单层CNT:合成和分离均取得进展
日本从2014年2月开始量产单层碳纳米管(CNT)。单层CNT的量产在全球还比较少见注1)。如果每克高达10多万日元的单层CNT价格能通过量产降低,利用单层CNT的碳元件就会增加,从而促进单层CNT的价格进一步降低,这样就有望形成良性循环。
除此之外,量产较高品质单层CNT的还有率先推出CNT触摸面板的中国富纳源创。2002年开发出了称为“Super-AlignedCNTArray”的CVD法。与SG法相似,不过SG法是2004年开发的。
采用两种方法的工厂接连投入运转
目前,量产高品质单层CNT的技术主要可分为两种。日本最近运转的量产工厂也采用了隶属于这两种分类的技术。首先,2014年2月开始量产的是称为eDIPS(增强直喷热解合成)法的技术(图1)。
该技术由日本产业技术综合研究所开发。名城大学设立的风险企业——名城纳米碳公司建设了采用该技术的量产工厂,于2014年2月投入使用。“采用eDIPS法一小时可合成一克单层CNT。包括精炼过程的成品率在内,与我们此前利用的电弧放电法相比,拥有100倍的量产性”(名城纳米碳公司代表董事桥本刚)。
另一种量产技术称为超速成长(SG)法,也是由产业技术综合研究所开发的。SG法已经启动了长12m的大型验证工厂。不过,今后才要开始大规模量产。日本瑞翁(Zeon)正考虑2015年启动年产10吨规模的工厂。
根据碳元件的种类区分使用
这两种量产技术相互之间不存在竞争。因为可合成的单层CNT的类型不同。因此,都是根据用途区分利用合成法。
首先,eDIPS法是化学气相法(CVD)的一种,从反应炉上投入碳源和作为催化剂的金属微颗粒物,在气相中生长CNT。既不使用基板也不使用固定催化剂的载体。无需清洁车间,能在大气压下制造。
利用这种方法合成的单层CNT结晶缺陷少,纯度高达90~95%,远远高于原来的合成方法。CNT的直径比较细,只有1n~2nm。
该方法的最大特点是,“通过控制反应条件,可在约10%的范围内制作所需的直径”(产业技术综合研究所纳米管应用研究中心流动气相成长CNT小组研究组长斋藤毅)。
单层CNT的结晶缺陷少有助于载流子迁移率、发光效率和机械强度等都实现高水平。直径可选意味着如果单层CNT是半导体型,可以选择带隙尺寸。因此,利用eDIPS法合成的单层CNT适合用作半导体材料。
可以全部分离的技术亮相
最近开发出了基本不使用电力就能分离手性各异的单层CNT的方法。那就是“柱分离法”,该方法是产业技术综合研究所纳米系统研究部门首席研究员片浦弘道的研究小组开发的。据片浦介绍,“量产时的成本可降至密度梯度超离心分离法的1/100”。
该方法是向加入了医疗领域用于蛋白质分离等的多孔质凝胶的柱体,浇注含手性各异的单层CNT的溶液。这样一来,溶液中最容易与凝胶吸附的CNT就留在了凝胶中,而其他成分被排出。
然后,让排出的溶液再次通过凝胶,剩余的CNT中最容易吸附凝胶的CNT又留在凝胶中,其余被排出。
通过重复这个过程,单层CNT基本可以根据手性的不同全部分离。另外最近,即使手性相同,还可以根据右旋还是左旋等差异进行分离。
目前的课题是,凝胶价格非常高。不过,“凝胶的原料比较便宜,因此量产的话就能降低单价”(片浦)。