上のニトロソ基、１以上のアミン基および／または１以上のスルホン酸基、有機化合物、炭素酸化物、カーバイド、炭酸塩およびシアン化物、の群から選択される。
【００２７】
一実施形態によれば、上記の有機化合物の１つ以上は、炭化水素または炭水化物である。
【００２８】
一実施形態によれば、触媒は、バルク金属または合金、あるいは金属または合金を含む材料である。
【００２９】
炭素源の分解または不均化のプロセスに触媒作用を及ぼすさまざまな金属（例えば遷移金属）が、触媒として用いられることができる。この実施形態による触媒の例は、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、プラチナ、パラジウム、クロミウム、銅、モリブデン、銀または金などの金属およびそれらを含む混合物または化合物（例えば、有機金属または有機金属の化合物、メタロセン化合物、金属含有タンパク質、カルボニル化合物キレート化合物、および金属塩、ｃｙｏｎｉｄｅｓ、ａｃｉｔａｔｅｓ、カーバイド、ニトリド、塩化物、臭化物、硫酸塩、カルボニルおよび酸化物）を含むが、これに限定されない。例は、フェロセン、五カルボニル鉄、ｎｉｃｋｅｌｅｃｅｎｅ、コバルトセン、テトラカルボニル・ニッケル、有機マグネシウム化合物（例えばヨウ化（メチル）マグネシウムＭｅＭｇＩ）、ジエチルマグネシウム（Ｅｔ２Ｍｇ）、グリニャール試薬、メチルコバラミン・ヘモグロビン、ミオグロビン、シトクロム、有機リチウム化合物（例えばｎ−ブチルリチウム（ｎ−ＢｕＬｉ））、有機亜鉛化合物（例えばジエチル亜鉛（Ｅｔ２Ｚｎ））およびクロル（エトキシカルボニルメチル）亜鉛（ＣｌＺｎＣＨ２Ｃ（＝Ｏ）ＯＥｔ）、および有機銅化合物（例えばリチウムジメチルクプラート（Ｌｉ＋［ＣｕＭｅ２］−））、金属β−ジケトン酸塩、アルコキシド、およびジアルキルアミド、アセチルアセトネート、金属アルコキシド、ランタニド、アクチニド、および半金属、トリエチルボラン（Ｅｔ３Ｂ）、を含むが、これに限定されない。それが熟練した人に明らかであるように、その他の材料が本発明による触媒として用いられることができる。そして、前の例は、いかなる形であれ本発明の範囲を制限することを意図しない。
【００３０】
一実施形態によれば、エネルギーは、加熱によって合成反応器に供給される。
【００３１】
一実施形態によれば、第１の炭素源および第２の炭素源を含む２つの炭素源の組合せが合成反応器に導入される。
【００３２】
一実施形態によれば、合成反応器における第２の炭素源に対する第１の炭素源のモル比は、１：１００００００と１００００００：１との間にある。
【００３３】
一実施形態によれば、３つの炭素源の組合せが合成反応器に導入される。
【００３４】
３つ以上の炭素源の使用は、特定の状況、特に、合成プロセスの歩留まり、生産速度または堅牢性を増加させるように合成反応器の受け入れ可能な作動範囲まで広げるために、有利である。
【００３５】
一実施形態によれば、炭素源のうちの少なくとも１つは、一酸化炭素（ＣＯ）である。理論に束縛されないために、例えば、触媒表面だけで分解して、したがって望ましくない副産物（例えばアモルファスカーボン）の生産を最小化するその傾向に起因して、一酸化炭素は、有利である。
【００３６】
一実施形態によれば、炭素源のうちの少なくとも１つは、エチレン、スチレンまたはトルエンである。理論に束縛されないために、例えば、合成プロセスの温度を操作するウインドウを広げるためにそれらの異なる（通常はより高い）分解温度およびしたがってそれらの能力に起因して、これらの化合物は、ＣＯと結合して有利である。
【００３７】
一実施形態によれば、炭素を含むナノ材料は、炭素、グラフェンまたはフラーレンを含む高アスペクト比分子（ＨＡＲＭ）材料、あるいは炭素を含むナノ材料の組合せまたは混成物である。
【００３８】
一実施形態によれば、上記のＨＡＲＭ材料は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノバッド（ＣＮＢ）、カーボンナノワイヤ、カーボンナノリボン、グラフィネートされた（ｇｒａｐｈｉｎａｔｅｄ）カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバ、カーボンピーポッド、カーボン窒素ナノチューブまたはカーボンホウ素ナノチューブ、またはそれらの組合せまたは混成物である。
【００３９】
本発明による方法によって合成される炭素を含むナノ材料は、例えば、透明な伝導、トランジスタ、ディスプレイ、太陽電池、スピーカ、バッテリ、スーパーキャパシタ、電磁シールド、静電的消散、例えば温度または化学化合物のセンサ、ヒートパイプまたはヒートシンク、ガスまたは粒子フィルタ、およびマイクロ流体デバイスにおいて、効率的に使われることができる。
【００４０】
炭素を含むナノ材料は、０．１〜１００ナノメートルの最小限の特徴的長さを有することができる。例えば、ナノチューブ、ナノバッドまたはナノロッドの場合、特徴的長さは、直径である。
【００４１】
本発明の第２の態様によれば、装置が開示される。装置は、上記の実施形態のいずれかによる方法の実施のための手段を備える。
【００４２】
本発明についての例示の実施形態のより完全な理解のために、参照はここで、添付図面に関連してとられる以下の説明になされる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による方法を示す。
【図２】図２は、本発明による複数の炭素源を用いることによりＣＮＴ材料の改良されたパフォーマンスを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明の主要な原理の説明は、後述する実施例に基づいてなされる。これらの実施例は、例示目的だけのためにあり、いかなる形であれ本発明の範囲を制限することを意図しない。
【００４５】
本発明の例示的実施形態による方法は、図１に示される。方法は、合成反応器１０１において実施される。２以上の炭素源は、合成反応器に最初に導入される。図１には、２つの炭素源（すなわち、炭素源１および炭素源２）がある。しかしながら、本発明は、２つの炭素源に限られていなくて、３つ、４つ、５つ以上含んでよい。炭素源が合成反応器において類似のまたは異なる挙動を有してよいことは、好ましくてもよい。たとえ反応器条件が時間でまたは空間で変化する場合であっても、ナノ材料の合成が中断せずに、あるいは最適または最適に近い状態で進行することができるように、したがって生産プロセスの堅牢さを改良するように、例えば、２以上の炭素源が異なる分解温度または化学分解力を有することは、好ましくてもよい。炭素源は、炭素を含むナノ材料の形成のために放出されることができる炭素を含む材料である。例えば、炭素源は、炭素または、一酸化炭素、アルコール、炭化水素および炭水化物を含むがこれに限定されない炭素含有化合物でありえる。炭素源の実施例は、エチレン、スチレン、トルエン、および一酸化炭素である。２つの炭素源の場合には、第２の炭素源に対する第１の炭素源のモル比は、１：１００００００と１００００００：１との間を変化してよい。
【００４６】
炭素源１および２のうちの少なくとも１つは、入口１０２を介して合成反応器１０１に導入されてよい。入口１０２は、パイプ、ノズルまたは他のいかなる適切な構造でもよい。炭素源は、炭素または、一酸化炭素、アルコール、炭化水素および炭水化物を含むがこれに限定されない炭素含有化合物でありえる。炭素源は、液体、エアゾール、ガス、アクアゾル（ａｑｕａｓｏｌ）または固体物質として導入されうる。
【００４７】
この方法によれば、炭素源分解によって炭素源から炭素を放出する手段が設けられる。図１に示す実施形態によれば、合成反応器１０１は、エネルギー源１０３（例えばヒーター）を含んでもよい。本発明によれば、他のエネルギー源が利用できる。例えば（しかし限定されない）、電気的、導電性の、誘導性の、抵抗性の、高周波、電磁放射、レーザー、マイクロ波、振動性の、機械的、または音響源。図に示すように、エネルギー源１０３は、合成反応器１０１の内側に位置することができる。あるいは、それは、合成反応器１０１の一部でもよく、またはその外側に位置してもよい。炭素源と反応して炭素を放出するために、あるいは、炭素がより容易にまたはより制御可能に放出されることができる形に炭素源を変換するために、反応物質が反応器に導入されることもできる。
【００４８】
次に、エネルギーは、反応器１０１に供給されてよい。エネルギーは、上記のリストされたソースのいずれかから、またはエネルギー源１０３からの他の手段によって供給されることができる。エネルギーが供給されて、炭素源に伝達されるときに、ステップ１０４によって示されるように、炭素は炭素源から放出される。ステップ１０４において炭素は、両方のソースから同時に、または一度に１つから（すなわち順番に）放出されてよい。２つ以上のソースの組合せは、炭素が合成反応器１０１へと放出されることができる条件の範囲を増加させる。
【００４９】
炭素源の分解１０４に炭素を放出させる化学試薬は、エネルギー源１０３によって作成されるエネルギーに加えてまたはその代わりに、反応器１０１内に提供されることができる。
【００５０】
（破線の矢印で示すように）任意のステップ１０５において、プロモータおよび／または触媒が合成反応器１０１に導入されてよい。プロモータおよび／または触媒は、このステップ中またはこのステップ後に、反応器１０１にエネルギーを供給する前に導入されてよい。プロモータおよび／または触媒は、予め作られたプロモータおよび／または触媒粒子として、または、合成反応器１０１においてプロモータおよび／または触媒粒子に変換されることができるプロモータおよび／または触媒前駆体粒子として、導入されてよい。
【００５１】
触媒粒子を形成するために触媒材料を分解して放出するかまたは合成するために、触媒は、加熱されることができる。あるいは、触媒前駆体は、触媒材料を合成して触媒粒子を形成するために触媒前駆体と反応するように試薬と接触していることができる。触媒粒子前駆体粒子を条件づける他の手段は、本発明によって可能である。さらなる制御特性を有する炭素を含むナノ材料の生産のために、触媒粒子は、例えば、可動性またはサイズにしたがって、そして、例えば、微分型電気移動度測定装置（ＤＭＡ）または質量分析計によって、分類されることができる。分類のための他の方法および基準は、本発明によって可能である。そして、前の例は、いかなる形であれ本発明の範囲を制限することを意図しない。
【００５２】
プロモータは、作成されるまたは作成されるべきナノ材料の１つ以上の特性を制御する際のナノ材料または援助の成長速度を進める、加速する、またはさもなければ増加するまたは改良する、ガス状の、液体の、固体のまたは他のいかなる形のすべての材料もカバーする。好ましいプロモータは、硫黄、リンまたは窒素元素またはそれらの化合物である。誤解を避けるため、ＣＯ２は、本発明によるプロモータとして作用する。そして、それは炭素を含むけれども、本発明による炭素源のように合成に寄与する炭素を放出しないので、それは炭素源ではない。プロモータは、その分解速度を変えるために炭素源との反応のための試薬として作用することができる。そして、例えば水素がこの種のプロモータとして用いられることができる。周知の他のプロモータ化合物が本発明によって用いられることができる。そして、これらの例は、いかなる形であれ本発明の範囲を制限することを意図しない。
【００５３】
図１に示される次のステップとして、炭素を含むナノ材料は、放出された炭素から合成される。合成は、例えば基体上に、気相、液相または固相において起こってよい。触媒および／またはプロモータが導入される場合、炭素を含むナノ材料は、放出された炭素ならびに触媒および／またはプロモータとの相互作用から合成されることができる。
【００５４】
本発明による方法によって合成される炭素を含むナノ材料は、高アスペクト比分子構造（ＨＡＲＭｓ）、グラフェンまたはフラーレンでもよい。ＨＡＲＭｓの場合には、ナノ材料は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノバッド（ＣＮＢ）、カーボンナノワイヤ、カーボンナノリボン、グラフィネートされた（ｇｒａｐｈｉｎａｔｅｄ）カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバ、カーボンピーポッド、カーボン窒素ナノチューブまたはカーボンホウ素ナノチューブでもよい。
【００５５】
任意のステップ１０６において、合成されたナノ材料は、精製性および／または機能性試薬を導入することによって、精製されてよくおよび／または機能化されてよい。例えば、望ましくないアモルファスカーボンまたは、カーボンナノ材料にカプセル化される他の反応副産物、コーティングおよび／または触媒粒子を除去するために、精製（ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、なされることができる。精製試薬として、反応器において元の位置で形成されるいかなる化合物またはそれらの誘導体または分解物（合成されたカーボンナノ材料（例えばＣＮＴｓの場合における黒鉛化カーボン）によってよりもむしろアモルファスカーボンまたは他の合成副産物によって好ましくは反応する）も、用いられることができる。この種の試薬の例は、アルコール、ケトン、有機酸および無機酸を含む。他の試薬は、本発明によって可能である。他の試薬は、本発明によって可能であり、そしてこれらの例は、いかなる形であれ本発明の範囲を制限することを意図しない。
【００５６】
炭素を含むナノ材料にその特性を変えるために１つ以上の化学基を結合するために、機能性試薬は、用いることができる。ナノ材料の機能付与は、可溶性および電子構造（例えば、ゼロギャップ半導体を介して広いバンドギャップから金属的特性を有するＣＮＴｓまで変化する）などのこの種の特性を変化させてよい。例えば、リチウム、ナトリウムまたはカリウム元素によるＣＮＴｓのドーピングなどの機能付与は、ＣＮＴｓの導電率の変化、すなわち、超電導特性を有するＣＮＴｓを得ることにつながる。本発明によれば、機能性試薬は、ナノ材料の合成の前、中または後に導入されることができる。
【００５７】
望ましくない副産物、前駆体または触媒（例えば、カーボンナノ材料内にカプセル化されるかまたはその周辺に分散するアモルファスカーボンコーティング、中間反応生成物および／または触媒粒子）を除去するために、精製プロセスは、通常用いられる。この手順は、ナノ材料生産自体のために必要であるよりもしばしば、重要な時間およびエネルギーをとる場合がある。本発明では、１つ以上の分離された被加熱ナノ材料反応器／反応器部を有することができる。ここで、１つの反応器または反応器部は、カーボンナノ材料を生産するために用いられ、そしてその他は、例えば、精製または機能付与（例えばドーピング）のために用いられる。成長および機能付与ステップを結合することもできる。カーボンナノ材料の表面上に堆積されるアモルファスカーボンは、例えば、熱処理および／または例えば反応性ラジカル（例えばＯＨ）を形成する特別な化合物の添加によって、１つ以上の次の反応器／反応器部において取り除かれることができる。そしてその特別な化合物は、カーボンナノ材料によってよりもむしろ望ましくない産物によって反応する。触媒粒子が蒸発するかまたは反応する条件を作り出すことによって、１つ以上の次の反応器／反応器部は、カーボンナノ材料から例えば触媒粒子の除去のために使われることができる。他の処理ステップは、本発明によって可能である。
【００５８】
合成が例えばエアゾール・プロセスとして行われる場合、結果として生じる未精製ナノ材料製品の全てまたはサンプルをとられた部分は、公知技術の手段によって気相から直接集められることができて、および／または装置にさらに取り入れられることができる機能的な製品材料に組み込まれることができる。
【実施例】
【００５９】
特に明記しない限り、以下の実施例では、抵抗加熱される管状炉がカーボンナノ材料合成のために使われた。フェロセンが鉄触媒粒子のための前駆体物質として使われた。一酸化炭素が炭素源１として用いられた。そして、結果として生じるエアゾール製品は、ニトロセルロースフィルタ上に集められて、伝送および導電率試験のための透明なポリマー（ＰＥＴ）基体に転送された。炭素を含む合成されたナノ材料は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）である。下記の実施例は、図２にまとめられる。
【００６０】
実施例０：
単一の炭素源ベースの場合。この実施例は、比較目的だけのために提供される。
単一の炭素源（モル分率）：ＣＯ（０．９７８）
触媒前駆体（モル分率）：フェロセン（９．６５ｅ−６）
プロモータ（モル分率）：ＣＯ２（０．０２２１４）
反応器ピーク設定温度：８４０℃
９０％伝送でのシート抵抗：１５５オーム／平方
【００６１】
実施例１：
炭素源１（モル分率）：ＣＯ（０．９８６）
炭素源２（モル分率）：トルエン（１．０３ｅ−６）
追加キャリア（モル分率）：Ｎ２（２．７６ｅ−５）
触媒前駆体（モル分率）：フェロセン（３．５ｅ−６）
プロモータ（モル分率）：ＣＯ２（０．０１３８１）
反応器ピーク設定温度：８４０℃
９０％伝送でのシート抵抗：１３２オーム／平方
【００６２】
実施例２：
炭素源１（モル分率）：ＣＯ（０．９８４）
炭素源２（モル分率）：トルエン（５．８５ｅ−６）
追加キャリア（モル分率）：Ｎ２（１．５８ｅ−４）
触媒前駆体（モル分率）：フェロセン（３．５ｅ−６）
プロモータ（モル分率）：ＣＯ２（０．０１３８１）
反応器ピーク設定温度：８４０℃
９０％伝送でのシート抵抗：１４８オーム／平方
【００６３】
実施例３：
炭素源１（モル分率）：ＣＯ（０．９８０）
炭素源２（モル分率）：スチレン（０．０００５０３）
追加キャリア（モル分率）：Ｎ２（０．０００５１）
触媒前駆体（モル分率）：フェロセン（４．６ｅ−６）
プロモータ（モル分率）：ＣＯ２（０．０１８８２）
反応器ピーク設定温度：８４０℃
９０％伝送でのシート抵抗：１２１オーム／平方
【００６４】
実施例４：
炭素源１（モル分率）：ＣＯ（０．９８３）
炭素源２（モル分率）：エチレン（０．０００１５７）
追加キャリア（モル分率）：なし
触媒前駆体（モル分率）：フェロセン（３．５ｅ−６）
プロモータ（モル分率）：ＣＯ２（０．０１６５２）
反応器ピーク設定温度：８４０℃
９０％伝送でのシート抵抗：１１４オーム／平方
【００６５】
実施例５：
炭素源１（モル分率）：ＣＯ（０．６６２）
炭素源２（モル分率）：エチレン（０．０００２０８）
追加キャリア（モル分率）：Ｎ２（０．０００５１）
触媒前駆体（モル分率）：フェロセン（８．２ｅ−７）
プロモータ１（モル分率）：ＣＯ２（０．００６２１）
プロモータ２（モル分率）：Ｈ２（０．３３１１５）
プロモータ３（モル分率）：チオフェン（６．７ｅ−７）
反応器ピーク設定温度：８６０℃
９０％伝送でのシート抵抗：８３オーム／平方
【００６６】
実施例６：
炭素源１（モル分率）：ＣＯ（０．６６２）
炭素源２（モル分率）：エチレン（０．０００１６７）
追加キャリア（モル分率）：Ｎ２（０．０００５１）
触媒前駆体（モル分率）：フェロセン（８．２ｅ−７）
プロモータ１（モル分率）：ＣＯ２（０．００６２１）
プロモータ２（モル分率）：Ｈ２（０．３３１１５）
プロモータ３（モル分率）：チオフェン（６．７ｅ−７）
反応器ピーク設定温度：８６０℃
９０％伝送でのシート抵抗：９７オーム／平方
【００６７】
実施例７：
炭素源１（モル分率）：ＣＯ（０．６６２）
炭素源２（モル分率）：エチレン（０．０００１２５）
追加キャリア（モル分率）：Ｎ２（０．０００５１）
触媒前駆体（モル分率）：フェロセン（８．２ｅ−７）
プロモータ１（モル分率）：ＣＯ２（０．００６２１）
プロモータ２（モル分率）：Ｈ２（０．３３１１５）
プロモータ３（モル分率）：チオフェン（６．７ｅ−７）
反応器ピーク設定温度：８６０℃
９０％伝送でのシート抵抗：１３１オーム／平方
【００６８】
図２に見ることができるように、複数の炭素源は、所与の透明度でシート抵抗を減少させる（すなわち導電率を上昇させる）ことがわかる。上記の実施例において、５５０ナノメートル波長の光の９０％伝送は、所与の透明度であった。このように、導電性薄膜の品質は、改善される。電気的レートは、所与の時間を通じてできるまたは所与の材料入力によってできる導電率として定義される。増加した導電率はまた、電気的レートを上昇させることによって、導電性薄膜の収率および品質を増加させる。
【００６９】
上記の実施例において使用するピーク温度（すなわち８６０℃）は、方法のための制限となるまたは好適な温度範囲として理解されるべきでない。例えば、使用する炭素源の分解温度に応じて、８６０℃よりも高い温度または７００〜１３００℃間の他の温度は、合成速度、収率および／または材料品質をさらに改善することができる。
【００７０】
同様に、炭素源、試薬、触媒およびプロモータ・モル分率のより広い範囲が使用されうる。上記の実施例は、方法のための制限となるまたは好適なモル分率範囲として解釈されるべきでない。条件のより広い範囲（例えば１：１と１００００００：１との間の炭素源のモル分率）は、例えば、合成速度、収率および／または材料品質をさらに改善することができる。
【００７１】
それが熟練した人に明らかであるように、本発明は、上記の実施例に制限されない。しかし、実施形態は、請求項の範囲内で自由に変化することができる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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