木炭における空隙構造形成の機構

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13460078
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 今村 祐嗣 京都大学, 木質科学研究所, 教授 (70151686)
• 研究分担者: 田中 文男 京都大学, 木質科学研究所, 講師 (10109069) ; 杉山 淳司 京都大学, 木質科学研究所, 助教授 (40183842) ; 畑 俊充 京都大学, 木質科学研究所, 助手 (10243099) ; 菊池 光 エスエスアロイ, 研究開発部, 取締役(研究職)
• キーワード: 木炭 / スギ / 透過型電子顕微鏡 / 空隙構造 / アモルファス構造 / ポーラスシェル構造 / 高配向性積層構造 / ナノ炭素構造

研究概要

炭素材料の物性、機能はその微細構造と表面化学構造に起因する。その中で、炭素六角網面の集合様式により形成される空隙構造は炭素材料の機能性の発現に大きく寄与する。空隙構造を可視化し、その形成機構を明らかにすることは木炭の機能性発現機構を解明するために不可欠である。そこで本年度は、スギ木炭において、その吸着特性や電気的特性が劇的に変化する熱処理温度(HTT)600〜800℃で調製し、さらに1000℃以上の高温で熱処理した試料についてTEM観察を行い、炭素化・黒鉛化過程における空隙構造の形成機構を検討した。
炭素化初期過程で調製したスギ木炭のTEM観察の結果、その微細構造は、アモルファス構造とポーラスシェル構造、高配向性積層構造の大きく三つの微細組織からなることが明らかになった。HTT600℃処理木炭は、アモルファス構造が主体であることから、空隙構造は直径が1nm以下のミクロ孔が中心であることが示された。HTT600〜700℃において、スギ木炭の微細構造は劇的に変化し、HTT700、800℃処理木炭では、アモルファス構造、三次元ネットワーク構造からなるポーラスシェル構造、および高配向性積層構造が顕著に発達していることがわかった。
HTT500〜700℃で木炭化した試料にアルミナ触媒を用いて2200℃までの高温で触媒黒鉛化を行い、純度の高い黒鉛化成型体を得た。成型体の電子顕微鏡学的な解析により、反応の途中で形成されるAl_4C_3の存在がその後の微細構造と空隙構造を決定することが分った。
以上のことから、スギ木炭の微細構造の形成機構解明するためには、木材細胞の壁層構造および主要化学成分が木炭の微細構造に及ぼす影響を調べることが重要であり、さらには機能性材料の設計には電子顕微鏡学的な分析が不可欠であることがわかった

研究成果

• [文献書誌] 石丸謙吾, 畑俊充, 小林恵美子, 今村祐嗣, T.Vystavel, P.Bronsveld, J.Hosson: "炭素化過程におけるスギ木炭の微細構造の解析"第29回炭素材料学会年会要旨集. 76-77 (2002)
• [文献書誌] 黒崎文雄, 石丸謙吾, 畑俊充, 今村祐嗣, 小林恵美子, P.Bronsveld: "急速熱分解法により調製した木質系炭素化物のXPS解析およびTEM観察"第53回日本木材学会大会研究発表要旨集. (2003)
• [文献書誌] K.Ishimaru, T.Hata, Y.Imamura: "Surface characterization of wood charcoal under different carbonization conditions"Wood Research. 89. 31-32 (2002)
• [文献書誌] T.Hata, P.Bronsveld, T.Vystavel, J.DeHosson H.Kikuchi, K.Nishimiya, Y.Imamura: "Study on improvement of graphitization of biomass carbon"Providing for Sustainable Choices, Proceedings of IUFRO -All Division 5 Conference. 241 (2003)
• [文献書誌] T.Hata, P.Bronsveld, T.Vystavel, J.DeHosson, H.Kikuchi, K.Nishimiya, Y.Imamura: "Electron microscopic study on catalytic carbonization of biomass carbon"Proceedings 15th International Congress on Electron Microscopy (JCEM15) Volume Physics and Materials. 231-232 (2002)
• [文献書誌] T.Hata, K.Nishimiya, P.Bronsveld, T.Vystavel, J.DeHosson, H.Kikuchi, Y.Imamura: "Electron microscopic study on catalytic carbonization of biomass carbon : I. Carbonization of wood charcoal at high temperature by Al-triisopropoxide"Molecular Crystals and Liquid Crystals. 386. 33-38 (2002)