炭化物由来炭素(CDC)は、調整可能なナノ多孔質炭素とも呼ばれ、二元炭化物(SiC、TiCなど)や、MAX相としても知られる三元炭化物(Ti 2 AlC、Ti 3 SiC 2など)などの炭化物前駆体から得られる炭素材料の一般的な用語です。[1] [2] [3] [4] CDCは、Si-OCやTi-Cなどのポリマー由来のセラミックス、Si-NCなどの炭窒化物からも生成されています。[5] [6] [7] CDCは、アモルファス炭素から結晶性炭素、sp 2結合からsp 3結合、高度に多孔質から完全に高密度まで、さまざまな構造で発生します。とりわけ、マイクロポーラス炭素とメソポーラス炭素、アモルファス炭素、カーボンナノチューブ、オニオン状炭素、ナノ結晶ダイヤモンド、グラフェン、グラファイトなどの炭素構造が炭化物前駆体から生成されています。[1]炭素材料の中で、マイクロポーラスCDCは報告されている比表面積が最も高いものの1つです(最大3000 m 2 /g以上)。[8]前駆体の種類とCDCの合成条件を変えることで、平均細孔径と細孔径分布を制御可能なマイクロポーラスおよびメソポーラス構造を生成できます。前駆体と合成条件に応じて、平均細孔径の制御をサブオングストロームの精度で適用できます。[9]細孔のサイズと形状を正確に調整できるため、CDCは液体とガス(水素、メタン、CO 2など)の選択的吸着と貯蔵に魅力的であり、高い電気伝導性と電気化学的安定性により、これらの構造を電気エネルギー貯蔵と容量性脱塩に効果的に実装できます。
歴史
塩素ガスとシリコンカーバイドの高温反応によるSiCl 4の生成は、1918年にオーティス・ハッチンスによって初めて特許取得され、[10] 1956年により高い収率を得るためにプロセスがさらに最適化されました。[11]固体多孔質炭素製品は、1959年にウォルター・モーフンによってその特性と潜在的な用途がより詳細に調査されるまで、当初は廃棄物の副産物と見なされていました。[12] 1960年代から1980年代にかけて、主にロシアの科学者によってハロゲン処理によるCDCの合成に関する研究が行われ、[13] [14]一方、1990年代には水熱処理がCDCを生成するための代替ルートとして研究されました。[15]最近では、最適化されたCDC合成とナノエンジニアリングされたCDC前駆体に研究活動が集中しています。
命名法
歴史的に、CDCには「鉱物炭素」や「ナノ多孔質炭素」など、さまざまな用語が使用されてきた。[12]その後、ユーリ・ゴゴツィ[9]によって導入された、前駆体を明確に示すより適切な命名法が採用された。たとえば、炭化ケイ素由来のCDCは、SiC-CDC、Si-CDC、またはSiCDCと呼ばれてきた。最近では、前駆体の化学組成を反映するために、統一された前駆体-CDC命名法に従うことが推奨されている(例:B 4 C-CDC、Ti 3 SiC 2 -CDC、W 2 C-CDC)。[1]
合成
CDC は、いくつかの化学的および物理的合成法を使用して合成されています。最も一般的なのは、乾式塩素処理を使用して、炭化物前駆体格子から金属または半金属原子を選択的にエッチングすることです。[1]塩素処理という用語は、塩素化よりも好まれます。塩素化された生成物である金属塩化物は廃棄される副産物であり、炭素自体はほとんど反応しないまま残るためです。この方法は、エストニアの Skeleton とウクライナの Carbon-Ukraine によって CDC の商業生産に導入されています。[要出典]水熱エッチングは、多孔質炭素膜とナノダイヤモンド合成のルートをもたらした SiC-CDC の合成にも使用されています。[16] [17]

塩素処理
多孔質炭化物由来炭素を生成する最も一般的な方法は、ハロゲン(最も一般的には塩素ガス)による高温エッチングです。次の一般的な式は、金属炭化物と塩素ガスの反応を表しています(M:Si、Ti、V。他のCDC前駆体についても同様の式を書くことができます)。
- MC (固体) + 2 Cl 2 (気体) → MCl 4 (気体) + C (固体)
200 ~ 1000 °C の温度でハロゲン処理を行うと、前駆体に応じて 50 ~ 80 vol% の多孔度を持つ、主に無秩序な多孔質炭素が生成されることが示されています。1000 °C を超える温度では、主にグラファイト炭素が生成され、グラファイト化による材料の収縮が観察されます。

固体炭素生成物相の線形成長速度は、反応駆動型の速度論的メカニズムを示唆しているが、より厚い膜またはより大きな粒子に対しては、速度論は拡散律速となる。高質量輸送条件(高ガス流量)は、塩化物の除去を促進し、反応平衡を CDC 生成物の方へシフトさせる。塩素処理は、 SiC、 TiC、 B 4 C、 BaC 2、 CaC 2、 Cr 3 C 2、 Fe 3 C、 Mo 2 C、 Al 4 C 3、 Nb 2 C、 SrC 2、 Ta 2 C、 VC、 WC、 W 2 C、 ZrC、 Ti 2 AlC、 Ti 3 AlC 2、 Ti 3 SiC 2などの三元炭化物、 Ti 2 AlC 0.5 N 0.5などの炭窒化物など、さまざまな炭化物前駆体からの CDC 合成に効果的に使用されている。
製造されるCDCのほとんどは、ミクロ細孔(< 2 nm)とメソ細孔(2〜50 nm)が優勢であり、特定の分布は炭化物前駆体と合成条件によって影響を受けます。[18]階層的な多孔性は、テンプレート法の有無にかかわらず、ポリマー由来のセラミックを使用することで実現できます。[19]テンプレートにより、ミクロ細孔の無秩序なネットワークに加えて、メソ細孔の整然とした配列が得られます。炭化物の初期結晶構造は、特に低温塩素処理の場合、CDCの多孔性に影響を与える主な要因であることが示されています。一般に、格子内の炭素原子間の間隔が大きいほど、平均細孔径が増加します。[2] [20]合成温度が上昇すると、平均細孔径が増加し、細孔サイズ分布が広くなります。[9]しかし、炭化物前駆体の全体的な形状とサイズはほぼ維持され、CDCの形成は通常、コンフォーマルプロセスと呼ばれます。[18]

真空分解
炭化物から金属または半金属原子は、真空下で高温(通常1200℃以上)で選択的に抽出することができます。その基本的なメカニズムは炭化物の不整合分解であり、対応する炭化金属と比較して炭素の融点が高いことを利用して、溶けて最終的に蒸発し、炭素だけが残ります。[21]
ハロゲン処理と同様に、真空分解はコンフォーマルプロセスです。[18]結果として得られる炭素構造は、高温の結果として、より秩序だったものとなり、カーボンナノチューブやグラフェンが得られます。特に、SiCの真空分解では、チューブ密度の高い垂直配向カーボンナノチューブフィルムが報告されています。[22]チューブ密度が高いと、弾性率が高くなり、座屈抵抗も高くなり、特に機械的および摩擦学的用途で重要です。[23]
カーボンナノチューブの形成は微量の酸素が存在するときに起こりますが、非常に高い真空条件(10 −8 –10 −10 torr に近い)ではグラフェンシートが形成されます。この条件が維持されると、グラフェンはバルクグラファイトに転移します。特に、シリコンカーバイド単結晶(ウェーハ)を 1200~1500 °C で真空アニールすると、[24]金属/半金属原子が選択的に除去され、1~3 層のグラフェン層(処理時間による)が形成され、3 層のシリコンカーバイドが 1 層のグラフェンにコンフォーマル変換されます。[25]また、グラフェンの形成は 6H-SiC 結晶の Si 面で優先的に起こりますが、ナノチューブの成長は SiC の c 面で優先されます。[22]
水熱分解
炭化物からの金属原子の除去は、高温(300~1000℃)および高圧(2~200MPa)で報告されています。金属炭化物と水の間では、以下の反応が考えられます。
- x ⁄ 2 MC + x H 2 O → M x ⁄ 2 O x + x ⁄ 2 CH 4
- MC + (x+1) H 2 O → MO x + CO + (x+1) H 2
- MC + (x+2) H 2 O → MO x + CO 2 + (x+2) H 2
- MC + x H 2 O → MO x + C + x H 2
最後の反応でのみ固体炭素が生成する。炭素含有ガスの収率は圧力とともに増加し(固体炭素収率は減少)、温度とともに減少する(炭素収率は増加)。使用可能な多孔質炭素材料を生成できるかどうかは、形成された金属酸化物(SiO 2など)の超臨界水中での溶解度に依存する。水熱炭素生成は、SiC、TiC、WC、TaC、およびNbCで報告されている。TiO 2などの金属酸化物の不溶性は、特定の金属炭化物(Ti 3 SiC 2など)にとって重大な問題である。[18] [26]
アプリケーション
炭化物由来の炭素の用途の 1 つは、電気二重層コンデンサの電極の活性材料としてであり、これは一般にスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタとして知られています。これは、その優れた電気伝導性と、高い表面積[27]、大きな細孔容積[20]、および細孔サイズの制御[28]によって、多孔質炭素電極の多孔度メトリックを特定の電解質に一致させることができるという利点によって実現されています。[29]特に、細孔サイズが電解質内の (脱溶媒和された) イオンのサイズに近づくと、静電容量が大幅に増加します。導電性炭素材料は、スーパーキャパシタデバイスの抵抗損失を最小限に抑え、電荷のスクリーニングと閉じ込めを強化し、[30]マイクロポーラス CDC 電極の充填密度とそれに続く電荷貯蔵容量を最大化します。[31] [32] [33]

CDC電極は、水性電解質では最大190 F/g、有機電解質では最大180 F/gの重量容量が得られることが示されています。[29]最も高い容量値は、イオン/細孔システムが適合している場合に観測されており、超イオン状態のイオンを細孔内に高密度に詰め込むことができます。[34]しかし、特に全体的に大きな粒子径と組み合わせると、小さな細孔は、充電/放電サイクル中のイオン移動度に追加の拡散制限を課します。 CDC構造にメソ細孔が広く存在すると、充電および放電中により多くのイオンが互いに移動できるため、スキャン速度が速くなり、速度処理能力が向上します。[35]逆に、ナノ粒子炭化物前駆体を実装すると、細孔チャネルが短くなり、電解質の移動度が向上し、充電/放電速度が速くなり、電力密度が向上します。[36]
提案されたアプリケーション
ガス貯蔵と二酸化炭素回収
KOH または CO 2で活性化した TiC-CDC は、高圧下 25 °C で最大 21 wt.% のメタンを貯蔵できます。直径 0.50~0.88 nm のサブナノメートル細孔を持つ CDC は、1 bar および 0 °C で最大 7.1 mol CO 2 /kg を貯蔵できることが示されています。 [37] CDC は、60 bar および -196 °C で最大 3 wt.% の水素も貯蔵でき、CDC 材料の化学的または物理的活性化の結果としてさらに増加する可能性があります。大きなサブナノメートル細孔容積を持つ SiOC-CDC は、60 bar および -196 °C で 5.5 wt.% を超える水素を貯蔵でき、自動車用途で米国エネルギー省が目標とする 6 wt.% の貯蔵密度にほぼ達しています。特に、サブナノメートル径の細孔と大きな細孔容積の優位性は、貯蔵密度の増加に役立ちます。[38]
トライボロジーコーティング
SiCセラミックの真空アニール(ESK)または塩素処理によって得られたCDCフィルムは、低い摩擦係数をもたらします。高い機械的強度と硬度のためにトライボロジー用途で広く使用されているSiCの摩擦係数は、乾燥条件下で約0.7から約0.2以下に低下する可能性があります。[39]グラファイトは乾燥環境では動作できないことに注意することが重要です。CDCの多孔質3次元ネットワークは、高い延性と機械的強度の増加を可能にし、加えられた力によるフィルムの破損を最小限に抑えます。これらのコーティングは、動的シールに使用されています。摩擦特性は、高温水素アニールとそれに続くダングリングボンドの水素終端によってさらに調整できます。[40]
タンパク質吸着
メソポーラス構造を持つ炭化物由来の炭素は、生体液から大きな分子を除去します。他の炭素と同様に、CDC は優れた生体適合性を備えています。[41] CDC は、血漿から TNF-α、IL-6、IL-1β などのサイトカインを除去することが実証されています。これらは、細菌感染時に体内に放出される最も一般的な受容体結合剤であり、感染時に一次炎症反応を引き起こし、敗血症の潜在的な致死率を高めるため、その除去は非常に重要な問題となっています。[42]上記のサイトカインの除去率と除去レベル (30 分以内に 85~100% 除去) は、同等の活性炭で観察されるものよりも高くなっています。[42]
触媒サポート
Ptナノ粒子は、塩素処理中にSiC/C界面に導入される可能性がある(Pt 3 Cl 3の形で)。粒子は材料中に拡散してPt粒子表面を形成し、これが触媒支持層として機能する可能性がある。[43]特に、Ptに加えて、金などの他の貴元素を細孔に沈着させることができ、結果として生じるナノ粒子のサイズは、CDC基板の細孔サイズと全体的な細孔サイズ分布によって制御される。[44]このような金または白金ナノ粒子は、表面コーティングを使用しなくても1 nm未満にすることができる。 [44 ]さまざまなCDC(TiC-CDC、Mo 2 C-CDC、B 4 C-CDC)のAuナノ粒子は、一酸化炭素の酸化を触媒する。[44]
静電容量脱イオン化(CDI)
水の脱塩と浄化は、研究室での研究、産業における大規模な化学合成、消費者向けアプリケーション用の脱イオン水を得るために不可欠であるため、このアプリケーションでの多孔質材料の使用は特に注目されています。容量性脱イオン化は、スーパーキャパシタに似た方法で動作します。イオンを含む水(電解質)が、システム全体に電位を印加した2つの多孔質電極の間を流れると、対応するイオンが2つの端子の細孔内で二重層に集まり、浄化装置から出る液体のイオン含有量が減少します。[45]カーバイド由来の炭素は電解質内のイオンのサイズに厳密に一致するため、CDCと活性炭をベースにした脱塩装置を並べて比較すると、活性炭と比較して1.2〜1.4 Vの範囲で大幅な効率向上が見られました。[45]
商業生産と応用
CDC は工業用金属塩化物合成の副産物として生まれたため、適度なコストで大規模生産できる可能性を確かに秘めています。現在、炭化物由来の炭素の生産と商用製品への実装に携わっているのは小規模企業のみです。たとえば、エストニアのタルトゥにある Skeleton や、ウクライナのキエフにある Carbon-Ukraine は、スーパーキャパシタ、ガス貯蔵、ろ過用途向けの多孔質炭素の多様な製品ラインを揃えています。さらに、世界中の多数の教育機関や研究機関が、CDC の構造、合成、または (間接的に) さまざまなハイエンド用途への応用に関する基礎研究に取り組んでいます。
参照
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外部リンク
- http://nano.materials.drexel.edu
- http://skeletontech.com/
- http://carbon.org.ua/
