第一原理計算に基づく二酸化チタン高圧相固溶体の合成と常圧安定化

• Project/Area Number: 12J10639
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Inorganic materials/Physical properties
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 村田 秀信 独立行政法人物質・材料研究機構, 先端材料プロセスユニット, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,630,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 高圧合成 / 二酸化チタン / 光触媒 / 第一原理計算 / 格子振動 / 状態図

Outline of Annual Research Achievements

高圧下では、物質は常圧下とは異なる結晶構造・物性を示すため、高圧を有効利用できれば材料設計の選択肢が大幅に広がる。しかし、高圧相は必ずしも常圧下に回収できるとは限らず、本研究課題で対象としたTiO2にも複数の高圧相が報告されているが、その中でα-PbO2型TiO2のみが常圧下に回収可能である。本研究課題において昨年度に、α-PbO2型TiO2がrutile型やanatase型TiO2よりも高い光触媒活性を持つことを見出した。本年度はこのα-PbO2型TiO2のナノ粒子化による光触媒活性の向上と、より高い圧力で安定となるbaddeleyite(Bd)型TiO2の減圧過程におけるα-PbO2型TiO2への相転移機構の解析に取り組んだ。
α-PbO2型TiO2のナノ粒子化は市販のTiO2ナノ粒子を出発原料としてベルト型高温高圧装置を用いて行った。合成条件の最適化により、結晶子径100nm以下の粒子からなる凝集体のα-PbO2型TiO2が得られた。この試料に関し、犠牲剤(EDTA-2Na)共存・紫外光照射下における水素発生により光触媒活性の評価をすると、従来のTiO2ナノ粒子よりも高い光触媒活性を示し、有用な材料であることが示された。
一方、Bd型TiO2の減圧過程におけるα-PbO2型TiO2への相転移機構に関しては第一原理計算により解析した。Bd型とα-PbO2型TiO2の結晶構造を比較すると、Tiの配列が酷似しており、相転移が主にOの変位で特徴づけられることがわかった。Oの変位に関する活性化エネルギーを算出すると酸化物イオン伝導体のものと同程度の値であり、また、圧力が低いほど活性化エネルギーが高くなることがわかった。これらのことから、Bd型TiO2の常温常圧下への回収のためには、(a)酸素の変位を妨げる元素の添加、(b)衝撃法による圧力クエンチが有効であると考えられる。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Photo-Catalytic Activity of α-PbO2-type TiO2 (2014)
  • Author(s): H. Murata, Y. Kataoka, T. Kawamoto, I. Tanaka and T. Taniguchi
  • Journal Title: Phys. Stat. Solidi RRL Volume: 8 Issue: 10 Pages: 822-826
  • DOI: 10.1002/pssr.201409343
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] racture-induced amorphization of polycrystalline SiO2 stishovite: a potential platform for toughening in ceramics (2014)
  • Author(s): N. Nishiyama, F. Wakai, H. Ohfuji, Y. Tamenori, H. Murata, T. Taniguchi, M. Matsushita, M. Takahashi, E. Kulik, K. Yoshida, K. Wada, J. Bednarcik and T. Irifune
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 4 Issue: 1 Pages: 6558-1
  • DOI: 10.1038/srep06558
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Local environment of silicon in cubic boron nitride (2013)
  • Author(s): H. Murata, T. Taniguchi, S. Hishita, T. Yamamoto, F. Oba and I. Tanaka
  • Journal Title: J. Appl. Phys. Volume: 114 Issue: 23 Pages: 233502-233502
  • DOI: 10.1063/1.4849015
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 減圧過程におけるTiO2の逆転換に関する第一原理計算 (2014)
  • Author(s): 村田 秀信, 谷口 尚, 田中 功
  • Organizer: 第55回高圧討論会
  • Place of Presentation: 徳島大学(徳島県徳島市)
  • Year and Date: 2014-11-22 – 2014-11-24
• [Presentation] α-PbO2型TiO2ナノ多結晶体の合成と光触媒活性評価 (2014)
  • Author(s): 村田 秀信, 谷口 尚, 片岡 祐介, 川本 達也, 田中 功
  • Organizer: 日本金属学会2014年秋期(第155回)講演大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] Local environments of Dilute Dopants in c-BN (2014)
  • Author(s): H. Murata, T. Taniguchi, T. Yamamoto, F. Oba, I. Tanaka
  • Organizer: 8th International Symposium on Nitrides in Conjunction with the 7th International Workshop on Spinel Nitrides and Related Materials and the Marie Curie ITN 7th Framework Programme FUNEA(ISNT2014)
  • Place of Presentation: Wildbad Kreuth, Germany
  • Year and Date: 2014-08-31 – 2014-09-05
• [Presentation] Photo-Catalytic Application of High-Pressure Phase of TiO2 (2014)
  • Author(s): H. Murata, Y. Kataoka, T. Kawamoto,I. Tanaka and T. Taniguchi
  • Organizer: Eighth International Conference on Science and Technology of Advanced Ceramics (STAC-8)
  • Place of Presentation: メルパルク横浜(神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2014-06-25 – 2014-06-27
• [Presentation] α-PbO_2型TiO_2の光触媒活性 (2013)
  • Author(s): 村田 秀信, 片岡 祐介, 川本 達也, 田中 功, 谷口 尚
  • Organizer: 第53回高圧討論会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2013-11-14
• [Presentation] XANESによる立方晶窒化ホウ素中のSiおよびSの局所環境解析 (2013)
  • Author(s): 村田 秀信, 谷口 尚, 大場 史康, 田中 功
  • Organizer: 第53回高圧討論会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2013-11-14
• [Presentation] Photo-Catalytic Application of High-Pressure Phase of TiO_2 (2013)
  • Author(s): H. Murata, Y. Kataoka, T. Kawamoto, I. Tanaka and T. Taniguchi
  • Organizer: The 7th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC7)
  • Place of Presentation: メルパルク横浜(神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2013-06-19
• [Presentation] Local environment study of Si and S in c-BN (2013)
  • Author(s): H. Murata, T. Taniguchi, T. Yamamoto, F. Oba, I. Tanaka
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2013 (SBDD XVIII)
  • Place of Presentation: Cultuurcentrum Hasselt (Hasselt, Belgium)
  • Year and Date: 2013-02-27
• [Presentation] 立方晶窒化ホウ素中のSiの局所環境解析と機能探索 (2012)
  • Author(s): 村田秀信、谷口尚、山本知之、大場史康.田中功
  • Organizer: 第26回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 青山学院大学青山キャンパス総研ビル(東京都)
  • Year and Date: 2012-11-19
• [Presentation] 第一原理格子動力学計算によるTiO_2の温度・圧力相図 (2012)
  • Author(s): 村田秀信、谷口尚、田中功
  • Organizer: 第53回高圧討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学会館(大阪府)
  • Year and Date: 2012-11-08
• [Patent(Industrial Property Rights)] α－ＰｂＯ２型結晶ＴｉＯ２微粒子、その製造方法及びα－ＰｂＯ２型結晶ＴｉＯ２微粒子含有粉末 (2014)
  • Inventor(s): 村田 秀信, 谷口 尚
  • Industrial Property Rights Holder: 村田 秀信, 谷口 尚
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2014-148672
  • Filing Date: 2014-07-22