触媒化学気相成長法を用いたカーボンナノチューブの合成と評価および生成機構の解明

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本年では以下の2つにテーマに取り組んだ。1)アルコールを用いた触媒化学気相成長法(CVD)による単層カーボンナノチューブ(SWNT)合成におけるさらなる詳細解析昨年に続いて、合成物の詳細構造を透過型電子顕微鏡(TEM)により解析し、構造制御のカギとなる触媒の粒子径とSWNTの直径との間に相関があることが判明した。我々の合成手法では、触媒は反応中に微粒子となりSWNTの束構造の隙間に付着するため、サイズをTEMによって測定することが可能である。昨年の結果より、SWNTの直径を反応圧力の変化により制御できることが判明しているため、各反応圧力(200、400、600Torr)における触媒粒子径を測定した。平均粒子径およびSWNTの平均直径はそれぞれ(6.9,9.9,12.5nm)、(1.08,1.29,1.67nm)となり、触媒粒子径の方がSWNTの平均直径より大きい傾向があった。また、SWNTが触媒粒子から成長している様子をTEMにより観測できた。およそ2〜3倍程度の粒子径から成長しているSWNTが最も多く、それ以外はほとんど観察されなかった。つまり、SWNTは触媒の粒子径と同一のものから必ずしも成長しているわけではないことが明らかになった。今後、もっと大きいサイズの粒子径を抑制するよう合成手法を改良すれば、ランニングコストを考えても十分に大量合成が可能になると考えられる。次に、平均直径が1.67nmのSWNTを使ったフラーレンとのハイブリッド物質ピーポッドの合成を行い、SWNTの内部空間におけるフラーレンの構造を観察した。ピーポッドは単純な大気中熱処理と真空加熱処理により作られ、直径1.4nmのSWNTでは1次元配列、1.6nmでは2次元的配列、2.0nmでは3次元的(らせん構造)配列を見ることができた。これらの性質はバルク状態のものとは異なると予想される。今後、このサイズのみのSWNTの直径を合成することが可能になれば、ナノ空間内に制御された物質の新規な特性の発見につながると考えられる。(なお、この結果は"Carbon"に投稿した)2)産業技術総合研究所との共同研究におけるスーパーグロース手法により合成したSWNTの開口処理評価CVD反応中に水を微量に混入することにより超高効率(長さ1mm:成長時間10min)でSWNTが合成できる手法スーパーグロースにより合成した試料は通常よりも太い直径のSWNTを作ることが可能である。この太い直径のSWNTは理想的なグラファイトシートに近い構造をしており、理想的な吸着材またはエネルギー貯蔵材料として非常に期待できる。スーパーグロースSWNTを大気中熱処理により穴を空け、内外の表面構造を吸着およびTEMなどの解析から始めて捉えることに成功した。生成直後のスーパーグロースSWNTsは1000m2/gの比表面積を持っており、過去最高の値を示した。また開口処理後にはその倍程度の値となり、コンベンショナルな活性炭よりも大きい比表面積値を持っていた(現在執筆中)。今後このスーパーグロースSWNTを使用した電池材料の開発を行い、SWNTを世の中に流通できるような大量合成の開発を同時に行う。