高木大輔1 日比野浩樹2
1東京理科大学 2機能物質科学研究部
金・銀・銅など従来カーボンナノチューブ（CNT)を生成しないと考えられていた様々な金属を触媒として、良質な単層のCNTを効率よく合成することに世界で初めて成功した[1]。CNTは、軽量、高強度、電熱伝導性の良さといった特長から、次世代の産業基盤を担う素材として期待され、盛んに研究されている。しかし生成メカニズムには未だ不明な点が多く、合成方法も研究途上にあるが、単層CNTの合成には鉄族をはじめとする、炭素の溶解度が高く親和性のよい金属を触媒とすることが不可欠と考えられていた。本研究成果は、これまでの常識を覆し、図１の金・銀・銅のように、バルク状態ではほとんど炭素を溶解しない金属からもCNTが生成できることを示したもので、生成メカニズムの根幹に関わる発見であるとともに、新たな触媒種による制御性の高いCNT合成方法の確立につながると期待される。
現在、実用化に向けたCNT合成方法としては、エタノール等の炭素化合物の気体を高温でナノサイズの金属触媒に反応させて生成させる方法が主に用いられている。この方法でCNTを生成できる金属触媒は、これまで主に鉄属金属（鉄、コバルト、ニッケル）に限られていた。特に、炭素との親和性の低い金、銀、銅は単層CNTを生成できない金属の代表とされ、生成機構もそのことを基準に考えられていた。今回の研究において、金、銀、銅のいずれであっても、①微粒子サイズを1～3
nmと極めて小さくすること、②微粒子に清浄化処理を施して表面をクリーンな状態にすること(図２）、③高温でエタノールなどの炭素源ガスを供給すること、の3つの条件を満たすことにより、高い効率で単層CNTを生成できることを見出した。得られた単層CNTの品質や生成効率は従来の鉄属触媒に匹敵するか、条件によってはそれ以上となる。さらに、上記の条件を満たせば、金、銀、銅に限らず、様々な金属から単層CNTが生成可能であることも判明している。これは、単層CNT生成の触媒としては鉄属元素の有する性質が必須ではないことを意味している。従来の生成機構は、鉄族金属の特性である炭素の取り込み・溶解と析出現象に基づいていたが、今回の成果は、そのような特性を必要としないモデル構築の必要性を示している。さらに、触媒種の多様化が実現されたことで、今後、寿命の長い触媒種の探索やチューブ構造を自在に制御できる合成方法の確立が期待される。また、非磁性触媒からの成長が可能となったことなどから、超伝導デバイスへの適用等、CNTの各種産業分野での用途拡大も見込まれる。
[1] D. Takagi, et al., Nano Lett. 6 (2006) 2642.
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