コンビナトリアル手法による単層カーボンナノチューブ成長の系統的検討と全体像の構築

2006 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18686062
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 野田 優 東京大学, 大学院工学系研究科, 助手 (50312997)
• キーワード: 単層カーボンナノチューブ / 化学蒸着法 / ナノ粒子触媒 / コンビナトリアル手法 / 成長機構 / 核発生と成長 / 体系化 / 高速成長

研究概要

単層カーボンナノチューブ(SWNT)はユニークな特性を有す代表的なナノ材料で、主にナノ粒子触媒を用いた化学蒸着法(CVD)で作られるが、合成技術は未確立である。本研究では開発済みの触媒探索法(CMD)を用い広範な条件を効率的に調べる。反応/触媒条件範囲と現象の対応を整理した上で、(1)触媒ナノ粒子形成と動的変化、(2)触媒粒子構造とSWNT成長モードの関係、(3)酸素源添加の効果、(4)SWNTの核発生と成長を検討、既往の知見もあわせ構造化しSWNT成長の全体像を構築する。
H18年度は、既有の円管型アルコールCVD装置を用いCo-Mo二元系触媒でのSWNT成長を詳細に調べた。異なるグループから異なる最適Co/Mo比が報告されているが、組成・担持量を網羅的に調べたところ、CO不均化で有効な1/2〜1/3、アルコールで有効な8/5の二つの領域が共存し、更に高アルコール分圧ではCoのみの第三の領域で高速成長することを見出した。また、基板加熱型アルコールCVD装置を立ち上げ、誘導期同定を試みた。石英ガラスを基板にCVDを行い上部窓からビデオカメラで観察すると、ヒータを光源として基板の透過率変化を追跡できる。誘導期の定性的な把握を行ったが、SWNT膜自体の固体輻射の影響で定量化には至らなかった。また、新たに円管型エチレンCVD装置も立ち上げ、微量のH_2O添加でSWNTを高速成長させる"super growth"の再現に成功した。触媒をAl_2O_3に担持した時のみ高速成長がおき、H_2Oに加えH_2も重要で、SWNTの高速成長条件は極めて狭いことが分かった。炭化水素改質の触媒能を有すAl_2O_3が炭素の取り込みを加速し、Al_2O_3の炭化失活をH_2OとH_2が抑えると考えられる。触媒の失活も検討、"super growth"ではCVD中のFe触媒の凝集・粗大化が本質的な問題になることが分かった。

研究成果

• [雑誌論文] Millimeter-thick single-walled carbon nanotube forests : hidden role of catalyst support. (2007)
  • 著者名/発表者名: S.Noda, K.Hasegawa, H.Sugime, K.Kakehi, Z.Zhang, S.Maruyama, Y.Yamaguchi
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Lett., Express Letter (in press)
• [雑誌論文] A simple combinatorial method to discover Co-Mo binary catalysts that grow vertically aligned single-walled carbon nanotubes. (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Noda, H.Sugime, T.Osawa, Y.Tsuji, S.Chiashi, Y.Murakami, S.Maruyama
  • 雑誌名: Carbon 44(8) ページ: 1414-1419
• [雑誌論文] Supported Ni catalysts from nominal monolayer grow single-walled carbon nanotubes. (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Kakehi, S.Noda, S.Chiashi, S.Maruyama
  • 雑誌名: Chem.Phys.Lett. 428(4-6) ページ: 381-385
• [雑誌論文] 単層カーボンナノチューブ合成への化学工学的アプローチ (2006)
  • 著者名/発表者名: 野田 優
  • 雑誌名: ケミカル・エンジニヤリング 51(8) ページ: 32-37