カーボンナノチューブ化学 - 東京大学maruyama/visitors/yudasaka/...Fan et al. JPCB...

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カーボンナノチューブ化学 熱構造変化 開孔 内包 エッジの化学 その他 カーボンナノチューブの化学をカーボンナノチューブを使って行うのは、量が少なくて、困難。 よって、ナノホーンで、化学研究したほうが、多くのことが分かる。

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カーボンナノチューブ化学

• 熱構造変化

• 開孔

• 内包

• エッジの化学

• その他

カーボンナノチューブの化学をカーボンナノチューブを使って行うのは、量が少なくて、困難。よって、ナノホーンで、化学研究したほうが、多くのことが分かる。

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開孔方法

•酸化

(HNO3, H2SO4, H2O2, O2)

• メカニカルクラッシュ

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酸素中加熱で開孔

Ar

Dry air

O2

T(target)

TimeP(keep)

Slow combustion

Quick combustionT(target)

O2

Time

Fan et al. JPCB 2006

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問題:酸化処理により生じる炭素ゴミ

5nm

Hole opening by Combustion

As-grown

580oC, 10 min, O2 100%

Fan et al. JPCB 2006

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解決法:炭素ゴミを取るために熱処理500oC, 2 h, 5x10-6 Torr

Fan et al. JPCB 2006

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解決法:ゆっくり酸化(Slow combustion)

T(target): 550ºC

:炭素ゴミが少ない

Fan et al. JPCB 2006

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開孔した事を確認する。

•比表面積、細孔容量

• TEM

• Raman スペクトル

Fan et al. JPCB 2006

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Specific surface area

0 50 400 500 6000

400

800

1200

1600

Sp

ecif

ic s

urf

ace

area

(m

2/g

)

Oxidation temperature (oC)

Usual combustion

Slow combustion

N2 adsorption at 77K.

25 350 400 450 500 550 6000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Ad

sorp

tio

n Q

uan

tity

(g

/g)

Oxidation temperature (oC)

Xylene adsorption at r.t.

Slow combustion

BET吸着等温式(Brunauer,Emmett、Teller)

Fan et al. JPCB 2006

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孔?

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Holes in graphene walls

SWNHox

Ajima et al. Adv. Materials, 16 (2004) 397.

O2, 570oC, 15 minutes + HT in vac.

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0

10

20

30

40

50

60

70

0-0.5 0.5-

1.0

1.0-

1.5

1.5-

2.0

2.0-

2.5

2.5-

3.0

3.0-

3.5

3.5-

4.0

4.0-

4.5

4.5-

5.0

5.0-

5.5

5.5-

6.0

Distribution of Hole Sizes.

2.3 nm

5 nm

Number of holes opened

on the tips

Number of the holes opened

on the side-walls

Hole size ( nm )

Num

ber

of h

oles

1.5 nm

0

10

70

60

50

40

30

20

0- 0.5- 1.0- 1.5- 2.0- 2.5- 3.0- 3.5- 4.0- 4.5- 5.0- 5.5-0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

Ajima et al. Adv. Materials, 16 (2004) 397.

O2, 570oC, 15 minutes

1~3 nm

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HeAr

N2CH4

SF6C60

0

0.1

0.2

0.3

0.4

as …

573

623

693Probe

molecules

Pore

volu

me

Heated

temperature

Hole sizes depending on oxidation temperature

Murata et al. JPCB 2002

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C60が入れる大きさの孔

5nm

400 oC 450 oC

500 oC 550 oC

Yudasaka et al

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SWNTs(Laser ablation) HNO3

water

Oil bath

(~130oC、>数時間)

Trap

酸を用いた開孔硝酸

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As-grwon SWNTs(Laser ablation)

硝酸処理後(120℃、4h)

Nagasama et al. CPL 2000

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SWNTs(Laser ablation) HNO3

water

Oil bath

(~130oC、>数時間)

O2 (250 Torr)

420oC, 20 min.

Trap

酸化性酸を用いた開孔硝酸

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開孔縁の官能基

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分析方法・ 定性:IR・ 定性:TPD-MS・ 定量:TGA可視化・ 染色→TEM

開孔縁にある官能基

化学修飾に使えるもの

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3h-LAOx2h-LAOx1h-LAOx

2h-Ox

3h-Ox4h-Ox

O2, 500oC

as-grown

1800 1600 1400 1200 1000

Tra

nsm

ittan

ce (a

rb. u

nits

)

Wavenumbers (cm-1)

IR spectraO

C C

O

OC

OC

CC

C OH

OC

O H

OC

OC

O

C CO

Zhang et al. ACS Nano 2007

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IR assignments of functional groups on carbon surfaces

Fanning PE, Vannice MA. Carbon 1993;31:721.

• C–O in ethers (stretching) 1000–1300• Alcohols 1049–1276 3200–3640• Phenolic groups:• C–OH (stretching) 1000–1220• O–H 1160–1200 2500–3620• Carbonates; carboxyl-carbonates

1100–1500 1590–1600• C=C aromatic (stretching) 1585–1600• Quinones 1550–1680• Carboxylic acids 1120–1200 1665–1760 2500–3300• Lactones 1160–1370 1675–1790• Carboxylic anhydrides 980–1300 1740–1880• C–H (stretching) 2600–3000

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TPD-MS

20 200 400 600 800 1000 Temperature (

oC)

Co

un

ts (

arb

. u

nit

s)

3h-LAOx

2h-LAOx

1h-LAOx

2h-Ox

3h-Ox

4h-Ox

O2, 500oC

as-grown

Mass 44 (CO2)

Zhang et al. ACS Nano 2007

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Fanning PE, Vannice MA. Carbon

1993;31:721.

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0 200 400 600 800

84

86

88

90

92

94

96

98

100

Temperature (oC)

Wei

ght

(%)

3h-LAOx

2h-LAOx

1h-LAOx

2h-Ox3h-Ox

4h-Ox

O2, 500oC

as-grown

カルボキシル基の数を推定 TGA (He)

ナノホーン1本あたりの孔(直径~2nm)の数・・・・5個程度。(多すぎる。)

Zhang et al. ACS Nano 2007

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カルボキシル基の可視化Hashimoto et al. PNAS 101(2004)8527.

One Gd-atomFour Gd-atoms

Gd(CH3COO)3

を使ってキレート結合でエッジにつける。

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可視化 ( Site localization)-COOH + Pt(NH3)6(OH)4

-CO-O-NH2-Pt(NH3)5(OH)4

-COO- Pt(NH3)5(OH)4 (NH4)+

Xu et al. APA 2010

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As grown

Ox-H2O2 26d

Ox-H2O2 6d

ox500oC As grown

Xu et al. APA 2010

Pt 化合物付着の様子とーCOOHの有無

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0.5~0.9 1~1.4 1.5~1.9 2~2.4 2.5~2.9 >30

10

20

30

40

Num

ber

Pt particle size (nm)

SWNHasPt

0.5~0.9 1~1.4 1.5~1.9 2~2.4 2.5~2.9 >30

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Num

ber

Pt particle size (nm)

SWNHox500Pt

0.5-0

.91-

1.41.5

-1.9

2-2.4

2.5-2

.9 >30

10

20

30

40

50

60

70

Num

ber

Pt particle size (nm)

SWNHox-6d, Pt

0.5~0.9 1~1.4 1.5~1.9 2~2.4 2.5~2.9 >30

20

40

60

80N

um

ber

Pt particle size (nm)

SWNHox-26d, Pt

Pt complex particles: Size distribution

Xu et al. APA 2010

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Ptの量を測定できる。

Ptの量からCOOH量を推定。

TGA(酸素)

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0 5 10 15 20 25

0

2

4

rt-400oC

W

eig

ht

loss

(%

)

Immersion period in H2O2 (days)

Ptの量は、COOHの量と相関。Xu et al. APA 2010

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内包

1.気相(昇華法)2.液相3.吸着サイト4.内包物質の反応

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(C60)n@SWNT (Peapod)

C60

SWNTs

1. Open SWNT tips

by Oxidation.

2. Expose to C60 Vapor

at 400 oC.

Hirahara et al. Phys. Rev. Lett. 85, 5384, 1999

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Heat treatment at 1200 oC

C60@SWNT

Double-wall carbon nanotubes

Bandow et al. Chem. Phys. Lett. 337, 48, 2001

C60@SWNTs Double-walled carbon nanotubes

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Nano-Condensation

Incorporation in liquid phase at room temperature.

CNT, SWNHGuest

molecules

Solvents

strong

weak

Nano-precipitation

Nano-Extraction

Nano-Titration, etc.

Affinity

balance

CNTsGuest

molecules

Solvents

Affinity

balance

Yudasaka et al. Chem. Phys. Lett. 2003.

Yuge et al, J. Phys. Chem. B 2005.

Filtration paper

TEM gridSolution

NTs, NHs

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Nano-Condensation

Incorporation Methods:Non-equilibrium methods of C60 in

Liquid Phase at Room Temperature

M.Yudasaka et al., Chem. Phys. Lett., 380, 42 (2003).

Filter paper

TEM grid

C60 + Toluene

SWNT

or SWNH

Ajima et al. Adv. Materials, 16 (2004) 397.

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5 nm

M.Yudasaka et al., Chem. Phys. Lett.,

380, 42 (2003).

C60 @ SWNTsC60 @ SWNHs

Ajima et al. Adv. Materials, 16 (2004) 397.

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Incorporation Methods:Non-equilibrium methods of C60 in

Liquid Phase at Room Temperature

M.Yudasaka et al., Chem. Phys. Lett., 380, 42 (2003).

Nano-Extraction

C60 + EtOH + SWNT/ SWNH5 nm

Ajima et al. Adv. Materials, 16 (2004) 397.

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Incorporation of ZnPc into SWNHs (NHox)

Dried in

N2 flow

at r. t.

Filtration,

and washing

with ethanol

SWNHox was

dispersed in DMSO-

Ethanol solution of

ZnPc

SWNHox was

immersed in

ZnPc-DMSO –

EtOH for 24 h

ZnPc@NHox

NHox

ZnPc-DMSO

24 h

Zhang et al PNAS 2008

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10 nm

TEM image of ZnPc-SWNHox

COOH

COOH

Zhang et al PNAS 2008

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Chemical Modification of ZnPc-SWNHox with BSA protein

ZnPc

~40 wt.%

Temperature (oC)

Wei

gh

t (%

)

TGA results

in O2

The content of ZnPc in SWNHox did not

change after modification with BSA.20 nm

ZnPc-SWNH-BSA

20 nm

ZnPc-SWNHox

BSA

~20 %

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

Zhang et al PNAS 2008

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C

Zn O

元素マッピング(EELS)Zhang et al PNAS 2008

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Cisplatin (CDDP)@SWNHox

•Abundant incorporation :

CDDP 50 wt%

•Slow release : 4days

10 nm 2 nm

CDDP

clusters

CDDP+H2OCDDP@

SWNHox

Ajima, et al. ACS Nano 2008

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Molecular structure confirmation for CDDP

in CDDP@SWNHox

EELS

Cl and C mapping

Z-contrast image

Pt: Bright spots

STEM image

Pt

Pt

Cl

Cl

H3N

H3NICP analysis Pt:Cl= 1:2

CDDP

Ajima, et al. ACS Nano 2008

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内包量の評価は、金属(あるいは、SとかFとか)がない場合は簡単ではない。

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5 nm

5 nm

10 nm2 nm

C60

TEM images of

C60@SWNHox prepared by

nano-precipitation (b and c),

and C60 crystal (indicated by

arrow) deposited on as-grown

SWNHs (d). TEM image of

residue obtained by stopping

TG measurement of 15%-

C60@SWNHox at 500C,

indicating most of C60 was

eliminated by combustion with

O2 (e).

C60/asSWNHC60@SWNHox

C60@SWNHox

500℃ TGA reside

Yuge et al. JPCB 2005

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200 400 600 800 10000

50

100

0.0

0.3

0.6

Temperature (C)

Wei

ght

(%)

Deriv. W

eight (%

/C)

SWNHox

1% (0.01 g/g)

3% (0.03 g/g)

10% (0.11 g/g)

15% (0.18 g/g)

40% (0.67 g/g)

C60@SWNHox

Raman spectra

Yuge et al. JPCB 2005

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200 400 600 800 1000

0

20

40

60

80

100

as-grown SWNHs

40%-C60

/SWNH (as-grown)

Temperature (ºC)

Weig

ht

(%)

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Deriv

. Weig

ht (%

/ºC)

C60@as-SWNH

Raman spectra

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0

200

400

10 15 20 25 300

500

1000

1500

0

2000

4000

6000

Inte

nsit

y (

arb

. u

nit

s)

2 theta (degree)

0%

15%

40%

60% -C60@SWNHox

15%-C60/as-SWNH

C60(1

11)

(22

0)

(311)

(22

2)

(33

1)

(42

0)

XRD

Yuge et al. JPCB 2005

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1000 1200 1400 1600 1800

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

In

ten

sit

y (

arb

. u

nit

s)

Raman shift (cm-1)

1466 cm-1

C60@SWNHox-tol

C60@SWNHox

(TGA residue)

15%-C60@SWNHox

SWNHox

Raman spectra

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1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Inte

nsi

ty (

arb

. u

nit

s)

Raman shift (cm-1)

15%-C60@SWNHox

3%-C60@SWNHox

40%-C60@SWNHox

15%-C60/as-SWNHs

40%-C60/as-SWNHs

Raman spectra

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1420 1440 1460 1480 1500

0.14

0.15

0.16

0.17

0.18

T= 120 min

T= 90 min

T= 60 min

In

ten

sity

(arb

. u

nit

s)

Raman shift (cm-1)

T= 30 min

Raman spectra

(レーザー照射によるC60ラマンピーク

強度の減衰。SWNHox内部にあ

ると減衰速度は遅くなる。)

15%-C60@SWNHox

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Starting quantity of C60

in the initial mixture of

C60, SWNHox, and

toluene

% 1 3 10 15 40 60

g/g 0.01 0.03 0.11 0.18 0.67 1.50

vol/vol 0.02 0.05 0.17 0.28 1.06 1.65

Ratio of incorporated

C60 and SWNHox in the

end products of

C60@SWNHox

g/g 0 0.03 0.09 0.11 0.22 **

vol/vol 0 0.05 0.15 0.19 0.36 **

In calculating C60 quantities in units of vol/vol, the density of the C60 crystal (1.68 g cm-3)

and the pore volume of the inside space of the SWNHox (0.36 ml g-1)13 were applied.

カギになる元素がいない場合には、量の計測が容易ではない。

SWNH外部にはC60がいないことを確認。 TGAからC60量を見積もった。

内包量は、仕込み量で制御できる。

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Hashimoto, A. et al.,

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, (2004).

5 nm1. Stirring of NHox and Gd(OAc)3・4H2O

in EtOH for 24 hrs at r.t.

2. Filtration

3. Sonication in EtOH for 20 sec

4. Filtration

5. Vacuum drying

Gd(III)-NHox

Equilibrium methods for preparingGd-acetates@SWNHox

NHoxGd(III)

-NHox

Nano-

windowGd

acetates

SWNHox and Gd(OAc)3・4H2O are

immersed in EtOH at room temperature.

Gd(OAc) ・0.5H2O

( From TG-MS and IR )

(Gd(OAc)3 ・4H2O was changed.)

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吸着サイト

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Inter-SWNH pore

0.1 ml/g

Intra-SWNH pore I

0.2 ml/g

Intra-SWNH pore II

0.2 ml/g

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100 200 3000.0

0.1

0.2

Temperature (oC)

∂(w

eig

ht)

/∂T

(%

/oC

)Desorption of

xylene and benzene CH3

CH3

Single-wall carbon nanohorns

1 nm

20 nm

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0 100 200 300 400 500 600

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

Temperature at

maximum of

DW curve

(T(desorb))

Temperature (oC)

Wei

ght

(%)

Der

iv. W

eight

(%/o

C)

0 100 200 300 400 500 60070

75

80

85

90

95

100

Desorptionquantity

(DQ)

dry air

NHoxXylene@NHox

1 hour 0 ~ 21 days

xylene,

Temperature (oC)

CH3

CH3

Fan CPL 2004Yudasaka et al. JPCB 2005

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0 100 200 500 600

70

80

90

100

0 100 200 500 600

0.0

0.1

0.2

Wei

gh

t (%

)D

eriv

. W

eig

ht

(%/o

C)

Temperature (oC)

Temperature (oC)

21 days

11

7

0

1

2

21 days

11

7

0

12

0 100 200 500 60070

80

90

100

As-grown

350

450580

600

Temperature (oC)

Wei

gh

t (%

)

0 100 200 500 6000.0

0.1

0.2

As-grown

350450

550oC580600

Temperature (oC)

Der

iv.

Wei

gh

t(%

/oC

)

550oC

Xylene adsorption quantity depended on hole-opening temperatures.

Adsorbed xylene was released slowly.CH3

CH3

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0 5 10 15 200

5

10

15

20

25

0

50

100

150

DQ

(%

)

T(d

esorb

) (oC

)

Period(air) (days)Tox (oC)

DQ

(%

)

T(d

esorb

) (oC

)

0 30300 400 500 6000

5

10

15

20

25

0

20

40

60

80

100

Xylene adsorption quantity depended on hole-opening temperatures.

Adsorbed xylene was released slowly.CH3

CH3

Page 59: カーボンナノチューブ化学 - 東京大学maruyama/visitors/yudasaka/...Fan et al. JPCB 2006 問題:酸化処理により生じる炭素ゴミ 5nm Hole opening by Combustion

XY

Z

0.2

0.1

0.0

0.1

0.0

0.1

0.0

0.1

0.0

0.05

0.0

0.05

0.0

0 100 200 300 400

Temperature (oC)

Der

iv, W

eight

(%oC

-1)

Tox: 600oC

580oC

550oC

450oC

350oC

As-grown

Der

iv. W

eight

(%oC

-1)

Temperature (oC)

Periods left in

dry air for 21 days

11 days

2 days

0 dayX Y

Z

0 100 200 3000.0

0.1

0.2

0.0

0.1

0.2

0.0

0.1

0.2

0.0

0.1

0.2

Xylene adsorption quantity depended on hole-opening temperatures.

Adsorbed xylene was released slowly. CH3

CH3

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0 10 200

10

2040

80

120

160

200

0 10 20 0 10 20

Periods in air (days)

T(desorb)

FWHM

Quantity

X YZ

T(d

eso

rb)(

oC

), F

WH

M(o

C),

Qu

anti

ty (

g/1

00

g)

X Y Z

T(desorb)

FWHM

Quantity

Tox (oC)0 200 400 600

0

10

60

80

100

120

140

160

180

0 200 400 6000 200400600

Z

Y

X

燃焼で消滅強く吸着放出しにくい

CH3

CH3

燃焼で消滅しない弱く吸着放出しやすい

燃焼で消滅しない強く吸着放出しにくい

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0 30 300 400 500 6000

2

4

6

8

10

12

14

0

20

40

60

80

100

Tox (oC)

DQ

(%)

T(d

esorb

) (oC

)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

5

10

15

20

25

0

20

40

60

80

100

120

140

160

DQ

(%)

T(d

esorb

) (oC

)

Period(air) (days)

Benzene adsorption quantity depended on hole-opening temperatures.

Yudasaka et al. JPCB 2005

Page 62: カーボンナノチューブ化学 - 東京大学maruyama/visitors/yudasaka/...Fan et al. JPCB 2006 問題:酸化処理により生じる炭素ゴミ 5nm Hole opening by Combustion

0.0

0.1

0 50 100 150 200 250 300

0.0

0.1

0.0

0.10.0

0.10.0

0.10.0

0.1

0.0

0.1

Temperture (oC)

Deri

v.

of

weig

ht (%

/oC

)

YZ

Tox 620oC

600

580

550

450

350

As-grown

0 100 200 300

0.00

0.05

0.00

0.05

0.00

0.05

0.00

0.05

0.10

0 day

4 days

1 day

Temperture (oC)

Der

iv. of

wei

ght

(%/o

C)

YZ

Periods left in dry air.

16 days

Benzene adsorption quantity depended on hole-opening temperatures.

Yudasaka et al. JPCB 2005

Page 63: カーボンナノチューブ化学 - 東京大学maruyama/visitors/yudasaka/...Fan et al. JPCB 2006 問題:酸化処理により生じる炭素ゴミ 5nm Hole opening by Combustion

0 200 400 6000 200 400 600

0

10

50

100

150

0 5 10 15

0246

50

100

150

200

0 5 10 15

T(d

eao

rb)

(oC

), F

WH

M (

oC

) Q

uan

tity

(g

/SW

NH

ox

10

0 g

)

Y

Z

T(desorb)

FWHM

Quantity

Period (air) (days)

Tox (oC)

Y Z

T(desorb)

FWHM

Quantity

Z

Y

X

消滅しやすい強く吸着放出しにくい

消滅しない弱く吸着放出しやすい

消滅しない強く吸着放出しにくい

Xサイトからの放出がない!

Yudasaka et al. JPCB 2005

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sites X Y Z

Xylene/SWNHox

Desorption quantity

(mole/SWNHox(100g))0.17 0.11 0.046

Desorption temp (oC) 75 120 170

sites Y Z

Benzene/SWNHox

Desorption quantity

(mole/SWNHox(100g))Not detected 0.12 0.026

Desorption temp (oC) Not detected 80-110 130-190

0.17

mole/SWNHox(100g)

Yudasaka et al. JPCB 2005

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K. Ajima, et al. Adv. Mater. 2004, 16, 397–401.

C60 molecules (0.7 nm) were preferentially incorporated at sites of NHox with diameters of 1−2 nm.

2 nm

1.2 nm 1.2 nm 1.6 nm 1.9 nm

Relation between number of C60 molecules and local

diameters of NHox

0

5

10

15

20

25

30

35

0.5-

0.9

1.0-

1.4

1.5-

1.9

2.0-

2.4

2.5-

2.9

3.0-

3.4

3.5-

3.9

4.0-

Local diameter: 2r (nm)

Num

ber

of

inco

rpo

rate

dC

60

mo

lecu

le

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S. Okada et al., Phys. Rev. B 2003, 67, 205411–

205415.

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

1.8

ΔE

(eV

/Fulle

rene)

SWNT diameter (nm)

(1.5 nmf)C60@SWNTs

C70@SWNT

s

Stability of peapod depends on diameter of SWNTsC60 encapsulation in nanospaces by van der Waals force

(1.5 nmf)

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Quantum Effects on Hydrogen Isotope

Adsorption on Single-Wall Carbon Nanohorns

Tanaka et al. JACS 2005

Quantum effects cause the density of adsorbed H2 inside the

SWNH to be 8-26% smaller than that of D2

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Nanowindow-Regulated Specific Capacitance of

Supercapacitor Electrodes of Single-Wall Carbon

Nanohorns

Yang et al.

JACS 2006CAN アセトニトリル,

PC プロピレンカーボネート

H2SO4/H2O < Et4NBF4/ACN <

Et4NBF4/PC (Et4N+â7ACN, 1.30 nm; BF4

-â9ACN, 1.16 nm; Et4N+â

4PC, 1.35 nm; BF4

-â8PC, 1.40 nm).