(57)【要約】  本発明は、実質的に均一のサイズのカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）を生成するプロセスであって、６５０℃から８５０℃の間の温度にてメタンを触媒粒子に接触させるステップを備えるプロセスを提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に均一のサイズのカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）を生成するプロセスであって、
メタン、エチレン、もしくはアセチレンのグループから個別に選択されたガスまたはそれらの任意の組合せを、コバルトおよびモリブデンが付着された支持体を有する触媒粒子に接触させるステップを備え、
コバルトとモリブデンの比（Ｃｏ：Ｍｏ）は１：０から２：３（ｗ／ｗ）であり、
前記接触させるステップは６５０℃から８５０℃の間の温度にて実行される
プロセス。
【請求項２】
生成された前記ＣＮＴｓは、直径が、６ｎｍから１４ｎｍであり、好ましくは９．０±１．４ｎｍ（平均値±標準偏差）である複層ＣＮＴｓである
請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記プロセスは、リアクター内にて実行される
請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
反応時間が約３０分から約１８０分である
請求項３に記載のプロセス。
【請求項５】
前記リアクター内の圧力は、０．１気圧から３気圧であり、好ましくは１気圧である
請求項３に記載のプロセス。
【請求項６】
前記ガスはメタンである
請求項３に記載のプロセス。
【請求項７】
窒素、アルゴン、もしくはヘリウムから成るグループから個別に選択された希釈ガスまたはそれらの組合せを、好ましくは窒素を、メタンがさらに含む
請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
メタンおよび窒素のガスが、約１：０から約１：９までに及ぶＣＨ４とＮ２の体積比（ＣＨ４：Ｎ２）にて混合される
請求項６に記載のプロセス。
【請求項９】
メタンおよび窒素のガスの混合物が、約２０ｍｌ／分から約１５０ｍｌ／分の流速で連続的に前記リアクターに供給される
請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記支持体に付着された前記触媒粒子は、約５重量％から約２０重量％のコバルトおよびモリブデンを含む
請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
シリカ、Ｈ−ＺＳＭ−５、チタニア、マグネシア、セリア、およびアルミナのグループから個別にまたはそれらの任意の組合せから前記支持体が選択される
請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記支持体はアルミナである
請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１３】
反応温度は、６５０℃から８５０℃の間である
請求項１に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ（carbon nanotubes，ＣＮＴｓ）を生成するプロセスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１９９１年に、カーボンナノチューブと命名される新たな形態の炭素種を飯島澄男が発見した。カーボンナノチューブは、完全なフラーレンキャップを有し中空形状に丸められたグラフェンシートから成る継ぎ目のないチューブである。カーボンナノチューブには、単層（single-walled）カーボンナノチューブ（SWNTs）および複層（multi-walled）カーボンナノチューブ（MWNTs）と呼ばれる２つの一般型が存在する。SWNTsは、理論的には、円筒シート状に丸められた、六角形に配置された炭素原子から成る、原子１個分の厚さの殻（shell）である。一方、MWNTsは、共通軸の周りにあり外側ほど直径が大きい複数の同軸円筒から成る。
【０００３】
カーボンナノチューブの合成には一般的に３つの技術が採用されている。それらは、炭素アーク放電、レーザーアブレーション、および化学蒸着（CVD）である。前者２つの方法は、主に、実験室スケールでのカーボンナノチューブ合成のために設計され、主として理論的な研究のために用いられた。触媒的CVDは、カーボンナノチューブを大規模に合成できる可能性があるため、最も魅力的な方法であると広く認識されている。このプロセスによれば、反応条件を操作することにより合成されたカーボンナノチューブの性質をよりよく制御できるからである。
【０００４】
この時代で最も進歩的な材料であるカーボンナノチューブは、ヤング率および引張強度が1 TPaおよび200 GPaに達するという注目すべき機械的特性を記録している。この引張強度はステンレス鋼（1.5 GPa）より強い。カーボンナノチューブは化学的に非常に不活性であるし、切断無しに高度の変形（10〜30%）に耐えることが可能である。さらに、ナノチューブは銅よりも良い高熱伝導率および電気伝導率を有するので、複合回路基板の強化および信号伝達という二重の作用を有することにより微細構造を強化することが可能である。近い将来、量子ケーブル、フラットパネルディスプレイ、充電式バッテリー、メモリチップ、構造補強材、生物医学的アプリケーション、触媒支持体およびその他のアプリケーションのための先進材料としてナノチューブ関連の構造が設計され得ると予想できる。
【０００５】
これら可能性のあるアプリケーションを実現するために、均一な直径を有するカーボンナノチューブが必要とされる。これは、カーボンナノチューブの特性（金属的、半導体的、および機械的特性）がキラリティーおよび直径に強く依存するからである。これらの顕著な特徴は、双方ともカーボンナノチューブの重要なアプリケーションへの影響が大きい。キラリティーは、カーボンナノチューブの直径と密接な相関関係がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Odom et al., "Atomic structure and electronic properties of single-walled carbon nanotubes," Nature, Vol. 391 , p.62 (1998)
【非特許文献２】Saito et al., "Electronic structure of chiral graphene tubules," Appl. Phys. Lett., VoI 60, p. 2204 (1992)
【非特許文献３】Reich et al., "Carbon nanotubes: basic concepts and physical properties," Germany:Wiley-VCH, Chap. 3 (2004)
【０００７】
したがって、カーボンナノチューブの直径の均一性を制御することによって、カーボンナノチューブのキラリティー、ひいてはカーボンナノチューブの特性をコントロールすることができる。
【０００８】
触媒材料中の金属粒子の寸法が、生成されるカーボンナノチューブの直径を決定する。Vander et al., "Substrate-support interaction in metal-catalyzed carbon nanofibers growth," Carbon, VoI 39, p. 2277 (2001)およびTakenaka et al., "Ni/SiO2 catalyst effective for methane decomposition into hydrogen and carbon nanofibers," J. Catal, VoI 217, p. 79 (2003)を参照のこと。それ故に、CVDプロセスにて用いられる触媒の金属粒子のサイズ分布を絞り込むことによって、均一な直径を有するカーボンナノチューブが合成され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ほぼ均一な直径を有するＣＮＴｓを生成する多くの効果的な方法が文献にて提案されてきたが、それらのアプローチは触媒調製の複雑な手順または精巧な機器の使用を必要とする。近い将来、ほぼ均一な直径のＣＮＴｓが応用（アプリケーション）目的のために必要とされることが知られている。したがって、ほぼ均一な直径のＣＮＴｓを合成する単純かつ簡便な方法が確立されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのため、実質的に均一のサイズのカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）を生成するプロセスであって、メタン、エチレン、もしくはアセチレンのグループから個別に選択されたガスまたはそれらの任意の組合せを、コバルトおよびモリブデンが付着された支持体を有する触媒粒子に接触させるステップを備え、コバルトとモリブデンの比（Ｃｏ：Ｍｏ）は１：０から２：３（ｗ／ｗ）であり、前記接触させるステップは６５０℃から８５０℃の間の温度にて実行されるプロセスが提供される。
【００１１】
本発明は、添付の記述にて充分に記載され説明されるいくつかの新規な特徴および部分の組合せから成る。本発明の範囲から逸脱しない範囲において、また、本発明のいかなる利点をも犠牲にしない限りにおいて、詳細における様々な変形がなされてもよいことが理解される。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、ＣＮＴｓを生成するプロセスに関するものである。以下、この明細書は、本発明の好ましい実施の形態に基づいて本発明を説明する。しかしながら、発明の好ましい実施の形態に記載を限定することは単に本発明に関する議論を容易にするためのものに過ぎないと理解されるべきであり、添付のクレームの要旨を逸脱しない範囲において当業者は様々な修正および均等物を案出するであろうと想定される。
【００１３】
前述のように、本発明は、実質的に均一のサイズのカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）を生成するプロセスであって、メタン、エチレン、もしくはアセチレンのグループから個別に選択されたガスまたはそれらの任意の組合せを、コバルトおよびモリブデンが付着された支持体を有する触媒粒子に接触させるステップを備え、コバルトとモリブデンの比（Ｃｏ：Ｍｏ）は１：０から２：３（ｗ／ｗ）であり、接触させるステップは６５０℃から８５０℃の間の温度にて実行されるプロセスを提供する。
【００１４】
このプロセスは以下のように要約され得る。
【化１】
2012508159.tif 000002
【００１５】
好ましくは、本発明のプロセスを用いて生成されたＣＮＴｓは、直径が６ｎｍから１４ｎｍであり、好ましくは９．０±１．４ｎｍ（平均値±標準偏差）である複層ＣＮＴｓである。
【００１６】
本発明の好適な態様において、このプロセスはリアクター内にて実行される。かかるリアクター内において、反応時間は約３０分から約１８０分であり、リアクター内の圧力は、０．１気圧から３気圧であり、好ましくは１気圧である。反応温度は６５０℃から８５０℃の間である。
【００１７】
ＣＮＴｓを生成するのに用いられるガスはメタンである。しかしながら、本発明の好適な態様において、メタンガスは、窒素、アルゴン、もしくはヘリウムから成るグループから個別に選択された希釈ガスまたはそれらの組合せと混合されてもよい。
【００１８】
希釈ガスは好ましくは窒素である。メタンおよび窒素のガスは、約１：０から約１：９までに及ぶＣＨ４とＮ２の体積比（ＣＨ４：Ｎ２）にて混合される。メタンおよび窒素のガスの混合物は、約２０ｍｌ／分から約１５０ｍｌ／分の流速で連続的にリアクターに供給される。
【００１９】
支持体に付着された触媒粒子は、約５重量％から約２０重量％のコバルトおよびモリブデンを含む。好ましくは、コバルトとモリブデンの比は８：２（ｗ／ｗ）である。支持体は、シリカ、Ｈ−ＺＳＭ−５、チタニア、マグネシア、セリア、およびアルミナのグループから個別にまたはそれらの任意の組合せから選択される。好ましくは、支持体はアルミナである。
【００２０】
本発明は、単純な触媒分解プロセスを採用し、また、天然ガスをCVDプロセスにおける原料として使用することにより、ＣＮＴｓを単一のステップで生成するものである。この技術は、低コストプロセスを、天然ガスをＣＮＴｓと水素とに分解するための強化剤（enhancement agent）としての触媒に適用している。さらに、開発されたこの技術は、大規模なＣＮＴｓ生成におけるスケールアップが容易である。
【００２１】
触媒分解プロセスでのＣＮＴｓ形成の強化においては、触媒が効率的であることが重要である。本発明のプロセスにおいては、天然ガスから分解された炭素原子が、特別設計された触媒の活性部位に付着して自己組織化（self-assemble）し、管状のナノ炭素構造（ＣＮＴｓ）を形成する。
【００２２】
本発明は、単純な単一ステップのプロセスであり、より安価で豊富な天然ガスを原料として活用するものであり、単一の操作者によって操作され得るものであり、ＣＮＴｓ合成のための唯一の最も安価なプロセスではなかったとしても最も安価なものの一つであり、任意の生成規模に拡張可能であり、望ましくない副生成物無しに高純度のＣＮＴｓおよび水素を生成し、必要とするエネルギーは最も低い唯一のものでなかったとしても最も低いものの一つであって約60 kJ／モルに過ぎない。
【国際調査報告】
2012508159.tif 000003
2012508159.tif 000004
2012508159.tif 000005