Fabrication of high-performance fluorine remover to solve African water problems

• Project/Area Number: 22H00568
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 64:Environmental conservation measure and related fields
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 手嶋 勝弥 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00402131)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺島 千晶 東京理科大学, 創域理工学部先端化学科, 教授 (00596942)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,470,000 (Direct Cost: ¥31,900,000、Indirect Cost: ¥9,570,000); Fiscal Year 2025: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2024: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2023: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2022: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: フラックス法 / フッ素除去材 / 結晶 / 層状化合物 / 超空間制御

Outline of Research at the Start

本研究では，アフリカ大陸，特にタンザニアやケニアなどの東アフリカ地域で問題視されるフッ素汚染された飲用水の浄化に資する高性能フッ素除去材料を創製することである。具体的には，電力や水道水などのインフラ設備の未発達な貧困地域において，安価で安心・安全な飲用水に誰もがアクセスできる浄水ソリューションを提案する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，前年度に続き，申請者が強みをもつフラックスサイエンスに立脚し，層状複水酸化物(LDH)結晶材料の超空間構造をデザインし，ナノ・マイクロ粒子合成から三次元構造化までを制御することで，東アフリカ地域で社会実装できる高性能なフッ素除去材を創製する。以下に4つの研究アプローチ①～④に関する成果・実績をまとめる。①LDH組成・原子配列制御，②LDH結晶発達面制御，③LDH結晶表面積・三次元構造制御(今年度非対象)，④東アフリカ地域でのFS実証。現在のところ，ほぼ計画通りに研究開発は進行している。
①本年度はLDHのうち，M2+／M3+の組み合わせがMg／AlあるいはNi／Feの主骨格組成をターゲットに据えた。フラックス法結晶育成技術を基盤とし，特異な形状をもつ結晶材料をつくり，LDHとして2価／3価の金属元素を高分散あるいはクラスタリングできた。それにより，Mg／Al系とNi／Fe系-LDHsにおいて，2価／3価の金属原子配列を制御することで，イオン交換容量を向上できた。
②特異な形状をもつフラックス育成結晶を前駆体に用いることで，特定の結晶面を発達させたLDH結晶を育成できる可能性を見いだした。特に，2成分あるいは3成分混合系フラックスを用いることで，テーブル面以外の結晶面の発達した晶相が出現した。
④本年度は，これまでに試作したフッ素除去材の加工技術の獲得に注力した。これまでバッチ試験で高性能を発現したLDH結晶系に関し，そのシート加工を試みた。特に，ガラス繊維上に担持させることを可能とし，そのイオン交換特性を評価できた。今後，フッ素除去材の性能を最大限に引き出せるように加工技術の改良に努める。さらに，高性能をもつMg系フッ素除去材の開発の端緒を捉えたため，この材料系の深化にも注力する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

上述のとおり，課題①，②，④において，当初予定どおりの研究を遂行できている。また，④では，試作フェーズに入ったこと，ならびに新たな材料系を見いだせたこともあり，（2）の評価を選択した。

Strategy for Future Research Activity

4つの課題①～④について今後の推進方策概略を下述する。これにより次年度の研究開発を効果的に推進する。
①LDH主骨格の面内原子配列を制御し，イオン交換反応に影響を及ぼす因子を特定するとともに，異種元素添加やハイエントロピー化に取り組む。特に，計算科学的視点の導入と精密分析を導入し，研究開発を加速する。
②上述①で得られたLDHや関連結晶材料組成・結晶構造を基盤とし，低温フラックス法などにより再結晶化を引き続き実施することで，晶相・晶癖制御の鍵を掴む。
③イオン交換反応・化学的吸着反応に最適(高速・高容量)な比表面積や三次元構造を導くために，実験系および計算系の両アプローチを試みる。
④これまでに研究開発に努めた結晶材料活用して，現地・タンザニアでFS実証するための基盤を整える。

Research Products

• [Journal Article] Nanoarchitectonics Solution Plasma Polymerization of Amino-Rich Carbon Nanosorbents for Use in Enhanced Fluoride Removal (2024)
  • Author(s): Tipplook Mongkol、Tanaka Hideki、Sudare Tomohito、Hagio Takeshi、Saito Nagahiro、Teshima Katsuya
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 16 Issue: 6 Pages: 7038-7046
  • DOI: 10.1021/acsami.3c15172
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Data-Driven Reactivity Predictions between a Solute and Solvent for Inorganic Crystal Growth in Solution (2023)
  • Author(s): T. Yamada, S. Ayuzawa, N. Katsuta, F. Hayashi, M. Koyama, K. Teshima
  • Journal Title: Cryst.Growth Des. Volume: 23 Issue: 11 Pages: 7863-7872
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.3c00659
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Flux-Method Process Informatics System and Its Application in Growth Control for Layered Perovskite Ba5Nb4O15 Crystals (2023)
  • Author(s): T. Yamada, H. Kaneko, F. Hayashi, T. Doi, M. Koyama, K. Teshima
  • Journal Title: Cryst.Growth Des. Volume: 23 Issue: 12 Pages: 8678-8693
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.3c00828
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Layer-Stacking Sequence Governs Ion-Storage in Layered Double Hydroxides (2023)
  • Author(s): Sudare Tomohito、Ueda Mizuki、Yamaguchi Takuro、Tipplook Mongkol、Tanaka Hideki、Hayashi Fumitaka、Teshima Katsuya
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 14 Issue: 2 Pages: 584-591
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c03553
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 六ニオブ酸カリウム結晶のフラックス成長のその場観察 (2023)
  • Author(s): 森脇聖尊、林文隆、山田哲也、手嶋勝弥
  • Journal Title: 日本材料科学会誌 材料の科学と工学 Volume: 60 Pages: 67-71
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge Distribution Controls On‐Target Separation of Low Nucleophilicity Anions in Layered Double Hydroxides (2022)
  • Author(s): Sudare Tomohito、Tamura Shuhei、Kashiwazaki Maru、Nakamura Yuki、Kawaguchi Kenta、Shiiba Hiromasa、Fujisawa Kazunori、Tipplook Mongkol、Tanaka Hideki、Hayashi Fumitaka、Teshima Katsuya
  • Journal Title: Advanced Materials Interfaces Volume: 9 Issue: 31 Pages: 2201484-2201484
  • DOI: 10.1002/admi.202201484
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High Li-Ion Selectivity of Five-Coordinate Layered Titanate K₂Ti₂O₅ (2022)
  • Author(s): Hayashi Fumitaka、Tatewaki Nanako、Sudare Tomohito、Terashima Chiaki、Teshima Katsuya
  • Journal Title: Langmuir Volume: 38 Issue: 43 Pages: 13288-13295
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c02443
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Critical role of water structure around interlayer ions for ion storage in layered double hydroxides (2022)
  • Author(s): Sudare Tomohito、Yamaguchi Takuro、Ueda Mizuki、Shiiba Hiromasa、Tanaka Hideki、Tipplook Mongkol、Hayashi Fumitaka、Teshima Katsuya
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 6448-6448
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34124-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Extended Solid-Solubility Limit in Layered Double Hydroxides: Tuning the Anion-Adsorption Selectivity (2022)
  • Author(s): Sudare Tomohito、Kawaguchi Kenta、Yamaguchi Kazuse、Hirono Kazuki、Tipplook Mongkol、Tanaka Hideki、Hayashi Fumitaka、Teshima Katsuya
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 34 Issue: 23 Pages: 10681-10690
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c02829
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 可視・近赤外線イメージングによるフラックス法結晶育成のその場観察 (2024)
  • Author(s): 森脇聖貴，林文隆，山田哲也，手嶋勝弥
  • Organizer: 日本結晶成長学会新技術新材料分科会第3回研究会
• [Presentation] フラックス法による機能性無機結晶材料の創製 (2024)
  • Author(s): 手嶋勝弥
  • Organizer: 日本セラミックス協会2024年年会
  • Invited
• [Presentation] 大型ナノシート複合積層膜の作製と電気化学測定によるイオン拡散挙動の解析 (2023)
  • Author(s): 林文隆，小木曽寿樹，田中厚志，仁科勇太，山田哲也，手嶋勝弥
  • Organizer: 日本化学会第103回春季年会
• [Presentation] クエン酸塩を用いた層状チタン酸塩結晶のワンステップ低温育成 (2023)
  • Author(s): 森脇聖貴，Kim Yongsu，守屋映祐，林文隆，山田哲也，手嶋勝弥
  • Organizer: 日本材料科学会2023年度学術講演大会
• [Presentation] 層間にNa+を含むリン酸ジルコニウム結晶の水熱合成とイオン交換特性 (2023)
  • Author(s): 白数優花，林文隆，山田哲也，藤澤一範，手嶋勝弥
  • Organizer: 表面技術協会関東支部第102回若手講演会
• [Presentation] 層状複水酸化物の抗菌活性向上：天然抗酸化剤のインターカレーションの効果 (2023)
  • Author(s): 上田瑞稀，Mongkol Tipplook，林文隆，山田哲也，手嶋勝弥
  • Organizer: 表面技術協会関東支部第102回若手講演会
• [Presentation] 水の脱フッ素化用吸着剤を目指したBi2O(OH)2SO4結晶のメカノケミカル合成 (2023)
  • Author(s): 高橋和花，Mongkol Tipplook，林文隆，山田哲也，手嶋勝弥
  • Organizer: 表面技術協会関東支部第102回若手講演会
• [Presentation] 無機バインダーを用いたチタン酸ナトリウム結晶構造体の作製と通水カラムへの応用 (2023)
  • Author(s): 杉山史弥，林文隆，山田哲也，手嶋勝弥
  • Organizer: 表面技術協会関東支部第102回若手講演会
• [Presentation] ベイズ最適化によるフッ化物イオン吸着層状複水酸化物結晶の合成 (2023)
  • Author(s): 原田隆希，林文隆，山田哲也，金子弘昌，手嶋勝弥
  • Organizer: 表面技術協会関東支部第102回若手講演会
• [Presentation] データ駆動アプローチに基づくフッ化物イオン吸着層状複水酸化物結晶の合成 (2023)
  • Author(s): 原田隆希，林文隆，山田哲也，金子弘昌，手嶋勝弥
  • Organizer: 日本化学会第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] 層状酸化物および酸硫化物結晶成長のその場観察とその成長様式の理解 (2023)
  • Author(s): 森脇聖貴，守屋映祐，林文隆，山田哲也，手嶋勝弥
  • Organizer: 第17回日本フラックス成長研究発表会
• [Presentation] Data-driven flux-method crystal growth of inorganic materials using bayesian predictive simulation (2023)
  • Author(s): Tetsuya Yamada, Katsuya Teshima
  • Organizer: Data-driven flux-method crystal growth of inorganic materials using bayesian predictive simulation
• [Presentation] Water purification materials science and technology - Shindai crystal and flux engineering for aqua innovation - (2023)
  • Author(s): Katsuya Teshima, Tetsuya Yamada, Fumitaka Hayashi, Chiaki Terashima
  • Organizer: 31st International Materials Research Congress 2023
  • Invited
• [Presentation] Flux-grown crystals open the way to “clean water chemistry” (2023)
  • Author(s): Katsuya Teshima, Fumitaka Hayashi, Mongkol Tipplook, Tetsuya Yamada, Atsushi Tanaka, Kazumichi Yanagisawa, Chiaki Terashima, Shuji Oishi
  • Organizer: The 11th International Conference on Smart Systems Engineering 2023
  • Invited
• [Presentation] One-Pot In-Liquid plasma synthesis quaternary ammonium carbon nanoparticle as a superior adsorbent for perfluorooctanesulfonic (2023)
  • Author(s): Mongkol Tipplook, Katsuya Teshima
  • Organizer: International Conference on Surface Engineering (ICSE2023) & Regional INTERFINISH 2023
  • Invited
• [Presentation] In situ observation of formation of submicron-sized layered sodium titanate using citrate salts (2023)
  • Author(s): Masaki Moriwaki, Yongsu Kim, Yosuke Moriya, Fumitaka Hayashi, Tetsuya Yamada, Katsuya Teshima
  • Organizer: International Conference on Surface Engineering (ICSE2023) & Regional INTERFINISH 2023
• [Presentation] Preparation of flavonoid-intercalated CuZnAl layered double hydroxide crystals as an efficient antimicrobial agent (2023)
  • Author(s): Mizuki Ueda, Mongkol Tipplook, Fumitaka Hayashi, Tetsuya Yamada, Katsuya Teshima
  • Organizer: International Conference on Surface Engineering (ICSE2023) & Regional INTERFINISH 2023
• [Presentation] Liquid-phase ion-exchange-assisted synthesis of MgAlFe-Cl layered double hydroxide for efficient fluoride ion adsorption (2023)
  • Author(s): Oki Motohashi, Mongkol Tipplook, Tetsuya Yamada, Fumitaka Hayashi, Katsuya Teshima
  • Organizer: International Conference on Surface Engineering (ICSE2023) & Regional INTERFINISH 2023
• [Presentation] Flux growth assisted synthesis of silicon-substituted sodium titanate crystal for metal ions removal from contaminated solution (2023)
  • Author(s): Yuki Wada, Mongkol Tipplook, Tetsuya Yamada, Fumitaka Hayashi, Katsuya Teshima
  • Organizer: International Conference on Surface Engineering (ICSE2023) & Regional INTERFINISH 2023
• [Presentation] Material innovation to solve the world’s water problems ~ The challenge of “Shindai Crystal” in the chemistry of clean water ~ (2023)
  • Author(s): Katsuya Teshima, Fumitaka Hayashi, Mongkol Tipplook, Tetsuya Yamada, Atsushi Tanaka, Kazumichi Yanagisawa, Chiaki Terashima, Shuji Oishi
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023 Advanced Materials Resarch GRAND MEETING
  • Invited
• [Presentation] Liquid-phase ion-exchange-assisted synthesis of MgAlFe-Cl layered double hydroxide and evaluation of its fluoride ion adsorption properties (2023)
  • Author(s): Oki Motohashi, Mongkol Tipplook, Tetsuya Yamada, Fumitaka Hayashi, Katsuya Teshima
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023 Advanced Materials Resarch GRAND MEETING
• [Presentation] High calcium Ion selectivity of Na Ion-exchanged zirconium phosphate (2023)
  • Author(s): Yuka Shirasu, Fumitaka Hayashi, Kazunori Fujisawa, Tetsuya Yamada, Katsuya Teshima
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023 Advanced Materials Resarch GRAND MEETING
• [Presentation] フラックスコーティング法が拓く結晶材料フロンティア (2022)
  • Author(s): 手嶋勝弥，山田哲也，林文隆，寺島千晶
  • Organizer: 化学工学会 第53回秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 水をキレイにする化学に資する信大クリスタル (2022)
  • Author(s): 手嶋勝弥，林文隆，山田哲也，田中秀樹，寺島千晶
  • Organizer: 日本吸着学会 第35回日本吸着学会研究発表会
  • Invited
• [Presentation] エネルギー・環境材料創製に資する結晶育成技術“フラックス法”の新展開 (2022)
  • Author(s): 手嶋勝弥，山田哲也，林文隆，田中厚志，寺島千晶
  • Organizer: 電気化学会 東海・東北支部合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 信大RISMにおけるデータ駆動型研究の取り組み～フラックス法結晶育成への展開例～ (2022)
  • Author(s): 手嶋勝弥
  • Organizer: コンピューター化学会 2022年秋季年会
  • Invited
• [Remarks] 信州大学 手嶋・林・山田研究室
  • URL: https://www.shinshu-u.ac.jp/faculty/engineering/chair/teshima_lab/
• [Remarks] 信大クリスタル
  • URL: https://shindaicrystal.com/
• [Remarks] 信州大学 手嶋・林・山田研究室
  • URL: https://www.shinshu-u.ac.jp/faculty/engineering/chair/teshima_lab/index.html