繊維状炭素

繊維状炭素は炭素含有堆積構造で、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、マイクロコイルなど、いくつかの炭素同素体を指します。[1] [2] [3]気体炭素化合物から形成されます。[1]繊維状炭素構造にはすべて金属粒子が含まれています。これらは鉄、コバルト、ニッケルまたはそれらの合金です。また、その堆積は合成ガスのメタン化を著しく阻害します。[4]アセチレンは、繊維状炭素を製造する多くの方法に使用されています。繊維状炭素の構造はメソポーラスで、寸法はマイクロメートルスケールです。構造を形成するほとんどの反応は、280 °C (536 °F) 以上で起こります。

繊維状炭素の用途としては、原油流出の浄化や、強度と軽量性を兼ね備えた複合材料の製造などが挙げられます。また、繊維状炭素は、炭素の一種であるグラファイトとは熱力学的特性が大きく異なります。しかし、繊維状炭素は部分的にグラファイトシートで構成されています。

プロパティ

フィラメント状炭素構造の直径は通常10～500ナノメートルです。長さは通常10,000ナノメートル（10マイクロメートル）です。二重構造をしています。構造の外側は酸化されにくいですが、中心部は酸化されやすいです。金属粒子は通常、構造の成長端に位置しますが、中央に位置する場合もあります。また、1つの金属粒子から複数のフィラメントが成長することもあります。フィラメント状炭素は、らせん状、直線状、ねじれ状のいずれかの形状をしています。[1]フィラメント状炭素には、円錐形のグラファイト層が含まれています。[2]フィラメント内の炭素とニッケル原子との界面付近に位置するグラファイトの面は、界面と平行です。フィラメントは中空の場合もあります。[5]

繊維状炭素はグラファイトとは異なる熱力学的特性を示す。これは、繊維状炭素の構造がグラファイトよりも無秩序であることが一因である。この特性の違いに関する他の理論としては、炭化物の中間相の形成が原因であるという説がある。この理論はDe BokxらとManningらによって提唱された。しかし、中心金属原子がニッケルである場合、炭化物は350℃（662℉）で分解し、そのような反応中に炭化物の形成は観察されないため、この説は成り立たない。 [2]

金属と繊維状炭素の溶解度の差によっても炭素の拡散が起こります。[2]同素体が600℃（1,112℉）以下の温度でガス化反応を起こす場合、反応の活性化エネルギーは1モルあたり約178キロジュールです。[4]

繊維状炭素はメソポーラスであり、特異な組織特性を有する。[6]また、常磁性も有する。[7]また、高い機械的強度も有する。[8]

メタンと水素ガス中で490℃（914℉）から590℃（1,094℉）の間で成長する糸状炭素中に存在するニッケル粒子は、温度範囲の高温側では洋ナシ型になる傾向がある。高温になると、金属粒子は変形する。糸状の円錐構造の長さも温度とともに増加する。銅とシリカからなる触媒を927℃（1,701℉）のメタンと水素にさらすと、中空の長い糸状炭素構造が形成され、その中に金属の滴も含まれていた。[9]

生物学的特性

グルコアミラーゼ酵素を繊維状炭素でコーティングされた セラミック表面上に配置すると、酵素の安定性が劇的に向上します。[10]

発生

繊維状炭素は、通常、鉄、コバルト、ニッケルなどの金属上に形成されます。[1]繊維状炭素の形成には水素も必要です。[9]しかし、これらの金属の合金上にも形成されます。 [6]鉄はニッケルよりも繊維状炭素を形成するのに適した材料です。[8]例えば、メタノールの存在下で、圧力 7キロパスカル、温度 500 °C (932 °F) の場合、繊維状炭素は鉄上に成長しますが、ニッケル上には成長しません。[8]これらの金属上での材料の形成は、通常、327 °C (621 °F) から 1,027 °C (1,881 °F) の温度で起こります。[1]また、アセチレンを分解するための触媒としてクロムを使用した場合にも形成されます。[11]繊維状炭素は、反応管や触媒上でコークスが形成される際に形成される最大7種類の炭素同素体の一つです。この同素体は触媒支持構造を破壊し、反応器を閉塞させる可能性があります。また、他の種類の炭素とともに、ストリームリフォーミングの際にも形成されます。[2]

合成

フィラメント状炭素はメタンの分解 によっても合成できます。生成物はその後、水素によってガス化されます。このことを発見した実験では、フィラメントの金属粒子としてニッケル粒子が使用されました。フィラメントはニッケル粒子の「支持面」に沈殿します。[2]

糸状炭素は、アセチレンがパラジウムと二酸化ケイ素の膜上で分解した場合にも形成される。しかし、パラジウムと二酸化ケイ素の膜を水素で597℃（1,107℉）に予熱した場合、糸状炭素は形成されない。これは、この条件下ではパラジウムと二酸化ケイ素が反応してパラジウムシリサイドを形成するためである。鉄と二酸化ケイ素も、これらの構造の形成に触媒として作用する。この反応中に鉄シリケートが形成されることもある。[12]

別の実験では、一酸化炭素がコバルト酸酸化物上で不均化反応を起こすと、糸状の炭素が形成されることが示されました。この実験では、加熱した浸炭ガス混合物をコバルト酸酸化物粉末に吹き付けました。糸状の炭素は、この反応を600℃（1,112°F）で行った場合に形成される主な堆積物です。[4]

クロロベンゼンをニッケルとシリカ上で水素化脱塩素化すると、高度に秩序化された繊維状炭素構造が形成される。カリウムと臭素が存在する場合、この反応は280℃（536℉）という低温でも起こり得る。これは、カリウムと臭素が活性部位の再構築を助け、反応物の破壊的な化学吸着を引き起こし、炭素の沈殿物も形成させるためである。反応においてニッケルとシリカの混合物に水酸化カリウムを添加しても、反応収率にほとんど変化はなかった。しかし、臭化カリウムを添加すると、収率が大幅に増加した。[13]他のアルカリ金属 臭化物も反応と繊維状炭素の形成を可能にする。このようなアルカリ金属臭化物には、臭化セシウムが含まれる。[14]

繊維状炭素は、炭化クロムを100～200メガパスカル、350℃（662°F）～800℃（1,470°F）で分解することによっても合成できる。[15]また、リン酸コバルトとリン酸アルミニウムを触媒として、2メガパスカル、220℃（428°F）～240℃（464°F）で生成した例もある。この反応ではルテニウムの存在により、繊維状炭素の収率が低下する。[16]

アプリケーション

繊維状炭素は、原油流出の浄化に使用されてきました。これは、繊維が原油と結合することで機能します。[17]また、高温でも強度が求められる軽量複合材料にも使用されています。[18]

歴史

繊維状炭素は、少なくとも1890年、P. シュッツェンベルガーとL. シュッツェンベルガーが赤熱した磁器にシアンを通した際にそれを観察して以来、知られていました。[19] 1950年代には、炭化水素などのガスと鉄、コバルト、ニッケルなどの金属との反応によって繊維状炭素が生成されることが発見されました。管状の繊維の最初の電子顕微鏡写真は1952年に登場しました。[19] 1970年代から1990年代にかけて、繊維状炭素は多くの研究努力の対象となりました。これらの研究には、同素体の形成に関する熱力学的特性の研究が含まれていました。 [2]その時期に行われた最も重要な研究は、 1970年代にテリー・ベイカーによって行われ、原子炉の冷却パイプ内で繊維状炭素が成長しないようにすることに関するものでした。[19]

参照

参考文献

  1. ^ abcde 「繊維状炭素」。IUPAC化学用語集。2009年。doi :10.1351/goldbook.F02362。ISBN 978-0-9678550-9-7。
  2. ^ abcdefg Snoeck, J.-W.; Froment, GF; Fowles, M. (1997). 「フィラメント状炭素の形成とガス化：熱力学、駆動力、核形成、そして定常成長」. Journal of Catalysis . 169 (1): 240–9 . doi :10.1006/jcat.1997.1634.
  3. ^ Thornton, Matthew James (2005). 3次元炭素繊維支持体上への触媒炭素沈着（博士論文）. ノッティンガム大学. 2012年5月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年9月3日閲覧。[ページが必要]
  4. ^ abc Starkovich, JA; Lim, Wei-Yue; Peng, H. (1984). フィラメント状炭素ガス化のための触媒反応モデル(PDF) . 触媒燃料処理に関するシンポジウム. pp.  89– 94. 2017年4月28日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2013年9月1日閲覧。
  5. ^ Li, Xiaonian; Zhang, Yi; Smith, Kevin J. (2004). 「Co/SiO 2触媒上におけるフィラメント状炭素の成長に対する金属–担体相互作用の影響」. Applied Catalysis A: General . 264 (1): 81– 91. doi :10.1016/j.apcata.2003.12.031.
  6. ^ ab レシェテンコ、テレビ; LB、アヴデーヴァ。イスマジロフ、ZR;プシュカレフ、バーモント州。チェレパノバ、SV;アラバマ州チュビリン。バージニア州リホロボフ (2003)。 「触媒性繊維状カーボン」。カーボン。41 (8): 1605–15 .土井: 10.1016/S0008-6223(03)00115-5。
  7. ^ Romanenko, Konstantin V.; d'Espinose De La Caillerie, Jean-Baptiste; Fraissard, Jacques; Reshetenko, Tatyana V.; Lapina, Olga B. (2005). 「129 Xe NMRによる触媒繊維状炭素の分析」. Microporous and Mesoporous Materials . 81 ( 1– 3): 41– 8. doi :10.1016/j.micromeso.2005.01.016.
  8. ^ abc Debokx, P. (1985). 「鉄およびニッケル触媒上におけるフィラメント状炭素の形成 I. 熱力学」. Journal of Catalysis . 96 (2): 454–67 . doi :10.1016/0021-9517(85)90314-8.
  9. ^ アル ストラップ、I.;モンタナ州タバレス;カリフォルニア州ベルナルド。ソレンセン、O.ロストラップ・ニールセン、JR (1998)。 「ニッケルおよびニッケル銅合金触媒上の炭素形成」。材質と腐食。49 (5): 367–72 .土井:10.1002/(SICI)1521-4176(199805)49:5<367::AID-MACO367>3.0.CO;2-M。hdl : 1822/1533。
  10. ^ Kovalenko, GA; Kuvshinov, DG; Komova, OV; Simakov, AV; Rudina, NA (2004). 「生物活性物質の固定化のための触媒繊維状炭素（CFC）およびCFCコーティングセラミックス」. Guceri, Selcuk; Gogotsi, Yury G.; Kuznetsov, Vladimir (編).ナノエンジニアリングナノファイバー材料. ドルドレヒト: Springer. pp.  265– 70. ISBN 978-1-4020-2549-5。
  11. ^ Baker, R. (1973). 「鉄、コバルト、クロム触媒によるアセチレン分解による繊維状炭素の形成」. Journal of Catalysis . 30 (1): 86– 95. doi :10.1016/0021-9517(73)90055-9.
  12. ^ Kępiński, L. (1989). 「Pd/SiO2膜上におけるアセチレンからのフィラメント状炭素の形成：金属担体反応の影響」.反応速度論および触媒レター. 38 (2): 363–7 . doi :10.1007/BF02062132. S2CID  100956295.
  13. ^ パーク, コリン; キーン, マーク A. (2001). 「ニッケル/シリカ上におけるフィラメント状炭素の成長：触媒促進剤としてのカリウムと臭素」. ChemPhysChem . 2 (12): 733– 41. doi :10.1002/1439-7641(20011217)2:12<733::AID-CPHC733>3.0.CO;2-5. PMID  23686923.
  14. ^ パーク、コリン；キーン、マーク A. (2002). 「アルカリ金属臭化物を添加したNi/SiO2表面からのフィラメント状炭素の成長」コロイド・インターフェース・サイエンス誌. 250 (1): 37– 48.書誌コード:2002JCIS..250...37P. doi :10.1006/jcis.2002.8298. PMID  16290632.
  15. ^ Basavalingu, B.; Madhusudan, P.; Dayananda, AS; Lal, K.; Byrappa, K.; Yoshimura, M. (2007). 「水熱条件下でのクロム炭化物の解離によるフィラメント状炭素の形成」. Journal of Materials Science . 43 (7): 2153–7 . Bibcode :2008JMatS..43.2153B. doi :10.1007/s10853-007-1927-9. S2CID  136589375.
  16. ^ Bae, Jong Wook; Kim, Seung-Moon; Park, Seon-Ju; Prasad, PS Sai; Lee, Yun-Jo; Jun, Ki-Won (2009). 「フィッシャー・トロプシュ合成におけるCo/アルミニウムリン酸エステル上のフィラメント状炭素形成による不活性化」. Industrial & Engineering Chemistry Research . 48 (6): 3228–33 . doi :10.1021/ie801956t.
  17. ^ 「油流出物の洗浄用フィラメント状炭素粒子」 。 2013年9月2日閲覧。[信頼できない情報源? ]
  18. ^ Steinfeld, A.; Kirillov, V.; Kuvshinov, G.; Mogilnykh, Y.; Reller, A. (1997). 「メタンの太陽熱触媒分解による繊維状炭素および水素の製造」.化学工学科学. 52 (20): 3599– 603. doi :10.1016/S0009-2509(97)00166-8.
  19. ^ abc Harris, Peter JF (2009). 「触媒的に生成されたカーボンナノチューブ」.カーボンナノチューブ科学：合成、特性、応用. ケンブリッジ: ケンブリッジ大学出版局. pp.  6– 7. ISBN 978-0-521-82895-6。
  • 油流出の洗浄用糸状炭素粒子およびその製造方法
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Filamentous_carbon&oldid=1306430587」より取得