本件のポイント

・世界で初めて、液体のエタノール中で単層カーボンナノチューブを合成
・気相成長に匹敵する結晶性をもつ単層カーボンナノチューブを確認
・Ir（イリジウム）触媒を用いることで、直径1 nm以下の細径の単層カーボンナノチューブを生成

研究の背景

現在、カーボンナノチューブの作製には、炭素を含む原料ガスを触媒金属と高温で反応させる化学気相成長法（CVD法）(*2）が主流となっています。特に触媒粒子に粒径数ナノメートルの金属粒子を用いた場合、生成するカーボンナノチューブの直径が細くなり、単層カーボンナノチューブを得ることができます（図１）。

CVD法は大量生産に適した優れた手法ですが、気体の原料を使用するため真空ポンプやガス流量制御器等の高額な装置が必要です。一方、有機溶媒中で金属触媒を加熱することでカーボンナノチューブを得る“液相合成法(*3）”が試みられてきました。本手法は安価な装置のみでカーボンナノチューブの合成が可能ですが、生成されるカーボンナノチューブの大部分が複数のグラフェン層から成る多層カーボンナノチューブとなっており、より優れた電気的性質を示し、様々な応用が期待されている単層のカーボンナノチューブを得ることは困難でした。今回、新たにナノサイズの触媒金属粒子を用いて、液相合成法による単層カーボンナノチューブの作製を試みました。

研究内容

今回、気相合成に用いられるものと同等の粒径数ナノメートルのCoおよびIrナノ粒子を用いて液相合成を行いました。これらの触媒粒子をSiO2/Si基板に堆積し、基板を通電加熱することにより常温の液体のエタノール中で触媒周辺のみを高温に保ちました。なお、反応中のエタノールの蒸発を抑えるため還流冷却器を取り付け、さらにエタノールの入った容器全体を氷水で冷やしながら実験を行いました。Co触媒の堆積量を調整することで、加熱温度700℃において繊維状の単層カーボンナノチューブが絡まり合った状態で基板上に生成されました（図２）。

生成された単層カーボンナノチューブの結晶性は良好で、気相合成に匹敵するものもありました。また、Irを触媒に用いた場合、Co触媒に比べると生成量は少ないですが、直径1ナノメートル以下の細径の単層カーボンナノチューブを得ることができました。

今後の展開

簡便な装置のみを用いた液相合成法により、結晶性の良好な単層カーボンナノチューブを生成できることが明らかになりました。今後、触媒金属種や合成に用いる炭素原料液体の種類を工夫することで、液相合成法による単層カーボンナノチューブの大量合成を安価に実現できる可能性が高まります。

用語の解説

(*1）単層カーボンナノチューブ（Single-Walled Carbon Nanotube ：SWCNT）
カーボンナノチューブ（CNT）は炭素原子のみから成る円筒状の物質ですが、特に1層から成るものを単層カーボンナノチューブと呼びます。直径は１～数ナノメートル程度でナノ材料の代表的な物質です。非常に高い導電性・熱伝導性をもち、構造（カイラリティ・直径）により金属にも半導体にも成るため、次世代のエレクトロニクス材料として期待されています。

(*2）化学気相成長（CVD）法
粒径数ナノメートルの金属触媒粒子を炭素原料ガスと高温で反応させ、カーボンナノチューブを合成する手法。

(*3）液相合成法
エタノールなどの有機溶媒中で触媒を加熱することによりカーボンナノチューブを得る手法。

論文タイトルと著者

タイトル：Liquid-phase synthesis of single-walled carbon nanotubes using Co and Ir nanoparticle catalysts
著　　者：Takahiro Maruyama, Karin Nakami, Moeri Sugiyama, Shinya Mizuno, Kamal Prasad Sharma, Takahiro Saida
掲載誌：Journal of Nanoparticle Research　
DOI：https://doi.org/10.1007/s11051-024-06047-7

Liquid-phase synthesis of single-walled carbon nanotubes using Co and Ir nanoparticle catalysts – Journal of Nanoparticle Research

Liquid-phase synthesis (LPS) of carbon nanotubes (CNTs), where substrates with metal catalysts are electrically heated in organic liquids, is cost-effective and suitable for mass production. So far, a few groups have reported multi-walled CNT (MWCNT) growth by LPS, but single-walled CNTs (SWCNTs) have never been effectively synthesized by this method. In this study, using Co and Ir nanoparticles as catalysts, we succeeded in growing SWCNTs on SiO2/Si substrates by LPS using ethanol as feedstock. By optimizing the amount of catalysts, web-like SWCNTs were successfully grown at 700 ℃ on SiO2/Si substrates with Co catalysts. The G/D ratios in the Raman spectra for SWCNTs grown under optimal growth conditions with Co catalysts were greater than 15, indicating that the crystalline quality is comparable to that of SWCNTs grown by conventional chemical vapor deposition. Using Ir catalysts, web-like SWCNTs with diameters less than 1.0 nm were also successfully grown at 700 ℃, indicating that Ir catalysts were effective in obtaining small-diameter SWCNTs in LPS. Our results demonstrate that LPS is an effective growth technique for obtaining SWCNTs.

doi.org