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糸状炭素は、炭素ナノチューブ、炭素ナノファイバー、マイクロコイルなど、いくつかの炭素同素体を指す炭素含有堆積構造です。[1] [2] [3]気体炭素化合物から形成されます。[1]糸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。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、糸状炭素の製造方法のいくつかに関与しています。糸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）以上で発生します。
繊維状炭素の用途には、原油流出の除去や、強くて軽量な複合材の製造などがあります。また、繊維状炭素は、別の炭素形態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。ただし、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。二重構造になっています。構造の外側は酸化されにくいですが、中心部分は酸化されやすいです。金属粒子は通常、構造の成長端にありますが、構造の中央にある場合もあります。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です。[1]フィラメントには、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近くにあ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持っています。これは部分的には、繊維状炭素の構造がグラファイトの構造よりも無秩序であるという事実によるものです。特性の違いに関する他の理論には、この偏差は炭化物の中間相の形成に基づいているというものがあります。この理論は、De Bokxらと Manningらによって提唱されました。しかし、中心金属原子がニッケルである場合は、炭化物が350 °C (662 °F) で分解し、そのような反応中に炭化物の形成が観察されなかったため、可能性は低いです。[2]
金属と繊維状炭素の溶解度の差によっても炭素拡散が起こります。[2]同素体が600℃（1,112℉）以下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、珍しい組織特性を持っています。[6]また、常磁性も持っています。[7]また、高い機械的強度も持っています。[8]
490 °C (914 °F) から 590 °C (1,094 °F) のメタンと水素ガス中で成長する糸状炭素にあるニッケル粒子は、温度範囲の上限では洋ナシ形になる傾向があります。高温では、金属粒子は変形します。糸状の円錐構造の長さも温度とともに増加します。銅とシリカの触媒を 927 °C (1,701 °F) 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、これには金属の滴も含まれていました。[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
糸状炭素は、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]糸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糸状炭素を形成するのに適した材料です。[8]たとえば、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) のとき、糸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、反応管や触媒上でのコークス形成時に形成される最大7つの炭素同素体の1つでもあります。この同素体は触媒支持構造を破壊する能力があり、反応器を塞ぐ可能性があります。また、他の種類の炭素とともに、ストリーム改質中にも形成されます。[2]
合成
繊維状炭素はメタンを分解する ことによっても合成できる。生成物はその後水素によってガス化される。これを発見した実験では、ニッケル粒子が繊維の金属粒子として使用された。繊維はニッケル粒子の「支持面」に沈殿する。[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フィルム上で分解したときにも形成される。しかし、パラジウムと二酸化ケイ素のフィルムを水素で597℃（1,107℉）の温度で予熱すると、糸状炭素は形成されない。これは、その条件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。鉄と二酸化ケイ素は一緒になって構造形成の触媒としても働く。この反応中に鉄ケイ酸塩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化物上で不均化されると、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、加熱された炭化ガス混合物を粉末状のコバルト酸化物に送りました。糸状の炭素は、この反応を600℃（1,112℉）で行ったとき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で水素化脱塩素化すると、繊維状炭素の高度に整列した構造が形成される。カリウムと臭素が存在する場合、この反応は 280 °C (536 °F) という低温で起こる可能性がある。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するためである。反応中のニッケルとシリカの混合物に水酸化カリウムを加えても、反応の収率にはほとんど変化がなかった。しかし、臭化カリウムを加えると、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。そ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℉）～800℃（1,470℉）で分解することによっても合成できる。[15]また、2メガパスカル、220℃（428℉）～240℃（464℉）でコバルトとリン酸アルミニウムの触媒を用いても生成される。この反応でルテニウムが存在すると、繊維状炭素の収量が低下する。[16]
アプリケーション
繊維状炭素は流出した原油の除去に使われてきました。これは繊維が原油と結合することによって機能します。[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流した際に観察して以来、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。繊維の管状バージョン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の対象となりました。これらの研究には、同素体の形成の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
- ^ 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。
- ^ 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、および定常状態の成長」。Journal of Catalysis . 169 (1): 240–9. doi :10.1006/jcat.1997.1634.
- ^ 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.[ページが必要]
- ^ abc Starkovich, JA; Lim, Wei-Yue; Peng, H. (1984). 繊維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。2017-04-28にオリジナル(PDF)からアーカイブ。2013-09-01に取得。
- ^ Li, Xiaonian; Zhang, Yi; Smith, Kevin J. (2004). 「Co/SiO 2触媒上での繊維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.
- ^ 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。
- ^ Romanenko, Konstantin V.; d'Espinose De La Caillerie, Jean-Baptiste; Fraissard, Jacques; Reshetenko, Tatyana V.; Lapina, Olga B. (2005). 「触媒繊維状炭素の129 Xe NMR 調査」.マイクロポーラスおよびメソポーラス材料. 81 (1–3): 41–8. doi :10.1016/j.micromeso.2005.01.016.
- ^ abc Debokx, P. (1985). 「鉄およびニッケル触媒上における繊維状炭素の形成 I. 熱力学」. Journal of Catalysis . 96 (2): 454–67. doi :10.1016/0021-9517(85)90314-8.
- ^ 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。ソーレンセン、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。ドイ:10.1002/(SICI)1521-4176(199805)49:5<367::AID-MACO367>3.0.CO;2-M。hdl : 1822/1533。
- ^ 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」。Guceri, Selcuk、Gogotsi, Yury G.、Kuznetsov, Vladimir (編)。ナノエンジニアリングされた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。
- ^ Baker, R. (1973). 「鉄、コバルト、クロム触媒によるアセチレンの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.
- ^ Kępiński, L. (1989). 「Pd/SiO2 膜上での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.
- ^ Park, Colin; Keane, Mark A. (2001). 「ニッケル/シリカ上の繊維状炭素成長: 触媒プロモーター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.
- ^ Park, Colin; Keane, Mark A. (2002). 「アルカリ金属臭化物を添加した Ni/SiO2 の表面からのフィラメント状炭素の成長」。コロイドおよび界面科学ジャーナル。250 (1): 37–48。Bibcode :2002JCIS..250...37P。doi :10.1006/ jcis.2002.8298。PMID 16290632 。
- ^ 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繊維状炭素の形成」。Journal of Materials Science . 43 (7): 2153–7. Bibcode :2008JMatS..43.2153B. doi :10.1007/s10853-007-1927-9. S2CID 136589375.
- ^ 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・トロプシュ合成中のリン酸コバルト/アルミニウム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.
- ^ 「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? ]
- ^ 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と水素の生成」.化学工学科学. 52 (20): 3599–603. doi :10.1016/S0009-2509(97)00166-8.
- ^ 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。
外部リンク
- 油流出の洗浄用糸状炭素粒子およびその製造方法