Development of novel synthetic process of metal oxynitrides by using solid state nitriding agents - Clarification of nitriding mechanism and microstructural analysis -

• Project Area: Synthesis of Mixed Anion Compounds toward Novel Functionalities
• Project/Area Number: 19H04699
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 片桐 清文 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (30432248)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 複合アニオン化合物 / 酸窒化物 / 固体窒素源 / 構造解析 / 光触媒

Outline of Research at the Start

本研究課題では、GaN:ZnO固溶体酸窒化物とペロブスカイト型酸窒化物を対象として、様々な固体窒素源（尿素、メラミン、C3N4など）を用いた酸窒化物合成における窒化メカニズムの解析を行い、得られる酸窒化物の微細構造に窒化プロセスの違いが及ぼす影響を明らかにすることを目指す。さらには、それらの違いが、光触媒特性などの金属酸窒化物の機能に及ぼす影響も系統的に調査し、本研究領域の研究項目A01における鍵となる、固体窒素源を用いた金属酸窒化物合成法の学理解明を目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

複合アニオン化合物では、その特異な配位構造や結晶構造に由来して単アニオン系とは根源的に異なる革新的機能が発現することから、新規機能材料として期待されている。しかし、金属酸窒化物の合成においては、一般的に毒性の高いアンモニアガスを用いた熱処理が必要であり、必ずしも容易に行える方法ではない。そこで本研究課題では固体窒素源を用いた金属酸窒化物の合成に取り組んでいる。
前年度にはGaN:ZnOの合成について、尿素に加え、メラミン、C3N4を窒素源として用いて合成することに取り組み、それぞれ単相での合成を達成し、71Ga固体NMR測定によって、得られたGaN:ZnOのGaまわりの微細構造が用いる窒素源によって大きく異なっていることを明らかにした。
2020年度は、主にペロブスカイト型構造を有する酸窒化物の合成について主に検討した。その結果、ゾル－ゲル法で調製した酸化タンタルゲルを前駆体用いることで、Sr－Ta系酸窒化物を尿素やC3N4を窒素源として用いて合成することができること、窒素源の量を調整することでSrTaO2NとSr1.4Ta0.6O2.9の固溶体をそのO/N比を制御して合成できることを明らかにした。さらに、LaTiO2NとSrTaO2Nの合成について、窒素源を尿素、シアヌル酸、C3N4の3種を用い、それぞれの窒化過程の解析を行った。その結果、用いる金属種と窒素源の組み合わせによって中間体となる窒化炭素系化合物および金属カルボジイミド系化合物の生成挙動、とりわけ生成温度が異なり、その違いが金属酸窒化物を単相で合成するための固体窒素源の必要量の違いの大きな要因となっていることも明らかにした。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 固体窒素源を利用した安全・サステナブルな金属酸窒化物合成法の開発 (2022)
  • Author(s): 片桐 清文、坂田 拓也、樽谷 直紀、鱒渕友治
  • Journal Title: FC レポート Volume: 40 Pages: 77-81
• [Journal Article] Ammonia-free synthesis and color tuning of oxynitride perovskite SrTaO2N-SrTiO3 solid solution by using alkoxide-derived Ta-Ti binary oxide gel precursors (2022)
  • Author(s): Sakata Takuya、Yoshiyuki Risa、Urushidani Sohta、Tarutani Naoki、Katagiri Kiyofumi、Inumaru Kei
  • Journal Title: Journal of Sol-Gel Science and Technology Volume: - Issue: 3 Pages: 685-693
  • DOI: 10.1007/s10971-022-05801-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-ammonolysis synthesis and characterisation of environmentally benign yellow pigments based on calcium－tantalum perovskite oxynitrides (2022)
  • Author(s): Takuya Sakata, Sohta Urushidani, Naoki Tarutani, Kiyofumi Katagiri, Kei Inumaru, Kyohei Koyama, Nozomu Iwata and Yuji Masubuchi
  • Journal Title: Materials Advances Volume: - Issue: 12 Pages: 4899-4907
  • DOI: 10.1039/d2ma00378c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetically Navigated Protein Transduction In Vivo using Iron Oxide‐Nanogel Chaperone Hybrid (2021)
  • Author(s): Kawasaki Riku、Sasaki Yoshihiro、Nishimura Tomoki、Katagiri Kiyofumi、Morita Kei‐ichi、Sekine Yurina、Sawada Shin‐ichi、Mukai Sada‐atsu、Akiyoshi Kazunari
  • Journal Title: Advanced Healthcare Materials Volume: 1 Issue: 9 Pages: 2001988-2001988
  • DOI: 10.1002/adhm.202001988
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel Inorganic Colorants Prepared with Safe and Sustainable Materials and Processes (2021)
  • Author(s): Katagiri Kiyofumi
  • Journal Title: Journal of the Society of Inorganic Materials, Japan Volume: 28 Pages: 32-39
  • NAID: 40022456387
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of Coating Films of Colloidal Arrays via Electrophoretic Deposition and Their Applications as Structurally Colored Materials (2021)
  • Author(s): Tarutani Naoki、Sakata Takuya、Katagiri Kiyofumi
  • Journal Title: Journal of Japan Coating Technology Association Volume: 56 Pages: 60-70
  • NAID: 40022500739
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Environmentally Benign Synthesis and Color Tuning of Strontium?Tantalum Perovskite Oxynitride and Its Solid Solutions (2021)
  • Author(s): Sakata Takuya、Yoshiyuki Risa、Okada Ryoki、Urushidani Sohta、Tarutani Naoki、Katagiri Kiyofumi、Inumaru Kei、Koyama Kyohei、Masubuchi Yuji
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 60 Issue: 7 Pages: 4852-4859
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c03758
  • NAID: 120007193919
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Size Effect of Hydroxide Nanobuilding Blocks and Nonionic Block Copolymer Templates on the Formation of Ordered Mesoporous Structures (2021)
  • Author(s): Tarutani Naoki、Katagiri Kiyofumi、Inumaru Kei、Ishigaki Takamasa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 125 Issue: 18 Pages: 4883-4889
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c00713
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Robust Structurally Colored Coatings Composed of Colloidal Arrays Prepared by the Cathodic Electrophoretic Deposition Method with Metal Cation Additives (2020)
  • Author(s): Katagiri Kiyofumi、Uemura Kensuke、Uesugi Ryo、Tarutani Naoki、Inumaru Kei、Uchikoshi Tetsuo、Seki Takahiro、Takeoka Yukikazu
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 12 Issue: 36 Pages: 40768-40777
  • DOI: 10.1021/acsami.0c10588
  • NAID: 120007140155
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 「ロバスト」な微粒子集積型構造発色性コーティング (2020)
  • Author(s): 片桐 清文
  • Journal Title: LPM Lett. Volume: 22 Pages: 2-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structurally Coloured Coatings Prepared via the Electrophoretic Deposition of Spherical Particles (2019)
  • Author(s): Kiyofumi Katagiri
  • Journal Title: Journal of the Japan Society of Colour Material Volume: 92 Issue: 12 Pages: 355-361
  • DOI: 10.4011/shikizai.92.355
  • NAID: 130007783837
  • ISSN: 0010-180X, 1883-2199
  • Year and Date: 2019-12-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of LaTiO2N Using Hydrothermally Synthesized La2Ti2O7 as a Precursor and Urea as a Nitriding Agent (2019)
  • Author(s): Ryoki Okada, *Kiyofumi Katagiri, Yuji Masubuchi, Kei Inumaru
  • Journal Title: Eur. J. Inorg. Chem. Volume: 9 Issue: 9 Pages: 1257-1264
  • DOI: 10.1002/ejic.201801526
  • NAID: 120006879598
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ammonolysis-free synthesis of La2O2CN2 by cyanamidation of La(OH)3 using urea, and its photoluminescence properties (2019)
  • Author(s): Okada Ryoki、Kawanishi Kodai、Katagiri Kiyofumi、Inumaru Kei
  • Journal Title: Ceramics International Volume: 45 Issue: 7 Pages: 9325-9329
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.01.262
  • NAID: 120007041542
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetically Navigated Intracellular Delivery of Extracellular Vesicles Using Amphiphilic Nanogels (2019)
  • Author(s): Mizuta Ryosuke、Sasaki Yoshihiro、Kawasaki Riku、Katagiri Kiyofumi、Sawada Shin-ichi、Mukai Sada-atsu、Akiyoshi Kazunari
  • Journal Title: Bioconjugate Chemistry Volume: 30 Issue: 8 Pages: 2150-2155
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.9b00369
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 遷移金属水酸化物ナノ粒子の合成と電気化学特性の調査 (2022)
  • Author(s): 木村 奏太・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 第60回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] フォトニックボールにおける粒子配列の制御とその構造発色性と堅牢性向上の検討 (2022)
  • Author(s): 中谷 優太・山中 隆弘・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓・坂井 美紀・竹岡 敬和
  • Organizer: 第60回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] 水分解光触媒における Ca-Mn 系酸化物およびホウ化アルミニウムの助触媒作用 (2022)
  • Author(s): 福﨑 亮太・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 第60回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] 固体窒素源を用いた金属酸窒化物合成におけるフラックス添加の効果 (2022)
  • Author(s): 菊池 瑛貴・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 日本セラミックス協会2022年年会
• [Presentation] Bi2O2NCN の水溶液プロセスによる合成とキャラクタリゼーション (2022)
  • Author(s): 住岡 大海・樽谷 直紀・片桐 清文・
  • Organizer: 日本セラミックス協会2022年年会
• [Presentation] Mg/Al 比の異なるMg-Al LDH の熱分解過程の解析 (2022)
  • Author(s): 松田 海斗・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 日本セラミックス協会2022年年会
• [Presentation] 尿素を用いたペロブスカイト型金属酸窒化物CaTaO2N のアンモニアフリー合成と色彩特性評価 (2021)
  • Author(s): 坂田 拓也・漆谷 想太・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] 固体窒素源を用いたSr-Ta 系酸窒化物の合成とその窒化メカニズムの解明 (2021)
  • Author(s): 木下 祐輝・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] 固体窒素源を用いたSr-Ti-Ta 系酸窒化物の合成：焼成環境が色彩に与える影響 (2021)
  • Author(s): 漆谷 想太・吉行 里紗・坂田 拓也・樽谷直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] 有機－無機ハイブリッド水酸化物ナノ粒子の粒子間結合を利用した熱安定なメソポーラス構造の構築 (2021)
  • Author(s): 樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓・石垣 隆正
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] 不均一な化学組成を持ったNb-Ti 系酸化物のメカノケミカル合成と光触媒活性の評価 (2021)
  • Author(s): 樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓・加藤 龍磨・石垣 隆正
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] 液相法で合成した前駆体と固体窒素源を用いた金属酸窒化物合成における反応過程解析 (2021)
  • Author(s): 菊池 瑛貴・木下 祐輝・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 日本ゾル－ゲル学会第19回討論会
• [Presentation] 固体窒素源を用いたペロブスカイト型金属酸窒化物の合成とその色彩評価 (2021)
  • Author(s): 坂田 拓也・漆谷 想太・吉行 里紗・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [Presentation] 発色耐熱性を有する粒子集積型構造色コーティング膜の作製 (2021)
  • Author(s): 山中 陵弘・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓・竹岡 敬和
  • Organizer: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [Presentation] SiO2球状粒子からなるフォトニックボールにおける粒子配列と堅牢性の制御 (2021)
  • Author(s): 中谷 優太・山中 陵弘・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓・坂井 美紀・竹岡 敬和
  • Organizer: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [Presentation] 多元素を組み合わせた層状水酸化物ナノ粒子の合成 (2021)
  • Author(s): 樽谷 直紀・平木 佑佳・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [Presentation] 尿素を窒素源に用いた金属酸窒化物固溶体の合成と焼成環境の選択による色彩の調整 (2021)
  • Author(s): 漆谷 想太・吉行 里紗・坂田 拓也・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] 高い耐熱性を有する微粒子集積型構造色コーティング膜の作製 (2021)
  • Author(s): 山中 陵弘・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓・竹岡 敬和
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] 多成分系水酸化物ナノ粒子の合成と合金化の試み (2021)
  • Author(s): 平木 佑佳・樽谷 直紀・片桐 清文・犬丸 啓
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] A Comparative Study of Formation Process of Metal Oxynitrides Using Various Solid-State Nitriding Agents and Metal Compound Precursors (2021)
  • Author(s): Naoki Tarutani, Yuki Kinoshita, Souta Urushidani, Eiki Kikuchi, Kiyofumi Katagiri, Kei Inumaru
  • Organizer: International Conference on Mixed-Anion Compounds
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preparation of Ta-Containing Perovskite Oxynitrides Using Urea as a Solid-State Nitriding Agent and Their Color Evaluation (2021)
  • Author(s): Takuya Sakata, Sohta Urushidani, Risa Yoshiyuki, Naoki Tarutani, Kiyofumi Katagiri, Kei Inumaru
  • Organizer: International Conference on Mixed-Anion Compounds
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 複合構造を有する粒子集積型構造色コーティング膜の泳動電着法による作製とその構造発色性 (2020)
  • Author(s): 上杉 遼・樽谷直紀・片桐清文・犬丸 啓・竹岡敬和
  • Organizer: 第58回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] 金属アルコキシド由来ゲルと尿素を前駆体に用いた酸窒化物系固溶体の合成と特性評価 (2020)
  • Author(s): 吉行里紗・岡田凌輝・坂田拓也・樽谷直紀・片桐清文・犬丸 啓
  • Organizer: 第58回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] 種々の固体窒素源を用いたSr-Ta系酸窒化物の合成 (2020)
  • Author(s): 木下祐輝・岡田凌輝・樽谷直紀・片桐清文・犬丸 啓・鱒渕友治
  • Organizer: 日本セラミックス協会2020年年会
• [Presentation] Ammonolysis-Free Synthesis of GaN:ZnO Solid Solution from Zn-Ga Layered Double Hydroxide Using Urea as the Nitriding Agent (2019)
  • Author(s): Kiyofumi Katagiri, Yuki Hayashi, Risa Yoshiyuki, Kei Inumaru, Tomoki Uchiyama, Noriyuki Nagata, Yoshiharu Uchimoto, Akinobu Miyoshi, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: The 2019 Spring Meeting of the European Materials Research Society (E-MRS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電気泳動堆積法による塗装応用を志向した構造色コーティング (2019)
  • Author(s): 片桐 清文
  • Organizer: 日本化学会研究会「低次元系光機能材料研究会」第8回研究講演会
  • Invited
• [Presentation] Ammonolysis-free synthesis strategy of metal oxynitrides and oxycyanamides (2019)
  • Author(s): Kiyofumi Katagiri, Ryoki Okada, Kodai Kawanishi, Kei Inumaru
  • Organizer: 2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アルコキシド由来ゲルと尿素を前駆体とするペロブスカイト型酸窒化物の合成 (2019)
  • Author(s): 吉行 里紗，岡田 凌輝，片桐 清文，犬丸 啓
  • Organizer: 日本ゾル－ゲル学会第17回討論会
• [Presentation] 種々の固体窒素源によるGaN:ZnOの合成と71Ga 固体NMR法による解析 (2019)
  • Author(s): 藤井 侑樹，林 優樹，片桐 清文，犬丸 啓，鱒渕 友治，木下 誠志，野田 泰斗，三好 亮暢，前田 和彦
  • Organizer: 日本ゾル－ゲル学会第17回討論会
• [Presentation] 層状複水酸化物ナノ粒子CO2吸着剤の繰り返し特性と構造変化の解析 (2019)
  • Author(s): 川下 実央，奥田 彩花，片桐 清文，犬丸 啓
  • Organizer: 第124回触媒討論会
• [Presentation] 電気泳動堆積法を利用した微粒子集積型構造色コーティング膜 (2019)
  • Author(s): 片桐 清文，上杉 遼，上村健祐，犬丸 啓，打越 哲郎，竹岡 敬和
  • Organizer: 第68回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] 固体窒素源を用いた窒素含有複合アニオン化合物合成法の開発 (2019)
  • Author(s): 片桐 清文，林 優樹，岡田 凌輝，川西 航大，犬丸 啓
  • Organizer: 第68回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] 近紫外励起が可能な希土類オキシシアナミド赤色蛍光体のアンモニアフリー合成法の開発 (2019)
  • Author(s): 川西航大・岡田凌輝・片桐清文・犬丸 啓
  • Organizer: 第9回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] Robust Structurally Colored Coating Films Prepared via the Electrophoretic Deposition Method (2019)
  • Author(s): Kiyofumi Katagiri, Ryo Uesugi, Kensuke Uemura, Kei Inumaru, Tetsuo Uchikoshi, Yukikazu Takeoka
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PacRim13)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CO2 release behaviors of layered double hydroxide nanoparticles in repeated adsorptiondesorption cycles (2019)
  • Author(s): Mio Kawashimo, Ayaka Okuda, Kiyofumi Katagiri, Kei Inuamru
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PacRim13)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アルコキシド由来ゲルと尿素を用いた金属酸窒化物固溶体の合成と色彩特性評価 (2019)
  • Author(s): 吉行里紗・岡田凌輝・片桐清文・犬丸 啓
  • Organizer: 第38回無機高分子研究討論会
• [Presentation] 粒子集積型構造色コーティングの金属カチオンを用いた泳動電着による成膜プロセスの検討 (2019)
  • Author(s): 上杉 遼・片桐清文・上村健祐・犬丸 啓・竹岡敬和
  • Organizer: 第38回無機高分子研究討論会
• [Presentation] 種々の固体窒素源によるGaN:ZnOの合成と固体NMR法による構造解析 (2019)
  • Author(s): 藤井侑樹・林優樹・片桐清文・犬丸 啓・鱒渕 友治・木下 誠志・野田 泰斗・三好 亮暢・前田 和彦
  • Organizer: 第26回ヤングセラミスト・ミーティングin中四国
• [Presentation] アルコキシド由来ゲルと尿素を用いたSrTaO2N系固溶体の合成と色彩評価 (2019)
  • Author(s): 吉行里紗・岡田凌輝・片桐清文・犬丸啓
  • Organizer: 第26回ヤングセラミスト・ミーティングin中四国
• [Book] Bioceramics From Macro to Nanoscale (2020)
  • Author(s): Kiyofumi Katagiri
  • Total Pages: 449
  • Publisher: Elsevier
  • ISBN: 9780081029992
• [Book] Bioceramics: From Macro to Nanoscale (2020)
  • Author(s): Kiyofumi Katagiri
  • Total Pages: 18
  • Publisher: Elsevier
• [Remarks] 安心・安全な素材とプロセスで酸素/窒素比を制御した金属酸窒化物の合成法を開発
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/adse/news/63365