2017 Fiscal Year Research-status Report
Uranium nanoparticles: synthesis at room temperature and new chemical properties
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16K06958
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
上原 章寛 京都大学, 原子炉実験所, 助教 (30402952)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | コロイド / 酸化ウラン / ナノ粒子 / 酸化還元反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地下水環境におけるアクチニド化合物の酸化還元挙動及び化学状態変化を把握することは、放射性廃棄物の適切な埋設処分方法を選定する上で重要である。申請者らは、常温の濃厚電解質水溶液（例えば１４Ｍ塩化リチウム）中に溶存させたウラニル（VI）イオンが、電解操作によって二酸化ウラン（IV）として合成できることを見出している。本申請では、自然環境で生成が想定される二酸化ウラン・ナノ粒子の生成条件を把握するとともに、ナノ粒子の溶液化学的性質を明らかにすることを研究の目的とする。本申請の研究では、埋設環境で存在が想定されるウラン化合物や環境化学種の酸化還元挙動を電気化学的視点から定量的に評価し、想定される二酸化ウラン・ナノ粒子の生成反応を明らかにする。初年度は、各種原子価のウラン化合物として塩化ウラニル(VI)、四塩化ウラン(IV)、三塩化ウラン(III)をそれぞれ合成するのみならず三酸化ウラニル(VI)、四酸化ウラニル(VI)の合成することに成功した。2年目には、上述のウラン化合物を用いて、反応溶液中に溶解、電極反応によって酸化還元反応を調査した。まず電気化学的にウランが析出する反応溶媒の選定を行ったところ、弱酸性の塩化ナトリウム、過塩素酸ナトリウム中においてウランが電気化学的に析出することを確認した。一方、申請者が過去に行ってきた濃厚電解質を用いた時が最も良好に電析することが分かった。これらの知見を基に、酸化体を含む有機溶媒を用いてこれらの水溶液と接触させ無電解にて電解析出を試みた結果、電極を用いずに水相と有機相の界面に電析させることに成功した。反応生成物は走査型電子顕微鏡にて酸化ウランであることを確認した。また、粒子サイズにはばらつきがあるもの、100nmオーダの粒子を作成することに成功した。
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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
無機イオン液体中でのＵＯ２ナノ粒子の合成法の開発
申請者はこれまで固体電極を用いてウランイオンの酸化還元反応を明らかにしてきた。ウランイオンを還元させるために必要な還元剤、保護剤及び無機イオン液体の選定等を、今までに得られた知見および文献に基づいて調査した。まず、各種無機イオン液体中におけるウランイオンの酸化還元過程を電気化学的測定法及び分光学的手法を用いて明らかにした。用いた電気化学測定法は、サイクリックボルタンメトリー、ディファレンシャルパルスボルタンメトリー、回転電極を用いるリニアスイープボルタンメトリーである。電極反応の可逆性について考察するため、白金電極、炭素電極等の電極を用いた。弱酸性の水溶液あるいは濃厚電解質水溶液を用いた時、ウランの析出反応に起因する電流ピークを得た。一方、申請者は今まで、電気化学的に金ナノ粒子の合成を行い、これらの粒子の粒径や粒子サイズが電解電位及び電解時間に依存することを発見した。これらの知見を当該研究に応用し、電解によるＵＯ２ナノ粒子の合成を行った。濃厚電解質水溶液の種類として、塩化物塩あるいは硝酸塩を用い、ナノ粒子合成に及ぼすそれらの濃度依存性を調査した。電気化学測定の結果をもとに、ＵＯ２２＋が還元されうる酸化還元電位を有する還元剤（例えば水素化ホウ素ナトリウム）を加えることによって無電解でのナノ粒子合成に成功した。また、有機溶媒中にフェロセンのような還元体を溶解し、有機相と水相を振り混ぜることにより界面にナノ粒子を析出させることに成功した。ナノ粒子の粒径は走査型電子顕微鏡の測定の結果、100nmオーダであることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
ＵＯ２ナノ粒子の物性評価
研究計画(ii)と並行させながら、合成したＵＯ２ナノ粒子の物性評価を行う。分析手法として、紫外可視吸光分光法、ラマン分光法、Ｘ線回折法を用いるとともに、Ｘ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ）測定、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行う。ウランの化学種及び原子価の同定にはＸＡＦＳによる分析を行う。あらかじめ多元研にて作成したＵＣｌ４、ＵＯ２を標準物質とし、合成したＵＯ２ナノ粒子の錯体構
造および溶媒和に関する情報を取得する。ＸＡＦＳ測定では、原子価によって明確にスペクトルが異なるので化学種の同定が容易である。実験は一昨年度から高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）における共同利用実験（課題: 無機イオン液体を用いたウランの無電解析出のその場測定）で申請済みである。試料調製は京都大学原子炉実験所にて行い、ＫＥＫでは試料の開封は行わず、密閉状態で測定を行うのみとする。本申請では、無機イオン液体濃度や保護剤の種類を変えることによって生成するＵＯ２ナノ粒子の粒子数や粒径について調査するためＳＥＭ測定あるいはＴＥＭ測定を行う。ＴＥＭは本実験所のＴＥＭを使用予定であるが、必要に応じて東北大学金属材料研究所管理区域内のＴＥＭを共同利用により使用することも検討する。
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| Causes of Carryover |
（理由）実験計画において、1昨年度にウラン化合物を合成するために時間を要し、その結果、今年度の電気化学測定及びバッチ実験の実施の一部を今年度に移行させたため。
（使用計画）今年度は、ナノ粒子合成のための実験条件の最適化を継続して行うとともに、溶解度試験などの物性測定、光学顕微鏡などを用いた試料観察を実施する。
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Research Products
(10 results)
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[Presentation] High temperature reactions of UO2, ZrO2, B4C, CaO, and SiO2: X-ray absorption fine structure and X-ray diffraction analyses2017
Author(s)
A. Uehara, K. Matsumoto, D. Akiyama, C. Numako, Y. Terada, H. Akiyama, T. Ina, S. Homma-Takeda, A. Kirishima, and N. Sato
Organizer
Actinides 2017
Int'l Joint Research
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