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カーボン

カーボン

カーボンは幅広い工業用途で活用されています。例えばカーボンブラックは印刷用インクやプリンター・トナーの顔料、タイヤなどのゴム製品やプラスティック類の充填材として使われます。活性炭の様なナノポーラスカーボンは主としてミクロ孔を含む多孔質体ですが、カーボンの前駆体や合成過程によってはメソ孔やマクロ孔も存在します。

活性炭は安価で、かつプレ/ポスト合成などの手法によって細孔構造や表面での化学反応を制御しやすいことから、ガス混合物、水処理、触媒などで吸着や分離といった重要な工業用途を見込まれています。最近では明確に定義されたカーボンの合成法が開発され、ミクロ孔からマクロ孔までの範囲の細孔を含む多孔質の新規なカーボンエアロゲルと同様に規則正しいメソポーラス・カーボン(例えばCMK)やカーボンナノチューブ/ホーンの様なミクロ/メソ孔構造に適合しています。これらの先進的なカーボン素材はガスやエネルギー貯蔵、電池(例えばスーパーキャパシタ)の様ななどの分野で大きな可能性と拡がりを持っています。

キャラクタリゼーション

カーボン材料の適用性を最適化するには、細孔の容積/径/分布など材料表面の特性を包括的に把握する必要があります。ガス吸着法は幅広いサイズの細孔径測定に対応できるため、その標準的な手法と考えられています。87Kでアルゴン吸着や77Kの窒素吸着のような高精度な手法は、273KでのCO2吸着と合わせマイクロポーラスカーボンの測定法として標準的な手法となっています。100mTorrの非常に低い圧力下で、またはその様な低い圧力と温度の組合せた状態下では、窒素もしくはアルゴンが孔径0.7nm以下の細孔を満たしますが、さらに小さなミクロ孔(例えば0.45nm以下の)だと窒素やアルゴンが入らなくなってしまうことはよく知られた問題です。この対策のため、そのような拡散限界を乗越え、最小の細孔でも信頼性の高い細孔径や容量を測定する方法として、室温に近い温度(273K)でCO2を吸着質として使用することが提案されてきました。吸着データの解析法としては、NLDFT法を基にした細孔径測定メソッドがあり、分子シミュレーションによりミクロ孔とメソ孔の完全な範囲で、細孔径と細孔容積の信頼性の高いデータが得られます。これらのメソッドは多くの種類の吸着質と吸着材の組合わせに利用でき、ISO 15901-3の様な国際標準規格においても特集されています。最近では大まかなパラメーターにより特定された表面の不均一性を定量的に検討するQSDFT法などの発展も見られます。最近では更に進んだ解析方法として、大まかなパラメーターにより特徴づけられた表面の幾何学的な不均衡を定量的に考慮したQSDFTが発達しています。QSDFT法によって多くのミクロ/メソポーラスカーボンの細孔径分布の精度が徐々に改善しています。

 

【関連技術資料】

Tech35:273.15K(0℃)でのCO2吸着を用いた多孔質炭素のミクロ細孔径解析

 

参考文献

Thommes, M., Cychosz, K.A., Neimark, A.V.: Advanced physical adsorption characterization of nanoporous carbons. In: Tascon, J.M.D. (eds.) Novel Carbon Adsorbents, pp. 107-145. Elsevier (2012)

Neimark, A.V., Lin, Y., Ravikovitch, P.I., Thommes, M.: Quenched solid density functional theory and pore size analysis of micro-mesoporous carbons. Carbon 47, 1617-1628 (2009)

Gor, G.Y., Thommes, M., Cychosz, K.A., Neimark, A.V.: Quenched solid density functional theory method for characterization of mesoporous carbons by nitrogen adsorption. Carbon 50, 1583-1590 (2012)

Zhu, Y., Murali, S., Stoller, M.D., Ganesh, K.J., Cai, W., Ferreira, P.J., Pirkle, A., Wallace, R.M., Cychosz, K.A., Thommes, M., Su, D., Stach, E.A., Ruoff, R.S.: Carbon-based supercapacitors produced by activation of graphene. Science 332, 1537-1541(2011)

 

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