2016 Fiscal Year Annual Research Report
Evaluation of adsorptive properties of nano pores
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15K17788
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
西山 直毅 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 外来研究者 (30746334)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 吸着 / 電気二重層 / 表面電荷密度 / ナノ間隙 / 鉱物/水界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地質媒体中には，粘土鉱物やエッチピットに由来するナノメートルサイズの間隙がしばしば見られる．このようなナノ間隙は，大きな比表面積をもたらすため吸着現象を考える上で重要である．前年度では，間隙サイズの異なる多孔質シリカ粉末（間隙半径50 nmと2 nmの2種類）を用いて，NaCl濃度が1 mMの条件で酸/塩基滴定実験を行った．その結果，間隙サイズが減少すると表面電荷密度が減少する（ゼロに近づく）ことが分かった．これは，間隙サイズが減少すると，イオンが電気的に表面に吸着しにくいことを示唆している．
間隙サイズによって表面電荷が変化した原因として、電気二重層の圧縮が考えられる．シリカ/水界面の電気二重層の厚さは，イオン濃度に応じて変化し，NaCl濃度1 mMでは約10 nmとなる．よって，間隙半径50 nmでは二重層は十分広がることができるが，半径2 nmでは電気二重層が十分発達できずに重なり合い，その結果，表面電荷が変化した可能性がある．この仮説を検証するために，イオン濃度を100 mMに変え（二重層の厚さ：約1 nm），いずれの間隙サイズでも電気二重層が圧縮されない条件で滴定実験を行った．その結果，間隙半径50 nmと2 nmの多孔質シリカのいずれもほぼ同じ表面電荷が得られた．さらに，仮説を理論的に検証するために，電気二重層理論（Poisson-Boltzmann式）を用いて，間隙水中の圧縮された電気二重層におけるイオン濃度プロファイルを数値計算した．これを，イオンの吸着や表面電荷の計算に良く使われるTriple-layerモデルへ組み込み，間隙サイズ（電気二重層の圧縮）の効果を考慮に入れたモデルを作成した．このモデルを用いて間隙半径50 nmと2 nmにおける表面電荷を計算したところ，滴定実験で得られた値と調和的であった．以上から，ナノサイズの間隙におけるイオンの吸着現象を定量的に扱う上で，電気二重層の重なりの効果を考慮に入れることが重要であると考えられる．
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