超臨界二酸化炭素を原料としたダイヤモンド合成法の開発

以超临界二氧化碳为原料的金刚石合成方法的开发

基本信息

批准号：
20651024
负责人：
渡辺敏行
金额：
$ 2.05万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2010
项目状态：
已结题

项目摘要

従来の主な炭素材料合成法である化学気相合成法(CVD)は数百Pa程度の圧力下で行われるため、原料である炭化水素ガスの単位体積当たりの密度は低く、合成に時間がかかることが問題であった。我々は合成速度を高めるために高密度の超臨界流体を原料として利用することを考えた。超臨界流体とは高拡散性・低粘性の気体の性質と高密度・高溶解性の液体の性質を併せ持っている流体である。超臨界流体を反応媒体のみならず原料として利用し、原料活性種密度を高めることにより、合成時間の短縮が期待される。本研究ではこれまで超臨界CO_2中でRFプラズマを用いて、電極上にナノダイヤモンドを合成することに成功した。今年度はダイヤモンドの生成メカニズムについて検討した。その結果、二酸化炭素を原料としてC_2分子が生成し、これが反応してダイヤモンドに成長していくことが判明した。この際、ダイヤモンド以外にグラファイトも生成するが二酸化炭素が分解して生じる酸素分子により、グラファイトはエッチングされ、ダイヤモンドだけが残ることがわかった。また、白金代替触媒として注目を集めている含窒素カーボンアロイの合成に取り組んだ。電極に非晶質カーボンを用い、雰囲気を超臨界窒素にしてプラズマ放電を行った。その結果、グラファイトはC_2分子に分解され、窒素と反応してCN分子が生成していることを発光スペクトルより確認した。また、電極上に含窒素カーボンアロイが合成できていることをEDX、XPSより明らかにした。

合成碳材料的常规方法是化学蒸气相合成方法（CVD），该方法在大约几百pA的压力下进行，原材料碳氢化合物的密度较低，合成需要时间。我们考虑使用高密度超临界流体作为原材料来提高合成速率。超临界流体是一种液体，将气体具有高扩散性和低粘度的性质与高密度和高可溶性的液体的性质结合在一起。通过不仅将超临界流体作为反应培养基，而且用作原料，并增加活性原材料物质的密度，可以预计合成时间将缩短。在这项研究中，我们在超临界CO_2中使用RF等离子体在电极上成功合成了纳米座。今年，我们讨论了钻石形成的机制。结果，发现使用二氧化碳作为起始材料产生C_2分子，这反应成生长成钻石。在这种情况下，除钻石外还产生了石墨，但发现石墨被二氧化碳分解产生的氧分子蚀刻，仅留下钻石。我们还致力于合成含氮的碳合金，这些碳合金吸引了作为铂替代催化剂的注意力。将无定形碳用于电极，并在将大气变成超临界氮时进行等离子体排放。结果，从发射光谱中证实了石墨被分解为C_2分子，并且CN分子是通过与氮反应产生的。此外，EDX和XPS表明，可以在电极上合成含氮的碳合金。