2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of nanounit-integrated type photocatalytic materials prepared through hierarchical self-organization
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17H03392
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
片桐 清文 広島大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30432248)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
冨田 恒之 東海大学, 理学部, 准教授 (00419235)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | セラミックス / 光触媒 / 自己組織化 / ナノ粒子 / ハイブリッド材料 / 泳動電着法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、前駆体から分子設計を行い、自己組織化などの手法を活用して無機ナノユニットを形態制御合成し、それらを階層的に組織化して複合化した高性能光触媒の開発を目指している。2年度目である2018年度においては、まず前年度に引き続き、液相プロセスを活用して、無機ナノユニットの形態制御合成について検討を行い、さらにそれらを可視光応答光触媒として期待される酸窒化物に転換する手法の開発を実施した。さらに、電気泳動堆積法を用いて、無機ナノユニットを導電性基材表面に集積する手法についても検討した。
まず、無機ナノユニットの形態制御合成については、前年度のチタン系に加え、新たにニオブやタンタルの水溶性金属錯体等を用いて、それぞれのナノ酸化物の合成を行った。ニオブについては、水溶性ニオブ錯体と水酸化ストロンチウムを前駆体とした水熱合成によって層状ペロブスカイト化合物であるSr2Nb2O7が合成でき、得られた試料がナノロッドの形態を有していることを明らかにした。また同様に水溶性タンタル錯体を用いることで、Sr2Ta2O7を水熱法で合成できることを明らかにした。
次に、これらの層状ペロブスカイト化合物を無機ナノユニットとして、尿素を窒素源に用いて酸窒化物に転換することを試みた。前年度に合成したLa2Ti2O7を用いた場合、水熱合成時に副生するLa(OH)3が共存した状態においてLaTiO2Nへの転換ができることが分かり、詳しく解析したところ、La(OH)3と尿素の反応によって中間体としてLa2O2CN2が生成しており、これが酸窒化物生成の鍵となっていることも明らかにした。Zn-Ga LDHナノ結晶を用いて、同様に尿素でGaN:ZnOへの転換を行ったところ、結晶子のサイズがナノレベルで維持されたGaN:ZnOができることも明らかにした。
さらに、ポリカチオンを用いた電気泳動堆積法で無機ナノ粒子を配列を制御して基板上に集積化できることにも成功した。
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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
無機ナノユニットの前駆体となる水溶性金属錯体の合成を前年度までに完了し、それを活用して、水熱合成法を用いて、La2Ti2O7、Sr2Nb2O7、Sr2Ta2O7をナノロッドとして合成することができた。さらに比較対象とするために同物質を錯体重合法で合成することも研究分担者の協力のもとできている。
さらにこれを用い、酸窒化物に転換するアプローチに関しても、La2Ti2O7からLaTiO2N、Sr2Nb2O7からSrNbO2Nへ尿素を窒素源に用いて実施し、成功している。この過程で、それぞれ、反応系に水熱合成時に複製するLa(OH)3やSrCO3が共存することが窒化反応に必須であり、その役割についても解明が進みつつある。
また、Zn-Ga LDHナノ粒子を前駆体に用い、尿素を固体窒素源に用いてGaN:ZnOをナノ結晶として合成することにも成功している。
電気泳動堆積法による導電性基材への無機ナノユニットの集積化においては、まずSiO2粒子をモデル物質に用い、種々の電着方法を検討した結果、ポリカチオンを用いることでカソード電着による製膜が可能であり、また、粒子分散媒のpHが粒子集積膜における粒子配列に影響を及ぼしていることも明らかにすることができた。
さらに、Z-スキーム型複合光触媒を構成する酸化物であるSrTiO3やBiVO4なども合成し、また助触媒坦持も実施し、次年度における複合光触媒構築のための準備も予定通り進めることができた。
以上を総合的に勘案し、本研究は当初の計画に対し、おおむね順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の最終年度となる2019年度は、まず無機ナノユニットを前駆体とする酸窒化物光触媒の新規合成法の開発に取り組む。これまでに合成法を確立したLaTiO2N、SrNbO2N、GaN:ZnOに加え、SrTaO2NやBaTaO2N、CaTaO2Nなどの合成にも着手する。さらに得られた物質の光触媒活性評価も順次実施していく。
また、酸化物系においては、前年度までに合成してきたSrTiO3やBiVO4の粒子を混合して溶媒に分散させ、電気泳動堆積法を用いて導電性基材上に製膜して複合光触媒とすることを試みる。助触媒を坦持するほか、電子メディエータとなるITOナノ粒子などを組み込むことで性能の向上を図る。その他、ナノユニットの多様な組み合わせを検討したり、基板上での集積薄膜化に加え、コア－シェル粒子、ヤヌス型接合粒子など、機能発現に最適な複合形態を模索したりし、さらなる光触媒の高活性化を試みる。
これらにおいては、研究分担者や研究協力者とも緊密に連携し、検討を進める。
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