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論文題目「ロングDCアークを用いたエチレンの熱分解によるナノ炭素材料の合成」

飯澤美咲

1. 緒言
グラファイトやグラフェン，カーボンナノチューブのようなナノ炭素材料は，特徴的な微細構造をもつ．その構造により特異な物性を発揮する．応用例には，非常に軽量かつ高強度であることから自動車の部材や高い電気伝導性を活かした半導体や電池材料など，幅広い分野での応用が期待されている．

本研究では，ロングDCアークを用いたエチレンの熱分解による高付加価値なナノ炭素材料の合成および生成機構の解明を目的とした．新規の熱プラズマ発生装置であるロングDCアークは，通常のDCアークよりも一桁以上長い電極間距離(230 mm)を有する．そのため，プラズマ体積が大きく原料ガスの滞留時間が長くなり，原料ガスの大量処理や均一な加熱が可能である．

2. 実験方法
本実験で用いたロングDCアーク発生装置はプラズマ発生用電源，プラズマトーチ，冷却水供給システム，ナノ粒子生成チャンバー，固体生成物回収用フィルター，排ガスおよびサンプリング用配管からなる．Cu電極を用い，電極間距離は230 mm，アーク電流は10 Aとした．プラズマガスAr(30 L/min)と原料ガスC2H4(0.25 L/min)とH2(0.0, 0.5, 1.5, 2.5 L/min)の混合気体を上部から供給した．フィルターで回収された固体生成物はラマン分光法，走査型電子顕微鏡(SEM)，透過電子顕微鏡(TEM)で分析した．

3. 実験結果と考察
原料ガス流量を0.25 L/minと固定し，添加H2の有無を比較したSEM画像では，大きな粒と小さな粒の凝集体およびシート状の構造体が確認された．TEM画像では，粒が連なった凝集体と折れ畳まったシート状の構造体が確認された．H2添加量の増加に応じて，粒状の凝集体が減少しシート状の構造体が増加した．

ラマン分光法から得られた各条件のスペクトルにおいて，炭素材料に特有のDバンド，Gバンド，D’バンド，2Dバンドが確認された．電顕画像に加えて，2Dバンドの存在より，ナノグラフェンが主生成物であることが示された．H2添加量がDバンドとGバンドの相対強度比(ID/IG値)において，H2添加量の増加に伴って，より結晶性の高いナノグラフェンが合成されたことが示されている． 以上の結果から，グラフェンの末端にあるダングリングボンドにHラジカルが結合しダングリングボンド同士の結合を減らすことでシート状の構造体が得られたと考えられる．

4. 結言
ロングDCアークを用いたC2H4の熱分解により，球状およびシート状の構造を持つナノ炭素材料の合成に成功した．H/Cを大きくすることで，結晶性の高いナノ炭素材料が得られることが示された．本研究の結果から，ロングDCアークを用いた高付加価値ナノ炭素材料合成の可能性が示唆された．

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