超空間デザイン無機結晶の固液界面でのイオン交換挙動の理解と応用
Publicly Offered Research
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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| Project/Area Number |
20H05214
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
手嶋 勝弥 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00402131)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | フラックス法 / 表界面・層間制御 / 結晶成長 / 元素配列・置換 / 吸着・イオン交換 / 元素置換 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は，以下の2つの課題から成り，初年度は課題(1)，次年度は課題(2)に注力する。
課題(1) 結晶／水の異相(固液)界面でのイオンや水分子の動的挙動観察・分析，イオン交換メカニズムの解明，ならびに超高性能を実現する無機イオン交換体のマテリアルデザイン
課題(2) 最適化した無機イオン交換体結晶のフラックス創製と最適化による超高性能の実現
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は次の2つの課題から成る。(1)結晶／水の異相(固液)界面でのイオンや水分子の動的挙動観察・分析，イオン交換メカニズムの解明，ならびに超高性能を実現する無機イ
オン交換体のマテリアルデザイン，(2)最適化した無機イオン交換体結晶のフラックス創製と最適化による超高性能の実現
令和3年度は，上述の課題(2)に注力し，超高性能を実現する無機イオン交換体結晶の創製に努めた。具体的には，課題(2)の結果を課題(1)にフィードバックするサイクルを繰り返し，最適なマテリアルデザインを以下の通り具現化した。
特に，層状複水酸化物(LDH)結晶をベースマテリアルに選定し，LDHホスト層の構成ユニットの組成比(2価・3価の元素比率)を制御することで，陰イオン交換性能を向上できる可能性を見いだした。NiCo系LDHの場合，NiとCoの組成比を連続的に変化させて，その局所構造を解析すると，特定領域のCo:Ni比でNi周りの原子配列の対称性が最大となった。また，Co比率が特に高い組成では，Co周りの原子配列が大きく変化した。その結果，3価イオン同士が離れて配置することで，高い吸着容量を発現することを明らかにした。つまり，3価の金属イオン同士の平均距離と陰イオン交換性能に相関性があると言える。
これらの相関性に関し，イオン交換反応時の層間水の状態を水晶振動子(QCM-D)法によりその場観察することに成功した。特に，共振する水晶振動子の振動数変化から重量変化を計測するとともに，振動子と層間のエネルギー散逸から粘弾性変化を計測することで，陰イオン吸着反応に伴うLDHの水和挙動を明らかにできた。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(25 results)
