JP2005046702A - Graphite hydrogen occluding material and its producing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
この発明は、黒鉛系の水素吸蔵材料及びその製造方法に関するものである。なお、本明細書において、Pt,Pd,Ni,Li,K,Cs,Rb,Ti,Cr,Fe,Cu,Co,Zr,Nb等は元素記号である。
【0002】
【従来の技術】
地球温暖化と大気汚染対策、エネルギー供給の安定化と効率化の観点から燃料電池が注目されている。そして、燃料電池を輸送用機器に搭載するためには、水素貯蔵法の検討が重要であり、コストが安く、軽量で、体積水素吸蔵密度が高く、水素の充填・放出速度が速く、安全で取り扱い易い水素貯蔵材料及び貯蔵方法の開発が望まれている。現在、水素を輸送用機器に車載する方法としては、高圧水素ガス、液体水素、水素吸蔵合金、炭素系材料の4種類の方法が提案されている。ここで、燃料電池自動車に水素ボンベを用いることは本質的に問題なく、水素貯蔵量を増やすため750気圧程度まで充填量を増やすことが検討されている。しかし、ボンベは高圧に耐えるために厚肉化され重量が増大するという問題を抱えている。次に、液体水素による輸送貯蔵では、水素の沸点(−253℃)より低温にすることで液化水素を製造できる。液化水素は、気体と比べて体積が約800分の1であるため水素の優れた貯蔵方法である。しかし、水素の気化熱が小さいことに起因する気化(ボイルオフ)、超低温に耐える容器を要する点などが課題となる。これに対し、水素吸蔵合金では、水素が原子に解離して金属原子の格子間に入るため、体積水素密度が高く、常温でガソリンに匹敵するエネルギーを同じ体積に貯蔵可能であり、Ti系BCC構造合金では水素吸蔵量が3wt%に迫るものも見いだされている。しかし、自動車に搭載するには吸蔵合金、貯蔵容器の更なる軽量化やコスト低減化とともに、充填時に発生する熱を取り除く必要があり、合金の水素化熱の低減や冷却技術の向上が課題である。
【0003】
その一方で、近年、炭素系材料を用いた水素吸蔵の研究が盛んに行われている。炭素系材料としては、活性炭、グラファイト層間化合物、カーボンナノチューブ(CNT)、グラファイトナノファイバー(GNF)、フラーレン類などであり、常温での吸蔵・放出特性、製造コスト、量産性や収率などに課題を有しているが、その課題を克服すべく更なる検討が進められている。具体的には次の通りである。炭素系材料のうち、CNTを用いる水素吸蔵法は最も注目され、水素吸蔵合金の吸蔵能よりも優れた4wt%前後の吸蔵能達成の報告もなされている。
単層CNTは、炭素原子が六角網目状に配列した一枚のグラフェンシートが丸まった直径が数〜数十nmの円筒状であり、それらがバンドル状(束状)になった構造を取ることが多く、チューブ内部あるいはチューブ間は強い物理ポテンシャルが作用し、そこに多量の水素分子が物理吸着するとされている。多層CNTは、グラフェンシートが同心円状に等間隔に多層に重なったもので、チューブ壁が多層であるため水素分子と接触する表面炭素原子の割合は少なくなるが、グラフェンシート間隔に水素が進入すれば高い水素吸蔵機能が期待できるとされている。また、多層CNTの合成法の発達により配向度が高いものも合成され、その結果、高い水素吸蔵量の報告がなされている。例えば、特許文献1には、CNT、CNFおよび活性炭などの細孔を有する炭素材料に水素を吸蔵させる技術が提案されている。しかしながら、一般的にナノチューブでは、高い水素吸蔵は液体窒素付近の低温で達成可能であり、常温での吸蔵能は0.2〜0.4wt%と低く、また、実用化のためには大幅なコスト低減、生産能力の向上など課題が多い。また、特許文献2では、水素雰囲気中で黒鉛を機械的に粉砕し、ナノ構造化された黒鉛に水素を貯蔵させる提案もなされ、7.4wt%の水素放出が確認されている。水素雰囲気中で黒鉛を粉砕することで、水素を共有結合、また、共有結合なしで黒鉛粒子内に貯蔵することを特徴とするものであり、大きな吸蔵性が確認されている。この技術は、文献(炭素 TANSO 2001「No.200」pp261〜268)にも詳述されている。一例を挙げると、『ナノ構造化グラファイト内部の水素量は、ミリング処理時間の増加、すなわち欠陥構造の発展に伴って著しく増加し、80時間後の水素量は7.4wt%にも達することがわかる。80時間のミリング処理後の比表面積はわずかに10m2/gのオーダーであり、試料表面での物理吸着量は極めて少ない。また、質量数2の水素分子の昇温脱離スペクトルは、およそ600K、950Kで始まる2つピークを示した。』など、興味深い解析がなされている。しかし、実際の使用に際しては、水素放出温度の低温化とサイクル性(繰り返しの使用)の確保が必要である。水素雰囲気での水素吸蔵性は、粉砕によって生じるダングリングボンド、構造欠陥が推進力になっているとされ、水素の存在位置は、中性子回折実験より黒鉛のダングリングボンドと結合している水素、もう一つは黒鉛層間に位置する水素であることを報告されている。従って、一度加熱し水素を放出させた材料に水素を入れる場合、加圧では水素がほとんど入らず、また、再度水素雰囲気で粉砕するにしても、黒鉛の結晶子が小さくなっており、アモルファス化した状態であるため、水素の吸蔵がほとんど認められないことが問題である。すなわち、水素雰囲気中での粉砕による水素吸蔵法では、放出温度の低下対策、繰り返しの使用をどの様に行なうか大きな課題である。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−220101号公報
【特許文献2】
特開2001−302224号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような炭素系材料は、貯蔵・放出条件によっては水素貯蔵合金よりも高い水素吸蔵能を示すが、放出温度が高かったり、吸蔵メカ二ズム上、繰り返しの使用ができなかったり、製法上、大量の生産ができない等問題が多い。そこで、この発明は、より大量の水素を効率的に吸蔵させることができ、軽量で、繰り返し使用でき、作製も容易な黒鉛系水素吸蔵材料及びその製造方法を提供することを目的としたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した目的を達成するため、原料としては入手及び製造が容易な黒鉛を使用して、黒鉛の層間を如何に利用するかの観点から鋭意研究を重ねてきた結果、結晶性の良い黒鉛を用い、当該黒鉛の層間を最適な距離に拡げ、更に層間内に水素吸蔵用サイトを形成することにより物理的、化学的ポテンシャルが働き、高い水素吸蔵性を達成できることを見出し、発明に至った。すなわち、請求項1の発明は、水素を吸蔵・放出する黒鉛系水素吸蔵材料において、層間に原子あるいは分子を5〜70重量%挿入して層間距離を拡大した黒鉛層間化合物であって、前記挿入した原子あるいは分子を全てあるいは部分的に取り除いた水素吸蔵用サイトを有していることを特徴としている。これに対し、請求項12の発明は、以上の黒鉛系水素吸蔵材料を製造方法から捉えたもので、黒鉛の層間に原子あるいは分子を挿入して層間化合物を作成する第一のプロセスと、前記挿入した原子あるいは分子を全てあるいは部分的に取り除く第二のプロセスを経ることを特徴としている。
【0007】
以上の発明骨子は、黒鉛層間化合物を水素吸蔵用とする場合、原料黒鉛として結晶性の良い黒鉛を用いて、黒鉛の層間つまり炭素網平面間に原子や分子を挿入して層間距離を拡大制御した黒鉛層間化合物とし、その上で、該黒鉛層間化合物に挿入した原子や分子を全部あるは部分的に取り除いて、水素吸蔵用サイトをより多く創生できるよう工夫したものである。また、請求項2〜11の発明は細部ないしは物性を特定し、請求項13〜14の発明は製造方法の細部を特定したものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の黒鉛系水素吸蔵材料及びその製造方法を要部毎に説明した後、実施例を挙げて有用性を明らかにする。
(請求項1について)この発明の黒鉛系水素吸蔵材料は、黒鉛の層間に原子あるいは分子を黒鉛に対し5wt%から70wt%挿入して層間距離を拡大した黒鉛層間化合物であって、前記挿入した原子あるいは分子を全てあるいは部分的に取り除いた水素吸蔵用サイトを有している。まず、水素吸蔵量の多い黒鉛系材料を調整するためには、黒鉛の層間を広げて水素を吸蔵するナノスペースを創生する必要がある。この点から、本発明者らは、試験を重ねたところ黒鉛の層間に原子あるいは分子を少なくとも5wt%以上に挿入して層間距離を拡大した黒鉛層間化合物について、該黒鉛層間化合物の層間に挿入した原子あるいは分子を全て、あるいは部分的に取り除くことで層間内にナノスペースを発現させて、水素吸蔵用サイトを増加させることでより多くの水素を吸蔵できることを知見した。
【0009】
具体的には、例えば、黒鉛層間つまり全ての炭素網面の間にカリウムが入ったカリウムの第1ステージ層間化合物であるKC8はKを28.9wt%含んでいる。FeCl3の第1ステージ層間化合物であるC6−FeCl3はFeCl3を69.2wt%含んでいる。また、CuCl2の第1ステージの層間化合物であるC5−CuCl2はCuCl2を69.2wt%含んでいる。さらに、PtCl4は黒鉛と第3ステージの層間化合物を形成するが、そのときの組成式はC24−PtCl4であり、PtCl4を66.8wt%含んでいる。また、酸化黒鉛は一般にC8O5H2程度の組成を持ち、黒鉛層間に酸素や水素が約46wt%共有結合された状態である。しかし、これらの黒鉛層間化合物は、層間内に原子あるいは分子が一杯に詰まった状態であり、層間内のナノスペースが不足し、水素吸蔵性がほとんど期待できない。ところが、本発明者らは、それら黒鉛層間化合物について炭素原子以外の異元素を全てまたは部分的に除きナノスペースを発現させた材料にすることが水素吸蔵特性を向上させるに最も好ましいとの確証を得た。
【0010】
そして、この発明では、黒鉛層間化合物であるアルカリ金属や遷移金属元素の塩化物との黒鉛層間化合物や酸系層間化合物、酸化黒鉛を用いて、その層間にナノスペ−スを発現させることで、水素分子や水素原子が物理的および化学的に吸着され易い構造ないしは組織を有する黒鉛系水素吸蔵材料としたものである。水素吸蔵の物理的・化学的ポテンシャルとしては、黒鉛層間化合物の層間に挿入された介在物を全てまたは部分的に除き、層間を広げて層間内にナノスペース創生することで発現させることができる。使用可能な黒鉛層間化合物として、黒鉛の層間に挿入される原子あるいは分子が5wt%以下のものでは層間の広がりが少なく水素吸蔵材料を調整しても水素吸蔵量が少ない。また、黒鉛の層間に挿入される原子あるいは分子として、70wt%以上の組成の材料は現在確認されていない。以上の理由より、この発明では、現実的に使用可能な黒鉛層間化合物として、黒鉛の層間に原子あるいは分子を黒鉛に対し5〜70wt%挿入したものに限定した。
【0011】
ここで、使用可能な黒鉛層間化合物としては、黒鉛−フッ素化合物,ICI,IBr,Br,BrCl,Clなどをインターカラントとしたハロゲン系黒鉛層間化合物、TiCl4,CrCl3,MnCl2,FeCl3,CoCl2,NiCl2,CuCl2,ZnCl2,ZrCl4,NdCl5,MoCl5,RuCl3,RhCl3,PdCl2,CdCl2,InCl3,SnCl4,SbCl5,TaCl5,WCl6,OsCl3,IrCl4,PtCl4,AuCl3などをインターカラントとした塩化物系層間化合物、Li,K,Na,Rb,Cs,Ba,Sr,Caなどをインターカラントとしたアルカリ金属およびアルカリ土類金属系黒鉛層間化合物が挙げられる。また、これらの2種類以上をインターカラントとした三元系黒鉛層間化合物も使用でき、アルカリ金属およびアルカリ土類金属系黒鉛層間化合物が有機分子(テトラヒドロフラン,ベンゼン,アンモニア,エチレンなど)を吸収した系、2種類の塩化物の系、塩化物と酸の系など多くの組み合わせが存在する。また、黒鉛と反応する酸としてHNO3,H2SO4,H3PO4,H3AsO4,HF,H2SeO4,HClO4,CF3COOHなどを用いる酸系黒鉛層間化合物、黒鉛の層間に酸素を侵入させ炭素と酸素の共有結合を形成する酸化黒鉛などもナノスペースを発現させる材料として使用できる。また、酸化黒鉛にジブチルスルホキシド,ジプロピルスルホキシド,ジフェニ−ルスルホキシド,p−トリ−スルホキシド,テトラメチレンスルホキシド,n−ヘキサデシルアミン,ヘキサメチルアンモニウム塩などを反応させると層間内化合物が生成する。層間距離は0.7nmから2.0nmまで広がり、ナノスペースを発現できる。酸化黒鉛を用いさらに層間内で有機物を反応させた材料も水素吸蔵性能を向上させる黒鉛層間化合物として使用できる。
【0012】
(請求項2について)この発明の黒鉛系水素吸蔵材料は、前記した黒鉛層間化合物の層間に挿入した原子あるいは分子を5〜100wt%の範囲で除去してあることを必須としている。これは次のような試験結果に基づいている。まず、FeCl3と黒鉛の層間化合物の場合、第1ステージの層間化合物はC6−FeCl3の組成を持ち、層間に挿入されたインターカラントは69.3wt%である。
この状態では、黒鉛層間にFeCl3が一杯詰まった状態であり水素を吸蔵するナノスペースはほとんど無い。しかし、試験では、層間からFeCl3やFe,Clを取り除くに従い水素が多く吸蔵し、例えば、2wt%取り除くことで水素吸蔵量は0.1wt%となり、60wt%取り除くことで水素吸蔵量は最大値となり0.9wt%を示した。また、酸化黒鉛は、一般にC8O5H2程度の組成を持ち、黒鉛層間に酸素や水素が約46wt%共有結合された状態である。酸化黒鉛についても酸素や水素を除かない状態では水素吸蔵能は少ないが、試験では5wt%取り除くことで0.4wt%、全て取り除くことで2wt%の水素吸蔵能を得た。また、Kとテトラヒドロフラン(以下、THFと表記する)の黒鉛層間化合物では、THFをガス化させて層間より取り除くことで水素吸蔵能が増加するが、その場合、水素吸蔵量が最大を示した黒鉛層間化合物は層間内にKが2%残った形態であった。これらの検討を重ねた結果、水素吸蔵能を発揮する黒鉛層間化合物としては、黒鉛の層間に挿入された原子あるいは分子を全部または一部分取り除くことで水素吸蔵能を発現すること、より具体的には5〜100wt%の範囲で除去する必要がある。
【0013】
(請求項3について)この発明の黒鉛系水素吸蔵材料は、前記した黒鉛層間化合物の層間に挿入した原子あるいは分子が、該原子あるいは分子を挟む2面の黒鉛層のうち一面と接触していることを必須としている。上記したように、水素吸蔵能を上げるためには黒鉛の層間を最適に広げ、更に層間内に水素吸蔵用サイトを形成することが不可欠となる。通常、層間化合物の層間距離は、挿入した原子あるいは分子の大きさに等しいことが多い。しかし、発明の黒鉛系水素吸蔵材料は、層間に挿入した原子あるいは分子を起点として層間距離を拡張したものであり、挿入原子あるいは分子の大きさよりも広い吸蔵空間を形成したものである。その為に、挿入原子あるいは分子は、該原子あるいは分子を挟む2面の黒鉛層のうち一面と接触していることが広い水素吸蔵用サイトの形成に重要となる。
【0014】
(請求項4について)この発明の黒鉛系水素吸蔵材料は、前記黒鉛層間化合物がイオン結合型、分散力型、共有結合型のいずれであることを必須としている。上記したように、水素吸蔵能を上げるためには、黒鉛の層間が拡大している黒鉛層間化合物を用いる不可欠となる。従って、発明の黒鉛系水素吸蔵材料としては、炭素網平面間に働く分散力が作用し層間の広がりを維持している分散力型、黒鉛層間に酸素などを共有結合させて層間を広げた共有結合型、層間にイオン結合よりなる金属塩化物を挿入したイオン結合型を用いることが出来る。そして、黒鉛の層間に挿入された原子あるいは分子を全部または一部分取り除く場合は、層間で共有結合している部分を分解したり、イオン結合している分子を取り除いたり、炭素網平面間を一気に広げた後、分散力で層間の広がりを維持したりすることが必要になる。このように、分散力型、共有結合型、イオン結合型の黒鉛層間化合物を用いることで、水素の吸着力が強いサイトが形成されて、水素吸蔵能を高めることができる。
【0015】
(請求項5について)この発明の黒鉛系水素吸蔵材料は、前記した挿入された原子あるいは分子を加熱処理又は還元処理により全てあるいは部分的に取り除いてあることを必須としている。層間に溶媒が入ったような三元系層間化合物(KとTHFやKとNH3等と黒鉛の層間化合物)や酸化黒鉛などは、熱処理により層間内の溶媒をガス化させることで取り除いたり、層間内で共有結合した酸素を熱分解で取り除くことが必要である。加熱処理としては、ヒ−タ−やバ−ナ−での直接加熱する以外に、レ−ザ−照射やマイクロ波照射などにより試料を加熱できる形態であればよい。熱処理により挿入された原子あるいは分子を全てあるいは部分的に取り除く操作では、層間で反応した有機物などを炭化させる処理も有効である。これに対し、還元処理は、黒鉛の層間にインターカラントした金属塩化物などを還元し層間内に出来るだけメタル状態で残す処理法であり、層間を広げた状態でナノスペースを発現させるため有用である。具体的な還元処理としては、水素ガスを用いて150℃〜500℃で還元する他、エチレンなどの有機物を用いて高温で還元することも出来る。また、KやNaなどのアルカリ金属を用いる方法、ヒドラジン水溶液などの溶液状の還元剤を用いる方法がある。勿論、除去対象物によっては、還元処理と熱処理が組み合わさった処理も有効である。
【0016】
(請求項6について)この発明は、以上の黒鉛系水素吸蔵材料において、ボイル・シャルルの法則に基づいてHeの圧力が2気圧と8気圧の条件で算出した試料の密度(He平衡圧密度)が0.25g/cm3から3.3g/cm3であり、原料となる黒鉛層間化合物と比較し、He平衡圧密度比が0.7〜0.1に低下していることを必須としている。この点は例えば次のような傾向を知見したことに基づく特性である。
(ア)まず、KとTHFの三元系黒鉛層間化合物をバーナーで加熱することにより、黒鉛の層間内にインタ−カラントしていたTHFを一気にガス化し、層間を拡張させて、黒鉛内に多数のナノスペースを創生する。この黒鉛層間化合物の例だと、加熱前のHe平衡圧密度は1.25g/cm3であるに対し、加熱後のHe平衡圧密度は0.39g/cm3(密度比0.31)と大きく低下し、層間の拡張とともにナノスペースが発現し、密度が低下したことが考察できる。この材料の水素吸蔵性は2.6wt%を示した。
(イ)FeCl3と黒鉛の第1ステージの層間化合物FeCl3−C6はHe平衡圧での密度が2.65g/cm3であるが、300℃での水素還元後の密度は1.34g/cm3(密度比0.51)まで低下し、層間にナノスペースの創生が認められる。つまり、水素吸蔵量は、還元前が0wt%に対し、300℃還元後が0.9wt%まで向上する。
(ウ)酸化黒鉛を使用し、400℃熱処理前後のHe平衡圧密度を比較すると、熱処理前が2.09g/cm3に対し、熱処理後が0.474g/cm3(密度比0.22)と大幅な密度低下をきたし、ナノスペースの創生が認められる。つまり、水素吸蔵量は、熱処理前が0.1wt%に対し、熱処理後が2.2wt%まで向上する。
【0017】
以上のことから、He平衡圧密度が0.20g/cm3以下の材料は、単位体積あたりの水素吸蔵量が低下し、また嵩高い材料となるため、実用上はHe平衡圧密度が0.20g/cm3以上あることが重要である。また、水素吸蔵性を上げるためには、黒鉛の層間を広げる必要があり、黒鉛層間に第1ステージまでインターカラントでき、また層間を1nm程度まで広げられる材料としてCuCl2やFeCl3との黒鉛層間化合物が挙げられるが、これらを還元しメタル化を図ることで、最大3.3g/cm3のHe平衡圧密度まで確認される。このように、水素吸蔵量を上げるためには、上記した黒鉛層間化合物より挿入した原子ないしは分子を取り除いて水素を吸蔵しやすいナノスペースを有していることが不可欠である。そして、具体的な指標としては、He平衡圧密度が0.20〜3.3g/cm3になっている水素吸蔵材料であることが重要となる。また、これらの水素吸蔵材料は、少なくとも熱処理や還元処理を行なう前の黒鉛層間化合物に対しHe平衡圧密度比が0.7〜0.1に低下していることも重要である。He平衡圧密度比が0.7以上のものでは、ナノスペース量がいまだ少なく十分な水素吸蔵量を確保できない。逆に、0.1以下に低下したものでは、嵩高い材料になり、体積あたりの水素吸蔵量が低下し実用上の使用が難しくなる。
【0018】
(請求項7について)この発明は、以上の黒鉛系水素吸蔵材料を構造から特定したもので、透過型電子顕微鏡の像観察から、規則的な黒鉛の層間が0.35nm以上かつ2nm以下であるか、又は、規則的な層間を形成する結晶子間が1nm以上かつ100nm以下で開いている部分を有することを必須としている。すなわち、本発明者らは、水素吸蔵量の多い材料を透過型電子顕微鏡の像より詳細に解析した結果、黒鉛の規則的な層間が0.35nm以上、2nm以下であることと、規則的な層間を形成する結晶子の間隙が1nm以上かつ100nm以下の開いた部分を有していることを知見した。通常、水素を吸蔵するためには、0.5nm以上の層間の広がりが必要とされる。この点から、層間内に介在物を挿入した後、層間内の介在物をガス化などして層間を拡張した場合、層間を形成する炭素網平面間のファンデルワールス力により層間が元に戻ることが多い。しかし、発明の黒鉛系水素吸蔵材料は、結晶構造内で格子欠陥や構造のずれなどの発生した組織部分において黒鉛層が変形してナノスペースを形成維持したり、また大きく膨脹した組織部分においてファンデルワールス力が低下して元の層間状態に戻らずナノスペースを維持しており、水素吸蔵用サイトとして利用可能となっている。上記値は、そのように形成された水素吸蔵用サイトを有し、水素吸蔵能の高い黒鉛系水素吸蔵材料を特定する上で重要である。
【0019】
(請求項8と9について)各発明は、以上の黒鉛系水素吸蔵材料を構造から特定したもので、粉末X線回折法(入射X線:CuKα)において、ディフラクトメータ法による回折角度(2θ)が24.5°以下にピークをもつこと、より好ましくはディフラクトメータ法による回折角度(2θ)が10°以下にピークや隆起が検出されることを必須としている。すなわち、層間化合物や酸化黒鉛は一般に24.5度以下に明確なピークを持ち、層間の広がりが認められるが、熱処理や還元処理を施すことにより、層間内にナノスペースを創生し、層間の均一な広がりは低下する。そして、過度に処理を施し、層間内のインターカラントや酸化物を除いたものは層間が3.35Åまで戻ってしまう。水素吸蔵能が高い材料は、これらの処理後も黒鉛の層間距離までは結晶性が戻らず、特に回折角度(2θ)が24.5度以下で(002)面の面間隔が3.6Å以上の構造を持っていることが不可欠であり、このような材料は層間内に水素吸蔵に適したナノスペースを創生している。特に、酸化黒鉛を熱処理した材料はこの現象が顕著である。また、例えば、酸化黒鉛を熱処理したものはディフラクトメ−タ法による回折角度(2θ)が10°以下にピークや隆起が現れること、第1ステージのFeCl3と黒鉛の層間化合物を300℃で還元したものは回折角度(2θ)が9.4°にピークが観察される。これは、層間が0.94nmに広がった状態でFeCl3の還元が進んでいるものであり、水素吸蔵量の高い材料となる。
【0020】
(請求項10について)この発明も、以上の黒鉛系水素吸蔵材料をラマン分光分析から特定したもので、514.5nm波長のラマン分光スペクトルで、1585cm−1から1630cm−1にピークが発現することを必須としている。すなわち、本発明者らは、黒鉛層間化合物を熱処理や還元処理した材料において、黒鉛の層間にインターカラントが挿入され層間が広がっていたり、層間に挿入した原子あるいは分子が残っていたり、またナノスペースが創生された構造になることにより、ラマン分光分析するとGバンドの1580cm−1のピークに対し、1585〜1630cm−1にシフトしたピークが現れることを発見した。このラマン分光分析は、材料の表層から数10nmの深さ方向の情報に有効であり、X線回折より求めた結晶子の大きさとは必ずしも相関関係にない。このため、黒鉛系水素吸蔵材料の特定としては、X線回折と共にラマン分光分析の解析を行うことが重要である。
【0021】
(請求項11について)この発明は、以上の黒鉛系水素吸蔵材料がPt,Pd,Ni,Li,K,Cs,Rb,Ti,Cr,Fe,Cu,Co,Zr,Nb、Bのいずれか1種以上を含有していることを必須としている。これら含有元素のうち、遷移金属元素は、塩化物として黒鉛と層間化合物を形成でき、還元等の方法でメタル化させることで含有することが可能である。アルカリ金属は、黒鉛層間化合物としてインタ−カラントすることができ、黒鉛層間化合物としても使用できる。また、黒鉛層間化合物を熱処理や還元処理し、層間を広げ、ナノスペースを発現させた後に必要な元素を担持などして含有処理することでも調整できる。Pt,Pd,Niは水素を吸着して水素吸蔵量を増加させる効果があり、特にPt,Pd,Niの塩化物と黒鉛の層間化合物を用い、還元により層間内でメタル化させたり、酸化黒鉛などを熱処理しナノスペースを発現させた後に、数nm単位で微細に担持したものはその効果が大きい。K,Cs,Rb等のアルカリ金属は、黒鉛と層間化合物を作りやすく、水素吸蔵能を向上させるのに効果がある。Ti,Cr,Fe,Cu,Co,Zr,Nbは塩化物の形で黒鉛と層間化合物を調整でき、還元などにより層間にメタルで残し、また層間内に水素吸蔵サイト用ナノスペースを創生し易くする。
【0022】
(請求項12について)この発明は、以上の黒鉛層間化合物を調整するための黒鉛原料が天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、メソフェーズピッチ系黒鉛のいずれかである必須としている。黒鉛層間化合物を調整する原料黒鉛としては結晶性の高いものが望ましい。具体的には、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛などの天然黒鉛、コークスなどを焼成して製造する人造黒鉛、キッシュ黒鉛、メソフェーズピッチ系黒鉛など結晶性の発達した黒鉛が好適である。Bを添加した黒鉛も原料黒鉛に含まれる。
【0023】
(請求項13〜15について)各発明は、以上の黒鉛系水素吸蔵材料の製造方法として、黒鉛の層間に炭素原子以外の元素を挿入して層間化合物を作成する第一のプロセスと、挿入した原子あるいは分子を全てあるいは部分的に取り除く第二のプロセスとを経る。ここで、前記原子あるいは分子を挿入して層間化合物を作成する第一のプロセスは、液体状の物質と反応させる液相法、気体状の物質と反応させる気相法、反応物質の混合粉末を熱処理する混合法、溶融塩中に浸漬させることで反応させる浸漬法のいずれかで行うことができる。気相法としては、例えば、黒鉛原料とインターカレートしようとする物質を反応管の別々の場所にセットし、黒鉛に反応物質を気体で接触・反応させる方法である。K等のアルカリ金属の黒鉛層間化合物、FeCl3やCuCl3等の塩化物の層間化合物は気相法で製造可能である。液相法は、所要の溶液を使用して層間化合物を製造する方法であり、例えば、アルカリ金属を溶解させる態様ではナフタレンのような芳香族炭化水素を加える必要がある。これについては、アルカリ金属と芳香族炭化水素がイオンペアを作りこれにTHFなどの溶媒分子が配位することで溶解すると考えられている。この溶液に黒鉛を浸漬すると、三元系黒鉛層間化合物が調整可能である。また、Kを液化したNH3に溶解させて、黒鉛と反応させることでK−NH3−GICの三元系層間化合物を調整することが可能である。これ以外でも、塩化チオニル中で黒鉛と塩化白金酸を反応させてPtCl3−GICを調整する方法、強酸や強酸化剤と反応させ調整する酸化黒鉛なども液相法に含まれる。また、黒鉛と反応物質の混合粉末を熱処理する方法や溶融塩中に黒鉛を浸漬することで製造する混合法および浸漬法は量産化に有効である。これに対し、前記挿入した原子あるいは分子を全てあるいは部分的に取り除く第二のプロセスは、加熱処理又は還元処理により行うことができる。層間に溶媒が入ったような三元系層間化合物(KとTHF,KとNH3等と黒鉛の層間化合物)や酸化黒鉛などは、熱処理により層間内の溶媒をガス化させることで取り除いたり、層間内で共有結合した酸素を熱分解で取り除くことが有効である。熱処理方法としては、ヒ−タ−やバ−ナ−での直接加熱の他に、レ−ザ−照射やマイクロ波照射など試料を加熱できる装置であればよい。熱処理により挿入した原子あるいは分子を全てあるいは部分的に取り除く操作では、層間で反応などした有機物を炭化させる処理も有効である。還元処理方法としては、黒鉛の層間にインターカラントした金属塩化物などを還元し層間内に出来るだけメタル状態で残す処理法であり、層間を広げた状態でナノスペースを発現させるために必要である。つまり、還元法としては、水素ガスを用いて150℃〜500℃で還元する他、エチレンなどの有機物を用いて高温で還元することも出来る。また、KやNaなどのアルカリ金属を用いる方法、ヒドラジン水溶液などの溶液状の還元剤を用いる方法がある。当然のことであるが、還元処理と熱処理が合わさった処理も有効である。
【0024】
【実施例】
以下、試験例により発明の有用性を明らかにする。この試験例(表1及び表2の実施例1〜8、比較例1及び2)は、黒鉛の層間に原子あるいは分子を5wt%から70wt%挿入して層間を広げた黒鉛層間化合物として、三元系黒鉛層間化合物と、遷移金属塩化物−黒鉛層間化合物と、酸化黒鉛とを用い、炭素原子以外の元素を加熱処理又は還元処理のいずれかの処理により5〜100wt%取り除き、ナノスペースを発現させて水素吸蔵材料の有効性を調べた一例である。使用した原料黒鉛は、平均粒径300μmの結晶性の良い天然黒鉛(鱗片状黒鉛)と、平均粒径8μmの天然黒鉛(鱗片状黒鉛)と、平均粒径20μmのキッシュ黒鉛と、メソフェーズピッチ系黒鉛である平均粒径10μmのMCFとの4種類である。なお、途中の黒鉛層間化合物を中間試料と称する。
【0025】
〈層間化合物の調製〉黒鉛層間化合物は、前記原料黒鉛を用いて次の方法にて作製した(発明の第一プロセス)。
・実施例1、4、5の中間試料は前記天然黒鉛(平均粒径300μmの鱗片状黒鉛)を、実施例6の中間試料は前記MCFを、実施例7の中間試料は前記キッシュ黒鉛を次のような液相法により、KとTHFの三元系黒鉛層間化合物(K−THF−GIC)として試作した。この調整では、THF50mlとナフタレン1.6gとを容器に入れて混合した後、K1.1gを加えて混合溶解した。そして、前記混合溶液に対し、実施例1、4、5では前記天然黒鉛2gを、実施例6では前記MCF2gを、実施例7では前記キッシュ黒鉛2gをそれぞれ投入し、攪拌しながら72hr反応させた。反応終了後は、ナフタレンの未溶解分、THFを濾過し、真空乾燥で取り除いて、K−THFの層間化合物であるK−THF−GICを作製した。
・実施例2、8と比較例1の中間試料は、前記天然黒鉛(平均粒径300μmの鱗片状黒鉛)を用い、FeCl3と黒鉛の層間化合物(FeCl3−GIC)を試作した。この調整において、実施例2と比較例1では、まず、アルゴンパージグローブボックス内で前記天然黒鉛8gと、FeCl3の19.3gとを2バルブ管に入れて、真空引きした後、2バルブ管を封止した。そして、2バルブ管を300℃で7日間反応させて、第1ステージのFeCl3−GICを気相法にて作製した。実施例8では、前記天然黒鉛8gを予め溶融されたFeCl3の液中に浸漬して乾燥さけることにより第1ステージのFeCl3−GICを浸漬法にて作製した。
・実施例3と比較例2の試料は、平均粒径8μmの天然黒鉛(鱗片状黒鉛)を用い、次のように酸化黒鉛を液相法にて試作した。まず、発煙硝酸150ml中に前記天然黒鉛8gを投入し、更に塩素酸カリウムを64.4g加えて3時間反応させた。反応温度は55℃とした。反応終了後は、希釈、濾過、乾燥させて酸化黒鉛を作製した。
【0026】
〈水素吸蔵材料の調整〉以上の各中間試料は、比較例2を除いて次のような処理を適用して試料を作製した(発明の第二プロセス)。
(加熱処理の適用)
・実施例1の層間化合物(K−THF−GIC)の場合は、前記中間試料をガラス管に入れて真空排気しながら、ガスバーナーで加熱し、THFを層間からガス化させて排出させることで水素吸蔵材料を作製した。
・実施例4〜7の各層間化合物(K−THF−GIC)の場合は、加熱法を変えた例として、前記中間試料をガラス管に入れて真空排気しながら、マイクロ波(CO2レーザ )を照射し、層間に挿入させたTHFをガス化させ取り出すことで水素吸蔵材料を作製した。
・実施例3の酸化黒鉛は、前記中間試料を大気中で200℃〜400℃で加熱し、層間内で共有結合した酸素を分解させることで水素吸蔵材料を作製した。
(還元処理の適用)
・実施例2と比較例1と、実施例8の層間化合物(FeCl3−GIC)の場合は、前記中間試料を200℃〜500℃の水素ガスと接触させ、黒鉛層間内のFeCl3を還元することで水素吸蔵材料を作製した。具体的には、実施例2が300℃、比較例1が500℃、実施例8が300℃の水素ガスにより層間内のFeCl3量を変化させるようにした。
【0027】
〈試料の物性〉以上作製された実施例1〜8と比較例1と2の試料について粉末X線回折分析、ラマン分光分析、He平衡圧密度を次のようにして測定した。
【0028】
(粉末X線回折)この回析では、カウンタ(計数管)による自動記録方式(ディフラクトメータ)利用したX線回折装置として、マックサイエンス社製のMXP18VAHFを使用した。計測では、X線管球への印加電圧および電流は40kV、150mAの条件とし、入射X線としてはCuKαを用いた。各試料のX線粉末図形を測定し、(002)面の2θ及び(002)面の層間距離を測定した。
(顕微ラマン分光分析)この分析では、ラマン分析装置としてRENISHAW製のRM2000を使用した。計測では、波長514.5nmのAr+レーザ−を用い、各試料のラマンスペクトルを調べた。
(透過電子顕微鏡による観察)この顕微鏡による像観察では、透過型電子顕微鏡としてEFI製Tecnai G2を使用し、加速電圧200kVに設定して各試料の層間の広がりを調べた。
【0029】
(He平衡圧密度の測定)この測定では、図3に模式化したように、圧力容器1と2からなる測定装置を用い、He平衡圧密度を次のようにして計測した。まず、圧力容器2に測定試料を約1g精量して投入する。次に、圧力容器1と2を真空排気した後、容器2に約0.2MPaのHeを入れて正確に圧力P0.2を測定する。また、圧力容器2側の弁▲1▼を閉じた状態で、圧力容器1に圧力0.8MpaのHeを入れて正確に圧力P0.8を測定する。更に、圧力容器2の上流側配管部に設けられた弁▲2▼を閉じた状態で、弁▲1▼と弁▲3▼を開き圧力容器1と圧力容器2のHe平衡圧PEを測定する。そして、試料のHe平衡圧密度は以下の式1に基づいてV0を求める。
【0030】
【式1】
[(P0.8・V2)/T0.8]+[(P0.2・(V1−Vs)/T0.2)=[(PE・V2)/TE]+[PE・(V1−Vs)/TE]
【0031】
そして、He平衡圧密度(A)は試料重量W/試料容積V0より求める。ここで、反応容器の容積V1,V2はあらかじめ測定しておく。また、それそれの圧力条件での圧力容器内の温度(T0.8、T0.2、TE)は30℃に設定したが、He平衡圧密度の測定には実測値を用いた。
【0032】
〈試料評価〉実施例1〜8および比較例1と2の各試料はJIS7201、7203に準じた試験方法により、水素吸蔵量と水素放出量の測定を行った。この測定では、各試料を精秤した後、試料管に入れて真空排気した後、12Mpaまで水素圧を上げて水素吸蔵量[wt%]を容量法で測定した。また、次に常温まで戻して水素放出量を確認した。サイクル特性は前記の吸蔵、放出を5回繰り返した後の水素吸蔵量[wt%]を測定した。なお、実施例5の試料はPtを約10wt%担持させた態様での値である。この調整は、H2PtCI6を純水に溶解させた後、実施例5の試料を投入し混合して乾燥させた後、400℃で水素還元し、材料表面にPtを分散させた。表1は以上の実施例1〜3及び比較例1と2を材料構成・物性とともに評価結果を一覧し、表2は以上の実施例4〜8を材料構成・物性とともに評価結果を一覧したものである。
【0033】
【表1】
【0034】
【表2】
【0035】
まず、表1から次のようなことが分かる。まず、実施例1〜3は、黒鉛層間化合物としてK−THF−GIC、FeCl3−GIC、酸化黒鉛を用い、層間にインタ−カラントした元素を一部、又は全部取り除いた試料である。比較例1は、黒鉛層間化合物としてFeCl3−GICを用い、層間にインタ−カラントした元素を一部、又は全部取り除いた試料である。比較例2は酸化黒鉛の未処理の試料である。ここで、FeCl3と黒鉛の層間化合物の場合(実施例2と比較例1)、第1ステージの層間化合物はC6−FeCl3の組成を持ち、層間に挿入されたインターカラントは69.3wt%である。この状態では、黒鉛層間にFeCl3が一杯詰まった状態であり、水素が吸蔵するナノスペースはほとんど無く、比較例1に示すように水素吸蔵量は0.1wt%である。しかし、層間からFeCl3、FeやCl2を取り除き、例えば、60%取り除いた実施例2の試料では水素吸蔵量が0.9wt%と大きな値を示している。また、酸化黒鉛は、一般にC8O5H2程度の組成を持ち、黒鉛層間に酸素や水素が約46wt%共有結合された状態である。比較例2の酸化黒鉛についても、酸素や水素を除かない状態では水素吸蔵能は少なく0.1wt%となるが、85wt%除いた実施例3の試料では2.2wt%の水素吸蔵能となる。また、実施例1は、Kとテトラヒドロフラン(THF)が黒鉛の層間内に38.9wt%インターカラントした三元系黒鉛層間化合物であるが、THFをガス化させて層間より取り除くことで水素吸蔵能は2.6wt%となる。
【0036】
また、他の実施例として、実施例2の層間化合物であるFeCl3−GICと、実施例3の層間化合物である酸化黒鉛とを用い、還元温度、熱処理温度を変えて、層間から炭素以外の元素を取り除く検討を詳細に行った。その結果例を図2及び図3に示す。これらの結果より、黒鉛層間化合物は、黒鉛の層間に挿入された炭素原子以外の元素を全部または一部分取り除くことで水素吸蔵能を発現すること、多く取り除くほど水素吸蔵量が大きくなること分かる。これらの結果より、実用上は、少なくとも5%以上つまり5〜100%の範囲で除去したものが好ましい。
【0037】
ところで、実施例2及び図1の試料は、イオン結合を有するFeCl3をインターカラントとして用いているイオン結合型層間化合物であり、還元処理を適度に制御することで、層間内でFe等の微粒子を析出させ、水素吸蔵能の高いナノスペースを創生し易いことが分かる。また、実施例3及び図2の試料は、酸化黒鉛を用いており、黒鉛層間に酸素などを共有結合させて層間を広げた共有結合型であり、加熱処理で炭素と結合した元素を除去することでナノスペースを創生し易いことが分かる。また、実施例4は層間のインターカラントを全て除いた後、炭素網平面間に働く分散力が作用し層間の広がりを維持している分散力型の例である。このように、層間内に水素吸蔵用ナノスペースを創生させるためには、黒鉛層間化合物にけるイオン結合型、分散力型、共有結合型のいずれかをの結合力を利用することが必要である。
【0038】
以上の黒鉛系水素吸蔵材料において、炭素原子以外の元素を全てあるいは部分的に取り除く操作は、加熱処理か還元処理のいずれかである。実施例1、3、4は熱処理、実施例2は還元処理の例である。熱処理方法として、実施例1ではバーナーを用いたが、実施例4では層間のTHFを急激にガス化させるためにCO2レーザーを照射した。還元処理は、黒鉛の層間にインターカラントした金属塩化物などを還元し層間内に出来るだけメタル状態で残すナノスペースを確保するための処理法であり、実施例2は300℃での水素還元の例である。
【0039】
また、黒鉛系水素吸蔵材料の物性特性として、ボイル・シャルルの法則に基づいてHeの圧力が2気圧と8気圧の条件で算出した試料の密度(He平衡圧密度)が0.25g/cm3から3.3g/cm3であり、原料となる黒鉛層間化合物と比較したHe平衡圧密度比が約0.7以下に低下していることが水素を吸蔵するナノスペース量を確保するのに重要である。しかし、He平衡圧密度比が0.1以下に低下すると、層間が大きく広がりすぎて嵩高い材料となるため、一定容器内に充填できる重量が減少し、実用上使用が難しい。そこで、水素吸蔵材料のHe平衡圧密度比としては0.7から0.1に低下していることが重要となる。
【0040】
すなわち、実施例1の場合はKとTHFの三元系黒鉛層間化合物をバーナーで加熱することにより、黒鉛の層間内にインターカラントしていたTHFが一気にガス化し、層間を拡張させ、黒鉛内に多数のナノスペースを創生する。この材料の加熱前のHe平衡圧密度は1.25g/cm3であるに対し、加熱後のHe平衡圧密度は0.39g/cm3(密度比0.31)と大きく低下し、層間の拡張とともにナノスペースが発現し、密度が低下したものと推察される。実施例2つまりFeCl3と黒鉛の第1ステージの層間化合物FeCl3−C6は、He平衡圧での密度が2.65g/cm3であるが、300℃での水素還元後の密度は1.34g/cm3(密度比0.51)まで低下し、層間にナノスペースが発現している。このときの水素吸蔵量は、還元処理前0wt%に対し、300℃還元後に0.9wt%まで向上している。また、実施例3と比較例2つまり酸化黒鉛を使用し、400℃熱処理前後のHe平衡圧密度を比較すると、熱処理前2.09g/cm3に対し、実施例3の熱処理後0.47g/cm3(密度比0.23)と大幅な密度低下をきたし、ナノスペースの創生が認められる。このときの水素吸蔵量は、熱処理前0.1wt%に対し、熱処理後2.2wt%と水素吸蔵性の向上が認められる。
【0041】
ここで、比較例1はFeCl3−GICを500℃で水素還元したものの特性、比較例2は酸化黒鉛の特性である。比較例1は還元温度が高すぎるため、FeCl3が還元されると同時に、Feがほぼすべて層間外に排出され、黒鉛の層間距離が0.36nmに戻り、ナノスペースが消失したことが推察される。その結果、He平衡圧密度比は0.8と高い値を示し、水素吸蔵能もほとんど消失している。比較例2は熱処理前の酸化黒鉛のため、ナノスペース創生の度合いを表す密度比は1.0であり、水素を吸蔵するサイトであるナノスペース及び水素吸蔵能がほとんど無い。
【0042】
次に、透過型電子顕微鏡の像(TEM像)より解析した結果から、次のようなことが分かる。TEM像での観察からは、熱処理試料である実施例1と3は0.37〜0.4nmの層間、還元処理試料である実施例2は0.94nmの層間が残されている。また、黒鉛の規則的な層間は、実施例2つまりFeCl3−GICを用いた水素還元において、黒鉛層間内でメタルの凝集が発生した場合、表1に示さなかったが2nm程度の間隔まで広がることもある。従って、本発明での黒鉛の規則的な層間は0.35nm以上かつ2nm以下とし、併せて、実施例1において規則的な層間を形成する結晶子の間隙は2nm〜50nmであることから、規則的な層間を形成する結晶子の間隙が1nm〜100nmの範囲で開いている部分を有している点を特定した。これらの物性は発明材料を特定する上で重要な目安となる。
【0043】
また、粉末X線回折法(入射X線:CuKα)において、層間が広がっていること、つまりディフラクトメ−タ法による回折角度(2θ)が24.5°以下にピークを持つことが必要である。層間化合物や酸化黒鉛は一般に24.5°以下に明確なピークを持ち、層間の広がりが認められるが、熱処理や還元処理を施すことで、層間内にナノスペースを創生し、層間の均一な広がりは低下する。そして、それら処理を過度に施し、層間内のインターカラントや酸化物を多く除いたものは層間が3.35Åまで戻ってしまう。水素吸蔵能が高い材料は、これらの処理後も黒鉛の層間距離までは戻らず、特に回折角度(2θ)が24.5°以下にピークを持っていることが重要である。このような材料は層間内にナノスペースが発生していることを確認している。また、特に層間が広がっているものは、回折角度(2θ)が10°以下にピークや隆起を検出される。すなわち、実施例1,2の試料は0〜10°に隆起が発生し、実施例2の試料は18.9°と9.42°にピークが発生しており、熱処理や還元処理後も層間が広がっていることが分かる。
【0044】
他の物性としては、514.5nm波長のラマン分光スペクトルで1585〜1630cm−1にピークが発現することである。黒鉛層間化合物を熱処理や還元処理した試料において、黒鉛の層間に挿入した原子あるいは分子が部分的に残りナノスペースが創生された場合、Gバンドの1580cm−1のピークに対し、1585〜1630cm−1にシフトしたピークが現れることが分かっている。しかし、ラマン分光分析は試料の表面から数nmの深さまでの表面分析法であるため、この分析結果で1585〜1630cm−1にピークが現れないものでも試料内部の層間に挿入した原子あるいは分子が残っていることがある。実施例1と2の試料では1606〜1616nmにピークが確認される。実施例3の試料では、熱処理によりGバンドピークにほぼ戻っているが、X線回折結果より10°以下に隆起を持ち、層間の拡張が確認される。つまり、上記黒鉛系水素吸蔵材料において、回折角度2θが24.5°以下にピークを持つものか、又は、1585〜1630cm−1にラマンピークを発現するものが本発明の水素吸蔵材料として重要な指標となる。
【0045】
(その他)実施例5はPtを約10wt%坦持した試料の特性である。水素吸蔵量としては、未坦持品である実施例4より約1wt%増加しており、Pt坦持の効果が認められる。このような効果は、Pt以外のPdやNiなどでも同様な傾向になることが確認されている。また、K,Cs,Rb等のアルカリ金属は黒鉛と層間化合物を作り易く、水素吸蔵能を向上させるのに効果があり、Ti,Cr,Fe,Cu,Co,Zr,Nbは塩化物の形で黒鉛と層間化合物を調整でき、還元などにより層間にメタル状態で残し、また層間内にナノスペースを創生することで水素吸蔵能の優れた材料を調整できる。実施例6と7は、黒鉛層間化合物を調整するための黒鉛原料としてキッシュ黒鉛、メソフェーズピッチ系黒鉛であるMCFを用いた例である。これ以外にも、人造黒鉛やBを添加した黒鉛も原料黒鉛として使用できる。
【0046】
【発明の効果】
以上のように、発明の黒鉛系水素吸蔵材料及びその製造方法は、黒鉛の層間に原子あるいは分子を挿入し層間距離を拡大した黒鉛層間化合物を用いること、黒鉛層間化合物より前記挿入した原子あるいは分子を熱処理や還元処理等によりすべてあるいは部分的に取り除くことを特徴とし、それにより、黒鉛層間化合物により多くの水素吸蔵用サイトつまり水素吸蔵能に優れたナノスペースを創生できる。この結果、この発明は、大量の水素を効率的に吸蔵でき、軽量で、繰り返し使用できる上、製造方法が容易なことから製造費を抑えて実用化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明材料例について水素還元温度と水素吸蔵量(取り除いた量)の関係を示した図である。
【図2】発明材料例について熱処理温度と水素吸蔵量(取り除いた量)の関係を示した図である。
【図3】He平衡圧密度の測定方法を説明するための参考模式図である。
【符号の説明】
1と2は圧力容器
▲1▼〜▲3▼は開閉用弁[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a graphite-based hydrogen storage material and a method for producing the same. In this specification, Pt, Pd, Ni, Li, K, Cs, Rb, Ti, Cr, Fe, Cu, Co, Zr, Nb, etc. are element symbols.
[0002]
[Prior art]
Fuel cells are attracting attention from the viewpoints of global warming and air pollution countermeasures, and the stabilization and efficiency of energy supply. In order to mount fuel cells on transportation equipment, it is important to study hydrogen storage methods, which are cheap, lightweight, have a high volumetric hydrogen storage density, have a fast hydrogen filling / release rate, and are safe. Development of easy-to-handle hydrogen storage materials and storage methods is desired. Currently, as a method for mounting hydrogen on a transport device, four types of methods of high-pressure hydrogen gas, liquid hydrogen, a hydrogen storage alloy, and a carbon-based material have been proposed. Here, the use of a hydrogen cylinder in a fuel cell vehicle is essentially no problem, and it has been studied to increase the filling amount to about 750 atm in order to increase the hydrogen storage amount. However, the cylinder has a problem that it is thickened to withstand a high pressure and its weight increases. Next, in transport storage using liquid hydrogen, liquefied hydrogen can be produced by making the temperature lower than the boiling point of hydrogen (−253 ° C.). Liquefied hydrogen is an excellent storage method for hydrogen because its volume is about 1/800 compared to gas. However, there are problems such as vaporization (boil-off) due to the small heat of vaporization of hydrogen and the need for a container that can withstand ultra-low temperatures. On the other hand, in the hydrogen storage alloy, hydrogen dissociates into atoms and enters between the lattices of metal atoms, so that the volume hydrogen density is high and energy comparable to gasoline can be stored in the same volume at room temperature. Some structural alloys have a hydrogen storage capacity approaching 3 wt%. However, it is necessary to remove the heat generated during filling as well as to reduce the weight and cost of the storage alloy and storage container for mounting in automobiles. is there.
[0003]
On the other hand, research on hydrogen storage using carbon-based materials has been actively conducted in recent years. Carbon materials include activated carbon, graphite intercalation compounds, carbon nanotubes (CNT), graphite nanofibers (GNF), fullerenes, etc., and problems with occlusion / release characteristics at normal temperature, production cost, mass productivity, yield, etc. However, further studies are underway to overcome this problem. Specifically, it is as follows. Of the carbon-based materials, the hydrogen storage method using CNTs has received the most attention, and it has been reported that the storage capacity of about 4 wt%, which is superior to the storage capacity of hydrogen storage alloys, is achieved.
Single-walled CNTs have a cylindrical shape with a diameter of several to several tens of nanometers in which a single graphene sheet in which carbon atoms are arranged in a hexagonal network is formed, and has a bundle shape (bundle shape). It is said that a strong physical potential acts inside or between tubes, and a large amount of hydrogen molecules are physically adsorbed there. Multi-walled CNTs are graphene sheets concentrically stacked in multiple layers at equal intervals, and since the tube wall is multilayered, the proportion of surface carbon atoms that come into contact with hydrogen molecules decreases, but hydrogen enters the space between graphene sheets. It is said that a high hydrogen storage function can be expected. Moreover, the thing with a high orientation degree is synthesize | combined by the development of the synthesis | combining method of multilayer CNT, As a result, the high hydrogen storage amount has been reported. For example, Patent Document 1 proposes a technique for storing hydrogen in a carbon material having pores such as CNT, CNF, and activated carbon. However, in general, in nanotubes, high hydrogen occlusion can be achieved at a low temperature near liquid nitrogen, and the occlusion capability at room temperature is as low as 0.2 to 0.4 wt%, and it is also significant for practical use. There are many problems such as cost reduction and improvement of production capacity. In
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-220101 A
[Patent Document 2]
JP 2001-302224 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The above carbon-based materials show a higher hydrogen storage capacity than hydrogen storage alloys depending on the storage and release conditions, but the release temperature is high, the storage mechanism cannot be used repeatedly, There are many problems such as being unable to produce in large quantities. Accordingly, the object of the present invention is to provide a graphite-based hydrogen storage material that can efficiently store a larger amount of hydrogen, is lightweight, can be repeatedly used, and is easy to manufacture, and a method for manufacturing the same. is there.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have conducted earnest research from the viewpoint of how to use the graphite layer as a raw material, using graphite that is easy to obtain and manufacture. Using graphite with good properties, it has been found that by extending the interlayer between the graphite to an optimum distance, and forming a hydrogen storage site in the interlayer, the physical and chemical potentials work and high hydrogen storage can be achieved. Invented. That is, the invention of claim 1 is a graphite intercalation compound in which 5- to 70% by weight of atoms or molecules are inserted between layers to expand the interlayer distance in a graphite-based hydrogen storage material that absorbs and releases hydrogen. It is characterized by having a hydrogen storage site from which all or part of the atoms or molecules are removed. On the other hand, the invention of claim 12 captures the above graphite-based hydrogen storage material from the production method, and includes a first process of creating an intercalation compound by inserting atoms or molecules between graphite layers, It is characterized by going through a second process that removes all or part of the inserted atoms or molecules.
[0007]
When the graphite intercalation compound is used for hydrogen storage, the above invention outlines the use of graphite with good crystallinity as the raw material graphite, and inserts atoms and molecules between the graphite layers, that is, between the carbon network planes, to control the expansion of the interlayer distance. Then, all or part of the atoms and molecules inserted into the graphite intercalation compound are partially removed to create more hydrogen storage sites. The inventions of
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the graphite-based hydrogen storage material and the production method thereof according to the present invention will be described for each main part, and then the usefulness will be clarified by giving examples.
(Claim 1) The graphite-based hydrogen storage material according to the present invention is a graphite intercalation compound in which atoms or molecules are inserted between graphite layers in an amount of 5 wt% to 70 wt%, and the interlayer distance is expanded. It has a hydrogen storage site where all or part of the atoms or molecules are removed. First, in order to adjust a graphite material having a large amount of hydrogen storage, it is necessary to create a nanospace for storing hydrogen by expanding the graphite layer. From this point, the inventors of the present invention, after repeated testing, inserted a graphite intercalation compound between the graphite intercalation compounds with an interlaminar distance increased by inserting at least 5 wt% or more of atoms or molecules between the graphite intercalation layers. It was found that by removing all or part of the atoms or molecules, nanospaces were developed between the layers and more hydrogen could be stored by increasing the number of hydrogen storage sites.
[0009]
Specifically, for example, KC, which is a first stage intercalation compound of potassium in which potassium is contained between graphite layers, that is, between all carbon network surfaces. 8 Contains 28.9 wt% of K. FeCl 3 C, the first stage intercalation compound of 6 -FeCl 3 Is FeCl 3 69.2 wt%. CuCl 2 C, the first stage intercalation compound 5 -CuCl 2 Is CuCl 2 69.2 wt%. In addition, PtCl 4 Forms a third stage intercalation compound with graphite, the compositional formula being C 24 -PtCl 4 And PtCl 4 66.8 wt%. Graphite oxide is generally C 8 O 5 H 2 It has a composition of the order, and oxygen and hydrogen are about 46 wt% covalently bonded between the graphite layers. However, these graphite intercalation compounds are in a state in which atoms or molecules are fully packed in the interlayer, the nanospace in the interlayer is insufficient, and hydrogen storage properties are hardly expected. However, the present inventors have confirmed that it is most preferable to improve the hydrogen storage properties by using these graphite intercalation compounds to remove all or part of the other elements other than carbon atoms and to make the material exhibit nanospace. Obtained.
[0010]
In the present invention, by using a graphite intercalation compound, an acid intercalation compound, graphite oxide with an alkali metal or a transition metal element chloride, which is a graphite intercalation compound, a nanospace is expressed between the layers, It is a graphite-based hydrogen storage material having a structure or structure in which molecules and hydrogen atoms are easily adsorbed physically and chemically. The physical and chemical potential of hydrogen storage can be expressed by removing all or part of the inclusions inserted between the layers of the graphite intercalation compound and expanding the layers to create nanospaces within the layers. . As the usable graphite intercalation compound, when the number of atoms or molecules inserted between the graphite layers is 5 wt% or less, there is little spread between the layers, and even if the hydrogen storage material is adjusted, the hydrogen storage amount is small. Further, no material having a composition of 70 wt% or more has been confirmed as atoms or molecules inserted between graphite layers. For the above reasons, in the present invention, the graphite intercalation compound that can be used practically is limited to those in which 5 to 70 wt% of atoms or molecules are inserted between graphite layers.
[0011]
Here, usable graphite intercalation compounds include halogen-based graphite intercalation compounds using graphite-fluorine compounds, ICI, IBr, Br, BrCl, Cl, etc. as intercalants, TiCl. 4 , CrCl 3 , MnCl 2 , FeCl 3 , CoCl 2 , NiCl 2 , CuCl 2 , ZnCl 2 , ZrCl 4 , NdCl 5 , MoCl 5 , RuCl 3 , RhCl 3 , PdCl 2 , CdCl 2 , InCl 3 , SnCl 4 , SbCl 5 , TaCl 5 , WCl 6 , OsCl 3 , IrCl 4 , PtCl 4 , AuCl 3 Examples include chloride-based intercalant compounds using, for example, an intercalant, and alkali metal and alkaline earth metal-based graphite intercalation compounds, such as Li, K, Na, Rb, Cs, Ba, Sr, and Ca. In addition, ternary graphite intercalation compounds with two or more of these as intercalants can be used, and alkali metal and alkaline earth metal graphite intercalation compounds absorb organic molecules (tetrahydrofuran, benzene, ammonia, ethylene, etc.). There are many combinations, such as two types of chloride systems, and chloride and acid systems. HNO as an acid that reacts with graphite 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , H 3 AsO 4 , HF, H 2 SeO 4 , HClO 4 , CF 3 Acid-based graphite intercalation compounds using COOH or the like, and graphite oxide that forms a covalent bond between carbon and oxygen by invading oxygen between graphite layers can also be used as a material for developing nanospace. Further, when graphite oxide is reacted with dibutyl sulfoxide, dipropyl sulfoxide, diphenyl sulfoxide, p-tri-sulfoxide, tetramethylene sulfoxide, n-hexadecylamine, hexamethylammonium salt, an inter-layer compound is formed. The interlayer distance extends from 0.7 nm to 2.0 nm, and nanospace can be expressed. A material obtained by reacting an organic substance in the interlayer using graphite oxide can also be used as a graphite interlayer compound for improving the hydrogen storage performance.
[0012]
(Regarding Claim 2) The graphite-based hydrogen storage material of the present invention essentially requires that atoms or molecules inserted between the above-mentioned graphite intercalation compounds are removed in a range of 5 to 100 wt%. This is based on the following test results. First, FeCl 3 In the case of an intercalation compound of graphite and graphite, the intercalation compound of the first stage is C 6 -FeCl 3 And the intercalant inserted between the layers is 69.3 wt%.
In this state, FeCl is interposed between the graphite layers. 3 There is almost no nanospace for storing hydrogen. However, in the test, FeCl 3 As hydrogen, Fe, and Cl were removed, more hydrogen was occluded. For example, by removing 2 wt%, the hydrogen occlusion amount was 0.1 wt%, and by removing 60 wt%, the hydrogen occlusion amount reached a maximum value of 0.9 wt%. In addition, graphite oxide is generally C 8 O 5 H 2 It has a composition of the order, and oxygen and hydrogen are about 46 wt% covalently bonded between the graphite layers. Graphite oxide also has a low hydrogen storage capacity in the state where oxygen and hydrogen are not removed, but in the test, a hydrogen storage capacity of 0.4 wt% was obtained by removing 5 wt%, and 2 wt% was obtained by removing all. Further, in the graphite intercalation compound of K and tetrahydrofuran (hereinafter referred to as THF), the hydrogen storage capacity is increased by gasifying THF and removing it from the interlayer. In this case, the graphite having the maximum hydrogen storage capacity. The intercalation compound was in a form in which 2% of K remained in the interlaminar. As a result of repeated studies, as a graphite intercalation compound that exhibits hydrogen storage capacity, it is possible to express hydrogen storage capacity by removing all or part of the atoms or molecules inserted between graphite layers, more specifically, It is necessary to remove in the range of 5 to 100 wt%.
[0013]
(Claim 3) In the graphite-based hydrogen storage material of the present invention, atoms or molecules inserted between the above-mentioned graphite intercalation compounds are in contact with one surface of the two graphite layers sandwiching the atoms or molecules. That is essential. As described above, in order to increase the hydrogen storage capacity, it is indispensable to optimally widen the graphite layers and further form hydrogen storage sites in the layers. Usually, the interlayer distance of an interlayer compound is often equal to the size of the inserted atom or molecule. However, the graphite-based hydrogen storage material of the present invention has an extended interlayer distance starting from atoms or molecules inserted between layers, and forms a storage space wider than the size of the inserted atoms or molecules. Therefore, it is important for formation of a wide hydrogen storage site that the inserted atom or molecule is in contact with one surface of the two graphite layers sandwiching the atom or molecule.
[0014]
(Regarding Claim 4) The graphite-based hydrogen storage material of the present invention requires that the graphite intercalation compound is of an ionic bond type, a dispersion force type, or a covalent bond type. As described above, in order to increase the hydrogen storage capacity, it is indispensable to use a graphite intercalation compound in which the graphite interlayer is expanded. Therefore, the graphite-based hydrogen storage material of the invention is a dispersion force type in which the dispersive force acting between the carbon network planes acts to maintain the spread between the layers, and the common layer in which the layers are spread by covalently bonding oxygen or the like between the graphite layers. A bond type or an ion bond type in which a metal chloride composed of an ion bond is inserted between layers can be used. When removing all or part of the atoms or molecules inserted between the graphite layers, decompose the covalent bonds between the layers, remove the ion-bonded molecules, or expand the carbon network planes all at once. After that, it is necessary to maintain the spread between the layers by the dispersion force. As described above, by using a graphite intercalation compound of a dispersion force type, a covalent bond type, or an ion bond type, a site having a strong hydrogen adsorption force is formed, and the hydrogen storage ability can be enhanced.
[0015]
(Regarding Claim 5) The graphite-based hydrogen storage material of the present invention requires that the inserted atoms or molecules are completely or partially removed by heat treatment or reduction treatment. A ternary intercalation compound (K and THF or K and NH 3 And graphite oxide) and graphite oxide must be removed by gasifying the solvent in the interlayer by heat treatment, or oxygen covalently bonded in the interlayer must be removed by thermal decomposition. The heat treatment may be any form in which the sample can be heated by laser irradiation, microwave irradiation, or the like, in addition to direct heating with a heater or burner. In the operation of removing all or part of the atoms or molecules inserted by the heat treatment, it is also effective to carbonize organic substances that have reacted between the layers. In contrast, the reduction treatment is a treatment method that reduces metal chlorides intercalated between graphite layers and leaves them in the metal state as much as possible in the layers, and is useful for expressing nanospaces with the layers expanded. is there. As a specific reduction treatment, in addition to reduction at 150 ° C. to 500 ° C. using hydrogen gas, reduction can be performed at a high temperature using an organic substance such as ethylene. Further, there are a method using an alkali metal such as K or Na and a method using a solution-like reducing agent such as an aqueous hydrazine solution. Of course, depending on the object to be removed, a combination of reduction treatment and heat treatment is also effective.
[0016]
(Claim 6) In the present invention, in the above graphite-based hydrogen storage material, the density of the sample (He equilibrium pressure density) calculated based on Boyle-Charle's law under the conditions that the He pressure is 2 atm and 8 atm. Is 0.25 g / cm 3 To 3.3 g / cm 3 Compared with the graphite intercalation compound used as a raw material, it is essential that the He equilibrium pressure density ratio is reduced to 0.7 to 0.1. This is a characteristic based on, for example, finding the following tendency.
(A) First, the ternary graphite intercalation compound of K and THF is heated with a burner to gasify the THF intercalated into the graphite layer at once, expanding the interlayer, and a large number in the graphite. Create a nanospace. In the case of this graphite intercalation compound, the He equilibrium pressure density before heating is 1.25 g / cm. 3 On the other hand, the He equilibrium pressure density after heating is 0.39 g / cm. 3 It can be considered that the density was greatly reduced to (density ratio 0.31), nanospace was developed with the expansion between layers, and the density was reduced. The hydrogen storage property of this material was 2.6 wt%.
(I) FeCl 3 And graphite first stage intercalation compound FeCl 3 -C 6 Has a density at He equilibrium pressure of 2.65 g / cm 3 However, the density after hydrogen reduction at 300 ° C. is 1.34 g / cm. 3 The density decreases to (density ratio 0.51), and creation of nanospaces is recognized between the layers. That is, the hydrogen storage amount is improved to 0.9 wt% after reduction at 300 ° C. with respect to 0 wt% before reduction.
(C) Using graphite oxide and comparing the He equilibrium pressure density before and after the heat treatment at 400 ° C., it is 2.09 g / cm before the heat treatment. 3 In contrast, 0.474 g / cm after heat treatment 3 (Density ratio is 0.22) and the density is greatly reduced, and the creation of nanospace is recognized. That is, the hydrogen occlusion amount is improved to 0.1 wt% before heat treatment to 2.2 wt% after heat treatment.
[0017]
From the above, the He equilibrium pressure density is 0.20 g / cm. 3 The following materials have a reduced hydrogen storage amount per unit volume and become bulky materials. Therefore, in practice, the He equilibrium pressure density is 0.20 g / cm. 3 That is important. Further, in order to increase the hydrogen storage property, it is necessary to expand the graphite layer, and it is possible to intercalate up to the first stage between the graphite layers, and CuCl as a material that can expand the layer to about 1 nm. 2 And FeCl 3 Graphite intercalation compounds can be mentioned, but by reducing these to metallization, a maximum of 3.3 g / cm 3 Up to the He equilibrium pressure density. Thus, in order to increase the hydrogen storage amount, it is indispensable to have a nanospace that easily absorbs hydrogen by removing atoms or molecules inserted from the graphite intercalation compound. As a specific index, the He equilibrium pressure density is 0.20 to 3.3 g / cm. 3 It is important to be a hydrogen storage material. In addition, it is also important that these hydrogen storage materials have a He equilibrium pressure density ratio reduced to 0.7 to 0.1 with respect to the graphite intercalation compound before at least heat treatment or reduction treatment. When the He equilibrium pressure density ratio is 0.7 or more, the amount of nanospace is still small and a sufficient hydrogen storage amount cannot be secured. On the other hand, when it falls to 0.1 or less, it becomes a bulky material, the hydrogen storage amount per volume falls, and it becomes difficult to use practically.
[0018]
(Regarding Claim 7) The present invention specifies the above-mentioned graphite-based hydrogen storage material from the structure, and the regular graphite interlayer is 0.35 nm or more and 2 nm or less from the observation of an image of a transmission electron microscope. Alternatively, it is essential that the crystallites forming the regular layers have a portion opened between 1 nm and 100 nm. That is, as a result of analyzing the material having a large amount of hydrogen occlusion in more detail than the image of the transmission electron microscope, the inventors have found that the regular interlayer of graphite is 0.35 nm or more and 2 nm or less. It has been found that the gap between the crystallites forming the interlayer has an open portion of 1 nm or more and 100 nm or less. Usually, in order to occlude hydrogen, it is necessary to spread between layers of 0.5 nm or more. From this point, when an inclusion is inserted into the interlayer and then the interlayer is expanded by gasifying the inclusion in the interlayer, the interlayer is restored by van der Waals force between the carbon network planes forming the interlayer. There are many cases. However, the graphite-based hydrogen storage material of the present invention has a structure in which a graphite layer is deformed and maintains a nanospace in a structure portion where a lattice defect or a structural shift occurs in a crystal structure, and a fan is formed in a structure portion that is greatly expanded The nanospace is maintained without returning to the original interlayer state due to the decrease in Delwars force, and it can be used as a hydrogen storage site. The above value is important in specifying a graphite-based hydrogen storage material having a hydrogen storage site formed as described above and having a high hydrogen storage capacity.
[0019]
(Embodiments 8 and 9) Each invention specifies the above-mentioned graphite-based hydrogen storage material from the structure. In the powder X-ray diffraction method (incident X-ray: CuKα), the diffraction angle (2θ ) Has a peak at 24.5 ° or less, more preferably, it is essential that the peak or bulge be detected when the diffraction angle (2θ) by the diffractometer method is 10 ° or less. In other words, intercalation compounds and graphite oxide generally have a clear peak at 24.5 degrees or less, and spread between the layers is recognized. However, by applying heat treatment or reduction treatment, nanospaces are created in the interlayers, Uniform spread is reduced. And the thing which processed excessively and remove | excluded the intercalant and oxide in an interlayer will return an interlayer to 3.35cm. Even after these treatments, the material having a high hydrogen storage capacity does not return crystallinity to the interlayer distance of graphite. Particularly, the diffraction angle (2θ) is 24.5 degrees or less and the (002) plane spacing is 3.6 mm or more. It is indispensable to have such a structure, and such a material creates a nanospace suitable for hydrogen storage between layers. In particular, this phenomenon is remarkable in a material obtained by heat-treating graphite oxide. Also, for example, when graphite oxide is heat treated, the diffraction angle (2θ) by the diffractometer method is 10 ° or less, and peaks and bumps appear, and the
[0020]
(About Claim 10) This invention also specifies the above graphite-type hydrogen storage material from the Raman spectroscopic analysis, and it is 1585 cm in the Raman spectroscopic spectrum of a wavelength of 514.5 nm. -1 To 1630cm -1 It is essential that a peak appears in That is, the present inventors, in a material obtained by heat treatment or reduction treatment of a graphite intercalation compound, intercalant is inserted between graphite layers, the layers are expanded, atoms or molecules inserted between the layers remain, nanospace When the Raman spectroscopic analysis is performed, 1580 cm of the G band is obtained. -1 For the peak of 1585-1630cm -1 It was discovered that a shifted peak appears. This Raman spectroscopic analysis is effective for information in the depth direction of several tens of nanometers from the surface layer of the material, and is not necessarily correlated with the size of the crystallite obtained by X-ray diffraction. For this reason, it is important to analyze the Raman spectroscopic analysis together with the X-ray diffraction for specifying the graphite-based hydrogen storage material.
[0021]
(About Claim 11) In the present invention, the above-described graphite-based hydrogen storage material is any one of Pt, Pd, Ni, Li, K, Cs, Rb, Ti, Cr, Fe, Cu, Co, Zr, Nb, and B. It is essential to contain at least one kind. Among these contained elements, the transition metal element can form an intercalation compound with graphite as a chloride, and can be contained by metalation by a method such as reduction. Alkali metals can be intercalated as graphite intercalation compounds and can also be used as graphite intercalation compounds. It can also be adjusted by subjecting the graphite intercalation compound to heat treatment or reduction treatment, expanding the interlayer, allowing nanospaces to develop, and then supporting the necessary elements. Pt, Pd, and Ni have the effect of adsorbing hydrogen and increasing the amount of hydrogen storage. In particular, Pt, Pd, Ni chloride and an intercalation compound of graphite are used, and metallization within the interlayer by reduction, or graphite oxide After heat-treating etc. to develop nanospace, a fine support in units of several nm has a great effect. Alkali metals such as K, Cs, and Rb are easy to form an intercalation compound with graphite, and are effective in improving the hydrogen storage capacity. Ti, Cr, Fe, Cu, Co, Zr, and Nb can adjust the graphite and intercalation compounds in the form of chlorides, leave them in metal between the layers by reduction, and create nanospaces for hydrogen storage sites in the interlaminar Make it easier.
[0022]
(About Claim 12) This invention makes it essential that the graphite raw material for adjusting the above graphite intercalation compounds is any of natural graphite, artificial graphite, quiche graphite, and mesophase pitch graphite. As the raw material graphite for adjusting the graphite intercalation compound, one having high crystallinity is desirable. Specifically, natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, artificial graphite produced by firing coke, etc., graphite with improved crystallinity such as quiche graphite and mesophase pitch graphite are suitable. The graphite to which B is added is also included in the raw material graphite.
[0023]
(About Claims 13-15) Each invention inserted as a manufacturing method of the above graphite-type hydrogen storage material, the 1st process which inserts elements other than a carbon atom between the layers of graphite, and creates an intercalation compound. It goes through a second process that removes all or part of the atoms or molecules. Here, the first process for creating an intercalation compound by inserting atoms or molecules includes a liquid phase method for reacting with a liquid substance, a gas phase method for reacting with a gaseous substance, and a mixed powder of reactants. It can be carried out by either a heat treatment mixing method or a dipping method in which the reaction is carried out by dipping in a molten salt. As the gas phase method, for example, a graphite raw material and a substance to be intercalated are set in different places in a reaction tube, and the reactant is contacted and reacted with graphite in a gas state. Alkali metal graphite intercalation compounds such as K, FeCl 3 And CuCl 3 Intercalation compounds of chloride such as can be produced by a gas phase method. The liquid phase method is a method for producing an intercalation compound using a required solution. For example, in an embodiment in which an alkali metal is dissolved, it is necessary to add an aromatic hydrocarbon such as naphthalene. About this, it is thought that an alkali metal and an aromatic hydrocarbon make an ion pair, and solvent molecules such as THF are coordinated to this to dissolve it. When graphite is immersed in this solution, the ternary graphite intercalation compound can be adjusted. NH liquefied K 3 K-NH by dissolving in graphite and reacting with graphite 3 -It is possible to adjust ternary intercalation compounds of GIC. Other than this, graphite and chloroplatinic acid are reacted in thionyl chloride to form PtCl. 3 A method for adjusting GIC, graphite oxide for adjusting by reacting with a strong acid or a strong oxidizing agent, and the like are also included in the liquid phase method. In addition, a method of heat-treating a mixed powder of graphite and a reactant, and a mixing method and a dipping method in which graphite is immersed in a molten salt are effective for mass production. In contrast, the second process of removing all or part of the inserted atoms or molecules can be performed by heat treatment or reduction treatment. Ternary intercalation compounds (K and THF, K and NH, etc.) with solvent in between layers 3 It is effective to remove the intercalation compound between graphite and graphite) and graphite oxide by gasifying the solvent in the interlayer by heat treatment, or removing oxygen covalently bonded in the interlayer by thermal decomposition. Any heat treatment method may be used as long as it can heat the sample, such as laser irradiation or microwave irradiation, in addition to direct heating by a heater or burner. In the operation of removing all or part of the atoms or molecules inserted by the heat treatment, a treatment for carbonizing organic substances reacted between layers is also effective. The reduction treatment method is a treatment method that reduces metal chlorides intercalated between graphite layers and leaves them in the metal state as much as possible in the layers, and is necessary to develop nanospace with the layers expanded. . That is, as a reduction method, in addition to reduction at 150 ° C. to 500 ° C. using hydrogen gas, reduction can be performed at a high temperature using an organic substance such as ethylene. Further, there are a method using an alkali metal such as K or Na and a method using a solution-like reducing agent such as an aqueous hydrazine solution. As a matter of course, a combination of reduction treatment and heat treatment is also effective.
[0024]
【Example】
Hereinafter, the usefulness of the invention will be clarified by test examples. In this test example (Examples 1 to 8 in Tables 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2), graphite intercalation compounds in which atoms or molecules were inserted between 5 wt% and 70 wt% between the graphite layers were expanded as three layers. Using elemental graphite intercalation compound, transition metal chloride-graphite intercalation compound, and graphite oxide, 5 to 100 wt% of elements other than carbon atoms are removed by either heat treatment or reduction treatment to express nanospace This is an example of examining the effectiveness of the hydrogen storage material. The raw material graphite used is natural graphite (flaky graphite) with an average particle diameter of 300 μm, good natural graphite (flaky graphite) with an average particle diameter of 8 μm, quiche graphite with an average particle diameter of 20 μm, and mesophase pitch system. There are four types of graphite and MCF with an average particle size of 10 μm. An intermediate graphite intercalation compound is referred to as an intermediate sample.
[0025]
<Preparation of Intercalation Compound> The graphite intercalation compound was prepared by the following method using the raw material graphite (first process of the invention).
The intermediate samples of Examples 1, 4 and 5 are the natural graphite (flaky graphite having an average particle size of 300 μm), the intermediate sample of Example 6 is the MCF, the intermediate sample of Example 7 is the Kish graphite. As a ternary graphite intercalation compound of K and THF (K-THF-GIC), the liquid phase method was used. In this adjustment, 50 ml of THF and 1.6 g of naphthalene were mixed in a container, and then K1.1 g was added and mixed and dissolved. The mixed solution was charged with 2 g of natural graphite in Examples 1, 4, and 5, 2 g of MCF in Example 6, and 2 g of Kish graphite in Example 7, and allowed to react for 72 hours with stirring. . After completion of the reaction, the undissolved portion of naphthalene and THF were filtered and removed by vacuum drying to prepare K-THF-GIC which is an intercalation compound of K-THF.
As an intermediate sample between Examples 2 and 8 and Comparative Example 1, natural graphite (flaky graphite having an average particle size of 300 μm) was used, and FeCl 3 And graphite intercalation compound (FeCl 3 -GIC). In this adjustment, in Example 2 and Comparative Example 1, first, 8 g of natural graphite and FeCl in an argon purged glove box. 3 19.3 g of was put into a two-valve tube and evacuated, and then the two-valve tube was sealed. Then, the 2-valve tube is reacted at 300 ° C. for 7 days to obtain the first stage FeCl. 3 -GIC was prepared by a vapor phase method. In Example 8, 8 g of the natural graphite was previously melted with FeCl. 3 The first stage of FeCl 3 -GIC was produced by a dipping method.
The samples of Example 3 and Comparative Example 2 were made of natural graphite (flaky graphite) having an average particle diameter of 8 μm, and graphite oxide was prototyped by the liquid phase method as follows. First, 8 g of the natural graphite was put into 150 ml of fuming nitric acid, and 64.4 g of potassium chlorate was further added to react for 3 hours. The reaction temperature was 55 ° C. After completion of the reaction, it was diluted, filtered and dried to produce graphite oxide.
[0026]
<Preparation of hydrogen storage material> The intermediate samples described above were prepared by applying the following treatment except for Comparative Example 2 (second process of the invention).
(Application of heat treatment)
In the case of the intercalation compound of Example 1 (K-THF-GIC), the intermediate sample is placed in a glass tube and evacuated, heated with a gas burner, and THF is gasified from the intercalation and discharged. A hydrogen storage material was prepared.
In the case of each intercalation compound (K-THF-GIC) of Examples 4 to 7, as an example in which the heating method was changed, microwaves (CO 2 The hydrogen storage material was produced by gasifying and extracting THF inserted between the layers.
-The graphite oxide of Example 3 produced the hydrogen storage material by heating the said intermediate sample at 200 degreeC-400 degreeC in air | atmosphere, and decomposing | disassembling the oxygen covalently bonded between layers.
(Application of reduction treatment)
Example 2 and Comparative Example 1 and Interlayer Compound of Example 8 (FeCl 3 -GIC), the intermediate sample is brought into contact with hydrogen gas at 200 ° C. to 500 ° C., and FeCl in the graphite layer. 3 A hydrogen storage material was produced by reducing Specifically, FeCl in the interlayer was heated by hydrogen gas at 300 ° C. in Example 2, 500 ° C. in Comparative Example 1 and 300 ° C. in Example 8. 3 The amount was changed.
[0027]
<Physical Properties of Sample> With respect to the samples of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 prepared as described above, powder X-ray diffraction analysis, Raman spectroscopic analysis, and He equilibrium pressure density were measured as follows.
[0028]
(Powder X-ray diffraction) In this diffraction, MXP18VAHF manufactured by Mac Science Co., Ltd. was used as an X-ray diffraction apparatus utilizing an automatic recording method (diffractometer) using a counter (counter tube). In the measurement, the applied voltage and current to the X-ray tube were 40 kV and 150 mA, and CuKα was used as the incident X-ray. The X-ray powder pattern of each sample was measured, and the 2θ on the (002) plane and the interlayer distance on the (002) plane were measured.
(Micro Raman spectroscopy) In this analysis, RM2000 manufactured by RENISHAW was used as a Raman analyzer. In the measurement, an Ar + laser − having a wavelength of 514.5 nm was used, and the Raman spectrum of each sample was examined.
(Observation with Transmission Electron Microscope) In the image observation with this microscope, a Tecnai G2 manufactured by EFI was used as a transmission electron microscope, and the acceleration voltage was set to 200 kV to investigate the spread between layers of each sample.
[0029]
(Measurement of He Equilibrium Pressure Density) In this measurement, as schematically shown in FIG. 3, the He equilibrium pressure density was measured as follows using a measuring apparatus including the
[0030]
[Formula 1]
[(P 0.8 ・ V 2 ) / T 0.8 ] + [(P 0.2 ・ (V 1 -V s ) / T 0.2 ) = [(P E ・ V 2 ) / T E ] + [P E ・ (V 1 -V s ) / T E ]
[0031]
The He equilibrium pressure density (A) is the sample weight W / sample volume V. 0 Ask more. Here, the volume V of the reaction vessel 1 , V 2 Measure in advance. In addition, the temperature in the pressure vessel (T 0.8 , T 0.2 , T E ) Was set to 30 ° C., but actual values were used for measuring the He equilibrium pressure density.
[0032]
<Sample Evaluation> The samples of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 were measured for hydrogen storage amount and hydrogen release amount by a test method according to JIS7201 and 7203. In this measurement, each sample was precisely weighed, placed in a sample tube and evacuated, and then the hydrogen pressure was increased to 12 MPa and the hydrogen storage amount [wt%] was measured by the volume method. Next, the hydrogen release amount was confirmed by returning to room temperature. As the cycle characteristics, the hydrogen occlusion amount [wt%] after repeating the above occlusion and release five times was measured. In addition, the sample of Example 5 is a value in the aspect which carried about 10 wt% Pt. This adjustment is 2 PtCI 6 Was dissolved in pure water, the sample of Example 5 was added, mixed and dried, and then hydrogen reduced at 400 ° C. to disperse Pt on the material surface. Table 1 lists the evaluation results of the above Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 together with the material constitution / physical properties, and Table 2 lists the evaluation results of the above Examples 4 to 8 together with the material constitution / physical properties. It is.
[0033]
[Table 1]
[0034]
[Table 2]
[0035]
First, Table 1 shows the following. First, Examples 1-3 are K-THF-GIC, FeCl as graphite intercalation compounds. 3 -A sample using GIC and graphite oxide and removing some or all of the elements intercalated between layers. Comparative Example 1 uses FeCl as a graphite intercalation compound. 3 -A sample using GIC to remove some or all of the elements intercalated between layers. Comparative Example 2 is an untreated sample of graphite oxide. Where FeCl 3 In the case of an interlayer compound of graphite and graphite (Example 2 and Comparative Example 1), the interlayer compound of the first stage is C 6 -FeCl 3 And the intercalant inserted between the layers is 69.3 wt%. In this state, FeCl is interposed between the graphite layers. 3 As shown in Comparative Example 1, the hydrogen occlusion amount is 0.1 wt%. However, from the interlayer FeCl 3 Fe and Cl 2 For example, in the sample of Example 2 from which 60% was removed, the hydrogen storage amount showed a large value of 0.9 wt%. In addition, graphite oxide is generally C 8 O 5 H 2 It has a composition of the order, and oxygen and hydrogen are about 46 wt% covalently bonded between the graphite layers. The graphite oxide of Comparative Example 2 also has a low hydrogen storage capacity of 0.1 wt% when oxygen and hydrogen are not removed, but the sample of Example 3 excluding 85 wt% has a hydrogen storage capacity of 2.2 wt%. . Further, Example 1 is a ternary graphite intercalation compound in which K and tetrahydrofuran (THF) are intercalated with 38.9 wt% in the graphite layer, but the hydrogen storage capacity can be obtained by gasifying THF and removing it from the layer. Is 2.6 wt%.
[0036]
As another example, FeCl which is an intercalation compound of Example 2 is used. 3 Using -GIC and graphite oxide, which is an intercalation compound of Example 3, the reduction temperature and the heat treatment temperature were changed to examine in detail the elements other than carbon from the interlaminar. Examples of the results are shown in FIGS. From these results, it is understood that the graphite intercalation compound exhibits hydrogen storage ability by removing all or part of elements other than carbon atoms inserted between the graphite layers, and the hydrogen storage capacity increases as the element is removed more. From these results, those practically removed at least 5% or more, that is, in the range of 5 to 100% are preferable.
[0037]
By the way, the sample of Example 2 and FIG. 1 is FeCl having an ionic bond. 3 Is an ion-bonded intercalant compound that uses intercalant as an intercalant, and it is easy to create nanospaces with high hydrogen storage capacity by appropriately controlling the reduction treatment to deposit fine particles such as Fe in the interlayer. I understand. The samples of Example 3 and FIG. 2 use graphite oxide, and are of a covalent bond type in which oxygen or the like is covalently bonded between the graphite layers to expand the layers, and the elements bonded to carbon are removed by heat treatment. This shows that it is easy to create nanospace. Further, Example 4 is an example of a dispersion force type in which all the intercalant between layers is removed, and then the dispersion force acting between the carbon network planes acts to maintain the spread between the layers. As described above, in order to create a nanospace for hydrogen storage in the interlayer, it is necessary to use the bond strength of any of the ion bond type, dispersion force type, and covalent bond type in the graphite intercalation compound. is there.
[0038]
In the above graphite-based hydrogen storage material, the operation of removing all or part of the elements other than carbon atoms is either heat treatment or reduction treatment. Examples 1, 3, and 4 are examples of heat treatment, and Example 2 is an example of reduction treatment. As a heat treatment method, a burner was used in Example 1, but CO2 was used in Example 4 in order to rapidly gasify THF between layers. 2 The laser was irradiated. The reduction treatment is a treatment method for ensuring a nanospace in which metal chlorides intercalated between graphite layers are reduced and remain in a metal state as much as possible in the layers. Example 2 is a hydrogen reduction at 300 ° C. It is an example.
[0039]
In addition, as a physical property of the graphite-based hydrogen storage material, the density of the sample (He equilibrium pressure density) calculated under the conditions of He pressure of 2 atm and 8 atm based on Boyle-Charles' law is 0.25 g / cm. 3 To 3.3 g / cm 3 It is important to secure the amount of nanospace for storing hydrogen that the He equilibrium pressure density ratio as compared with the graphite intercalation compound as a raw material is reduced to about 0.7 or less. However, when the He equilibrium pressure density ratio is reduced to 0.1 or less, the interlayer is too widened to become a bulky material, so that the weight that can be filled in a certain container is reduced and practical use is difficult. Therefore, it is important that the He equilibrium pressure density ratio of the hydrogen storage material is reduced from 0.7 to 0.1.
[0040]
That is, in the case of Example 1, by heating the ternary graphite intercalation compound of K and THF with a burner, the THF intercalated in the graphite interlayer was gasified at once, expanding the interlayer, Create many nanospaces. The He equilibrium pressure density before heating of this material is 1.25 g / cm. 3 On the other hand, the He equilibrium pressure density after heating is 0.39 g / cm. 3 It is presumed that the density is greatly reduced to (density ratio 0.31), the nanospace is developed with the expansion between layers, and the density is lowered. Example 2, ie FeCl 3 And graphite first stage intercalation compound FeCl 3 -C 6 Has a density at He equilibrium pressure of 2.65 g / cm 3 However, the density after hydrogen reduction at 300 ° C. is 1.34 g / cm. 3 The density decreases to (density ratio 0.51), and nanospace is developed between the layers. The amount of hydrogen occluded at this time is improved to 0.9 wt% after reduction at 300 ° C. with respect to 0 wt% before the reduction treatment. Further, when Example 3 and Comparative Example 2, that is, graphite oxide was used and the He equilibrium pressure density before and after the heat treatment at 400 ° C. was compared, 2.09 g / cm before heat treatment was compared. 3 In contrast, 0.47 g / cm after the heat treatment of Example 3 3 (Density ratio is 0.23) and the density is greatly reduced, and the creation of nanospace is recognized. The amount of hydrogen occlusion at this time is 2.2 wt% after heat treatment with respect to 0.1 wt% before heat treatment, and an improvement in hydrogen occlusion is recognized.
[0041]
Here, Comparative Example 1 is FeCl 3 -Characteristics of GIC obtained by hydrogen reduction at 500 ° C, Comparative Example 2 is a characteristic of graphite oxide. In Comparative Example 1, since the reduction temperature is too high, FeCl 3 At the same time, the Fe is exhausted to the outside of the interlayer, and the interlayer distance of the graphite returns to 0.36 nm, which suggests that the nanospace has disappeared. As a result, the He equilibrium pressure density ratio is as high as 0.8, and the hydrogen storage capacity is almost lost. Since Comparative Example 2 is graphite oxide before heat treatment, the density ratio representing the degree of creation of nanospace is 1.0, and there is almost no nanospace and hydrogen storage capacity that are sites for storing hydrogen.
[0042]
Next, the following can be understood from the result of analysis from the transmission electron microscope image (TEM image). From the observation with the TEM image, the heat treatment samples of Examples 1 and 3 have 0.37 to 0.4 nm interlayer, and the reduction sample of Example 2 has 0.94 nm interlayer. Further, the regular interlayer of graphite is in Example 2, that is, FeCl. 3 In the hydrogen reduction using -GIC, when metal agglomeration occurs between the graphite layers, although not shown in Table 1, it may spread to an interval of about 2 nm. Therefore, the regular interlayer of graphite in the present invention is 0.35 nm or more and 2 nm or less, and the gap between crystallites forming the regular interlayer in Example 1 is 2 nm to 50 nm. It was determined that the gap between the crystallites forming a typical interlayer had a portion opened in the range of 1 nm to 100 nm. These physical properties are an important measure for specifying the inventive material.
[0043]
Further, in the powder X-ray diffraction method (incident X-ray: CuKα), it is necessary that the interlayer is spread, that is, the diffraction angle (2θ) by the diffractometer method has a peak at 24.5 ° or less. Interlayer compounds and graphite oxide generally have a clear peak at 24.5 ° or less, and broadening of the interlayer is observed, but by applying heat treatment or reduction treatment, nanospaces are created in the interlayer, and the interlayer is uniform. The spread decreases. And when those processes are performed excessively and the intercalant and oxide in the interlayer are largely removed, the interlayer returns to 3.35 mm. A material having a high hydrogen storage capacity does not return to the interlayer distance of graphite after these treatments, and it is important that the diffraction angle (2θ) has a peak at 24.5 ° or less. It has been confirmed that such materials have nanospaces between the layers. In particular, in the case where the interlayer is spread, a peak or a bulge is detected when the diffraction angle (2θ) is 10 ° or less. That is, the samples of Examples 1 and 2 were raised at 0 to 10 °, and the samples of Example 2 were peaked at 18.9 ° and 9.42 °. It can be seen that is spreading.
[0044]
Other physical properties include 1585 to 1630 cm in a 514.5 nm Raman spectrum. -1 It is that a peak appears. In a sample obtained by heat treatment or reduction treatment of a graphite intercalation compound, when atoms or molecules inserted between the graphite layers partially remain to create nanospaces, the G band 1580 cm -1 For the peak of 1585-1630cm -1 It is known that a shifted peak appears. However, since Raman spectroscopic analysis is a surface analysis method from the surface of the sample to a depth of several nanometers, the result of this analysis is 1585 to 1630 cm. -1 Even if no peak appears, atoms or molecules inserted between the layers inside the sample may remain. In the samples of Examples 1 and 2, a peak is confirmed at 1606 to 1616 nm. In the sample of Example 3, it almost returned to the G band peak by the heat treatment, but it has a bulge at 10 ° or less from the X-ray diffraction result, and the expansion between layers is confirmed. That is, in the graphite-based hydrogen storage material, the diffraction angle 2θ has a peak at 24.5 ° or less, or 1585 to 1630 cm. -1 Those exhibiting a Raman peak are important indicators for the hydrogen storage material of the present invention.
[0045]
(Others) Example 5 shows the characteristics of a sample carrying about 10 wt% Pt. The hydrogen storage amount is increased by about 1 wt% from the unsupported Example 4 and the effect of Pt support is recognized. It has been confirmed that such an effect tends to be the same with Pd, Ni, and the like other than Pt. Alkali metals such as K, Cs, and Rb can easily form an intercalation compound with graphite, and are effective in improving the hydrogen storage capacity. Ti, Cr, Fe, Cu, Co, Zr, and Nb are in the form of chloride. It is possible to adjust the graphite and intercalation compound by leaving it in a metal state between the layers by reduction or the like, and by creating nanospaces in the interlaminar layer, it is possible to adjust a material with excellent hydrogen storage capacity. Examples 6 and 7 are examples in which MCF, which is Kish graphite and mesophase pitch-based graphite, was used as a graphite raw material for adjusting the graphite intercalation compound. In addition to this, artificial graphite and graphite to which B is added can also be used as raw material graphite.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, the graphite-based hydrogen storage material of the invention and the method for producing the same use the graphite intercalation compound in which atoms or molecules are inserted between the graphite layers to increase the interlayer distance, and the atoms or molecules inserted from the graphite intercalation compound. Is removed entirely or partially by heat treatment, reduction treatment, or the like, thereby making it possible to create more hydrogen storage sites, that is, nanospaces excellent in hydrogen storage capacity, due to the graphite intercalation compound. As a result, the present invention can efficiently store a large amount of hydrogen, is lightweight, can be used repeatedly, and can be used in a practical manner with a reduced manufacturing cost because the manufacturing method is easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a hydrogen reduction temperature and a hydrogen storage amount (amount removed) in an inventive material example.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature and the hydrogen storage amount (removed amount) for the inventive material examples.
FIG. 3 is a reference schematic diagram for explaining a method of measuring He equilibrium pressure density.
[Explanation of symbols]
1 and 2 are pressure vessels
▲ 1 to ▲ 3 ▼ are valves for opening and closing
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