[go: up one dir, main page]

JP2023038471A - Method and apparatus for producing carbon composite - Google Patents

Method and apparatus for producing carbon composite Download PDF

Info

Publication number
JP2023038471A
JP2023038471A JP2021145221A JP2021145221A JP2023038471A JP 2023038471 A JP2023038471 A JP 2023038471A JP 2021145221 A JP2021145221 A JP 2021145221A JP 2021145221 A JP2021145221 A JP 2021145221A JP 2023038471 A JP2023038471 A JP 2023038471A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
rod
particles
reaction
mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021145221A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
優 野田
Suguru Noda
結文 浦田
Yua Urata
綾哉 大田原
Ryoya Otawara
利男 大沢
Toshio Osawa
恒志 杉目
Tsuneshi Sugime
裕輝 名古
Yuki NAKO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Waseda University
Denka Co Ltd
Original Assignee
Waseda University
Denka Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waseda University, Denka Co Ltd filed Critical Waseda University
Priority to JP2021145221A priority Critical patent/JP2023038471A/en
Publication of JP2023038471A publication Critical patent/JP2023038471A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Pigments, Carbon Blacks, Or Wood Stains (AREA)

Abstract

【課題】カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とが均一に分散し、導電性に優れるカーボン複合体を製造可能な、カーボン複合体の製造方法を提供すること。【解決手段】カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を製造する製造方法であって、第一の炭素源と棒状化触媒の前駆体とを含有する混合気体を反応させて、カーボン球状粒子を含有する反応生成物を得る第一の工程と、前記第一の工程で生成した前記反応生成物に第二の炭素源を添加し、反応させて、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を得る第二の工程と、を含む、カーボン複合体の製造方法。【選択図】図2Kind Code: A1 A method for producing a carbon composite is provided in which carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles are uniformly dispersed and a carbon composite having excellent electrical conductivity can be produced. A production method for producing a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles comprises reacting a mixed gas containing a first carbon source and a precursor of a rod-shaped catalyst, a first step of obtaining a reaction product containing carbon spherical particles; A method for producing a carbon composite, comprising a second step of obtaining a carbon composite containing [Selection drawing] Fig. 2

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 発行日 令和2年9月10日 刊行物 化学工学会第51回秋季大会 要旨集(オンライン公開) 〔刊行物等〕 開催日 令和2年9月26日 集会名、開催場所 化学工学会第51回秋季大会(オンライン開催)Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act is filed Date of issue: September 10, 2020 Publication: Abstracts of the 51st Autumn Meeting of the Society of Chemical Engineers, Japan (online publication) [Publications, etc.] Date: September, 2020 26th Meeting Name, Venue The 51st SCEJ Autumn Meeting (held online)

本発明は、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体の製造方法、及び、当該カーボン複合体を製造するための製造装置に関する。 The present invention relates to a method for producing a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles, and a production apparatus for producing the carbon composite.

従来から、ゴム、樹脂等にカーボンブラックを含有させ、導電性を付与させることが行われている。 BACKGROUND ART Conventionally, carbon black is contained in rubber, resin or the like to impart electrical conductivity.

近年、樹脂等の本来の特性を低下させずに高い導電性を付与できる導電剤が求められており、カーボンナノチューブの導電剤としての使用が検討されている。しかし、カーボンナノチューブには、分散性が悪い、高価である等の問題がある。 In recent years, there has been a demand for a conductive agent capable of imparting high conductivity without deteriorating the inherent properties of resins and the like, and the use of carbon nanotubes as a conductive agent has been investigated. However, carbon nanotubes have problems such as poor dispersibility and high cost.

これらの問題を解決するため、例えば、特許文献1には、繊維状炭素と球状炭素粒子とを複合化させた複合体の製造方法が開示されている。 In order to solve these problems, for example, Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a composite in which fibrous carbon and spherical carbon particles are combined.

特開2010-77313号公報JP 2010-77313 A

しかし、特許文献1に記載の製造方法では、球状炭素粒子を形成する反応場に繊維状炭素を均一に分散させることが難しく、均一な複合体の製造が難しいという課題があった。 However, the production method described in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to uniformly disperse fibrous carbon in the reaction field for forming spherical carbon particles, making it difficult to produce a uniform composite.

そこで本発明は、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とが均一に分散し、導電性に優れるカーボン複合体を製造可能な、カーボン複合体の製造方法を提供することを目的とする。また本発明は、当該カーボン複合体を製造可能な、製造装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for producing a carbon composite, in which carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles are uniformly dispersed and a carbon composite having excellent electrical conductivity can be produced. Another object of the present invention is to provide a manufacturing apparatus capable of manufacturing the carbon composite.

本発明の一側面は、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を製造する製造方法であって、第一の炭素源と棒状化触媒の前駆体とを含有する混合気体を反応させて、カーボン球状粒子を含有する反応生成物を得る第一の工程と、上記第一の工程で生成した上記反応生成物に第二の炭素源を添加し、反応させて、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を得る第二の工程と、を含む、カーボン複合体の製造方法に関する。 One aspect of the present invention is a production method for producing a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles, wherein a mixed gas containing a first carbon source and a rod-shaped catalyst precursor is reacted. a first step of obtaining a reaction product containing carbon spherical particles; and a second carbon source is added to the reaction product produced in the first step to react with the carbon spherical particles. and a second step of obtaining a carbon composite containing carbon rod-shaped particles.

一態様において、上記第一の工程は、上記混合気体から、カーボン球状粒子と上記前駆体の分解物とを含有する反応生成物を得る工程であってよい。 In one embodiment, the first step may be a step of obtaining a reaction product containing carbon spherical particles and decomposition products of the precursor from the mixed gas.

一態様において、上記第一の工程は、上記混合気体を温度Tで反応させる工程であってよく、上記第二の工程は、上記反応生成物及び上記第二の炭素源の混合物を前記T未満の温度Tで反応させる工程であってよい。 In one aspect, the first step may be a step of reacting the gas mixture at a temperature T1 , and the second step is a step of reacting the mixture of the reaction product and the second carbon source at the temperature T. It may be a step of reacting at a temperature T2 of less than 1 .

一態様において、上記Tと上記Tとの差(T-T)は100℃以上であってよい。 In one aspect, the difference between T 1 and T 2 (T 1 −T 2 ) may be 100° C. or more.

一態様に係る製造方法は、上記第一の炭素源を含有する第一のガスと、上記前駆体を含有する第二のガスとを混合して上記混合気体を得る混合工程を更に含んでいてよい。 The production method according to one aspect further includes a mixing step of obtaining the mixed gas by mixing the first gas containing the first carbon source and the second gas containing the precursor. good.

一態様において、上記前駆体は鉄原子を含んでいてよい。 In one aspect, the precursor may contain iron atoms.

一態様において、上記前駆体はフェロセンを含んでいてよい。 In one aspect, the precursor may include ferrocene.

一態様において、上記混合気体は、単体硫黄及び硫黄原子を含有する含硫黄化合物からなる群より選択される少なくとも一種の硫黄成分を更に含有していてよい。 In one aspect, the mixed gas may further contain at least one sulfur component selected from the group consisting of elemental sulfur and sulfur-containing compounds containing sulfur atoms.

一態様において、上記第一の炭素源はアセチレンを含んでいてよい。 In one aspect, the first carbon source may comprise acetylene.

本発明の他の一側面は、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を製造するための製造装置であって、第一の反応部と、第一の炭素源と棒状化触媒の前駆体とを含有する混合気体を上記第一の反応部に供給する第一の供給路と、第二の反応部と、上記第一の反応部で得られた反応生成物を、上記第二の反応部に供給する第二の供給路と、第二の炭素源を上記第二の反応部に供給する第三の供給路と、を備える、製造装置に関する。 Another aspect of the present invention is a production apparatus for producing a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles, comprising a first reaction section, a first carbon source and a rod-shaped catalyst A first supply path for supplying a mixed gas containing a precursor of and to the first reaction part, a second reaction part, and a reaction product obtained in the first reaction part, It relates to a production apparatus comprising a second supply channel for supplying two reaction parts, and a third supply channel for supplying a second carbon source to the second reaction part.

本発明によれば、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とが均一に分散し、導電性に優れるカーボン複合体を製造可能な、カーボン複合体の製造方法が提供される。また本発明によれば、当該カーボン複合体を製造可能な、製造装置が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for producing a carbon composite, in which carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles are uniformly dispersed and a carbon composite having excellent conductivity can be produced. Further, according to the present invention, there is provided a manufacturing apparatus capable of manufacturing the carbon composite.

図1は、カーボン複合体の製造装置の一態様を示す模式断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one mode of a carbon composite manufacturing apparatus. 図2は、実施例1のカーボン複合体のSEM観察画像の一例を示す図である。2 is a diagram showing an example of an SEM observation image of the carbon composite of Example 1. FIG. 図3は、比較例1の黒色粉末のSEM観察画像の一例を示す図である。3 is a diagram showing an example of an SEM observation image of the black powder of Comparative Example 1. FIG. 図4(a)及び図4(b)は、比較例2の複合体のSEM観察画像の一例を示す図である。4(a) and 4(b) are diagrams showing examples of SEM observation images of the composite of Comparative Example 2. FIG.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 Preferred embodiments of the present invention are described in detail below.

本実施形態の製造方法は、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を製造する方法である。本実施形態の製造方法は、第一の炭素源と棒状化触媒の前駆体とを含有する混合気体を反応させて、カーボン球状粒子を含有する反応生成物を得る第一の工程と、第一の工程で生成した反応生成物に第二の炭素源を添加し、反応させて、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を得る第二の工程と、を含む。 The production method of the present embodiment is a method for producing a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles. The production method of the present embodiment includes a first step of reacting a mixed gas containing a first carbon source and a rod-shaped catalyst precursor to obtain a reaction product containing carbon spherical particles; and a second step of adding a second carbon source to the reaction product produced in the step of (1) and reacting it to obtain a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-like particles.

本実施形態の第一の工程では、第一の炭素源の熱分解によりカーボン球状粒子が生成する。また、第一の工程では、棒状化触媒の前駆体が分解し、前駆体の分解物(金属蒸気、又は、金属蒸気の凝集した金属微粒子)が反応系中に均一に分散して生成する。 In the first step of this embodiment, carbon spherical particles are produced by thermal decomposition of the first carbon source. In the first step, the precursor of the rod-shaped catalyst is decomposed, and the decomposed product of the precursor (metal vapor or metal fine particles obtained by agglomeration of metal vapor) is uniformly dispersed in the reaction system.

なお、本発明者らの知見によれば、金属蒸気は棒状化触媒として機能しないが、それが凝集した金属微粒子は棒状化触媒として機能する。このため、第一の工程の第一の炭素源の熱分解時の系中に金属微粒子が存在しない場合(例えば、前駆体の分解物が金属蒸気として存在する場合)は、カーボン球状粒子のみが形成されてカーボン球状粒子及び前駆体の分解物を含有する反応生成物が得られる。また、第一の工程の第一の炭素源の熱分解時の系中に金属微粒子が存在する場合は、カーボン棒状粒子が形成されてカーボン球状粒子及びカーボン棒状粒子を含有する反応生成物が得られる。 According to the findings of the present inventors, the metal vapor does not function as a rod-shaped catalyst, but the metal fine particles obtained by agglomeration thereof function as a rod-shaped catalyst. Therefore, when no metal fine particles are present in the system during the thermal decomposition of the first carbon source in the first step (for example, when the decomposition product of the precursor is present as metal vapor), only the carbon spherical particles are A reaction product is obtained which is formed to contain carbon spherical particles and decomposition products of the precursor. Further, when fine metal particles are present in the system during thermal decomposition of the first carbon source in the first step, carbon rod-shaped particles are formed to obtain a reaction product containing carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles. be done.

本実施形態の第二の工程では、反応生成物に第二の炭素源が添加される。反応生成物がカーボン棒状粒子を含有する場合、第二の炭素源によりカーボン棒状粒子が径方向に成長する。また、反応生成物がカーボン棒状粒子を含有しない場合、第二の炭素源により、棒状化触媒を起点としてカーボン棒状粒子が生成する。具体的には、例えば、反応生成物がカーボン球状粒子及び金属蒸気を含有する場合、第二の炭素源の添加による温度低下等によって金属蒸気が凝集し、金属微粒子(すなわち棒状化触媒)が生成し、当該金属微粒子を起点としてカーボン棒状粒子が生成する。これにより、第二の工程では、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体が得られる。 In the second step of this embodiment, a second carbon source is added to the reaction product. When the reaction product contains carbon rod-shaped particles, the second carbon source causes the carbon rod-shaped particles to grow radially. When the reaction product does not contain carbon rod-shaped particles, carbon rod-shaped particles are generated from the second carbon source starting from the rod-shaped catalyst. Specifically, for example, when the reaction product contains carbon spherical particles and metal vapor, the metal vapor aggregates due to the temperature drop due to the addition of the second carbon source, etc., and metal fine particles (that is, rod-shaped catalyst) are generated. Then, carbon rod-shaped particles are generated starting from the fine metal particles. Thus, in the second step, a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-like particles is obtained.

本実施形態の製造方法では、第一の工程で棒状化触媒の前駆体の分解物が反応系中に均一に分散する。このため、本実施形態の製造方法によれば、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とが均一に分散した、導電性に優れるカーボン複合体が製造される。 In the production method of the present embodiment, the decomposition product of the rod-shaped catalyst precursor is uniformly dispersed in the reaction system in the first step. Therefore, according to the production method of the present embodiment, a carbon composite having excellent electrical conductivity in which the carbon spherical particles and the carbon rod-shaped particles are uniformly dispersed is produced.

以下、本実施形態の製造方法の各工程について詳述する。 Each step of the manufacturing method of this embodiment will be described in detail below.

(第一の工程)
第一の工程は、第一の炭素源と棒状化触媒の前駆体とを含有する混合気体を反応させて、カーボン球状粒子を含有する反応生成物を得る工程である。
(First step)
The first step is a step of reacting a mixed gas containing a first carbon source and a precursor of a rod-shaped catalyst to obtain a reaction product containing carbon spherical particles.

第一の炭素源は、熱分解によりカーボン球状粒子を形成可能な化合物であればよい。第一の炭素源としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の飽和炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテン、ブタジエン等の二重結合を有する不飽和炭化水素、アセチレン、プロピン、ブチン等の三重結合を有する不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素等を用いることができる。また、第一の炭素源としては、ガソリン、灯油、軽油、重油等のオイル状炭化水素を気化して用いることもできる。 The first carbon source may be any compound capable of forming carbon spherical particles by thermal decomposition. Examples of the first carbon source include saturated hydrocarbons such as methane, ethane, propane and butane; unsaturated hydrocarbons having double bonds such as ethylene, propylene, butene and butadiene; Unsaturated hydrocarbons having bonds, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene can be used. As the first carbon source, vaporized oily hydrocarbons such as gasoline, kerosene, light oil and heavy oil can also be used.

第一の炭素源は、熱分解時の発熱が大きいと、反応系を高温に維持しやすく好ましい。この観点から、第一の炭素源としては、不飽和炭化水素が好ましく、三重結合を有する不飽和炭化水素がより好ましく、アセチレンが特に好ましい。 When the first carbon source generates a large amount of heat during thermal decomposition, it is preferable because the reaction system can be easily maintained at a high temperature. From this viewpoint, the first carbon source is preferably an unsaturated hydrocarbon, more preferably an unsaturated hydrocarbon having a triple bond, and particularly preferably acetylene.

棒状化触媒としては、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、クロム等の金属からなる金属微粒子が挙げられ、これらのうち、棒状化触媒能、前駆体の選択肢の多さ、前駆体の価格等の観点からは鉄微粒子が好ましい。 Examples of rod-shaped catalysts include fine metal particles made of metals such as iron, cobalt, nickel, molybdenum, titanium, vanadium, and chromium. Iron microparticles are preferable from the viewpoint of the price of the body and the like.

棒状化触媒の前駆体は、棒状化触媒を構成する金属を含有する金属化合物であってよい。棒状化触媒の前駆体としては、例えば、無機金属化合物、有機金属化合物等を用いることができる。無機金属化合物としては、例えば、塩化鉄、臭化鉄、酸化鉄、炭酸コバルト、塩化コバルト、臭化コバルト、酸化コバルト、塩化ニッケル、臭化ニッケル、酸化ニッケル等が挙げられる。有機金属化合物としては、例えば、フェロセン、ニッケロセン、コバルトセン、鉄カルボニル、アセチルアセトナート鉄、オレイン酸鉄等が挙げられる。 The precursor of the rod-shaped catalyst may be a metal compound containing the metal that constitutes the rod-shaped catalyst. As a precursor of the rod-shaped catalyst, for example, an inorganic metal compound, an organic metal compound, or the like can be used. Examples of inorganic metal compounds include iron chloride, iron bromide, iron oxide, cobalt carbonate, cobalt chloride, cobalt bromide, cobalt oxide, nickel chloride, nickel bromide, and nickel oxide. Examples of organometallic compounds include ferrocene, nickelocene, cobaltocene, iron carbonyl, iron acetylacetonate, and iron oleate.

棒状化触媒の前駆体は、気化により第一の炭素源と気体同士で混合可能な化合物であることが好ましい。棒状化触媒の前駆体としては、気化が比較的容易である点及び異種元素の混入を防止しやすい点で、有機金属化合物が好ましく、フェロセンが特に好ましい。 The precursor of the rod-shaped catalyst is preferably a compound that can be gas-mixed with the first carbon source by vaporization. As the precursor of the rod-shaped catalyst, an organometallic compound is preferable, and ferrocene is particularly preferable, because it is relatively easy to vaporize and easy to prevent contamination with foreign elements.

棒状化触媒の前駆体の含有量は特に限定されず、例えば、前駆体中の金属元素の含有量が、第一の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、0.01質量部以上となる量であってよい。棒状化触媒の前駆体中の金属元素の含有量は、第一の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、好ましくは0.03質量部以上、より好ましくは0.1質量部以上、更に好ましくは0.3質量部以上である。また、棒状化触媒の前駆体中の金属元素の含有量は、第一の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば100質量部以下であってよく、好ましくは30質量部以下、より好ましくは10質量部以下、更に好ましくは3質量部以下である。 The content of the precursor of the rod-shaped catalyst is not particularly limited. For example, the content of the metal element in the precursor is 0.01 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the first carbon source. The amount may be The content of the metal element in the precursor of the rod-shaped catalyst is preferably 0.03 parts by mass or more, more preferably 0.1 parts by mass or more, relative to 100 parts by mass of carbon atoms in the first carbon source, More preferably, it is 0.3 parts by mass or more. The content of the metal element in the precursor of the rod-shaped catalyst may be, for example, 100 parts by mass or less, preferably 30 parts by mass or less, with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the first carbon source. It is more preferably 10 parts by mass or less, still more preferably 3 parts by mass or less.

第一の工程の混合気体は、助触媒を更に含有していてよい。助触媒としては、単体硫黄、硫黄原子を含有する含硫黄化合物(例えば、チオフェン、硫化水素、二硫化炭素)等の硫黄成分が挙げられる。 The gas mixture of the first step may further contain a promoter. Examples of the promoter include sulfur components such as elemental sulfur and sulfur-containing compounds containing sulfur atoms (eg, thiophene, hydrogen sulfide, carbon disulfide).

助触媒の含有量は、棒状化触媒の前駆体100質量部に対して、例えば0.1質量部以上であってよく、好ましくは0.3質量部以上、より好ましくは1質量部以上である。また、助触媒の含有量は、棒状化触媒の前駆体100質量部に対して、例えば100質量部以下であってよく、好ましくは30質量部以下、より好ましくは10質量部以下である。 The content of the promoter may be, for example, 0.1 parts by mass or more, preferably 0.3 parts by mass or more, and more preferably 1 part by mass or more, relative to 100 parts by mass of the precursor of the rod-shaped catalyst. . The content of the promoter may be, for example, 100 parts by mass or less, preferably 30 parts by mass or less, and more preferably 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the precursor of the rod-shaped catalyst.

第一の工程の混合気体は、上記以外の他の成分を更に含んでいてもよい。他の成分としては、例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性気体、酸素、空気、水蒸気等の酸化性気体、水素、アンモニア等の還元性気体などが挙げられる。 The mixed gas in the first step may further contain other components than those mentioned above. Other components include, for example, inert gases such as argon, helium, and nitrogen; oxidizing gases such as oxygen, air, and water vapor; and reducing gases such as hydrogen and ammonia.

第一の工程の混合気体は、例えば、上記各成分を混合して混合気体を得る混合工程によって得られたものであってよい。混合工程は、例えば、第一の炭素源を含有する第一のガスと、棒状化触媒の前駆体を含有する第二のガスと、を混合する工程であってよい。 The mixed gas in the first step may be obtained, for example, by a mixing step of mixing the above components to obtain a mixed gas. The mixing step may be, for example, a step of mixing a first gas containing a first carbon source and a second gas containing a precursor of a rod-shaped catalyst.

混合気体が助触媒を含有する場合、助触媒は、第一のガスに配合されていてもよく、第二のガスに配合されていてもよいが、第二のガスに配合されていることが好ましい。また、混合工程は、助触媒を含有する第三のガスを更に混合する工程であってもよい。 When the mixed gas contains a co-catalyst, the co-catalyst may be blended with the first gas or the second gas, but may be blended with the second gas. preferable. Also, the mixing step may be a step of further mixing a third gas containing a co-catalyst.

第一の工程では、第一の炭素源の熱分解温度以上の温度で、混合気体を反応させる。第一の工程における反応温度T(℃)は、例えば、1200℃以上であってよく、好ましくは1300℃以上、より好ましくは1400℃以上である。反応温度T(℃)の上限は特に限定されない。反応温度T(℃)は、例えば、2500℃以下であってよく、2300℃以下であってもよく、2000℃以下であってもよい。なお、本明細書中、反応温度Tは、第一の工程が実施される第一の反応部の中心軸上で熱電対を移動させて温度分布を測定した際の、最高温度を示す。なお、第一の反応部が軸対称でない場合は、流路の略中心に沿って温度分布を測定した際の最高温度を、反応温度Tと見做すことができる。 In the first step, the mixed gas is reacted at a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the first carbon source. The reaction temperature T 1 (°C) in the first step may be, for example, 1200°C or higher, preferably 1300°C or higher, and more preferably 1400°C or higher. The upper limit of the reaction temperature T 1 (°C) is not particularly limited. The reaction temperature T 1 (° C.) may be, for example, 2500° C. or lower, 2300° C. or lower, or 2000° C. or lower. In this specification, the reaction temperature T1 indicates the maximum temperature when the temperature distribution is measured by moving the thermocouple on the central axis of the first reaction section where the first step is performed. When the first reaction section is not axially symmetrical, the maximum temperature when the temperature distribution is measured along the approximate center of the channel can be regarded as the reaction temperature T1 .

好適な一態様において、第一の工程は、カーボン球状粒子と棒状化触媒とカーボン棒状粒子とを含有する反応生成物を得る工程(以下、工程(1-1)という場合がある)であってよい。 In a preferred embodiment, the first step is a step of obtaining a reaction product containing carbon spherical particles, a rod-shaped catalyst, and carbon rod-shaped particles (hereinafter sometimes referred to as step (1-1)), good.

工程(1-1)は、例えば、第一の工程中に、棒状化触媒の前駆体の分解によって生じた金属蒸気が凝集して棒状化触媒(金属微粒子)が生成するように、反応温度T、第一の反応部の容積、混合気体の流量等を調整することで実施できる。具体的には、例えば、反応温度Tを低くする、混合気体の第一の反応部中での滞留時間を長くする、等により、金属蒸気が凝集しやすくなり、工程(1-1)の反応生成物が得られやすくなる。 In step (1-1), for example, in the first step, the metal vapor generated by the decomposition of the precursor of the rod-shaped catalyst aggregates to form the rod-shaped catalyst (fine metal particles). 1. It can be carried out by adjusting the volume of the first reaction section, the flow rate of the mixed gas, and the like. Specifically, for example, by lowering the reaction temperature T1 , lengthening the residence time of the mixed gas in the first reaction section, etc., the metal vapor tends to aggregate, and the step (1-1) It becomes easy to obtain a reaction product.

好適な他の一態様において、第一の工程はカーボン球状粒子と棒状化触媒の前駆体の分解物とを含有し、カーボン棒状粒子を含有しない反応生成物を得る工程(以下、工程(1-2)という場合がある)であってもよい。 In another preferred embodiment, the first step is a step of obtaining a reaction product containing carbon spherical particles and a decomposed product of a precursor of a rod-shaped catalyst and not containing carbon rod-shaped particles (hereinafter referred to as step (1- 2) may be used).

工程(1-2)は、例えば、棒状化触媒の前駆体の分解によって生じた金属蒸気が、第一の炭素源の熱分解反応中に凝集しないように、反応温度T、第一の反応部の容積、混合気体の流量等を調整することで実施できる。具体的には、例えば、反応温度Tを高くする、混合気体の第一の反応部中での滞留時間を短くする、等により、金属蒸気が凝集しにくくなり、工程(1-2)の反応生成物が得られやすくなる。 In the step (1-2), for example, the reaction temperature T 1 , the first reaction It can be carried out by adjusting the volume of the part, the flow rate of the mixed gas, and the like. Specifically, for example, by increasing the reaction temperature T1 , shortening the residence time of the mixed gas in the first reaction section, etc., it becomes difficult for the metal vapor to aggregate, and the step (1-2) It becomes easy to obtain a reaction product.

工程(1-2)では、カーボン球状粒子と金属蒸気とを含有する反応生成物を第二の工程に供してよく、カーボン球状粒子の形成後に金属蒸気を凝集させて、カーボン球状粒子と金属微粒子とを含有する反応生成物を第二の工程に供してもよい。 In the step (1-2), the reaction product containing the carbon spherical particles and the metal vapor may be subjected to the second step, and after the carbon spherical particles are formed, the metal vapor is aggregated to form the carbon spherical particles and the metal microparticles. may be subjected to the second step.

(第二の工程)
第二の工程は、第一の工程で生成した反応生成物に第二の炭素源を添加し、反応させて、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を得る工程である。
(Second step)
The second step is a step of adding a second carbon source to the reaction product produced in the first step and reacting them to obtain a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-like particles.

第二の炭素源は、棒状化触媒の存在下に熱分解して、カーボン棒状粒子を形成可能な化合物であればよい。第二の炭素源としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の飽和炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテン、ブタジエン等の二重結合を有する不飽和炭化水素、アセチレン、プロピン、ブチン等の三重結合を有する不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素等、アルコール類、エーテル類、一酸化炭素等を用いることができる。 The second carbon source may be any compound that can be thermally decomposed in the presence of the rod-shaped catalyst to form carbon rod-shaped particles. Examples of the second carbon source include saturated hydrocarbons such as methane, ethane, propane and butane; unsaturated hydrocarbons having double bonds such as ethylene, propylene, butene and butadiene; Unsaturated hydrocarbons having bonds, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, alcohols, ethers, carbon monoxide and the like can be used.

カーボン棒状粒子は、高温で優先される無触媒反応による炭素副生物の生成が抑制され、低温で優先される触媒反応が促進される観点から、カーボン球状粒子と比較して低温(例えば1400℃未満)で形成されやすい傾向がある。反応系をカーボン棒状粒子の形成に好適な温度に維持し易い観点から、第二の炭素源は、第一の炭素源より安定であり熱分解時の発熱が小さい化合物であることが好ましい。第二の炭素源としては、飽和炭化水素、二重結合を有する不飽和炭化水素及び芳香族炭化水素が好ましく、メタン、エチレン、トルエン等を特に好適に用いることができる。 Carbon rod-shaped particles suppress the generation of carbon by-products due to non-catalytic reactions that take precedence at high temperatures, and promote catalytic reactions that take precedence at low temperatures. ) tends to be easily formed. The second carbon source is preferably a compound that is more stable than the first carbon source and generates less heat during thermal decomposition, from the viewpoint of easily maintaining the reaction system at a temperature suitable for forming carbon rod-shaped particles. As the second carbon source, saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons having double bonds and aromatic hydrocarbons are preferred, and methane, ethylene, toluene and the like can be particularly preferably used.

第二の炭素源の添加量は、例えば、第二の炭素源中の炭素原子の量が、第一の工程で供給された第一の炭素源中の炭素原子100質量部に対して1質量部以上となる量であってよい。第二の炭素源中の炭素原子の量は、第一の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば1質量部以上であってよく、好ましくは3質量部以上、より好ましくは10質量部以上、更に好ましくは30質量部以上である。また、第二の炭素源中の炭素原子の量は、第一の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば10000質量部以下であってよく、好ましくは3000質量部以下、より好ましくは1000質量部以下、更に好ましくは300質量部以下である。 The amount of the second carbon source added is such that, for example, the amount of carbon atoms in the second carbon source is 1 mass with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the first carbon source supplied in the first step. The amount may be 1 part or more. The amount of carbon atoms in the second carbon source may be, for example, 1 part by mass or more, preferably 3 parts by mass or more, more preferably 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the first carbon source. It is at least 30 parts by mass, more preferably at least 30 parts by mass. Further, the amount of carbon atoms in the second carbon source may be, for example, 10000 parts by mass or less, preferably 3000 parts by mass or less, more preferably 100 parts by mass of carbon atoms in the first carbon source. is 1000 parts by mass or less, more preferably 300 parts by mass or less.

第二の工程では第二の炭素源以外の他の成分を更に添加してもよい。他の成分としては、例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性気体、水素、水蒸気、二酸化炭素等が挙げられる。不活性気体は希釈剤として利用でき、不活性気体の添加によって炭素源の濃度を下げて、タール生成を抑制することができる。また、水素は、水素化反応と脱水素反応との平衡の制御に有用である。また、水蒸気及び二酸化炭素は、棒状化触媒上の炭素副生物を除去して、触媒活性を保つ役割を担うことができる。 In the second step, components other than the second carbon source may be further added. Other components include, for example, inert gases such as argon, helium, and nitrogen, hydrogen, water vapor, carbon dioxide, and the like. The inert gas can be used as a diluent, and the addition of the inert gas can reduce the concentration of the carbon source and suppress tar formation. Hydrogen is also useful for controlling the equilibrium between the hydrogenation reaction and the dehydrogenation reaction. Steam and carbon dioxide can also play a role in removing carbon by-products on the rod-shaped catalyst to maintain catalytic activity.

反応生成物に不活性気体を添加する場合、不活性ガスの添加量は特に限定されず、第二の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば10質量部以上であってよく、好ましくは30質量部以上である。また、不活性ガスの添加量は、第二の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば1000質量部以下であってよく、好ましくは400質量部以下である。 When adding an inert gas to the reaction product, the amount of the inert gas added is not particularly limited, and may be, for example, 10 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the second carbon source, Preferably, it is 30 parts by mass or more. The amount of the inert gas added may be, for example, 1000 parts by mass or less, preferably 400 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the second carbon source.

反応生成物に水素を添加する場合、水素の添加量は特に限定されず、第二の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば1質量部以上であってよく、好ましくは3質量部以上、より好ましくは10質量部以上、更に好ましくは30質量部以上である。また、水素の添加量は、第二の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば5000質量部以下であってよく、好ましくは3000質量部以下、より好ましくは1000質量部以下、更に好ましくは300質量部以下である。 When hydrogen is added to the reaction product, the amount of hydrogen added is not particularly limited, and may be, for example, 1 part by mass or more, preferably 3 parts by mass, with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the second carbon source. parts or more, more preferably 10 parts by mass or more, and still more preferably 30 parts by mass or more. In addition, the amount of hydrogen added may be, for example, 5000 parts by mass or less, preferably 3000 parts by mass or less, more preferably 1000 parts by mass or less, with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the second carbon source. Preferably, it is 300 parts by mass or less.

反応生成物に二酸化炭素を添加する場合、二酸化炭素の添加量は特に限定されず、第二の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば1質量部以上であってよく、好ましくは3質量部以上である。また、二酸化炭素の添加量は、第二の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば100質量部以下であってよく、好ましくは30質量部以下である。 When carbon dioxide is added to the reaction product, the amount of carbon dioxide added is not particularly limited, and may be, for example, 1 part by mass or more, preferably 1 part by mass or more with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the second carbon source. It is 3 parts by mass or more. The amount of carbon dioxide added may be, for example, 100 parts by mass or less, preferably 30 parts by mass or less, with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the second carbon source.

反応生成物に水蒸気を添加する場合、水蒸気の添加量は特に限定されず、第二の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば0.01質量部以上であってよく、好ましくは0.1質量部以上である。また、水蒸気の添加量は、第二の炭素源中の炭素原子100質量部に対して、例えば100質量部以下であってよく、好ましくは10質量部以下である。 When steam is added to the reaction product, the amount of steam added is not particularly limited, and may be, for example, 0.01 parts by mass or more, preferably 100 parts by mass of carbon atoms in the second carbon source. It is 0.1 parts by mass or more. The amount of water vapor to be added may be, for example, 100 parts by mass or less, preferably 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in the second carbon source.

第二の炭素源と他の成分とは個別に反応生成物に添加してもよく、予め混合してから反応生成物に添加してもよい。 The second carbon source and other components may be added individually to the reaction product, or may be premixed and then added to the reaction product.

第二の工程では、第二の炭素源の熱分解温度以上の温度で、反応生成物と第二の炭素源とを反応させる。反応温度T(℃)は、例えば、800℃以上であってよく、好ましくは900℃以上、より好ましくは1000℃以上である。反応温度T(℃)の上限は特に限定されない。反応温度T(℃)は、例えば、1400℃未満であってよく、1350℃未満が好ましく、1300℃未満がより好ましい。なお、本明細書中、反応温度Tは、第二の工程が実施される第二の反応部の中心軸上で熱電対を移動させて温度分布を測定した際の、最高温度を示す。なお、第二の反応部が軸対称でない場合は、流路の略中心に沿って温度分布を測定した際の最高温度を、反応温度Tと見做すことができる。 In the second step, the reaction product and the second carbon source are reacted at a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the second carbon source. The reaction temperature T 2 (°C) may be, for example, 800°C or higher, preferably 900°C or higher, and more preferably 1000°C or higher. The upper limit of the reaction temperature T 2 (°C) is not particularly limited. The reaction temperature T 2 (°C) may be, for example, less than 1400°C, preferably less than 1350°C, more preferably less than 1300°C. In this specification, the reaction temperature T2 indicates the maximum temperature when the temperature distribution is measured by moving the thermocouple on the central axis of the second reaction section where the second step is performed. If the second reaction section is not axially symmetrical, the maximum temperature when the temperature distribution is measured along the approximate center of the channel can be regarded as the reaction temperature T2 .

第二の工程における反応温度T(℃)は、第一の工程における反応温度T(℃)より低い温度であることが好ましい。反応温度Tと反応温度Tとの差(T-T)は、好ましくは100℃以上であり、より好ましくは300℃以上、更に好ましくは500℃以上である。これより、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とが各工程で効率良く形成されて、上述の効果がより顕著に奏される。 The reaction temperature T 2 (°C) in the second step is preferably lower than the reaction temperature T 1 (°C) in the first step. The difference (T 1 −T 2 ) between the reaction temperature T 1 and the reaction temperature T 2 is preferably 100° C. or higher, more preferably 300° C. or higher, still more preferably 500° C. or higher. As a result, the carbon spherical particles and the carbon rod-like particles are efficiently formed in each step, and the above effects are exhibited more remarkably.

第一の工程が工程(1-1)である場合、第二の工程は、反応生成物中のカーボン棒状粒子を径方向に成長させる工程であってよい。このとき、第二の炭素源は、カーボン棒状粒子の径方向への成長のみに供されてもよく、カーボン棒状粒子の径方向への成長に加えてカーボン球状粒子の形成、カーボン球状粒子の成長、カーボン棒状粒子の形成、カーボン棒状粒子の長さ方向への成長等に供されてもよい。 When the first step is step (1-1), the second step may be a step of radially growing carbon rod-shaped particles in the reaction product. At this time, the second carbon source may be used only for the growth of the carbon rod-shaped particles in the radial direction, and in addition to the growth of the carbon rod-shaped particles in the radial direction, the formation of the carbon spherical particles and the growth of the carbon spherical particles. , the formation of carbon rod-shaped particles, the growth of carbon rod-shaped particles in the length direction, and the like.

第一の工程が工程(1-1)である場合、第二の工程では、径方向への成長によって、中実柱状、又は、内径の3倍以上の外径を有する中空筒状のカーボン棒状粒子が形成されやすい。 When the first step is step (1-1), in the second step, a solid columnar shape or a hollow cylindrical carbon rod shape having an outer diameter three times or more the inner diameter is formed by growth in the radial direction. Particles are easily formed.

第一の工程が工程(1-2)である場合、第二の工程は、必要に応じて反応生成物中の金属蒸気を凝集させて棒状化触媒(金属微粒子)を形成させて、棒状化触媒を起点にカーボン棒状粒子を形成させる工程であってよい。このとき、第二の炭素源は、カーボン棒状粒子の形成のみに供されてもよく、カーボン棒状粒子の形成に加えてカーボン球状粒子の形成、カーボン球状粒子の成長、カーボン棒状粒子の径方向又は長さ方向への成長等に供されてもよい。 When the first step is the step (1-2), the second step is, if necessary, aggregating the metal vapor in the reaction product to form a rod-shaped catalyst (fine metal particles) to form a rod-shaped catalyst. It may be a step of forming carbon rod-shaped particles starting from the catalyst. At this time, the second carbon source may be used only for the formation of carbon rod-shaped particles, in addition to the formation of carbon rod-shaped particles, the formation of carbon spherical particles, the growth of carbon spherical particles, the radial direction of It may be provided for growth in the length direction and the like.

第一の工程が工程(1-2)である場合、第二の工程では、内径の3倍未満の外径を有する中空筒状のカーボン棒状粒子が形成されやすく、好ましくは単層カーボンナノチューブが形成される。 When the first step is step (1-2), in the second step, hollow cylindrical carbon rod-shaped particles having an outer diameter less than three times the inner diameter are likely to be formed, preferably single-walled carbon nanotubes. It is formed.

本実施形態の製造方法は、例えば、第一の反応部と、第一の炭素源と棒状化触媒の前駆体とを含有する混合気体を第一の反応部に供給する第一の供給路と、第二の反応部と、第一の反応部で得られた反応生成物を第二の反応部に供給する第二の供給路と、第二の炭素源を第二の反応部に供給する第三の供給路と、を備える、製造装置により実施することができる。 The production method of the present embodiment includes, for example, a first reaction section, and a first supply path that supplies a mixed gas containing a first carbon source and a precursor of a rod-shaped catalyst to the first reaction section. , a second reaction section, a second supply channel for supplying the reaction product obtained in the first reaction section to the second reaction section, and a second carbon source for supplying the second reaction section and a third supply channel.

製造装置は、第一の反応部及び第二の反応部に加熱手段を有していてよい。なお、本実施形態の製造方法では、第一の炭素源及び/又は第二の炭素源の熱分解が発熱反応であってよく、この場合、発熱反応を開始する手段があれば、第一の反応部及び/又は第二の反応部は加熱手段を有していなくてもよく、保温手段(例えば断熱材)を有していることが好ましい。 The production apparatus may have heating means in the first reaction section and the second reaction section. In addition, in the production method of the present embodiment, the thermal decomposition of the first carbon source and/or the second carbon source may be an exothermic reaction. The reaction section and/or the second reaction section may not have heating means, and preferably have heat retaining means (for example, heat insulating material).

図1は、カーボン複合体の製造装置の一態様を示す模式断面図である。図1に示すカーボン複合体の製造装置100は、第一の反応部1と、混合気体を第一の反応部1に供給する第一の供給路L1と、第二の反応部2と、第一の反応部1で得られた反応生成物を第二の反応部2に供給する第二の供給路L2と、第二の炭素源を第二の反応部2に供給する第三の供給路L3と、を備える。また、製造装置100は、第一の反応部1を加熱する加熱手段10と、第二の反応部2を加熱する加熱手段20とを備える。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one mode of a carbon composite manufacturing apparatus. The carbon composite manufacturing apparatus 100 shown in FIG. A second supply path L2 that supplies the reaction product obtained in the first reaction section 1 to the second reaction section 2, and a third supply path that supplies the second carbon source to the second reaction section 2. and L3. The manufacturing apparatus 100 also includes a heating means 10 for heating the first reaction section 1 and a heating means 20 for heating the second reaction section 2 .

製造装置100は、耐熱性を有する部材で気密に構成されていてよい。第一の反応部1は、反応温度Tが高温となるため、耐熱性の高い材質(例えば、窒化ホウ素、黒鉛、セラミックス等)で構成されることが好ましい。第一の反応部1を加熱する加熱手段10は特に限定されず、例えばカーボン、セラミックス等を用いた通電加熱、誘電加熱等により、第一の反応部1を加熱するものであってよい。第一の炭素源の熱分解が発熱反応である場合、第一の反応部1の周囲に断熱材を配置して、第一の炭素源の分解熱により第一の反応部1内を加熱してもよい。 The manufacturing apparatus 100 may be airtightly configured with heat-resistant members. Since the reaction temperature T1 is high, the first reaction section 1 is preferably made of a material with high heat resistance (for example, boron nitride, graphite, ceramics, etc.). The heating means 10 for heating the first reaction section 1 is not particularly limited, and may be, for example, one that heats the first reaction section 1 by electrical heating using carbon, ceramics, or the like, dielectric heating, or the like. When the thermal decomposition of the first carbon source is an exothermic reaction, a heat insulating material is placed around the first reaction section 1 to heat the inside of the first reaction section 1 by the heat of decomposition of the first carbon source. may

第二の反応部2は、第一の反応部1と同様の材質で構成されていてもよく、石英ガラス、セラミックス、金属部材等で構成されていてもよい。第二の反応部2を加熱する加熱手段20は特に限定されず、各種電気炉、誘電加熱炉等を特に制限無く用いることができる。また、第二の供給路L2から高温の反応生成物が供給される場合、第二の反応部2の周囲に断熱材を配置することで、反応生成物の熱を有効に利用できる。第二の供給路L2は、反応生成物の温度低下を避ける観点から、第一の反応部1及び第二の反応部2より短いことが好ましい。また、第一の反応部1における反応より第二の反応部2における反応の方が反応温度が低く反応速度が低いため、第二の反応部2における滞留時間を十分に確保する観点から、第二の反応部2の容積が第一の反応部1の容積より大きいことが好ましい。 The second reaction section 2 may be made of the same material as the first reaction section 1, or may be made of quartz glass, ceramics, metal members, or the like. The heating means 20 for heating the second reaction section 2 is not particularly limited, and various electric furnaces, dielectric heating furnaces, etc. can be used without particular limitations. Moreover, when a high-temperature reaction product is supplied from the second supply path L2, by arranging a heat insulating material around the second reaction section 2, the heat of the reaction product can be effectively used. The second supply path L2 is preferably shorter than the first reaction section 1 and the second reaction section 2 from the viewpoint of avoiding a temperature drop of the reaction product. In addition, since the reaction in the second reaction section 2 has a lower reaction temperature and a lower reaction rate than the reaction in the first reaction section 1, from the viewpoint of ensuring a sufficient residence time in the second reaction section 2, It is preferable that the volume of the second reaction section 2 is larger than the volume of the first reaction section 1 .

断熱材の材質に特に限定はなく、例えば、耐火断熱レンガ、セラミックスファイバー、ケイ酸カルシウム系断熱材等の公知の断熱材を用いることができる。 The material of the heat insulating material is not particularly limited, and known heat insulating materials such as refractory heat insulating bricks, ceramic fibers, and calcium silicate heat insulating materials can be used, for example.

本実施形態の製造方法により製造されるカーボン複合体(以下、本実施形態のカーボン複合体ともいう。)は、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有する。カーボン球状粒子は、カーボンブラックであってよく、カーボン棒状粒子はカーボンナノファイバー及び/又はカーボンナノチューブであってよい。 The carbon composite produced by the production method of the present embodiment (hereinafter also referred to as the carbon composite of the present embodiment) contains carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles. The carbon spherical particles may be carbon black and the carbon rod particles may be carbon nanofibers and/or carbon nanotubes.

本実施形態のカーボン複合体は、目的に応じてその構造を適宜制御することができる。 The structure of the carbon composite of the present embodiment can be appropriately controlled depending on the purpose.

カーボン複合体中のカーボン球状粒子は、粒径が小さいほど比表面積が大きくなり、少量の添加で導電経路を形成し易くなる傾向がある。また、カーボン複合体中のカーボン球状粒子は、粒径が大きいほど嵩密度が大きくなり、樹脂への添加量を増やし易くなる傾向がある。カーボン複合体中のカーボン球状粒子の平均粒径は特に限定されないが、例えば10~1000nmであってよく、好ましくは10~300nm、より好ましくは10~100nm、更に好ましくは10~50nmである。なお、本明細書中、カーボン球状粒子の平均粒径は、電子顕微鏡像で100個の粒子を観察し、個々の粒子の面積から円相当径を計算し、円相当径の面積平均を計算することで求まる値を示す。 The smaller the particle size of the carbon spherical particles in the carbon composite, the larger the specific surface area, which tends to facilitate the formation of conductive paths with the addition of a small amount. In addition, the larger the particle diameter of the carbon spherical particles in the carbon composite, the higher the bulk density, which tends to make it easier to increase the amount added to the resin. The average particle diameter of the carbon spherical particles in the carbon composite is not particularly limited, but may be, for example, 10 to 1000 nm, preferably 10 to 300 nm, more preferably 10 to 100 nm, still more preferably 10 to 50 nm. In this specification, the average particle size of the carbon spherical particles is obtained by observing 100 particles with an electron microscope image, calculating the equivalent circle diameter from the area of each particle, and calculating the area average of the equivalent circle diameters. shows the value obtained by

カーボン複合体中のカーボン棒状粒子は、直径が小さいほど比表面積が大きくなり、少量の添加で導電経路を形成し易くなる傾向がある。また、カーボン複合体中のカーボン棒状粒子は、直径が大きいほど嵩密度が大きくなり、樹脂への添加量を増やし易くなる傾向がある。カーボン複合体中のカーボン棒状粒子の平均直径は特に限定されないが、例えば0.6nm以上であってよく、好ましくは1nm以上である。また、カーボン複合体中のカーボン棒状粒子の平均直径は、例えば300nm以下であってよく、好ましくは100nm以下、より好ましくは50nm以下である。なお、本明細書中、カーボン棒状粒子の平均直径は、電子顕微鏡像で100個の棒状粒子を観察し、個々の粒子の幅を直径とし、直径の個数平均を計算することで求まる値を示す。 The carbon rod-shaped particles in the carbon composite tend to have a larger specific surface area as the diameter is smaller, making it easier to form a conductive path with the addition of a small amount. In addition, the carbon rod-shaped particles in the carbon composite tend to have a higher bulk density as the diameter increases, making it easier to increase the amount added to the resin. The average diameter of the carbon rod-shaped particles in the carbon composite is not particularly limited, but may be, for example, 0.6 nm or more, preferably 1 nm or more. Also, the average diameter of the carbon rod-shaped particles in the carbon composite may be, for example, 300 nm or less, preferably 100 nm or less, and more preferably 50 nm or less. In the present specification, the average diameter of carbon rod-shaped particles is a value obtained by observing 100 rod-shaped particles with an electron microscope image, taking the width of each particle as the diameter, and calculating the number average of the diameters. .

カーボン複合体中のカーボン棒状粒子は、長さが長いほど、少量の添加で導電経路を形成し易くなる傾向がある。カーボン複合体中のカーボン棒状粒子の平均長さは特に限定されないが、例えば0.3μm以上であってよく、好ましくは1μm以上、より好ましくは3μm以上である。また、カーボン複合体中のカーボン棒状粒子の平均長さは、例えば300μm以下であってよく、好ましくは100μm以下、より好ましくは30μm以下である。なお、本明細書中、カーボン棒状粒子の平均長さは、電子顕微鏡像で100個の棒状粒子を観察し、個々の粒子の長さをもとめ、長さの長さ平均を計算することで求まる値を示す。 The carbon rod-shaped particles in the carbon composite tend to form conductive paths more easily when added in small amounts as the length increases. The average length of the carbon rod-shaped particles in the carbon composite is not particularly limited, but may be, for example, 0.3 μm or longer, preferably 1 μm or longer, and more preferably 3 μm or longer. Also, the average length of the carbon rod-shaped particles in the carbon composite may be, for example, 300 μm or less, preferably 100 μm or less, and more preferably 30 μm or less. In this specification, the average length of carbon rod-shaped particles is obtained by observing 100 rod-shaped particles with an electron microscope image, determining the length of each particle, and calculating the length average of the length. indicate a value.

カーボン複合体中のカーボン球状粒子の含有比率が多いと、分散性が向上し、樹脂への添加がより容易となる傾向がある。また、カーボン複合体中のカーボン棒状粒子の含有比率が多いと、少量の添加で導電経路を形成し易くなる傾向がある。カーボン複合体中のカーボン棒状粒子の含有比率は、カーボン複合体中のカーボン球状粒子100質量部に対して、例えば3質量部以上であってよく、好ましくは10質量部以上、より好ましくは30質量部以上である。また、カーボン複合体中のカーボン棒状粒子の含有比率は、カーボン複合体中のカーボン球状粒子100質量部に対して、例えば3000質量部以下であってよく、好ましくは1000質量部以下、より好ましくは300質量部以下である。 When the content ratio of the carbon spherical particles in the carbon composite is high, the dispersibility tends to improve and the addition to the resin tends to become easier. Further, when the content ratio of carbon rod-shaped particles in the carbon composite is high, there is a tendency that a small amount of addition tends to facilitate the formation of a conductive path. The content ratio of the carbon rod-shaped particles in the carbon composite may be, for example, 3 parts by mass or more, preferably 10 parts by mass or more, more preferably 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon spherical particles in the carbon composite. Department or above. Further, the content ratio of the carbon rod-shaped particles in the carbon composite may be, for example, 3000 parts by mass or less, preferably 1000 parts by mass or less, more preferably 100 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the carbon spherical particles in the carbon composite. It is 300 mass parts or less.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments.

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
第一の供給路L1が内径4mmのアルミナ製ノズルであり、第一の供給路L1の出口と加熱手段10との距離が5cmである製造装置100を用い、カーボン複合体の製造を行った。
具体的には、第一の供給路L1から、アセチレンガス、フェロセン及び硫黄を含有する混合気体を第一の反応部1に供給し、第三の供給路L3から、メタンと水素の混合ガスを第二の反応部2に供給し、第二の反応部2の下流でメンブレンフィルターを用いて黒色粉体を回収した。第一の反応部1に供給される混合気体は、アセチレンガス中の炭素原子100質量部に対して、フェロセン中の鉄元素の量が1.5質量部、硫黄の量が0.002質量部となるように、成分比を調整した。また、第二の反応部2に供給される混合ガスは、メタン中の炭素原子100質量部に対して、水素の量が111質量部となるように、成分比を調整した。
なお、実施例1において、反応温度Tは1564℃、反応温度Tは1000℃とした。
(Example 1)
A carbon composite was produced using the manufacturing apparatus 100 in which the first supply path L1 is an alumina nozzle having an inner diameter of 4 mm and the distance between the outlet of the first supply path L1 and the heating means 10 is 5 cm.
Specifically, a mixed gas containing acetylene gas, ferrocene, and sulfur is supplied to the first reaction section 1 from the first supply path L1, and a mixed gas of methane and hydrogen is supplied from the third supply path L3. It was supplied to the second reaction section 2, and the black powder was recovered downstream of the second reaction section 2 using a membrane filter. The mixed gas supplied to the first reaction unit 1 contains 1.5 parts by mass of iron element in ferrocene and 0.002 parts by mass of sulfur per 100 parts by mass of carbon atoms in acetylene gas. The component ratio was adjusted so that In addition, the mixed gas supplied to the second reaction section 2 was adjusted so that the amount of hydrogen was 111 parts by mass with respect to 100 parts by mass of carbon atoms in methane.
In Example 1, the reaction temperature T1 was 1564°C and the reaction temperature T2 was 1000°C.

得られた黒色粉体をSEMで観察したところ、黒色粉体は、カーボン球状粒子(カーボンブラック)とカーボン棒状粒子(カーボンナノファイバー)との複合体であることが確認された。 When the obtained black powder was observed with an SEM, it was confirmed that the black powder was a composite of carbon spherical particles (carbon black) and carbon rod-like particles (carbon nanofibers).

また、実施例1のカーボン複合体について、複数の視野でSEM観察を行ったところ、いずれの視野でもカーボン球状粒子(カーボンブラック)とカーボン棒状粒子(カーボンナノファイバー)とが均一に分散していることが確認された。図2は、実施例1のカーボン複合体のSEM観察画像の一例を示す図である。 Further, when the carbon composite of Example 1 was observed by SEM in a plurality of fields of view, carbon spherical particles (carbon black) and carbon rod-shaped particles (carbon nanofibers) were uniformly dispersed in all fields of view. was confirmed. 2 is a diagram showing an example of an SEM observation image of the carbon composite of Example 1. FIG.

<表面抵抗率の測定>
実施例1のカーボン複合体4mgを、0.5wt%のドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(SDBS)水溶液20mL中に超音波を用いて分散させて、分散液を作製した。得られた分散液を吸引ろ過し、50mLの温水で洗浄して、直径18mmの円形のカーボン複合体シートを作製した。得られたカーボン複合体シートの表面抵抗率を測定したところ、67.7Ω/□であった。
<Measurement of surface resistivity>
4 mg of the carbon composite of Example 1 was dispersed in 20 mL of a 0.5 wt % sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS) aqueous solution using ultrasonic waves to prepare a dispersion liquid. The resulting dispersion was suction filtered and washed with 50 mL of warm water to produce a circular carbon composite sheet with a diameter of 18 mm. When the surface resistivity of the obtained carbon composite sheet was measured, it was 67.7Ω/□.

(比較例1)
第一の供給路L1から供給するガスをアセチレンガスに変更し、第三の供給路L3から供給するガスをアルゴンガスに変更したこと以外は、実施例1と同様にして黒色粉末を得た。
(Comparative example 1)
A black powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the gas supplied from the first supply path L1 was changed to acetylene gas, and the gas supplied from the third supply path L3 was changed to argon gas.

得られた黒色粉体をSEMで観察したところ、得られた黒色粉体はカーボンブラックのみであることが確認された。図3は比較例1の黒色粉末のSEM観察画像を示す図である。 When the obtained black powder was observed with SEM, it was confirmed that the obtained black powder was only carbon black. 3 is a diagram showing an SEM observation image of the black powder of Comparative Example 1. FIG.

得られた黒色粉末4mgを0.5wt%のSDBS水溶液に分散させて、分散液を作製した。得られた分散液を吸引ろ過し、50mLの温水で洗浄して、直径18mmの円形のシートを作製した。得られたシートの表面抵抗率を測定したところ、163Ω/□であった。 4 mg of the resulting black powder was dispersed in a 0.5 wt % SDBS aqueous solution to prepare a dispersion. The resulting dispersion was suction filtered and washed with 50 mL of hot water to prepare a circular sheet with a diameter of 18 mm. The surface resistivity of the obtained sheet was measured and found to be 163Ω/□.

(比較例2)
第一の供給路L1から供給するガスをアセチレンガスに変更し、第二の供給路L2の途中でフェロセン及び硫黄を含有する混合気体を供給したこと以外は、実施例1と同様にして黒色粉体を得た。
(Comparative example 2)
Black powder was produced in the same manner as in Example 1, except that the gas supplied from the first supply path L1 was changed to acetylene gas, and a mixed gas containing ferrocene and sulfur was supplied in the middle of the second supply path L2. got a body

得られた黒色粉体をSEMで観察したところ、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有する複合体であることが確認された。 When the obtained black powder was observed by SEM, it was confirmed to be a composite containing carbon spherical particles and carbon rod-like particles.

また、比較例2のカーボン複合体について、複数の視野でSEM観察を行ったところ、視野ごとにカーボン球状粒子とカーボン棒状粒子の存在比が大きく異なり、カーボンナノチューブがほとんど観察されない視野もあった。図4(a)及び図4(b)は、比較例2のカーボン複合体のSEM観察画像の一例を示す図である。 Further, when the carbon composite of Comparative Example 2 was subjected to SEM observation in a plurality of fields, the existence ratio of carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles differed greatly in each field, and carbon nanotubes were scarcely observed in some fields. 4(a) and 4(b) are diagrams showing examples of SEM observation images of the carbon composite of Comparative Example 2. FIG.

比較例2のカーボン複合体を用いて、実施例1と同様にしてカーボン複合体シートを作製した。得られたカーボン複合体シートの表面抵抗率を測定したところ、107Ω/□であった。 Using the carbon composite of Comparative Example 2, a carbon composite sheet was produced in the same manner as in Example 1. When the surface resistivity of the obtained carbon composite sheet was measured, it was 107Ω/□.

実施例1及び比較例1~2の結果から、本発明のカーボン複合体の製造方法によって、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とが均一に分散し、導電性に優れるカーボン複合体が得られることが確認された。 From the results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the method for producing a carbon composite of the present invention can provide a carbon composite in which carbon spherical particles and carbon rod-like particles are uniformly dispersed and which has excellent electrical conductivity. confirmed.

(実施例2)
第一の供給路L1を内径0.8mmのアルミナ製ノズルとしたこと、及び、第一の供給路L1の出口と加熱手段10との距離を2cmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、黒色粉体を得た。
(Example 2)
The procedure was the same as in Example 1, except that the first supply path L1 was an alumina nozzle with an inner diameter of 0.8 mm, and that the distance between the outlet of the first supply path L1 and the heating means 10 was 2 cm. to obtain a black powder.

得られた黒色粉体をSEMで観察したところ、カーボン球状粒子(カーボンブラック)とカーボン棒状粒子(カーボンナノチューブ)とを含有するカーボン複合体であることが確認された。また、実施例2のカーボン複合体をラマン分光法で分析したところ、単層カーボンナノチューブを含むことが確認された。 When the obtained black powder was observed with an SEM, it was confirmed to be a carbon composite containing carbon spherical particles (carbon black) and carbon rod-like particles (carbon nanotubes). Further, when the carbon composite of Example 2 was analyzed by Raman spectroscopy, it was confirmed that it contained single-walled carbon nanotubes.

実施例1及び2の結果から、本発明のカーボン複合体の製造方法では、製造条件の調整により、カーボンブラック及びカーボンナノファイバーを含有する複合体と、カーボンブラック及びカーボンナノチューブを含有する複合体と、を容易に作り分けできることが確認された。 From the results of Examples 1 and 2, in the method for producing a carbon composite of the present invention, by adjusting the production conditions, a composite containing carbon black and carbon nanofibers and a composite containing carbon black and carbon nanotubes can be produced. , can be easily produced separately.

1…第一の反応部、2…第二の反応部、10,20…加熱手段、100…製造装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... 1st reaction part, 2... 2nd reaction part, 10, 20... Heating means, 100... Manufacturing apparatus.

Claims (10)

カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を製造する製造方法であって、
第一の炭素源と棒状化触媒の前駆体とを含有する混合気体を反応させて、カーボン球状粒子を含有する反応生成物を得る第一の工程と、
前記第一の工程で生成した前記反応生成物に第二の炭素源を添加し、反応させて、カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を得る第二の工程と、
を含む、カーボン複合体の製造方法。
A manufacturing method for manufacturing a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles,
a first step of reacting a mixed gas containing a first carbon source and a rod-shaped catalyst precursor to obtain a reaction product containing carbon spherical particles;
a second step of adding a second carbon source to the reaction product produced in the first step and reacting it to obtain a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-like particles;
A method of manufacturing a carbon composite, comprising:
前記第一の工程が、前記混合気体から、カーボン球状粒子と前記前駆体の分解物とを含有する反応生成物を得る工程である、請求項1に記載の製造方法。 2. The manufacturing method according to claim 1, wherein said first step is a step of obtaining a reaction product containing carbon spherical particles and decomposition products of said precursor from said mixed gas. 前記第一の工程が、前記混合気体を温度Tで反応させる工程であり、
前記第二の工程が、前記反応生成物及び前記第二の炭素源の混合物を前記T未満の温度Tで反応させる工程である、請求項1又は2に記載の製造方法。
The first step is a step of reacting the mixed gas at a temperature T1 ,
3. The production method according to claim 1 or 2, wherein said second step is a step of reacting a mixture of said reaction product and said second carbon source at a temperature T2 lower than said T1.
前記Tと前記Tとの差(T-T)が、100℃以上である、請求項3に記載の製造方法。 4. The manufacturing method according to claim 3, wherein the difference (T 1 −T 2 ) between said T 1 and said T 2 is 100° C. or more. 前記第一の炭素源を含有する第一のガスと、前記前駆体を含有する第二のガスとを混合して前記混合気体を得る混合工程を更に含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。 5. Any one of claims 1 to 4, further comprising a mixing step of mixing a first gas containing the first carbon source and a second gas containing the precursor to obtain the mixed gas. The manufacturing method described in the item. 前記前駆体が鉄原子を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 5, wherein the precursor contains iron atoms. 前記前駆体がフェロセンを含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 6, wherein the precursor comprises ferrocene. 前記混合気体が、単体硫黄及び硫黄原子を含有する含硫黄化合物からなる群より選択される少なくとも一種の硫黄成分を更に含有する、請求項7に記載の製造方法。 8. The production method according to claim 7, wherein the mixed gas further contains at least one sulfur component selected from the group consisting of elemental sulfur and sulfur-containing compounds containing sulfur atoms. 前記第一の炭素源がアセチレンを含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 8, wherein said first carbon source comprises acetylene. カーボン球状粒子とカーボン棒状粒子とを含有するカーボン複合体を製造するための製造装置であって、
第一の反応部と、
第一の炭素源と棒状化触媒の前駆体とを含有する混合気体を前記第一の反応部に供給する第一の供給路と、
第二の反応部と、
前記第一の反応部で得られた反応生成物を、前記第二の反応部に供給する第二の供給路と、
第二の炭素源を前記第二の反応部に供給する第三の供給路と、
を備える、製造装置。
A production apparatus for producing a carbon composite containing carbon spherical particles and carbon rod-shaped particles,
a first reaction section;
a first supply passage for supplying a mixed gas containing a first carbon source and a precursor of a rod-shaped catalyst to the first reaction section;
a second reaction section;
a second supply path for supplying the reaction product obtained in the first reaction section to the second reaction section;
a third supply channel for supplying a second carbon source to the second reaction section;
manufacturing equipment.
JP2021145221A 2021-09-07 2021-09-07 Method and apparatus for producing carbon composite Pending JP2023038471A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021145221A JP2023038471A (en) 2021-09-07 2021-09-07 Method and apparatus for producing carbon composite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021145221A JP2023038471A (en) 2021-09-07 2021-09-07 Method and apparatus for producing carbon composite

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023038471A true JP2023038471A (en) 2023-03-17

Family

ID=85514712

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021145221A Pending JP2023038471A (en) 2021-09-07 2021-09-07 Method and apparatus for producing carbon composite

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2023038471A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2025183137A1 (en) * 2024-03-01 2025-09-04 学校法人早稲田大学 Device and method for producing carbon nanotubes

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2025183137A1 (en) * 2024-03-01 2025-09-04 学校法人早稲田大学 Device and method for producing carbon nanotubes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101350690B1 (en) Highly conductive carbon nanotube having bundle moieties with ultra-low bulk density and its manufacturing method
US20110059006A1 (en) Methods for Production of Carbon Nanomaterials in the Presence of a Carbon Black Catalyst
Kibria et al. Synthesis of narrow-diameter carbon nanotubes from acetylene decomposition over an iron–nickel catalyst supported on alumina
TW201020351A (en) Carbon fibrous aggregator, method for producing thereof, and composition including thereof
Maghsoodi et al. A novel continuous process for synthesis of carbon nanotubes using iron floating catalyst and MgO particles for CVD of methane in a fluidized bed reactor
US20230109092A1 (en) System and Method for Synthesizing Carbon Nanotubes and Hybrid Materials Via Catalytic Chemical Deposition
WO2001038219A1 (en) Combustion synthesis of single walled nanotubes
JP6403144B2 (en) Process for producing vapor-deposited fine carbon fiber
KR20160015236A (en) Method for producing multi-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes and carbon nanotube powder
CN114174220A (en) Apparatus and method for manufacturing carbon nanotubes
JP2024537305A (en) Method for synthesizing carbon nanotubes
Yamada et al. Synthesis and diameter control of multi-walled carbon nanotubes over gold nanoparticle catalysts
JP2023038471A (en) Method and apparatus for producing carbon composite
CN112533868B (en) How to make carbon nanotubes
KR20160135382A (en) Apparatus and method for synthesizing carbon nanotube
JP6094723B1 (en) Method for producing carbon nanotube-containing composition
JP2001080913A (en) Carbonaceous nanotube, fiber aggregate, and method for producing carbonaceous nanotube
CN101027434B (en) Production method of vapor-grown varbon fiber and apparatus therefor
US11401628B2 (en) Method for producing cables made of aligned carbon nanotubes
JP4693105B2 (en) Method and apparatus for producing vapor grown carbon fiber
RU2546154C1 (en) Nanocomposite based on nitrogen-containing carbon nanotubes with encapsulated cobalt and nickel particles and method of obtaining thereof
WO2025049036A1 (en) Plasma-assisted method of manufacturing carbon nanotubes
JP2018016521A (en) Method for producing single layer carbon nanotube-containing composition
CN119325451A (en) Method for producing carbon nanotubes
Ibrahim et al. Effects of local temperature on carbon nanotubes growth in premixed flame

Legal Events

Date Code Title Description
A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20211006