2016 Fiscal Year Annual Research Report
親／疎水性ナノ空間を併せ持つ有機－無機ハイブリッド型多孔体の開発と触媒への応用
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16H04569
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| Research Institution | The University of Kitakyushu |
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Principal Investigator |
山本 勝俊 北九州市立大学, 国際環境工学部, 准教授 (60343042)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池田 拓史 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 主任研究員 (60371019)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 有機－無機ハイブリッド / 多孔体 / 脂質二重層 / 疎水性 / ゼオライト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、研究代表者らが開発・報告した、有機－無機ハイブリッド型ゼオライト様多孔体KCS-2の合成手法を応用し、新しい有機－無機ハイブリッド型層状シリケートを創製し、その材料としての応用について検討する。研究初年度である平成28年度は、研究計画どおりに新規材料の開発とその物性評価を中心に研究を行った。
研究計画書に記載した2つのアプローチのそれぞれで新規物質を得ることに成功した。まず、KCS-2で用いたbis(triethoxysilyl)benzene（BTEB）以外のケイ素源を用いた合成では、bis(triethoxysilyl)biphenylから未知構造物質が得られた。BTEBと類似したケイ素源であるが、結晶性生成物が得られた合成条件はKCS-2のそれとは大きく異なる。また、KCS-2と同様に層状シリケートが積層した構造をとるとみられるが、シリケート層の結晶構造は異なることが示唆されている。直鎖型の架橋有機基を持つbis(triethoxysilyl)hexaneからも新規結晶性物質が得られており、今後はこれらの合成条件の最適化を進める。
また、有機structure-directing agent（SDA）を用いたアプローチでは、ゼオライト合成によく用いられるtetramethylammonium（TMA+）をSDAとして用いた場合に新たな未知構造物質が得られた。TMA+が生成物に含まれていることが元素分析から確かめられ、ゼオライトの場合と同様に未知構造物質の結晶化に寄与していると考えられる。共同研究者による構造解析により、この物質は立方晶系の結晶構造を持つことが示唆された。これまでに得られた物質が持っていた層状構造とは異なる晶系であり、結晶形成過程も異なる可能性があるため、今後の合成条件最適化と構造解析の進捗が待たれる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度は研究計画書に従い新規材料の開発とその物性評価を中心に研究を行った。研究は順調に進められ、研究計画書に記載した2つのアプローチにより新規物質を得ることに成功した。様々な有機基で架橋された有機シランを用いたアプローチ、有機SDAを用いたアプローチともに今後の合成条件最適化が必要ではあるが、合成条件の変数は多く、平成29年度以降の研究でさらなる新規構造物質の開発が十分に期待できる。研究計画書に記載した2つのアプローチで未知構造物質が得られたことは、本研究が順調に進められていることを裏付けるだけでなく、研究のコンセプトが妥当なものであったことを示すものであり、今後の順調な進捗が予想される。
注目すべきは、SDAを用いて得られた生成物が立方晶系の結晶構造を持つと思われることである。架橋型有機シランを用いたこれまでの合成では層状構造を持つ物質が得られていたが、立方晶系の生成物は、架橋型有機シランが三次元的に結合している可能性を示唆しており、オープンで大きな疎水性細孔空間を提供できる材料として期待できる。
なお、この研究での合成手法は架橋型有機シランだけでなく、末端型有機シランを使った合成にも広く適用できることがわかっており、今後原料有機シランの多様化への展開を予定している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の研究が順調に進んだため、平成29年度も計画にしたがって材料開発とその物性評価を行う。材料開発ではヘテロ金属種の導入を試みる。KCS-2および平成28年度に得られた新規物質ではケイ素源とともにアルミニウムを用い結晶化させているが、平成29年度はアルミニウム以外の金属種、すなわちヘテロ金属種を用い、ケイ素源とともに結晶化させることを試みる。例えば、ゼオライト合成において特異な構造ユニットを形成しやすいとされている亜鉛・ゲルマニウムや、粘土鉱物に含まれるマグネシウムをアルミニウムの代わりに用い、多様な結晶構造の形成を狙う。ここでも合成温度や原料の混合比などを変化させながら、合成条件の探索、最適化を行う。得られた生成物について細孔径・細孔容積や表面疎水性などを評価する。またそれらの情報を利用しながら、未知構造物質のX線結晶構造解析を行う。
KCS-2あるいはここまでに得られた有機－無機ハイブリッド材料の利用を考え、まず触媒への応用を検討する。研究代表者のこれまでの経験を活かし、KCS-2へのチタンの導入から始める。オルトチタン酸ブチルのようなアルコキサイドを使い、アルコール溶媒中でKCS-2の親水層に存在するシラノール基とTi-O-Si結合を形成させながら、チタン原子を安定に導入する。得られた物質のチタンの状態および含有量はUV-vis、ICP元素分析でそれぞれ確認する。触媒活性は、1-ヘキセンのような直鎖オレフィンの過酸化水素酸化をモデル反応として評価する。
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