JP3934089B2 - Carbon nanotube purification method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブの精製方法に関し、さらに詳しくは、アモルファスカーボンや金属成分などの不純物を含む未精製カーボンナノチューブを簡単なプロセスで、加熱に伴うエネルギーを要することなく、効率よく精製し、ガス貯蔵材料を始め、従来の炭素材料が使用されている用途での代替炭素材料として期待できるカーボンナノチューブを精製する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、直径が数オングストロームから数十ナノメートルの筒状炭素材料であるカーボンナノチューブは、例えば超高集積化が可能な分子素子、水素を始めとする各種ガスの吸蔵材料、電界放出ディスプレー(FED)用部材、樹脂成形品用添加材などの機能性材料として注目されている。
このカーボンナノチューブは、1991年に飯島らによって、アーク放電法の陰極に堆積した炭素の塊の中に見出されたものであり(例えば、非特許文献1参照)、それ以来積極的に研究が行われ、レーザー光照射法や熱分解による気相合成法など、各種の方法により合成されている。
該カーボンナノチューブには、多層のもの(MWCNT)と単層のもの(SWCNT)とが存在し、特に単層カーボンナノチューブは、水素を始めとする各種ガスの吸蔵材料としての用途が期待されている。しかしながら、これらを含め種々の用途に供するには、製造されたカーボンナノチューブに含まれる、アモルファスカーボンや、触媒として用いられた金属成分などの不純物を効率よく除去して精製する方法の開発が課題となっている。
【0003】
カーボンナノチューブの精製方法としては、これまで、以下に示すように種々の方法が提案されている。
例えば▲1▼カーボン不純物を含むカーボンナノチューブを微粉砕処理し、その微粉砕物を液体中に分散させて、遠心分離することにより、微粒子を含む上澄み液を形成し、該上澄みをろ過して得た分散物を高温焼成するカーボンナノチューブの分離精製方法(例えば、特許文献1参照)、▲2▼カーボンナノチューブ粗生成物を粉砕して溶液中で攪拌し、遠心分離や浮選により非晶質炭素やグラファイトを除去し、さらに酸に溶かす、あるいは磁場中を通過させることにより、金属不純物を除去して純度を向上させる方法(例えば、特許文献2参照)、▲3▼カーボンナノチューブ粗生成物を、酸水溶液を使用して精製する工程、アセトンと酸との混合液を使用して精製する工程、精製ガスを使用して精製する工程の三段階を経て不純物を除去する方法(例えば、特許文献3参照)、▲4▼カーボンナノチューブ粗生成物を、酸又はアルカリ中で還流して金属粒子を除去する工程、200〜700℃の温度で加熱処理してアモルファス炭素を気化させる工程の二段階を経て、不純物を除去するカーボンナノチューブの純度向上方法(例えば、特許文献4参照)、▲5▼カーボンナノチューブ粗生成物を、酸処理工程、昇華性物質を混合したのち、加熱によって昇華性物質を試料中から除去する多孔化処理工程、酸化処理工程の三段階を経て不純物を除去するカーボンナノチューブの純度向上方法(例えば、特許文献5参照)、▲6▼カーボンナノチューブ粗生成物を、過酸化水素水溶液中で湿式酸化処理してアモルファスカーボン微粒子を除去する湿式酸化工程、蒸留水中で超音波分散と沈降分離を繰り返し行い、ナノ粒子とグラファイトを分離除去する沈降処理工程、塩酸などの酸溶液にて洗浄して金属微粒子を除去する酸処理工程の三段階を経て、不純物を除去するカーボンナノチューブの純度向上方法(例えば、特許文献6参照)、▲7▼カーボンナノチューブ粗生成物を、酸性(硫酸)溶液への浸漬又は酸性溶液への浸漬と電場の印加の組み合わせによる金属の除去工程、アモルファスカーボンの加熱除去工程の二段階を経て不純物を除去するカーボンナノチューブの純度向上方法(例えば、特許文献7参照)、▲8▼カーボンナノチューブ粗生成物を、350〜600℃の温度で加熱するか、過酸化水素水中で湿式酸化処理する工程と硝酸中で還流処理する工程からなる第1の工程、過酸化水素水中で湿式酸化処理する工程と塩酸中で還流処理する工程からなる第2の工程を経て、不純物を除去するカーボンナノチューブの純度向上方法(例えば、特許文献8参照)、が開示されている。
【0004】
カーボンナノチューブ粗生成物には、通常アモルファスカーボンと触媒として用いられた金属成分が、不純物として含まれており、その種類や組成は製造方法に依存する。これらの不純物は、その性質上、異なった方法で除去することが効果的であり、一般に、アモルファスカーボンは酸化処理により、金属成分は酸による溶解処理により、除去される。
したがって、上記▲1▼〜▲8▼によるカーボンナノチューブの精製方法は、複数段階の処理工程を必要としており、効率が悪いという欠点を有している。
また、カーボンナノチューブ粗生成物を、過酸化水素と酸との混合液中で加熱処理することにより、不純物を除去するカーボンナノチューブの純度向上方法が開示されている(例えば、特許文献9参照)。しかしながら、この方法においては、酸として無機酸が用いられており、しかも酸と過酸化水素との混合液を加熱することにより純度を向上させる方法であって、加熱処理に伴いエネルギーを要する上、必ずしも安全な処理方法とはいえないなどの問題がある。
【0005】
【特許文献1】
特開平7−48111号公報
【特許文献2】
特開平8−198611号公報
【特許文献3】
特開2001−26410号公報
【特許文献4】
特開2001−335310号公報
【特許文献5】
特開2002−121014号公報
【特許文献6】
特開2002−265209号公報
【特許文献7】
特開2002−308610号公報
【特許文献8】
特開2003−81616号公報
【特許文献9】
特開2003−89510号公報
【非特許文献1】
「ネイチャー(Nature)」、第354巻、第56〜58頁(1991年)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような状況下でなされたもので、アモルファスカーボンや金属成分などの不純物を含む未精製カーボンナノチューブを、簡単なプロセスで、加熱に伴うエネルギーを要することなく、効率よくかつ安全に精製し、ガス貯蔵材料を始め、従来の炭素材料が使用されている用途での代替炭素材料として期待できるカーボンナノチューブを、工業的に有利に精製する方法を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、有機酸と過酸化水素の混合液を用いて、未精製カーボンナノチューブと、好ましくは室温ないし外部から加熱を伴わない状態で、接触させて一段で精製処理することにより、その目的を達成し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち、本発明は、
(1)未精製カーボンナノチューブを、有機酸と過酸化水素の混合液と接触させ、一段で精製処理することを特徴とするカーボンナノチューブの精製方法、
(2)有機酸が炭素数1〜3の脂肪族モノカルボン酸、そのハロゲン及び/又は水酸基置換体、並びに安息香酸、そのハロゲン及び/又は水酸基置換体の中から選ばれる少なくとも一種である上記(1)のカーボンナノチューブの精製方法、
(3)有機酸が、蟻酸、酢酸、モノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、安息香酸、m−クロロ安息香酸及びサリチル酸の中から選ばれる少なくとも一種である上記(2)のカーボンナノチューブの精製方法、及び
(4)精製処理を、室温ないし外部からの加熱を伴わない状態で行う上記(1)〜(3)のカーボンナノチューブの精製方法、
を提供するものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明のカーボンナノチューブの精製方法において用いられる未精製カーボンナノチューブは、特に制限はなく、例えばアーク放電法、レーザー法、CVD法(化学的気相蒸着法)などで製造されたMWCNTやSWCNTである。これらのカーボンナノチューブの未精製品には、通常アモルファスカーボンやグラファイト、さらにはFe、Co、Ni、Yなどの触媒金属やその金属酸化物等の微粒子が不純物として含まれている。
本発明の方法においては、前記未精製カーボンナノチューブ中の不純物を除去するために、有機酸と過酸化水素との混合液が用いられる。この有機酸と過酸化水素との混合液を使用する場合、有機酸と過酸化水素との反応により、次式で示されるように強い酸化力を有する有機過酸が生成し、カーボンナノチューブに含まれるアモルファスカーボンを酸化・分解する。
R−COOH + H2O2 → R−COOOH + H2O
R−COOOH + (カーボンナノチューブ中の不純物成分)
→ R−COOH + (不純物の酸化物)
その結果、アモルファスカーボンによって有機酸との接触が阻害されていた金属成分が露出し、有機酸中へ溶解・除去されやすくなる。
【0009】
本発明においては、前記有機酸として、炭素数1〜3の脂肪族モノカルボン酸、そのハロゲン及び/又は水酸基置換体、並びに安息香酸、そのハロゲン及び/又は水酸基置換体の中から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。ここで、炭素数1〜3の脂肪族モノカルボン酸としては、例えば蟻酸、酢酸、プロピオン酸などが挙げられ、またそのハロゲン及び/又は水酸基置換体としては、例えばモノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、グリコール酸などが挙げられる。また、安息香酸のハロゲン及び/又は水酸基置換体としては、例えばo−クロロ安息香酸、m−クロロ安息香酸、p−クロロ安息香酸、サリチル酸(o−ヒドロキシ安息香酸)、m−ヒドロキシ安息香酸、p−ヒドロキシ安息香酸、4−クロロ−2−ヒドロキシ安息香酸、2−クロロ−4−ヒドロキシ安息香酸、3−クロロ−4−ヒドロキシ安息香酸などが挙げられる。これらの有機酸の中で、特に蟻酸、酢酸、モノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、安息香酸、m−クロロ安息香酸及びサリチル酸が好ましい。これらの有機酸は一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
【0010】
また、前記有機酸が常温で固体状である場合、該有機酸を溶解する溶媒、例えば水、蟻酸、酢酸、あるいは過酸化水素に対して不活性な有機溶媒に溶解し、溶液状にして用いることが望ましい。
本発明においては、前記有機酸の使用量は、未精製カーボンナノチューブに含まれる金属成分のモル数に対して、10倍モル以上が好ましく、より好ましくは50倍モル以上、特に好ましくは100倍モル以上である。また、過酸化水素の使用量は、未精製カーボンナノチューブのアモルファスカーボンの種類や量にもよるが、未精製カーボンナノチューブに対して、通常5倍質量以上、好ましくは10〜40倍質量、より好ましくは15〜30倍質量の範囲で選定される。さらに、有機酸と過酸化水素の使用割合は、有機酸/過酸化水素モル比で、通常0.1以上、好ましくは1以上、より好ましくは1.5〜10以上である。
なお、精製処理操作を行う前に、予め未精製カーボンナノチューブの成分組成を、例えばEPMAや、TG−DTA分析により測定し、有機酸及び過酸化水素の使用量を定めるのがよい。
【0011】
未精製カーボンナノチューブを、有機酸と過酸化水素の混合液と接触させ、精製処理する方法については特に制限はないが、例えば以下に示す方法を採用することができる。
まず、有機酸溶液中に未精製カーボンナノチューブを加え、ここに5〜30質量%程度の過酸化水素水を添加し、室温ないし外部からの加熱を伴わない状態で、1〜7日間程度、攪拌しながら反応を行う。上記過酸化水素水の添加速度については特に制限はない。また、攪拌としては、機械攪拌、超音波攪拌又は過酸化水素からの発生ガスによる液中での流動を利用する方法、あるいはこれらを併用する方法などを用いることができる。
このようにして、精製処理を施したのち、カーボンナノチューブを公知手段、例えばろ過(自然ろ過、吸引ろ過)、デカンテーション、遠心分離などの手段により、固液分離する。次いで、固液分離されたカーボンナノチューブを、イオン交換水などの水を用いて十分に水洗する。この水洗は、通常固液分離されたカーボンナノチューブ1gに対して、20〜100mL程度の水を使用し、洗浄水のpHが7近くになるまで行う。その後、上記カーボンナノチューブ1gに対して、メタノールやエタノールなどの低級アルコールを20〜100mL程度使用し、1〜3回程度洗浄する。洗浄処理カーボンナノチューブは、室温〜100℃程度の温度で常圧乾燥又は減圧(1.3×10−2Pa程度)乾燥処理する。乾燥処理時間は、被処理物の性状にもよるが、通常1〜12時間程度である。昇温速度については特に制限はない。
このようにして、アモルファスカーボンや金属成分などの不純物を含む未精製カーボンナノチューブから、純度の高いカーボンナノチューブを効率よく精製することができる。
【0012】
【実施例】
次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
実施例1
フラスコに90質量%蟻酸水溶液65g(HCOOH:1.27モル)を仕込み、攪拌しながら、これに市販の未精製品であるカーボンナノチューブ[CarboLex社製、商品名「CarboLex−AP」]粉末1gを加えた。次いで、30質量%過酸化水素水75mLにイオン交換水75mLを加えて調製した15質量%過酸化水素水150mL(H2O2:約0.66モル)を、上記のカーボンナノチューブと蟻酸水溶液との混合物に徐々に加え、室温で攪拌を継続した。HCOOH/未精製カーボンナノチューブ中の金属成分モル比は165.6であり、HCOOH/H2O2モル比は1.92であった。
4日間攪拌したのち、攪拌を止め、静置し、デカンテーションにより上澄み液を取り除いた。残渣にイオン交換液300mLを加え、遠心分離器に3,500rpmで約10分間かけたのち、デカンテーションにて上澄み液を取り除き、残った固相にイオン交換水300mLを加え、再度遠心分離器にかけた。この操作を繰り返して、上澄み液のpHが7近くになった時点で、残った固相にメタノール200mLを加えて遠心分離器にかけた。
デカンテーションにて上澄みのメタノールを除去して固相を取り出し、これを減圧乾燥機にて、1.3×10−4Pa、27℃の条件で5時間乾燥処理することにより、精製カーボンナノチューブを得た。
この試料について、TG−DTA分析を行い、成分組成を測定すると共に、BET法により比表面積を測定した。その結果を第1表に示す。
【0013】
比較例1
フラスコに90質量%蟻酸水溶液65g及びイオン交換水130mLを仕込み、混合、攪拌した。これに、市販の未精製品であるカーボンナノチューブ「CarboLex−AP」(前出)粉末1gを加え、室温で攪拌した。4日間攪拌したのち、攪拌を止め、静置し、これ以降は、実施例1と同様な操作を行った。
得られた試料について、実施例1と同様に、TG−DTA分析を行い、成分組成を測定すると共に、比表面積を測定した。その結果を第1表に示す。
【0014】
比較例2
フラスコに30質量%過酸化水素水75mLとイオン交換水75mLを加え、攪拌して15質量%過酸化水素水150mLを調製した。これに、市販の未精製品であるカーボンナノチューブ「CarboLex−AP」(前出)粉末1gを加え、室温で攪拌した。4日間攪拌したのち、攪拌を止め、静置し、これ以降は、実施例1と同様な操作を行った。
得られた試料について、実施例1と同様に、TG−DTA分析を行い、成分組成を測定すると共に、比表面積を測定した。その結果を第1表に示す。
【0015】
比較例3
フラスコに30質量%過酸化水素水75mLとイオン交換水75mLを加え、攪拌して15質量%過酸化水素水150mLを調製した。これに、市販の未精製品であるカーボンナノチューブ「CarboLex−AP」(前出)粉末1gを加え、室温で攪拌した。
4日間攪拌したのち、攪拌を止め、静置し、デカンテーションにより上澄み液を取り除いた。残渣にイオン交換液300mLを加え、遠心分離器に3,500rpmで約10分間かけたのち、デカンテーションにて上澄み液を取り除き、残った固相にイオン交換水300mLを加え、再度遠心分離器にかけた。この操作を繰り返して、上澄み液のpHが7近くになった時点で、水洗を終了した。
別途、フラスコに90質量%蟻酸水溶液65gとイオン交換水130mLを仕込み、混合、攪拌した。次いで、これに上記の水洗を終えた固相を加えて室温で攪拌した。4日間攪拌したのち、攪拌を止め、静置し、これ以降は、実施例1と同様な操作を行った。
得られた試料について、実施例1と同様に、TG−DTA分析を行い、成分組成を測定すると共に、比表面積を測定した。その結果を第1表に示す。
【0016】
【表1】
【0017】
第1表から、実施例1では、得られた精製試料は、未精製試料に比べて、アモルファスカーボン及び金属成分が除去され、カーボンナノチューブの純度が大幅に向上すると共に、比表面積も大きく増大していることが分かる。比較例1の精製試料は、実施例1の精製試料に比べて、金属成分の除去が十分ではなく、蟻酸のみによる精製処理では、カーボンナノチューブの純度及び比表面積が劣ることが分かる。比較例2の精製試料は、実施例1の精製試料に比べて、アモルファスカーボン及び金属成分の除去が十分ではなく、過酸化水素水のみによる精製処理では、カーボンナノチューブの純度及び比表面積が劣ることが分かる。比較例3の精製試料は、実施例1の精製試料に比べて、アモルファスカーボン及び金属成分の除去が十分ではなく、過酸化水素水処理に次いで蟻酸処理する二段階による精製処理では、カーボンナノチューブの純度及び比表面積が劣ることが分かる。
すなわち、比較例1〜3の結果から、蟻酸と過酸化水素水の共存下での1段処理(実施例1)の有効性が確認できる。
【0018】
【発明の効果】
本発明によれば、アモルファスカーボンや金属成分などの不純物を含む未精製カーボンナノチューブを、簡単なプロセスで、加熱に伴うエネルギーを要することなく、効率よくかつ安全に精製し、ガス貯蔵材料を始め、従来の炭素材料が使用されている用途での代替炭素材料として期待できるカーボンナノチューブを工業的に有利に精製する方法を提供することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for purifying carbon nanotubes. More specifically, the present invention relates to a method for purifying unpurified carbon nanotubes containing impurities such as amorphous carbon and metal components efficiently by a simple process without requiring energy associated with heating. The present invention relates to a method for purifying carbon nanotubes that can be expected as an alternative carbon material in applications where conventional carbon materials are used, including storage materials.
[0002]
[Prior art]
In recent years, carbon nanotubes, which are cylindrical carbon materials with diameters ranging from several angstroms to several tens of nanometers, include, for example, molecular devices that can be highly integrated, occlusion materials for various gases such as hydrogen, and field emission displays (FEDs). It has been attracting attention as a functional material such as a member for use in molding and an additive for resin molded products.
This carbon nanotube was found in a lump of carbon deposited on the cathode of an arc discharge method by Iijima et al. In 1991 (see, for example, Non-Patent Document 1), and since then it has been actively researched. It is synthesized by various methods such as a laser beam irradiation method and a gas phase synthesis method by thermal decomposition.
There are multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and single-walled carbon nanotubes (SWCNT). In particular, single-walled carbon nanotubes are expected to be used as storage materials for various gases including hydrogen. . However, the development of a method for efficiently removing and purifying impurities such as amorphous carbon and metal components used as a catalyst contained in the produced carbon nanotubes is an issue for use in various applications including these. It has become.
[0003]
As methods for purifying carbon nanotubes, various methods have been proposed so far as described below.
For example, (1) a carbon nanotube containing carbon impurities is finely pulverized, and the finely pulverized product is dispersed in a liquid and centrifuged to form a supernatant containing fine particles, and the supernatant is filtered. (2) crushed carbon nanotube crude product, stirred in solution, and centrifuged or flotated to obtain amorphous carbon Or graphite, and further dissolved in an acid or passed through a magnetic field to remove metal impurities and improve purity (for example, see Patent Document 2), (3) a carbon nanotube crude product, Impurities are removed through three steps: purification using an aqueous acid solution, purification using a mixture of acetone and acid, and purification using a purification gas. (4) For example, Patent Document 3), (4) A step of refluxing a crude product of carbon nanotubes in an acid or alkali to remove metal particles, heat treatment at a temperature of 200 to 700 ° C., and amorphous carbon After the two steps of the process of vaporizing carbon, the method for improving the purity of carbon nanotubes to remove impurities (see, for example, Patent Document 4), (5) After the carbon nanotube crude product is mixed with an acid treatment step and a sublimation substance , A method for improving the purity of carbon nanotubes (see, for example, Patent Document 5), which removes impurities through three stages of a porous treatment step and an oxidation treatment step in which a sublimable substance is removed from the sample by heating; Wet oxidation process in which the product is wet-oxidized in an aqueous solution of hydrogen peroxide to remove amorphous carbon particles. Carbon nanotubes that remove impurities through three steps: a sedimentation process that repeats dispersion and sedimentation separation to separate and remove nanoparticles and graphite, and an acid treatment process that removes metal particles by washing with an acid solution such as hydrochloric acid. (7) For example, Patent Document 6), (7) A process for removing a metal by immersing a crude carbon nanotube product in an acidic (sulfuric acid) solution, or in an acidic solution and applying an electric field, amorphous A method for improving the purity of carbon nanotubes (see, for example, Patent Document 7), which removes impurities through two stages of the carbon heat removal step, or (8) heating the carbon nanotube crude product at a temperature of 350 to 600 ° C., A first step consisting of a wet oxidation treatment in hydrogen peroxide water and a reflux treatment step in nitric acid, wet oxidation in hydrogen peroxide water A method for improving the purity of carbon nanotubes (see, for example, Patent Document 8) is disclosed in which impurities are removed through a second step consisting of a treatment step and a reflux treatment step in hydrochloric acid.
[0004]
The carbon nanotube crude product usually contains amorphous carbon and a metal component used as a catalyst as impurities, and the type and composition depend on the production method. It is effective to remove these impurities by different methods. In general, amorphous carbon is removed by oxidation treatment, and metal components are removed by dissolution treatment with acid.
Therefore, the carbon nanotube refining method according to the above (1) to (8) requires a plurality of stages of processing steps and has the disadvantage of poor efficiency.
In addition, a method for improving the purity of carbon nanotubes is disclosed in which impurities are removed by heat-treating a crude product of carbon nanotubes in a mixed solution of hydrogen peroxide and acid (see, for example, Patent Document 9). However, in this method, an inorganic acid is used as the acid, and the purity is improved by heating a mixed solution of the acid and hydrogen peroxide, and energy is required for the heat treatment. There are problems such as not necessarily a safe processing method.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-7-48111 [Patent Document 2]
JP-A-8-198611 [Patent Document 3]
JP 2001-26410 A [Patent Document 4]
JP 2001-335310 A [Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-121014 [Patent Document 6]
JP 2002-265209 A [Patent Document 7]
JP 2002-308610 A [Patent Document 8]
JP 2003-81616 A [Patent Document 9]
JP 2003-89510 A [Non-Patent Document 1]
“Nature”, 354, 56-58 (1991)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made under such circumstances, and it is possible to efficiently and safely process unpurified carbon nanotubes containing impurities such as amorphous carbon and metal components by a simple process without requiring energy associated with heating. The purpose of the present invention is to provide a method for purifying and industrially advantageously purifying carbon nanotubes that can be expected as alternative carbon materials in applications where conventional carbon materials are used, including gas storage materials. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive research to achieve the above object, the present inventor has used a mixed solution of organic acid and hydrogen peroxide, and has obtained unpurified carbon nanotubes, preferably at room temperature or without external heating. It has been found that the object can be achieved by bringing it into contact and purifying it in one step. The present invention has been completed based on such findings.
That is, the present invention
(1) A method for purifying carbon nanotubes, wherein the unpurified carbon nanotubes are brought into contact with a mixed solution of an organic acid and hydrogen peroxide and purified in one step.
(2) The above (1) wherein the organic acid is at least one selected from aliphatic monocarboxylic acids having 1 to 3 carbon atoms, halogens and / or hydroxyl substituents thereof, and benzoic acids, halogens and / or hydroxyl substituents thereof ( 1) Carbon nanotube purification method,
(3) The carbon nanotube according to (2), wherein the organic acid is at least one selected from formic acid, acetic acid, monochloroacetic acid, dichloroacetic acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, benzoic acid, m-chlorobenzoic acid, and salicylic acid. And (4) the carbon nanotube purification method of (1) to (3) above, wherein the purification treatment is carried out at room temperature or without external heating,
Is to provide.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The unpurified carbon nanotube used in the carbon nanotube purification method of the present invention is not particularly limited, and is, for example, MWCNT or SWCNT manufactured by an arc discharge method, a laser method, a CVD method (chemical vapor deposition method), or the like. . These carbon nanotube immature products usually contain fine particles such as amorphous carbon, graphite, catalytic metals such as Fe, Co, Ni, Y, and metal oxides as impurities.
In the method of the present invention, a mixed liquid of an organic acid and hydrogen peroxide is used to remove impurities in the unpurified carbon nanotubes. When using a mixture of this organic acid and hydrogen peroxide, the reaction between the organic acid and hydrogen peroxide produces an organic peracid having a strong oxidizing power as shown by the following formula, which is contained in the carbon nanotube. Oxidizes and decomposes amorphous carbon.
R—COOH + H 2 O 2 → R—COOOH + H 2 O
R-COOOH + (impurity component in carbon nanotube)
→ R-COOH + (impurity oxide)
As a result, the metal component that has been blocked from contact with the organic acid by the amorphous carbon is exposed, and is easily dissolved and removed in the organic acid.
[0009]
In the present invention, the organic acid is at least one selected from aliphatic monocarboxylic acids having 1 to 3 carbon atoms, halogen and / or hydroxyl group substituents thereof, and benzoic acid, halogen and / or hydroxyl group substituents thereof. Can be used. Here, examples of the aliphatic monocarboxylic acid having 1 to 3 carbon atoms include formic acid, acetic acid, propionic acid, and the halogen and / or hydroxyl group substituent thereof include, for example, monochloroacetic acid, dichloroacetic acid, and trichloroacetic acid. , Trifluoroacetic acid, glycolic acid and the like. Examples of the halogen and / or hydroxyl group-substituted benzoic acid include o-chlorobenzoic acid, m-chlorobenzoic acid, p-chlorobenzoic acid, salicylic acid (o-hydroxybenzoic acid), m-hydroxybenzoic acid, p -Hydroxybenzoic acid, 4-chloro-2-hydroxybenzoic acid, 2-chloro-4-hydroxybenzoic acid, 3-chloro-4-hydroxybenzoic acid and the like. Among these organic acids, formic acid, acetic acid, monochloroacetic acid, dichloroacetic acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, benzoic acid, m-chlorobenzoic acid and salicylic acid are particularly preferable. These organic acids may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
[0010]
When the organic acid is solid at room temperature, it is dissolved in a solvent that dissolves the organic acid, for example, water, formic acid, acetic acid, or an organic solvent inert to hydrogen peroxide, and used as a solution. It is desirable.
In the present invention, the amount of the organic acid used is preferably 10 times mol or more, more preferably 50 times mol or more, and particularly preferably 100 times mol with respect to the number of moles of the metal component contained in the unpurified carbon nanotube. That's it. Further, the amount of hydrogen peroxide used depends on the type and amount of amorphous carbon of the unpurified carbon nanotubes, but is usually 5 times or more, preferably 10 to 40 times the mass of the unpurified carbon nanotubes, more preferably Is selected in the range of 15 to 30 times the mass. Furthermore, the use ratio of the organic acid and hydrogen peroxide is usually 0.1 or more, preferably 1 or more, more preferably 1.5 to 10 or more in terms of the organic acid / hydrogen peroxide molar ratio.
In addition, before performing a refinement | purification processing operation, it is good to measure the component composition of a non-purified carbon nanotube beforehand, for example by EPMA or TG-DTA analysis, and to determine the usage-amount of an organic acid and hydrogen peroxide.
[0011]
Although there is no restriction | limiting in particular about the method of making an unpurified carbon nanotube contact with the liquid mixture of an organic acid and hydrogen peroxide, and refine | purifying processing, For example, the method shown below is employable.
First, unpurified carbon nanotubes are added to an organic acid solution, about 5 to 30% by mass of hydrogen peroxide solution is added thereto, and the mixture is stirred for about 1 to 7 days at room temperature or without external heating. While doing the reaction. There is no restriction | limiting in particular about the addition rate of the said hydrogen peroxide solution. Moreover, as stirring, the method using the mechanical stirring, ultrasonic stirring, the flow in the liquid by the gas generated from hydrogen peroxide, the method of using these together, etc. can be used.
After the purification treatment is performed in this manner, the carbon nanotubes are separated into solid and liquid by known means such as filtration (natural filtration, suction filtration), decantation, and centrifugation. Next, the solid-liquid separated carbon nanotubes are sufficiently washed with water such as ion exchange water. This washing with water is usually performed using about 20 to 100 mL of water per 1 g of the solid-liquid separated carbon nanotubes until the pH of the washing water is close to 7. Thereafter, about 20 to 100 mL of lower alcohol such as methanol or ethanol is used for 1 g of the carbon nanotube, and the carbon nanotube is washed about 1 to 3 times. The washed carbon nanotubes are dried at normal temperature or reduced pressure (about 1.3 × 10 −2 Pa) at a temperature of room temperature to about 100 ° C. The drying treatment time is usually about 1 to 12 hours, although it depends on the properties of the object to be treated. There is no restriction | limiting in particular about a temperature increase rate.
In this way, high-purity carbon nanotubes can be efficiently purified from unpurified carbon nanotubes containing impurities such as amorphous carbon and metal components.
[0012]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
Example 1
A flask was charged with 65 g (HCOOH: 1.27 mol) of a 90% by weight formic acid aqueous solution, and while stirring, 1 g of carbon nanotubes [manufactured by CarboLex, trade name “CarboLex-AP”] powder, which was a commercial unpurified product, was added thereto. added. Next, 150 mL of 15% by mass hydrogen peroxide prepared by adding 75 mL of ion exchange water to 75 mL of 30% by mass hydrogen peroxide (H 2 O 2 : about 0.66 mol) Was gradually added to the mixture and stirring was continued at room temperature. The metal component molar ratio in HCOOH / unpurified carbon nanotubes was 165.6, and the HCOOH / H 2 O 2 molar ratio was 1.92.
After stirring for 4 days, the stirring was stopped, the mixture was allowed to stand, and the supernatant was removed by decantation. Add 300 mL of ion exchange solution to the residue, apply to the centrifuge for about 10 minutes at 3,500 rpm, remove the supernatant by decantation, add 300 mL of ion exchange water to the remaining solid phase, and centrifuge again. It was. This operation was repeated, and when the pH of the supernatant liquid became close to 7, 200 mL of methanol was added to the remaining solid phase and centrifuged.
The methanol in the supernatant is removed by decantation, and the solid phase is taken out. This is dried in a vacuum dryer under conditions of 1.3 × 10 −4 Pa and 27 ° C. for 5 hours. Obtained.
About this sample, while performing TG-DTA analysis and measuring a component composition, the specific surface area was measured by BET method. The results are shown in Table 1.
[0013]
Comparative Example 1
A flask was charged with 65 g of a 90% by mass aqueous formic acid solution and 130 mL of ion-exchanged water, mixed and stirred. To this, 1 g of carbon nanotube “CarboLex-AP” (supra) powder, which is a commercially available unrefined product, was added and stirred at room temperature. After stirring for 4 days, stirring was stopped and the mixture was allowed to stand. Thereafter, the same operation as in Example 1 was performed.
About the obtained sample, the TG-DTA analysis was performed like Example 1, and while measuring a component composition, the specific surface area was measured. The results are shown in Table 1.
[0014]
Comparative Example 2
To the flask, 75 mL of 30% by mass hydrogen peroxide solution and 75 mL of ion exchange water were added and stirred to prepare 150 mL of 15% by mass hydrogen peroxide solution. To this, 1 g of carbon nanotube “CarboLex-AP” (supra) powder, which is a commercially available unrefined product, was added and stirred at room temperature. After stirring for 4 days, stirring was stopped and the mixture was allowed to stand. Thereafter, the same operation as in Example 1 was performed.
About the obtained sample, the TG-DTA analysis was performed like Example 1, and while measuring a component composition, the specific surface area was measured. The results are shown in Table 1.
[0015]
Comparative Example 3
To the flask, 75 mL of 30% by mass hydrogen peroxide solution and 75 mL of ion exchange water were added and stirred to prepare 150 mL of 15% by mass hydrogen peroxide solution. To this, 1 g of carbon nanotube “CarboLex-AP” (supra) powder, which is a commercially available unrefined product, was added and stirred at room temperature.
After stirring for 4 days, the stirring was stopped, the mixture was allowed to stand, and the supernatant was removed by decantation. Add 300 mL of ion exchange solution to the residue, apply to the centrifuge for about 10 minutes at 3,500 rpm, remove the supernatant by decantation, add 300 mL of ion exchange water to the remaining solid phase, and centrifuge again. It was. This operation was repeated, and the washing with water was terminated when the pH of the supernatant liquid was close to 7.
Separately, 65 g of a 90% by mass aqueous formic acid solution and 130 mL of ion-exchanged water were charged into a flask, mixed and stirred. Next, the solid phase after the above water washing was added thereto and stirred at room temperature. After stirring for 4 days, stirring was stopped and the mixture was allowed to stand. Thereafter, the same operation as in Example 1 was performed.
About the obtained sample, the TG-DTA analysis was performed like Example 1, and while measuring a component composition, the specific surface area was measured. The results are shown in Table 1.
[0016]
[Table 1]
[0017]
From Table 1, in Example 1, the obtained purified sample has amorphous carbon and metal components removed, and the purity of the carbon nanotubes is greatly improved and the specific surface area is greatly increased as compared with the unpurified sample. I understand that Compared with the purified sample of Example 1, the purified sample of Comparative Example 1 does not sufficiently remove the metal component, and it can be seen that the purification process using only formic acid is inferior in the purity and specific surface area of the carbon nanotubes. Compared with the purified sample of Example 1, the purified sample of Comparative Example 2 does not sufficiently remove amorphous carbon and metal components, and the purification treatment using only hydrogen peroxide solution is inferior in the purity and specific surface area of carbon nanotubes. I understand. Compared with the purified sample of Example 1, the purified sample of Comparative Example 3 does not sufficiently remove amorphous carbon and metal components, and in the two-stage purification process in which the formic acid treatment is performed after the hydrogen peroxide solution treatment, It turns out that purity and a specific surface area are inferior.
That is, from the results of Comparative Examples 1 to 3, the effectiveness of the one-stage treatment (Example 1) in the presence of formic acid and hydrogen peroxide water can be confirmed.
[0018]
【The invention's effect】
According to the present invention, unpurified carbon nanotubes containing impurities such as amorphous carbon and metal components can be purified efficiently and safely by a simple process, without the energy associated with heating, starting with gas storage materials, It is possible to provide a method for industrially advantageously purifying carbon nanotubes that can be expected as an alternative carbon material in applications where conventional carbon materials are used.
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