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JP7631664B2 - Method for producing carbon nanotubes - Google Patents
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Description

本発明は、カーボンナノチューブの製造方法に関し、特には、高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing carbon nanotubes, and in particular to a method for efficiently producing high-quality carbon nanotubes.

カーボンナノチューブ(以下、「CNT」と称することがある。)は、力学的強度、光学特性、電気特性、熱特性、分子吸着能等の各種特性に優れており、電子デバイス材料、光学素子材料、導電性材料等の機能性材料としての展開が期待されている。 Carbon nanotubes (hereafter sometimes referred to as "CNTs") have excellent properties such as mechanical strength, optical properties, electrical properties, thermal properties, and molecular adsorption capacity, and are expected to be used as functional materials for electronic devices, optical elements, conductive materials, etc.

ここで、CNTの製造方法の一つとして、化学気相成長法(以下、「CVD法」と称することがある。)が知られている。このCVD法は、高温雰囲気下で原料となる炭素化合物を金属微粒子よりなる触媒と接触させてCNTを合成することを特徴としている。そして、CVD法は、CNTの製造条件(例えば、触媒の種類または配置、炭素化合物の種類、或いは、反応条件など)の自由度が高く、また、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)と多層カーボンナノチューブ(MWCNT)とのいずれも製造可能である製造方法として注目されている。 Here, chemical vapor deposition (hereinafter sometimes referred to as "CVD") is known as one method for producing CNTs. This CVD method is characterized by synthesizing CNTs by contacting a carbon compound, which is the raw material, with a catalyst consisting of metal particles in a high-temperature atmosphere. The CVD method has attracted attention as a production method that allows a high degree of freedom in the CNT production conditions (e.g., the type or arrangement of the catalyst, the type of carbon compound, or reaction conditions, etc.) and is capable of producing both single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs).

また、CVD法を用いたCNTの製造方法の中でも、CNT合成用触媒からなる触媒層を担持した基材(以下、「CNT生成用基材」と称することがある。)を用いてCNTを合成する方法は、CNT生成用基材に対して垂直に配向した多数のCNTを大量に製造することができるため、特に注目されている。そのため、CNT生成用基材を使用してCVD法によりCNTを製造する方法に関し、製造コストの低減などを目的とした様々な提案がなされている。 Among the methods for producing CNTs using the CVD method, the method of synthesizing CNTs using a substrate carrying a catalyst layer made of a catalyst for CNT synthesis (hereinafter sometimes referred to as a "substrate for CNT production") has attracted particular attention because it allows the mass production of many CNTs that are aligned perpendicularly to the substrate for CNT production. For this reason, various proposals have been made regarding the method of producing CNTs by the CVD method using a substrate for CNT production, with the aim of reducing production costs, etc.

具体的には、例えば特許文献1,2では、CNT生成用基材上に形成したCNTを回収した後、使用済みのCNT生成用基材をCNTの合成に再利用することによりCNTの製造コストを低減する技術が提案されている。 Specifically, for example, Patent Documents 1 and 2 propose a technology to reduce the manufacturing cost of CNTs by recovering the CNTs formed on the CNT generating substrate and then reusing the used CNT generating substrate for synthesizing CNTs.

特開2006-27948号公報JP 2006-27948 A 特開2007-91485号公報JP 2007-91485 A

しかし、使用済みのCNT生成用基材の再利用を繰り返しつつCNTを製造する上記従来のCNTの製造方法には、高品質なCNTを効率的に製造し得るようにするという点において改善の余地があった。 However, the conventional CNT manufacturing method described above, which produces CNTs while repeatedly reusing used CNT production substrates, leaves room for improvement in terms of efficiently producing high-quality CNTs.

そこで、本発明は、高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造することを可能にするカーボンナノチューブの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for producing carbon nanotubes that enables efficient production of high-quality carbon nanotubes.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた。そして、本発明者らは、カーボンナノチューブ生成用基材における触媒層上にカーボンナノチューブを形成する第1の形成工程(A)と、触媒層上に形成されたカーボンナノチューブを剥離する剥離工程(B)と、カーボンナノチューブが剥離された触媒層上にカーボンナノチューブを再度形成する第2の形成工程(C)とを経てCNTを製造するに際し、剥離工程(B)においてカーボンナノチューブが剥離された触媒層の表面の炭素原子濃度が所定値未満であれば、高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造できることを新たに見出し、本発明を完成させた。 The inventors have conducted extensive research to achieve the above object. The inventors have discovered that when manufacturing CNTs through a first forming step (A) of forming carbon nanotubes on a catalyst layer of a carbon nanotube generating substrate, a peeling step (B) of peeling off the carbon nanotubes formed on the catalyst layer, and a second forming step (C) of forming carbon nanotubes again on the catalyst layer from which the carbon nanotubes were peeled off, if the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer from which the carbon nanotubes were peeled off in the peeling step (B) is less than a predetermined value, high-quality carbon nanotubes can be efficiently manufactured, and have completed the present invention.

即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、基材と該基材上に設けられた触媒層とを備えるカーボンナノチューブ生成用基材を用いて、カーボンナノチューブを製造するカーボンナノチューブの製造方法であって、前記触媒層上にカーボンナノチューブを形成する第1の形成工程(A)と、前記触媒層上に形成されたカーボンナノチューブを剥離する剥離工程(B)と、カーボンナノチューブが剥離された前記触媒層上にカーボンナノチューブを再度形成する第2の形成工程(C)と、を含み、前記剥離工程(B)においてカーボンナノチューブが剥離された前記触媒層の表面の炭素原子濃度が50原子%未満であることを特徴とする。剥離工程(B)においてカーボンナノチューブが剥離された前記触媒層の表面の炭素原子濃度が50原子%未満であれば、高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造することができる。
なお、本発明において、「カーボンナノチューブ生成用基材」は、「1回もCNT形成を行っていない使用前CNT生成用基材」および「使用前CNT生成用基材に対してCNT形成を行った後の使用済みCNT生成用基材(使用済みCNT生成用基材に対してさらにCNT形成を行った後の使用済みCNT生成用基材を含む。)」のいずれかを意味する。
なお、本発明において、「炭素原子濃度」は、後述する実施例に記載の方法で測定することができる。
That is, the present invention aims to advantageously solve the above problems, and the carbon nanotube manufacturing method of the present invention is a carbon nanotube manufacturing method for manufacturing carbon nanotubes using a carbon nanotube generating substrate comprising a substrate and a catalyst layer provided on the substrate, the carbon nanotube manufacturing method includes a first forming step (A) of forming carbon nanotubes on the catalyst layer, a peeling step (B) of peeling the carbon nanotubes formed on the catalyst layer, and a second forming step (C) of forming carbon nanotubes again on the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled, characterized in that the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled in the peeling step (B) is less than 50 atomic %. If the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled in the peeling step (B) is less than 50 atomic %, high-quality carbon nanotubes can be efficiently manufactured.
In the present invention, the term "carbon nanotube generation substrate" means either a "pre-used CNT generation substrate on which CNT formation has not been performed even once" or a "used CNT generation substrate after CNT formation has been performed on a pre-used CNT generation substrate (including a used CNT generation substrate after further CNT formation has been performed on a used CNT generation substrate)."
In the present invention, the "carbon atom concentration" can be measured by the method described in the Examples below.

ここで、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、前記第1の形成工程(A)と前記第2の形成工程(C)の少なくとも一方において、カーボンナノチューブの原料ガスと水素とを含む混合ガスを用いてカーボンナノチューブを形成することが好ましい。第1の形成工程(A)および/または第2の形成工程(C)において、カーボンナノチューブの原料ガスと水素とを含む混合ガスを用いてカーボンナノチューブを形成すると、高品質なカーボンナノチューブを一層効率的に製造することができる。 Here, in the carbon nanotube manufacturing method of the present invention, it is preferable that in at least one of the first formation step (A) and the second formation step (C), the carbon nanotubes are formed using a mixed gas containing a carbon nanotube raw material gas and hydrogen. By forming the carbon nanotubes using a mixed gas containing a carbon nanotube raw material gas and hydrogen in the first formation step (A) and/or the second formation step (C), high-quality carbon nanotubes can be manufactured more efficiently.

更に、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、前記剥離工程(B)において、カーボンナノチューブが剥離された前記触媒層を洗浄する洗浄工程(D)をさらに含むことが好ましい。カーボンナノチューブが剥離された触媒層を洗浄すれば、より高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造することができる。 Furthermore, it is preferable that the carbon nanotube manufacturing method of the present invention further includes a cleaning step (D) of cleaning the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled off in the peeling step (B). By cleaning the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled off, it is possible to efficiently manufacture carbon nanotubes of higher quality.

また、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、前記剥離工程(B)において、カーボンナノチューブを剥離された前記触媒層を酸化処理する酸化処理工程(E)をさらに含むことが好ましい。カーボンナノチューブが剥離された触媒層を酸化処理すれば、より高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造することができる。 The carbon nanotube manufacturing method of the present invention preferably further includes an oxidation treatment step (E) of oxidizing the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled off in the peeling step (B). By oxidizing the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled off, it is possible to efficiently manufacture higher quality carbon nanotubes.

また、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、前記剥離工程(B)において、カーボンナノチューブが剥離された前記触媒層を研磨処理する研磨処理工程をさらに含むことが好ましい。かかる研磨処理工程は、前記洗浄工程(D)の後に実施することが好ましい。カーボンナノチューブが剥離された触媒層を研磨処理すれば、より高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造することができる。 In addition, the carbon nanotube manufacturing method of the present invention preferably further includes a polishing process in which the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled is polished in the peeling process (B). Such a polishing process is preferably carried out after the cleaning process (D). By polishing the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled, carbon nanotubes of higher quality can be efficiently manufactured.

本発明のカーボンナノチューブの製造方法によれば、高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造することができる。 The carbon nanotube manufacturing method of the present invention allows for efficient production of high-quality carbon nanotubes.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明のカーボンナノチューブの製造方法では、基材と、基材上に設けられた触媒層とを備えるカーボンナノチューブ生成用基材の触媒層上でカーボンナノチューブ(CNT)を合成し、合成したCNTを触媒層から剥離することによりCNTを得る。本発明のCNTの製造方法では、低コストでCNTを製造する観点から、使用済みCNT生成用基材(以下、「使用済み基材」と称することがある。)が再利用される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
In the carbon nanotube manufacturing method of the present invention, carbon nanotubes (CNTs) are synthesized on the catalyst layer of a carbon nanotube generating substrate including a substrate and a catalyst layer provided on the substrate, and the synthesized CNTs are peeled off from the catalyst layer to obtain CNTs. In the CNT manufacturing method of the present invention, used CNT generating substrates (hereinafter sometimes referred to as "used substrates") are reused from the viewpoint of producing CNTs at low cost.

具体的には、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、基材上に触媒層が形成されたCNT生成用基材を用いて、CNTを製造するCNTの製造方法であって、前記触媒層上にCNTを形成する第1の形成工程(A)と、前記触媒層上に形成されたCNTを剥離する剥離工程(B)と、CNTが剥離された前記触媒層上にCNTを再度形成する第2の形成工程(C)とを含み、所望により、剥離工程(B)において、CNTが剥離された前記触媒層を洗浄する洗浄工程(D)および/またはCNTが剥離された前記触媒層を酸化処理する酸化処理工程(E)をさらに含む。そして、本発明のCNTの製造方法では、CNTの形成と剥離を繰り返して実施することにより、使用済み基材を再利用しつつCNTを効率的に製造することができる。 Specifically, the carbon nanotube manufacturing method of the present invention is a CNT manufacturing method that uses a CNT production substrate having a catalyst layer formed on a substrate, and includes a first formation step (A) of forming CNTs on the catalyst layer, a peeling step (B) of peeling off the CNTs formed on the catalyst layer, and a second formation step (C) of forming CNTs again on the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off, and optionally further includes a cleaning step (D) of cleaning the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off in the peeling step (B) and/or an oxidation treatment step (E) of oxidizing the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off. In the CNT manufacturing method of the present invention, CNTs can be efficiently manufactured while reusing used substrates by repeatedly forming and peeling off CNTs.

<CNT生成用基材>
本発明における「CNT生成用基材」は、上述した通り「使用前CNT生成用基材」および「使用済みCNT生成用基材」のいずれであってもよい。
使用前CNT生成用基材は、CNTの合成に使用される前の基材(「バージン基材」ということもある)上に触媒層を形成することにより得られる。なお、基材と触媒層との間には、浸炭防止層、触媒担持層等の下地層が設けられていてもよい。換言すると、触媒層は、基材上に任意の層を介して形成されていてもよく、即ち、基材の表面に形成されてもよいし、下地層などの任意の層の表面に形成されてもよい。
<Base material for CNT generation>
As described above, the "substrate for CNT generation" in the present invention may be either a "substrate for CNT generation before use" or a "substrate for CNT generation after use."
The pre-used CNT generating substrate is obtained by forming a catalyst layer on a substrate (sometimes called a "virgin substrate") before it is used for CNT synthesis. Note that a base layer such as a carburization prevention layer or a catalyst support layer may be provided between the substrate and the catalyst layer. In other words, the catalyst layer may be formed on the substrate via any layer, i.e., it may be formed on the surface of the substrate, or it may be formed on the surface of any layer such as a base layer.

[基材]
ここで、基材としては、その表面にCNT合成用の触媒を担持することが可能であれば任意の基材が用いられる。具体的には、基材としては、CNTの製造に実績のあるものを、適宜、用いることができる。基材は、400℃以上の高温でも形状を維持できることが好ましい。
[Base material]
Here, any substrate can be used as long as it is possible to support a catalyst for CNT synthesis on its surface. Specifically, any substrate that has a proven track record in the manufacture of CNTs can be used as the substrate. It is preferable that the substrate can maintain its shape even at high temperatures of 400° C. or higher.

基材の材質としては、例えば、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、チタン、アルミニウム、マンガン、コバルト、銅、銀、金、白金、ニオブ、タンタル、鉛、亜鉛、ガリウム、インジウム、ゲルマニウムおよびアンチモンなどの金属、並びに、これらの金属を含む合金および酸化物、或いは、シリコン、石英、ガラス、マイカ、グラファイトおよびダイヤモンドなどの非金属、並びに、セラミックなどが挙げられる。これらの中でも、金属は、シリコンおよびセラミックと比較して、低コスト且つ加工が容易であるから好ましく、特に、Fe-Cr(鉄-クロム)合金、Fe-Ni(鉄-ニッケル)合金、Fe-Cr-Ni(鉄-クロム-ニッケル)合金などは好適である。 Examples of materials for the substrate include metals such as iron, nickel, chromium, molybdenum, tungsten, titanium, aluminum, manganese, cobalt, copper, silver, gold, platinum, niobium, tantalum, lead, zinc, gallium, indium, germanium, and antimony, as well as alloys and oxides containing these metals, or nonmetals such as silicon, quartz, glass, mica, graphite, and diamond, as well as ceramics. Among these, metals are preferred because they are low cost and easy to process compared to silicon and ceramics, and Fe-Cr (iron-chromium) alloys, Fe-Ni (iron-nickel) alloys, and Fe-Cr-Ni (iron-chromium-nickel) alloys are particularly suitable.

基材の形状としては、平板状、薄膜状、ブロック状または粒子状などが挙げられ、CNTを大量に製造する観点からは、体積の割に表面積を大きくとれる平板状および粒子状が特に有利である。 The shape of the substrate can be flat, thin, block or particulate, and from the perspective of mass production of CNTs, flat and particulate shapes are particularly advantageous because they provide a large surface area relative to the volume.

ここで、平板状の基材を使用する場合、基材の厚さに特に制限はなく、例えば数μm程度の薄膜から数cm程度までのものを用いることができる。好ましくは、基材の厚さは0.05mm以上3mm以下である。基材の厚さが3mm以下であれば、CNTを合成する際に基材を十分に加熱することができ、CNTの成長不良の発生を抑制することができる。また、基材のコストを低減できる。一方、基材の厚さが0.05mm以上であれば、CNT合成時の浸炭による基材の変形を抑制することができ、また、基材自体のたわみが起こり難いため、基材の搬送や再利用に有利である。なお、本明細書にいう「浸炭」とは、基材に炭素成分が浸透することをいう。 Here, when a flat substrate is used, there is no particular limit to the thickness of the substrate, and for example, a thin film of about several μm to about several cm can be used. Preferably, the thickness of the substrate is 0.05 mm to 3 mm. If the thickness of the substrate is 3 mm or less, the substrate can be sufficiently heated when synthesizing CNTs, and the occurrence of poor growth of CNTs can be suppressed. In addition, the cost of the substrate can be reduced. On the other hand, if the thickness of the substrate is 0.05 mm or more, deformation of the substrate due to carburization during CNT synthesis can be suppressed, and the substrate itself is less likely to bend, which is advantageous for transporting and reusing the substrate. In this specification, "carburization" refers to the penetration of carbon components into the substrate.

また、平板状の基材の形状および大きさに特に制限はないが、形状としては、長方形もしくは正方形のものを用いることができる。また、基材の一辺の長さに特に制限はないが、CNTの量産性の観点からは、一辺の長さは長いほど望ましい。 There is no particular restriction on the shape and size of the flat substrate, but a rectangular or square shape can be used. There is no particular restriction on the length of one side of the substrate, but from the perspective of mass production of CNTs, the longer the side, the more desirable it is.

[浸炭防止層]
ここで、特に、平板状の基材を使用する場合、基材は、表面上および裏面上の少なくとも一方に、下地層としての浸炭防止層を有していてもよく、基材は、表面上および裏面上の両方に浸炭防止層を有していることが好ましい。浸炭防止層は、CNTを合成する際に基材が浸炭されて変形してしまうことを防止するための保護層である。
[Carburization prevention layer]
Here, particularly when a flat substrate is used, the substrate may have a carburization prevention layer as an underlayer on at least one of the front and back surfaces, and the substrate preferably has a carburization prevention layer on both the front and back surfaces. The carburization prevention layer is a protective layer for preventing the substrate from being carburized and deformed during synthesis of CNTs.

そして、浸炭防止層は、金属またはセラミック材料によって構成されることが好ましく、特に浸炭防止効果の高いセラミック材料で構成されることが好ましい。金属としては、銅、アルミニウム等を例示できる。セラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、シリカアルミナ、酸化クロム、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化亜鉛等の酸化物、窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素等の窒化物を例示できる。これらの中でも、浸炭防止効果が高いことから、浸炭防止層を構成する材料としては、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素が好ましい。 The carburization prevention layer is preferably made of a metal or ceramic material, and is particularly preferably made of a ceramic material that has a high carburization prevention effect. Examples of metals include copper and aluminum. Examples of ceramic materials include oxides such as aluminum oxide, silicon oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, titanium oxide, silica alumina, chromium oxide, boron oxide, calcium oxide, and zinc oxide, and nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride. Of these, aluminum oxide and silicon oxide are preferred as materials for the carburization prevention layer because of their high carburization prevention effect.

浸炭防止層の厚さは、0.01μm以上1.0μm以下が望ましい。浸炭防止層の厚さが0.01μm以上であると、浸炭防止効果を充分に得ることができる。一方、浸炭防止層の厚さが1.0μm以下であると、基材の熱伝導性が変化するのを抑制し、CNT合成時に基材を十分に加熱してCNTを良好に成長させることができる。浸炭防止層の層形成(コーティング)の方法としては、例えば、蒸着、スパッタリング等の物理的方法、CVD、塗布等の方法を用いることができる。 The thickness of the carburization prevention layer is preferably 0.01 μm or more and 1.0 μm or less. If the thickness of the carburization prevention layer is 0.01 μm or more, the carburization prevention effect can be sufficiently obtained. On the other hand, if the thickness of the carburization prevention layer is 1.0 μm or less, the thermal conductivity of the base material is suppressed from changing, and the base material can be sufficiently heated during CNT synthesis to allow CNTs to grow well. The carburization prevention layer can be formed (coated) by physical methods such as vapor deposition and sputtering, CVD, painting, etc.

[触媒担持層]
触媒担持層は、浸炭防止層以外の下地層であって、CNT合成用触媒の下地となる層である。そして、触媒担持層の材料としては、CNT合成用触媒の下地となるものであればさまざまな材料を用いることができ、例えば、アルミナ、チタニア、窒化チタン、酸化シリコンなどのセラミック材料が好適に用いられる。中でも、触媒担持層の材料としては、セラミック材料を用いることが好ましい。セラミック材料の方が、基材を再利用してCNTを合成したときにCNTが良好に成長するからである。
[Catalyst supporting layer]
The catalyst support layer is a base layer other than the carburization prevention layer, and serves as a base layer for the catalyst for CNT synthesis. As the material for the catalyst support layer, various materials can be used as long as they serve as a base layer for the catalyst for CNT synthesis, and for example, ceramic materials such as alumina, titania, titanium nitride, and silicon oxide are preferably used. Among them, it is preferable to use a ceramic material as the material for the catalyst support layer. This is because the CNTs grow better when the substrate is reused to synthesize the CNTs.

なお、触媒担持層の厚みは、CNTの成長が安定して歩留まりが向上する観点からは10nm以上であることが好ましく、生産効率の観点からは30nm以下であることが好ましい。 The thickness of the catalyst support layer is preferably 10 nm or more from the viewpoint of stable CNT growth and improved yield, and is preferably 30 nm or less from the viewpoint of production efficiency.

[触媒層]
上述した基材上に設けられる触媒層は、例えば金属等のCNT合成用触媒を含む層である。CNT合成用触媒は、CNT合成を行う前に、水素等による還元処理(後述するフォーメーション工程)を行うことにより、前記CNT合成用触媒の微粒子を含むことが好ましい。触媒層は、例えば、CNT合成用触媒溶液を塗布することにより形成することができる。ここで、触媒層を構成するCNT合成用触媒としては、例えば、これまでのCNTの製造に実績のあるものを、適宜、用いることができる。具体的には、鉄、ニッケル、コバルトおよびモリブデン、並びに、これらの塩化物および合金等をCNT合成用触媒として例示することができる。ここで、触媒層の形成に使用するCNT合成用触媒の量は、例えば、これまでのCNTの製造に実績のある量を使用することができる。
[Catalyst layer]
The catalyst layer provided on the above-mentioned substrate is a layer containing a catalyst for CNT synthesis such as a metal. The catalyst for CNT synthesis is preferably made to contain fine particles of the catalyst for CNT synthesis by performing a reduction treatment (formation step described later) with hydrogen or the like before CNT synthesis. The catalyst layer can be formed, for example, by applying a catalyst solution for CNT synthesis. Here, as the catalyst for CNT synthesis constituting the catalyst layer, for example, a catalyst that has a proven track record in the manufacture of CNTs can be appropriately used. Specifically, iron, nickel, cobalt, and molybdenum, as well as chlorides and alloys thereof, can be exemplified as catalysts for CNT synthesis. Here, the amount of catalyst for CNT synthesis used to form the catalyst layer can be, for example, an amount that has a proven track record in the manufacture of CNTs.

また、基材上への触媒層の形成方法としては、ウェットプロセスまたはドライプロセスのいずれを用いてもよい。具体的には、スパッタリング蒸着法や、金属微粒子を適宜な溶媒に分散させた液体の塗布・焼成法などを適用することができる。また、周知のフォトリソグラフィーまたはナノインプリンティングなどを適用したパターニングを併用して、触媒層を任意の形状とすることもできる。基材上に形成する触媒層の形状およびCNTの成長時間の調整により、薄膜状、円柱状、角柱状などの様々な形状のCNT配向集合体を得ることができる。 The catalyst layer may be formed on the substrate by either a wet process or a dry process. Specifically, a sputtering deposition method or a method of applying and baking a liquid in which metal particles are dispersed in an appropriate solvent may be used. The catalyst layer may also be formed into any shape by combining this with patterning using well-known photolithography or nanoimprinting. By adjusting the shape of the catalyst layer formed on the substrate and the growth time of the CNTs, it is possible to obtain CNT aligned aggregates in various shapes, such as thin films, cylinders, and prisms.

なお、触媒層は、平板状の基材を使用する場合、基材の表面側および裏面側の両側に形成してもよいし、何れか一方側のみに形成してもよい。基材の表面側および裏面側の両側に触媒層を形成すれば、CNTを基材の表面側および裏面側の両側において成長させることができるので、生産効率を向上させることができる。もちろん、生産コストや生産工程上の都合等に応じて、触媒層を基材の片面のみに設けることは可能である。 When a flat substrate is used, the catalyst layer may be formed on both the front and back sides of the substrate, or on only one side. By forming a catalyst layer on both the front and back sides of the substrate, CNTs can be grown on both the front and back sides of the substrate, improving production efficiency. Of course, it is possible to provide a catalyst layer on only one side of the substrate depending on production costs, production process convenience, etc.

触媒層の厚さは、0.1nm以上100nm以下が好ましく、0.5nm以上10nm以下がさらに好ましく、0.8nm以上3.0nm以下が特に好ましい。 The thickness of the catalyst layer is preferably 0.1 nm or more and 100 nm or less, more preferably 0.5 nm or more and 10 nm or less, and particularly preferably 0.8 nm or more and 3.0 nm or less.

<第1の形成工程(A)>
第1の形成工程(A)では、触媒層上にカーボンナノチューブを形成する。ここで、第1の形成工程(A)では、1回もCNT形成を行っていない使用前CNT生成用基材の触媒層上にCNTを形成してもよく、また、少なくとも1回のCNT形成を行った使用済みCNT生成用基材の触媒層上にCNTを形成してもよい。なお、使用済みCNT生成用基材(使用済み基材)を再利用してCNTを製造する場合には、後述する触媒層形成工程により使用済み基材が有する触媒層(使用済みの触媒層)の上に触媒層を新たに形成してもよく、また、新たに触媒層を形成することなく、使用済み基材が有する触媒層(使用済みの触媒層)をそのまま触媒層として用いてもよい。
触媒層上へのCNTの形成方法は、特に限定されないが、CNT生成用基材の周囲環境をCNTの原料ガスと水素とを含む混合ガスが存在する環境とした状態で当該CNT生成用基材および混合ガスのうち少なくとも一方を加熱し、化学気相成長によりCNTを成長させる方法(CVD法)が好ましい。この方法によれば、CNT生成用基材上に高効率でCNTを成長させることができ、触媒から成長した多数のCNTが特定の方向に配向したCNT配向集合体を容易に形成することができる。
またここで、上述したように、CNTの原料ガスに加えて水素を含む混合ガスを用いてCNTを形成することにより、形成したCNTを剥離した後の触媒層表面の炭素原子濃度を低減させることができる。
<First formation step (A)>
In the first forming step (A), carbon nanotubes are formed on the catalyst layer. Here, in the first forming step (A), CNTs may be formed on the catalyst layer of a pre-used CNT generating substrate that has not been subjected to CNT formation even once, or CNTs may be formed on the catalyst layer of a used CNT generating substrate that has been subjected to at least one CNT formation. When using a used CNT generating substrate (used substrate) to manufacture CNTs, a new catalyst layer may be formed on the catalyst layer (used catalyst layer) of the used substrate by the catalyst layer forming step described later, or the catalyst layer (used catalyst layer) of the used substrate may be used as the catalyst layer without forming a new catalyst layer.
The method of forming CNTs on the catalyst layer is not particularly limited, but a method of growing CNTs by chemical vapor deposition (CVD method) is preferred in which at least one of the CNT generating substrate and the mixed gas containing the CNT raw material gas and hydrogen is heated in a state where the surrounding environment of the CNT generating substrate is an environment where the mixed gas is present. According to this method, CNTs can be grown on the CNT generating substrate with high efficiency, and a CNT aligned aggregate in which a large number of CNTs grown from the catalyst are aligned in a specific direction can be easily formed.
In addition, as described above, by forming CNTs using a mixed gas containing hydrogen in addition to the CNT raw material gas, the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer after the formed CNTs are peeled off can be reduced.

より具体的には、第1の形成工程(A)における触媒層上へのCNTの形成は、特に限定されることなく、触媒層のCNT合成用触媒を還元するフォーメーション工程と、触媒層上でCNTを成長させる成長工程と、CNTが成長した基材を冷却する冷却工程とを順次実施することにより行うことができる。 More specifically, the formation of CNTs on the catalyst layer in the first formation process (A) is not particularly limited, and can be carried out by sequentially carrying out a formation process in which the catalyst for CNT synthesis in the catalyst layer is reduced, a growth process in which CNTs are grown on the catalyst layer, and a cooling process in which the substrate on which the CNTs have been grown is cooled.

[フォーメーション工程]
フォーメーション工程では、CNTを形成するCNT生成用基材の周囲環境を還元ガスを含む環境とした後、CNT生成用基材および還元ガスのうち少なくとも一方を加熱して、触媒層のCNT合成用触媒を還元および微粒子化する。このフォーメーション工程により、CNT合成用触媒の還元、CNT合成用触媒の微粒子化の促進、およびCNT合成用触媒の活性向上のうち少なくとも一つの効果が現れる。フォーメーション工程におけるCNT生成用基材および/または還元ガスの温度は、好ましくは400℃以上1100℃以下である。また、フォーメーション工程の実施時間は、3分以上30分以下が好ましく、3分以上8分以下がより好ましい。フォーメーション工程の実施時間がこの範囲であれば、触媒粒子の粗大化が防止され、多層CNTの生成を抑制することができる。
[Formation process]
In the formation step, the surrounding environment of the CNT generating substrate for forming CNTs is changed to an environment containing a reducing gas, and then at least one of the CNT generating substrate and the reducing gas is heated to reduce and microparticulate the CNT synthesis catalyst of the catalyst layer. This formation step produces at least one of the effects of reducing the CNT synthesis catalyst, promoting the microparticulation of the CNT synthesis catalyst, and improving the activity of the CNT synthesis catalyst. The temperature of the CNT generating substrate and/or the reducing gas in the formation step is preferably 400°C or higher and 1100°C or lower. In addition, the implementation time of the formation step is preferably 3 minutes or higher and 30 minutes or lower, and more preferably 3 minutes or higher and 8 minutes or lower. If the implementation time of the formation step is within this range, the catalyst particles are prevented from becoming coarse, and the generation of multi-layered CNTs can be suppressed.

なお、還元ガスとしては、例えば、水素ガス、アンモニアガス、水蒸気およびそれらの混合ガスを用いることができる。また、還元ガスは、これらのガスをヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスと混合した混合ガスでもよい。還元ガスは、一般的には、フォーメーション工程で用いるが、適宜成長工程に用いてもよい。 The reducing gas may be, for example, hydrogen gas, ammonia gas, water vapor, or a mixture of these. The reducing gas may also be a mixture of these gases and an inert gas such as helium gas, argon gas, or nitrogen gas. The reducing gas is generally used in the formation process, but may also be used in the growth process as appropriate.

[成長工程]
成長工程では、CNT生成用基材の周囲環境をCNTの原料ガスと水素とを含む混合ガスが存在する環境とした後、CNT生成用基材および混合ガスのうち少なくとも一方を加熱して、化学気相成長により、還元化され微粒子化した触媒上にCNTを成長させる。
[Growth process]
In the growth process, the surrounding environment of the CNT production substrate is changed to one in which a mixed gas containing the CNT raw material gas and hydrogen is present, and at least one of the CNT production substrate and the mixed gas is heated to grow CNTs on the reduced and microparticulated catalyst by chemical vapor deposition.

ここで、前記混合ガスにおけるCNTの原料ガスとしては、CNTの原料となる物質を含むガス、例えば、CNTを成長させる温度において原料炭素源を有するガスが用いられる。中でも、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、プロピレンおよびアセチレンなどの炭化水素のガスが好適である。この他にも、メタノール、エタノールなどの低級アルコールのガスでもよい。これらの混合物も使用可能である。 Here, the raw material gas for CNTs in the mixed gas is a gas containing a substance that is the raw material for CNTs, for example, a gas having a raw carbon source at a temperature for growing CNTs. Among these, hydrocarbon gases such as methane, ethane, ethylene, propane, butane, pentane, hexane, heptane, propylene, and acetylene are preferred. In addition, lower alcohol gases such as methanol and ethanol may also be used. Mixtures of these can also be used.

前記混合ガスにおける水素の混合比(水素の体積流量/混合ガス全体の体積流量)としては、1体積%以上30体積%以下であることが好ましく、5体積%以上15体積%以下であることが特に好ましい。
前記混合ガスにおける水素の混合比が、上記範囲内であれば、形成したCNTを剥離した後の触媒層表面の炭素原子濃度を低減させることができ、高品質なカーボンナノチューブを効率的に製造することができる。
The mixing ratio of hydrogen in the mixed gas (volume flow rate of hydrogen/volume flow rate of the entire mixed gas) is preferably 1 vol% or more and 30 vol% or less, and particularly preferably 5 vol% or more and 15 vol% or less.
When the mixing ratio of hydrogen in the mixed gas is within the above range, the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer after peeling off the formed CNTs can be reduced, and high-quality carbon nanotubes can be efficiently produced.

また、前記混合ガスは、不活性ガスにより希釈されていてもよい。前記不活性ガスは、CNTが成長する温度で不活性であり、触媒の活性を低下させず、且つ、成長するCNTと反応しないガスである。例えば、窒素ガス;ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガスおよびクリプトンガスなどの希ガス;並びにこれらの混合ガスを例示でき、特に窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスおよびこれらの混合ガスが好適である。 The mixed gas may be diluted with an inert gas. The inert gas is a gas that is inert at the temperature at which CNTs grow, does not reduce the activity of the catalyst, and does not react with the growing CNTs. Examples of the inert gas include nitrogen gas; rare gases such as helium gas, argon gas, neon gas, and krypton gas; and mixed gases thereof. In particular, nitrogen gas, helium gas, argon gas, and mixed gases thereof are preferable.

また、成長工程におけるカーボンナノチューブ生成用基材の周囲環境は、触媒の活性を高め且つ触媒の活性寿命を延長させる作用(触媒賦活作用)を有する触媒賦活物質をさらに含むことがより好ましい。触媒賦活物質の添加によって、CNTの生産効率や純度をより一層改善することができる。触媒賦活物質としては、例えば酸素を含む物質であって、CNTの成長温度でCNTに多大なダメージを与えない物質が好ましい。具体的には、触媒賦活物質としては、例えば、水、酸素、オゾン、酸性ガス、酸化窒素、一酸化炭素および二酸化炭素などの低炭素数の含酸素化合物;エタノール、メタノールなどのアルコール類;テトラヒドロフランなどのエーテル類;アセトンなどのケトン類;アルデヒド類;エステル類;並びにこれらの混合物が有効である。この中でも、水、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、エーテル類が好ましく、特に水および二酸化炭素が好適である。 Moreover, it is more preferable that the surrounding environment of the carbon nanotube generating substrate in the growth process further contains a catalyst activation material that has the effect of increasing the activity of the catalyst and extending the active life of the catalyst (catalytic activation effect). The addition of the catalyst activation material can further improve the production efficiency and purity of the CNT. As the catalyst activation material, for example, a material containing oxygen that does not cause significant damage to the CNT at the growth temperature of the CNT is preferable. Specifically, as the catalyst activation material, for example, oxygen-containing compounds with low carbon numbers such as water, oxygen, ozone, acid gas, nitrogen oxide, carbon monoxide, and carbon dioxide; alcohols such as ethanol and methanol; ethers such as tetrahydrofuran; ketones such as acetone; aldehydes; esters; and mixtures thereof are effective. Among these, water, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, and ethers are preferable, and water and carbon dioxide are particularly suitable.

なお、一酸化炭素やアルコール類など、炭素と酸素の両方を含む物質は、原料ガスと触媒賦活物質との両方の機能を有する場合がある。例えば一酸化炭素は、エチレンなどのより反応性の高い原料ガスと組み合わせれば触媒賦活物質として作用し、水などの微量でも大きな触媒賦活作用を示す触媒賦活物質と組み合わせれば原料ガスとして作用する。 Note that substances that contain both carbon and oxygen, such as carbon monoxide and alcohols, can function as both a feed gas and a catalyst activator. For example, carbon monoxide acts as a catalyst activator when combined with a more reactive feed gas, such as ethylene, and acts as a feed gas when combined with a catalyst activator that exhibits significant catalytic activity even in small amounts, such as water.

CNT生成用基材および混合ガスのうち少なくとも一方を加熱する温度は、CNTの成長が可能な温度であればよいが、好ましくは400℃以上1100℃以下である。400℃以上とすることで触媒賦活物質の効果が良好に発現され、1100℃以下とすることで触媒賦活物質がCNTと反応することを抑制できる。 The temperature to which at least one of the CNT generating substrate and the mixed gas is heated may be any temperature at which CNTs can grow, but is preferably 400°C or higher and 1100°C or lower. A temperature of 400°C or higher allows the effect of the catalytic activation material to be fully expressed, while a temperature of 1100°C or lower prevents the catalytic activation material from reacting with the CNTs.

[冷却工程]
冷却工程では、CNTが成長したCNT生成用基材を不活性ガス環境下において冷却し、成長工程後の高温状態にあるCNTおよびCNT生成用基材が酸素存在環境下に置かれて酸化するのを抑制する。ここで、不活性ガスとしては、成長工程で使用し得る不活性ガスと同様の不活性ガスを使用し得る。また、冷却工程では、CNTが成長したCNT生成用基材の温度は、好ましくは400℃以下、さらに好ましくは200℃以下まで低下させる。
[Cooling process]
In the cooling step, the CNT generating substrate on which the CNTs have been grown is cooled in an inert gas environment, and the CNTs and the CNT generating substrate in a high temperature state after the growth step are prevented from being oxidized in an oxygen-containing environment. Here, the inert gas may be the same as the inert gas that may be used in the growth step. In addition, in the cooling step, the temperature of the CNT generating substrate on which the CNTs have been grown is preferably reduced to 400° C. or less, more preferably 200° C. or less.

[CNTの性状]
第1の形成工程(A)または後述する第2の形成工程(C)においてCNT生成用基材の触媒層上には、通常、CNTはCNT配向集合体として形成され、例えば以下の性状を有していることが好ましい。
即ち、CNT配向集合体の好ましいBET比表面積は、CNTが主として未開口のものにあっては、800m2/g以上であり、より好ましくは、1000m2/g以上である。BET比表面積が高いほど、金属や炭素などの不純物の量をCNTの質量の数十パーセント(40%程度)より低く抑えることができる。また、BET比表面積の大きいCNTは、触媒の担持体やエネルギー・物質貯蔵材として有効であり、スーパーキャパシタやアクチュエータなどの用途に好適である。なお、BET比表面積の上限としては通常、2500m2/g程度である。
[Characteristics of CNT]
In the first formation step (A) or the second formation step (C) described below, CNTs are usually formed as aligned CNT aggregates on the catalyst layer of the CNT production substrate, and it is preferable that the CNTs have, for example, the following properties:
That is, the preferred BET specific surface area of the aligned CNT aggregate is 800 m 2 /g or more, and more preferably 1000 m 2 /g or more, when the CNTs are mainly unopened. The higher the BET specific surface area, the more the amount of impurities such as metals and carbon can be suppressed to less than several tens of percent (about 40%) of the mass of the CNTs. In addition, CNTs with a large BET specific surface area are effective as catalyst carriers and energy/material storage materials, and are suitable for applications such as supercapacitors and actuators. The upper limit of the BET specific surface area is usually about 2500 m 2 /g.

また、CNT配向集合体の重量密度は、0.002g/cm3以上0.2g/cm3以下であることが好ましい。重量密度が0.2g/cm3以下であれば、CNT配向集合体を構成するCNT同士の結びつきが弱くなるので、CNT配向集合体を溶媒などに攪拌した際に、均質に分散させることが容易になる。また、重量密度が0.002g/cm3以上であれば、CNT配向集合体の一体性を向上させ、バラけることを抑制できるため取扱いが容易になる。 The weight density of the aligned CNT aggregate is preferably 0.002 g/ cm3 or more and 0.2 g/ cm3 or less. If the weight density is 0.2 g/ cm3 or less, the bonds between the CNTs constituting the aligned CNT aggregate are weak, so that it becomes easy to disperse the aligned CNT aggregate homogeneously when it is stirred in a solvent or the like. If the weight density is 0.002 g/ cm3 or more, the integrity of the aligned CNT aggregate is improved and it is prevented from falling apart, so that it becomes easy to handle.

更に、特定の方向に配向したCNT配向集合体は、高い配向度を有していることが好ましい。ここで、高い配向度を有するとは、以下の1.から3.の少なくともいずれか1つ以上を満たすことを指す。
1.CNTの長手方向に平行な第1方向と、第1方向に直交する第2方向とからX線を入射してX線回折強度を測定(θ-2θ法)した場合に、第2方向からの反射強度が第1方向からの反射強度より大きくなるθ角と反射方位とが存在し、且つ、第1方向からの反射強度が第2方向からの反射強度より大きくなるθ角と反射方位とが存在する。
2.CNTの長手方向に直交する方向からX線を入射して得られた2次元回折パターン像でX線回折強度を測定(ラウエ法)した場合に、異方性の存在を示す回折ピークパターンが出現する。
3.ヘルマンの配向係数が、θ-2θ法又はラウエ法で得られたX線回折強度を用いると0より大きく1以下、より好ましくは0.25以上1未満である。
Furthermore, it is preferable that the CNT aligned aggregate aligned in a specific direction has a high degree of orientation. Here, having a high degree of orientation means satisfying at least one of the following 1. to 3.
1. When X-rays are incident on a CNT from a first direction parallel to the longitudinal direction and a second direction perpendicular to the first direction and the X-ray diffraction intensity is measured (θ-2θ method), there exist θ angles and reflection orientations where the reflection intensity from the second direction is greater than the reflection intensity from the first direction, and there exist θ angles and reflection orientations where the reflection intensity from the first direction is greater than the reflection intensity from the second direction.
2. When X-rays are irradiated from a direction perpendicular to the longitudinal direction of a CNT and the X-ray diffraction intensity is measured (Laue method) from a two-dimensional diffraction pattern image obtained, a diffraction peak pattern indicating the presence of anisotropy appears.
3. The Herman's orientation coefficient is greater than 0 and less than 1, more preferably greater than 0.25 and less than 1, when using X-ray diffraction intensity obtained by the θ-2θ method or the Laue method.

また、CNT配向集合体は、前述のX線回折において、単層CNT間のパッキングに起因する(CP)回折ピークおよび(002)ピークの回折強度と、単層CNTを構成する炭素六員環構造に起因する(100)、(110)ピークの平行(第1方向)と垂直(第2方向)との各入射方向の回折ピーク強度との度合いが互いに異なることも好ましい。 In addition, in the X-ray diffraction of the aligned CNT aggregate, it is also preferable that the diffraction intensity of the (CP) diffraction peak and (002) peak due to the packing between the single-walled CNTs differs from the diffraction peak intensity of the (100) and (110) peaks due to the six-membered carbon ring structure that constitutes the single-walled CNTs in the parallel (first direction) and perpendicular (second direction) incidence directions.

更に、CNT配向集合体が高い配向性および高いBET比表面積を示すためには、CNT配向集合体の高さ(長さ)は10μm以上10cm以下の範囲にあることが好ましい。高さが10μm以上であると、配向性が向上する。また高さが10cm以下であると、生成を短時間で行なえるため炭素系不純物の付着を抑制でき、BET比表面積を向上できる。 Furthermore, in order for the CNT aligned aggregate to exhibit high orientation and a high BET specific surface area, it is preferable that the height (length) of the CNT aligned aggregate be in the range of 10 μm or more and 10 cm or less. A height of 10 μm or more improves the orientation. Furthermore, a height of 10 cm or less allows for production in a short period of time, suppressing the adhesion of carbon-based impurities and improving the BET specific surface area.

また、CNTのG/D比は、好ましくは1.5以上、より好ましくは2以上、更に好ましくは2.5以上である。また、CNTのG/D比は、100以下とすることができ、10以下とすることもできる。G/D比とはCNTの品質を評価するのに一般的に用いられている指標である。ラマン分光装置によって測定されるCNTのラマンスペクトルには、Gバンド(1600cm-1付近)とDバンド(1350cm-1付近)と呼ばれる振動モードが観測される。GバンドはCNTの円筒面であるグラファイトの六方格子構造由来の振動モードであり、Dバンドは非晶箇所に由来する振動モードである。よって、GバンドとDバンドのピーク強度比(G/D比)が高いものほど、結晶性の高いCNTと評価できる。 The G/D ratio of the CNT is preferably 1.5 or more, more preferably 2 or more, and even more preferably 2.5 or more. The G/D ratio of the CNT can be 100 or less, and can also be 10 or less. The G/D ratio is an index generally used to evaluate the quality of CNT. In the Raman spectrum of CNT measured by a Raman spectrometer, vibration modes called G band (near 1600 cm −1 ) and D band (near 1350 cm −1 ) are observed. The G band is a vibration mode derived from the hexagonal lattice structure of graphite, which is the cylindrical surface of the CNT, and the D band is a vibration mode derived from the amorphous part. Therefore, the higher the peak intensity ratio (G/D ratio) of the G band to the D band, the higher the crystallinity of the CNT can be evaluated.

そして、このCNTの製造方法では、第1の形成工程(A)においてCNT生成用基材上に形成したCNTを、次の剥離工程(B)で剥離し、基材を再利用する。 In this CNT manufacturing method, the CNTs formed on the CNT generating substrate in the first formation process (A) are peeled off in the next peeling process (B), and the substrate is reused.

<剥離工程(B)>
剥離工程(B)では、触媒層上に形成されたCNTをCNT生成用基材から剥離して回収する。ここで、形成したCNTをCNT生成用基材から剥離する方法としては、物理的、化学的あるいは機械的な剥離方法を例示できる。具体的には、例えば、電場、磁場、遠心力、表面張力等を用いて触媒層から剥離する方法、機械的に触媒層から直接剥ぎ取る方法、並びに、圧力または熱を用いて触媒層から剥離する方法等が適用可能である。また、真空ポンプを用いてCNTを吸引し、触媒層から剥ぎ取ることも可能である。なお、簡単でCNTを損傷させ難い剥離方法としては、CNTをピンセットで直接つまんで触媒層から剥がす方法や、鋭利部を備えたプラスチック製のヘラまたはカッターブレード等の薄い刃物を使用してCNTを触媒層から剥ぎ取る方法が挙げられる。中でも、剥離方法としては、鋭利部を備えたプラスチック製のヘラまたはカッターブレード等の薄い刃物を使用してCNTを触媒層から剥ぎ取る方法が好適である。
<Peeling step (B)>
In the peeling step (B), the CNT formed on the catalyst layer is peeled off from the CNT generating substrate and collected. Here, examples of the method for peeling off the formed CNT from the CNT generating substrate include physical, chemical, or mechanical peeling methods. Specifically, for example, a method of peeling off from the catalyst layer using an electric field, a magnetic field, centrifugal force, surface tension, etc., a method of mechanically peeling off directly from the catalyst layer, and a method of peeling off from the catalyst layer using pressure or heat are applicable. It is also possible to use a vacuum pump to suck the CNT and peel it off from the catalyst layer. In addition, examples of a peeling method that is simple and does not damage the CNT include a method of directly pinching the CNT with tweezers and peeling it off from the catalyst layer, and a method of peeling off the CNT from the catalyst layer using a thin blade such as a plastic spatula or cutter blade with a sharp part. Among them, a method of peeling off the CNT from the catalyst layer using a thin blade such as a plastic spatula or cutter blade with a sharp part is preferable as the peeling method.

前記剥離工程(B)において、CNTが剥離された前記触媒層を洗浄する洗浄工程(D)および/またはCNTが剥離された前記触媒層を酸化処理する酸化処理工程(E)をさらに含んでもよい。本発明のCNTの製造方法では、前記剥離工程(B)においてカーボンナノチューブが剥離された前記触媒層の表面の炭素原子濃度が50原子%未満であることを必要とするが、当該炭素原子濃度は、洗浄工程(D)および/または酸化処理工程(E)を実施しない場合は、CNTが剥離された直後の前記触媒層の表面を測定することにより、洗浄工程(D)および/または酸化処理工程(E)を実施する場合は、CNTが剥離され、それらの工程を実施した直後の前記触媒層の表面を測定することにより、求めることができる。ここで「直後」とは、その前の工程と炭素原子濃度の測定との間に他の工程を含まないとの意味である。本発明のCNTの製造方法では、前記剥離工程(B)においてカーボンナノチューブが剥離された前記触媒層の表面の炭素原子濃度が50原子%未満であることから、第2の形成工程(C)において、CNTが剥離された前記触媒層上にカーボンナノチューブを再度形成しても、高品質なCNTが得られる。 The peeling step (B) may further include a cleaning step (D) for cleaning the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off and/or an oxidation step (E) for oxidizing the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off. In the CNT manufacturing method of the present invention, the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled off in the peeling step (B) must be less than 50 atomic %, but the carbon atom concentration can be determined by measuring the surface of the catalyst layer immediately after the CNTs have been peeled off when the cleaning step (D) and/or the oxidation step (E) are not performed, or by measuring the surface of the catalyst layer immediately after the CNTs have been peeled off and the steps are performed when the cleaning step (D) and/or the oxidation step (E) are performed. Here, "immediately after" means that no other steps are included between the previous step and the measurement of the carbon atom concentration. In the CNT manufacturing method of the present invention, the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled in the peeling step (B) is less than 50 atomic %, so that high-quality CNTs can be obtained even if carbon nanotubes are formed again on the catalyst layer from which the CNTs have been peeled in the second formation step (C).

<洗浄工程(D)>
洗浄工程(D)では、剥離工程(B)においてCNTが剥離された後の触媒層(使用済み基材の触媒層)を洗浄する。なお、触媒層に対する洗浄処理は、複数回繰り返して実施してもよい。
<Cleaning step (D)>
In the washing step (D), the catalyst layer (the catalyst layer of the used substrate) from which the CNTs have been peeled off in the peeling step (B) is washed. Note that the washing treatment of the catalyst layer may be repeated multiple times.

そして、触媒層を洗浄する方法としては、特に限定されることなく、使用済み基材の触媒層を水洗し、布により拭き取る方法、使用済み基材の触媒層を硝酸、塩酸、ふっ酸等の酸と接触させる方法、酸素プラズマリアクターやUVオゾンクリーナー等を用いて使用済み基材の触媒層上の不純物を灰化させる方法、使用済み基材の触媒層を平均気泡径が50μm以下の微細気泡を含有する液体と接触させる方法、等を挙げることができる。 Methods for cleaning the catalyst layer include, but are not limited to, washing the catalyst layer of the used substrate with water and wiping it off with a cloth, contacting the catalyst layer of the used substrate with an acid such as nitric acid, hydrochloric acid, or hydrofluoric acid, incinerating impurities on the catalyst layer of the used substrate using an oxygen plasma reactor or a UV ozone cleaner, and contacting the catalyst layer of the used substrate with a liquid containing fine bubbles with an average bubble diameter of 50 μm or less.

また、洗浄工程(D)の後に、洗浄工程(D)とは別の工程として、研磨処理工程を実施してもよい。研磨処理工程としては、使用済み基材に液体を衝突させて触媒層を研磨する方法を用いることが好ましく、研磨材を分散媒中に分散させてなるウェットブラスト処理用スラリーを使用済み基材の触媒層の表面に対して衝突させて使用済み基材の触媒層を物理的に研磨する方法を用いることがより好ましい。ここで、ウェットブラスト処理を行った使用済み基材の表面を水洗して、布により拭き取ったり、エアーを吹きつけて乾燥してもよい。
また、上記の研磨処理工程を行った使用済み基材上には、触媒層が残存していてもよいし、ウェットブラスト処理により除去されていてもよい。なお、触媒層が除去されていても、後述の触媒形成工程により触媒層を再び形成すれば、その後のCNTの生成に悪影響を及ぼすことはない。
In addition, after the cleaning step (D), a polishing step may be carried out as a step separate from the cleaning step (D). As the polishing step, it is preferable to use a method of polishing the catalyst layer by colliding a liquid with the used substrate, and it is more preferable to use a method of physically polishing the catalyst layer of the used substrate by colliding a wet blasting slurry, which is made by dispersing an abrasive in a dispersion medium, against the surface of the catalyst layer of the used substrate. Here, the surface of the used substrate that has been subjected to the wet blasting treatment may be washed with water, wiped off with a cloth, or dried by blowing air.
In addition, the catalyst layer may remain on the used substrate after the above-mentioned polishing process, or may be removed by wet blasting. Even if the catalyst layer is removed, there will be no adverse effect on the subsequent generation of CNTs if the catalyst layer is formed again by the catalyst formation process described below.

ここで、ウェットブラスト処理用スラリーに含有させる研磨材としては、アルミナ、炭化珪素、樹脂、ガラス、ジルコニア、ステンレス、および、これらの組み合わせなどが挙げられる。これらの中でもアルミナが好ましい。なお、研磨材の平均粒子径は、1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、30μm以下であることが好ましく、25μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることが更に好ましい。
平均粒子径が1μm以上であれば、使用済み基材上に残存した炭素成分などの不純物を効率よく除去することができ、30μm以下であれば、ウェットブラスト処理後における使用済み基材の表面が過度に荒れることもない。
なお、本発明において研磨材の「平均粒子径」は、JIS R6001(1998、精密研磨用微粉/電気抵抗試験法)に準じて測定された累積高さ50%の粒子径(dS-50値)をいう。
Here, examples of the abrasive contained in the wet blasting slurry include alumina, silicon carbide, resin, glass, zirconia, stainless steel, and combinations thereof. Among these, alumina is preferred. The average particle size of the abrasive is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and is preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less, and even more preferably 20 μm or less.
If the average particle size is 1 μm or more, impurities such as carbon components remaining on the used base material can be efficiently removed, and if it is 30 μm or less, the surface of the used base material after the wet blasting treatment will not be excessively roughened.
In the present invention, the "average particle size" of the abrasive refers to the particle size at 50% of the cumulative height (d s -50 value) measured in accordance with JIS R6001 (1998, fine powder for precision polishing/electrical resistance test method).

また、ウェットブラスト処理用スラリーの分散媒としては、研磨材を分散可能であれば特に限定されないが、例えば水を用いることができる。
そして、ウェットブラスト処理用スラリー中の研磨材の濃度は、5体積%以上であることが好ましく、7.5体積%以上であることがより好ましく、10体積%以上であることが更に好ましく、25体積%以下であることが好ましく、22.5体積%以下であることがより好ましく、20体積%以下であることが更に好ましい。スラリー中の研磨材の濃度が5体積%以上であれば、使用済み基材上に残存した炭素成分などの不純物を効率よく除去することができ、25体積%以下であれば、研磨材同士の衝突による処理効率の低下を抑制することができる。
The dispersion medium for the slurry for wet blasting is not particularly limited as long as it can disperse the abrasive, but for example, water can be used.
The concentration of the abrasive in the wet blasting slurry is preferably 5% by volume or more, more preferably 7.5% by volume or more, even more preferably 10% by volume or more, and preferably 25% by volume or less, more preferably 22.5% by volume or less, and even more preferably 20% by volume or less. If the concentration of the abrasive in the slurry is 5% by volume or more, impurities such as carbon components remaining on the used substrate can be efficiently removed, and if it is 25% by volume or less, a decrease in processing efficiency due to collision between the abrasives can be suppressed.

そして、ウェットブラスト処理用スラリーは、例えば投射ガンを用いて圧縮空気により加速させてから、使用済み基材の触媒層に衝突させることができる。
ここで圧縮空気の圧力は特に限定されないが、0.03MPa以上であることが好ましく、0.05MPa以上であることがより好ましく、0.3MPa以下であることが好ましく、0.2MPa以下であることがより好ましい。圧縮空気の圧力が上述の範囲内であれば、研磨材を含むスラリーを均一に霧化して、使用済み基材表面を均一に処理することができる。
The wet blasting slurry can then be accelerated, for example with compressed air using a blast gun, before being struck against the catalyst layer of the used substrate.
Here, the pressure of the compressed air is not particularly limited, but is preferably 0.03 MPa or more, more preferably 0.05 MPa or more, and is preferably 0.3 MPa or less, and more preferably 0.2 MPa or less. If the pressure of the compressed air is within the above-mentioned range, the slurry containing the abrasive can be uniformly atomized, and the surface of the used substrate can be uniformly treated.

また、投射ガンの投射口から使用済み基材表面までの距離は、5mm以上であることが好ましく、10mm以上であることがより好ましく、15mm以上であることが更に好ましく、50mm以下であることが好ましく、45mm以下であることがより好ましく、40mm以下であることが更に好ましい。投射ガンの投射口から使用済み基材表面までの距離が上述の範囲内であれば、使用済み基材表面を効率よくかつ均一に処理することができる。 The distance from the projection nozzle of the projection gun to the surface of the used substrate is preferably 5 mm or more, more preferably 10 mm or more, even more preferably 15 mm or more, and preferably 50 mm or less, more preferably 45 mm or less, and even more preferably 40 mm or less. If the distance from the projection nozzle of the projection gun to the surface of the used substrate is within the above-mentioned range, the surface of the used substrate can be treated efficiently and uniformly.

また、ウェットブラスト処理用スラリーの投射角度φ(使用済み基材表面に対する角度、0°≦φ≦90°)は、80°以上が好ましく、85°以上がより好ましく、90°(すなわち、使用済み基材表面と垂直であること)が更に好ましい。投射角度φが80°以上であれば、使用済み基材表面を効率よくかつ均一に処理することができる。 The projection angle φ (angle with respect to the used substrate surface, 0°≦φ≦90°) of the wet blasting slurry is preferably 80° or more, more preferably 85° or more, and even more preferably 90° (i.e., perpendicular to the used substrate surface). If the projection angle φ is 80° or more, the used substrate surface can be treated efficiently and uniformly.

そして、ウェットブラスト処理に用いる投射ガンの種類は特に限定されず、ノズル、幅広スリットなどの投射ガンを挙げることができる。
また、投射ガンを用いたウェットブラスト処理の具体的な態様は特に限定されないが、例えば、使用済み基材を水平方向に搬送し、その上側に固定された投射ガンから、搬送されている使用済み基材に対してウェットブラスト処理用スラリーを噴射する態様が好ましい。なお、使用済み基材の搬送速度は特に限定されないが、10~100mm/秒程度が好ましい。
The type of projection gun used in the wet blasting process is not particularly limited, and examples include nozzle and wide slit projection guns.
In addition, the specific mode of the wet blasting treatment using the projection gun is not particularly limited, but for example, a preferred mode is one in which the used base material is transported in a horizontal direction and the wet blasting slurry is sprayed onto the transported used base material from a projection gun fixed above the used base material. The transport speed of the used base material is not particularly limited, but is preferably about 10 to 100 mm/sec.

<酸化処理工程(E)>
酸化処理工程(E)では、剥離工程(B)においてCNTが剥離された後の触媒層(使用済み基材の触媒層)を酸化処理する。なお、触媒層に対する酸化処理は、複数回繰り返して実施してもよい。
そして、触媒層を酸化処理する方法としては、特に限定されることなく、例えば、使用済み基材の触媒層を加熱しながら酸素源(酸化性ガス)を導入して、使用済み基材の触媒層表面に存在する炭素を二酸化炭素に変換する方法、などが挙げられる。
<Oxidation treatment step (E)>
In the oxidation treatment step (E), the catalyst layer (the catalyst layer of the used substrate) from which the CNTs have been peeled off in the peeling step (B) is subjected to an oxidation treatment. Note that the oxidation treatment of the catalyst layer may be repeated multiple times.
The method for oxidizing the catalyst layer is not particularly limited, and examples thereof include a method in which an oxygen source (oxidizing gas) is introduced while heating the catalyst layer of the used substrate, and carbon present on the surface of the catalyst layer of the used substrate is converted into carbon dioxide.

<第2の形成工程(C)>
第2の形成工程(C)では、CNTが剥離された触媒層上にCNTを形成する。即ち、第2の形成工程(C)では、少なくとも1回のCNT合成が行われた使用済みCNT生成用基材の触媒層上にCNTを形成する。なお、触媒層上へのCNTの形成方法は、上述した第1の形成工程(A)と同様である。
ここで、CNTが剥離された触媒層上にCNTを形成する前に、CNTが剥離された触媒層上に触媒担持層を新たに形成する触媒担持層形成工程を含んでいてもよく、CNTが剥離された触媒層または新たに形成された触媒担持層上に触媒層を新たに形成する触媒層形成工程を含んでいてもよい。
<Second Forming Step (C)>
In the second formation step (C), CNTs are formed on the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off. That is, in the second formation step (C), CNTs are formed on the catalyst layer of the used CNT production substrate on which at least one CNT synthesis has been performed. The method of forming CNTs on the catalyst layer is the same as that of the first formation step (A) described above.
Here, before forming CNTs on the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off, a catalyst support layer formation step of newly forming a catalyst support layer on the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off may be included, or a catalyst layer formation step of newly forming a catalyst layer on the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off or on the newly formed catalyst support layer may be included.

[触媒担持層形成工程]
CNTが剥離された触媒層上への触媒担持層の形成には、ウェットプロセスまたはドライプロセス(スパッタリング蒸着法など)のいずれを用いてもよい。成膜装置の簡便さ、スループットの速さ、原材料費の安さなどの観点からは、ウェットプロセスを用いるのが好ましい。
[Catalyst supporting layer forming step]
The catalyst support layer may be formed on the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off by either a wet process or a dry process (such as a sputtering deposition method). From the viewpoints of the simplicity of the film formation apparatus, the high throughput, and the low cost of raw materials, it is preferable to use a wet process.

以下、一例として、ウェットプロセスにより触媒担持層を形成する場合について説明する。
触媒担持層を形成するウェットプロセスは、触媒担持層となる元素を含んだ金属有機化合物および/または金属塩を有機溶剤に溶解してなる塗工液Aを基材上へ塗布する工程と、その後加熱する工程から成る。塗工液Aには金属有機化合物および金属塩の過度な縮合重合反応を抑制するための安定剤を添加してもよい。
Hereinafter, as an example, a case where a catalyst support layer is formed by a wet process will be described.
The wet process for forming the catalyst support layer comprises a step of applying a coating solution A, which is prepared by dissolving a metal organic compound and/or a metal salt containing the element to be the catalyst support layer in an organic solvent, onto a substrate, and a subsequent heating step. A stabilizer may be added to the coating solution A to suppress excessive condensation polymerization reaction of the metal organic compound and the metal salt.

ここで、例えば、アルミナ膜を触媒担持層として用いる場合、アルミナ膜を形成するための金属有機化合物および/または金属塩としては、アルミニウムトリメトキシド、アルミニウムトリエトキシド、アルミニウムトリ-n-プロポキシド、アルミニウムトリ-i-プロポキシド、アルミニウムトリ-n-ブトキシド、アルミニウムトリ-sec-ブトキシド、アルミニウムトリ-tert-ブトキシド等のアルミニウムアルコキシドを用いることができる。アルミナ膜を形成するための金属有機化合物としては他に、トリス(アセチルアセトナト)アルミニウム(III)などの錯体が挙げられる。金属塩としては、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、臭化アルミニウム、よう化アルミニウム、乳酸アルミニウム、塩基性塩化アルミニウム、塩基性硝酸アルミニウム等が挙げられる。これらのなかでも、アルミニウムアルコキシドを用いることが好ましい。これらは、それぞれ単独で、または2種以上の混合物として用いることができる。 Here, for example, when an alumina membrane is used as the catalyst support layer, aluminum alkoxides such as aluminum trimethoxide, aluminum triethoxide, aluminum tri-n-propoxide, aluminum tri-i-propoxide, aluminum tri-n-butoxide, aluminum tri-sec-butoxide, and aluminum tri-tert-butoxide can be used as the metal organic compound and/or metal salt for forming the alumina membrane. Other examples of the metal organic compound for forming the alumina membrane include complexes such as tris(acetylacetonato)aluminum(III). Examples of metal salts include aluminum sulfate, aluminum chloride, aluminum nitrate, aluminum bromide, aluminum iodide, aluminum lactate, basic aluminum chloride, and basic aluminum nitrate. Among these, it is preferable to use aluminum alkoxides. These can be used alone or as a mixture of two or more.

安定剤としては、β-ジケトン類およびアルカノールアミン類からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが好ましい。これらの化合物は単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。β-ジケトン類としては、アセチルアセトン、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、ベンゾイルアセトン、ジベンゾイルメタン、ベンゾイルトリフルオルアセトン、フロイルアセトンおよびトリフルオルアセチルアセトンなどを用いることができるが、特にアセチルアセトン、アセト酢酸エチルを用いることが好ましい。アルカノールアミン類としては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N-メチルジエタノールアミン、N-エチルジエタノールアミン、N,N-ジメチルアミノエタノール、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミンなどを用いることができるが、第2級または第3級アルカノールアミンを用いることが好ましい。 As the stabilizer, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of β-diketones and alkanolamines. These compounds may be used alone or in combination of two or more. As β-diketones, acetylacetone, methyl acetoacetate, ethyl acetoacetate, benzoylacetone, dibenzoylmethane, benzoyltrifluoroacetone, furoylacetone, trifluoroacetylacetone, etc. may be used, but it is particularly preferable to use acetylacetone and ethyl acetoacetate. As alkanolamines, it is possible to use monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, N-methyldiethanolamine, N-ethyldiethanolamine, N,N-dimethylaminoethanol, diisopropanolamine, triisopropanolamine, etc., but it is preferable to use secondary or tertiary alkanolamine.

有機溶剤としては、アルコール、グリコール、ケトン、エーテル、エステル類、炭化水素類等種々の有機溶剤が使用できるが、金属有機化合物および金属塩の溶解性が良いことから、アルコールまたはグリコールを用いることが好ましい。これらの有機溶剤は単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどが、取り扱い性、保存安定性といった点で好ましい。 As the organic solvent, various organic solvents such as alcohol, glycol, ketone, ether, esters, and hydrocarbons can be used, but it is preferable to use alcohol or glycol because of their good solubility for metal organic compounds and metal salts. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more. As the alcohol, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, etc. are preferable in terms of handling and storage stability.

塗工液A中の金属有機化合物および/または金属塩の量は特に限定されないが、有機溶剤100mL当たり、好ましくは0.1g以上、より好ましくは0.5g以上であり、好ましくは30g以下、より好ましくは5g以下である。
また、塗工液A中の安定剤の量は特に限定されないが、有機溶剤100mL当たり、好ましくは0.01g以上、より好ましくは0.1g以上であり、好ましくは20g以下、より好ましくは3g以下である。
The amount of the metal organic compound and/or metal salt in Coating Solution A is not particularly limited, but is preferably 0.1 g or more, more preferably 0.5 g or more, and preferably 30 g or less, more preferably 5 g or less, per 100 mL of organic solvent.
The amount of stabilizer in Coating Solution A is not particularly limited, but is preferably 0.01 g or more, more preferably 0.1 g or more, and preferably 20 g or less, more preferably 3 g or less, per 100 mL of organic solvent.

塗工液Aの塗布方法としては、スプレー、ハケ塗り等により塗布する方法、スピンコーティング、ディップコーティング等のいずれの方法を用いてもよいが、生産性および膜厚制御の観点からは、ディップコーティングが好ましい。 Coating solution A may be applied by any method, including spraying, brushing, spin coating, dip coating, etc., but dip coating is preferred from the standpoint of productivity and film thickness control.

塗工液Aを塗布した後の加熱は、触媒担持層の種類に応じ、50℃以上400℃以下の温度範囲で、5分以上3時間以下の時間に亘って行なうことができる。加熱することで塗布された金属有機化合物および/または金属塩の加水分解および縮重合反応が開始され、金属水酸化物および/または金属酸化物を含む硬化皮膜(触媒担持層)が、CNTが剥離された触媒層の表面に形成される。 Heating after application of Coating Liquid A can be performed at a temperature range of 50°C to 400°C for a period of 5 minutes to 3 hours depending on the type of catalyst-supported layer. Heating initiates hydrolysis and condensation polymerization reactions of the applied metal organic compound and/or metal salt, and a cured coating (catalyst-supported layer) containing metal hydroxide and/or metal oxide is formed on the surface of the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off.

[触媒層形成工程]
触媒層の形成には、触媒担持層と同様に、ウェットプロセスまたはドライプロセス(スパッタリング蒸着法など)のいずれを用いてもよい。成膜装置の簡便さ、スループットの速さ、原材料費の安さなどの観点からは、ウェットプロセスを用いるのが好ましい。
[Catalyst layer formation process]
The catalyst layer may be formed by either a wet process or a dry process (such as a sputtering deposition method) in the same manner as the catalyst support layer. From the viewpoints of the simplicity of the film forming apparatus, the high throughput, and the low cost of raw materials, it is preferable to use a wet process.

以下、一例として、ウェットプロセスにより触媒層を形成する場合について説明する。
触媒層を形成するウェットプロセスは、CNT合成用触媒となる元素を含んだ金属有機化合物および/または金属塩を有機溶剤に溶解してなる塗工液Bを基材上へ塗布する工程と、その後加熱する工程から成る。塗工液Bには金属有機化合物および金属塩の過度な縮合重合反応を抑制するための安定剤を添加してもよい。
Hereinafter, as an example, a case where a catalyst layer is formed by a wet process will be described.
The wet process for forming the catalyst layer consists of a step of applying a coating solution B, which is made by dissolving a metal organic compound and/or a metal salt containing an element that will be a catalyst for CNT synthesis in an organic solvent, onto a substrate, and a subsequent heating step. A stabilizer may be added to the coating solution B to suppress excessive condensation polymerization reactions of the metal organic compound and the metal salt.

ここで、例えば、鉄をCNT合成用触媒として用いる場合、触媒層となる鉄薄膜を形成するための金属有機化合物および/または金属塩としては、鉄ペンタカルボニル、フェロセン、アセチルアセトン鉄(II)、アセチルアセトン鉄(III)、トリフルオロアセチルアセトン鉄(II)、トリフルオロアセチルアセトン鉄(III)等を用いることができる。金属塩としては、例えば、硫酸鉄、硝酸鉄、リン酸鉄、塩化鉄、臭化鉄等の無機酸鉄、酢酸鉄、シュウ酸鉄、クエン酸鉄、乳酸鉄等の有機酸鉄等が挙げられる。これらのなかでも、有機酸鉄を用いることが好ましい。これらは、それぞれ単独で、または2種以上の混合物として用いることができる。 Here, for example, when iron is used as a catalyst for CNT synthesis, the metal organic compound and/or metal salt for forming the iron thin film that becomes the catalyst layer can be iron pentacarbonyl, ferrocene, iron acetylacetonate (II), iron acetylacetonate (III), iron trifluoroacetylacetonate (II), iron trifluoroacetylacetonate (III), etc. Examples of the metal salt include inorganic iron acids such as iron sulfate, iron nitrate, iron phosphate, iron chloride, and iron bromide, and organic iron acids such as iron acetate, iron oxalate, iron citrate, and iron lactate. Of these, it is preferable to use organic iron acids. These can be used alone or as a mixture of two or more types.

なお、塗工液Bの安定剤および有機溶剤としては、上述の塗工液Aと同様のものを用いることができる。また、それらの含有量も、塗工液Aと同様の量とすることができる。 The stabilizer and organic solvent for coating solution B may be the same as those for coating solution A. The content of these may also be the same as those for coating solution A.

更に、塗工液Bの塗布方法としては、塗工液Aと同様の方法を用いることができる。また、塗工液Bを塗布した後の加熱も、塗工液Aと同様にして行なうことができる。 Furthermore, the coating method for coating liquid B can be the same as that for coating liquid A. In addition, heating after coating coating liquid B can be performed in the same manner as for coating liquid A.

この触媒層形成工程により、触媒層が表面に新たに形成されてなる使用済み基材が形成される。 This catalyst layer formation process results in the formation of a used substrate with a new catalyst layer formed on its surface.

新たに形成する触媒担持層と触媒層との合計厚さは、5.0nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましい。
また、基材上に形成された触媒担持層と触媒層との合計総厚み(使用済み基材を再利用して使用済みの触媒層の上に新たに触媒担持層と触媒層とを形成した場合には、使用済みの触媒担持層と触媒層との合計厚みと、新たに形成した触媒担持層と触媒層との合計厚みとの合計)は、10nm超であることが好ましく、15nm以上であることがより好ましい。また、触媒担持層と触媒層との合計総厚みは3μm以下とすることができる。
The total thickness of the newly formed catalyst support layer and the catalyst layer is preferably 5.0 nm or more, and more preferably 10 nm or more.
In addition, the total thickness of the catalyst support layer and the catalyst layer formed on the substrate (when a used substrate is reused to form a new catalyst support layer and catalyst layer on the used catalyst layer, the total thickness of the used catalyst support layer and catalyst layer and the total thickness of the newly formed catalyst support layer and catalyst layer) is preferably more than 10 nm, more preferably 15 nm or more. In addition, the total thickness of the catalyst support layer and the catalyst layer can be 3 μm or less.

<炭素原子濃度>
第1の形成工程(A)においてCNTを形成する前の触媒層表面の炭素原子濃度は、50原子%未満であることが好ましく、40%原子以下であることがより好ましく、25%原子以下であることが特に好ましい。炭素原子濃度が好ましい範囲であると、得られるCNTの品質および収率をより向上させることができる。
<Carbon atom concentration>
The carbon atom concentration on the catalyst layer surface before forming the CNTs in the first formation step (A) is preferably less than 50 atomic %, more preferably 40 atomic % or less, and particularly preferably 25 atomic % or less. When the carbon atom concentration is in the preferred range, the quality and yield of the obtained CNTs can be further improved.

第1の形成工程(A)の後の、剥離工程(B)においてCNTが剥離された前記触媒層の表面の炭素原子濃度は、50原子%未満である必要があり、48原子%以下であることが好ましく、45原子%以下であることがより好ましい。炭素原子濃度が好ましい範囲であると、得られるCNTの品質および収率をより向上させることができる。 After the first formation step (A), the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer from which the CNTs have been peeled off in the peeling step (B) must be less than 50 atomic %, preferably 48 atomic % or less, and more preferably 45 atomic % or less. If the carbon atom concentration is in the preferred range, the quality and yield of the obtained CNTs can be further improved.

なお、「1回もCNT形成を行っていない使用前CNT生成用基材の触媒層表面の炭素原子濃度」を「A0」(例えば、後述する実施例1における「A0」)とし、「n回目に形成したCNTが剥離された後の使用済みCNT生成用基材の触媒層表面の炭素原子濃度」を「An」(例えば、後述する実施例1における「A1~A3」)としたときに、炭素原子濃度の比(An/A0)は、2未満であることが好ましい。炭素原子濃度の比(An/A0)が上記範囲内であれば、得られるカーボンナノチューブの品質および収率を良好に保つことができる。 When the "carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer of a pre-used CNT production substrate that has not yet been used for CNT formation even once" is "A0" (e.g., "A0" in Example 1 described below) and the "carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer of a used CNT production substrate after the nth CNT formed has been peeled off" is "An" (e.g., "A1 to A3" in Example 1 described below), it is preferable that the carbon atom concentration ratio (An/A0) is less than 2. If the carbon atom concentration ratio (An/A0) is within the above range, the quality and yield of the obtained carbon nanotubes can be maintained at a good level.

「1回もCNT形成を行っていない使用前CNT生成用基材の触媒層表面の炭素原子濃度A0」(CNT形成前の触媒層表面の炭素原子濃度A0)は、50原子%未満であることが好ましく、40%原子以下であることがより好ましく、25%原子以下であることが特に好ましい。「1回もCNT形成を行っていない使用前CNT生成用基材の触媒層表面の炭素原子濃度A0」が上記範囲内であれば、得られるCNTの品質および収率をより向上させることができる。 The "carbon atom concentration A0 on the surface of the catalyst layer of a pre-use CNT generation substrate that has not been subjected to CNT formation even once" (carbon atom concentration A0 on the surface of the catalyst layer before CNT formation) is preferably less than 50 atomic %, more preferably 40 atomic % or less, and particularly preferably 25 atomic % or less. If the "carbon atom concentration A0 on the surface of the catalyst layer of a pre-use CNT generation substrate that has not been subjected to CNT formation even once" is within the above range, the quality and yield of the obtained CNTs can be further improved.

<CNTの連続製造>
そして、使用済み基材を再利用しつつCNTを製造する場合には、CNTの形成と剥離を繰り返して実施する。このように、使用済み基材をCNTの形成に再利用すれば、CNTの製造コストを更に低減することができる。
Continuous Production of CNTs
In the case of manufacturing CNTs while reusing the used substrate, the formation and peeling of CNTs are repeated. In this manner, by reusing the used substrate for the formation of CNTs, the manufacturing cost of CNTs can be further reduced.

ここで、CNTの形成と剥離を繰り返して実施する場合、X回目(但し、Xは2以上の整数)のCNTの形成をする際の触媒層を新たに形成する部分の表面の炭素原子濃度は、通常、剥離工程(B)において洗浄工程(D)等を行うことを考慮すると、X-1回目のCNTの形成および剥離を実施した後の触媒層表面の炭素原子濃度と概ね等しくなる。例えば、2回目のCNTの形成をする際の触媒層を新たに形成する部分の表面の炭素原子濃度は、通常、1回目のCNTの形成および剥離を実施した後の触媒層表面の炭素原子濃度と概ね等しくなる。 Here, when CNT formation and peeling are repeatedly performed, the carbon atom concentration on the surface of the part where the catalyst layer is newly formed when the Xth CNT is formed (where X is an integer of 2 or more) is generally approximately equal to the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer after the X-1th CNT formation and peeling is performed, taking into consideration that a cleaning process (D) etc. is performed in the peeling process (B). For example, the carbon atom concentration on the surface of the part where the catalyst layer is newly formed when the second CNT is formed is generally approximately equal to the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer after the first CNT formation and peeling is performed.

そして、CNTの形成と剥離を繰り返して実施する回数、即ち、CNT生成用基材を再利用する回数は、低コスト化を図る観点からは、50回以上であることが好ましく、より多い方が好ましいので、特に制限はないが、通常、100回以下である。CNT生成用基材を再利用する回数が100回以下であれば、CNT生成用基材の変形を抑制してCNT生成用基材の搬送性(ハンドリング性)を向上させることができる。 The number of times that CNT formation and peeling are repeated, i.e., the number of times that the CNT generating substrate is reused, is preferably 50 times or more from the viewpoint of reducing costs, and since more is preferable, there is no particular limit, but it is usually 100 times or less. If the number of times that the CNT generating substrate is reused is 100 times or less, deformation of the CNT generating substrate can be suppressed, and the transportability (handling ability) of the CNT generating substrate can be improved.

<CNTの収量>
CNTの収量は、1.0mg/cm2以上であることが好ましく、1.2mg/cm2以上であることがより好ましく、1.5mg/cm2以上であることが特に好ましい。
<CNT Yield>
The yield of CNTs is preferably 1.0 mg/cm 2 or more, more preferably 1.2 mg/cm 2 or more, and particularly preferably 1.5 mg/cm 2 or more.

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、実施例および比較例において、CNTのBET比表面積、および、炭素原子濃度は、それぞれ以下の方法を使用して評価した。
The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
In the examples and comparative examples, the BET specific surface area and carbon atom concentration of the CNTs were evaluated using the following methods.

<BET比表面積>
BET比表面積測定装置((株)マウンテック製、HM model-1210)を用いて測定した。
<炭素原子濃度>
炭素原子濃度の測定は、表面近傍数ナノメートルに存在する元素の詳細情報が得られるX線光電子分光法(XPS)(Ulvac-PHI製、PHI-5000 VersaP
robeII)を用いて行った。X線は単色化Al-Kα、ビーム径100μm、ビーム出力25W-15kVとした。CNT合成に使用した基材(50cm×50cm:厚み0.6mm)より1cm×1cmを3枚切り出して測定サンプルとし、サンプル1枚について異なる2点でワイド及びナロースペクトルを取得した。対象限度は表面近傍に存在するC、O、N、Al、Feとし、取得したスペクトルについて、帯電補正キャリブレート、バックグラウンド処理及びピークスムージング処理を行い、相対感度係数を考慮した積分値比較による半定量法を用い対象元素の相対炭素原子濃度を算出し、その6回測定平均値を基材表面の炭素原子濃度(原子%)とした。
<BET specific surface area>
The measurement was performed using a BET specific surface area measuring device (HM model-1210, manufactured by Mountec Co., Ltd.).
<Carbon atom concentration>
The carbon atom concentration was measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Ulvac-PHI, PHI-5000 VersaP), which provides detailed information on elements present within a few nanometers of the surface.
The measurement was performed using a 300 nm fluororesin (300 nm fluororesin) and a 300 nm fluororesin (300 nm fluororesin) . The X-rays were monochromated Al-Kα, with a beam diameter of 100 μm and a beam output of 25 W-15 kV. Three pieces of 1 cm x 1 cm were cut out from the substrate (50 cm x 50 cm: thickness 0.6 mm) used in the CNT synthesis to prepare measurement samples, and wide and narrow spectra were obtained at two different points for each sample. The target limits were C, O, N, Al, and Fe present near the surface, and the obtained spectra were calibrated for charge correction, background processing, and peak smoothing processing were performed. The relative carbon atom concentration of the target element was calculated using a semi-quantitative method based on integral value comparison taking into account the relative sensitivity coefficient, and the average value of six measurements was taken as the carbon atom concentration (atomic%) on the substrate surface.

(実施例1)
<1回目のCNTの合成>
[未使用のCNT生成用基材の調製]
アルミニウム化合物であるアルミニウムトリ-sec-ブトキシド1.9gを、有機溶剤である2-プロパノール100mLに溶解させた。さらに、安定剤であるトリイソプロパノールアミン0.9gを加えて溶解させて、塗工液Aを調製した。
また、鉄化合物である酢酸鉄174mgを有機溶剤である2-プロパノール100mLに溶解させた。さらに、安定剤であるトリイソプロパノールアミン190mgを加えて溶解させて、塗工液Bを調製した。
基板としてのFe-Cr合金SUS430基板(JFEスチール株式会社製、50cm×50cm、厚さ0.3mm、Cr18%)を準備した。
そして、準備した基板の表面に、室温25℃、相対湿度50%の環境下でディップコーティングにより、上述の塗工液Aを塗布した。具体的には、基板を塗工液Aに浸漬後、20秒間保持して、10mm/秒の引き上げ速度で基板を引き上げた。その後、5分間風乾し、300℃の空気環境下で30分間加熱後、室温まで冷却することにより、基板上に、下地層である触媒担持層としての膜厚14nmのアルミナ薄膜を形成した。
次いで、室温25℃、相対湿度50%の環境下で、基板上に設けられたアルミナ薄膜の上に、ディップコーティングにより上述の塗工液Bを塗布した。具体的には、基板上にアルミナ薄膜を備える基板を塗工液Bに浸漬後、20秒間保持して、3mm/秒の引き上げ速度でアルミナ薄膜を備える基板を引き上げた。その後、5分間風乾(乾燥温度45℃)することにより、基板上に、触媒層としての膜厚1nmの鉄薄膜を形成して、未使用のCNT生成用基材を得た。
そして、未使用のCNT生成用基材(CNT形成前の基材)の表面上に形成された触媒層表面の炭素原子濃度(A0)を測定した。炭素原子濃度(A0)は23.44(原子%)であった。
[CNTの形成]
次に、作製した未使用のCNT生成用基材を、炉内温度:750℃、炉内圧力:1.02×105Paに保持されたCVD装置の反応チャンバ内に設置し、この反応チャンバ内に、He:100sccm、H2:900sccmを6分間導入した。これにより、CNT合成用触媒(鉄)は還元されて微粒子化が促進され、CNTの成長に適した状態(ナノメートルサイズの触媒微粒子が多数形成された状態)となった(フォーメーション工程)。なお、このときの触媒微粒子の密度は、1×1012~1×1014個/cm2に調整した。その後、炉内温度:750℃、炉内圧力:1.02×105Paに保持された状態の反応チャンバ内に、He:800sccm、C24:100sccm、H2:100sccm、H2O:H2O濃度が200ppmとなる量を10分間供給した。これにより、単層CNTがCNT生成用基材の表面における各触媒微粒子から成長した(CNT成長工程)。
そして、CNT成長工程の終了後、反応チャンバ内にHe:1000sccmのみを供給し、残余の混合ガス(原料ガス+水素ガス)や触媒賦活物質を排除した。これにより、CNT生成用基材の表面上に形成された触媒層表面上にCNT配向集合体が形成された(CNT形成工程)。
[CNTの回収]
その後、CNT生成用基材の表面から、触媒層上に成長したCNT配向集合体を剥離した。具体的には、鋭利部を備えたプラスチック製のヘラを使用し、CNT配向集合体を剥離した。剥離時には、ヘラの鋭利部をCNT配向集合体と基材との境界に当て、CNT生成用基材からCNT配向集合体をそぎ取るように、CNT生成用基材面に沿って鋭利部を動かした。これにより、CNT配向集合体をCNT生成用基材から剥ぎ取り、使用済み基材を得た(剥離工程(B))。
得られたCNTの収量および比表面積を測定した。表1に示すように、収量が1.48(mg/cm2)であり、比表面積が1502(m2/g)であった。
[使用済み基材の洗浄]
得られた使用済み基材に対し、水洗洗浄を行い(洗浄工程(D))、水洗洗浄後の使用済み基材の表面上の炭素原子濃度(A1)を測定した。表1に示すように、炭素原子濃度(A1)は41.44(原子%)であり、50(原子%)を下回っていた。
その後、得られた使用済み基材に対し、幅広スリット式投射ガンを備えたウェットブラスト装置(マコー(株)社製、PFE300)を用いてウェットブラスト処理による研磨処理を行った(研磨処理工程)。
なお、ウェットブラスト処理に用いるウェットブラスト処理用スラリーとしては、平均粒子径が7μm(JIS R6001(1998、精密研磨用微粉/電気抵抗試験法)に規定された粒度♯2000に相当)であるアルミナからなる研磨材(砥粒)を、分散媒としての水中に分散させて調製したものを用いた。なお、研磨材の濃度は15体積%であった。またウェットブラスト処理は、投射ガンの下を50mm/秒で水平方向に搬送される使用済み基材に対して、以下の条件で1回行った。
投射ガンの圧縮空気圧力:0.09MPa
投射ガンの投射口から使用済み基材表面までの距離:30mm
投射角度φ:90°
Example 1
<First synthesis of CNT>
[Preparation of virgin CNT generation substrate]
1.9 g of aluminum tri-sec-butoxide, an aluminum compound, was dissolved in 100 mL of 2-propanol, an organic solvent, and 0.9 g of triisopropanolamine, a stabilizer, was further added and dissolved to prepare coating solution A.
Furthermore, 174 mg of iron acetate, an iron compound, was dissolved in 100 mL of 2-propanol, an organic solvent, and 190 mg of triisopropanolamine, a stabilizer, was added and dissolved to prepare Coating Liquid B.
An Fe-Cr alloy SUS430 substrate (manufactured by JFE Steel Corporation, 50 cm x 50 cm, thickness 0.3 mm, Cr 18%) was prepared as a substrate.
The above-mentioned coating liquid A was applied to the surface of the prepared substrate by dip coating in an environment of room temperature 25° C. and relative humidity 50%. Specifically, the substrate was immersed in the coating liquid A, held for 20 seconds, and then pulled up at a pulling speed of 10 mm/sec. Thereafter, the substrate was air-dried for 5 minutes, heated in an air environment at 300° C. for 30 minutes, and then cooled to room temperature to form an alumina thin film with a thickness of 14 nm on the substrate as a catalyst support layer, which is a base layer.
Next, in an environment of room temperature 25° C. and relative humidity 50%, the above-mentioned coating liquid B was applied by dip coating onto the alumina thin film provided on the substrate. Specifically, the substrate having the alumina thin film on the substrate was immersed in the coating liquid B, and then held for 20 seconds, and the substrate having the alumina thin film was pulled up at a pulling speed of 3 mm/sec. Thereafter, the substrate was air-dried for 5 minutes (drying temperature 45° C.) to form a 1 nm-thick iron thin film as a catalyst layer on the substrate, thereby obtaining an unused CNT generating base material.
Then, the carbon atom concentration (A0) of the surface of the catalyst layer formed on the surface of the unused CNT generating substrate (substrate before CNT formation) was measured. The carbon atom concentration (A0) was 23.44 (atomic %).
[Formation of CNTs]
Next, the prepared unused CNT generating substrate was placed in the reaction chamber of a CVD device maintained at a furnace temperature of 750°C and a furnace pressure of 1.02x105 Pa, and He: 100 sccm and H2 : 900 sccm were introduced into the reaction chamber for 6 minutes. This reduced the CNT synthesis catalyst (iron) and promoted its microparticulation, resulting in a state suitable for CNT growth (a state in which a large number of nanometer-sized catalyst microparticles were formed) (formation process). The density of the catalyst microparticles at this time was adjusted to 1x1012 to 1x1014 particles/ cm2 . Thereafter, He: 800 sccm, C2H4 : 100 sccm, H2 : 100 sccm, and H2O : amounts such that the H2O concentration was 200 ppm were supplied for 10 minutes into the reaction chamber with the furnace temperature held at 750° C. and the furnace pressure held at 1.02 × 105 Pa. As a result, single-walled CNTs grew from the catalyst fine particles on the surface of the CNT production substrate (CNT growth process).
After the CNT growth process was completed, only He: 1000 sccm was supplied into the reaction chamber, and the remaining mixed gas (raw material gas + hydrogen gas) and catalyst activation material were removed. As a result, an aligned CNT aggregate was formed on the surface of the catalyst layer formed on the surface of the CNT production substrate (CNT formation process).
[Recovery of CNTs]
Thereafter, the CNT aligned aggregate grown on the catalyst layer was peeled off from the surface of the CNT generating substrate. Specifically, the CNT aligned aggregate was peeled off using a plastic spatula with a sharp part. During peeling, the sharp part of the spatula was placed on the boundary between the CNT aligned aggregate and the substrate, and the sharp part was moved along the surface of the CNT generating substrate so as to scrape off the CNT aligned aggregate from the CNT generating substrate. In this way, the CNT aligned aggregate was peeled off from the CNT generating substrate, and a used substrate was obtained (peeling process (B)).
The yield and specific surface area of the obtained CNTs were measured, and as shown in Table 1, the yield was 1.48 (mg/cm 2 ) and the specific surface area was 1502 (m 2 /g).
[Cleaning of used substrates]
The obtained used substrate was washed with water (washing step (D)), and the carbon atom concentration (A1) on the surface of the used substrate after washing with water was measured. As shown in Table 1, the carbon atom concentration (A1) was 41.44 (atomic %), which was lower than 50 (atomic %).
Thereafter, the obtained used base material was subjected to a polishing treatment by wet blasting using a wet blasting device (PFE300, manufactured by Maco Corporation) equipped with a wide slit type projection gun (polishing treatment step).
The wet blasting slurry used in the wet blasting treatment was prepared by dispersing an alumina abrasive (abrasive grains) having an average particle size of 7 μm (corresponding to particle size #2000 specified in JIS R6001 (1998, Fine Powder for Precision Polishing/Electrical Resistance Test Method)) in water as a dispersion medium. The abrasive concentration was 15% by volume. The wet blasting treatment was performed once under the following conditions on a used substrate transported horizontally under a blast gun at 50 mm/sec.
Compressed air pressure of the projection gun: 0.09 MPa
Distance from the projection nozzle of the projection gun to the surface of the used substrate: 30 mm
Projection angle φ: 90°

<2回目のCNTの合成>
[触媒層の形成]
洗浄済みの使用済み基材の表面に形成された触媒層(1回目のCNTの合成で形成された触媒層)の上に、それぞれ1回目のCNTの合成と同様にして、膜厚14nmの触媒担持層(アルミナ薄膜)を形成し(触媒担持層形成工程)、膜厚1nmの触媒層(鉄薄膜)を形成した(触媒層形成工程)(使用済み基材の再利用回数:1回)。その結果、触媒担持層および触媒層の合計総厚みは30nmになった。
[CNTの形成]
1回目のCNTの合成と同様にして、洗浄済みの使用済み基材の表面上に形成された触媒層(鉄薄膜)上にCNTを形成した(CNT形成工程)。
[CNTの回収]
1回目のCNTの合成と同様にして、CNTが形成された洗浄済みの使用済み基材の表面から、CNT配向集合体を剥ぎ取り、使用済み基材を得た(剥離工程(B))。
そして、得られたCNTの収量および比表面積を測定した。表1に示すように、収量が1.73(mg/cm2)であり、比表面積が1351(m2/g)であった。
[使用済み基材の洗浄]
1回目のCNTの合成と同様にして使用済み基材の洗浄を行った(洗浄工程(D))。
そして、洗浄工程(D)後(水洗洗浄後であって、かつウェットブラスト処理前)の使用済み基材の表面上に形成された触媒層表面の炭素原子濃度(A2)を測定した。表1に示すように、炭素原子濃度(A2)は35.89(原子%)であった。
<3回目のCNTの合成>
[触媒層の形成]
洗浄済みの使用済み基材の表面に形成された触媒層(2回目のCNTの合成で形成された触媒層)の上に、それぞれ1回目のCNTの合成と同様にして、膜厚14nmの触媒担持層(アルミナ薄膜)を形成し(触媒担持層形成工程)、膜厚1nmの触媒層(鉄薄膜)を形成した(触媒層形成工程)(使用済み基材の再利用回数:2回)。その結果、触媒担持層および触媒層の総厚みは45nmになった。
[CNTの形成]
1回目のCNTの合成と同様にして、洗浄済みの使用済み基材の表面上に形成された触媒層(鉄薄膜)上にCNTを形成した(CNT形成工程)。
[CNTの回収]
1回目のCNTの合成と同様にして、CNTが形成された洗浄済みの使用済み基材の表面から、CNT配向集合体を剥ぎ取り、使用済み基材を得た(剥離工程(B))。
そして、得られたCNTの収量および比表面積を測定した。表1に示すように、収量が1.76(mg/cm2)であり、比表面積が1364(m2/g)であった。
[使用済み基材の洗浄]
1回目のCNTの合成と同様にして使用済み基材の洗浄を行った(洗浄工程(D))。
そして、洗浄工程(D)後(水洗洗浄後であって、ウェットブラスト処理前)の使用済み基材の表面上に形成された触媒層表面の炭素原子濃度(A3)を測定した。表1に示すように、炭素原子濃度(A3)は43.32(原子%)であった。
<Second synthesis of CNT>
[Formation of catalyst layer]
On the catalyst layer (catalyst layer formed in the first CNT synthesis) formed on the surface of the washed used substrate, a catalyst support layer (alumina thin film) with a thickness of 14 nm was formed (catalyst support layer forming step), and a catalyst layer (iron thin film) with a thickness of 1 nm was formed (catalyst layer forming step) (number of times the used substrate was reused: 1 time). As a result, the total thickness of the catalyst support layer and the catalyst layer was 30 nm.
[Formation of CNTs]
In the same manner as in the first synthesis of CNTs, CNTs were formed on a catalyst layer (thin iron film) formed on the surface of the cleaned used substrate (CNT formation step).
[Recovery of CNTs]
In the same manner as in the first synthesis of CNTs, the aligned CNT aggregate was peeled off from the surface of the cleaned used substrate on which the CNTs had been formed, to obtain a used substrate (peeling step (B)).
The yield and specific surface area of the obtained CNTs were then measured. As shown in Table 1, the yield was 1.73 (mg/cm 2 ) and the specific surface area was 1351 (m 2 /g).
[Cleaning of used substrates]
The used substrate was washed in the same manner as in the first synthesis of CNTs (washing step (D)).
Then, the carbon atom concentration (A2) of the surface of the catalyst layer formed on the surface of the used substrate after the cleaning step (D) (after washing with water and before the wet blasting treatment) was measured. As shown in Table 1, the carbon atom concentration (A2) was 35.89 (atomic %).
<Third synthesis of CNT>
[Formation of catalyst layer]
On the catalyst layer (catalyst layer formed in the second synthesis of CNT) formed on the surface of the washed used substrate, a catalyst support layer (alumina thin film) with a thickness of 14 nm was formed (catalyst support layer forming step) and a catalyst layer (iron thin film) with a thickness of 1 nm was formed (catalyst layer forming step) (used substrate reused twice). As a result, the total thickness of the catalyst support layer and catalyst layer was 45 nm.
[Formation of CNTs]
In the same manner as in the first synthesis of CNTs, CNTs were formed on a catalyst layer (thin iron film) formed on the surface of the cleaned used substrate (CNT formation step).
[Recovery of CNTs]
In the same manner as in the first synthesis of CNTs, the aligned CNT aggregate was peeled off from the surface of the cleaned used substrate on which the CNTs had been formed, to obtain a used substrate (peeling step (B)).
The yield and specific surface area of the obtained CNTs were then measured. As shown in Table 1, the yield was 1.76 (mg/cm 2 ) and the specific surface area was 1364 (m 2 /g).
[Cleaning of used substrates]
The used substrate was washed in the same manner as in the first synthesis of CNTs (washing step (D)).
Then, the carbon atom concentration (A3) of the surface of the catalyst layer formed on the surface of the used substrate after the cleaning step (D) (after water washing and before wet blasting) was measured. As shown in Table 1, the carbon atom concentration (A3) was 43.32 (atomic %).

(実施例2)
<1回目のCNTの合成>
CNTの形成において水素を含む混合ガスを用いる代わりに、原料ガスのみ用いたこと(水素を用いなかったこと)以外は、実施例1の1回目のCNTの合成と同様にして、触媒担持層、触媒層およびCNTの形成、CNTの回収、使用済み基材の洗浄、CNTの収量および比表面積、並びに、未使用のCNT生成用基材(CNT形成前の基材)の表面上に形成された触媒層表面の炭素原子濃度(A0)の測定を行った。炭素原子濃度(A0)は、25.61(原子%)であった。また、表2に示すように、CNT収量が1.96(mg/cm2)であり、比表面積が1310(m2/g)であった。
[洗浄済み基材の酸化処理]
次に、洗浄済み基材を、酸化性ガス:1%のO2を含むN2、槽内温度:400℃の条件で、恒温槽に1時間設置し、酸化処理を行い(酸化処理工程(E))、酸化処理済み基材の表面の炭素原子濃度(A1)の測定を行った。表2に示すように、炭素原子濃度(A1)は40.87(原子%)であった。
<2回目のCNTの合成>
CNTの形成において水素を含む混合ガスを用いる代わりに、原料ガスのみ用いたこと(水素を用いなかったこと)以外は、実施例1の2回目のCNTの合成と同様にして、触媒担持層、触媒層およびCNTの形成、CNTの回収、使用済み基材の洗浄、CNTの収量および比表面積の測定を行った。表2に示すように、CNT収量が1.91(mg/cm2)であり、比表面積が1285(m2/g)であった。
[洗浄済み基材の酸化処理]
1回目のCNTの合成と同様に、洗浄済み基材を酸化処理し、酸化処理済み基材の表面の炭素原子濃度(A2)の測定を行った。表2に示すように、炭素原子濃度(A2)は46.32(原子%)であった。
<3回目のCNTの合成>
CNTの形成において水素を含む混合ガスを用いる代わりに、原料ガスのみ用いたこと(水素を用いなかったこと)以外は、実施例1の3回目のCNTの合成と同様にして、触媒担持層、触媒層およびCNTの形成、CNTの回収、使用済み基材の洗浄、CNTの収量および比表面積の測定を行った。表2に示すように、CNT収量が1.88(mg/cm2)であり、比表面積が1244(m2/g)であった。
[洗浄済み基材の酸化処理]
1回目のCNTの合成と同様に、洗浄済み基材を酸化処理し、酸化処理済み基材の表面の炭素原子濃度(A3)の測定を行った。表2に示すように、炭素原子濃度(A3)は46.79(原子%)であった。
Example 2
<First synthesis of CNT>
Except for using only the raw material gas (no hydrogen) instead of using a mixed gas containing hydrogen in the formation of CNT, the formation of the catalyst support layer, catalyst layer and CNT, recovery of CNT, cleaning of the used substrate, the yield and specific surface area of CNT, and the carbon atom concentration (A0) of the catalyst layer surface formed on the surface of an unused CNT generating substrate (substrate before CNT formation) were measured in the same manner as in the first CNT synthesis of Example 1. The carbon atom concentration (A0) was 25.61 (atomic %). As shown in Table 2, the CNT yield was 1.96 (mg/ cm2 ) and the specific surface area was 1310 ( m2 /g).
[Oxidation treatment of cleaned substrate]
Next, the cleaned substrate was placed in a thermostatic chamber for 1 hour under the conditions of oxidizing gas: N2 containing 1% O2 , and chamber temperature: 400°C, to carry out oxidation treatment (oxidation treatment step (E)), and the carbon atom concentration (A1) on the surface of the oxidized substrate was measured. As shown in Table 2, the carbon atom concentration (A1) was 40.87 (atomic %).
<Second synthesis of CNT>
Except for using only the raw material gas (no hydrogen) instead of the mixed gas containing hydrogen in the formation of CNT, the formation of the catalyst support layer, catalyst layer and CNT, recovery of CNT, cleaning of the used substrate, and measurement of the CNT yield and specific surface area were carried out in the same manner as in the second CNT synthesis of Example 1. As shown in Table 2, the CNT yield was 1.91 (mg/ cm2 ) and the specific surface area was 1285 ( m2 /g).
[Oxidation treatment of cleaned substrate]
As in the first synthesis of CNT, the washed substrate was oxidized and the carbon atom concentration (A2) on the surface of the oxidized substrate was measured. As shown in Table 2, the carbon atom concentration (A2) was 46.32 (atomic %).
<Third synthesis of CNT>
Except for using only the raw material gas (no hydrogen) instead of the mixed gas containing hydrogen in the formation of CNT, the formation of the catalyst support layer, catalyst layer and CNT, recovery of CNT, cleaning of the used substrate, and measurement of the CNT yield and specific surface area were carried out in the same manner as in the third CNT synthesis in Example 1. As shown in Table 2, the CNT yield was 1.88 (mg/ cm2 ) and the specific surface area was 1244 ( m2 /g).
[Oxidation treatment of cleaned substrate]
As in the first synthesis of CNT, the washed substrate was oxidized and the carbon atom concentration (A3) on the surface of the oxidized substrate was measured. As shown in Table 2, the carbon atom concentration (A3) was 46.79 (atomic %).

(比較例1)
<1回目のCNTの合成>
CNTの形成において水素を含む混合ガスを用いる代わりに、原料ガスのみ用いたこと(水素を用いなかったこと)以外は、実施例1の1回目のCNTの合成と同様にして、触媒担持層、触媒層およびCNTの形成、CNTの回収、使用済み基材の洗浄、CNTの収量および比表面積の測定、並びに、未使用のCNT生成用基材(CNT形成前の基材)の表面上に形成された触媒層表面の炭素原子濃度(A0)および洗浄工程(D)後(水洗洗浄後であって、ウェットブラスト処理前)の使用済み基材の表面の炭素原子濃度(A1)の測定を行った。炭素原子濃度(A0)は23.44(原子%)であった。また表3に示すように、CNT収量が1.65(mg/cm2)であり、比表面積が1411(m2/g)であった。
<2回目のCNTの合成>
CNTの形成において水素を含む混合ガスを用いる代わりに、原料ガスのみ用いたこと(水素を用いなかったこと)以外は、実施例1の2回目のCNTの合成と同様にして、触媒担持層、触媒層およびCNTの形成、CNTの回収、使用済み基材の洗浄、CNTの収量および比表面積の測定を行った。表3に示すように、CNT収量が0.53(mg/cm2)であり、比表面積が635(m2/g)であった。
(Comparative Example 1)
<First synthesis of CNT>
Except for using only the raw material gas (no hydrogen) instead of using a mixed gas containing hydrogen in the formation of CNT, the formation of the catalyst support layer, catalyst layer and CNT, recovery of CNT, cleaning of the used substrate, measurement of the yield and specific surface area of CNT, and measurement of the carbon atom concentration (A0) of the catalyst layer surface formed on the surface of an unused CNT generating substrate (substrate before CNT formation) and the carbon atom concentration (A1) of the surface of the used substrate after the cleaning step (D) (after water washing and before wet blasting treatment) were performed in the same manner as in the first synthesis of CNT in Example 1. The carbon atom concentration (A0) was 23.44 (atomic %). As shown in Table 3, the CNT yield was 1.65 (mg/cm 2 ) and the specific surface area was 1411 (m 2 /g).
<Second synthesis of CNT>
Except for using only the raw material gas (no hydrogen) instead of the mixed gas containing hydrogen in the formation of CNT, the formation of the catalyst support layer, catalyst layer and CNT, recovery of CNT, cleaning of the used substrate, and measurement of the CNT yield and specific surface area were carried out in the same manner as in the second CNT synthesis of Example 1. As shown in Table 3, the CNT yield was 0.53 (mg/ cm2 ) and the specific surface area was 635 ( m2 /g).

Figure 0007631664000001
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Figure 0007631664000002
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Figure 0007631664000003
Figure 0007631664000003

表1,表2に示すように、実施例1および2では、2回目および3回目のCNTの合成におけるCNT形成において、剥離工程(B)の後の、使用済み基材の表面上の使用済み触媒層表面の炭素原子濃度(A1およびA2)がいずれも50原子%未満であり、800m2/g以上の比表面積のCNTが1.0g/cm2以上の収量で得られた。 As shown in Tables 1 and 2, in Examples 1 and 2, in the CNT formation in the second and third CNT syntheses, the carbon atom concentrations (A1 and A2) on the surface of the used catalyst layer on the surface of the used substrate after the peeling process (B) were both less than 50 atomic %, and CNTs with a specific surface area of 800 m2 /g or more were obtained at a yield of 1.0 g/ cm2 or more.

一方、表3に示すように、比較例1では、2回目のCNTの合成におけるCNT形成において、剥離工程(B)の後の、使用済み基材の表面上の使用済み触媒層表面の炭素原子濃度(A1)が50原子%以上であり、得られたCNTの比表面積が800m2/g未満となっているとともに、CNTの収量が1.0g/cm2未満であった。 On the other hand, as shown in Table 3, in Comparative Example 1, in the CNT formation in the second CNT synthesis, the carbon atom concentration (A1) of the surface of the used catalyst layer on the surface of the used substrate after the peeling process (B) was 50 atomic % or more, the specific surface area of the obtained CNT was less than 800 m2 /g, and the CNT yield was less than 1.0 g/ cm2 .

表1、2および3の結果より、CNTを形成後、CNTが剥離された使用済み触媒層の表面の炭素原子濃度が50原子%未満であれば、高品質なCNTを効率的に製造することができることが分かる。 The results in Tables 1, 2, and 3 show that high-quality CNTs can be produced efficiently if the carbon atom concentration on the surface of the used catalyst layer from which the CNTs have been peeled off after CNT formation is less than 50 atomic %.

本発明のCNTの製造方法によれば、高品質なCNTを効率的に製造することができる。 The CNT manufacturing method of the present invention allows for efficient production of high-quality CNTs.

Claims (2)

基材と該基材上に設けられた触媒層とを備えるカーボンナノチューブ生成用基材を用いて、カーボンナノチューブを製造するカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記触媒層上にカーボンナノチューブを形成する第1の形成工程(A)と、
前記触媒層上に形成されたカーボンナノチューブを剥離し、カーボンナノチューブが剥離された前記触媒層を洗浄する剥離工程(B)と、
前記洗浄の後に前記触媒層を研磨処理する研磨処理工程と、
前記研磨処理工程の後に、カーボンナノチューブが剥離された前記触媒層上にカーボンナノチューブを再度形成する第2の形成工程(C)と、を含み、
前記剥離工程(B)において洗浄された前記触媒層の表面の炭素原子濃度が50原子%未満であり、
前記第2の形成工程(C)は、カーボンナノチューブを形成する前に、前記触媒層の表面上に触媒担持層を新たに形成する触媒担持層形成工程と、新たに形成された前記触媒担持層上に触媒層を新たに形成する触媒層形成工程とを含み、新たに形成された触媒層上にカーボンナノチューブを形成する、カーボンナノチューブの製造方法。
A method for producing carbon nanotubes, comprising the steps of: producing carbon nanotubes using a substrate for producing carbon nanotubes, the substrate comprising a substrate and a catalyst layer provided on the substrate;
A first forming step (A) of forming carbon nanotubes on the catalyst layer;
a peeling step (B) of peeling off the carbon nanotubes formed on the catalyst layer and cleaning the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled off;
a polishing step of polishing the catalyst layer after the cleaning;
a second forming step (C) of forming carbon nanotubes again on the catalyst layer from which the carbon nanotubes have been peeled off after the polishing step;
the carbon atom concentration on the surface of the catalyst layer cleaned in the peeling step (B) is less than 50 atomic %;
The second formation step (C) includes a catalyst support layer formation step of newly forming a catalyst support layer on the surface of the catalyst layer before forming carbon nanotubes, and a catalyst layer formation step of newly forming a catalyst layer on the newly formed catalyst support layer, thereby forming carbon nanotubes on the newly formed catalyst layer.
前記第1の形成工程(A)と前記第2の形成工程(C)の少なくとも一方において、カーボンナノチューブの原料ガスと水素とを含む混合ガスを用いてカーボンナノチューブを形成する、請求項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。 2. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1 , wherein in at least one of the first forming step (A) and the second forming step (C), the carbon nanotubes are formed using a mixed gas containing a carbon nanotube raw material gas and hydrogen.
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