Consideration of hyperspace atomic arrangement governing ion exchange properties of hydrospheric functional materials

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 22H04533
• 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: Shinshu University
• Principal Investigator: 手嶋 勝弥 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00402131)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: フラックス法 / 結晶 / 水圏機能材料 / 原子配列 / 計算科学

Outline of Research at the Start

本研究の期間内の課題は以下2つである。
課題(1)　計算化学および精密分析併用による超空間原子配列決定因子の解明
課題(2)　準安定相を活用した水圏機能材料の高機能化と新規材料探索
具体的には，対象化合物を拡大するために精密解析および計算化学／機械学習を導入し，原子配列と空間群に依存性が無い化合物の原子配列を詳細に理解するモデルを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，次の2つの課題から成る。課題(1)　計算化学および精密分析併用による超空間原子配列決定因子の解明，ならびに課題(2)　準安定相を活用した水圏機能材料の高機能化と新規材料探索
令和4年度は，XAFS分析を活用し，NiFe系LDHホスト層内の原子配列の詳細な理解に努めるとともに，動径分布関数から，その原子配列を予測した。それらの結果，各金属原子周りの秩序性の違いから，ホスト層内の金属原子配列を高確率で予測できる方法を見いだした。このように，ホスト層の正電荷の配列が，電荷補償する陰イオン間の相互作用を支配する可能性を実証できた。
令和5年度は，前年度課題を継続するとともに，特に，さまざまな反応中間体を経由し，優れた特性を発現する最終構造の構築に努めた。MgAl系，NiFe系あるいはNiCo系LDHホスト構造に対し，ホスト層の2価・3価金属イオンの元素置換を実施し，多元素置換により特異な性能を獲得できることを確認した。層状結晶構造／原子配列を制御することに関し，具体的には，静的アプローチにより，イオン－イオン／水分子の相互作用がイオン選択性の向上に，動的アプローチにより，積層方向の構造柔軟性が吸着容量の向上に影響を及ぼすことを明らかにした。この際，QCM-Dその場観察により，緩慢な層間相互作用が積層構造の不安定化を抑制することも見いだした。これらの計算・実験の結果，ホスト層の正電荷の配置が，電荷補償する陰イオン間の相互作用を支配するとともに，ホスト層の正電荷密度が積層方向の構造柔軟性を支配することがわかった。
さらに，結晶材料から創製したナノシートとカーボンナノ材料を多層積層させたり，混合することで，優れた分離能をもつハイブリッド材料を作製できる可能性を見いだした。これらの新規材料の創製に関し，計算科学的アプローチだけでなく，データ駆動的実験アプローチやハイスループット実験も取り入れ，効率的な材料創製を実現できた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

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] 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] 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] 層状複水酸化物結晶を用いた陰イオン交換反応の熱力学的解析と選択特性評価 (2024)
  • Author(s): 杉谷広晶，白数優花，川口健太，林文隆，千葉太陽，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] 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] 液相焼結法によるチタン酸ナトリウム結晶構造体の作製とその吸着特性評価 (2023)
  • Author(s): 杉山史弥，林文隆，山田哲也，手嶋勝弥
  • Organizer: 日本セラミックス協会第36回秋季シンポジウム
• [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] 水圏機能材料のイオン交換特性を支配する超空間原子配列の深耕 (2023)
  • Author(s): 手嶋勝弥
  • Organizer: 日本化学会第13回CSJ化学フェスタ2023
  • Invited
• [Presentation] Development of broadening action spectrum photocatalytic disinfection based graphitic carbon nitride quantum flakes (2023)
  • Author(s): Tipplook Mongkol, Teshima Katsuya
  • Organizer: 第42回固体・表面光化学討論会
• [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] 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
• [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] Hydrothermal synthesis and ion exchange properties of Na+ -exchanged zirconium phosphates (2023)
  • Author(s): Yuka Shirasu, Fumitaka Hayashi, Kazunori Fujisawa, 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: Materials Research Meeting 2023
  • 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: Materials Research Meeting 2023
• [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: Materials Research Meeting 2023
• [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