(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の製造方法において、
金属板からなる陽極、および比表面積が５００〜３０００ｍ2／ｇであり、細孔容積が０．１〜２．０ｃｃ／ｇであり、直径が１０〜５００ｎｍである多孔性炭素ナノファイバーが電導性支持体に固定されてなる陰極にて構成され、
電解めっき槽内に装着した前記陽極と陰極間に０．０１〜５．０Ａ／ｍ2の電流密度で１５〜３００秒間電流を印加すること、
前記金属は、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）および亜鉛（Ｚｎ）の中から選択される１種の単一金属または２種以上の複合金属であること
を特徴とする水素貯蔵用金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の製造方法。
【請求項２】
前記金属は金属が担持された多孔性炭素ナノファイバーの全体質量に対し、０．０１〜３０質量％の範囲で電気めっきすることを特徴とする、請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記金属は粒子サイズが１．５〜２０ｎｍの範囲であることを特徴とする、請求項１記載の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項記載の方法にて得られた水素貯蔵用金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体であって、
水素貯蔵能力が０．０１〜３質量％の範囲であり、金属の分散率が担持体の外部比表面積に対し、０．０１〜５０面積％であることを特徴とする水素貯蔵用金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体。
【請求項５】
請求項４記載の水素貯蔵用金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体を含むことを特徴とする電気化学素子の電極材料用活物質。
【請求項６】
前記電気化学素子は燃料電池、二次電池およびスーパーキャパシティの中から選択されることを特徴とする、請求項５記載の電気化学素子の電極材料用活物質。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は特定の比表面積、気孔体積および直径を有する多孔性炭素ナノファイバーに粒子直径と表面分散率が制御された遷移金属を電気めっきすることで、水素貯蔵含量が増加した水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業が高度化されるに従い、石油、石炭、天然ガスなどのような化石燃料は、使用後再生が不可能であるため、現在の趨勢で消耗される場合、５０〜１００年以内に埋蔵量が枯渇すると考えられる。それだけではなく、化石燃料の燃焼時、発生する各種公害物質は地球温暖化、オゾン層の破壊、酸性雨などのような深刻な環境汚染の問題を引き起こし、人類の生存の脅威となっている。従って、枯渇せず、きれいであり、安全な代替エネルギーの開発が行われなければならず、究極的には石油のような化石エネルギーの依存から離れ、新しいエネルギーシステムを開発する必要がある。
【０００３】
このような観点から理想的な代替エネルギーとして最も注目を浴びているのが太陽熱、地熱、風力、海洋エネルギーなどの自然エネルギーと水を原料とする水素エネルギーである。水素を利用した燃料電池システムの場合、水から無限の水素が生産可能であり、自然枯渇の恐れがなく、使用時、二酸化炭素（ＣＯ2）のような環境汚染物質を全く排出しない。しかしながら、このような燃料電池システムは水素を利用するために、水素貯蔵媒体を必要とし、このような水素貯蔵媒体として炭素材料を利用するための研究が進められている。
【０００４】
炭素材料は単一元素で構成されているにも関わらず、結合の形態が多様であり、化学的安定性、電気および熱伝導性、強度、弾性率、生体親和性などが優れた材料である。更に、既存の水素貯蔵方法に利用する高圧水素貯蔵筒、液化水素、シリカ、金属有機複合体（ＭＯＦ）および金属ハイブリッドのような材料に比べ、安全であり軽いだけでなく、貯蔵費用が低いという長所があり、安定性が高く再活用が可能であるため、環境親和的であるという大きな長所を有している。合せて、炭素材料を一連の活性化過程を経る場合、他材料と比較することができない高い比表面積を有する超多孔性材料に変態が可能である。このように形成された多孔性構造は、水素のような気体の吸着に従来から使用されており、このような気孔構造の制御と炭素表面の特性制御によって高機能性水素貯蔵体への変態が可能である。
【０００５】
現在までカーボンナノチューブの水素貯蔵メカニズムは明確に究明されていない状態であり、室温では水素貯蔵容量が非常に小さいという短所を有している。非特許文献１は、カーボンナノチューブのうち単一壁カーボンナノチューブに対して８質量％の水素が貯蔵されていると発表したが、これは８０Ｋ、４０ｂａｒの極低温および高圧で行われた結果であり、未だに室温、常温では１質量％以上の水素貯蔵容量を報告している研究結果はないのが実情である。
【０００６】
更に、炭素を利用した水素貯蔵は高圧水素および液化水素貯蔵に比べ、安全であるだけでなく、価格的にも安く、何よりも反応が可逆的であるため、半永久的に使用することができる。しかし、多孔性炭素自体では、水素分子との親和力が不足しているだけでなく、多孔性炭素材料の低い吸着エネルギーでは室温で水素貯蔵は期待に大きく及ばない実情である。従って、既存の炭素材料を改質し、水素貯蔵量を大きく増量しようとする研究が図られている。しかし、従来の方法は単純に多様な炭素材料に金属塩の有無による水素貯蔵の結果のみを評価してきたということに限界がある。
【０００７】
また電解めっき法を利用して遷移金属の一種であるニッケル（Ｎｉ）をめっきした炭素ファイバーを製造する方法は、特許文献１に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】大韓民国特許第１０−０５７２９９５号
【非特許文献１】Appl．Phys．Lett．74（1999）2307
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は大きい比表面積を有する炭素ナノファイバーを利用して高容量の水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の製造方法を提供する。更に、最適の含量、分散率および比表面積を有する高容量の水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の製造方法を提供する。また、本発明は前記製造方法で製造された水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体を含む電気化学素子の電極材料用活物質を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は遷移金属を電気めっきした多孔性ナノファイバー複合体の製造方法において、電解めっき槽内に、１）遷移金属板からなる陽極と、２）比表面積が５００〜３０００ｍ2／ｇであり、気孔体積が０．１〜２．０ｃｃ／ｇであり、直径が１０〜５００ｎｍである多孔性炭素ナノファイバーが電導性支持体に固定されてなる陰極を置き、前記陽極と陰極間に０．０１〜５．０Ａ／ｍ2の電流密度で１５〜３００秒間電流を印加することを含む水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の製造方法は、電解めっきの条件を制御することで、遷移金属の含量と分散率を精密に制御することができる。従って、最適の含量、分散率および比表面積を有する高容量の水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体を製造することができる。更に、前記製造方法にて製造された水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体は電気化学素子の電極材料用活物質として有用に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明では水素貯蔵材料として高比表面積を有する多孔性炭素ナノファイバーを使用し、表面に遷移金属を電気めっきし、めっきの方法としては電解めっき法を利用した。
【００１３】
このような電解めっき法を利用して遷移金属の一種であるニッケル（Ｎｉ）をめっきした炭素ファイバーを製造する方法は前述のとおり特許文献１に記載されている。しかし、前記発明と本願発明は発明の目的、構成、効果および用途において、完全に異なる発明である。
【００１４】
まず、特許文献１によるニッケルが電気めっきされた炭素ファイバーは、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ4）、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ2）およびホウ酸（Ｈ3ＢＯ3）を主成分として含む電解質溶液を使用してニッケルを通常の炭素ファイバーに電気めっきしたものであり、前記ニッケルを電気めっきした炭素ファイバーは炭素ファイバー自体の表面の損傷を防止し、酸素官能基を炭素ファイバー表面に導入し、マトリクス樹脂との界面結合力を向上させることで、超軽量先端素材として利用を試みたものである。
【００１５】
しかし、本願発明による遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体は特に、比表面積が５００〜３０００ｍ2／ｇであり、気孔体積が０．１〜２．０ｃｃ／ｇであり、直径が１０〜５００ｎｍであるものを使用することで、前記特許文献１とは根本的な差が生じる。前記特許文献１は複合材料用補強材の機能向上のためのものであり、炭素ファイバー表面全体に均等にニッケルのみを向上させるのにその目的があり、金属粒子、および分散率などに対する考慮が全く必要なかった。しかしながら、本発明は特定の比表面積、気孔体積および直径を有する多孔性炭素ナノファイバーを担持体とする一種の触媒物質であるため、金属を最大限単分散させなければならず、担持体全体に高い分散率で分散しなければならず、最大限の活性表面積を増大させなければならないことにその目的がある。また、前記特許文献１のような方法でニッケルのみを形成する場合は、水素との反応面積が非常に小さくなり、最終的に高い水素貯蔵値を得ることができないという効果上の差もまた明確である。
【００１６】
更に、本発明は均等に高い比表面積を有する多孔性炭素物質に金属を導入することが可能であり、二次電池、燃料電池、スーパーキャパシティなどの電気化学素子の電極に適用する場合、金属をどれだけ均等に分散させ、単分散に近い分散を行うかが高級電極材料の必須事項であるため、本発明によるナノ分散された多孔性炭素ナノファイバーの応用が非常に広範囲となることが期待される。しかし、本発明を通して製造される金属／多孔性ナノファイバーの根本的適用用途は水素貯蔵用複合体である。
【００１７】
前記二つの発明は発明の目的、構成、効果および用途が全て相異し、通常の当業者が判断した時、完全に異なる発明であることが明らかである。
【００１８】
以下、本発明を更に詳しく説明する。
【００１９】
本発明では前記の多孔性炭素ナノファイバーに遷移金属を電解めっきすることで、高水素貯蔵能力を有する遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体を製造することにその特徴がある。このような電解めっきは電解めっき槽内に電解液、陽極および陰極を置き、電流を印加して行う。前記電解液は当分野で一般的に使用されるものが使用でき、特別に限定されないが、例えば水溶液中でイオン化が容易な硫化物系、塩化物系および窒化物系金属塩などを使用することができる。
【００２０】
また、電解めっきのための陽極として、遷移金属を含む金属板を導入した。前記遷移金属は遷移金属自体の高い電子受容体の特性を利用し、多孔性炭素ファイバーの表面に水素の部分分極を誘導する水素親和点を付与するために導入したものであり、低い電流密度でナノサイズの遷移金属の電気めっきを通して金属活性表面積を極大化する効果およびこれを通して水素貯蔵値を増大させる効果を得ることができることが期待される。従って、前記遷移金属は白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）および亜鉛（Ｚｎ）の中から選択される１種の単一金属または２種以上の複合金属を使用することができる。
【００２１】
更に、電解めっきのための陰極として、多孔性炭素ナノファイバーを電導性支持体に固定して導入した。本発明で使用した多孔性炭素ナノファイバーは、比表面積が５００〜３０００ｍ2／ｇであり、気孔体積が０．１〜２．０ｃｃ／ｇであり、直径が１０〜５００ｎｍであることを特徴とする。この時、炭素ナノファイバーの比表面積は水素貯蔵能力を向上させるのに最も大きな影響を及ぼし、比表面積が５００ｍ2／ｇ未満の場合は比表面積が非常に低いため、金属導入による比表面積の減少にて水素との接触面積の不足による低い水素貯蔵値を示すという問題が発生し得、３０００ｍ2／ｇを超過する場合は非常に複雑な気孔構造となり、水素の貯蔵／放出挙動が困難であるという問題があり得る。更に、炭素ナノファイバーの気孔体積は水素が実際的に貯蔵される空間的意味を有し、気孔体積が０．１ｃｃ／ｇ未満の場合は空間が非常に小さいため、水素貯蔵が困難であり、２．０ｃｃ／ｇを超過する場合は微細気孔の分率が非常に小さくなり、空間は広いが実際の水素貯蔵量は低くなるという問題点がある。更に、炭素ナノファイバーの直径は微細気孔の深さに影響を及ぼし、直径が１０ｎｍ未満の場合は実際的に微細気孔を付与することが難しく、直径が５００ｎｍを超過する場合は微細気孔が外部に突出されずに、内部に形成され得るため、前記範囲の多孔性炭素ナノファイバーを使用することが本発明の最も大きい技術的特長である。
【００２２】
このような多孔性炭素ナノファイバーの製造方法は当分野で一般的に使用される方法で製造し、特別に限定されないが、特に、高温気相酸化により製造された多孔性炭素ナノファイバーを使用することができる。より具体的には、前記多孔性炭素ナノファイバーは化学気相蒸着法（ＣＶＤ）または電気放射法にて製造した後、二酸化炭素および水蒸気雰囲気条件と、６００〜１５００℃の温度で約３０分以上活性化することで、より容易に得ることができる。このような多孔性炭素ナノファイバーの内部構造は板状、コップ状および魚の骨の形状の中から選択される黒鉛構造を含み、粒状、粉末状、織布および不織布の中から選択された形態で存在するものを使用することができる。
【００２３】
本発明の電解めっきは前記電解溶液内に置かれた陽極と陰極間に０．０１〜５．０Ａ／ｍ2の電流密度で１５〜３００秒間電流を印加することで行われる。電流密度が０．０１Ａ／ｍ2未満では、陰極から放出される電子、および陽極で酸化されて生じる遷移金属イオンの濃度が低い関係により、炭素ナノファイバーの表面に生成される遷移金属の量が少ないため好ましくない。一方、５．０Ａ／ｍ2を超過すると、多量に超過して生じた遷移金属イオンが炭素ナノファイバー表面にピットを発生させ、界面活性が落ちるため、前記条件で行うことが好ましい。更に、電流印加時間が１５秒未満では、陰極から放出される電子および陽極で酸化されて生じる遷移金属イオンの濃度が低い関係により、炭素ナノファイバーの表面に生成される遷移金属の量が少ないため好ましくない。一方、３００秒を超過すると、超過して多量に生じた遷移金属イオンが炭素ナノファイバー表面にピットを発生させ、界面活性が落ちるため、前記条件で行うことが良い。
【００２４】
本発明による水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の遷移金属は、遷移金属が担持された多孔性炭素ナノファイバーの全体質量に対して、０．０１〜３０質量％のめっき量を有することが良い。より好ましくは、０．１〜１０質量％のめっき量を有することができる。この時、めっき量が非常に多い場合、金属粒子間に凝集現象が発生し、これにより気孔構造のブロック現象および比表面積の減少などを引き起こすためである。また、前記多孔性炭素ナノファイバー複合体に電気めっきされた遷移金属は、１．５〜２０ｎｍの直径を有することを特徴とし、０．０１〜５０面積％の金属分散率を有することを特徴とする。
【００２５】
前記のように製造された水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体は、０．０１〜３質量％の水素を含むことができることを特徴とする。１質量％以上の水素貯蔵容量を報告する研究結果がない実情で、本発明による水素貯蔵用遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体は水素貯蔵媒体だけでなく、燃料電池、二次電池およびスーパーキャパシティのような電気化学素子の電極材料用活物質として有用に使用される効果がある。
【００２６】
以下、本発明は下記の実施例に依拠して更に詳しく説明するが、本発明が下記実施例に限定されるわけではない。
【００２７】
製造例：多孔性炭素ナノファイバーの製造
本発明に使用した多孔性炭素ナノファイバーは化学気相蒸着法（ＣＶＤ）にて製造した商業化された炭素ナノファイバーを気相酸化法を通して製造した。１，０００℃以上の高温で気相酸化して製作し、長さは約１００μｍであるものを使用し、直径、気孔体積および比表面積は下記表１に示したものを使用した。
【００２８】
実施例１〜１６および比較例１〜６
本発明では多孔性炭素ナノファイバーに遷移金属を導入するために電解めっき方法を使用し、電解質溶液として、硫化物系および塩化物系金属塩を混合して使用した。陽極と陰極として、各々電気めっきしようとする遷移金属の金属板と、伝導性物質としてセッティングされた多孔性炭素ナノファイバーを使用し、前記遷移金属の種類は下記表１に示したように準備したものを使用した。
【００２９】
また、本発明では電解めっきの電流密度およびめっき時間は下記表１に示した条件で実施した。
【００３０】
上記のように製造された各々の遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体は、２次蒸留水で十分に洗浄した後、１２０℃に設定された乾燥機で２４時間乾燥させた。
【表１】
0004903184.tif 000002
【００３１】
実験例１
１．透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）での観察
本発明による遷移金属の電気めっき前後の多孔性炭素ナノファイバーの形態および遷移金属の粒子直径を測定するために透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用して観察した。
【００３２】
２．ＢＥＴ比表面積の測定（ｍ2．ｇ-1）
本発明による遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体試料は、５７３Ｋの温度で試料内の残留圧力が１０-3ｔｏｒｒ以下となるまで約９〜１２時間脱気することで前処理を行った。前記のように前処理した、遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の比表面積は前記複合体試料約０．１ｇに対して、７７Ｋの温度の液体窒素雰囲気下で窒素気体を吸着質として吸着量を測定した。
【００３３】
前記のような窒素（Ｎ2）等温吸着試験後、Ｐ／Ｐ０（Ｐは部分圧力、Ｐ０は飽和蒸気圧）が約０．０５から０．３までは吸着量に対して直線の傾きを示し、これによりＢＥＴ比表面積を求めた。
【００３４】
３．導入された遷移金属の含量測定（質量％）
本発明による遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体の遷移金属の含量は原子吸光光度法（ＡＡＳ）を利用して測定した。
【００３５】
４．金属分散率の測定（面積％）
本発明による遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体に導入した遷移金属の分散率は化学的吸着法により活性領域を求め、これを多孔性炭素ナノファイバー複合体の外部表面積の値で割り、百分率で表した。
【００３６】
５．水素含有量の測定（質量％）
本発明による遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体に導入した水素含有量を測定するために、前記遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体試料０．３ｇを取った。前記試料は５７３Ｋで残留圧力を１０-3ｔｏｒｒ以下に維持した状態で６時間脱気させ、以後、ＢＥＬ−ＨＰ（ＢＥＬ Ｊａｐａｎ社、ＢＥＬ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を利用して２９８Ｋ、１００気圧の条件で水素含有量を測定した。水素含有量の測定方式はｓｔｅｐ−ｂｙ−ｓｔｅｐ方式を使用した。
【００３７】
前記のような方法で測定した結果は下記表２に示した。
【表２】
0004903184.tif 000003
【００３８】
前記表２に示したとおり、本発明による実施例１〜１６は本発明の条件を満たさない比較例１〜６と比較し、適切な比表面積の確保と共に、１〜２０ｎｍサイズの遷移金属が、分散率が１〜１０面積％に分散されていることで、水素含有量が改善されることを確認することができた。
【００３９】
実験例２
前記実施例１で製造した遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体をスーパーキャパシティ用電極活物質として使用し、単位セルを製造した。ＫＯＨ ４Ｍを電解質としてキャパシタンスを測定した結果、一般活性炭電極が約５０Ｆ／ｇであるのに対して、本発明で製造された実施例１を利用した電極の場合、８０Ｆ／ｇの高い値を示した。これにより本発明で製造された素材を通し、キャパシティ用電極材としての活用が可能であることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明で製造された電解めっき条件による、遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体のＴＥＭ写真を示したものであり、（ａ）は遷移金属めっき前の多孔性炭素ナノファイバー、（ｂ）は実施例２によって製造された遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体、および（ｃ）は実施例４によって製造された遷移金属を電気めっきした多孔性炭素ナノファイバー複合体のＴＥＭ写真を示したものである。
【図１】
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