2016 Fiscal Year Annual Research Report
酸化物系ナノチューブの高次構造チューニングによる物理光化学機能の深化と体系化
| Project/Area Number |
15H05715
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
関野 徹 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (20226658)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清野 智史 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90432517)
佃 諭志 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00451633)
楠瀬 尚史 香川大学, 工学部, 准教授 (60314423)
林 大和 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60396455)
後藤 知代 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60643682)
趙 成訓 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (50776135)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
|
| Keywords | ナノ材料 / 光触媒 / 酸化物ナノチューブ / 高次構造機能チューニング / ナノハイブリッド / バンドギャップ制御 / 環境・エネルギー材料 / 生体適合機能 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
酸化物半導体ナノチューブ材料を高効率高次環境保全・エネルギー創製など次世代型サステナブルシステムへ適応しうる多機能集積型材料化することを目的とした研究を進め、下記の成果を得た。
酸化チタンナノチューブ（TNT）に結晶格子構造制御法を適用し、多様な元素固溶を実施した。その結果、遷移金属元素や希土類固溶TNTの合成に成功し、光触媒特性と分子吸着性に優れることを見いだした。さらに、元素固溶により可視光応答性光触媒機能が付与出来ること、およびその特性が共固溶により向上することを見いだし、その機構を解明した。
TNTと無機化合物や高分子とのナノ複合化プロセスを探索し、低次元ナノハイブリッド型材料創製を行った。低次元構造を持つカーボンナノチューブ（TNT）およびグラフェンを共存合成させることで、CNTを核としてTNTが取り囲んだ一次元型CNT/TNTコアシェル型ナノ複合構造、および2次元平面型ナノ複合構造体の創製に成功し、電子顕微鏡により構造特異性を検証した。これら炭素/酸化物ナノチューブ複合材料が優れた分子吸着能や光触媒特性を示すことを見いだした。
過酸化水素処理TNTの構造および機能を検証し、表面化学構造変化がその着色および可視光吸収特性発現の原因であることを解明し、この結果極めて大きなバンドギャップ減少が発現することを見いだした。化学処理による可視光応答性TNTの光触媒反応および分子吸着特性が優れることを検証すると共に、金属ナノ粒子を光還元法で担持できること、これにより触媒特性がさらに向上することを見いだした。
表面を有機処理したTNTについて、生体細胞へ与える影響を調べ、光照射により細胞成長および細胞死が生じることを見いだし、生体・医療用材料としてのポテンシャルを検証した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は目的達成のために、大別して、材料創製・構造機能チューニング、および構造解析・機能評価解析検証の２つのフェーズにより研究を推進している。
材料創製プロセスステージでは原子（結晶）構造レベルのチューニングならびに多様な結合様式を持つ材料とのナノレベルハイブリッド構造化に成功しており、前者では多様な元素固溶により光化学と物理化学機能の融合および同時改善や可視光応答性付与に成功するなど、材料合成と機能検証が順調に進んでいる。異種材料とのナノハイブリッド化では、炭素材料や高分子との複合化に関する実験研究を進めており、ユニークな形態でかつ低次元性を持つ材料創製に成功し、その機能が優れることを実証しているなど、概ね計画通りに進んでいる。
但し、ナノチューブとナノ炭素および金属との複合材料の構造観察・解析の結果、炭素は予想以上に複雑な低次元レベルで複合化しており、さらに化学結合性が通常にない状態である可能性が明らかとなった。このため、ナノ構造および結合状態の更なる解析を行うと共に、その知見を元に合成実験を行うために計画を一部見直した（繰越を含む）。この結果、炭素とナノチューブ間には複合様式により強い化学結合が生成する可能性があること、ナノ金属担持の場合、プロセス条件により多彩な原子価状態でナノ粒子が析出することなどの知見が得られた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
研究計画に従った各フェーズ（材料創製・構造機能チューニング、および構造解析・機能評価解析検証）ごとに研究を引き続き進める。特に本研究では低次元酸化物ナノマテリアル材料へ、物性－特異ナノ構造相関に基づく物理光化学的機能などを協奏的・相乗的に発現・集約させると共に、その光化学的・物理化学的などの高次機能性発現メカニズムを解明することで、次世代型サステナブルシステムへ適応しうる多機能インテグレーション材料を創出することを目的としている。これに基づき、研究期間中期では材料創製フェーズの最適化と新たな展開研究を更に進めると共に、解析検証フェーズは特異機能（光化学および電気化学機能）の更なる検証と機構解明に向けた整理・方向付けを行う。
加えて計画記載の研究分担者による研究項目の推進、連携研究者による支援に加え、これまで連携してきた関連分野における内外の研究者との情報交換・意見集約および共同での研究を引き続き進める。特に、構造解析・機能評価解析検証フェースに関連する項目については助言・サポートに加え、センシング機能評価などを含めたナノ電気物性機能評価、光機能解明のための分光学的分析の実施を行う。さらに構造解析については、大型放射光施設の利用およびデータの解析を国内外の研究者による助言も含めて実施する。さらに構造解析・機能評価解析検証フェースでは、環境・エネルギーシステム化のための材料の構造化やそれに向けたプロセス設計についても引き続き進めると共に、材料・デバイス関連企業などの研究者からも助言を受けるなどを行いながら進める。
|
