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JPH1087310A - Production of fullerene and device therefor - Google Patents

Production of fullerene and device therefor

Info

Publication number
JPH1087310A
JPH1087310A JP8242986A JP24298696A JPH1087310A JP H1087310 A JPH1087310 A JP H1087310A JP 8242986 A JP8242986 A JP 8242986A JP 24298696 A JP24298696 A JP 24298696A JP H1087310 A JPH1087310 A JP H1087310A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
discharge
fullerene
raw material
microwave
fullerenes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP8242986A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tetsuya Ikeda
哲哉 池田
Toshihiro Kamo
俊洋 加茂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP8242986A priority Critical patent/JPH1087310A/en
Publication of JPH1087310A publication Critical patent/JPH1087310A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a producing method by which continuous synthesis of a fullerene and a metallic atom-contg. fullerene is easily carried out and the rates of recovery of fullerene and metallic atom-contg. fullerene and this reac tion yields can be enhanced as compared with the conventional techniques. SOLUTION: A gaseous medium for discharge is introduced into a discharge tube 2 disposed in a cavity resonator 1 causing microwave discharge, discharge is caused under atmospheric pressure to generate hot plasma and a hydrocarbon compd. or this compd. and a metal as starting materials are fed into the plasma, decomposed and brought into reaction to produce the objective fullerene and metallic atom-contg. fullerene.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は触媒担体や電子材料
などに利用価値の高いフラーレン及び金属を内包するフ
ラーレンの製造方法並びにその製造装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for producing fullerene and metal having a high utility value in a catalyst carrier, an electronic material and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のフラーレン又は金属原子を内包す
るフラーレンの製造装置の1例を図4に示す。図4の装
置によるフラーレン等の製造方法の概略は次のとおりで
ある。すなわち、真空容器15中の約50Torrのヘ
リウムガス17の雰囲気中で、グラファイト電極14の
間で直流電源16により50V、100Aのアーク放電
を起こさせることによりグラファイトを蒸発及びプラズ
マ化させる。約1時間の放電後、真空容器15の内壁及
び水冷銅パイプ13に付着したフラーレンを含むすすを
回収する。グラファイト電極14としてRb等のアルカ
リ金属や酸化ランタン等の金属酸化物を混入したグラフ
ァイトを使用すれば、グラファイトを蒸発及びプラズマ
化させる際に金属原子がグラファイトと共に気化し、プ
ラズマ中でグラファイトがフラーレンとなる解離及び結
合反応を起こすときに金属原子が球状のフラーレン分子
内部に取り込まれ、金属原子を内包するフラーレンを含
むすすが回収される。
2. Description of the Related Art FIG. 4 shows an example of a conventional apparatus for producing fullerenes containing metal atoms or fullerenes. The outline of the method for producing fullerenes and the like by the apparatus of FIG. 4 is as follows. That is, in a vacuum vessel 15 in an atmosphere of helium gas 17 of about 50 Torr, an arc discharge of 50 V and 100 A is caused between the graphite electrodes 14 by the DC power supply 16 to evaporate the graphite and turn it into plasma. After discharging for about 1 hour, soot containing fullerene attached to the inner wall of the vacuum vessel 15 and the water-cooled copper pipe 13 is collected. If the graphite electrode 14 is made of graphite mixed with an alkali metal such as Rb or a metal oxide such as lanthanum oxide, the metal atoms are vaporized together with the graphite when the graphite is evaporated and turned into plasma, and the graphite becomes fullerene in the plasma. When a dissociation and bonding reaction occurs, a metal atom is incorporated into the spherical fullerene molecule, and soot containing fullerene containing the metal atom is recovered.

【0003】このような従来の方法では、アーク放電で
生成したフラーレンが真空容器内全体に飛散するため回
収率が低下し、不純物が混入しやすいこと、アーク放電
による加熱法であるため放電電流がグラファイト表面の
一部分で局在化するためグラファイトの表面温度が一部
領域で高いだけで、グラファイトの昇華量が少量で一定
しないため反応効率が低下すること等の欠点がある。ま
た、金属原子を含むグファイトの場合には金属原子の蒸
発量をうまく制御できず、局所的加熱でグラファイトの
昇華量が少量で一定しないため金属原子を内部に取り込
む反応効率が低い。さらに、原料であるグラファイト棒
がアーク放電の電極を兼ねているため、グラファイトの
蒸発によって電極形状の時間的変動が大きく、安定した
反応条件が得られない欠点がある。
[0003] In such a conventional method, fullerene generated by arc discharge is scattered throughout the vacuum vessel, so that the recovery rate is reduced, impurities are likely to be mixed, and the discharge current is reduced due to the heating method by arc discharge. There is a drawback that the graphite is localized in a part of the graphite surface and the surface temperature of the graphite is only high in a part of the region, but the sublimation amount of the graphite is small and not constant, so that the reaction efficiency is lowered. In addition, in the case of graphite containing metal atoms, the evaporation amount of metal atoms cannot be controlled well, and the sublimation amount of graphite by local heating is small and not constant, so that the reaction efficiency for taking in metal atoms inside is low. Furthermore, since the graphite rod, which is a raw material, also serves as an electrode for arc discharge, there is a disadvantage in that the electrode shape is largely fluctuated with time due to evaporation of graphite, and stable reaction conditions cannot be obtained.

【0004】このようなアーク放電による方法における
欠点を改良するものとして、図5及び図6に示す構成の
装置により、マイクロ波誘導プラズマを用いてフラーレ
ン及び金属原子を内包するフラーレンを製造する方法が
提案されている(特願平4−51255号公報、特願平
4−130535号公報など)。図5の装置を用いたフ
ラーレン製造の1例を示すと、石英製の放電管22の内
部に、グラファイト粉末23を圧力20Torrのヘリ
ウムガス29をキャリヤとしてグラファイト粉末供給部
24から導入し、放電管22内で放電させる。マイクロ
波発振器25で発生させたマイクロ波を、導波管26を
用いて円筒型空胴共振器21に導き、放電中のグラファ
イトの蒸発による共振周波数のずれは円筒型空胴共振器
21の端板に取付けたチューナ27で常時均一となるよ
うに調整する。所定時間放電後、サイクロン28で捕集
したフラーレンを含有するすすを回収する。
As a method for improving the disadvantages of the method using the arc discharge, a method for producing fullerenes and fullerenes containing metal atoms by using microwave induction plasma by using an apparatus having a configuration shown in FIGS. It has been proposed (Japanese Patent Application No. 4-51255, Japanese Patent Application No. 4-130535). One example of fullerene production using the apparatus of FIG. 5 is as follows. A graphite powder 23 is introduced into a quartz discharge tube 22 from a graphite powder supply unit 24 using a helium gas 29 at a pressure of 20 Torr as a carrier. Discharge is performed in 22. The microwave generated by the microwave oscillator 25 is guided to the cylindrical cavity 21 using the waveguide 26, and the deviation of the resonance frequency due to the evaporation of graphite during discharge is reduced by the end of the cylindrical cavity 21. The adjustment is made by the tuner 27 attached to the plate so as to be always uniform. After discharging for a predetermined time, soot containing fullerene collected by the cyclone 28 is collected.

【0005】また、金属原子を内包するフラーレンの製
造方法の1例を図6により説明すると、放電管32の内
部に酸化銅を5%混入したグラファイト棒34を設置
し、圧力20Torrのヘリウムガス39を導入して放
電管32内で放電させる。マイクロ波発振器35で発生
させたマイクロ波を、導波管36を用いて円筒型空胴共
振器31、32に導くと、加熱・蒸発用空胴共振器31
では高温のプラズマが発生し、グラファイトと銅原子が
蒸発する。蒸発したグラファイトと銅原子は下流側の反
応制御用空胴共振器32の低温プラズマ中に導かれ、フ
ラーレンの生成に伴い銅原子が取り込まれる。それぞれ
の空胴共振器中における共振周波数のずれは空胴共振器
の端板に取付けたチューナ37で常時均一となるように
調整する。所定時間放電後、放電管壁及びフィルタ38
に付着するすすを回収し、溶剤抽出により銅原子を内包
するフラーレンを回収する。
One example of a method for producing fullerene containing metal atoms will be described with reference to FIG. 6. A graphite rod 34 containing 5% copper oxide is installed in a discharge tube 32, and a helium gas 39 at a pressure of 20 Torr is provided. To discharge in the discharge tube 32. When the microwave generated by the microwave oscillator 35 is guided to the cylindrical cavity resonators 31 and 32 using the waveguide 36, the heating / evaporation cavity resonator 31 is formed.
Then, high-temperature plasma is generated, and graphite and copper atoms evaporate. The evaporated graphite and copper atoms are guided into the low-temperature plasma of the reaction control cavity resonator 32 on the downstream side, and the copper atoms are taken in with the production of fullerene. The deviation of the resonance frequency in each cavity resonator is adjusted by the tuner 37 attached to the end plate of the cavity resonator so as to be always uniform. After discharging for a predetermined time, the discharge tube wall and the filter 38
The soot adhering to is recovered, and fullerene containing copper atoms is recovered by solvent extraction.

【0006】このようなマイクロ波誘導プラズマを用い
る方法においても、原料としてグラファイトを用いるた
め、炭素原子として蒸発させるためには表面温度を30
00℃以上にする必要があるが、ガス条件によってはプ
ラズマが放電管全体に拡散し、グラファイトを十分加熱
できないことやグラファイトの電気伝導度が比較的高い
ことからグラファイト形状が共振器特性(共振周波数及
びQ値等)に及ぼす影響が大きいなどの欠点がある。し
たがって、マイクロ波放電を用いたグラファイト粉末、
あるいは棒全体を3000℃以上に安定に維持すること
は非常に困難である。また、このような状態で放電プラ
ズマを発生させると、グラファイト粒子や棒の一部領域
で温度が高いだけでグラファイトの昇華量が少量で一定
しないため、多少の条件の違いで反応効率が低下するこ
と等の課題がある。このような状況では原料グラファイ
ト(粉末、棒)の一部だけが昇華、反応を起こすが、大
部分は未反応物として捕集されるため、フラーレンや金
属原子を内包するフラーレンの収率は著しく低いもので
ある。
[0006] In such a method using microwave induced plasma, graphite is used as a raw material.
The temperature must be at least 00 ° C. However, depending on the gas conditions, the plasma diffuses throughout the discharge tube and the graphite cannot be heated sufficiently, and the electrical conductivity of the graphite is relatively high. And Q value). Therefore, graphite powder using microwave discharge,
Alternatively, it is very difficult to stably maintain the entire bar at 3000 ° C. or higher. In addition, when discharge plasma is generated in such a state, the sublimation amount of graphite is not constant because the sublimation amount of graphite is small only at a high temperature in a partial area of the graphite particles and rods, and the reaction efficiency is reduced by a slight difference in conditions. There are issues such as things. In such a situation, only a part of the raw graphite (powder, rod) undergoes sublimation and reaction, but most of it is collected as unreacted substances, so the yield of fullerene and fullerene containing metal atoms is remarkable. It is low.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記技術水準
に鑑み、フラーレン及び金属原子を内包するフラーレン
の連続合成が容易で、従来技術に比較してフラーレン及
び金属原子を内包するフラーレンの回収率及び反応収率
を向上させることのできる製造方法及び装置を提供しよ
うとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the state of the art, the present invention facilitates continuous synthesis of fullerenes containing fullerenes and metal atoms, and has a higher recovery rate of fullerenes containing fullerenes and metal atoms than the prior art. And a production method and apparatus capable of improving the reaction yield.

【0008】本発明は次の(1)〜(6)の構成を採る
ものである。 (1)マイクロ波放電を発生させる空胴共振器内に設置
した放電管内に放電用媒体のガスを導き、大気圧下で放
電を発生させ、得られた高温プラズマ中に炭化水素化合
物原料を供給して分解、反応させ、フラーレンを合成す
ることを特徴とするフラーレンの製造方法。
The present invention adopts the following constitutions (1) to (6). (1) A discharge medium gas is introduced into a discharge tube installed in a cavity that generates a microwave discharge, a discharge is generated under atmospheric pressure, and a hydrocarbon compound raw material is supplied into the obtained high-temperature plasma. And producing a fullerene by decomposing and reacting.

【0009】(2)マイクロ波放電を発生させる空胴共
振器内に設置した放電管内に放電用媒体のガスを導き、
大気圧下で放電を発生させ、得られた高温プラズマ中に
炭化水素化合物原料を供給して分解、反応させ、フラー
レンを合成する工程において、炭化水素化合物原料を添
加する高温プラズマ部あるいはその下流の低温反応領域
に金属原料を添加して反応させることを特徴とする金属
原子を内包するフラーレンの製造方法。
(2) A discharge medium gas is introduced into a discharge tube installed in a cavity resonator for generating microwave discharge,
In the process of generating discharge under atmospheric pressure, supplying the hydrocarbon compound raw material into the obtained high temperature plasma, decomposing and reacting, and synthesizing fullerene, the high temperature plasma part where the hydrocarbon compound raw material is added or downstream of the high temperature plasma part. A method for producing fullerene containing metal atoms, characterized in that a metal material is added to a low-temperature reaction region to cause a reaction.

【0010】(3)前記金属原料が有機金属化合物であ
ることを特徴とする前記(2)の金属原子を内包するフ
ラーレンの製造方法。 (4)前記炭素化合物原料が芳香族系炭化水素化合物で
あることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかの
フラーレンの製造方法。
(3) The method for producing fullerene containing a metal atom according to (2), wherein the metal raw material is an organometallic compound. (4) The method for producing fullerenes according to any one of (1) to (3), wherein the carbon compound raw material is an aromatic hydrocarbon compound.

【0011】(5)マイクロ波発振器と、該発振器で発
振させたマイクロ波を伝播させる導波管と、該導波管に
接続された空胴共振器と、該空胴共振器に挿入された放
電管と、該放電管に放電用媒体を導入するガス供給手段
と、前記放電管に接続した炭化水素化合物原料の気化室
を具備することを特徴とするフラーレンの製造装置。
(5) A microwave oscillator, a waveguide for propagating microwaves oscillated by the oscillator, a cavity connected to the waveguide, and a cavity inserted into the cavity. An apparatus for producing fullerene, comprising: a discharge tube; gas supply means for introducing a discharge medium into the discharge tube; and a vaporization chamber for a hydrocarbon compound raw material connected to the discharge tube.

【0012】(6)マイクロ波発振器と、該発振器で発
振させたマイクロ波を伝播させる導波管と、該導波管に
接続された空胴共振器と、該空胴共振器に挿入された放
電管と、該放電管に放電用媒体を導入するガス供給手段
と、前記放電管に接続した炭化水素化合物原料の気化室
及び金属原料の気化室を具備することを特徴とする金属
原子を内包するフラーレンの製造装置。
(6) A microwave oscillator, a waveguide for propagating microwaves oscillated by the oscillator, a cavity resonator connected to the waveguide, and a resonator inserted into the cavity resonator. A discharge tube, gas supply means for introducing a discharge medium into the discharge tube, and a vaporization chamber for a hydrocarbon compound raw material and a vaporization chamber for a metal raw material connected to the discharge tube; Fullerene manufacturing equipment.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明の方法によれば、マイクロ
波放電用空胴共振器内に設置した放電管内で窒素ガスを
大気圧条件下で放電を発生させ、得られた放電プラズマ
中でフラーレンを合成することができる。さらに、当該
高温プラズマ中に供給するフラーレンの炭素原料として
炭化水素化合物を使用することによりフラーレンの連続
合成が可能となる。その際、金属原料を炭素原子と同じ
位置又はプラズマ下流の低温領域でフラーレンの合成反
応中に添加することにより、フラーレンに効率的に金属
原子を取り込ませ、金属原子を内包するフラーレンを製
造することができる。
According to the method of the present invention, a nitrogen gas is discharged under atmospheric pressure conditions in a discharge tube installed in a cavity resonator for microwave discharge, and a discharge is generated in the obtained discharge plasma. Fullerene can be synthesized. Furthermore, continuous synthesis of fullerenes becomes possible by using a hydrocarbon compound as a carbon material of fullerenes supplied into the high-temperature plasma. At that time, by adding the metal raw material during the synthesis reaction of the fullerene at the same position as the carbon atoms or at a low temperature region downstream of the plasma, the metal atoms are efficiently incorporated into the fullerenes, thereby producing fullerenes including the metal atoms. Can be.

【0014】本発明において使用するマイクロ波放電用
空胴共振器は、電源から導波管で送り込まれたマイクロ
波(電磁波)が、そこで反射されて電源に戻ることなし
に、共振器内部に電磁エネルギとして蓄えられる装置で
あり、結果として電源から供給された電力が電界と磁界
の形で共振器内部に印加されることになる。
In the cavity resonator for microwave discharge used in the present invention, a microwave (electromagnetic wave) sent from a power supply through a waveguide is reflected there and returns to the power supply without returning to the power supply. This is a device that is stored as energy. As a result, power supplied from a power supply is applied to the inside of the resonator in the form of an electric field and a magnetic field.

【0015】放電用媒体のガスとしてはアルゴン、ヘリ
ウムなどの不活性ガスが使用できるが窒素ガスが好適で
ある。窒素ガスは炭化水素化合物原料や金属原料のキャ
リヤガスとしても使用される。
As the gas for the discharge medium, an inert gas such as argon or helium can be used, but nitrogen gas is preferred. Nitrogen gas is also used as a carrier gas for hydrocarbon compound raw materials and metal raw materials.

【0016】放電管内で発生させる高温プラズマの温度
は2000K以上、好ましくは3500〜5500Kの
範囲である。
The temperature of the high-temperature plasma generated in the discharge tube is 2000K or more, preferably in the range of 3500-5500K.

【0017】本発明において、フラーレンの炭素原料と
しては、蒸発、昇華などの手段により気体の形で供給ガ
ス中に混合できる炭化水素化合物であれば問題なく使用
できる。このような炭化水素化合物の例としては、アセ
チレン、メチルアセチレン、ブチン、ペンチン、ヘキシ
ン、ヘプチン、オクチン、ノニン、デシン等のアセチレ
ン系炭化水素化合物を始めとする非芳香族系炭化水素、
インデン、テトラリン、アントラセン、フェナントレ
ン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘミメリテン、プ
ソイドクメン、メシチレン、プレニテン、イソデュレ
ン、デュレン、ペンタメチルベンゼン、ヘキサメチルベ
ンゼン、エチルベンゼン、プロピルベンゼン、クメン、
スチレン、ビフェニル、テルフェニル、ジフェニルメタ
ン、トリフェニルメタン、ビベンジル、スチルベン等の
芳香族系炭化水素化合物が挙げられる。
In the present invention, as the carbon raw material for fullerene, any hydrocarbon compound which can be mixed in a supply gas in a gaseous form by means such as evaporation or sublimation can be used without any problem. Examples of such hydrocarbon compounds include acetylene, methylacetylene, butyne, pentyne, hexine, heptin, octyne, nonin, non-aromatic hydrocarbons such as acetylene-based hydrocarbon compounds such as desine,
Indene, tetralin, anthracene, phenanthrene, benzene, toluene, xylene, hemimelitene, pseudocumene, mesitylene, prenitene, isodurene, durene, pentamethylbenzene, hexamethylbenzene, ethylbenzene, propylbenzene, cumene,
Aromatic hydrocarbon compounds such as styrene, biphenyl, terphenyl, diphenylmethane, triphenylmethane, bibenzyl, stilbene and the like can be mentioned.

【0018】金属原子を内包するフラーレンを製造する
際に使用する金属原料としては純金属、金属酸化物、有
機金属化合物等が使用でき、これらを粉末、液体の形で
供給する。前記の金属原料の中ではフェロセン、(C2
5 2 Fe、C2 5 Zn、(C2 5 3 B、(C
3 2 Al、(CH3 4 Sn、(CH3 3 P、
(CH3 2 (C6 5 )P、(C6 5 2 Se、F
e(CO)5 、BH3 S(CH3 2 などの有機金属化
合物、特に有機金属錯体が好ましい。
Pure metal, metal oxides, organometallic compounds and the like can be used as a metal raw material for producing fullerene containing metal atoms, and these are supplied in the form of powder or liquid. Ferrocene, (C 2
H 5) 2 Fe, C 2 H 5 Zn, (C 2 H 5) 3 B, (C
H 3 ) 2 Al, (CH 3 ) 4 Sn, (CH 3 ) 3 P,
(CH 3 ) 2 (C 6 H 5 ) P, (C 6 H 5 ) 2 Se, F
e (CO) 5, BH 3 S (CH 3) organometallic compounds such as 2, particularly organometallic complex.

【0019】[0019]

【実施例】以下実施例により本発明をさらに具体的に説
明する。 (実施例1)図1は本発明のフラーレンの製造装置の一
例を示す正面断面図である。以下、このような構成の装
置を使用した本発明のフラーレンの製造方法の1実施例
について図1を参照して説明する。ここでは空胴共振器
として同軸導波管を利用した円筒型空胴共振器を用いる
場合を例示している。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. (Embodiment 1) FIG. 1 is a front sectional view showing an example of a fullerene manufacturing apparatus according to the present invention. Hereinafter, one embodiment of a method for producing fullerene of the present invention using the apparatus having the above-described configuration will be described with reference to FIG. Here, a case where a cylindrical cavity resonator using a coaxial waveguide is used as the cavity resonator is illustrated.

【0020】同軸型空胴共振器1を、図2の要部構成説
明図に示すように、外導体aの内径50mm、内導体b
の外径15mm、外導体と内導体のギャップcの長さ5
mmとし、内部に直径12mmの石英製の放電管2を同
軸導波管変換器3の内導体内部を貫通させて同軸導波管
内に取り付けた。同軸型空胴共振器1内部の放電管2に
は窒素ガス4を大気圧、流量20リットル/minで供
給した。マイクロ波は2.45GHzの発振器5で発生
させ、同軸導波管変換器3を経て同軸型空胴共振器1内
に導き、そこで形成されたマイクロ波電界で放電させ
た。放電で発生した大気圧窒素プラズマ中に、ヒータ7
を備えたオイルバス6で100℃に加熱したナフタレン
粉末8から発生したナフタレン蒸気を窒素ガスをキャリ
ヤーガスとして供給した。マイクロ波を伝送する導波管
にはパワーモニタ9及び整合器10を取付けた。なお、
パワーモニタ9は電源から共振器へ入る入射マイクロ波
電力(W)と共振器から電源へ反射される反射マイクロ
波電力(W)を測定するための装置であり、整合器10
は共振器入口付近の電界を調整して反射マイクロ波電力
(W)を最小にするための装置である。
As shown in FIG. 2, the inner diameter of the outer conductor a is 50 mm and the inner conductor b is
Outer diameter of 15 mm, length of gap c between outer conductor and inner conductor 5
The discharge tube 2 made of quartz having a diameter of 12 mm was mounted inside the coaxial waveguide by penetrating the inside of the inner conductor of the coaxial waveguide converter 3. Nitrogen gas 4 was supplied to the discharge tube 2 inside the coaxial cavity resonator 1 at atmospheric pressure and at a flow rate of 20 l / min. Microwaves were generated by an oscillator 5 of 2.45 GHz, guided to the coaxial cavity resonator 1 through the coaxial waveguide converter 3, and discharged by the microwave electric field formed there. In the atmospheric pressure nitrogen plasma generated by the discharge, the heater 7
Naphthalene vapor generated from the naphthalene powder 8 heated to 100 ° C. in an oil bath 6 provided with nitrogen was supplied as a carrier gas using nitrogen gas. A power monitor 9 and a matching unit 10 were attached to a waveguide for transmitting microwaves. In addition,
The power monitor 9 is a device for measuring the incident microwave power (W) entering the resonator from the power supply and the reflected microwave power (W) reflected from the resonator to the power supply.
Is a device for adjusting the electric field near the entrance of the resonator to minimize the reflected microwave power (W).

【0021】ナフタレンと窒素の混合ガスを60分間導
入して放電させた後、放電管2の内壁、回収容器11及
びフィルタ12に付着した黒色の生成物(すす)を回収
し、トルエンを溶媒としてソックスレー抽出によりフラ
ーレン(C60,C70)を回収した。マイクロ波入力電力
(W)(入射マイクロ波電力−反射マイクロ波電力)を
変化させて得られたフラーレンの収率を求めた結果を表
1に示す。本実施例では窒素プラズマの温度が約400
0Kになるように同軸型空胴共振器1内への入射マイク
ロ波電力を調整したため約600Wとしたが、フラーレ
ンの生産性を上げるためには、放電管2の断面を大きく
してマイクロ波のパワーを上げること、及び窒素やナフ
タレン原料の供給量を多くすること等により対応でき
る。
After discharging by introducing a mixed gas of naphthalene and nitrogen for 60 minutes, black product (soot) adhering to the inner wall of the discharge tube 2, the collecting container 11 and the filter 12 is collected, and toluene is used as a solvent. Fullerene (C 60 , C 70 ) was recovered by Soxhlet extraction. Table 1 shows the results of obtaining the fullerene yield obtained by changing the microwave input power (W) (incident microwave power-reflected microwave power). In this embodiment, the temperature of the nitrogen plasma is about 400
Although the microwave power input into the coaxial cavity resonator 1 was adjusted to be 0K, the power was set to about 600 W. However, in order to increase the productivity of fullerene, the cross section of the discharge tube 2 was increased to increase the microwave power. This can be dealt with by increasing the power and increasing the supply amounts of the nitrogen and naphthalene raw materials.

【0022】ナフタレンの代わりにベンゼンを使用した
他は前記と同様に操作しフラーレンを回収した。結果を
表1に示す。また、図4に示した構成の装置によるグラ
ファイトを原料としたフラーレンの合成結果を併せて表
1に示す。なお、ベンゼン等の室温で液状の原料を使用
する場合には、噴霧器等により霧状とした分子を放電プ
ラズマ中に直接添加することもできる。
Fullerene was recovered in the same manner as above except that benzene was used instead of naphthalene. Table 1 shows the results. Table 1 also shows the synthesis results of fullerene using graphite as a raw material by the apparatus having the configuration shown in FIG. When a raw material such as benzene that is liquid at room temperature is used, molecules atomized by a sprayer or the like can be directly added to the discharge plasma.

【0023】[0023]

【表1】 1)〔(回収フラーレンの重量)/(回収すすの重量)〕×100(%)[Table 1] 1) [(weight of recovered fullerene) / (weight of recovered soot)] x 100 (%)

【0024】(実施例2)図3は本発明の金属原子を内
包するフラーレンの製造装置の一例を示す正面断面図で
ある。以下、このような構成の装置を使用した本発明の
金属原子を内包するフラーレンの製造方法の1実施例に
ついて図3を参照して説明する。図3の装置は金属原料
としてフェロセン13を供給する機能を付与したほかは
図1の装置と同じであり、重複する説明は省略する。実
施例1と同様にして発生させた大気圧窒素プラズマ中
に、ヒータ7を備えたオイルバス6で100℃に加熱し
たナフタレン粉末8から発生したナフタレン蒸気を窒素
ガスをキャリヤーガスとして供給した。内包させる金属
原料としてフェロセン粉末13を選び温度150℃で蒸
発させたフェロセンを放電プラズマ中に窒素ガスをキャ
リヤーガスとして供給した。
Embodiment 2 FIG. 3 is a front sectional view showing an example of the apparatus for producing fullerene containing metal atoms of the present invention. Hereinafter, one embodiment of the method for producing fullerene containing metal atoms of the present invention using the apparatus having such a configuration will be described with reference to FIG. The apparatus of FIG. 3 is the same as the apparatus of FIG. 1 except that a function of supplying ferrocene 13 as a metal raw material is provided, and a duplicate description will be omitted. Naphthalene vapor generated from naphthalene powder 8 heated to 100 ° C. in an oil bath 6 equipped with a heater 7 was supplied as nitrogen carrier gas into atmospheric nitrogen plasma generated in the same manner as in Example 1. Ferrocene powder 13 was selected as a metal material to be included, and ferrocene evaporated at a temperature of 150 ° C. was supplied into a discharge plasma with nitrogen gas as a carrier gas.

【0025】ナフタレンと窒素の混合ガス及びフェロセ
ンと窒素の混合ガスを60分間導入して放電させた後、
放電管2の内壁、回収容器11及びフィルタ12に付着
した黒色の生成物(すす)を回収し、トルエンを溶媒と
してソックスレー抽出により鉄原子を内包したフラーレ
ンを回収した。マイクロ波入力電力(W)(入射マイク
ロ波電力−反射マイクロ波電力)を変化させて得られた
フラーレンの収率を求めた結果を表2に示す。本実施例
では窒素プラズマの温度が約4000Kになるように同
軸型空胴共振器1内への入射マイクロ波電力を調整した
ため約600Wとしたが、フラーレンの生産性を上げる
ためには、放電管2の断面を大きくしてマイクロ波のパ
ワーを上げること、及び窒素やナフタレン原料の供給量
を多くすること等により対応できる。
After a mixed gas of naphthalene and nitrogen and a mixed gas of ferrocene and nitrogen are introduced for 60 minutes and discharged,
The black product (soot) attached to the inner wall of the discharge tube 2, the collection container 11 and the filter 12 was collected, and fullerene containing iron atoms was collected by Soxhlet extraction using toluene as a solvent. Table 2 shows the results of obtaining the fullerene yield obtained by changing the microwave input power (W) (incident microwave power-reflected microwave power). In the present embodiment, the microwave power input into the coaxial cavity resonator 1 was adjusted to about 600 W so that the temperature of the nitrogen plasma was about 4000 K. However, in order to increase the productivity of fullerenes, the discharge tube was increased. 2 can be dealt with by increasing the microwave power by enlarging the cross section and increasing the supply amount of the nitrogen or naphthalene raw material.

【0026】ナフタレンの代わりにベンゼンを使用した
他は前記と同様に操作し鉄原子を内包したフラーレンを
回収した。結果を表2に示す。また、図4に示した構成
の装置による酸化鉄を混入したグラファイトを原料とし
たフラーレンの合成結果を併せて表2に示す。なお、本
実施例ではフェロセンを窒素ガスをキャリヤーとして供
給する例を示したが、金属塩をベンゼン等の芳香族系炭
化水素化合物に溶解したものを、噴霧器等により霧状と
して放電プラズマ中に直接添加することや、金属自体を
加熱・蒸発させたものを添加することも可能である。
Except that benzene was used instead of naphthalene, the same operation as above was carried out to recover fullerene containing an iron atom. Table 2 shows the results. Table 2 also shows the results of synthesizing fullerene using graphite mixed with iron oxide by the apparatus having the configuration shown in FIG. In this embodiment, an example is shown in which ferrocene is supplied as nitrogen gas as a carrier.However, a solution in which a metal salt is dissolved in an aromatic hydrocarbon compound such as benzene is atomized by a sprayer or the like and directly into the discharge plasma. It is also possible to add metal or by heating and evaporating the metal itself.

【0027】[0027]

【表2】 2)〔(回収金属原子内包フラーレン重量)/(回収すす重量)〕×100 (%) [Table 2] 2) [(recovered metal atom-containing fullerene weight) / (recovered soot weight)] x 100 (%)

【0028】[0028]

【発明の効果】本発明のフラーレンの製造方法及び装置
によれば放電用媒体及び原料のキャリヤーガスとして窒
素ガスを使用できるので、ヘリウムやアルゴン等の高価
なガスを使用しないですみ、反応圧力が大気圧なので反
応装置に真空ポンプ等を設置する必要がないという有利
性がある。また、本発明では炭素原料として気化が容易
な炭化水素化合物を使用するので、空胴共振器に結合し
た原料供給手段として、オイルバス等の簡単な加熱装置
を使用することができる。さらに、マイクロ波伝送路と
なる同軸導波管の内導体の内部に放電管を設置すること
によってプラズマ中への効率的な原料供給ができるた
め、従来技術では困難であったフラーレンの連続製造を
行うことができる。
According to the method and apparatus for producing fullerene of the present invention, nitrogen gas can be used as a carrier gas for a discharge medium and a raw material, so that an expensive gas such as helium or argon is not used, and the reaction pressure is reduced. Atmospheric pressure has the advantage that there is no need to install a vacuum pump or the like in the reactor. Further, in the present invention, since a hydrocarbon compound which is easily vaporized is used as the carbon raw material, a simple heating device such as an oil bath can be used as the raw material supply means coupled to the cavity resonator. Furthermore, by installing a discharge tube inside the inner conductor of a coaxial waveguide that becomes a microwave transmission line, efficient raw material supply into the plasma can be performed, and continuous production of fullerene, which was difficult with the conventional technology, can be performed. It can be carried out.

【0029】本発明の金属原子を内包するフラーレンの
製造方法及び装置によれば、前記フラーレンの製造の場
合の効果に加えて、フラーレン原料となるベンゼンやナ
フタレンと共に金属原子を有機金属化合物等の低分子化
合物の形で反応場となるプラズマ中に直接添加すること
によって反応の制御性が上がり、生成効率を向上させる
ことができる。また、従来技術の欠点である金属内包フ
ラーレンを含有するすすの回収率の低下を抑えることが
できる。
According to the method and apparatus for producing fullerenes containing metal atoms of the present invention, in addition to the effects of the production of fullerenes, metal atoms can be reduced together with benzene or naphthalene as a raw material of fullerene, such as organometallic compounds. Direct addition of the compound in the form of a molecular compound into plasma serving as a reaction field increases the controllability of the reaction and improves the production efficiency. Further, it is possible to suppress a decrease in the recovery rate of soot containing metal-encapsulated fullerene, which is a drawback of the related art.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1に係るフラーレン製造装置の正面断面
図。
FIG. 1 is a front sectional view of a fullerene manufacturing apparatus according to a first embodiment.

【図2】図1の同軸型空胴共振器の要部構成説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of a main part configuration of the coaxial cavity resonator of FIG. 1;

【図3】実施例2に係る金属原子を内包するフラーレン
製造装置の正面断面図。
FIG. 3 is a front sectional view of a fullerene manufacturing apparatus including metal atoms according to a second embodiment.

【図4】従来のアーク放電によるフラーレン製造装置の
1例を示す正面断面図。
FIG. 4 is a front cross-sectional view showing one example of a conventional fullerene manufacturing apparatus using arc discharge.

【図5】従来のマイクロ波放電によるフラーレン製造装
置の1例を示す正面断面図。
FIG. 5 is a front sectional view showing an example of a conventional fullerene producing apparatus using microwave discharge.

【図6】従来のマイクロ波放電による金属原子を内包す
るフラーレン製造装置の1例を示す正面断面図。
FIG. 6 is a front cross-sectional view showing one example of a conventional fullerene producing apparatus containing metal atoms by microwave discharge.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 マイクロ波放電を発生させる空胴共振器
内に設置した放電管内に放電用媒体のガスを導き、大気
圧下で放電を発生させ、得られた高温プラズマ中に炭化
水素化合物原料を供給して分解、反応させ、フラーレン
を合成することを特徴とするフラーレンの製造方法。
1. A gas for a discharge medium is introduced into a discharge tube installed in a cavity resonator for generating a microwave discharge, and a discharge is generated under atmospheric pressure. A method for producing fullerenes, wherein the fullerenes are supplied and decomposed and reacted to synthesize fullerenes.
【請求項2】 マイクロ波放電を発生させる空胴共振器
内に設置した放電管内に放電用媒体のガスを導き、大気
圧下で放電を発生させ、得られた高温プラズマ中に炭化
水素化合物原料を供給して分解、反応させ、フラーレン
を合成する工程において、炭化水素化合物原料を添加す
る高温プラズマ部あるいはその下流の低温反応領域に金
属原料を添加して反応させることを特徴とする金属原子
を内包するフラーレンの製造方法。
2. A gas for a discharge medium is introduced into a discharge tube installed in a cavity resonator for generating a microwave discharge, and a discharge is generated under atmospheric pressure. In the step of supplying, decomposing and reacting, and synthesizing fullerene, a metal atom is characterized by adding a metal material to a high-temperature plasma part for adding a hydrocarbon compound material or a low-temperature reaction region downstream thereof and reacting the same. A method for producing fullerenes.
【請求項3】 前記金属原料が有機金属化合物であるこ
とを特徴とする請求項2に記載の金属原子を内包するフ
ラーレンの製造方法。
3. The method for producing fullerene containing metal atoms according to claim 2, wherein the metal raw material is an organometallic compound.
【請求項4】 前記炭化水素化合物原料が芳香族系炭化
水素化合物であることを特徴とする請求項1〜3のいず
れかに記載のフラーレンの製造方法。
4. The method for producing fullerene according to claim 1, wherein the hydrocarbon compound raw material is an aromatic hydrocarbon compound.
【請求項5】 マイクロ波発振器と、該発振器で発振さ
せたマイクロ波を伝播させる導波管と、該導波管に接続
された空胴共振器と、該空胴共振器に挿入された放電管
と、該放電管に放電用媒体を導入するガス供給手段と、
前記放電管に接続した炭化水素化合物原料の気化室を具
備することを特徴とするフラーレンの製造装置。
5. A microwave oscillator, a waveguide for propagating microwaves oscillated by the oscillator, a cavity resonator connected to the waveguide, and a discharge inserted into the cavity resonator. Tube, gas supply means for introducing a discharge medium into the discharge tube,
An apparatus for producing fullerenes, comprising a vaporization chamber for a hydrocarbon compound raw material connected to the discharge tube.
【請求項6】 マイクロ波発振器と、該発振器で発振さ
せたマイクロ波を伝播させる導波管と、該導波管に接続
された空胴共振器と、該空胴共振器に挿入された放電管
と、該放電管に放電用媒体を導入するガス供給手段と、
前記放電管に接続した炭化水素化合物原料の気化室及び
金属原料の気化室を具備することを特徴とする金属原子
を内包するフラーレンの製造装置。
6. A microwave oscillator, a waveguide for propagating microwaves oscillated by the oscillator, a cavity connected to the waveguide, and a discharge inserted into the cavity. Tube, gas supply means for introducing a discharge medium into the discharge tube,
An apparatus for producing fullerene containing metal atoms, comprising a vaporization chamber for a hydrocarbon compound raw material and a vaporization chamber for a metal raw material connected to the discharge tube.
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