2017 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
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15H05715
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
関野 徹 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (20226658)
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| 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, 創造工学部, 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)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| 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 / 表面構造制御 / チタニア / 環境・エネルギー材料 |
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| 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へと変革することを目的とした研究を進め、下記の成果を得た。
チタニアナノチューブ（TNT）と機能性物質や高分子とのナノ複合化プロセスを探索し、低次元の無機・有機ナノハイブリッド材料創製を行った。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（GO）を共存合成させることで、一次元型CNT/TNTコアシェル型ナノハイブリッド、およびナノサイズ平面型構造のGO/TNTナノハイブリッドの創製に成功した。用いる炭素材料の構造や複合構造の違いによりTNTと炭素間での電荷移動の差があることを見いだした。加えて複合化によりTNT基材料への電気伝導性付与とセンシング特性が付与できることを実証した。
簡便なプロセスにより導電性高分子をTNTと複合化する新たな光重合法を提案し、開始剤などを一切使わず、モノマーとTNTが共存した水溶媒系へ紫外線照射するだけでポリアニリン高分子をTNTにナノハイブリッド化させることに初めて成功し、そのプロセス因子との相関を得た。
過酸化水素により処理したTNTの構造および機能を検証し、表面官能基によりバンド構造が変化し、これによりバンドギャップエネルギーが大幅に低下すること、結果として可視光吸収特性が発現すること、TNT本来が持つ優れた光触媒反応および分子吸着特性も維持することを見いだし、機能との相関を考察した。
チタン金属およびチタンを含むセラミックス基複合材料の表面に多様なナノ構造チタニアを形成させることに成功し、これらが特異な低次元ナノ構造（ナノロッド、ポーラスナノシート・ナノチューブ構造）を持つこと、力学的に優れたバルク基材表面に低次元ナノ構造酸化物形成により光触媒特性などの多機能を同時付与できることを初めて示した。
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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
本研究では目的達成のために、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に加え、異種結合様式を持つ有機（高分子）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し、さらにヘテロ界面制御により特異な低次元ナノコアシェル構造を達成するなど、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、通常の高分子合成に必要な重合開始剤等を一切使わず、チタニアナノチューブへの光照射に伴う化学反応機構を使ったin-situ高分子重合・複合化に世界で初めて成功するなど、計画以上に進んでいる。
また、構造体としてのバルク金属やセラミックス／金属複合材料表面へ低次元のナノ構造酸化物を形成し、その特性を検証するなど、新たな高次機能性材料の可能性を示した。この過程で、生成したナノ酸化物の結晶構造と機能の相関が従来知られているものとは異なる傾向にあることや、同一表面でも周囲環境により大きく異なるナノ構造が出来るなど、これまでの既報の知見や、そこから予測される結果とは異なる結果や発見が得られていることから、これら解明のため合成および解析実験計画を一部見直す（繰越を含む）ことで実施し、合成環境に応力場（歪み場）および表面でのナノ・クラスター構造形成が鍵であることなどを示し、新たな機能発現機構の提案が期待される成果を得た。
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| 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。これまでの知見に基づき、今後は有機・無機ナノハイブリッド材料創製や、バルク型の基材表面への低次元酸化物ナノマテリアル形成と表面化学構造・ナノハイブリッド複合化などを同時に実現した材料を得るためのプロセスフェーズの最適化などを更に進めると共に、解析検証フェーズでは特異機能（光化学および光電気化学機能）の検証と機構解明に向けた考察と指針構築を図る。
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、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放射光施設利用を更に進めると共に、関連研究者からの助言・サポートを受ける。更に、ガスセンシング機能評価・光電変換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。
また、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展させ、本研究で推進した高次機能を持つ酸化物ナノマテリアルとバルク型（構造・力学機能型）セラミックス材料との融合における次世代型多機能材料創製を実現する方法論と指針を提案する。
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