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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-04
(45)【発行日】2023-08-15
(54)【発明の名称】複合構造体および同複合構造体を形成する方法
(51)【国際特許分類】
C01B 32/05 20170101AFI20230807BHJP
B01J 20/02 20060101ALI20230807BHJP
B01J 20/30 20060101ALI20230807BHJP
【ＦＩ】
C01B32/05
B01J20/02 A
B01J20/30
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2019563734
(86)(22)【出願日】2018-05-15
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-07-09
(86)【国際出願番号】 SG2018050235
(87)【国際公開番号】W WO2018212712
(87)【国際公開日】2018-11-22
【審査請求日】2021-03-03
(31)【優先権主張番号】10201704083X
(32)【優先日】2017-05-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】SG
(73)【特許権者】
【識別番号】503231882
【氏名又は名称】エージェンシー フォー サイエンス，テクノロジー アンド リサーチ
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(74)【代理人】
【識別番号】100152489
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 美樹
(72)【発明者】
【氏名】リー、シュー
(72)【発明者】
【氏名】ヤップ、チン チョン レイ
(72)【発明者】
【氏名】ホー、ジアティン
(72)【発明者】
【氏名】ウォン、シュー イー
【審査官】青木 千歌子
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／１９０８１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１３－５０８１３０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０１Ｂ ３２／００－３２／９９１
Ｂ０１Ｊ ２０／０２
Ｂ０１Ｊ ２０／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
１つ以上の複合構造体を形成する方法であって、前記方法は、水熱プロセスを介して炭素源から１つ以上の炭素構造体を形成することと、
前記１つ以上の炭素構造体上に鉄を導入して、炭素と、鉄を含む１つ以上のナノ構造体と、を含む１つ以上の複合構造体を形成することと、
を含み、
前記炭素源から前記１つ以上の炭素構造体を形成することは前記炭素源にシード添加剤を導入することをさらに含み、前記シード添加剤はカリウム塩またはリン酸塩であり、かつ
前記１つ以上の炭素構造体上に鉄を導入して前記１つ以上の複合構造体を形成することは、
鉄塩を適切な溶媒に溶解して前駆体溶液を形成することと、
前記前駆体溶液と前記１つ以上の炭素構造体を含む懸濁液とを混合して、得られる混合物を形成することと、
前記鉄塩および前記１つ以上の炭素構造体を含む前記得られる混合物を乾燥させることと、
前記得られる混合物を乾燥する前に同得られる混合物に凝集防止添加剤を加えることと、
を含み、
前記凝集防止添加剤は、前記１つ以上のナノ構造体の各ナノ構造体が透過型電子顕微鏡を用いて測定されたときに２０ｎｍ未満のサイズまたは直径を有することとなるように同１つ以上のナノ構造体の集合体または凝集体を低減するように構成されており、かつ前記凝集防止添加剤は、グルコサミン、メラミン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれか１つである方法。
【請求項2】
前記１つ以上の炭素構造体の各炭素構造体は炭素粒子である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記炭素源はバイオマス材料である、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記バイオマス材料は、Ｄ－（＋）－グルコース、Ｄ－（＋）－グルコサミン塩酸塩およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれか１つである、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記シード添加剤はリン酸一カリウムである、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記シード添加剤を前記炭素源に導入することは、前記炭素源を含む溶液を形成することと、
前記炭素源を含む前記溶液に前記シード添加剤を加えることと、
を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記シード添加剤は、前記炭素源に対して０．１重量％～１０重量％の範囲から選択されるいずれか１つの値である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記水熱プロセスは、１８０℃～２１０℃の任意の温度範囲で実施される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記１つ以上の複合構造体に含まれる鉄は、前記１つ以上の複合構造体に含まれる炭素に対して１重量％～８０重量％の範囲から選択される任意の１つの値である、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記凝集防止添加剤は、炭素粒子に対して１重量％～５０重量％の範囲から選択されるいずれか１つの値である、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
鉄を前記１つ以上の炭素構造体に導入して、前記１つ以上の複合構造体を形成することは、さらに熱分解プロセスにて前記得られた混合物を加熱することにより前記鉄塩を還元することを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記得られた混合物は、窒素、アルゴン、および水素と窒素との混合物からなる群から選択されるいずれかの環境で加熱される、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記得られた混合物は、水素と窒素との混合物の環境で加熱され、かつ水素は、窒素に対して１体積％～１０体積％のいずれか１つの値である、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
水素は窒素に対して５体積％である、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記熱分解プロセスの温度は、５００℃～９００℃の範囲から選択されるいずれか１つの値である、請求項１１～１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
複合構造体であって、炭素を含むマトリックスと、
鉄を含む１つ以上のナノ構造体と、
を含み、
前記１つ以上のナノ構造体は、前記マトリックスに少なくとも部分的に埋め込まれており、
前記１つ以上のナノ構造体の各ナノ構造体は、透過型電子顕微鏡を用いて測定されたときに２０ｎｍ未満のサイズまたは直径を有し、
前記複合構造体はシード添加剤を含み、前記シード添加剤はカリウム塩またはリン酸塩であり、前記複合構造体は凝集防止添加剤を含み、前記凝集防止添加剤は前記１つ以上のナノ構造体の集合体または凝集体を低減するように構成され、それにより前記１つ以上のナノ構造体の各ナノ構造体は２０ｎｍ未満のサイズまたは直径を有することとなり、かつ前記凝集防止添加剤は、グルコサミン、メラミン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれか１つである、複合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の種々の態様は、複合構造体を形成する方法に関する。本開示の種々の態様は、複合構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
酸素（Ｏ２）は、食品の腐敗を引き起こす主な要因の１つである。酸素の存在は、品質の低下、色の変化、栄養素の損失、および微生物の成長をもたらす。
そのため、製造業では、真空包装やガス置換包装（ＭＡＰ）のようなさまざまな技術を利用して、包装内のＯ２濃度を制限している。これらの技術は費用のかかる投資を必要とし、包装された食品中のＯ２を完全に除去することはいまだに不可能であり得る。通常、パッケージの残留濃度は約０．５％～３％であり、時間とともに外部環境からＯ２がパッケージ内に浸透することを完全に防ぐことは不可能である。酸素捕捉剤は、包装内のＯ２濃度を低減し、そして低レベルのＯ２濃度を維持するために必要である。
そのため、製造業では、真空包装やガス置換包装（ＭＡＰ）のようなさまざまな技術を利用して、包装内のＯ２濃度を制限している。これらの技術は費用のかかる投資を必要とし、包装された食品中のＯ２を完全に除去することはいまだに不可能であり得る。通常、パッケージの残留濃度は約０．５％～３％であり、時間とともに外部環境からＯ２がパッケージ内に浸透することを完全に防ぐことは不可能である。酸素捕捉剤は、包装内のＯ２濃度を低減し、そして低レベルのＯ２濃度を維持するために必要である。
【0003】
酸素捕捉剤の大部分は、鉄粉、アスコルビン酸、および不飽和炭化水素捕捉剤に基づいている。他の種類の酸素捕捉剤は、酸化セリウム粒子、酵素などを含んでいる。これらの酸素捕捉剤の中で、鉄ベースの酸素捕捉剤は、その高い捕捉効率と低コストにより、最もよく知られ、市場で容易に入手可能な製品である。有機および不飽和炭化水素捕捉剤は比較的不安定で、酸化プロセス後に副産物として臭気を発する場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
種々の実施形態は、１つ以上の複合構造体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成する方法を提供し得る。同方法は、水熱プロセス（ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）を介して炭素源から１つ以上の炭素構造体（ｃａｒｂｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成することを含み得る。同方法は、炭素構造体上に鉄を導入して、炭素および鉄を含む１つ以上の複合構造体を形成することも含み得る。
【0005】
種々の実施形態は、本明細書に記載される任意の方法によって形成される複合構造体を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】種々の実施形態に従う１つ以上の複合構造体を形成する方法を図示する概略図を示す。
【図2】種々の実施形態に従う複合構造体の一般的な図を示す。
【図3A】種々の実施形態に従う１つ以上の複合構造体を形成する方法を図示する概略図を示す。
【図3B】種々の実施形態に従う水熱プロセスで使用されるＰａｒｒ撹拌高圧反応器（３．７５リットル）の画像を示す。
【図4A】種々の実施形態に従う高圧反応器内のグルコース分子を示す概略図である。
【図4E】種々の実施形態に従う複合粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。
【図5】種々の実施形態に従う、０分～３０分の滞留時間について、２００℃および２１０℃での炭素粒子のサイズおよび炭素（Ｃ）収率を示す表である。
【図6】種々の実施形態に従うリン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の添加の効果を示す、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の重量パーセント（ｗｔ％）の関数としての炭素球（ｃａｒｂｏｎ ｓｐｈｅｒｅ）のサイズ（ナノメートルまたはｎｍ）のプロットである。
【図7】種々の実施形態に従う、異なる水熱条件下で、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の添加した場合と添加しない場合の、炭素粒子の収率を示す表である。
【図8A】種々の実施形態に従う、４０重量パーセントの鉄でグルコサミンを添加して調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図8B】種々の実施形態に従う、５０重量パーセントの鉄でグルコサミンを添加して調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図8C】種々の実施形態に従う、６０重量パーセントの鉄でグルコサミンを添加して調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図8D】種々の実施形態に従う、８０重量パーセントの鉄でグルコサミンを添加して調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図8E】種々の実施形態に従う、８０重量％の鉄および鉄の２０％のグルコサミン含有量を含む、鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の透過型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図8F】種々の実施形態に従う、グルコサミンを添加せずに調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図8G】種々の実施形態に従う、グルコサミンを添加せずに調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。
【図9】種々の実施形態に従う、複合粒子の捕捉能力（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ）（鉄（Ｆｅ）のグラム（ｇ）当たり）を列記する表を示す。
【図10】種々の実施形態に従う、異なる鉄含有量を有する複合粒子の酸素濃度（パーセントまたは％）を時間（時間またはＨｒｓ）とともに示す表である。
【図11】時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、５日間にわたる種々の実施形態に従う異なる鉄含有量を有する複合粒子の酸素捕捉性能を示す。
【図12】時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、種々の実施形態に従う異なるサイズの複合粒子の酸素捕捉性能を経時的に示している。
【図13】種々の実施形態に従う、種々の異なる温度および持続時間でのアニーリングによって調製された複合粒子の酸素濃度（パーセントまたは％）を時間（時間またはＨｒｓ）とともに示す表である。
【図14】時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、種々の実施形態に従う種々の異なる温度および持続時間でアニーリングすることにより調製された複合粒子の捕捉特性を示す。
【図15】種々の実施形態に従って、５００℃および８００℃にてフォーミングガス中でアニールされた複合粒子の酸素濃度（パーセントまたは％）を時間（時間またはＨｒｓ）とともに示す表である。
【図16】時間（時間またはｈｒｓ）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、種々の実施形態に従う異なる温度にてフォーミングガス中でのアニーリングによって調製された複合粒子の酸素捕捉特性を示す。
【図17】種々の実施形態に従う、異なる湿度での複合粒子の鉄（Ｆｅ）のグラム（ｇ）当たりの最大捕捉能力を示す表である。
【図18】種々の実施形態に従う、複合粒子に対するリン酸カリウムおよびグルコサミンの添加の影響を示す概略図である。値は、約３００ｎｍの直径の複合粒子に基づいている。
【図19A】時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、種々の実施形態に従う複合粒子の酸素捕捉性能を経時的に示している。
【図19B】種々の実施形態に従う複合粒子の酸素（Ｏ２）吸着能力を（鉄のグラム当たりの立方センチメートルまたはｃｃ／ｇＦｅで）示す表である。
【図20】時間（時間）の関数としての吸収された酸素（鉄のグラム当たりの立方センチメートルまたはｃｍ３／ｇＦｅ）のプロットであり、種々の実施形態に従う複合粒子の酸素捕捉性能を経時的に示す。
【発明を実施するための形態】
【0007】
本発明は、非限定的な実施例および添付の図面と併せて考慮されるとき、詳細な説明を参照してよりよく理解されるであろう。
以下の詳細な説明は、例示として、本発明を実施することができる特定の詳細および実施形態を示す添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明されている。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用して構造的および論理的変更を行うことができる。いくつかの実施形態を１つ以上の他の実施形態と組み合わせて新しい実施形態を形成することができるため、種々の実施形態は必ずしも相互排他的ではない。
以下の詳細な説明は、例示として、本発明を実施することができる特定の詳細および実施形態を示す添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明されている。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用して構造的および論理的変更を行うことができる。いくつかの実施形態を１つ以上の他の実施形態と組み合わせて新しい実施形態を形成することができるため、種々の実施形態は必ずしも相互排他的ではない。
【0008】
方法または複合構造体のいずれかの文脈で説明されている実施形態は、他の方法または複合構造体についても同様に有効である。同様に、方法の文脈で説明された実施形態は、複合構造体に対しても同様に有効であり、逆も同様である。
【0009】
一実施形態の文脈で説明される特徴は、他の実施形態の同じまたは類似の特徴に対応して適用可能であり得る。実施形態の文脈で説明される特徴は、これらの他の実施形態で明示的に説明されていなくても、他の実施形態に対応して適用可能であり得る。さらに、実施形態の文脈において特徴について説明された追加および／または組み合わせおよび／または代替は、他の実施形態の同じまたは類似の特徴に、対応して適用可能であり得る。
【0010】
側面または表面の「上に（ｏｖｅｒ）」形成される堆積材料に関して使用される「上に」という用語は、本明細書において、堆積材料が、含意される側面または表面の「上に直接」形成されること、例えば、含意される側面または表面に直接接触して形成されることを意味するために使用されてもよい。側面または表面の「上に」形成される堆積材料に関して使用される「上に」という用語は、本明細書において、１つ以上の追加の層が含意される側面または表面と堆積材料との間に配置された状態で、堆積材料が、同含意される側面または表面の「上に間接的に」形成され得ることを意味するために使用されてもよい。言い換えれば、第２の層の「上に」ある第１の層は、第２の層上に直接配置される第１の層を参照するか、または第１の層および第２の層は、１つ以上の介在層によって分離されることを参照する。
【0011】
本明細書で説明される複合構造体は、種々の方向で動作可能であってもよく、したがって、以下の説明で使用される場合、用語「上部（ｔｏｐ）」、「最上部（ｔｏｐｍｏｓｔ）」、「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「最下部（ｂｏｔｔｏｍｍｏｓｔ）」といった用語は、利便性および相対的な位置もしくは方向の理解を支援するためのものであり、複合構造体の方向を制限することを意図したものではないことが理解されるべきである。
【0012】
種々の実施形態の文脈において、特徴または要素に関して使用される冠詞「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、特徴または要素の１つ以上への参照を含む。
種々の実施形態の文脈において、数値に適用される「約」または「およそ」という用語は、正確な値と合理的な分散とを包含する。
種々の実施形態の文脈において、数値に適用される「約」または「およそ」という用語は、正確な値と合理的な分散とを包含する。
【0013】
本明細書で使用される「および／または」という用語は、関連する列記された事項の１つ以上の任意のおよび全ての組み合わせを含む。
アクティブ包装（Ａｃｔｉｖｅ ｐａｃｋａｇｉｎｇ）とは、外部環境に対する不活性バリア以外の望ましい機能を備えた包装システムを指し、それにより包装された食品の品質、保存期間、安全性が向上する。
アクティブ包装（Ａｃｔｉｖｅ ｐａｃｋａｇｉｎｇ）とは、外部環境に対する不活性バリア以外の望ましい機能を備えた包装システムを指し、それにより包装された食品の品質、保存期間、安全性が向上する。
【0014】
酸素は食品腐敗の主な要因の１つであるため、酸素捕捉剤はプラスチック包装市場の５７％を占める可能性がある。酸素吸収剤の需要は、包装された生鮮食品の需要の増加によって刺激される可能性がある。鉄粉捕捉剤（ｉｒｏｎ ｐｏｗｄｅｒ ｓｃａｖｅｎｇｅｒ）は広く受け入れられており、酸素捕捉剤（ｏｘｙｇｅｎ ｓｃａｖｅｎｇｅｒ）として広く市販されている。鉄粉捕捉剤は、酸素捕捉能力が高く、無毒かつ低コストであり、有機捕捉剤とは異なり、副産物としての臭気がない。しかしながら、鉄粉捕捉剤はそのサイズが大きく（ミリメートルスケール）、捕捉効率が比較的低く、小袋包装に制限されている。
【0015】
鉄ベースの酸素捕捉剤の効率は、吸収能力（吸収されるＯ２のｃｍ３／鉄のグラム）と吸収率に依存し得る。集合体を伴わない担体または支持体上の鉄粒子の良好な分散（均一性）は、その吸収能力を高めると仮定されている。さらに、ナノサイズの安定した鉄粒子と高い表面積の支持体は、優れた吸収能力を備えた酸素捕捉剤を製造するための重要な要因である。
【0016】
本願の発明者らは、バイオマス材料に由来する炭素粒子を調製し、それをナノ構造化されたゼロ価の鉄粒子のための支持体、保護剤および還元剤として使用する方法を以前に考え出していた。鉄粒子は、炭素支持体の表面に均一に成長し、周囲条件下で良好な均一性と高い安定性を示した。開発された鉄／炭素ナノ構造体は、包装用途において有望な酸素捕捉特性を示している。鉄／炭素ナノ構造体は小規模では準備されていた。これらのＦｅ／Ｃハイブリッドナノ粒子の製造プロセスをスケールアップすることは困難な場合がある。
【0017】
電気化学キャパシタセルに適用する炭素粒子を調製する従来の方法の１つは、圧力容器内で前駆体として炭水化物ベースの材料（キシロース、セルロース、グルコースなど）を使用することである。このような方法は、４０ｎｍ～１２３５ｎｍの範囲のサイズの炭素粒子を得るのに少なくとも３０時間という非常に長い時間を要する場合がある。
【0018】
別の従来の方法は、二段階反応によりバイオマスから水熱炭素材料を調製することに関する。アクリル酸およびアクリルアミドプロピルスルホン酸のような共重合可能な化合物をバイオマス材料に組み込んで、水熱炭化プロセスを制御してもよい。バイオマス前駆体から炭素粒子を得るには１２時間かかる。合成される炭素粒子は、典型的には１～１０μｍの範囲であり得る。
【0019】
さらに別の従来の方法は、酸素捕捉粒子を調製することに関する。酸素捕捉剤は、マイクロサイズの鉄粒子、塩化ナトリウム、および塩化アルミニウムなどの酸性化成分で構成されていてもよい。そのような酸素捕捉剤を調製するために、すべての成分が機械的混合機に加えられ、成分の均一な混合が達成される。しかしながら、酸素捕捉粒子の捕捉性能は報告されていない。
【0020】
さらなる従来の方法は、元素がドープされた酸化セリウム粒子を酸素捕捉剤として調製する方法に関する。イットリウム（Ｙ）、カルシウム（Ｃａ）、およびプラセオジム（Ｐｒ）のうちの少なくとも１つの元素でドープされた酸化セリウム粒子が開示されている。これらの酸化セリウム粒子は、ドーパント元素を含む酸化セリウムの複合体酸化物を１４００℃以上の温度で約１時間焼成することにより形成される。還元ガス（水素）ストリームで１０００℃にて１時間活性化した後、酸化セリウム粒子は良好な酸素捕捉性能を示す。酸化セリウム粒子の調製プロセスは、危険でかつ費用がかかる場合がある。
【0021】
種々の実施形態は、１つ以上の複合構造体を形成する方法を提供し得る。種々の実施形態は１つ以上の複合構造体を形成する方法を提供し、同１つ以上の複合構造体のそれぞれが炭素（Ｃ）および鉄（Ｆｅ）を含み得る。種々の実施形態は、食品包装への適用のためのＦｅ／Ｃナノ粒子の大量生産のための方法を提供し得る。種々の実施形態は、炭素ナノ粒子の大規模合成時に、適切な比率のリン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の添加を伴い、それは、１時間以内に高い生産収率で望ましいナノ粒子をもたらし得る。種々の実施形態は、噴霧乾燥機の使用およびグルコサミンの添加を伴い、それはより高い鉄含有量を有するＦｅ／Ｃを生成し得る。グルコサミンは、炭素支持体上でナノサイズ化されたＦｅ粒子を達成し、酸素を捕捉する（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ）ための望ましい構造体を生成するのにも役立つ。
【0022】
図１は、種々の実施形態に従って１つ以上の複合構造体を形成する方法を図示する概略図を示す。同方法は、１０２において、水熱プロセスを介して炭素源から１つ以上の炭素構造体を形成することを含み得る。同方法はまた、１０４で、炭素構造体上に鉄を導入して、炭素および鉄を含む１つ以上の複合構造体を形成することを含み得る。
【0023】
言い換えれば、この方法は、水熱プロセスを使用して１つ以上の炭素構造体、すなわち炭素担体を形成することを包含し得る。１つ以上の炭素構造体の炭素は、炭素源に由来し得る。同方法は、炭素構造体上に鉄を提供して複合構造体を形成することをさらに含み得る。
【0024】
水熱プロセスは、高温蒸気圧にて、高温水溶液または混合物からの物質（例えば炭素粒子または炭素球）の結晶化を包含し得る。
種々の実施形態において、複合構造体は形状が実質的に球形であってもよい。複合構造体は、粒子、例えばナノ粒子であってもよい。現在の文脈において、ナノ粒子は、１０００ｎｍ未満の直径を有する粒子であり得る。
種々の実施形態において、複合構造体は形状が実質的に球形であってもよい。複合構造体は、粒子、例えばナノ粒子であってもよい。現在の文脈において、ナノ粒子は、１０００ｎｍ未満の直径を有する粒子であり得る。
【0025】
１つ以上の炭素構造体の各炭素構造体は、炭素粒子、例えば炭素ナノ粒子であり得る。種々の実施形態において、各炭素粒子は球形であってもよく、炭素球（ｃａｒｂｏｎ ｓｐｈｅｒｅ）と称されてもよい。
【0026】
炭素源はバイオマス材料であってもよい。バイオマス材料は、Ｄ－（＋）－グルコース、Ｄ－（＋）－グルコサミン塩酸塩、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれかであり得る。バイオマス材料は、任意の単糖類または任意の単糖類を含む混合物であり得る。
【0027】
種々の実施形態において、炭素源から１つ以上の炭素構造体を形成することは、炭素源にシード添加剤（ｓｅｅｄｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｖｅ）を導入することをさらに含んでもよい。シード添加剤は、カリウム塩またはリン酸塩であり得る。種々の実施形態において、シード添加剤はリン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）であってもよい。リン酸一カリウムなどのシード添加剤は、炭素粒子または炭素球のような炭素構造体を生成する触媒として機能し、各炭素構造体のサイズを縮小しながら、１つ以上の炭素構造体の収率を向上させることができる。
【0028】
炭素源へのシード添加剤の導入は、炭素源を含む混合物または溶液（例えばグルコース溶液）の形成、および炭素源を含む混合物または溶液へのシード添加剤の添加を含み得る。例えば、Ｄ－（＋）－グルコースを溶液に溶解し、Ｄ－（＋）－グルコースを含む溶液にリン酸一カリウムを加えてもよい。
【0029】
種々の実施形態において、この方法は、添加剤混合物または溶液を形成すること、および添加剤溶液と炭素源を含む混合物または溶液とを混合することを含み得る。例えば、Ｄ－（＋）－グルコースおよびリン酸一カリウムは、それぞれ溶液に溶解してもよい。
【0030】
種々の実施形態において、炭素源を含む混合物または溶液は、水（例えば脱イオン水）のような適切な溶媒をさらに含んでもよい。炭素源は適切な溶媒に溶解してもよい。
シード添加剤は、１００重量パーセントとみなされる炭素源（例えば、グルコース源）の質量に対して、０．０１重量パーセント（ｗｔ％）～１０重量パーセント（ｗｔ％）の範囲、例えば０．１重量パーセント～０．５重量パーセントの範囲から選択される任意の１つの値の濃度を有してもよい。言い換えれば、シード添加剤は、炭素源に対して０．０１重量％～１０重量％、または０．１重量％～０．５重量％の範囲から選択される任意の１つの値であり得る。シード添加剤の質量の１つ以上の炭素源の質量に対する比は、０．０１：１００～１０：１００（例えば０．１：１００～０．５：１００）の範囲であり得る。例えば、グルコース源への０．１重量％～０．５重量％の添加物は、１００グラムのグルコースあたり０．１グラム～０．５グラムの添加物を指す。
シード添加剤は、１００重量パーセントとみなされる炭素源（例えば、グルコース源）の質量に対して、０．０１重量パーセント（ｗｔ％）～１０重量パーセント（ｗｔ％）の範囲、例えば０．１重量パーセント～０．５重量パーセントの範囲から選択される任意の１つの値の濃度を有してもよい。言い換えれば、シード添加剤は、炭素源に対して０．０１重量％～１０重量％、または０．１重量％～０．５重量％の範囲から選択される任意の１つの値であり得る。シード添加剤の質量の１つ以上の炭素源の質量に対する比は、０．０１：１００～１０：１００（例えば０．１：１００～０．５：１００）の範囲であり得る。例えば、グルコース源への０．１重量％～０．５重量％の添加物は、１００グラムのグルコースあたり０．１グラム～０．５グラムの添加物を指す。
【0031】
水熱プロセスは、１８０℃～２１０℃の任意の温度範囲で実施することができる。水熱プロセスの滞留時間は１時間以下（０～１時間）である。水熱プロセスは、Ｐａｒｒ撹拌高圧反応器を使用して実施され得る。炭素源を含む混合物または溶液を攪拌してもよい。撹拌速度は、より均一な球状炭素粒子を提供するために、毎分０回転（ｒｐｍ）～毎分１００回転（ｒｐｍ）、好ましくは１０～１００ｒｐｍ、さらに好ましくは１０～５０ｒｐｍの範囲から選択される任意の１つの値であり得る。
【0032】
水熱プロセスまたは水熱反応ごとに加熱または処理される混合溶液の量は、１リットル～３リットル、好ましくは１．５リットル～２．５リットルの範囲から選択される任意の１つの値であり得る。
【0033】
他の圧力反応器も水熱プロセスに使用でき、処理される溶液の量は１０ミリリットル（ｍｌ）～１０リットル、さらには１００リットル以上である。
１８０℃で測定される圧力は、約１３５ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）（０．９３ＭＰａ）～約１５０ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）（１．０３ＭＰａ）であり得る。２１０℃で測定された圧力は、約２６５ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）（１．８２ＭＰａ）～約２８０ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）（１．９３ＭＰａ）であり得る。
１８０℃で測定される圧力は、約１３５ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）（０．９３ＭＰａ）～約１５０ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）（１．０３ＭＰａ）であり得る。２１０℃で測定された圧力は、約２６５ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）（１．８２ＭＰａ）～約２８０ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）（１．９３ＭＰａ）であり得る。
【0034】
各炭素粒子は、５０ナノメートル（ｎｍ）～１マイクロメートル（ｍ）の範囲から選択された任意の１つの値のサイズまたは直径を有してもよい。炭素粒子の収率は、２０％以上、たとえば２０％～８０％、たとえば約５０％であってもよい。
【0035】
種々の実施形態において、１つ以上の複合構造体に含まれる鉄は、１００重量パーセントとみなされる１つ以上の複合構造体に含まれる炭素に対して、１重量パーセント～８０重量パーセントの範囲から選択される任意の１つの値であり得る。言い換えれば、鉄と炭素の比率は１：１００～８０：１００の範囲であり得る。１つ以上の複合構造体に含まれる鉄は、炭素に対して１重量％～８０重量％の範囲から選択される任意の１つの値であり得る。
【0036】
１つ以上の炭素構造体上に鉄を導入して１つ以上の複合構造体を形成することは、鉄塩を適切な溶媒に溶解して前駆体溶液を形成することを含み得る。１つ以上の炭素構造体上に鉄を導入して１つ以上の複合構造体を形成することは、前駆体溶液と１つ以上の炭素構造体を含む懸濁液または混合物を混合して、結果として得られる混合物を形成することをさらに含み得る。１つ以上の炭素構造体を含む懸濁液または混合物は、１つ以上の炭素構造体および適切な溶媒もしくは液体の添加により形成され得る。鉄塩は、硝酸鉄、塩化鉄、硫酸鉄、グルコン酸鉄、クエン酸鉄、およびシュウ酸鉄からなる群から選択される１つまたは複数であり得る。
【0037】
１つ以上の複合構造体を形成するために１つ以上の炭素構造体上に鉄を導入することは、鉄塩および１つ以上の炭素構造体を含む得られた混合物を乾燥することをさらに含み得る。得られた混合物を乾燥することは、噴霧乾燥、回転蒸発、凍結乾燥、風乾または室温での真空乾燥により行われ、乾燥したまたは部分的に乾燥した複合構造体を形成する。乾燥したまたは部分的に乾燥した複合構造体は、６０℃～８０℃の範囲から選択される任意の１つの温度でさらにまたは完全に乾燥させてもよい。
【0038】
同方法は、得られた混合物を乾燥する前に、得られた混合物に凝集防止添加剤（ａｎｔｉ－ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ ａｄｄｉｔｉｖｅ）を添加することも含み得る。凝集防止添加剤は、グルコサミン、メラミン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれか１つであり得る。凝集防止添加剤は、炭素粒子への鉄の高負荷（ｌｏａｄｉｎｇ）を達成するのに役立ち、集合体（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ）または凝集体（ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ）を回避または低減するのに役立つ。
【0039】
凝集防止添加剤は、１００重量パーセントとみなされる炭素粒子の質量に対して、１重量パーセント～５０重量パーセントの範囲から選択される任意の１つの値の濃度を有してもよい。言い換えれば、炭素の量に対する凝集防止添加剤の量は、１：１００～５０：１００の範囲であり得る。凝集防止添加剤は、炭素粒子に対して１重量％～５０重量％の範囲から選択される任意の１つの値であり得る。
【0040】
種々の実施形態において、１つ以上の炭素構造体上に鉄を導入して１つ以上の複合構造体を形成することは、熱分解プロセスで得られた混合物を加熱することにより鉄塩を還元することをさらに含み得る。
【0041】
得られた混合物は、窒素、アルゴン、および水素と窒素の混合物からなる群から選択されるいずれか１つの環境で加熱してもよい。
種々の実施形態において、得られた混合物は、水素と窒素の混合物の環境で加熱されてもよい。水素は、１００％とみなされる窒素に対して１体積％～１０体積％の任意の１つの値であり得る。言い換えれば、水素と窒素の比率は１：１００～１０：１００の範囲であり得る。種々の実施形態において、水素は窒素に対して５体積％であってもよい。
種々の実施形態において、得られた混合物は、水素と窒素の混合物の環境で加熱されてもよい。水素は、１００％とみなされる窒素に対して１体積％～１０体積％の任意の１つの値であり得る。言い換えれば、水素と窒素の比率は１：１００～１０：１００の範囲であり得る。種々の実施形態において、水素は窒素に対して５体積％であってもよい。
【0042】
種々の実施形態において、熱分解プロセスの温度は、５００℃～９００℃の範囲から選択される任意の１つの値である。
種々の実施形態は、本明細書に記載の任意の１つの方法に従って形成された複合構造体を提供し得る。
種々の実施形態は、本明細書に記載の任意の１つの方法に従って形成された複合構造体を提供し得る。
【0043】
図２は、種々の実施形態に従う複合構造体２００の一般的な図を示す。複合構造体２００は複合粒子であってもよい。複合構造体は、炭素を含むマトリックスまたは支持体２０２と、鉄を含む１つ以上のナノ構造体２０４と、を含み得る。１つ以上のナノ構造体２０４は、マトリックスまたは支持体２０２上に接着されるか、少なくとも部分的に埋め込まれてもよい。１つ以上のナノ構造体２０４は、ナノ粒子であり得る。１つ以上のナノ構造体２０４は、マトリックスまたは支持体２０４の表面上にあってもよい。
【0044】
種々の実施形態において、複合構造体２００は形状が実質的に球形であってもよい。複合構造体２００は、粒子、例えばナノ粒子であってもよい。種々の実施形態において、１つ以上のナノ構造体２０４の各ナノ構造体は、形状が実質的に球形であってもよい。種々の実施形態において、複合構造体２００は、孤立した鉄ナノ粒子（ｉｓｏｌａｔｅｄ ｉｒｏｎ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ）２０４を有する炭素球マトリックスまたは支持体２０２を含み得る。
【0045】
１つ以上のナノ構造体２０４に含まれる鉄は、金属鉄であり得る。言い換えれば、１つ以上のナノ構造体２０４に含まれる鉄は、価数が０であってもよい。支持体またはマトリックス２０２の中またはそれらの上に含まれる炭素はまた、原子価が０であってもよい。
【0046】
種々の実施形態において、複合構造体２００は、５０ｎｍ～１μｍの範囲から選択されるいずれか１つの値のサイズまたは直径を有していてもよい。種々の実施形態において、複合構造体２００は、約３００ｎｍのサイズまたは直径を有し得る。
【0047】
種々の実施形態において、１つ以上のナノ構造体２０４の各ナノ構造体は、５０ｎｍ未満、例えば２０ｎｍ未満のサイズまたは直径を有し得る。１つ以上のナノ構造体２０４の各ナノ構造体は、０．１ｎｍを超えるサイズまたは直径を有し得る。
【0048】
図３Ａは、種々の実施形態に従う１つ以上の複合構造体を形成する方法を示す概略図を示す。同方法は、３０２において、炭素ナノ粒子の大規模な合成のための水熱プロセスまたは水熱反応を含み得る。同方法は、３０４において、噴霧乾燥プロセスも含み得る。同方法は、３０６において、炭化または熱分解ステップも含み得る。
【0049】
図３Ｂは、種々の実施形態に従う水熱プロセスで使用されるＰａｒｒ撹拌高圧反応器（３．７５リットル）の画像を示す。
水熱処理プロセスは、０～１時間の滞留時間で１８０～２１０℃の温度範囲で起こり得る。加熱時間を除く合成時間は、０分～３０分であり得る。撹拌速度は、均一な球状粒子を提供するために、０ｒｐｍ～２００ｒｐｍ、好ましくは１０～１００ｒｐｍ、さらに好ましくは１０～５０ｒｐｍであり得る。反応あたりの溶液の量は、１～３リットル、好ましくは１．５～２．５リットルであり得る。種々の実施形態は、１０ｍｌ～１０リットル規模の、または１００リットル以上のその他の同様の圧力反応器を使用してもよい。１８０℃で測定される圧力は、約１３５ＰＳＩ（０．９３ＭＰａ）～約１５０ＰＳＩ（１．０３ＭＰａ）であり得る。２１０℃で測定される圧力は、約２６５ＰＳＩ（１．８２ＭＰａ）～約２８０ＰＳＩ（１．９３ＭＰａ）であり得る。
水熱処理プロセスは、０～１時間の滞留時間で１８０～２１０℃の温度範囲で起こり得る。加熱時間を除く合成時間は、０分～３０分であり得る。撹拌速度は、均一な球状粒子を提供するために、０ｒｐｍ～２００ｒｐｍ、好ましくは１０～１００ｒｐｍ、さらに好ましくは１０～５０ｒｐｍであり得る。反応あたりの溶液の量は、１～３リットル、好ましくは１．５～２．５リットルであり得る。種々の実施形態は、１０ｍｌ～１０リットル規模の、または１００リットル以上のその他の同様の圧力反応器を使用してもよい。１８０℃で測定される圧力は、約１３５ＰＳＩ（０．９３ＭＰａ）～約１５０ＰＳＩ（１．０３ＭＰａ）であり得る。２１０℃で測定される圧力は、約２６５ＰＳＩ（１．８２ＭＰａ）～約２８０ＰＳＩ（１．９３ＭＰａ）であり得る。
【0050】
図４Ａ～図４Ｄは、種々の実施形態に従う炭素粒子の形成を示す。図４Ａは、種々の実施形態に従う高圧反応器内のグルコース分子を示す概略図である。図４Ｂは、種々の実施形態に従う脱水および重合を使用して図４Ａに示されるグルコース分子から形成された炭素ナノ粒子を示す概略図である。図４Ｃは、種々の実施形態に従って炭素粒子を形成するべく、図４Ｂに示される炭素ナノ粒子の集合体を示す。図４Ｄは、図４Ｃに示される凝集した炭素ナノ粒子からの種々の実施形態に従う成長または炭素粒子もしくは炭素球を示す。いくつかの炭素ナノ粒子が集合して、より大きな炭素粒子を形成する場合がある。図４Ｅは、種々の実施形態に従う複合粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。複合粒子は鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子として参照される。
【0051】
炭素粒子の成長を制御する要因には、温度、時間、および／または炭素源（たとえばグルコース）の濃度が含まれ得る。
グルコース分子はＤ－（＋）－グルコースであってもよい。種々の実施形態において、Ｄ－（＋）－グルコースは一定に維持されてもよく、リン酸一カリウム（０．１％～１重量％）などのシード添加剤が添加されてもよい。形成された炭素粒子はそれぞれ、サイズまたは直径範囲が５０ｎｍ～１μｍの球状であり、収率は２０％を超え、例えば２０％～８０％、例えば約５０％である。種々の実施形態において、２５０ｎｍ未満のサイズまたは直径を有する炭素粒子を得るために、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の添加がない場合、炭素ナノ粒子の収率は１０％未満であり得る。
グルコース分子はＤ－（＋）－グルコースであってもよい。種々の実施形態において、Ｄ－（＋）－グルコースは一定に維持されてもよく、リン酸一カリウム（０．１％～１重量％）などのシード添加剤が添加されてもよい。形成された炭素粒子はそれぞれ、サイズまたは直径範囲が５０ｎｍ～１μｍの球状であり、収率は２０％を超え、例えば２０％～８０％、例えば約５０％である。種々の実施形態において、２５０ｎｍ未満のサイズまたは直径を有する炭素粒子を得るために、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の添加がない場合、炭素ナノ粒子の収率は１０％未満であり得る。
【0052】
同じ炭素粒子サイズにおいて、より短い滞留時間内にＫＨ２ＰＯ４を添加すると、炭素粒子の収率が２３％超に増加する可能性がある。図５は、種々の実施形態に従う、０分～３０分の滞留時間について、２００℃および２１０℃での炭素粒子のサイズおよび炭素（Ｃ）収率を示す表である。
【0053】
反応は、反応器の温度が設定温度に達するとすぐに停止させる（即ち、滞留時間については０分間の滞留時間）か、あるいは、さらに２０分間または３０分間滞留させる（即ち、保持する）。滞留時間は、反応器の温度が設定温度に達する時間から開始する保持時間として定義できる。反応器の温度は設定温度まで上昇し、滞留時間に等しい期間の間、その設定温度に留めてもよい。設定温度は、炭素粒子を形成するために反応器が設定される温度であってもよい。
【0054】
収率は、水熱プロセスの炭素収率に基づいて計算され得る。収率は、乾燥炭素粒子の重量を炭素源または炭素前駆体の炭素の理論重量で除算し、１００を掛けた値に等しくなり得る。
【0055】
炭素ナノ粒子のサイズおよび収率は、ＫＨ２ＰＯ４の含有量に関係している可能性があることが明らかにされた。
図６は、種々の実施形態に従うリン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の添加の効果を実証する、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の重量パーセント（ｗｔ％）の関数としての炭素球のサイズ（ナノメートルまたはｎｍ）のプロットである。リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）が０重量パーセント（ｗｔ％）の場合、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）を添加せずに炭素球が形成され、一般に低収率でより大きなものとなる。図６は、同じプロセス条件で、ＫＨ２ＰＯ４塩の炭素球のサイズに調整する影響の傾向を示している。ＫＨ２ＰＯ４を０．１重量％添加すると、すべてのシナリオで炭素球のサイズが小さくなる。ＫＨ２ＰＯ４は、炭素球形成に対してより多くの種を生成するための触媒として働き、したがってサイズを縮小し、収率を改善し得る。高収率で小さな炭素ナノ粒子を達成するための範囲が存在し得る。同様のサイズの炭素ナノ粒子の生産収率におけるＫＨ２ＰＯ４の影響を図７に示す。図７は、種々の実施形態に従う、異なる水熱条件下で、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）を添加する、または添加しない場合の、炭素粒子の収率を示す表である。ＫＨ２ＰＯ４の添加による収率の増加率（％）は、少なくとも２０％、特定の水熱条件下では少なくとも６０％になる場合がある。
図６は、種々の実施形態に従うリン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の添加の効果を実証する、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）の重量パーセント（ｗｔ％）の関数としての炭素球のサイズ（ナノメートルまたはｎｍ）のプロットである。リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）が０重量パーセント（ｗｔ％）の場合、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）を添加せずに炭素球が形成され、一般に低収率でより大きなものとなる。図６は、同じプロセス条件で、ＫＨ２ＰＯ４塩の炭素球のサイズに調整する影響の傾向を示している。ＫＨ２ＰＯ４を０．１重量％添加すると、すべてのシナリオで炭素球のサイズが小さくなる。ＫＨ２ＰＯ４は、炭素球形成に対してより多くの種を生成するための触媒として働き、したがってサイズを縮小し、収率を改善し得る。高収率で小さな炭素ナノ粒子を達成するための範囲が存在し得る。同様のサイズの炭素ナノ粒子の生産収率におけるＫＨ２ＰＯ４の影響を図７に示す。図７は、種々の実施形態に従う、異なる水熱条件下で、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）を添加する、または添加しない場合の、炭素粒子の収率を示す表である。ＫＨ２ＰＯ４の添加による収率の増加率（％）は、少なくとも２０％、特定の水熱条件下では少なくとも６０％になる場合がある。
【0056】
Ｆｅ／Ｃハイブリッドナノ粒子を達成するために、鉄粒子は炭素粒子に均一に吸着され得る。鉄粒子は一般に５０ｎｍ未満、特に２０ｎｍ未満のサイズを有することが望ましい場合がある。鉄粒子の濃度は、炭素粒子の乾燥重量％に基づいて、１０～９０重量％の範囲、好ましくは３０～８０重量％の範囲、さらに好ましくは４０～５０重量％であり得る。鉄塩は、硝酸鉄、塩化鉄、硫酸鉄、グルコン酸鉄、クエン酸鉄およびシュウ酸鉄からなる群から選択される１つまたは複数を含んでもよい。鉄塩は、水のような溶媒に溶解することが好ましい場合がある。鉄塩を炭素粒子懸濁液に溶解することにより、鉄を炭素表面に含浸させることも好ましい場合がある。十分に浸漬した後、乾燥プロセスによって溶媒を除去してもよい。乾燥プロセスは、噴霧乾燥、回転蒸発、凍結乾燥、風乾、または室温での真空乾燥によって実施されてもよい。部分的に乾燥した炭素粒子は、６０℃～８０℃でさらに完全に乾燥させてもよい。
【0057】
種々の実施形態において、製造業で広く使用されている噴霧乾燥アプローチは、乾燥プロセスで好適に使用され得る。種々の実施形態において、５０％のＦｅを含む１ｇの炭素の乾燥プロセスは、２０～６０Ｌ／分の範囲の流量で、約１００℃にて噴霧乾燥することを包含し得る。炭素ナノ粒子への鉄の高負荷（ｌｏａｄｉｎｇ）を達成し、その上での鉄ナノ粒子の凝集を回避するために、噴霧乾燥プロセスの前にグルコサミンを炭素粒子と鉄塩との混合物に添加してもよい。添加されるグルコサミンの重量は、炭素粒子の重量の５％～５０％、好ましくは１０％～４０％、より好ましくは約２０％の任意の値であり得る。図８Ａは、種々の実施形態に従って、４０重量パーセントの鉄でグルコサミンを添加して調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図８Ｂは、種々の実施形態に従って、５０重量パーセントの鉄でグルコサミンを添加して調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図８Ｃは、種々の実施形態に従って、６０重量パーセントの鉄でグルコサミンを添加して調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図８Ｄは、種々の実施形態に従って、８０重量パーセントの鉄でグルコサミンを添加して調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図８Ａ～８Ｄに示されるサンプルの炭素の重量パーセントは１００重量％とみなされ得る。添加されるグルコサミンの重量は、炭素粒子（１００％として取得）の重量に対して約２０％である。鉄含有量の重量が炭素粒子の重量に対して最大８０％増加した場合でも、凝集のない均一なＦｅ／Ｃナノ粒子を得ることができる。
【0058】
図８Ｅは、種々の実施形態に従う、８０重量％の鉄および鉄の２０重量％のグルコサミン含有量を含む、鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の透過型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【0059】
図８Ｅに示すように、Ｆｅナノ粒子は炭素球の表面に均一に分布し得る。
図８Ｆは、種々の実施形態に従って、グルコサミンを添加せずに調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図８Ｇは、種々の実施形態に従って、グルコサミンを添加しない鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。図８Ｆおよび８Ｇに示されている粒子には、８０重量パーセントの鉄が含まれている。図８Ｅおよび８ＧのＴＥＭ画像は、グルコサミンの添加に伴い、より小さな鉄ナノ粒子が得られることを示している。
図８Ｆは、種々の実施形態に従って、グルコサミンを添加せずに調製された鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図８Ｇは、種々の実施形態に従って、グルコサミンを添加しない鉄－炭素（Ｆｅ／Ｃ）ハイブリッド粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。図８Ｆおよび８Ｇに示されている粒子には、８０重量パーセントの鉄が含まれている。図８Ｅおよび８ＧのＴＥＭ画像は、グルコサミンの添加に伴い、より小さな鉄ナノ粒子が得られることを示している。
【0060】
種々の実施形態に従うナノ構造化されたＦｅ／Ｃ粒子を調製する方法では、鉄塩を完全に還元してゼロ価の鉄粒子にする必要があり得る。４００～１０００℃、好ましくは５００～９００℃、特に好ましくは約５００℃の高温で実施されてもよい。種々の実施形態において、熱分解プロセスは、窒素ガスまたはアルゴンガスまたはフォーミングガス（ｆｏｒｍｉｎｇ ｇａｓ）下で実行されてもよい。種々の実施形態において、鉄塩をゼロ価の鉄粒子に完全に還元するために、５００℃での熱分解期間は約１２時間でなければならない場合がある。種々の実施形態において、時間および温度は、フォーミングガス条件を使用する熱分解プロセスで減少または低減し得る。
【0061】
調整可能なサイズと改善された収率を備えた炭素粒子の調製
ＫＨ２ＰＯ４を使用しない対照実験：Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社から入手した１８０ｇのＤ－（＋）－グルコース（＞９９．５％、ＧＣ）を１５００ｍｌの脱イオン水に溶解し、室温で３０分間攪拌した。次に、混合溶液をＰａｒｒ高圧反応器（容量３．７５リットル）に移した。反応器を３０～１８０分の間、１８０℃～２００℃に加熱し、次に室温まで冷却した。次に、それぞれが９０００ｒｐｍで１５分間の遠心分離により、粒子を脱イオン水で３回洗浄した。
ＫＨ２ＰＯ４を使用しない対照実験：Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社から入手した１８０ｇのＤ－（＋）－グルコース（＞９９．５％、ＧＣ）を１５００ｍｌの脱イオン水に溶解し、室温で３０分間攪拌した。次に、混合溶液をＰａｒｒ高圧反応器（容量３．７５リットル）に移した。反応器を３０～１８０分の間、１８０℃～２００℃に加熱し、次に室温まで冷却した。次に、それぞれが９０００ｒｐｍで１５分間の遠心分離により、粒子を脱イオン水で３回洗浄した。
【0062】
ＫＨ２ＰＯ４を使用した実験：Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社から入手した１８０ｇのＤ－（＋）－グルコース（＞９９．５％、ＧＣ）を１５００ｍｌの脱イオン水に溶解し、室温で３０分間撹拌した。０．０５重量％～０．５重量％のＫＨ２ＰＯ４を添加し、さらに５分間撹拌した。次に、混合溶液をＰａｒｒ高圧反応器（容量３．７５リットル）に移した。反応器を０分間～３０分の間、２００℃～２１０℃に加熱して、次いで、室温まで冷却した。次に、それぞれが９０００ｒｐｍで１５分間の遠心分離により、粒子を脱イオン水で３回洗浄した。
【0063】
いくつかのサンプルのサイズと収率の結果を図５～７に示す。
ＫＨ２ＰＯ４を添加した場合と添加しない場合のＦｅ／Ｃハイブリッド粒子の酸素捕捉性能。
ＫＨ２ＰＯ４を添加した場合と添加しない場合のＦｅ／Ｃハイブリッド粒子の酸素捕捉性能。
【0064】
炭素粒子は上記の方法に従って調製された。反応物を２００℃に加熱し、２０分間保持した。５回の反応（ＫＨ２ＰＯ４の０％、０．０５％、０．１％、０．３％、０．５％を用いた炭素粒子）後、合計で５つの異なる炭素粒子が調製された。次に、硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物溶液を炭素粒子懸濁液に加え、７００ｒｐｍで一晩撹拌した。３．６ｇの硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物を含む１ｇの炭素粒子は、５０％のＦｅを生成する。噴霧乾燥プロセスにより水を除去した。次に、Ｆｅ／Ｃの粉末を管状炉内の石英管に入れ、不活性環境下で５℃／分のランプ速度（ｒａｍｐ ｒａｔｅ）で８００℃に加熱した。サンプルは８００℃で３時間保持された。その後、サンプルを不活性環境下で周囲温度まで冷却してから、管状炉より取り出した。合成されたままのナノ構造化Ｆｅ／Ｃ粒子を、０．０１ｇのＮａＣｌを含む水溶液と混合し、サンプルを不活性環境下、オーブン内で乾燥した。サンプルの酸素捕捉試験は、１００％の相対湿度で行われ、その性能は図９に示されている。
【0065】
図９は、種々の実施形態に従う複合粒子の捕捉能力（鉄（Ｆｅ）のグラム（ｇ）当たり）を列記する表を示す。複合粒子は、０％、０．０５％、０．１％、０．３％、および０．５％のＫＨ２ＰＯ４を含み得る。
【0066】
異なる鉄含有量のＦｅ／Ｃハイブリッド粒子の調製
炭素粒子上のＦｅ濃度を変更することにより、異なる捕捉速度および捕捉能力を備えたＦｅ／Ｃを調製した。直径３００ｎｍの炭素ナノ粒子は、０．１％のＫＨ２ＰＯ４を使用して２１０℃での水熱プロセスによって調製した。遠心分離による精製後、調製されたままの炭素粒子を、硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物を含む水溶液に加え、室温で３０分間撹拌した。グルコサミン（Ｆｅの２０重量％）を混合物に加え、懸濁液を７００ｒｐｍで一晩撹拌した。噴霧乾燥機を使用してサンプルを乾燥させた。次に、異なるＦｅ含有量のＦｅ／Ｃを管状炉に入れ、不活性環境下で５℃／分のランプ速度で８００℃まで加熱した。サンプルを約８００℃で３時間保持した。
炭素粒子上のＦｅ濃度を変更することにより、異なる捕捉速度および捕捉能力を備えたＦｅ／Ｃを調製した。直径３００ｎｍの炭素ナノ粒子は、０．１％のＫＨ２ＰＯ４を使用して２１０℃での水熱プロセスによって調製した。遠心分離による精製後、調製されたままの炭素粒子を、硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物を含む水溶液に加え、室温で３０分間撹拌した。グルコサミン（Ｆｅの２０重量％）を混合物に加え、懸濁液を７００ｒｐｍで一晩撹拌した。噴霧乾燥機を使用してサンプルを乾燥させた。次に、異なるＦｅ含有量のＦｅ／Ｃを管状炉に入れ、不活性環境下で５℃／分のランプ速度で８００℃まで加熱した。サンプルを約８００℃で３時間保持した。
【0067】
その後、サンプルを不活性環境下で周囲温度まで冷却してから、管状炉から取り出した。合成されたままのナノ構造化Ｆｅ／Ｃ粒子を、ＮａＣｌ（Ｆｅ／Ｃの７．５ｗｔ％）を含む水溶液と混合し、サンプルを不活性環境下、オーブン内で乾燥した。酸素捕捉試験は、１００％の相対湿度で実施した。
【0068】
図１０は、種々の実施形態に従う、異なる鉄含有量を有する複合粒子の酸素濃度（パーセントまたは％）を時間（時間またはＨｒｓ）とともに示す表である。
図１１は、時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、５日間にわたり種々の実施形態に従う異なる鉄含有量を有する複合粒子の酸素捕捉性能を示す。
図１１は、時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、５日間にわたり種々の実施形態に従う異なる鉄含有量を有する複合粒子の酸素捕捉性能を示す。
【0069】
図１２は、時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、種々の実施形態に従う異なるサイズの複合粒子の酸素捕捉性能を経時的に示す。図１２から、サイズが約３００ｎｍのＦｅ／Ｃ粒子の酸素捕捉性能は、それらが酸素をより多く吸着できるため、１００または２００ｎｍのものの酸素捕捉性能よりも優れていることがわかる。一方、サイズが約３００ｎｍのＦｅ／Ｃ粒子は、フィルムに組み込まれた場合、５００ｎｍのサイズのものと比較してより良好な透明性を呈し得る。したがって、サイズが約３００ｎｍの炭素球が好ましい。
【0070】
異なる炭素熱温度でのＦｅ／Ｃハイブリッド粒子の酸素捕捉性能
３００ｎｍの炭素ナノ粒子を硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物溶液と混合し（Ｆｅの供給率は５０重量％）、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥した。次に、不活性環境下で、異なる温度（５００～９００℃）にて、異なる期間（３～１２時間）の間、管状炉内でサンプルをアニールした。
３００ｎｍの炭素ナノ粒子を硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物溶液と混合し（Ｆｅの供給率は５０重量％）、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥した。次に、不活性環境下で、異なる温度（５００～９００℃）にて、異なる期間（３～１２時間）の間、管状炉内でサンプルをアニールした。
【0071】
炉のランプ速度は５℃／分に設定した。その後、サンプルをアルゴン下で周囲温度まで冷却してから、管状炉から取り出した。合成されたままのナノ構造化Ｆｅ／Ｃ粒子を、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）（Ｆｅ／Ｃの７．５ｗｔ％）を含む水溶液と混合し、サンプルを不活性環境下、オーブン内で乾燥させた。酸素捕捉試験は１００％の相対湿度で実施され、その性能は図１３～１４に示されている。図１３は、種々の実施形態に従う、種々の異なる温度および持続時間でのアニーリングによって調製された複合粒子の酸素濃度（パーセントまたは％）を時間（時間またはＨｒｓ）とともに示す表である。図１４は、時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、種々の実施形態に従う種々の異なる温度および持続時間でアニーリングすることにより調製された複合粒子の捕捉特性を示す。アニーリング時間で示されていない線は、３時間の間アニーリングされたサンプルを表す。
【0072】
フォーミングガスでアニールされたＦｅ／Ｃハイブリッド粒子の酸素捕捉性能
３００ｎｍの炭素ナノ粒子を硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物溶液と混合し（Ｆｅの供給率は５０重量％）、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥させた。次に、異なるＦｅ含有量のＦｅ／Ｃを管状炉に入れ、フォーミングガス中で５℃／分のランプ速度で８００℃まで加熱した。
３００ｎｍの炭素ナノ粒子を硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物溶液と混合し（Ｆｅの供給率は５０重量％）、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥させた。次に、異なるＦｅ含有量のＦｅ／Ｃを管状炉に入れ、フォーミングガス中で５℃／分のランプ速度で８００℃まで加熱した。
【0073】
サンプルは８００℃で３時間保持した。その後、サンプルをアルゴン下で周囲温度まで冷却してから、管状炉から取り出した。合成されたままのナノ構造化Ｆｅ／Ｃ粒子をＮａＣｌ（Ｆｅ／Ｃの７．５ｗｔ％）を含む水溶液と混合し、不活性環境下、オーブン内でサンプルを乾燥した。酸素捕捉試験は異なる湿度で実施され、性能を図１５に示す。図１５は、種々の実施形態に従って、５００℃および８００℃でのフォーミングガス中でアニールされた複合粒子の酸素濃度（パーセントまたは％）を時間（時間またはＨｒｓ）とともに示す表である。図１６は、（時間またはｈｒｓ）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、種々の実施形態に従う異なる温度にてフォーミングガス中でのアニーリングによって調製された複合粒子の酸素捕捉特性を示す。
【0074】
異なる湿度でのＦｅ／Ｃハイブリッド粒子の酸素捕捉性能
３００ｎｍの炭素ナノ粒子を硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物溶液と混合し（Ｆｅの供給率は５０重量％）、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥した。次に、不活性環境下で、異なる温度（５００～９００℃）で異なる期間（３～１２時間）、管状炉でサンプルをアニールした。炉のランプ速度は５℃／分に設定されている。その後、サンプルをアルゴン下で周囲温度まで冷却してから、管状炉から取り出した。合成されたままのナノ構造化Ｆｅ／Ｃ粒子をＮａＣｌ（Ｆｅ／Ｃの７．５ｗｔ％）を含む水溶液と混合し、不活性環境下、オーブン内でサンプルを乾燥した。酸素捕捉試験は、１００％に対して異なる湿度で実施し、その性能を図１７に示す。図１７は、種々の実施形態に従う、異なる湿度での複合粒子の鉄（Ｆｅ）のグラム（ｇ）当たりの最大捕捉能力を示す表である。
３００ｎｍの炭素ナノ粒子を硝酸鉄（ＩＩＩ）九水和物溶液と混合し（Ｆｅの供給率は５０重量％）、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥した。次に、不活性環境下で、異なる温度（５００～９００℃）で異なる期間（３～１２時間）、管状炉でサンプルをアニールした。炉のランプ速度は５℃／分に設定されている。その後、サンプルをアルゴン下で周囲温度まで冷却してから、管状炉から取り出した。合成されたままのナノ構造化Ｆｅ／Ｃ粒子をＮａＣｌ（Ｆｅ／Ｃの７．５ｗｔ％）を含む水溶液と混合し、不活性環境下、オーブン内でサンプルを乾燥した。酸素捕捉試験は、１００％に対して異なる湿度で実施し、その性能を図１７に示す。図１７は、種々の実施形態に従う、異なる湿度での複合粒子の鉄（Ｆｅ）のグラム（ｇ）当たりの最大捕捉能力を示す表である。
【0075】
図１８は、種々の実施形態に従う複合粒子に対するリン酸カリウムおよびグルコサミンの添加の影響を示す概略図である。値は、約３００ｎｍの直径の複合粒子に基づいている。
【0076】
図１９Ａは、時間（時間）の関数としての酸素濃度（パーセントまたは％）のプロットであり、種々の実施形態に従う複合粒子の酸素捕捉性能を経時的に示している。図１９Ｂは、種々の実施形態に従う複合粒子の酸素（Ｏ２）吸着能力を（鉄のグラム当たりの立方センチメートルまたはｃｃ／ｇＦｅにて）示す表である。
【0077】
図１９Ａ～Ｂは、約２０重量％のグルコサミンの添加がより高い酸素捕捉性能につながる可能性があることを示している。
図２０は、時間（時間）の関数としての吸収された酸素（鉄のグラム当たりの立方センチメートルまたはｃｍ３／ｇＦｅにて）のプロットであり、種々の実施形態に従う複合粒子の酸素捕捉性能を経時的に示している。図２０は、リン酸カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）を使用しない場合、Ｆｅ／Ｃ粒子が最大捕捉性能に達するのに約２日かかり、Ｆｅ／Ｃ粒子が捕捉性能に達するのに８時間しかかからないことを示している。
図２０は、時間（時間）の関数としての吸収された酸素（鉄のグラム当たりの立方センチメートルまたはｃｍ３／ｇＦｅにて）のプロットであり、種々の実施形態に従う複合粒子の酸素捕捉性能を経時的に示している。図２０は、リン酸カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）を使用しない場合、Ｆｅ／Ｃ粒子が最大捕捉性能に達するのに約２日かかり、Ｆｅ／Ｃ粒子が捕捉性能に達するのに８時間しかかからないことを示している。
【0078】
種々の実施形態は、非常に効率的な酸素捕捉のための調整可能なサイズを有する鉄／炭素ハイブリッド粒子を提供し得る。種々の実施形態は、炭素粒子上の均一な鉄分布および高収率を有するハイブリッド鉄／炭素ナノ粒子の大量生産の方法を提供し得る。
【0079】
種々の実施形態は、サイズを調整可能な、かつ大規模な量にて、ナノ構造化された鉄／炭素の生産を最大化するためのプロセスに関するものであり、工業生産に適している。種々の実施形態は、高温処理中にリン酸カリウムを導入することを包含し、これにより、より小さなサイズの炭素球がより高い収率、なおかつ性能を損なうことなく生成できる。種々の実施形態は、短時間（例えば、１時間未満）でハイブリッド粒子を形成でき、生産性を向上させることができる。種々の実施形態は、残留酸素を迅速に除去するための加速された捕捉速度を達成することができる。
【0080】
種々の実施形態は、グルコサミンを添加した噴霧乾燥プロセスを使用して、炭素球上に孤立した鉄ナノ粒子を備える理想的な構造体を形成できる。
種々の実施形態は、酸素捕捉に関連して、食品、飲料、および医薬品の包装に潜在的な用途を有し得る。
種々の実施形態は、酸素捕捉に関連して、食品、飲料、および医薬品の包装に潜在的な用途を有し得る。
【0081】
種々の実施形態は、非常に効率的な酸素捕捉剤として、小袋、透過性バッグ、シート状マット、および積層シートなどの種々の容器に固定することができる。ボトル内のポリマーおよびプラスチック化合物にさまざまな実施形態を使用することができる。プラスチックフィルムの多層コーティングにさまざまな実施形態を使用することができる。さまざまな実施形態をエネルギーの収穫および貯蔵に使用することができる。
【0082】
特定の実施形態を参照して本発明を特に示し説明したが、当業者は、添付の特許請求の範囲にて定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の種々の変更を行うことができることを理解すべきである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、特許請求の範囲と同等の意味および範囲内にあるすべての変更が含まれることが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図8F】
【図8G】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19A】
【図19B】
【図20】
