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JP2011241104A - Method for producing nanocarbon, multiporous composite metal oxide for producing nanocarbon and apparatus for producing nanocarbon - Google Patents

Method for producing nanocarbon, multiporous composite metal oxide for producing nanocarbon and apparatus for producing nanocarbon Download PDF

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JP2011241104A
JP2011241104A JP2010112629A JP2010112629A JP2011241104A JP 2011241104 A JP2011241104 A JP 2011241104A JP 2010112629 A JP2010112629 A JP 2010112629A JP 2010112629 A JP2010112629 A JP 2010112629A JP 2011241104 A JP2011241104 A JP 2011241104A
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Japan
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catalyst
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metal oxide
gas
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JP2010112629A
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Japanese (ja)
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Koichi Yamaguchi
浩一 山口
Seishiro Kakimoto
誠士郎 柿本
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Vision Development Co Ltd
Original Assignee
Vision Development Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus for producing high quality nanocarbon in a large amount and at low cost.SOLUTION: The nanocarbon can be more inexpensively produced using a catalyst-assisted chemical vapor deposition method by continuously feeding a multiporous composite metal oxide and a hydrocarbon gas from a hopper 25 for feeding a catalyst to a screw conveyor 22 as a reaction tube placed in an electric oven 21 having a catalyst-activating zone 21a heated at 400-1,000°C, a nanocarbon-synthesizing zone 21b and a cooling zone 21c, and continuously taking out the synthesized nanocarbon from a discharge hopper 26. According to the invention, the method and an apparatus for producing the high quality nanocarbon in a large amount at low cost are obtained. In addition, the nanocarbon can be produced at lower cost, as energy can be recovered by effectively using the hydrogen gas generated in the nanocarbon synthesizing zone for power generation by a fuel cell 28b.

Description

本発明は、効率よく、大量・低コスト・高品質のナノカーボンを連続的に製造する方法、この連続的ナノカーボンの製造のための多孔質複合金属酸化物、及び、連続的なナノカーボンの製造装置に関する。   The present invention relates to a method for continuously producing a large amount, low cost, and high quality nanocarbon efficiently, a porous composite metal oxide for the production of the continuous nanocarbon, and a continuous nanocarbon. It relates to a manufacturing apparatus.

ナノカーボンには、カーボンブラック、ナノカーボンファイバー、カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)、カップスタックチューブ、カーボンナノホーン等が含まれる。これらのナノカーボンは、化学的安定性、高い電子伝導性、高い電子放出能、高い弾性率等の種々の優れた物性を有している。ナノカーボンは、前述のような物性を利用して、電界放出型電子放出素子、走査型プローブ顕微鏡用のプローブ、触媒、構造強化材料、電池の電極、センサー材料など各種応用の可能性が期待されている。   Nanocarbon includes carbon black, nanocarbon fiber, carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube (MWCNT), cup stack tube, carbon nanohorn and the like. These nanocarbons have various excellent physical properties such as chemical stability, high electron conductivity, high electron emission ability, and high elastic modulus. Nanocarbons are expected to be used in various applications such as field emission electron-emitting devices, probes for scanning probe microscopes, catalysts, structural reinforcement materials, battery electrodes, and sensor materials using the physical properties described above. ing.

これらのナノカーボンの製造方法としては、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学的気相成長法などが知られている。カーボンナノチューブの量産方法の一つとしては、流動触媒法が知られている。流動触媒法は、触媒微粒子を分散させたベンゼンやトルエンなど原料炭化水素を水素と共に約1000℃に加熱した反応器に送り、反応させてMWCNTを得る方法である。一方、カーボンブラックは、充填材、顔料等に用いられており、原料炭化水素を300〜1800℃の高温で数msの瞬時に炭素化して、直径7〜500nmの黒色の微粒子とすることにより製造される。その製造方法としては、ファーネス法、チャンネル法、アセチレン法、サーマル法、ランプ法等が用いられている。   As a method for producing these nanocarbons, an arc discharge method, a laser evaporation method, a chemical vapor deposition method and the like are known. As one of mass production methods of carbon nanotubes, a fluid catalytic method is known. The fluid catalyst method is a method in which raw material hydrocarbons such as benzene and toluene in which catalyst fine particles are dispersed are sent together with hydrogen to a reactor heated to about 1000 ° C. and reacted to obtain MWCNT. On the other hand, carbon black is used for fillers, pigments, etc., and is produced by instantly carbonizing raw material hydrocarbons at a high temperature of 300-1800 ° C. for a few ms to form black fine particles having a diameter of 7-500 nm. Is done. As the manufacturing method, furnace method, channel method, acetylene method, thermal method, lamp method and the like are used.

例えば、下記特許文献1には、「カーボンナノチューブの製造方法および製造装置」の発明に関し、操作が簡便な化学蒸着法(CVD法)を用い、固体触媒と炭素含有化合物を500〜1200℃で効率良く接触させるために、加熱炉内に設置した反応管を回転させて固体触媒を撹拌し、固体触媒と炭素含有化合物を均一に接触できる装置や、反応管を傾斜させて回転することにより固体触媒と原料炭素含有化合物を連続的に供給し、生成したカーボンナノチューブを連続して抜き出す装置を用いることで、さらに効率よくカーボンナノチューブが製造できるようにした例が示されている。   For example, Patent Document 1 below relates to the invention of “Method and Apparatus for Producing Carbon Nanotubes” and uses a chemical vapor deposition method (CVD method) that is easy to operate, and the efficiency of a solid catalyst and a carbon-containing compound at 500 to 1200 ° C. In order to make good contact, the reaction tube installed in the heating furnace is rotated to stir the solid catalyst, and the solid catalyst can be uniformly contacted with the solid catalyst and the carbon-containing compound. And an example in which carbon nanotubes can be produced more efficiently by using a device that continuously supplies raw material carbon-containing compounds and continuously extracts the generated carbon nanotubes.

下記特許文献1に示されているカーボンナノチューブを製造する装置80は、例えば、図12に示したように、水平あるいは水平に対してわずかに傾斜した軸の周りに回転する筒状の反応管81を加熱炉82で所定の温度に維持し、反応管81の前又は後に、スクリューポンプ83で固体触媒を導入する供給口84と、炭素含有化合物を導入する供給口85と、カーボンナノチューブが付着した固体触媒を抜き出す製品取り出し口86と、排気口87とを備えている。このカーボンナノチューブを製造する装置80によれば、反応管81内に連続的に固体触媒と炭素含有化合物を供給することが可能になり、反応管81を回転させることで固体触媒が撹拌されて効率よく生産でき、しかもカーボンナノチューブが連続的に大量生産できる装置となる。   An apparatus 80 for producing carbon nanotubes disclosed in the following Patent Document 1 includes a cylindrical reaction tube 81 that rotates around an axis that is slightly inclined with respect to the horizontal or horizontal, for example, as shown in FIG. Was maintained at a predetermined temperature in the heating furnace 82, and before or after the reaction tube 81, a supply port 84 for introducing a solid catalyst with a screw pump 83, a supply port 85 for introducing a carbon-containing compound, and carbon nanotubes adhered. A product take-out port 86 for taking out the solid catalyst and an exhaust port 87 are provided. According to the apparatus 80 for producing the carbon nanotube, the solid catalyst and the carbon-containing compound can be continuously supplied into the reaction tube 81, and the solid catalyst is agitated by rotating the reaction tube 81, thereby improving the efficiency. It is an apparatus that can be produced well and that can continuously mass-produce carbon nanotubes.

そして、下記特許文献1には、固体触媒は固体担体表面に触媒金属を担持したものであればどのようなものでも良いとされ、固体担体としては、有機物でも無機物でも良いが、耐熱性の観点から無機物が好ましいこと、無機の固体担体としては、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化チタン、ケイ酸塩、珪藻土、アルミノシリケート、層状化合物、ゼオライト、活性炭、グラファイトなどを用いることができること、中でも触媒金属が均一に担持できる無機多孔体が好ましいこと、無機多孔体の中でも細孔径や骨格組成が均一であるという点でゼオライトが好ましいこと等が示されている。   In Patent Document 1 below, the solid catalyst may be any catalyst as long as the catalyst metal is supported on the surface of the solid support. The solid support may be either an organic substance or an inorganic substance. Inorganic materials are preferable, and silica, alumina, magnesium oxide, titanium oxide, silicate, diatomaceous earth, aluminosilicate, layered compound, zeolite, activated carbon, graphite, etc. can be used as the inorganic solid support, among which catalytic metals It is indicated that an inorganic porous material that can be uniformly supported is preferable, and that among zeolites, zeolite is preferable in that the pore diameter and the skeleton composition are uniform.

また、下記特許文献2には、「カーボンナノチューブの連続製方法および製造装置」の発明に関し、操作が簡便な化学蒸着法(CVD法)を用い、炭素含有化合物と搬送装置に保持した固体触媒を加熱炉内に連続的に供給し、加熱炉内の500〜940℃に加熱された温度帯域にて搬送装置に保持した固体触媒と炭素含有化合物を接触させてカーボンナノチューブを生成し、加熱炉内を通過して出てきた搬送装置に保持されたカーボンナノチューブを連続的に回収するようにしたものが示されている。   Patent Document 2 below relates to the invention of “a continuous production method and production apparatus for carbon nanotubes”, and uses a chemical vapor deposition method (CVD method) that is easy to operate, and a carbon-containing compound and a solid catalyst held on a carrier device. The carbon nanotube is produced by bringing the solid catalyst held in the conveying device into contact with the carbon-containing compound in the temperature zone heated to 500 to 940 ° C. in the heating furnace to produce carbon nanotubes. In the figure, carbon nanotubes held by the transfer device that has passed through the container are continuously collected.

下記特許文献2に示されているカーボンナノチューブを製造する装置90は、例えば図13に示したように、搬送装置91として無端ベルト型ベルトコンベヤーを設け、固体触媒加熱炉92の前または後に炭素含有化合物を導入する供給口93と排気口94を設け、雰囲気ガスの流入を防止する機能として不活性ガスカーテン95を設けることで加熱炉92内への雰囲気ガス流入を防止できるようにし、また、加熱炉92の前に固体触媒を導入する供給口96を設け、予め容器97に固体触媒を保持して、加熱炉92に搬送している。これにより、搬送装置91に保持した固体触媒に炭素含有化合物を供給することが可能となっている。そして、搬送装置91は、例えば、昇温域92a、反応域92b、冷却域92cの3つのそれぞれ独立に制御できる速度域を設け、加熱炉92の温度帯域も、昇温域92a、反応域92b、冷却域92cでそれぞれ独立に制御できるようにしている。   An apparatus 90 for producing carbon nanotubes shown in the following Patent Document 2 is provided with an endless belt type belt conveyor as a conveying apparatus 91 as shown in FIG. 13, for example, and contains carbon before or after the solid catalyst heating furnace 92. A supply port 93 for introducing a compound and an exhaust port 94 are provided, and an inert gas curtain 95 is provided as a function for preventing the inflow of the atmospheric gas, so that the inflow of the atmospheric gas into the heating furnace 92 can be prevented. A supply port 96 for introducing a solid catalyst is provided in front of the furnace 92, and the solid catalyst is held in advance in a container 97 and conveyed to the heating furnace 92. As a result, the carbon-containing compound can be supplied to the solid catalyst held in the transport device 91. The transfer device 91 is provided with, for example, three temperature regions that can be independently controlled: a temperature rising region 92a, a reaction region 92b, and a cooling region 92c, and the temperature range of the heating furnace 92 is also the temperature rising region 92a and reaction region 92b. The cooling area 92c can be controlled independently.

下記特許文献2に示されている発明で用いられている固体触媒は、固体担体表面に触媒金属を担持したものであれば特に制限はなく、固体担体としては有機物でも無機物でも良いが、耐熱性の観点から無機物が好ましいこと、無機の固体担体としては、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化チタン、ケイ酸塩、珪藻土、アルミノシリケート、層状化合物、ゼオライト、活性炭、グラファイトなどを用いることができること、中でも触媒金属が均一に担持できる無機多孔体が好ましいこと、無機多孔体の中でも細孔径や骨格組成が均一であるという点でゼオライトが好ましいことが示されている。   The solid catalyst used in the invention shown in the following Patent Document 2 is not particularly limited as long as the catalyst metal is supported on the surface of the solid support, and the solid support may be organic or inorganic. In view of the above, an inorganic substance is preferable, and as an inorganic solid support, silica, alumina, magnesium oxide, titanium oxide, silicate, diatomaceous earth, aluminosilicate, layered compound, zeolite, activated carbon, graphite, etc. can be used, It has been shown that an inorganic porous body capable of uniformly supporting the catalyst metal is preferable, and that the zeolite is preferable in that the pore diameter and the skeleton composition are uniform among the inorganic porous bodies.

なお、ゼオライトとは、分子サイズの細孔径を有した結晶性無機酸化物であり、分子サイズとは、一般的には、0.2から2nm程度の範囲を意味し、結晶性シリケート、結晶性アルミノシリケート、結晶性メタロシリケート、結晶性アルミノフォスフェート、あるいは結晶性メタロアルミノフォスフェート等で構成された結晶性マイクロポーラス物質のことである。   Zeolite is a crystalline inorganic oxide having a pore size of molecular size, and the molecular size generally means a range of about 0.2 to 2 nm, crystalline silicate, crystalline It is a crystalline microporous material composed of aluminosilicate, crystalline metallosilicate, crystalline aluminophosphate, crystalline metalloaluminophosphate, or the like.

また、下記特許文献3には、「多層カーボンナノチューブの大量生産方法」の発明に関し、担持された金属触媒の、予め還元されておらず、かつ担持されていない前駆体を、前記触媒のその場での生産と前記ナノチューブの生産とを可能にする条件下でその場で還元し、さらに、得られたナノチューブを回収することからなる炭化水素の接触分解からの多層カーボンナノチューブの選択的大量生産方法の発明が開示されている。そして、ここで使用されている担持されていない前駆体としては、CoMg(1−x)O固溶体が使用され、炭化水素としてはキャリヤーガスで稀釈されたアセチレンガスが使用されている。 Further, Patent Document 3 below relates to the invention of “Method for mass production of multi-walled carbon nanotubes”, in which an unreduced and unsupported precursor of a supported metal catalyst is used in situ for the catalyst. Process for selective mass production of multi-walled carbon nanotubes from catalytic cracking of hydrocarbons, comprising reducing in situ under conditions that allow for production in water and production of said nanotubes, and recovering the resulting nanotubes The invention is disclosed. The unsupported precursor used here is a Co x Mg (1-x) 2 O solid solution, and the hydrocarbon is acetylene gas diluted with a carrier gas.

また、下記特許文献4には、「気相成長法炭素繊維製造用触媒および炭素繊維の製造方法」の発明に関し、気相成長法による炭素繊維製造用触媒として、少なくとも水溶性8族金属化合物と、有機化合物とを含む混合物を焼成してなる、8族金属酸化物を含有する気相成長法炭素繊維製造用触媒であって、8族金属酸化物における非晶質8族金属酸化物が10重量%以上で、且つ全金属酸化物における結晶質金属酸化物が85重量%以下であるものを用いた例が示されている。   Patent Document 4 listed below relates to the invention of “Catalyst for Vapor Deposition Method Carbon Fiber Production and Method for Producing Carbon Fiber”, and at least a water-soluble Group 8 metal compound as a catalyst for carbon fiber production by the vapor phase growth method. A catalyst for vapor phase growth carbon fiber production containing a group 8 metal oxide, which is obtained by firing a mixture containing an organic compound, wherein the amorphous group 8 metal oxide in the group 8 metal oxide is 10 An example is shown in which the weight ratio is 85% by weight or more and the crystalline metal oxide in the total metal oxide is 85% by weight or less.

この場合、8族金属化合物と、8族以外の金属化合物とのモル比は、金属換算の合計量に対して、8族金属が10モル%以上あればよく、中でも15モル%以上、特に20モル%以上であることが好ましく、その上限は50モル%以下、中でも40モル%以下であることが好ましいとされている。なお、下記特許文献4に開示されている発明における「炭素繊維」とは、カーボンナノファイバー(カーボンナノチューブ)と称される、直径が1μm以下の炭素繊維を意味している。   In this case, the molar ratio between the Group 8 metal compound and the metal compound other than Group 8 may be 10 mol% or more, particularly 15 mol% or more, particularly 20 with respect to the total metal equivalent. The upper limit is preferably 50 mol% or less, more preferably 40 mol% or less. In addition, the “carbon fiber” in the invention disclosed in the following Patent Document 4 means a carbon fiber called a carbon nanofiber (carbon nanotube) having a diameter of 1 μm or less.

一方、水素ガスは基礎化学品の製造に用いられる基本的な原料であるとともに一次エネルギーの重要な一形態である。現在、工業用水素ガスの大半はナフサや天然ガス等の炭素質原料からの水蒸気改質法もしくは部分酸化法により製造されている。例えば、水蒸気改質法は、ナフサ級軽質油、天然ガス(メタン)、石油精製オフガス(メタン、プロパン、ブタン)等の比較的軽量の炭化水素原料を5〜20気圧、700〜850℃の高温下で触媒上において水蒸気と反応させて、一酸化炭素、二酸化炭素及び水素の混合物である合成ガスを発生させるものである。また、部分酸化法は、炭化水素を酸素もしくは空気及び水蒸気と共に、常圧〜50気圧、1300℃程度で反応させて水素と一酸化炭素等の混合物である合成ガスを発生させるものである。   On the other hand, hydrogen gas is a basic raw material used in the production of basic chemicals and is an important form of primary energy. Currently, most of industrial hydrogen gas is produced by a steam reforming method or a partial oxidation method from a carbonaceous raw material such as naphtha or natural gas. For example, in the steam reforming method, a relatively light hydrocarbon raw material such as naphtha grade light oil, natural gas (methane), and refined petroleum offgas (methane, propane, butane) is used at a high temperature of 5 to 20 atmospheres and 700 to 850 ° C. The catalyst is reacted with water vapor on the catalyst to generate a synthesis gas which is a mixture of carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen. In the partial oxidation method, hydrocarbon is reacted with oxygen or air and water vapor at normal pressure to 50 atm and about 1300 ° C. to generate synthesis gas which is a mixture of hydrogen and carbon monoxide.

近年、炭化水素原料を高温下で触媒と接触させることによって、ナノカーボンと共に水素ガスを得る方法が開発された。例えば、下記特許文献5には、「水素の製造方法の使用」の発明に関し、ガソリンスタンドにおいて、供給される炭化水素含有供給ガスを改質装置内で触媒と接触させることによって水素ガスとナノカーボンを製造し、得られた水素ガスを貯蔵して消費者に出荷分配する方法が示されている。ここでは、炭化水素原料としてハイタン(例えば、天然ガス又はメタン)を用い、触媒としてVIII族の遷移元素、好ましくはFe、Ni、Co、Moから選択される少なくとも1種と、アルカリ土類金属酸化物、ケイ素、酸化ケイ素から選択される少なくとも1種とを含む複合触媒が用いられている。   In recent years, a method has been developed for obtaining hydrogen gas together with nanocarbon by bringing a hydrocarbon feedstock into contact with a catalyst at a high temperature. For example, Patent Document 5 below relates to the invention of “use of a method for producing hydrogen” and relates to hydrogen gas and nanocarbon by bringing a hydrocarbon-containing supply gas supplied into contact with a catalyst in a reformer at a gas station. A method is shown in which the produced hydrogen gas is stored and shipped to consumers for distribution. Here, hytan (for example, natural gas or methane) is used as the hydrocarbon raw material, and at least one selected from Group VIII transition elements, preferably Fe, Ni, Co, and Mo, as the catalyst, and alkaline earth metal oxidation And a composite catalyst containing at least one selected from silicon, silicon oxide.

下記特許文献5に示されている発明では、SiOを含有するCo、Ni及びFeの触媒、又はNi、Fe及びNi/Feを含有する水酸化物若しくは酸化物の粉末は、水、アルコール、アセトン又は任意の他の適切な溶剤に分散した金属水酸化物の「上」にSiOを沈殿させることにより得られる。SiOは、塩基(例えば、NH/HO)を加えてテトラオキシシラン(TEOS)を分解することにより、水酸化物上に直接に沈積する。さらなる形状では、半化学量論的なSiO‐Ni(OH)、SiO‐Fe(OH)又はSiO‐Ni/Fe水酸化物が、塩基を加えたときの直接的な、同時の沈殿により一工程で得られる。その場合でも、注目すべきは、複合触媒の主成分がVIII族の遷移金属であり、それは50mol%を超える割合で、好ましくは80mol%を超える割合で、さらに好ましくは90mol%を超える割合で少なくとも存在する。 In the invention as shown in Patent Document 5, Co containing SiO 2, Ni and Fe catalyst, or Ni, a powder of a hydroxide or oxide containing Fe and Ni / Fe is water, an alcohol, Obtained by precipitating SiO 2 "on" a metal hydroxide dispersed in acetone or any other suitable solvent. SiO 2 is deposited directly on the hydroxide by adding a base (eg, NH 3 / H 2 O) to decompose tetraoxysilane (TEOS). In a further form, substoichiometric SiO 2 —Ni (OH) 2 , SiO 2 —Fe (OH) 3, or SiO 2 —Ni / Fe hydroxide can be directly or simultaneously added to the base. Is obtained in one step by precipitation. Even in that case, it should be noted that the main component of the composite catalyst is a Group VIII transition metal, which is at least in a proportion exceeding 50 mol%, preferably exceeding 80 mol%, more preferably exceeding 90 mol%. Exists.

この触媒は、使用前に還元性雰囲気に曝されて遷移金属成分のみが金属に還元されている。この複合触媒は、最初に予熱区間に導かれ、加熱区間で500〜1000℃の操作温度に加熱されて供給ガスが水素ガスとナノカーボンに分解され、次いで冷却区間で冷却される。得られたガス中には水素ガスだけでなく、未分解の炭化水素ガスが含まれているため、必要に応じてPSAプラント等によって水素ガスが分離され、使用に供されるようになっている。   This catalyst is exposed to a reducing atmosphere before use, and only the transition metal component is reduced to a metal. This composite catalyst is first led to the preheating zone, heated to an operating temperature of 500 to 1000 ° C. in the heating zone, the feed gas is decomposed into hydrogen gas and nanocarbon, and then cooled in the cooling zone. Since the obtained gas contains not only hydrogen gas but also undecomposed hydrocarbon gas, the hydrogen gas is separated by a PSA plant or the like and used for use as necessary. .

特開2003−252613号公報JP 2003-252613 A 特開2003−238125号公報JP 2003-238125 A 特開2003−206117号公報JP 2003-206117 A 特開2006−181477号公報JP 2006-181477 A 特表2009−513466号公報Special table 2009-513466 gazette

上記特許文献1及び2に示されている発明によれば、一応、カーボンナノチューブを連続的に多量に製造することができるが、固体触媒は予め固体担体に触媒金属を担持させたものを用いている。このような触媒金属を予め固体担体に担持させたものでは、固体触媒の製造後の時間経過と共に触媒金属が変質するため、物性が安定したカーボンナノチューブを製造し難く、しかも収量が安定しないという課題がある。加えて、固体触媒は触媒金属の担持量が多くなると触媒活性が向上するが、多量の金属を均等に担持させることは困難であり、しかも、触媒金属同士が重なると触媒活性が低下していくため、触媒金属の担持量は約10質量%程度が普通であり、多くても約20質量%程度しか担持させることができず、収量を上げることが困難である。   According to the inventions disclosed in Patent Documents 1 and 2 above, it is possible to produce a large amount of carbon nanotubes continuously. However, the solid catalyst is obtained by previously supporting a catalyst metal on a solid support. Yes. In the case where such a catalytic metal is previously supported on a solid support, the catalytic metal changes with the passage of time after the production of the solid catalyst, so that it is difficult to produce carbon nanotubes with stable physical properties and the yield is not stable. There is. In addition, the catalytic activity of the solid catalyst increases as the amount of the catalytic metal increases, but it is difficult to uniformly support a large amount of metal, and the catalytic activity decreases when the catalytic metals overlap. For this reason, the amount of catalyst metal supported is usually about 10% by mass, and only about 20% by mass at most can be supported, making it difficult to increase the yield.

また、上記特許文献3に示されている発明によれば、触媒として、担持された金属触媒の、予め還元されておらず、かつ担持されていない前駆体とアセチレンガスを用いて、金属触媒の還元と多層カーボンナノチューブの形成とを同時に行っているため、担持されていない前駆体に対して気相中での予備還元又は水素の添加を必要とせず、しかも、低温で、多層カーボンナノチューブを選択的に大量に生産することができるという効果を奏するとされている。   Further, according to the invention shown in the above-mentioned Patent Document 3, as a catalyst, a metal catalyst that has not been previously reduced and that is not supported and an acetylene gas is used. Since reduction and multi-walled carbon nanotube formation are performed simultaneously, pre-reduction in the gas phase or addition of hydrogen is not required for unsupported precursors, and multi-walled carbon nanotubes are selected at low temperatures It is said that there is an effect that it can be produced in large quantities.

しかしながら、上記特許文献3には、炭化水素原料としてアセチレンを用いた例しか示されていないばかりか、触媒として、硝酸マグネシウム六水和物(10mmol)と硝酸コバルト六水和物(6mmol)とクエン酸(10mmol)を用いて窒素流下で700℃で5時間焼成して作製したCo0.4Mg0.6O固溶体を用いた例しか示されておらず、しかも、触媒の作製に際して焼成を空気中で行うと触媒活性が生じないことが示されている。さらに、上記特許文献3には、他の炭化水素原料や他の組成の触媒を用いることができるかどうかについては何も明らかにされておらず、また、多層カーボンナノチューブを大量に生産するための具体的な製造装置の構成は何も示されていない。 However, Patent Document 3 only shows an example using acetylene as a hydrocarbon raw material, and magnesium nitrate hexahydrate (10 mmol), cobalt nitrate hexahydrate (6 mmol), and citric acid are used as catalysts. Only examples using a Co 0.4 Mg 0.6 O solid solution prepared by calcination at 700 ° C. for 5 hours under nitrogen flow using an acid (10 mmol) are shown, and the calcination is performed during the preparation of the catalyst. It has been shown that catalytic activity does not occur when run in. Furthermore, Patent Document 3 does not disclose anything about whether other hydrocarbon raw materials or catalysts having other compositions can be used, and for producing a large number of multi-walled carbon nanotubes. No specific manufacturing apparatus configuration is shown.

また、上記特許文献4に示されている発明によれば、触媒として、8族金属酸化物における非晶質8族金属酸化物が10重量%以上で、且つ全金属酸化物における結晶質金属酸化物が85重量%以下であるものを用いた例が示されており、8族金属化合物と、8族以外の金属化合物とのモル比は、金属換算の合計量に対して、8族金属が50モル%以下、中でも40モル%以下であることが好ましいとされている。この触媒は、予め還元雰囲気下で活性化した後、あるいは還元性ガスと共に炭素繊維原料ガスと接触させて使用するものである。しかしながら、上記特許文献4には、炭素繊維を生産するための具体的な製造装置の構成は何も示されていない。   In addition, according to the invention disclosed in Patent Document 4 above, as a catalyst, the amorphous group 8 metal oxide in the group 8 metal oxide is 10% by weight or more, and the crystalline metal oxide in the total metal oxide is used. An example in which the product is 85% by weight or less is shown, and the molar ratio between the group 8 metal compound and the metal compound other than group 8 is that of the group 8 metal relative to the total amount in terms of metal. It is said that it is preferably 50 mol% or less, particularly 40 mol% or less. This catalyst is used after being previously activated in a reducing atmosphere or in contact with a carbon fiber raw material gas together with a reducing gas. However, the above-mentioned Patent Document 4 does not show any specific configuration of a manufacturing apparatus for producing carbon fiber.

上記特許文献5に示されている発明では、触媒は、予熱区間、加熱区間、冷却区間と順次移送され、最初に予熱区間に導かれ、次に加熱区間で500〜1000℃の操作温度に加熱されて供給ガスが水素ガスとナノカーボンに分解されるようになっており、連続的に大量にナノカーボンを製造できると共に、水素ガスを消費者に供給できるようになされている。しかしながら、上記特許文献5に示されている発明で使用されている複合触媒は、使用前に還元性雰囲気に曝されて遷移金属成分のみが金属に還元されているため、上記特許文献1及び2に示されている発明と同様の課題が存在する。また、上記特許文献5に示されている複合触媒の形態はSiOの場合には高価なTEOSにより生成したSiO微粒子により触媒粒子を分離しているので製造コストが高くなる。さらに、合成したナノカーボンと複合触媒を分離するためフッ化水素などの危険な薬品を使用しなければならないという課題も存在する。 In the invention disclosed in Patent Document 5, the catalyst is sequentially transferred to a preheating section, a heating section, and a cooling section, first led to the preheating section, and then heated to an operating temperature of 500 to 1000 ° C. in the heating section. As a result, the supply gas is decomposed into hydrogen gas and nanocarbon, so that nanocarbon can be continuously produced in large quantities, and hydrogen gas can be supplied to consumers. However, since the composite catalyst used in the invention disclosed in Patent Document 5 is exposed to a reducing atmosphere before use and only the transition metal component is reduced to metal, the above-mentioned Patent Documents 1 and 2 are used. The same problem as that of the invention shown in FIG. Further, the form of a composite catalyst as shown in Patent Document 5 manufacturing cost since separating the catalyst particles is increased by SiO 2 particles produced by expensive TEOS in the case of SiO 2. Further, there is a problem that a dangerous chemical such as hydrogen fluoride must be used to separate the synthesized nanocarbon and the composite catalyst.

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであり、効率よく、大量・低コスト・高品質のナノカーボンを連続的に製造する方法、この連続的ナノカーボンの製造のための多孔質複合金属酸化物、及び、連続的なナノカーボンの製造装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and is an efficient method for continuously producing a large amount, low cost, and high quality nanocarbon. An object of the present invention is to provide a porous composite metal oxide for production and an apparatus for producing continuous nanocarbon.

本発明の上記目的は以下の構成により達成し得る。すなわち、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法は、触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンを有する炉内に設置した反応管内に多孔質複合金属酸化物と炭化水素ガスを連続的に供給し、触媒活性化ゾーンにおいて、炭化水素ガス又は別途供給される還元性ガスにより多孔質複合金属酸化物の一部が金属化した活性触媒体を得、ナノカーボン合成ゾーンにおいて炭化水素ガスと活性触媒体と接触させてナノカーボンを連続的に合成し、得られたナノカーボンと活性触媒体との複合体を冷却ゾーンを経て反応管内より取り出すことを特徴とする。   The above object of the present invention can be achieved by the following configurations. That is, the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method according to the present invention comprises a porous composite metal oxidation in a reaction tube installed in a furnace having a catalyst activation zone, a nanocarbon synthesis zone and a cooling zone. In the catalyst activation zone, an active catalyst body in which a part of the porous composite metal oxide is metalized with a hydrocarbon gas or a separately supplied reducing gas is obtained in the catalyst activation zone. It is characterized by continuously synthesizing nanocarbon by contacting hydrocarbon gas and active catalyst in the carbon synthesis zone, and taking out the resulting composite of nanocarbon and active catalyst from the reaction tube through the cooling zone. To do.

本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法では、活性化された触媒を得る前の材料として多孔質複合金属酸化物を用いている。この多孔質複合金属酸化物は、従来例の触媒のように担体の表面に触媒となる物質が担持されたものではなく、均質な化合物である。しかも、多孔質複合金属酸化物は化学的に安定な化合物であるため、製造後に保存しておいても劣化し難い。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, a porous composite metal oxide is used as a material before obtaining an activated catalyst. The porous composite metal oxide is not a material on which the catalyst is supported on the surface of the carrier like the conventional catalyst, but is a homogeneous compound. Moreover, since the porous composite metal oxide is a chemically stable compound, it is difficult to deteriorate even if it is stored after production.

そして本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法では、この多孔質複合金属酸化物に対して、触媒活性化ゾーンにおいて、炭化水素ガス又は別途供給される還元性ガスによって多孔質複合金属酸化物の一部が金属化した活性触媒体を得て、ナノカーボン合成ゾーンにおいて炭化水素ガスと活性触媒体と接触させている。このような構成を採用すると、触媒活性化ゾーンにおいて得られた多孔質複合金属酸化物の一部が金属化した活性触媒体は、触媒活性が良好な状態で直ちにナノカーボン合成ゾーンにおいて炭化水素ガスと接触するため、高効率でナノカーボンと活性触媒体との複合体を合成することができるようになる。なお、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法で得られたナノカーボンと活性触媒体との複合体からは、従来例の場合と同様にして、容易にナノカーボンを分離することができる。   In the continuous nanocarbon production method by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, a hydrocarbon gas or a reducing gas separately supplied in the catalyst activation zone for the porous composite metal oxide. Thus, an active catalyst body in which a part of the porous composite metal oxide is metallized is obtained and brought into contact with the hydrocarbon gas and the active catalyst body in the nanocarbon synthesis zone. When such a configuration is adopted, the active catalyst body in which a part of the porous composite metal oxide obtained in the catalyst activation zone is metallized is immediately converted into a hydrocarbon gas in the nanocarbon synthesis zone with good catalytic activity. Therefore, the composite of nanocarbon and active catalyst can be synthesized with high efficiency. In addition, from the composite of nanocarbon obtained by the continuous nanocarbon production method by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention and the active catalyst body, the nanocarbon can be easily prepared in the same manner as in the conventional example. Carbon can be separated.

しかも、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法では、触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンを有する炉内に設置した反応管内に多孔質複合金属酸化物と炭化水素ガスを連続的に供給して、ナノカーボンを生成させているから、ナノカーボン合成ゾーンにおいて非常に高純度の水素ガスを得ることができ、この水素ガスを有効利用することによって、低コスト化を達成することができる。加えて、触媒活性化ゾーンでは、ナノカーボン合成ゾーンよりも低温とすることができるので触媒活性化ゾーンでナノカーボンが副成し難く、しかも、ナノカーボン合成ゾーンで集中的にナノカーボンを生成させることができるので、高品質のナノカーボンと活性触媒体との複合体を連続的に製造することができるようになる。   Moreover, in the continuous nanocarbon production method by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the porous composite metal oxidation is performed in a reaction tube installed in a furnace having a catalyst activation zone, a nanocarbon synthesis zone, and a cooling zone. Since the nanocarbon is generated by continuously supplying the product and the hydrocarbon gas, it is possible to obtain a very high purity hydrogen gas in the nanocarbon synthesis zone, and by effectively using this hydrogen gas, Cost reduction can be achieved. In addition, since the catalyst activation zone can be made at a lower temperature than the nanocarbon synthesis zone, it is difficult for the carbon to be formed as a by-product in the catalyst activation zone, and moreover, nanocarbon is generated intensively in the nanocarbon synthesis zone. Therefore, a composite of high quality nanocarbon and an active catalyst can be continuously produced.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記多孔質複合金属酸化物として、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムから選択される少なくとも1つの第1種の金属の酸化物と、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステンから選択される少なくとも1つの第2種の金属の酸化物と、から構成された多孔質複合金属酸化物であり、前記第2種の金属の酸化物の含有割合は前記多孔質複合金属酸化物の総質量に対して50〜95質量%の範囲のものを使用することが好ましい。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the porous composite metal oxide is at least one first type selected from magnesium, calcium, strontium, and barium. A porous composite metal oxide composed of an oxide of the metal and an oxide of at least one second metal selected from manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, and tungsten, The content ratio of the second type metal oxide is preferably 50 to 95% by mass with respect to the total mass of the porous composite metal oxide.

本発明で使用している多孔質複合金属酸化物中の第1種の金属の酸化物は炭化水素ガスや還元性ガスによっては還元され難いが、第2種の金属の酸化物は炭化水素ガスや還元性ガスによって容易に還元されて金属になり易く、しかも還元された第2種の金属はナノカーボン生成用触媒として周知のものである。そのため、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法によれば、第1種の金属の酸化物によって多孔性を維持しながら、還元された第2種の金属超微粒子が孤立存在する状態となるので、触媒活性が良好なナノカーボン製造用触媒となる。   The oxide of the first type metal in the porous composite metal oxide used in the present invention is difficult to be reduced by a hydrocarbon gas or a reducing gas, but the oxide of the second type metal is a hydrocarbon gas. In addition, the second metal that is easily reduced to a metal by reduction with a reducing gas is well known as a catalyst for producing nanocarbon. Therefore, according to the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the reduced second type metal superoxide while maintaining the porosity by the first type metal oxide. Since the fine particles are isolated, the catalyst for nanocarbon production having good catalytic activity is obtained.

この場合、前記多孔質複合金属酸化物として、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムから選択される少なくとも1つの第1種の金属の水溶性化合物と、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステンから選択される少なくとも1つの第2種の金属の水溶性化合物と、酒石酸、システイン、アルギニン、グリシン、アラニン、ロイシンから1つ以上の融点が200℃から300℃の有機化合物と、水と、を混合し、400℃〜700℃で空気中焼成して作製したものを用いることができる。   In this case, as the porous composite metal oxide, a water-soluble compound of at least one first metal selected from magnesium, calcium, strontium, and barium, and manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, tungsten A water-soluble compound of at least one second metal selected from the group consisting of tartaric acid, cysteine, arginine, glycine, alanine and leucine, an organic compound having a melting point of 200 ° C. to 300 ° C., and water. What was mixed and produced by baking at 400 to 700 degreeC in the air can be used.

本発明で使用している多孔質複合金属酸化物は、第1種の金属の水溶性化合物と、第2種の金属の水溶性化合物と、融点が200℃から300℃の有機化合物と、水とを混合して400℃〜700℃で空気中焼成して作製したものであるから、有機化合物は第1種の金属の水溶性化合物と第2種の金属の水溶性化合物を含んだ状態で燃焼してガス化して発泡化するため、容易に多孔性の複合金属酸化物を得ることができるようになる。なお、有機化合物の融点が200℃未満では発泡する前に蒸発してしまって良好な多孔性が得られず、また、融点が300℃を越えるものでは焼成後にカーボンが残るので好ましくない。さらに、焼成温度が400℃以下では有機化合物原料のカーボン成分が残り、700℃以上では酸化物の結晶粒の粗大化が発生する。さらに好ましくは500℃〜700℃である。   The porous composite metal oxide used in the present invention comprises a water-soluble compound of a first type metal, a water-soluble compound of a second type metal, an organic compound having a melting point of 200 ° C. to 300 ° C., water Are mixed and fired in air at 400 ° C. to 700 ° C., so that the organic compound contains a water-soluble compound of the first type metal and a water-soluble compound of the second type metal. Since it is burned, gasified and foamed, a porous composite metal oxide can be easily obtained. If the melting point of the organic compound is less than 200 ° C., it evaporates before foaming and good porosity cannot be obtained, and if the melting point exceeds 300 ° C., carbon remains after firing, which is not preferable. Furthermore, when the firing temperature is 400 ° C. or lower, the carbon component of the organic compound raw material remains, and when it is 700 ° C. or higher, the oxide crystal grains become coarse. More preferably, it is 500 degreeC-700 degreeC.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記多孔質複合金属酸化物として、10〜200nmの粒径の粒子の多孔質焼結体であり、嵩密度が0.05〜0.5g/cm、BET比表面積が5〜100m/gのものを用いることが好ましい。 Further, in the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the porous composite metal oxide is a porous sintered body of particles having a particle diameter of 10 to 200 nm, It is preferable to use one having a bulk density of 0.05 to 0.5 g / cm 3 and a BET specific surface area of 5 to 100 m 2 / g.

本発明で使用している多孔質複合金属酸化物として、上述の物性を備えているものを使用すると、取り扱いが容易であると共に、容易に高品質のナノカーボンと活性触媒体との複合体を連続的に製造することができるようになる。なお、10nm以下の粒径の多孔質複合金属酸化物を安定的に製造することは困難であり、また、200nm以上の粒径では大きいサイズのナノカーボンが合成されるために好ましくない。さらに好ましい多孔質複合金属酸化物の粒径は20nm〜80nmである。同様の理由により、BET比表面積は10〜50m/gが好ましい。 When the porous composite metal oxide used in the present invention has the above-mentioned physical properties, it is easy to handle, and a composite of high-quality nanocarbon and an active catalyst is easily formed. It becomes possible to manufacture continuously. In addition, it is difficult to stably produce a porous composite metal oxide having a particle size of 10 nm or less, and a particle size of 200 nm or more is not preferable because large-sized nanocarbon is synthesized. The particle size of the porous composite metal oxide is more preferably 20 nm to 80 nm. For the same reason, the BET specific surface area is preferably 10 to 50 m 2 / g.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記炭化水素ガスがメタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、イソプレン、n−ブタンから選択される少なくとも1種を用いることができる。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the hydrocarbon gas is selected from methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, propylene, isoprene, and n-butane. At least one kind can be used.

本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法によれば、原料の炭化水素ガスとして幅広い材料を用いることができるため、設計の幅が広くなる。   According to the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, since a wide range of materials can be used as the raw material hydrocarbon gas, the range of design is widened.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記炭化水素ガスは、前記冷却ゾーンから前記ナノカーボン合成ゾーンへ供給することが好ましい。また、前記炭化水素ガスと一緒に水蒸気もしくは加湿還元性ガスを追加することが好ましい。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the hydrocarbon gas is preferably supplied from the cooling zone to the nanocarbon synthesis zone. Moreover, it is preferable to add water vapor | steam or a humid reducing gas with the said hydrocarbon gas.

本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法によれば、炭化水素ガスを冷却ゾーンからナノカーボン合成ゾーンへ供給するようにすると、冷却ゾーンで活性触媒及び生成したナノカーボンから熱を回収して炭化水素ガスを予熱することができるため熱効率が向上すると共に、ナノカーボン合成ゾーンでは活性触媒体と接触すると急速には反応が進行するので、副反応が生成し難く、高品質のナノカーボンと活性触媒体との複合体を連続的に製造することができるようになる。また、適正な温度に制御されたナノカーボン合成ゾーンで反応を終了するようにプロセスの管理を行うと冷却ゾーンではナノカーボンが合成されず、触媒活性化ゾーンでは高純度の水素の雰囲気となって多孔質複合金属酸化物から触媒活性が良好なナノカーボン製造用触媒となる。さらに、炭化水素ガスと一緒に水蒸気もしくは加湿還元性ガスを追加することによって、アモルファス状態のカーボンの形成の抑制に働き、かつ触媒活性の長寿命化の効果がある。   According to the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, when the hydrocarbon gas is supplied from the cooling zone to the nanocarbon synthesis zone, the active catalyst and the generated nanocarbon are produced in the cooling zone. Since heat can be recovered from the carbon and the hydrocarbon gas can be preheated, the thermal efficiency is improved, and in the nanocarbon synthesis zone, the reaction proceeds rapidly when it comes into contact with the active catalyst, so that side reactions are unlikely to occur. A composite of high quality nanocarbon and an active catalyst can be continuously produced. In addition, if the process is managed so that the reaction is completed in the nanocarbon synthesis zone controlled at an appropriate temperature, nanocarbon is not synthesized in the cooling zone, and a high purity hydrogen atmosphere is created in the catalyst activation zone. A catalyst for producing nanocarbon having good catalytic activity is obtained from the porous composite metal oxide. Furthermore, by adding water vapor or humid reducing gas together with the hydrocarbon gas, it works to suppress the formation of amorphous carbon and has the effect of extending the life of the catalyst activity.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記触媒活性化ゾーン及びナノカーボン合成ゾーンを500〜1000℃に加熱し、前記反応管内の圧力が0.1〜10kPa範囲となるようにすることが好ましい。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the catalyst activation zone and the nanocarbon synthesis zone are heated to 500 to 1000 ° C., and the pressure in the reaction tube is 0. It is preferable to be in the range of 1 to 10 kPa.

触媒活性化ゾーンの温度範囲は多孔質複合金属酸化物の一部が金属化される温度以上ナノカーボン合成ゾーンの温度以下が好ましい。ナノカーボン合成ゾーンの温度は炭化水素が熱分解する温度以上で触媒上で優先的にナノカーボンが合成される最高温度以下である。反応管内の圧力を上述のように限定すると、より副反応が生成し難く、高品質のナノカーボンと活性触媒体との複合体を連続的に製造することができるようになる。   The temperature range of the catalyst activation zone is preferably not less than the temperature at which part of the porous composite metal oxide is metallized and not more than the temperature of the nanocarbon synthesis zone. The temperature of the nanocarbon synthesis zone is not less than the temperature at which hydrocarbons are thermally decomposed and not more than the maximum temperature at which nanocarbon is preferentially synthesized on the catalyst. When the pressure in the reaction tube is limited as described above, side reactions are less likely to occur, and a complex of high-quality nanocarbon and an active catalyst can be continuously produced.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記別途供給される還元性ガスを、水素ガス、アンモニアガスもしくは前記ナノカーボン合成ゾーンにおいて生成される水素ガスとすることが好ましい。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the separately supplied reducing gas may be hydrogen gas, ammonia gas, or hydrogen produced in the nanocarbon synthesis zone. It is preferable to use gas.

触媒活性化ゾーンに供給される還元性ガスを水素ガス、アンモニアガスもしくは前記ナノカーボン合成ゾーンにおいて生成される水素ガスとすると、触媒活性化ゾーンでは多孔質複合金属酸化物から触媒活性が良好なナノカーボン製造用触媒となるので、より高品質のナノカーボンと活性触媒体との複合体を連続的に製造することができるようになる。   When the reducing gas supplied to the catalyst activation zone is hydrogen gas, ammonia gas, or hydrogen gas generated in the nanocarbon synthesis zone, the catalyst activation zone has nano catalyst with good catalytic activity from the porous composite metal oxide. Since it becomes a catalyst for carbon production, it becomes possible to continuously produce higher quality nanocarbon and active catalyst composites.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記反応管内の前記触媒活性化ゾーン、前記ナノカーボン合成ゾーン及び前記冷却ゾーンのガス成分を分析し、前記炭化水素ガスの流量を制御することによって前記触媒活性化ゾーンでの水素ガス濃度を80%以上にすることが好ましい。   Further, in the continuous nanocarbon production method by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the gas components of the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone and the cooling zone in the reaction tube are analyzed, It is preferable that the hydrogen gas concentration in the catalyst activation zone is 80% or more by controlling the flow rate of the hydrocarbon gas.

本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法において、触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンのガス成分を分析することによって、適正な炭化水素ガスの流量を制御することによってナノカーボン合成ゾーンで反応を終了するようにプロセスの管理を行うと冷却ゾーンではナノカーボンが合成されず、触媒活性化ゾーンでは高純度の水素の雰囲気となって多孔質複合金属酸化物から触媒活性が良好なナノカーボン製造用触媒となる。触媒活性化ゾーンでは炭化水素濃度が低く水素濃度が高いほど副成するナノカーボン量が減少するので、より高品質のナノカーボンと活性触媒体との複合体を連続的に製造することができるようになる。なお、ガス成分の分析は炭化水素ガスと水素ガスと水蒸気に対して行うことが好ましい。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, by analyzing the gas components in the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone, and the cooling zone, an appropriate hydrocarbon gas flow rate is obtained. If the process is controlled so that the reaction is terminated in the nanocarbon synthesis zone by controlling, the nanocarbon is not synthesized in the cooling zone, and the atmosphere of high purity hydrogen is formed in the catalyst activation zone, resulting in porous composite metal oxidation. It becomes a catalyst for producing nanocarbon having good catalytic activity from the product. In the catalyst activation zone, the lower the hydrocarbon concentration and the higher the hydrogen concentration, the smaller the amount of by-produced nanocarbons, so that higher quality nanocarbon and active catalyst composites can be produced continuously. become. The analysis of the gas component is preferably performed on hydrocarbon gas, hydrogen gas, and water vapor.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記得られたナノカーボンと活性触媒体との複合体の嵩密度を0.05〜0.5g/cmとなるようにすることが好ましい。 In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the bulk density of the composite of the obtained nanocarbon and the active catalyst is 0.05 to 0.5 g / It is preferable to be cm 3 .

本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、多孔質複合金属酸化物の嵩密度や合成時における撹拌条件に依存するが、0.05g/cm以下では合成中に飛散して収率が悪く、0.5g/cm以上では合成の均一性に欠ける。得られるナノカーボンと活性触媒体との複合体の嵩密度を上述の数値範囲内とすることにより、より高品質のナノカーボンと活性触媒体との複合体を連続的に製造することができるようになる。 In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, it depends on the bulk density of the porous composite metal oxide and the stirring conditions at the time of synthesis, but at 0.05 g / cm 3 or less, The yield is poor due to scattering during the synthesis, and the uniformity of synthesis is insufficient at 0.5 g / cm 3 or more. By setting the bulk density of the resulting composite of nanocarbon and active catalyst within the above-mentioned numerical range, it is possible to continuously produce a composite of higher quality nanocarbon and active catalyst. become.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記反応管をスクリューコンベア、ロータリーキルン又は管状体内に配置されたベルトコンベアからなるものとし、前記多孔質複合金属酸化物を前記触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンの順に移動させながら連続的に前記ナノカーボンと活性触媒体との複合体を製造することが好ましい。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the reaction tube is a screw conveyor, a rotary kiln, or a belt conveyor arranged in a tubular body, and the porous composite It is preferable to continuously produce a composite of the nanocarbon and the active catalyst while moving the metal oxide in the order of the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone, and the cooling zone.

スクリューコンベア、ロータリーキルン又は管状体内に配置されたベルトコンベアを用いれば、多孔質複合金属酸化物を順次触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンの順に撹拌移動させながら所定の反応ガスと接触させることができるので、連続的に前記ナノカーボンと活性触媒体との複合体を製造することができるようになる。   By using a screw conveyor, a rotary kiln or a belt conveyor arranged in a tubular body, the porous composite metal oxide is brought into contact with a predetermined reaction gas while being sequentially stirred and moved in the catalyst activation zone, nanocarbon synthesis zone and cooling zone. Therefore, a composite of the nanocarbon and the active catalyst can be continuously produced.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記ナノカーボンは、カーボンブラック、ナノファイバー、多層ナノチューブ、カップスタックチューブとすることができる。   In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the nanocarbon may be carbon black, nanofiber, multi-wall nanotube, or cup stack tube.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法においては、前記ナノカーボン合成ゾーンにおいてにて生成される水素ガスを燃料電池、タービン、エンジンから選択される少なくとも一つに供給して発電に使用することが好ましい。 In the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the hydrogen gas generated in the nanocarbon synthesis zone is at least one selected from a fuel cell, a turbine, and an engine. It is preferable to use it for power generation.

本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法によれば、ナノカーボン合成ゾーンにおいて非常に高純度の水素ガスを得ることができ、この水素ガスを発電に使用することによって、よりナノカーボンと活性触媒体との複合体の製造に際して低コスト化を達成することができるようになる。   According to the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, very high purity hydrogen gas can be obtained in the nanocarbon synthesis zone, and this hydrogen gas can be used for power generation. As a result, it is possible to achieve a reduction in cost when producing a composite of nanocarbon and an active catalyst.

さらに、本発明の多孔質複合金属酸化物は、上記いずれかに記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法に使用するための多孔質複合金属酸化物であって、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムから選択される少なくとも1つの第1種の金属の酸化物と、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステンから選択される少なくとも1つの第2種の金属の酸化物と、から構成された多孔質複合金属酸化物であり、前記第2種の金属の酸化物の含有割合は、前記多孔質複合金属酸化物の総質量に対して50〜95質量%の範囲であることを特徴とする。   Furthermore, the porous composite metal oxide of the present invention is a porous composite metal oxide for use in the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method described above, An oxide of at least one first metal selected from magnesium, calcium, strontium, barium and at least one second metal selected from manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, tungsten. An oxide, and the content ratio of the oxide of the second type metal is 50 to 95% by mass with respect to the total mass of the porous complex metal oxide. It is a range.

本発明の多孔質複合金属酸化物中の第1種の金属の酸化物は炭化水素ガスや還元性ガスによっては還元され難いが、第2種の金属の酸化物は炭化水素ガスや還元性ガスによって容易に還元されて金属になり易く、しかも還元された第2種の金属はナノカーボン生成用触媒として周知のものである。そのため、本発明の多孔質複合金属酸化物によれば、第1種の金属の酸化物によって多孔性を維持しながら、その表面に還元された第2種の金属が存在する状態となるので、触媒活性が良好なナノカーボン製造用触媒を得ることができる。   The oxide of the first type metal in the porous composite metal oxide of the present invention is hardly reduced by a hydrocarbon gas or a reducing gas, but the oxide of the second type metal is a hydrocarbon gas or a reducing gas. The second type of metal that is easily reduced to a metal by the above-described method is well known as a catalyst for producing nanocarbon. Therefore, according to the porous composite metal oxide of the present invention, while maintaining the porosity by the oxide of the first type metal, the reduced second type metal exists on the surface thereof, A catalyst for producing nanocarbon having good catalytic activity can be obtained.

本発明の本発明の多孔質複合金属酸化物においては、前記多孔質複合金属酸化物は、10〜200nmの粒径の粒子の多孔質焼結体であり、嵩密度が0.05〜0.5g/cm、BET比表面積が5〜100m/gのものであることが好ましい。 In the porous composite metal oxide of the present invention, the porous composite metal oxide is a porous sintered body of particles having a particle diameter of 10 to 200 nm and has a bulk density of 0.05 to 0.00. It is preferably 5 g / cm 3 and a BET specific surface area of 5 to 100 m 2 / g.

本発明の多孔質複合金属酸化物として、上述の物性を備えているものを使用すると、取り扱いが容易であると共に、容易に高品質のナノカーボンと活性触媒体との複合体を連続的に製造することができる多孔質複合金属酸化物となる。   As the porous composite metal oxide of the present invention, if it has the above-mentioned physical properties, it is easy to handle and easily produces a composite of high-quality nanocarbon and active catalyst continuously. It becomes a porous composite metal oxide that can be made.

さらに、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置は、触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンのそれぞれについて個別に温度制御し得る炉と、前記炉内の前記触媒活性化ゾーン、前記ナノカーボン合成ゾーン及び前記冷却ゾーンに亘って設置された反応管と、前記反応管内の前記触媒活性化ゾーンへ連続的に多孔質複合金属酸化物粒子を供給する手段と、前記反応管内の前記触媒活性化ゾーンから前記ナノカーボン合成ゾーン及び前記冷却ゾーンを経て前記反応管の外部まで前記多孔質複合金属酸化物粒子を移送する手段と、前記反応管内の前記冷却ゾーン側に配置された炭化水素ガス又は炭化水素ガスと還元性ガスとの混合ガスを供給する手段と、前記触媒活性化ゾーンの前記多孔質複合金属酸化物粒子を供給する手段側に配置されたガスの回収手段と、を備えることを特徴とする。   Furthermore, the continuous nanocarbon production apparatus using the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention includes a furnace capable of individually controlling the temperature of each of the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone, and the cooling zone, A reaction tube installed across the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone and the cooling zone, and means for continuously supplying porous composite metal oxide particles to the catalyst activation zone in the reaction tube And means for transferring the porous composite metal oxide particles from the catalyst activation zone in the reaction tube to the outside of the reaction tube through the nanocarbon synthesis zone and the cooling zone, and the cooling zone in the reaction tube Means for supplying a hydrocarbon gas or a mixed gas of a hydrocarbon gas and a reducing gas disposed on the side, and the porous composite of the catalyst activation zone. Characterized in that it comprises a recovery means of gases disposed in means side for supplying the metal oxide particles.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置においては、さらに、前記反応管内の前記触媒活性化ゾーンの前記ナノカーボン合成ゾーン側に還元性ガスを供給する手段が形成されていることが好ましい。   Further, in the continuous nanocarbon production apparatus by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, means for supplying a reducing gas to the nanocarbon synthesis zone side of the catalyst activation zone in the reaction tube is further provided. Is preferably formed.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置においては、前記反応管はスクリューコンベア又はロータリーキルンであることが好ましい。   In the continuous nanocarbon production apparatus using the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the reaction tube is preferably a screw conveyor or a rotary kiln.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置においては、前記反応管の内部にはベルトコンベアが配置されているものとすることもできる。   In the continuous nanocarbon production apparatus using the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, a belt conveyor may be disposed inside the reaction tube.

また、本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置においては、前記ガスの回収手段は、燃料電池、発電機が接続されたタービン及び発電機が接続されたエンジンから選択される少なくとも一つに接続されているものとしてもよい。   Further, in the continuous nanocarbon production apparatus according to the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the gas recovery means includes a fuel cell, a turbine to which a generator is connected, and an engine to which the generator is connected. It may be connected to at least one selected.

本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置によれば、容易に上記本発明の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法を実施することができるようになる。   According to the continuous nanocarbon production apparatus by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention, the continuous nanocarbon production method by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of the present invention can be easily carried out. become able to.

実施例1〜19及び比較例1〜12で使用したナノカーボン製造装置の概略図である。It is the schematic of the nanocarbon manufacturing apparatus used in Examples 1-19 and Comparative Examples 1-12. 図1の反応管内の温度変化を表したグラフである。It is a graph showing the temperature change in the reaction tube of FIG. 実施例20で使用したスクリューコンベア方式のナノカーボン製造装置の概略図である。FIG. 10 is a schematic view of a screw conveyor type nanocarbon production apparatus used in Example 20. 実施例20で得られた多孔質複合金属酸化物のFE−SEMにより観察された画像である。4 is an image observed by FE-SEM of the porous composite metal oxide obtained in Example 20. FIG. 実施例21で使用したロータリーキルン及びスクリューコンベアの併用方式のナノカーボン製造装置の概略図である。It is the schematic of the nanocarbon manufacturing apparatus of the combined system of the rotary kiln and the screw conveyor used in Example 21. 実施例21で得られた多孔質複合金属酸化物のFE−SEMにより観察された画像である。2 is an image observed by FE-SEM of the porous composite metal oxide obtained in Example 21. FIG. 実施例21で得られたナノカーボンと活性触媒体との複合体のFE−SEMにより観察された画像である。2 is an image observed by FE-SEM of a composite of nanocarbon and an active catalyst obtained in Example 21. FIG. 図7の倍率を変えた画像である。It is the image which changed the magnification of FIG. 実施例21で分離されたカップスタックナノカーボンの透過型電子顕微鏡により観察された画像である。FIG. 6 is an image observed by a transmission electron microscope of cup-stacked nanocarbon separated in Example 21. FIG. 実施例22で使用したベルトコンベア方式のナノカーボン製造装置の概略図である。FIG. 10 is a schematic view of a belt conveyor type nanocarbon manufacturing apparatus used in Example 22. 実施例23のナノカーボン製造装置のブロック図である。FIG. 12 is a block diagram of a nanocarbon production apparatus of Example 23. 従来のカーボンナノチューブを製造する装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus which manufactures the conventional carbon nanotube. 別の従来のカーボンナノチューブを製造する装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus which manufactures another conventional carbon nanotube.

以下、各種実施例及び比較例を用いて本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法、多孔質複合金属酸化物及び触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置を例示するものであって、本発明をこの実施例に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。   Hereinafter, the form for implementing this invention using various Examples and a comparative example is demonstrated. However, the examples shown below are a method for producing continuous nanocarbon by a catalyst-assisted chemical vapor deposition method, a porous composite metal oxide, and a catalyst-assisted chemical vapor phase to embody the technical idea of the present invention. It is intended to exemplify an apparatus for producing continuous nanocarbon by a growth method, and is not intended to limit the present invention to this embodiment, and the present invention departs from the technical idea shown in the claims. The present invention can be equally applied to various modifications without any change.

[実施例1〜19及び比較例1〜12]
[多孔質複合金属酸化物の製造]
第1種の金属の水溶性化合物として硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、硝酸ストロンチウム、第2種の金属の水溶性化合物として硝酸ニッケル、硝酸第二鉄、硝酸コバルト、モリブデン酸アンモニウムを用い、これらの化合物の混合割合を実施例1〜19及び比較例1〜12に対応して種々変更し、また、有機化合物として25質量%のL−アラニンと19質量%のイオン交換水の組成物100gとなる割合で混合し、マグネットスターラーで撹拌した。この組成物をステンレス製容器に移し、700℃に保持した焼成炉に投入した。16分後にセラミック化した多孔質複合金属酸化物を得た。これを粉砕して400μmのメッシュパスした粉体を実施例1〜19及び比較例1〜12に対応するナノカーボン製造用の多孔質複合金属酸化物にした。得られた多孔質複合金属酸化物の組成を表1に纏めて示した。
[Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 12]
[Production of porous composite metal oxides]
Using magnesium nitrate, calcium nitrate, strontium nitrate as the water-soluble compound of the first type metal, nickel nitrate, ferric nitrate, cobalt nitrate, and ammonium molybdate as the water-soluble compound of the second type metal, The mixing ratio is variously changed corresponding to Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 12, and the organic compound is a composition that is 100 g of 25 mass% L-alanine and 19 mass% ion-exchanged water. Mix and stir with a magnetic stirrer. This composition was transferred to a stainless steel container and placed in a firing furnace maintained at 700 ° C. After 16 minutes, a ceramic composite porous metal oxide was obtained. This was pulverized to obtain a porous composite metal oxide for producing nanocarbons corresponding to Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 12 by using 400 μm mesh-passed powder. The composition of the obtained porous composite metal oxide is summarized in Table 1.

[ナノカーボンの製造]
まず、図1に示したナノカーボンの製造装置を用いて、実施例1〜19及び比較例1〜12のそれぞれに対応する多孔質複合金属酸化物のナノカーボンの生成効率を確認した。このナノカーボンの製造装置10は、電気炉11内に反応管12としてのφ40mmの石英ガラスチューブが配置されており、この反応管12内にφ35mmのステンレス製の回転ドラム容器13が配置されている。電気炉11はプログラム温度制御装置14によって所定の温度に制御され、また、回転ドラム容器13aはモーター13bによって所定の回転速度で回転させられるようになっている。
[Production of nanocarbon]
First, the nanocarbon production efficiency of the porous composite metal oxide corresponding to each of Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 12 was confirmed using the nanocarbon production apparatus shown in FIG. In the nanocarbon production apparatus 10, a quartz glass tube having a diameter of 40 mm as a reaction tube 12 is disposed in an electric furnace 11, and a stainless steel rotating drum container 13 having a diameter of 35 mm is disposed in the reaction tube 12. . The electric furnace 11 is controlled to a predetermined temperature by a program temperature control device 14, and the rotating drum container 13a is rotated at a predetermined rotational speed by a motor 13b.

ここでは、ステンレス製の回転ドラム容器13a内に実施例1〜19及び比較例1〜12のそれぞれに対応する組成の多孔質複合金属酸化物の粉体16を0.2g挿入し、モーター13bにより回転ドラム容器13aを2rpmの回転速度で回転させ、多孔質複合金属酸化物の粉体16を撹拌した。そして、触媒活性化ゾーンとナノカーボン合成ゾーンと冷却ゾーンの温度履歴を再現するため、プログラム温度制御装置14によって、図2に示すように、反応管12内の温度を時間的に変化させ、触媒活性化ゾーンに対応する時間帯では200℃〜700℃まで30分かけて昇温し、ナノカーボン合成ゾーンに対応する時間帯では700℃±10℃の温度範囲で30分間維持し、冷却ゾーンに対応する時間帯では700℃〜300℃まで10分かけて降温した。   Here, 0.2 g of porous composite metal oxide powder 16 having a composition corresponding to each of Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 12 is inserted into a stainless steel rotating drum container 13a, and the motor 13b is used. The rotary drum container 13a was rotated at a rotation speed of 2 rpm, and the porous composite metal oxide powder 16 was stirred. Then, in order to reproduce the temperature history of the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone, and the cooling zone, the temperature in the reaction tube 12 is changed with time by the program temperature controller 14 as shown in FIG. In the time zone corresponding to the activation zone, the temperature is raised from 200 ° C. to 700 ° C. over 30 minutes, and in the time zone corresponding to the nanocarbon synthesis zone, it is maintained in the temperature range of 700 ° C. ± 10 ° C. for 30 minutes. In the corresponding time zone, the temperature was lowered from 700 ° C. to 300 ° C. over 10 minutes.

そして、触媒活性化ゾーンに対応する時間帯では、還元性のガス(窒素−5%水素)18を加湿器19を通して流し、多孔質複合金属酸化物の一部が金属化した活性触媒体を生成した。次いで、700℃±10℃に到達したら、還元性のガス18に換えて炭化水素ガス17であるプロパンガスを流した。なお、還元性のガス18及び炭化水素ガス17は反応管12内の圧力を圧力計15で測定しながら、圧力が約1kPaとなるように流量を調節した。このとき、ナノカーボンが活性触媒体周辺に合成され、同時に水素ガスが生成される。30分間ナノカーボンを合成した後、冷却ゾーンに対応する時間帯では炭化水素ガスから窒素−5%水素混合ガスに切り替えた。   In the time zone corresponding to the catalyst activation zone, a reducing gas (nitrogen-5% hydrogen) 18 is passed through the humidifier 19 to generate an active catalyst body in which a part of the porous composite metal oxide is metallized. did. Next, when the temperature reached 700 ° C. ± 10 ° C., the reducing gas 18 was replaced with a propane gas which is a hydrocarbon gas 17. The flow rates of the reducing gas 18 and the hydrocarbon gas 17 were adjusted so that the pressure was about 1 kPa while measuring the pressure in the reaction tube 12 with the pressure gauge 15. At this time, nanocarbon is synthesized around the active catalyst body, and at the same time, hydrogen gas is generated. After synthesizing nanocarbon for 30 minutes, the hydrocarbon gas was switched to the nitrogen-5% hydrogen mixed gas in the time zone corresponding to the cooling zone.

そして、回転ドラム容器13aの温度が200℃以下になったら、回転ドラム容器13a内の試料を大気中に取出し、実施例1〜19及び比較例1〜12に対応するそれぞれの活性触媒体の上にナノカーボンが合成された複合体の合計質量を測定した。このようにして測定された「(ナノカーボン複合体の質量)/(複合金属酸化物の質量)」を多孔質複合金属酸化物の組成と共に表1にまとめて示した。なお、表1の「(ナノカーボン複合体の質量)/(複合金属酸化物の質量)」は、(ナノカーボン複合体の質量)=(活性触媒体の質量+ナノカーボンの質量)であるので、実質的にナノカーボンの合成レート(収量)に対応する数値を表している。   When the temperature of the rotating drum container 13a becomes 200 ° C. or lower, the sample in the rotating drum container 13a is taken out into the atmosphere, and the active catalyst bodies corresponding to Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 12 are The total mass of the composite in which nanocarbon was synthesized was measured. The thus measured “(mass of nanocarbon composite) / (mass of composite metal oxide)” is shown together with the composition of the porous composite metal oxide in Table 1. In Table 1, “(mass of nanocarbon composite) / (mass of composite metal oxide)” is (mass of nanocarbon composite) = (mass of active catalyst body + mass of nanocarbon). The numerical value substantially corresponds to the synthesis rate (yield) of nanocarbon.

表1に示した結果から、以下のことが分かる。すなわち、比較例1〜4及び実施例1〜5、比較例5〜8及び実施例6〜10、比較例9〜12及び実施例11〜15のいずれの場合においても、第2種の金属の酸化物の含有割合が増加するにしたがってナノカーボンの収量は増加しており、特に第2種の金属の酸化物の含有割合が50質量%以上の場合には、第2種の金属の酸化物の含有割合が40質量%以下の場合よりも大幅にナノカーボンの収率が増加している。ただし、第2種の金属の酸化物の含有割合が80質量%を越えると僅かにナノカーボンの収量は減少している。そして、このような傾向は、第2種の金属がニッケルの場合であっても鉄の場合であっても、さらには第1種の金属がマグネシウムの場合であってもカルシウムの場合であっても、同様の傾向を示している。   From the results shown in Table 1, the following can be understood. That is, in any case of Comparative Examples 1-4 and Examples 1-5, Comparative Examples 5-8, Examples 6-10, Comparative Examples 9-12, and Examples 11-15, the second type metal The yield of nanocarbon increases as the oxide content increases, and particularly when the content of the second metal oxide is 50% by mass or more, the second metal oxide. The yield of nanocarbon is significantly increased as compared with the case where the content ratio of is 40% by mass or less. However, when the content ratio of the second metal oxide exceeds 80% by mass, the yield of nanocarbon slightly decreases. Such a tendency is the case where the second type metal is nickel or iron, and even when the first type metal is magnesium or calcium. Shows a similar trend.

また、第2種の金属がニッケル及び鉄である実施例16の複合金属酸化物、同じくニッケル及びコバルトである実施例17の複合金属酸化物、同じくニッケル及びモリブデンである実施例18の複合金属酸化物、更には、第2種の金属がニッケルであり、第1種の金属が酸化ストロンチウム(SrO)である実施例19の複合金属酸化物も、第2種の金属の含有割合が60質量%以上であることから、ナノカーボンの収量は15以上と大きくなっている。   Also, the composite metal oxide of Example 16 in which the second type metal is nickel and iron, the composite metal oxide of Example 17 in which nickel and cobalt are also used, and the composite metal oxide in Example 18 in which nickel and molybdenum are also used. In addition, the composite metal oxide of Example 19 in which the second type metal is nickel and the first type metal is strontium oxide (SrO) has a content ratio of the second type metal of 60% by mass. From the above, the yield of nanocarbon is as high as 15 or more.

このうち、第1種の金属の酸化物である酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)及び酸化ストロンチウム(SrO)は、700℃では水素ガス等の還元性ガスによっては還元されないことから、酸化物のままで存在していることは明らかである。また、第2種の金属の酸化物である酸化ニッケル(NiO)、酸化鉄(FeO)、酸化コバルト(CoO)及び三酸化モリブデン(MoO)は700℃では水素ガス等の還元性ガスによって容易に還元されてそれぞれ対応する金属として存在していることは明らかである。 Of these, magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), and strontium oxide (SrO), which are oxides of the first type metal, are not reduced by reducing gas such as hydrogen gas at 700 ° C. It is clear that it exists as it is. In addition, nickel oxide (NiO), iron oxide (FeO), cobalt oxide (CoO), and molybdenum trioxide (MoO 3 ), which are oxides of the second type of metal, can be easily obtained by reducing gas such as hydrogen gas at 700 ° C. It is clear that they are present as the corresponding metals.

したがって、周知のナノカーボン製造用触媒の組成をも考慮すると、第1種の金属としては、ナノカーボン製造用触媒の担体として慣用的に使用されているマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムから選択される少なくとも1つを使用することができ、また、第2種の金属としては、ナノカーボン製造用金属触媒として慣用的に使用されているマンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステンから選択される少なくとも1つを使用することができることが分かる。なお、第1種の金属及び第2種の金属とも、多孔質複合金属酸化物の製造を容易にするためにはそれぞれ水溶性塩であればよい。   Therefore, considering the composition of the known nanocarbon production catalyst, the first type metal is selected from magnesium, calcium, strontium, and barium conventionally used as a support for the catalyst for nanocarbon production. At least one can be used, and the second metal is selected from manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, and tungsten, which are conventionally used as metal catalysts for producing nanocarbons. It can be seen that at least one can be used. Note that both the first type metal and the second type metal may be water-soluble salts in order to facilitate the production of the porous composite metal oxide.

例えば、第1種の金属の水溶性塩としては、例えば、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、硝酸ストロンチウム、硝酸バリウム等を使用することができる。また、第2種の金属の水溶性塩としては、塩化マンガン、硝酸第二鉄、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硫酸銅、7モリブデン酸6アンモニウム、タングステン酸アンモニウム等を使用し得る。   For example, as the water-soluble salt of the first type metal, for example, magnesium nitrate, calcium nitrate, strontium nitrate, barium nitrate or the like can be used. Further, as the water-soluble salt of the second type metal, manganese chloride, ferric nitrate, cobalt nitrate, nickel nitrate, copper sulfate, 6 ammonium molybdate, ammonium tungstate, and the like can be used.

また、ここでは有機化合物としてL−アラニンを用いた例を示したが、この有機化合物は焼成の際に消失して複合金属酸化物の多孔性化に寄与する物質であるので、類似の物性の有機化合物、例えば酒石酸、システイン、アルギニン、グリシン、アラニン、ロイシンから選択される1つ以上であり、融点が200℃から300℃のものを使用し得る。有機化合物の融点が200℃未満では良好な多孔性を有する複合金属酸化物が得られず、また、融点が300℃を越えるものでは焼成後に複合金属酸化物中にカーボンが残留するので好ましくない。   Moreover, although the example which used L-alanine as an organic compound was shown here, since this organic compound is a substance which lose | disappears in the case of baking and contributes to the porosity of a composite metal oxide, it has a similar physical property. An organic compound, for example, one or more selected from tartaric acid, cysteine, arginine, glycine, alanine, and leucine and having a melting point of 200 ° C. to 300 ° C. may be used. If the melting point of the organic compound is less than 200 ° C., a composite metal oxide having good porosity cannot be obtained, and if the melting point exceeds 300 ° C., carbon remains in the composite metal oxide after firing, which is not preferable.

また、炭化水素ガスとしては、ここではプロパンを使用した例を示したが、プロパンだけでなく、ナノカーボン製造用原料をして普通に使用されているメタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロピレン、イソプレン、n−ブタン等を使用することができる。プロパン以外の炭化水素ガスを使用する場合には、それぞれの炭化水素の熱分解温度に合わせて、触媒活性化ゾーン及びナノカーボン合成ゾーンの温度を500〜1000℃内において適宜に選択し、また、炭化水素ガスが活性触媒体周辺でナノカーボンと水素ガスとに転換される反応をスムースに進行させるため、反応管内の圧力を0.1〜10kPa範囲に制御すればよい。   As an example of hydrocarbon gas, propane was used here, but not only propane but also methane, ethane, ethylene, acetylene, propylene, isoprene, which are commonly used as raw materials for producing nanocarbons. N-butane or the like can be used. When using a hydrocarbon gas other than propane, the temperature of the catalyst activation zone and the nanocarbon synthesis zone is appropriately selected within 500 to 1000 ° C. according to the thermal decomposition temperature of each hydrocarbon, In order to smoothly advance the reaction in which the hydrocarbon gas is converted into nanocarbon and hydrogen gas around the active catalyst body, the pressure in the reaction tube may be controlled in the range of 0.1 to 10 kPa.

なお、多孔質複合金属酸化物は、400℃から700℃で空気中焼成することにより作製することが好ましい。焼成温度が400℃以下では複合金属酸化物中に原料のカーボン成分が残り、700℃以上では複合金属酸化物の結晶粒の粗大化が発生する。さらに好ましい焼成温度は500℃〜700℃である。また、多孔質複合金属酸化物は、10〜200nmの粒径の粒子の多孔質焼結体であり、嵩密度が0.05〜0.5g/cm、BET比表面積が5〜100m/gであることが好ましい。10nm以下の粒径を有する多孔質複合金属酸化物を安定的に製造することは困難であり、また200nm以上の粒径を有する多孔質複合金属酸化物では大きいサイズのナノカーボンが合成される。さらに好ましい多孔質複合金属酸化物の粒径は20nm〜80nmである。同様の理由により、BET比表面積は10〜50m/gであることがさらに好ましい。 The porous composite metal oxide is preferably produced by firing in the air at 400 to 700 ° C. When the firing temperature is 400 ° C. or lower, the carbon component of the raw material remains in the composite metal oxide, and when it is 700 ° C. or higher, the crystal grains of the composite metal oxide are coarsened. A more preferable firing temperature is 500 ° C to 700 ° C. The porous composite metal oxide is a porous sintered body having a particle diameter of 10 to 200 nm, a bulk density of 0.05 to 0.5 g / cm 3 , and a BET specific surface area of 5 to 100 m 2 /. It is preferable that it is g. It is difficult to stably produce a porous composite metal oxide having a particle size of 10 nm or less, and a large-sized nanocarbon is synthesized with a porous composite metal oxide having a particle size of 200 nm or more. The particle size of the porous composite metal oxide is more preferably 20 nm to 80 nm. For the same reason, the BET specific surface area is more preferably 10 to 50 m 2 / g.

なお、ナノカーボンの大量合成を考えると、合成レート(ナノカーボン複合体/複合金属酸化物)は5以上が好ましい。上述の従来技術に開示されている方法では、触媒金属と触媒担持体から構成される触媒粒子全体に対して触媒金属の割合は40%以下が好ましいとされている。それに対して、表1に示したように、本発明によれば、複合金属酸化物に対して50〜95質量%の第2種の金属の酸化物の含有範囲において、合成レート(ナノカーボン複合体/複合金属酸化物)の5以上が達成されている。   In view of mass synthesis of nanocarbon, the synthesis rate (nanocarbon composite / complex metal oxide) is preferably 5 or more. In the method disclosed in the above-described prior art, the proportion of the catalyst metal is preferably 40% or less with respect to the entire catalyst particles composed of the catalyst metal and the catalyst carrier. On the other hand, as shown in Table 1, according to the present invention, in the content range of the oxide of the second metal of 50 to 95 mass% with respect to the composite metal oxide, the synthesis rate (nanocarbon composite Body / complex metal oxide) is achieved.

なお、上述のようにナノカーボンの大量合成を実現することができた理由は、次のとおりであると推定される。
(1)用いた触媒が第1種の金属の水溶性化合物、第2種の金属の水溶性化合物、有機化合物及び水の混合物を空気中焼成することにより作製した多孔質複合金属酸化物であること。
(2)触媒活性化ゾーンにおいて、多孔質複合金属酸化物の内、第2種の金属の酸化物が還元されて金属化することによって、触媒金属超微粒子が生成した活性触媒体が生成されること。
(3)生成した活性触媒体がナノカーボン合成ゾーンに搬送され、対向して供給された炭化水素ガスと接触することにより、触媒金属超微粒子を先頭にしてナノカーボンが活性触媒体周辺に成長すること。
このように、触媒金属超微粒子を先頭にしてナノカーボンが活性触媒体周辺に成長することにより、嵩密度が0.05〜0.5g/cmのナノカーボンと活性触媒体の複合体が製造される。これによって、ナノカーボンが合成中に飛散することがなく、安全衛生を確保した状態で、ナノカーボンの大量製造が可能となった。
In addition, it is estimated that the reason why large-scale synthesis of nanocarbon can be realized as described above is as follows.
(1) The catalyst used is a porous composite metal oxide prepared by firing in air a mixture of a water-soluble compound of the first type metal, a water-soluble compound of the second type metal, an organic compound and water. thing.
(2) In the catalyst activation zone, an active catalyst body in which ultrafine particles of catalyst metal are produced is produced by reducing and metalizing the oxide of the second type of the porous composite metal oxide. thing.
(3) The produced active catalyst body is transported to the nanocarbon synthesis zone, and comes into contact with the hydrocarbon gas supplied in opposition, so that nanocarbon grows around the active catalyst body with the catalyst metal ultrafine particles at the head. thing.
In this way, nanocarbon grows around the active catalyst body with the catalyst metal ultrafine particles at the head, thereby producing a composite of nanocarbon and active catalyst body having a bulk density of 0.05 to 0.5 g / cm 3. Is done. As a result, the nanocarbon was not scattered during the synthesis, and the mass production of the nanocarbon became possible while ensuring safety and hygiene.

[実施例20]
実施例20としては、触媒支援化学的気相成長法を用いた大型の量産装置として、スクリューコンベア方式を採用した。この実施例20で使用したスクリューコンベア方式のナノカーボン製造装置を図3に示した。このスクリューコンベア方式のナノカーボン製造装置20は、電気炉21内にスクリューコンベア22が配置されている。スクリューコンベア22はモーター23によって所定の一定速度で回転されている。電気炉21は、スクリューコンベア22の長さ方向に亘って、それぞれ触媒活性化ゾーン21a、ナノカーボン合成ゾーン21b及び冷却ゾーン21cごとに個別に所定の温度となるように、温度制御装置24によって制御されている。
[Example 20]
As Example 20, a screw conveyor system was adopted as a large-scale mass production apparatus using a catalyst-assisted chemical vapor deposition method. The screw conveyor type nanocarbon production apparatus used in Example 20 is shown in FIG. In this screw conveyor type nanocarbon manufacturing apparatus 20, a screw conveyor 22 is arranged in an electric furnace 21. The screw conveyor 22 is rotated at a predetermined constant speed by a motor 23. The electric furnace 21 is controlled by the temperature control device 24 so as to have a predetermined temperature for each of the catalyst activation zone 21a, the nanocarbon synthesis zone 21b, and the cooling zone 21c along the length direction of the screw conveyor 22. Has been.

また、スクリューコンベア22の入口端22aには、多孔質複合金属酸化物からなる触媒の供給用ホッパー25が配置されており、出口端22bにはナノカーボンと活性触媒体の複合体の排出ホッパー26が配置されている。そして、スクリューコンベア22の出口端22bには、炭化水素ガスの供給配管27a、還元性ガスの供給配管27b及び水蒸気もしくは加湿還元性ガスの供給配管27dが接続され、同じく入口端22aに接続された触媒の供給用ホッパー25には排ガス配管27cが接続されこの排ガス配管27cは、水素回収システム28aを経て、水素ガスを燃料とする周知の燃料電池システム28bに接続されている。なお、ここでは各種バルブの図示は省略されている(以下、他の実施例においても同じ)。さらに、スクリューコンベア22内の温度、ガス濃度及び圧力を測定するために、適宜各種センシング手段29が設けられている。なお、通常、温度及びガス濃度は触媒活性化ゾーン21a、ナノカーボン合成ゾーン21b及び冷却ゾーン21cにおいて測定され、圧力は冷却ゾーン21cにおいて測定される。   A catalyst supply hopper 25 made of porous composite metal oxide is disposed at the inlet end 22a of the screw conveyor 22, and a discharge hopper 26 of a composite of nanocarbon and active catalyst is disposed at the outlet end 22b. Is arranged. The outlet end 22b of the screw conveyor 22 is connected to a hydrocarbon gas supply pipe 27a, a reducing gas supply pipe 27b, and a steam or humidified reducing gas supply pipe 27d, and also connected to the inlet end 22a. An exhaust gas pipe 27c is connected to the catalyst supply hopper 25, and this exhaust gas pipe 27c is connected to a known fuel cell system 28b using hydrogen gas as fuel through a hydrogen recovery system 28a. Here, illustration of various valves is omitted (hereinafter, the same applies to other embodiments). Further, various sensing means 29 are appropriately provided to measure the temperature, gas concentration and pressure in the screw conveyor 22. Normally, the temperature and gas concentration are measured in the catalyst activation zone 21a, the nanocarbon synthesis zone 21b, and the cooling zone 21c, and the pressure is measured in the cooling zone 21c.

[多孔質複合金属酸化物の製造]
実施例20では、触媒として用いる多孔質複合金属酸化物を次のようにして作製した。まず、第1種の金属の水溶性化合物として6質量%のカルシウム硝酸塩と、第2種の金属の水溶性化合物として44質量%の鉄硝酸塩と、有機化合物として25質量%のアラニンと、19質量%のイオン交換水の組成物100gとなる割合で混合し、マグネットスターラーで撹拌した。この組成物をステンレス製容器に移し、空気雰囲気中で750℃に保持した焼成炉に投入した。16分後にセラミック化した多孔質複合金属酸化物を得た。これを粉砕して400μmのメッシュパスした粉体をナノカーボン製造用の多孔質複合金属酸化物として用いた。このようにして作製された実施例20で使用した多孔質複合金属酸化物の電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)により観察された画像を図4に示す。
[Production of porous composite metal oxides]
In Example 20, a porous composite metal oxide used as a catalyst was produced as follows. First, 6% by mass of calcium nitrate as the water-soluble compound of the first type metal, 44% by mass of iron nitrate as the water-soluble compound of the second type of metal, 25% by mass of alanine as the organic compound, and 19% by mass % Ion exchanged water was mixed at a ratio of 100 g and stirred with a magnetic stirrer. This composition was transferred to a stainless steel container and placed in a firing furnace maintained at 750 ° C. in an air atmosphere. After 16 minutes, a ceramic composite porous metal oxide was obtained. This powder was pulverized and passed through a mesh of 400 μm and used as a porous composite metal oxide for producing nanocarbon. The image observed by the field emission scanning electron microscope (FE-SEM) of the porous composite metal oxide used in Example 20 thus produced is shown in FIG.

[製造準備処理工程]
実施例20のナノカーボン製造装置20において、温度制御装置24により、電気炉21のナノカーボン合成ゾーン21bの温度が750℃±5℃になるように温度制御した。この時、スクリューコンベア22の内部を不活性ガスの窒素ガスで1%以下の酸素濃度なるまで置換した。
[Manufacturing preparation process]
In the nanocarbon production apparatus 20 of Example 20, the temperature was controlled so that the temperature of the nanocarbon synthesis zone 21b of the electric furnace 21 was 750 ° C. ± 5 ° C. by the temperature controller 24. At this time, the inside of the screw conveyor 22 was replaced with an inert gas, nitrogen gas, until the oxygen concentration became 1% or less.

[多孔質複合金属酸化物の供給]
上述のようにして作製された多孔質複合金属酸化物の粉体を、触媒の供給用ホッパー25からスクリューコンベア22の入口端22aに50g/hrの定量・定速度で供給した。この時、還元性ガスの供給配管27bより還元性ガスである窒素−5%水素混合ガスをスクリューコンベア22の出口端22bからスクリューコンベア22に供給した。これにより、少なくとも触媒活性化ゾーン21aで多孔質複合金属酸化物であるFeO−CaO多孔体のFeOの一部が金属化した活性触媒体が生成される。
[Supply of porous composite metal oxide]
The porous composite metal oxide powder produced as described above was supplied from the catalyst supply hopper 25 to the inlet end 22a of the screw conveyor 22 at a constant and constant speed of 50 g / hr. At this time, a nitrogen-5% hydrogen mixed gas, which is a reducing gas, was supplied from the outlet end 22 b of the screw conveyor 22 to the screw conveyor 22 from the reducing gas supply pipe 27 b. Thereby, an active catalyst body in which a part of FeO of the FeO—CaO porous body, which is a porous composite metal oxide, is metallized is generated at least in the catalyst activation zone 21a.

[ナノカーボンの合成]
次いで、多孔質複合金属酸化物の粉体がスクリューコンベア22の出口端22b付近に来たことを確認して、還元性ガスの供給配管27bより流していた還元性ガスである窒素−5%水素混合ガスを炭化水素ガスの供給配管27aに切り替えて炭化水素ガスであるメタンガスを流した。また、メタンガスが活性触媒体周辺で反応がスムースに進行させるようにするため、スクリューコンベア22内の圧力は0.1〜10kPaの範囲に設定した。このとき、水蒸気もしくは加湿還元性ガス供給配管27dからメタンガス中に水蒸気もしくは加湿還元性ガスを添加してもよい。
[Synthesis of nanocarbon]
Next, it is confirmed that the powder of the porous composite metal oxide has come near the outlet end 22b of the screw conveyor 22, and nitrogen-5% hydrogen which is a reducing gas flowing from the reducing gas supply pipe 27b. The mixed gas was switched to the hydrocarbon gas supply pipe 27a, and methane gas as hydrocarbon gas was allowed to flow. Further, the pressure in the screw conveyor 22 was set in a range of 0.1 to 10 kPa so that the reaction smoothly progressed around the active catalyst body. At this time, the steam or the humid reducing gas may be added to the methane gas from the steam or the humid reducing gas supply pipe 27d.

これにより、触媒活性化ゾーン21aで生成した活性触媒体は、スクリューコンベア22により、運動しながらナノカーボン合成ゾーン21bに搬送され、対向して供給された炭化水素ガスであるメタンガスと接触することにより、ナノカーボンが活性触媒体周辺に合成され、同時に水素ガスが生成される。ナノカーボンと活性触媒体の複合体のナノカーボン合成ゾーン21bでの滞留時間は30分に設定されている。   As a result, the active catalyst body generated in the catalyst activation zone 21a is conveyed to the nanocarbon synthesis zone 21b while moving by the screw conveyor 22, and comes into contact with methane gas, which is a hydrocarbon gas supplied in opposition. Nanocarbon is synthesized around the active catalyst body, and hydrogen gas is generated at the same time. The residence time of the composite of nanocarbon and active catalyst in the nanocarbon synthesis zone 21b is set to 30 minutes.

このナノカーボン合成中に、触媒活性化ゾーン21a、ナノカーボン合成ゾーン21b及び冷却ゾーン21cのメタン、水素及び水蒸気の濃度を分析し、炭化水素ガスとしてのメタンガスの流量を制御することにより、触媒活性化ゾーン21aでの水素ガス濃度が80%以上となるように制御した。これによって、触媒活性化ゾーン21aでは、ナノカーボン合成時に生成される水素ガスにより多孔質複合金属酸化物であるFeO−CaO多孔体のFeOの一部が金属化した活性触媒体が連続的に生成される。   During the nanocarbon synthesis, the concentration of methane, hydrogen, and water vapor in the catalyst activation zone 21a, nanocarbon synthesis zone 21b, and cooling zone 21c is analyzed, and the flow rate of methane gas as hydrocarbon gas is controlled. The hydrogen gas concentration in the gasification zone 21a was controlled to be 80% or more. As a result, in the catalyst activation zone 21a, an active catalyst body in which part of FeO of the FeO-CaO porous body, which is a porous composite metal oxide, is metallized continuously by hydrogen gas generated during nanocarbon synthesis. Is done.

[ナノカーボンおよび水素ガスの排出]
活性触媒体の上にナノカーボンが合成された複合体は、スクリューコンベア22により、運動しながら冷却ゾーン21cを経由して排出ホッパー26に蓄積される。一方、生成した水素ガスや水蒸気は水素回収システム28aに導かれ、ここで水素が分離されて、さらに燃料電池システム28bにて有効利用される。
[Nanocarbon and hydrogen gas emissions]
The composite in which nanocarbon is synthesized on the active catalyst is accumulated in the discharge hopper 26 via the cooling zone 21c while moving by the screw conveyor 22. On the other hand, the generated hydrogen gas and water vapor are guided to the hydrogen recovery system 28a, where the hydrogen is separated and further effectively used in the fuel cell system 28b.

この実施例20により作製されたナノカーボンと活性触媒体の複合体の排出速度は600g/hrであった。合成したナノカーボンを透過電子顕微鏡で構造観察した結果、多層平行型のナノチューブであった。   The discharge rate of the composite of nanocarbon and active catalyst produced in Example 20 was 600 g / hr. As a result of observing the structure of the synthesized nanocarbon with a transmission electron microscope, it was a multi-layered parallel type nanotube.

[実施例21]
実施例21としては、触媒支援化学的気相成長法を用いた大型の量産装置として、ロータリーキルン及びスクリューコンベアの併用方式を採用した。この実施例21で使用したナノカーボン製造装置を図5を用いて説明する。このロータリーキルン及びスクリューコンベアの併用方式を採用したナノカーボン製造装置30は、電気炉31内にロータリーキルン32が配置されている。ロータリーキルン32は図示省略したモーターによって所定の一定速度で回転されている。電気炉31は、ロータリーキルン32の長さ方向に亘って、それぞれ触媒活性化ゾーン31a、ナノカーボン合成ゾーン31b及び冷却ゾーン31cごとに個別に所定の温度となるように、温度制御装置34によって制御されている。
[Example 21]
As Example 21, a combined use of a rotary kiln and a screw conveyor was adopted as a large-scale mass production apparatus using a catalyst-assisted chemical vapor deposition method. The nanocarbon manufacturing apparatus used in Example 21 will be described with reference to FIG. In the nanocarbon manufacturing apparatus 30 that employs the combined use of the rotary kiln and screw conveyor, a rotary kiln 32 is disposed in an electric furnace 31. The rotary kiln 32 is rotated at a predetermined constant speed by a motor (not shown). The electric furnace 31 is controlled by the temperature control device 34 so as to have a predetermined temperature for each of the catalyst activation zone 31a, the nanocarbon synthesis zone 31b, and the cooling zone 31c along the length direction of the rotary kiln 32. ing.

ロータリーキルン32の入口端32aには、粉塵回収ホッパー32cが設けられており、出口端32bにはナノカーボンと活性触媒体の複合体の排出ホッパー36が配置されている。また、ロータリーキルン32の入口端32aから触媒活性化ゾーン31aに亘って、スクリューコンベア33が配置されている。このスクリューコンベア33の入口端33aには、多孔質複合金属酸化物からなる触媒の供給用ホッパー35が配置されており、出口端33bはロータリーキルン32内に開放されている。   A dust collection hopper 32c is provided at the inlet end 32a of the rotary kiln 32, and a discharge hopper 36 of a composite of nanocarbon and active catalyst is disposed at the outlet end 32b. A screw conveyor 33 is disposed from the inlet end 32a of the rotary kiln 32 to the catalyst activation zone 31a. A catalyst supply hopper 35 made of a porous composite metal oxide is disposed at an inlet end 33 a of the screw conveyor 33, and an outlet end 33 b is opened in the rotary kiln 32.

そして、ロータリーキルン32の出口端32bには、炭化水素ガスの供給配管37a及び不活性ガスの供給配管37b(なお、ここでは炭化水素ガスの供給配管37aに不活性ガス供給配管37bが接続されているものを示した。)及び水蒸気もしくは加湿還元性ガス供給配管37fが接続され、同じく入口端32aに接続された粉塵回収ホッパー32cには排ガス配管37cが接続されている。また、スクリューコンベア33の出口端33bには還元性ガス又は不活性ガスの供給配管37dが接続され、入口端33aに配置された触媒の供給用ホッパー35には排ガス配管37eが接続されている。そして、これらの排ガス配管37c及び37eは、共に水素回収システム38aを経て、水素ガスを燃料とする周知の燃料電池システム38bに接続されている。さらに、ロータリーキルン32内の温度、ガス濃度及び圧力を測定するために、適宜各種センシング手段39が設けられている。   A hydrocarbon gas supply pipe 37 a and an inert gas supply pipe 37 b (here, an inert gas supply pipe 37 b is connected to the hydrocarbon gas supply pipe 37 a are connected to the outlet end 32 b of the rotary kiln 32. And an exhaust gas pipe 37c is connected to the dust recovery hopper 32c connected to the inlet end 32a. A reducing gas or inert gas supply pipe 37d is connected to the outlet end 33b of the screw conveyor 33, and an exhaust gas pipe 37e is connected to the catalyst supply hopper 35 disposed at the inlet end 33a. The exhaust gas pipes 37c and 37e are both connected to a well-known fuel cell system 38b using hydrogen gas as fuel through a hydrogen recovery system 38a. Furthermore, various sensing means 39 are provided as appropriate to measure the temperature, gas concentration and pressure in the rotary kiln 32.

なお、ロータリーキルン32の直径は150mmであり、触媒活性化ゾーン31a、ナノカーボン合成ゾーン31b及び冷却ゾーン31cのそれぞれの長さは250mm、200mm、250mmであり、ロータリーキルン32中のナノカーボンと活性触媒体の複合体の占める保有率を10%、合成量0.2kg/hrとなるようにロータリーキルン32及びスクリューコンベア33の運転条件を選定した。   The diameter of the rotary kiln 32 is 150 mm, and the lengths of the catalyst activation zone 31a, the nanocarbon synthesis zone 31b, and the cooling zone 31c are 250 mm, 200 mm, and 250 mm, respectively. The operating conditions of the rotary kiln 32 and the screw conveyor 33 were selected so that the holding ratio occupied by the composite was 10% and the synthesis amount was 0.2 kg / hr.

[多孔質複合金属酸化物の製造]
実施例21では、触媒として用いる多孔質複合金属酸化物を次のようにして作製した。まず、第1種の金属の水溶性化合物として8質量%のマグネシウム硝酸塩と、第2種の金属の水溶性化合物として42質量%のニッケル硝酸塩と、有機化合物として55質量%のグリシンと、19質量%のイオン交換水の組成物100gとなる割合で混合し、マグネットスターラーで撹拌した。この組成物をステンレス製容器に移し、空気雰囲気中で670℃に保持した焼成炉に投入した。16分後にセラミック化した多孔質複合金属酸化物を得た。これを粉砕して400μmのメッシュパスした粉体を実施例21のナノカーボン製造用の多孔質複合金属酸化物として用いた。このようにして得られた多孔質複合金属酸化物のFE−SEMにより観察された画像を図6に示した。
[Production of porous composite metal oxides]
In Example 21, a porous composite metal oxide used as a catalyst was produced as follows. First, 8% by mass of magnesium nitrate as the water-soluble compound of the first type metal, 42% by mass of nickel nitrate as the water-soluble compound of the second type of metal, 55% by mass of glycine as the organic compound, and 19% by mass % Ion exchanged water was mixed at a ratio of 100 g and stirred with a magnetic stirrer. This composition was transferred to a stainless steel container and placed in a firing furnace maintained at 670 ° C. in an air atmosphere. After 16 minutes, a ceramic composite porous metal oxide was obtained. This powder was pulverized and passed through a mesh of 400 μm and used as the porous composite metal oxide for producing nanocarbon of Example 21. The image observed by FE-SEM of the porous composite metal oxide thus obtained is shown in FIG.

[製造準備処理工程]
実施例21のナノカーボン製造装置30において、温度制御装置34により、電気炉31のナノカーボン合成ゾーン31bの温度が670℃±5℃になるように温度制御した。この時、ロータリーキルン32の内部及びスクリューコンベア33の内部を、不活性ガスの供給配管37b及び還元性ガス又は不活性ガスの供給配管37dから不活性ガスの窒素ガスを供給することにより、1%以下の酸素濃度なるまで置換した。
[Manufacturing preparation process]
In the nanocarbon production apparatus 30 of Example 21, the temperature was controlled so that the temperature of the nanocarbon synthesis zone 31b of the electric furnace 31 was 670 ° C. ± 5 ° C. by the temperature controller 34. At this time, the inert gas nitrogen gas is supplied to the inside of the rotary kiln 32 and the screw conveyor 33 from the inert gas supply pipe 37b and the reducing gas or inert gas supply pipe 37d to 1% or less. Substitution was performed until the oxygen concentration reached.

[多孔質複合金属酸化物の供給]
上述のようにして作製された多孔質複合金属酸化物の粉体を、触媒の供給用ホッパー35からスクリューコンベア33の入口端33aに12g/hrの定量・定速度で供給した。この時、還元性ガスの供給配管37bより還元性ガスである窒素−5%水素混合ガスを還元性ガス又は不活性ガスの供給配管37dを経てスクリューコンベア33の出口端33bからスクリューコンベア33に供給した。これにより、少なくとも触媒活性化ゾーン31aで多孔質複合金属酸化物であるNiO−MgO多孔体のNiOの一部が金属化した活性触媒体が生成される。
[Supply of porous composite metal oxide]
The porous composite metal oxide powder produced as described above was supplied from the catalyst supply hopper 35 to the inlet end 33a of the screw conveyor 33 at a constant and constant speed of 12 g / hr. At this time, the reducing gas supply pipe 37b supplies the reducing gas nitrogen-5% mixed gas through the reducing gas or inert gas supply pipe 37d to the screw conveyor 33 from the outlet end 33b of the screw conveyor 33. did. Thereby, an active catalyst body in which a part of NiO of the NiO-MgO porous body, which is a porous composite metal oxide, is metallized is generated at least in the catalyst activation zone 31a.

[ナノカーボンの合成]
次いで、多孔質複合金属酸化物の粉体がスクリューコンベア33の出口端33b付近に来たことを確認して、不活性ガスの供給配管37bから供給されていた不活性ガスに換えて炭化水素ガスの供給配管37aから炭化水素ガスであるブタンガスを110L/hrの割合で活性触媒体の供給方向に対向するように流した。また、ブタンガスの活性触媒体周辺で反応がスムースに進行させるようにするため、ロータリーキルン32内の圧力は0.1〜10kPaの範囲に設定した。このとき、水蒸気もしくは加湿還元性ガス供給配管37fからブタンガス中に水蒸気もしくは加湿還元性ガスを添加してもよい。
[Synthesis of nanocarbon]
Next, after confirming that the powder of the porous composite metal oxide has come to the vicinity of the outlet end 33b of the screw conveyor 33, the hydrocarbon gas is replaced with the inert gas supplied from the inert gas supply pipe 37b. The butane gas, which is a hydrocarbon gas, was supplied from the supply pipe 37a at a rate of 110 L / hr so as to face the supply direction of the active catalyst body. The pressure in the rotary kiln 32 was set to a range of 0.1 to 10 kPa so that the reaction smoothly progressed around the butane gas active catalyst body. At this time, the steam or the humid reducing gas may be added to the butane gas from the steam or the humid reducing gas supply pipe 37f.

これにより、触媒活性化ゾーン31aで生成した活性触媒体は、ロータリーキルン32により、運動しながらナノカーボン合成ゾーン31bに搬送され、対向して供給された炭化水素ガスであるブタンガスと接触することにより、ナノカーボンが活性触媒体周辺に合成され、同時に540L/hrの割合で水素ガスが生成される。ナノカーボンと活性触媒体の複合体のナノカーボン合成ゾーン31bでの滞留時間は30分に設定されている。   Thereby, the active catalyst body generated in the catalyst activation zone 31a is conveyed to the nanocarbon synthesis zone 31b while moving by the rotary kiln 32, and comes into contact with butane gas which is a hydrocarbon gas supplied in an opposing manner. Nanocarbon is synthesized around the active catalyst body, and at the same time, hydrogen gas is generated at a rate of 540 L / hr. The residence time of the composite of nanocarbon and active catalyst in the nanocarbon synthesis zone 31b is set to 30 minutes.

このナノカーボン合成中に、触媒活性化ゾーン31a、ナノカーボン合成ゾーン31b及び冷却ゾーン31cのメタン、水素及び水蒸気の濃度を分析し、炭化水素ガスとしてのメタンガスの流量を制御することにより、触媒活性化ゾーン31aでの水素ガス濃度が80%以上となるように制御した。これによって、触媒活性化ゾーン31aでは、ナノカーボン合成時に生成される水素ガスにより多孔質複合金属酸化物であるFeO−CaO多孔体のFeOの一部が金属化した活性触媒体が連続的に生成される。   During the nanocarbon synthesis, the concentration of methane, hydrogen, and water vapor in the catalyst activation zone 31a, the nanocarbon synthesis zone 31b, and the cooling zone 31c is analyzed, and the flow rate of methane gas as the hydrocarbon gas is controlled, thereby increasing the catalyst activity. The hydrogen gas concentration in the gasification zone 31a was controlled to be 80% or more. As a result, in the catalyst activation zone 31a, an active catalyst body in which part of FeO of the FeO-CaO porous body, which is a porous composite metal oxide, is metallized continuously by hydrogen gas generated during nanocarbon synthesis. Is done.

[ナノカーボンおよび水素ガスの排出]
活性触媒体の上にナノカーボンが合成された複合体は、ロータリーキルン32により、運動しながら冷却ゾーン31cを経由して排出ホッパー36に蓄積される。一方、生成した水素ガスや水蒸気は水素回収システム38aに導かれ、ここで水素が分離されて、さらに燃料電池システム38bにて有効利用される。このようにして得られたナノカーボンと活性触媒体との複合体の倍率を変えたFE−SEMにより観察された画像を図7及び図8に示した。
[Nanocarbon and hydrogen gas emissions]
The composite in which nanocarbon is synthesized on the active catalyst is accumulated in the discharge hopper 36 by the rotary kiln 32 through the cooling zone 31c while moving. On the other hand, the generated hydrogen gas and water vapor are led to the hydrogen recovery system 38a, where the hydrogen is separated and further effectively used in the fuel cell system 38b. Images observed by the FE-SEM in which the magnification of the composite of the nanocarbon thus obtained and the active catalyst body was changed are shown in FIG. 7 and FIG.

この実施例21により作製されたナノカーボンと活性触媒体の複合体の排出速度は0.25kg/hrであった。1日24時間、15日の連続運転をした結果、89kgの複合体が得られた。合成したナノカーボンを透過電子顕微鏡で構造観察した結果、図9に示すように、カップスタック型のナノチューブであった。   The discharge rate of the composite of nanocarbon and active catalyst produced in Example 21 was 0.25 kg / hr. As a result of continuous operation for 24 hours a day for 15 days, 89 kg of a composite was obtained. As a result of observing the structure of the synthesized nanocarbon with a transmission electron microscope, it was a cup-stacked nanotube as shown in FIG.

[実施例22]
実施例22としては、触媒支援化学的気相成長法を用いた大型の量産装置として、ベルトコンベア方式を採用した。この実施例22で使用したナノカーボン製造装置を図10を用いて説明する。このベルトコンベア方式を採用したナノカーボン製造装置40は、電気炉41内に配置された反応管42内にベルトコンベア43が配置されている。ベルトコンベア43は図示省略したモーターによって所定の一定速度で駆動されている。電気炉41は、反応管42の長さ方向に亘って、それぞれ触媒活性化ゾーン41a、ナノカーボン合成ゾーン41b及び冷却ゾーン41cごとに個別に所定の温度となるように、温度制御装置44によって制御されている。
[Example 22]
As Example 22, a belt conveyor system was adopted as a large-scale mass production apparatus using a catalyst-assisted chemical vapor deposition method. The nanocarbon production apparatus used in Example 22 will be described with reference to FIG. In the nanocarbon manufacturing apparatus 40 employing this belt conveyor system, a belt conveyor 43 is disposed in a reaction tube 42 disposed in an electric furnace 41. The belt conveyor 43 is driven at a predetermined constant speed by a motor (not shown). The electric furnace 41 is controlled by the temperature controller 44 so that the catalyst activation zone 41a, the nanocarbon synthesis zone 41b, and the cooling zone 41c are individually set at predetermined temperatures along the length of the reaction tube 42. Has been.

反応管42の入口端42a側のベルトコンベア43上には触媒供給用ホッパー45が設けられており、出口端42b側には、ブラシ43aとともに、ナノカーボンと活性触媒体の複合体の排出ホッパー46が配置されている。そして、ベルトコンベア43の出口端42bには、炭化水素ガスの供給配管47a、還元性ガス又は不活性ガスの供給配管47b及び水蒸気もしくは加湿還元性ガス供給配管47dが接続され、同じく入口端42aに接続された触媒供給用ホッパー45には排ガス配管47cが接続されている。そして、これらの排ガス配管47cは、水素回収システム48aを経て、水素ガスを燃料とする周知の燃料電池システム48bに接続されている。さらに、ベルトコンベア43内の温度、ガス濃度及び圧力を測定するために、適宜各種センシング手段59が設けられている。   A catalyst supply hopper 45 is provided on the belt conveyor 43 on the inlet end 42a side of the reaction tube 42, and on the outlet end 42b side, a discharge hopper 46 for the composite of nanocarbon and active catalyst together with the brush 43a. Is arranged. The outlet end 42b of the belt conveyor 43 is connected to a hydrocarbon gas supply pipe 47a, a reducing gas or inert gas supply pipe 47b, and a steam or humidified reducing gas supply pipe 47d. An exhaust gas pipe 47 c is connected to the connected catalyst supply hopper 45. These exhaust gas pipes 47c are connected to a well-known fuel cell system 48b using hydrogen gas as fuel through a hydrogen recovery system 48a. Furthermore, various sensing means 59 are provided as appropriate in order to measure the temperature, gas concentration and pressure in the belt conveyor 43.

[多孔質複合金属酸化物の製造]
第1種の金属の水溶性化合物として6質量%のマグネシウム硝酸塩と、第2種の金属の水溶性化合物として48質量%のコバルト硝酸塩と、有機化合物として25質量%のロイシンと、15質量%のイオン交換水の組成物100gとなる割合でマグネットスターラーで撹拌した。この組成物をステンレス製容器に移し、750℃に保持した焼成炉に投入した。16分後にセラミック化した多孔質複合金属酸化物を作製した。これを粉砕して400μmのメッシュパスした粉体をナノカーボン製造用の多孔質複合金属酸化物にした。
[Production of porous composite metal oxides]
6% by weight magnesium nitrate as the water-soluble compound of the first metal, 48% by weight of cobalt nitrate as the water-soluble compound of the second metal, 25% by weight of leucine as the organic compound, and 15% by weight of It stirred with the magnetic stirrer in the ratio used as the composition of ion-exchange water 100g. This composition was transferred to a stainless steel container and placed in a firing furnace maintained at 750 ° C. A porous composite metal oxide ceramicized after 16 minutes was produced. The powder was pulverized and passed through a mesh of 400 μm to form a porous composite metal oxide for producing nanocarbon.

[製造準備処理工程]
そして、温度制御装置44により、電気炉41のナノカーボン合成ゾーン41bの温度が750℃±5℃になるように温度制御した。この時、反応管42の内部を、還元性ガス又は不活性ガスの供給配管47bから不活性ガスの窒素ガスを供給することにより、1%以下の酸素濃度なるまで置換した。
[Manufacturing preparation process]
Then, the temperature was controlled by the temperature controller 44 so that the temperature of the nanocarbon synthesis zone 41b of the electric furnace 41 was 750 ° C. ± 5 ° C. At this time, the inside of the reaction tube 42 was replaced by supplying an inert gas nitrogen gas from the reducing gas or inert gas supply piping 47b until the oxygen concentration became 1% or less.

[多孔質複合金属酸化物の供給]
上述の多孔質複合金属酸化物の粉体を、触媒の供給用ホッパー45から反応管42の入口端42a側のベルトコンベア43上に50g/hrの定量・定速度で供給した。この時、還元性ガス又は不活性ガスの供給配管47bより還元性ガスである窒素−5%水素混合ガスを供給した。これにより、少なくとも触媒活性化ゾーン41aで多孔質複合金属酸化物であるCoO−MgO多孔体のCoOの一部が金属化した活性触媒体が生成される。
[Supply of porous composite metal oxide]
The above-mentioned porous composite metal oxide powder was supplied from the catalyst supply hopper 45 onto the belt conveyor 43 on the inlet end 42a side of the reaction tube 42 at a constant and constant speed of 50 g / hr. At this time, a nitrogen-5% hydrogen mixed gas as a reducing gas was supplied from a reducing gas or inert gas supply pipe 47b. As a result, an active catalyst body in which a part of CoO of the CoO—MgO porous body, which is a porous composite metal oxide, is metalized at least in the catalyst activation zone 41a is generated.

[ナノカーボンの合成]
次いで、多孔質複合金属酸化物の粉体が反応管42の出口端42b側付近に来たことを確認して、不活性ガスの供給配管47bから供給されていた不活性ガスに換えて炭化水素ガスの供給配管47aから炭化水素ガスであるメタンガスを活性触媒体の供給方向に対向するように流した。また、メタンガスの活性触媒体周辺で反応がスムースに進行させるようにするため、反応管42内の圧力は0.1〜10kPaの範囲に設定した。このとき、水蒸気もしくは加湿還元性ガス供給配管47dからメタンガス中に水蒸気もしくは加湿還元性ガスを添加してもよい。
[Synthesis of nanocarbon]
Next, after confirming that the powder of the porous composite metal oxide has come near the outlet end 42b side of the reaction tube 42, the hydrocarbon is replaced with the inert gas supplied from the inert gas supply pipe 47b. Methane gas, which is a hydrocarbon gas, was caused to flow through the gas supply pipe 47a so as to face the supply direction of the active catalyst body. Further, the pressure in the reaction tube 42 was set to a range of 0.1 to 10 kPa so that the reaction smoothly progressed around the active catalyst body of methane gas. At this time, the steam or the humid reducing gas may be added to the methane gas from the steam or the humid reducing gas supply pipe 47d.

これにより、触媒活性化ゾーン41aで生成した活性触媒体は、ベルトコンベア43により、運動しながらナノカーボン合成ゾーン41bに搬送され、対向して供給された炭化水素ガスであるメタンガスと接触することにより、ナノカーボンが活性触媒体周辺に合成され、同時に水素ガスが生成される。ナノカーボンと活性触媒体の複合体のナノカーボン合成ゾーン41bでの滞留時間は30分に設定されている。   Thereby, the active catalyst body generated in the catalyst activation zone 41a is conveyed to the nanocarbon synthesis zone 41b while moving by the belt conveyor 43, and comes into contact with methane gas, which is a hydrocarbon gas supplied in opposition. Nanocarbon is synthesized around the active catalyst body, and hydrogen gas is generated at the same time. The residence time of the composite of nanocarbon and active catalyst in the nanocarbon synthesis zone 41b is set to 30 minutes.

このナノカーボン合成中に、触媒活性化ゾーン41a、ナノカーボン合成ゾーン41b及び冷却ゾーン41cのメタン、水素及び水蒸気の濃度を分析し、炭化水素ガスとしてのメタンガスの流量を制御することにより、触媒活性化ゾーン41aでの水素ガス濃度が80%以上となるように制御した。これによって、触媒活性化ゾーン41aでは、ナノカーボン合成時に生成される水素ガスにより多孔質複合金属酸化物であるCoO−MgO多孔体のCoOの一部が金属化した活性触媒体が連続的に生成される。   During the nanocarbon synthesis, the concentration of methane, hydrogen and water vapor in the catalyst activation zone 41a, the nanocarbon synthesis zone 41b and the cooling zone 41c is analyzed, and the flow rate of methane gas as the hydrocarbon gas is controlled. The hydrogen gas concentration in the gasification zone 41a was controlled to be 80% or more. Thereby, in the catalyst activation zone 41a, an active catalyst body in which a part of CoO of the CoO-MgO porous body, which is a porous composite metal oxide, is metallized continuously by hydrogen gas generated during nanocarbon synthesis. Is done.

[ナノカーボンおよび水素ガスの排出]
活性触媒体の上にナノカーボンが合成された複合体は、ベルトコンベア43により、運動しながら冷却ゾーン41cを経由して反応管42の出口端42b側まで移動し、ブラシ43aでベルトコンベア43から掻き落とされて、排出ホッパー46に蓄積される。一方、生成した水素ガスや水蒸気は水素回収システム48aに導かれ、ここで水素が分離されて、さらに燃料電池システム48bにて有効利用される。
[Nanocarbon and hydrogen gas emissions]
The composite in which nanocarbon is synthesized on the active catalyst is moved by the belt conveyor 43 to the outlet end 42b side of the reaction tube 42 via the cooling zone 41c while moving, and is removed from the belt conveyor 43 by the brush 43a. It is scraped off and accumulated in the discharge hopper 46. On the other hand, the generated hydrogen gas and water vapor are guided to the hydrogen recovery system 48a, where the hydrogen is separated and further effectively used in the fuel cell system 48b.

この実施例22により作製されたナノカーボンと活性触媒体の複合体の排出速度は600g/hrであった。合成したナノカーボンを透過電子顕微鏡で構造観察した結果、多層並行型のナノチューブであった。   The discharge rate of the composite of nanocarbon and active catalyst produced in Example 22 was 600 g / hr. As a result of observing the structure of the synthesized nanocarbon with a transmission electron microscope, it was a multi-walled parallel nanotube.

[実施例23]
実施例20〜22に示した触媒支援化学的気相成長法を用いた大型の量産装置20、30及び40では、生成した水素ガスを燃料電池で使用して電力として回収することによりエネルギーを回収し、低コストにナノカーボンを製造できるようにした例を示した。しかしながら、ナノカーボンを大量生産するには、多量の水素ガスだけでなく、多量の未反応の炭化水素及び廃熱が回収される。そこで、実施例23では、図11を用いて、このような生成した水素ガス、未反応の炭化水素及び廃熱をも利用することによりさらに低コストにナノカーボンを製造できるようにした触媒支援化学的気相成長法を用いた大型の量産装置50について説明する。
[Example 23]
In the large-scale mass production apparatuses 20, 30, and 40 using the catalyst-assisted chemical vapor deposition method shown in Examples 20 to 22, energy is recovered by using the generated hydrogen gas in a fuel cell and recovering it as electric power. In this example, nanocarbon can be produced at low cost. However, in order to mass-produce nanocarbon, not only a large amount of hydrogen gas but also a large amount of unreacted hydrocarbon and waste heat are recovered. Therefore, in Example 23, using FIG. 11, catalyst-assisted chemistry capable of producing nanocarbon at a lower cost by utilizing such generated hydrogen gas, unreacted hydrocarbon and waste heat. A large-scale mass production apparatus 50 using a chemical vapor deposition method will be described.

実施例23の触媒支援化学的気相成長法を用いた大型の量産装置50は、ナノカーボン生成部51と、生成した水素ガス、未反応の炭化水素及び廃熱等の利用部70とを備えている。ナノカーボン生成部51は、ナノカーボンを合成する反応路52、多孔質複合金属酸化物を合成及び供給するための多孔質複合金属酸化物システム53、還元性ガス及び水蒸気もしくは加湿還元性ガス供給システム54、不活性ガス及び炭化水素ガス供給システム55、生成したナノカーボンと活性触媒体との複合体を回収するためのナノカーボン回収システム56、ナノカーボンと活性触媒体との複合体からナノカーボンを分離するナノカーボンの高品質化システム57、分離されたナノカーボンを貯蔵するためのナノカーボン貯蔵システム58及び反応路52内の温度、ガス濃度及び圧力を検知するための各種センシング手段59及びこれらの各手段の動作を制御するための制御システム60とを備えている。なお、ナノカーボン生成部51の各構成は、実施例20〜22に示した触媒支援化学的気相成長法を用いた大型の量産装置20、30及び40の場合と同様であるので、その詳細な説明は省略する。   A large-scale mass production apparatus 50 using the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of Example 23 includes a nanocarbon generation unit 51 and a utilization unit 70 for the generated hydrogen gas, unreacted hydrocarbons, waste heat, and the like. ing. The nanocarbon generation unit 51 includes a reaction path 52 for synthesizing nanocarbon, a porous composite metal oxide system 53 for synthesizing and supplying a porous composite metal oxide, a reducing gas and water vapor or a humidified reducing gas supply system. 54, an inert gas and hydrocarbon gas supply system 55, a nanocarbon recovery system 56 for recovering the composite of the generated nanocarbon and the active catalyst, and nanocarbon from the composite of the nanocarbon and the active catalyst Separating nanocarbon quality improvement system 57, nanocarbon storage system 58 for storing separated nanocarbon, and various sensing means 59 for detecting temperature, gas concentration and pressure in reaction path 52, and these And a control system 60 for controlling the operation of each means. In addition, since each structure of the nanocarbon production | generation part 51 is the same as that of the case of the large-scale mass-production apparatuses 20, 30, and 40 using the catalyst-assisted chemical vapor deposition method shown in Examples 20-22, the details The detailed explanation is omitted.

また、ナノカーボン生成部51は、さらに、水素ガス・副成ガス等を切り替えて利用部70に送りための水素ガス・副成ガス切換部61を備えている。この水素ガス・副成ガス切換部61から未反応の炭化水素及び廃熱等の利用部70に供給された高濃度の水素を含むガスは、例えばPSA等の水素ガス回収システム62aを経ることによって水素ガスが分離され、バグフィルター等のフィルターシステム62bによって固形分が除去され、その一部が例えばパラジウム等を利用した水素精製システム62cによって高純度化水素化され、残りの一部はそのままマイクロガスタービンシステム63に供給され発電に供給され、得られた電力は電力変換システム63aによって交流電力63b化されて各種の装置の電力として使用される。   The nanocarbon generation unit 51 further includes a hydrogen gas / byproduct gas switching unit 61 for switching between hydrogen gas and byproduct gas and sending them to the utilization unit 70. The gas containing high-concentration hydrogen supplied from the hydrogen gas / by-product gas switching unit 61 to the utilization unit 70 such as unreacted hydrocarbons and waste heat passes through a hydrogen gas recovery system 62a such as PSA, for example. The hydrogen gas is separated, the solid content is removed by a filter system 62b such as a bag filter, a part thereof is highly purified by a hydrogen purification system 62c using, for example, palladium, and the remaining part is directly microgas. Power supplied to the turbine system 63 and supplied to power generation is converted into AC power 63b by the power conversion system 63a and used as power for various devices.

また、高純度化水素化された水素ガスは燃料電池システム64の燃料極に供給され、この燃料電池システム64で発生された電力は電力変換システム64aによって交流電力64b化されて各種の装置の電力として使用され、また、燃料電池システム64で発生した熱は、廃熱回収システム64cによって水と熱交換することによって回収され、廃熱回収システム64cにより得られた温水ないし水蒸気はは貯湯槽64dに貯蔵されて、温水ないし水蒸気64eの形で各種用途に使用される。なお、燃料電池システム64には空気極に酸素を供給するための空気供給システム64fも設けられている。   Further, the highly purified hydrogenated hydrogen gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell system 64, and the electric power generated in the fuel cell system 64 is converted into AC power 64b by the power conversion system 64a, and the power of various devices. The heat generated in the fuel cell system 64 is recovered by exchanging heat with water by the waste heat recovery system 64c, and the hot water or steam obtained by the waste heat recovery system 64c is stored in the hot water storage tank 64d. It is stored and used for various purposes in the form of warm water or water vapor 64e. The fuel cell system 64 is also provided with an air supply system 64f for supplying oxygen to the air electrode.

また、水素ガス・副成ガス切換部61から供給された未反応の炭化水素及び廃熱等の利用部70に供給された炭化水素ガスを含む成分は、排ガス回収システム65で炭化水素ガスが濃縮された後、排ガス燃焼システム65aで燃焼され、この時発生した熱が、ナノカーボン生成部51に供給されて、例えば多孔質複合金属酸化物焼成用の予備加熱システム66等として使用される。なお、制御システム60は未反応の炭化水素及び廃熱等の利用部70の各種手段の制御にも使用される。このようにして、実施例23の触媒支援化学的気相成長法を用いた大型の量産装置50によれば、生成した水素ガス、未反応の炭化水素及び廃熱をも利用することによりさらに低コストにナノカーボンを製造できるようになる。   In addition, components including hydrocarbon gas supplied to the utilization unit 70 such as unreacted hydrocarbons and waste heat supplied from the hydrogen gas / by-product gas switching unit 61 are concentrated in the exhaust gas recovery system 65. After that, it is burned in the exhaust gas combustion system 65a, and the heat generated at this time is supplied to the nanocarbon generator 51 and used as, for example, a preheating system 66 for firing the porous composite metal oxide. The control system 60 is also used to control various means of the utilization unit 70 such as unreacted hydrocarbons and waste heat. Thus, according to the large-scale mass production apparatus 50 using the catalyst-assisted chemical vapor deposition method of Example 23, the generated hydrogen gas, unreacted hydrocarbons and waste heat are also used to further reduce the mass production apparatus 50. Nanocarbon can be produced at low cost.

10、20、30、40…ナノカーボンの製造装置 11…電気炉 12…反応管 13a…回転ドラム容器 13b…モーター 14…プログラム温度制御装置 15…圧力計 16…多孔質複合金属酸化物の粉体 21、31、41…電気炉 21a,31a、41a…触媒活性化ゾーン 21b、31b、41b…ナノカーボン合成ゾーン 21c、31c、41c…冷却ゾーン 24、34、44…温度制御装置 29、39、49…各種センシング手段   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20, 30, 40 ... Nanocarbon production apparatus 11 ... Electric furnace 12 ... Reaction tube 13a ... Rotary drum container 13b ... Motor 14 ... Program temperature controller 15 ... Pressure gauge 16 ... Porous composite metal oxide powder 21, 31, 41 ... Electric furnace 21a, 31a, 41a ... Catalyst activation zone 21b, 31b, 41b ... Nanocarbon synthesis zone 21c, 31c, 41c ... Cooling zone 24, 34, 44 ... Temperature controller 29, 39, 49 ... Various sensing methods

Claims (20)

触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法において、
触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンを有する炉内に設置した反応管内に多孔質複合金属酸化物と炭化水素ガスを連続的に供給し、前記触媒活性化ゾーンにおいて、前記炭化水素ガス又は別途供給される還元性ガスにより前記多孔質複合金属酸化物の一部が金属化した活性触媒体を得、前記ナノカーボン合成ゾーンにおいて前記炭化水素ガスと前記活性触媒体と接触させてナノカーボンを連続的に合成し、得られたナノカーボンと活性触媒体との複合体を前記冷却ゾーンを経て前記反応管内より取り出すことを特徴とする触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。
In a continuous nanocarbon production method by catalyst-assisted chemical vapor deposition,
A porous composite metal oxide and a hydrocarbon gas are continuously supplied into a reaction tube installed in a furnace having a catalyst activation zone, a nanocarbon synthesis zone, and a cooling zone. In the catalyst activation zone, the hydrocarbon gas Alternatively, an active catalyst body in which a part of the porous composite metal oxide is metalized by a reducing gas supplied separately is obtained, and the hydrocarbon gas and the active catalyst body are brought into contact with each other in the nanocarbon synthesis zone to form nanocarbon. And a composite of the obtained nanocarbon and the active catalyst is taken out from the reaction tube through the cooling zone, and the continuous nanocarbon is obtained by a catalyst-assisted chemical vapor deposition method. Production method.
前記多孔質複合金属酸化物として、
マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムから選択される少なくとも1つの第1種の金属の酸化物と、
マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステンから選択される少なくとも1つの第2種の金属の酸化物と、
から構成された多孔質複合金属酸化物であり、
前記第2種の金属の酸化物の含有割合は前記多孔質複合金属酸化物の総質量に対して50〜95質量%の範囲のものを使用したことを特徴とする請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。
As the porous composite metal oxide,
An oxide of at least one first metal selected from magnesium, calcium, strontium, barium;
An oxide of at least one second metal selected from manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, tungsten;
A porous composite metal oxide composed of
2. The catalyst according to claim 1, wherein the content ratio of the oxide of the second metal is in the range of 50 to 95 mass% with respect to the total mass of the porous composite metal oxide. Continuous nanocarbon production method by assisted chemical vapor deposition.
前記多孔質複合金属酸化物として、
マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムから選択される少なくとも1つの第1種の金属の水溶性化合物と、
マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステンから選択される少なくとも1つの第2種の金属の水溶性化合物と、
酒石酸、システイン、アルギニン、グリシン、アラニン、ロイシンから1つ以上の融点が200℃から300℃の有機化合物と、
水と、
を混合し、400℃〜700℃で空気中焼成して作製したものを用いることを特徴とする請求項2に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。
As the porous composite metal oxide,
A water-soluble compound of at least one first metal selected from magnesium, calcium, strontium, barium;
A water-soluble compound of at least one second metal selected from manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, tungsten;
One or more organic compounds of tartaric acid, cysteine, arginine, glycine, alanine, leucine with a melting point of 200 ° C. to 300 ° C.,
water and,
The method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method according to claim 2, wherein the mixture is prepared by mixing and calcination in air at 400 ° C. to 700 ° C.
前記多孔質複合金属酸化物として、10〜200nmの粒径の粒子の多孔質焼結体であり、嵩密度が0.05〜0.5g/cm、BET比表面積が5〜100m/gのものを用いたことを請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。 The porous composite metal oxide is a porous sintered body having a particle diameter of 10 to 200 nm, a bulk density of 0.05 to 0.5 g / cm 3 , and a BET specific surface area of 5 to 100 m 2 / g. The method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method according to claim 1, wherein 前記炭化水素ガスがメタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、イソプレン、n−ブタンから選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。   The catalyst-assisted chemical vapor deposition method according to claim 1, wherein the hydrocarbon gas is at least one selected from methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, propylene, isoprene, and n-butane. A continuous method for producing nanocarbon. 前記炭化水素ガスは、前記冷却ゾーンから前記ナノカーボン合成ゾーンへ供給すること、及び、前記炭化水素ガスと一緒に水蒸気もしくは加湿還元性ガスを追加することを特徴とする請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。   The catalyst according to claim 1, wherein the hydrocarbon gas is supplied from the cooling zone to the nanocarbon synthesis zone, and water vapor or a humid reducing gas is added together with the hydrocarbon gas. Continuous nanocarbon production method by assisted chemical vapor deposition. 前記触媒活性化ゾーン及びナノカーボン合成ゾーンを500〜1000℃に加熱し、前記反応管内の圧力が0.1〜10kPa範囲となるようにすることを特徴とする求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。   The catalyst-assisted chemistry according to claim 1, wherein the catalyst activation zone and the nanocarbon synthesis zone are heated to 500 to 1000 ° C so that the pressure in the reaction tube is in the range of 0.1 to 10 kPa. Of continuous nanocarbon by chemical vapor deposition. 前記別途供給される還元性ガスを、水素ガス、アンモニアガスもしくは前記ナノカーボン合成ゾーンにおいて生成される水素ガスとしたこと特徴とする請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。   2. The continuous gas-assisted chemical vapor deposition method according to claim 1, wherein the separately supplied reducing gas is hydrogen gas, ammonia gas, or hydrogen gas generated in the nanocarbon synthesis zone. A method for producing nanocarbon. 前記反応管内の前記触媒活性化ゾーン、前記ナノカーボン合成ゾーン及び前記冷却ゾーンのガス成分を分析し、前記炭化水素ガスの流量を制御することによって前記触媒活性化ゾーンでの水素ガス濃度を80%以上にすることを特徴とする請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。   The gas composition of the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone and the cooling zone in the reaction tube is analyzed, and the hydrogen gas concentration in the catalyst activation zone is controlled to 80% by controlling the flow rate of the hydrocarbon gas. The method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method according to claim 1, wherein 前記得られたナノカーボンと活性触媒体との複合体の嵩密度を0.05〜0.5g/cmとなるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。 2. The catalyst-assisted chemical vapor phase according to claim 1, wherein a bulk density of the obtained composite of nanocarbon and active catalyst is 0.05 to 0.5 g / cm 3. A process for producing continuous nanocarbon by a growth method. 前記反応管をスクリューコンベア、ロータリーキルン又は管状体内に配置されたベルトコンベアからなるものとし、前記多孔質複合金属酸化物を前記触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンの順に移動させながら連続的に前記ナノカーボンと活性触媒体との複合体を製造することを特徴とする請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。   The reaction tube is composed of a screw conveyor, a rotary kiln, or a belt conveyor disposed in a tubular body, and the porous composite metal oxide is continuously moved while moving in the order of the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone, and the cooling zone. 2. The method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method according to claim 1, wherein a composite of the nanocarbon and the active catalyst is produced. 前記ナノカーボンは、カーボンブラック、ナノファイバー、多層ナノチューブ、カップスタックチューブであることを特徴とする請求項1に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。   The method of claim 1, wherein the nanocarbon is carbon black, nanofiber, multi-wall nanotube, or cup stack tube. 前記ナノカーボン合成ゾーンにおいてにて生成される水素ガスを燃料電池、タービン、エンジンから選択される少なくとも一つに供給して発電に使用することを特徴とする請求項1〜13の何れかに記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法。   The hydrogen gas generated in the nanocarbon synthesis zone is supplied to at least one selected from a fuel cell, a turbine, and an engine and used for power generation. Of continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method. 請求項1〜13のいずれかに記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造方法に使用するための多孔質複合金属酸化物であって、
マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムから選択される少なくとも1つの第1種の金属の酸化物と、
マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステンから選択される少なくとも1つの第2種の金属の酸化物と、
から構成された多孔質複合金属酸化物であり、
前記第2種の金属の酸化物の含有割合は、前記多孔質複合金属酸化物の総質量に対して50〜95質量%の範囲であることを特徴とする多孔質複合金属酸化物。
A porous composite metal oxide for use in the method for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method according to any one of claims 1 to 13,
An oxide of at least one first metal selected from magnesium, calcium, strontium, barium;
An oxide of at least one second metal selected from manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, tungsten;
A porous composite metal oxide composed of
The content ratio of the oxide of the second type metal is in the range of 50 to 95% by mass with respect to the total mass of the porous composite metal oxide.
前記多孔質複合金属酸化物は、10〜200nmの粒径の粒子の多孔質焼結体であり、嵩密度が0.05〜0.5g/cm、BET比表面積が5〜100m/gのものであることを特徴とする請求項14に記載の多孔質複合金属酸化物 The porous composite metal oxide is a porous sintered body having a particle diameter of 10 to 200 nm, a bulk density of 0.05 to 0.5 g / cm 3 , and a BET specific surface area of 5 to 100 m 2 / g. The porous composite metal oxide according to claim 14, wherein 触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置において、
触媒活性化ゾーン、ナノカーボン合成ゾーン及び冷却ゾーンのそれぞれについて個別に温度制御し得る炉と、
前記炉内の前記触媒活性化ゾーン、前記ナノカーボン合成ゾーン及び前記冷却ゾーンに亘って設置された反応管と、
前記反応管内の前記触媒活性化ゾーンへ連続的に多孔質複合金属酸化物粒子を供給する手段と、
前記反応管内の前記触媒活性化ゾーンから前記ナノカーボン合成ゾーン及び前記冷却ゾーンを経て前記反応管の外部まで前記多孔質複合金属酸化物粒子を移送する手段と、
前記反応管内の前記冷却ゾーン側に配置された炭化水素ガス又は炭化水素ガスと還元性ガスとの混合ガスを供給する手段と、
前記触媒活性化ゾーンの前記多孔質複合金属酸化物粒子を供給する手段側に配置されたガスの回収手段と、
を備えることを特徴とする触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置。
In continuous nanocarbon production equipment by catalyst-assisted chemical vapor deposition,
Furnaces that can be individually temperature controlled for each of the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone, and the cooling zone;
A reaction tube installed across the catalyst activation zone, the nanocarbon synthesis zone and the cooling zone in the furnace;
Means for continuously supplying porous composite metal oxide particles to the catalyst activation zone in the reaction tube;
Means for transferring the porous composite metal oxide particles from the catalyst activation zone in the reaction tube to the outside of the reaction tube through the nanocarbon synthesis zone and the cooling zone;
Means for supplying a hydrocarbon gas or a mixed gas of a hydrocarbon gas and a reducing gas disposed on the cooling zone side in the reaction tube;
A gas recovery means disposed on the catalyst activation zone on the side of supplying the porous composite metal oxide particles;
An apparatus for producing continuous nanocarbon by a catalyst-assisted chemical vapor deposition method.
さらに、前記反応管内の前記触媒活性化ゾーンの前記ナノカーボン合成ゾーン側に還元性ガスを供給する手段が形成されていることを特徴とする請求項16に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置。   The catalyst-assisted chemical vapor deposition method according to claim 16, further comprising means for supplying a reducing gas to the nanocarbon synthesis zone side of the catalyst activation zone in the reaction tube. By continuous nanocarbon production equipment. 前記反応管はスクリューコンベア又はロータリーキルンであることを特徴とする請求項16に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置。   The apparatus for producing continuous nanocarbon according to claim 16, wherein the reaction tube is a screw conveyor or a rotary kiln. 前記反応管の内部にはベルトコンベアが配置されていることを特徴とする請求項16に記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置。   The continuous nanocarbon production apparatus according to claim 16, wherein a belt conveyor is disposed in the reaction tube. 前記ガスの回収手段は、燃料電池、発電機が接続されたタービン及び発電機が接続されたエンジンから選択される少なくとも一つに接続されていることを特徴とする請求項16〜19のいずれかに記載の触媒支援化学的気相成長法による連続的ナノカーボンの製造装置。   The gas recovery means is connected to at least one selected from a fuel cell, a turbine to which a generator is connected, and an engine to which a generator is connected. An apparatus for producing continuous nanocarbon by the catalyst-assisted chemical vapor deposition method described in 1.
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