バルク金属を原料とするSDGs指向超音波固液系金属ナノ粒子合成プロセスの構築
| Project/Area Number |
23K23385
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| Project/Area Number (Other) |
22H02117 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 34030:Green sustainable chemistry and environmental chemistry-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
林 大和 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60396455)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
久保 正樹 東北大学, 工学研究科, 教授 (50323069)
成田 一人 大阪教育大学, 教育学部, 准教授 (50404017)
吉岡 聰 九州大学, 工学研究院, 助教 (50452818)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
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| Keywords | サステナブル / 超音波 / プロセッシング / ナノ粒子 / 金属 / SDGs / 金属ナノ粒子 / 酸化物ナノ粒子 / 合金ナノ粒子 / 室温 / キャビテーション / 固液系 |
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| Outline of Research at the Start |
低融点のバルク金属をアルコール中で超音波照射すると、金属ナノ粒子が生成する。この現象は金属固体とアルコール溶媒の界面において、超 音波キャビテーションの高温高圧のホットスポットの発生時に、局所的に金属が分解、溶媒中に溶解し、消滅後の室温常圧に戻った過飽和状態 で金属ナノ粒子が析出する可能性が示唆されている。これに対し、学術的な観点から金属(固体)-溶媒(液体)の組み合わせにおける超音波(気体 )の物理化学的作用を理論的・実験的に解析を行い、また 超音波固液系反応場における、現象と材料の構造と特性を予測し、室温で廃棄物が 発生しないSDGs指向の新しい金属ナノ粒子合成プロセスを構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は以下の2項目を実施した。 [項目1.超音波固液系反応場における金属ナノ粒子が生成する金属と有機溶媒の組み合わせの探索]においては、金属ナノ粒子が析出するための様々な金属種と溶媒の組み合わせと、また超音波周波数・超音波出力・溶媒温度を探索・検討した。様々な金属と溶媒の組み合わせにより超音波を照射し、金属ナノ粒子が生成しやすい組み合わせにおいて、金属と溶媒の物性に相関性を見出した。特に金属ガリウムにおいては、超音波による低温合金ナノ粒子化だけではなく、このガリウム合金ナノ粒子を用いた酸化物合成まで展開し、室温で他金属をドープした酸化ガリウムナノ粒子を合成するまでに至った。この超音波による室温合金ナノ粒子合成と室温ドープ酸化ガリウムナノ粒子合成の画期的な成果については、Ultrasonic Sonochemistry 誌（IF:9.336）に掲載された。
[項目2.超音波固液系反応場の現象解明と最適化によるSDGs指向の金属ナノ粒子合成手法の構築]においては、項目1の現象解明のための反応場分析、および原料と反応場の制御によるサステナブルな合成手法の検討を行った。原料と超音波反応場の状態観察の実験として、アルコール中での酸化金水和物と酸化銀の超音波照射実験を実施した。酸化金水和物は、室温でわずか10分の超音波照射で金に還元する。一方酸化銀は完全還元するまで180分程度の照射時間を有する。この分解時間の差は、分解における酸化物のギブスエネルギーの差であり、超音波キャビテーションによるミクロの爆発が貴金属酸化物の還元を促進していることを立証した。また酸化金水和物と酸化銀の混合物はわずか10分の還元時間で、金銀の合金が室温で生成することを見出した。この画期的な結果もUltrasonic Sonochemistry 誌（IF:9.336）に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
金属ガリウムは、様々な他金属ドープによる合金ナノ粒子化だけではなく、さらに金属ドープ酸化物ナノ粒子の室温合成まで展開し、これらの成果は、Ultrasonic Sonochemistry 誌に掲載され、これらの結果は既に、他論文に引用されている。金属の超音波照射については、金属ガリウムだけでなく、他の金属や複数金属への照射データも蓄積していている。
また酸化金水和物と酸化銀のアルコール中における超音波照射による、室温合金化も、新しい合金化プロセス、 Sonochemical Alloying としてこれらの成果も、Ultrasonic Sonochemistry 誌に既に掲載された。室温・短時間合成で廃棄物が発生しない合金化プロセスは、SDGs達成のために有用であると考えられる。初年度で、Ultrasonic Sonochemistry 誌という比較的高いインパクトファクターの論文誌に2報投稿・掲載されているだけでなく、本研究の成果は、金属ガリウム関連は他に2本の成果を論文に投稿し2023年度に掲載が決定している。
以上から本研究は、当初の計画以上に進んでいるだけでなく、当初の計画では想定されなかったセレンディピティ的な結果が多く得られており、今後の研究展開にも大きな期待が持てる状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度では、様々な金属や物質に超音波照射することにより、超音波反応場における金属と溶媒の性質を理解するために、金属ナノ粒子が生成する条件を探索し、様々なデータを蓄積した。超音波プロセスは、低温短時間などの高環境性でナノ材料を合成できるだけではなく、その非平衡な反応場から特異な結晶構造を有する場合が多いと考えられている。
今後は初年度の金属と有機溶媒の組み合わせによる超音波照射効果の検討をデータベース化するだけでなく、この超音波の非平衡反応場の解析をハイスピードカメラによるその場観察や計算科学によって行い、また超音波照射により生成した金属ナノ粒子の組成・組織・構造を電子顕微鏡や放射光による構造解析することによって、詳細に検討する。
そして超音波固液系反応場の金属ナノ粒子合成プロセスの物理化学を探索する。
また超音波による新しい現象、世界に先駆けて発見したSonochemical Alloyingの現象については、イニティアシブを握りグローバルスタンダード化を目的とし、精力的に新しい超音波による合金化とその現象解析を実施する。
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Report
(1 results)
Research Products
(18 results)
