2017 Fiscal Year Research-status Report
ヘテロ元素ドープ炭素スピン材料のボトムアップ合成法の開発
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16K04926
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
本多 善太郎 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (30332563)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 炭素材料 / 磁性 / 2次元構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は以下3点に関して研究を推進し成果を得た。
オクタシアノ金属フタロシアニンをビルディングブロックとしたフタロシアニンシートの合成。前年度2次元窒化炭素物質の一種であるフタロシアニンシートの合成に成功したが、反応温度が高いためグラファイトが副生成物として生じることが判明した。そこで反応温度の低減を目指し、反応前処理の検討を行った。ボールミル混合による反応前処理を導入した結果、フタロシアニンシートの生成温度が大幅に低減することを突きとめた。さらにこれまで合成できていなかったMnフタロシアニンシートの合成に成功した。
テトラクロロフタロニトリルをビルディングブロックとした窒素ドープ炭素の合成。本年度はカップリング材の検討を行った。カップリング材にアルカリ金属を用いた場合、窒素を多量に含んだ常磁性ナノグラファイトが得られた。構造解析の結果、窒素がエッジ、空孔を安定化させ、それらに誘起される磁気モーメントが常磁性の原因であることを明らかにした。本成果はSolid State Sciences 誌に投稿し掲載された。さらにカップリング材に遷移金属に用いた場合、遷移金属イオンが均一分散したナノグラファイトが得られ、その磁気モーメントによる秩序磁性を示すことを明らかにした。
メラミン、シアヌル酸クロリドをビルディングブロックとした窒化炭素シートの合成。メラミン、シアヌル酸クロリドを有機ビルディングに用いボトムアップ反応を検討した。その結果、秩序構造を持った反応生成物が得られた。XRDパターンから反応生成物の構造解析を行ったところ、窒化炭素シートの一種であるポリトリアジンイミドが生成したことを明らかにした。PTIは光化学触媒能を示す有用な炭素材料であり、本研究により新規合成法の可能性を示すことができた。
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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
研究計画に従い、フタロシアニンシートの合成及び窒素ドープ炭素の合成に関する研究を推進した。各進捗状況を以下に示す。
１．フタロシアニンシートの原料となる各種オクタシアノ金属フタロシアニンを合成し、同定した。次に各種オクタシアノ金属フタロシアニンをビルディングブロックとしたフタロシアニンシート合成において、ボールミリングによる反応前処理を施すことにより、炭素不純物の低減を達成した。現研究段階で純度の高いフタロシアニンシート合成の可能性を示すことが出来た。さらに合成した各種オクタシアノ金属フタロシアニンを用いて各種フタロシアニンシート合成を試み、Mn, Fe, Co, Cuフタロシアニンシートの合成に成功した。また、磁気測定によりその磁性を調査した。
２． TCPNをビルディングブロックに用いた場合、反応生成物が窒素を多量に含むナノグラファイトであること、ナノグラファイトのエッジ、空孔に生じた磁気モーメントによる常磁性を明らかにした。加えて、各種遷移金属をカップリング材に用い、各種炭素材料の合成を行った。X線回折、X線光電子分光法、透過型電子顕微鏡により反応生成物の構造を調査し、窒素配位遷移金属イオンが均一分散したナノグラファイトであることを突き止めた。また、遷移金属に由来する磁性を明らかにした。
窒素ドープ炭素の合成において有機ビルディングブロックの検討を行った。有機ビルディングブロックをメラミン、シアヌル酸クロリドに変更し、反応を検討したところ、特定の反応条件で規則構造を示す反応生成物を得た。反応生成物のX線構造解析を行い、2次元窒化炭素物質であるポリトリアジンイミドが生成したことを突きとめた。
以上の研究により、当初の研究目標を達成した。さらに、当初の研究計画より研究を進め、2次元窒化炭素物質であるポリトリアジンイミドの新規合成法を見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度の研究成果を受けてH30年度は以下の通り研究を推進する。
１．各種フタロシアニンシートの高純度化及びその物性解明
オクタシアノフタロシアニンを原料としたフタロシアニンシート合成では反応生成物に炭素不純物が混在する欠点がある。そこで前年度行った反応前処理の検討をさらに進め、フタロシアニンシートの高純度化を目指す。ボールミリングに加え、湿式法、溶媒を用いた方法を検討する。改良法により合成した各種フタロシアニンシートの磁気特性の調査を継続して行い、各種遷移金属フタロシアニンシートの磁性を包括的に調査し、まとめる。また、フタロシアニンシート内の磁性イオンの欠損と磁性の関係についても調査する。
２．ポリトリアジンイミド（PTI）合成法と構造解明、金属インターカレーション法の開拓
前年度に行った研究においてメラミン、シアヌル酸クロリドをビルディングブロックに用いたボトムアップ反応により2次元窒化炭素物質の一種であるPTIが生成することを明らかにした。そこで、原料混合比、反応温度、時間等の反応条件の最適化を行い、PTI合成の新規方法を確立する。さらに昨年度の研究からPTI生成反応の際、カップリング材である遷移金属がPTIシート間にインターカレートされている可能性があることが分かった。そこでX線構造解析法及びX線光電子分光法によりPTI結晶内の金属イオンの位置や電子状態を明らかにする。PTI等の2次元窒化炭素では遷移金属イオンのドープにより、秩序磁性の発現が予想されている。そこで各種遷移金属イオンがインターカレートしたPTIの磁性を包括的に調査し、まとめる。
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Research Products
(9 results)
