非晶質炭酸カルシウムの構造解析による結晶化過程へのアプローチ

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K14414
• Research Institution: 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発
• Principal Investigator: 有馬 寛 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 研究員 (60535665)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 非晶質炭酸カルシウム / 温湿度変化

Outline of Annual Research Achievements

Mg/Ca比が異なる複数のMg添加非晶質炭 酸カルシウム（Ca(1-x) MgxCO3・nH2O）それぞれについて、湿度雰囲気および加熱における結晶化過程をその場観察X線回折測定により評価した。湿度雰囲気実験について、室温25℃における90 %rhの湿度条件においてCaCO3・nH2Oは1時間以内に結晶化したのに対して、Mgをx=20として添加した場合、実験を行った4時間までの加湿条件では明瞭な結晶化を示す強い回折ピークが観察されなかった。初期の非晶質の回折パターンと比較したところ、ハローパターンがシャープになっていることから微結晶ができたことが考えられる。また、Mg添加量を増加した場合、加湿条件による初期のハローパターンからの変化はほとんど観察されなかった。次にこれら加湿した試料を加熱し、構造変化を観察した。Mg添加量によらず加熱によってまずカルサイトが結晶として現れ、これらカルサイトは800℃付近でCaOに分解した。また、Mg添加した場合では、カルサイト分解時にCaO以外の相が出現した。以上の結果は非晶質構造の安定性に、Ca(Mg)-C-Oフレームワーク構造中の陽イオンサイズが関与することを示唆している。本研究の目的である非晶質炭酸カルシウムのフレームワークと含水量および結晶化過程の相関を解明する上で、本成果はフレームワーク構造の変化による結晶化過程の変化を示しており、今後、水の分布および存在形態を詳細に観察することで構造と水の相互作用について知見が得られると考えている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

非晶質炭酸カルシウムのフレームワークと含水量および結晶化過程の相関を解明するという目的に対して、本年度は温度湿度変化における結晶過程のその場観察実験により陽イオン添加効果について結果を得た。初年度の局所構造解析結果と併せて、これらの成果をもとに最終年度に構造測定を行うことで、構造と特性の関係を明らかにする目途がついた。以上の理由からおおむね順調に進展していると判断する。

Strategy for Future Research Activity

最終年度は水の存在形態と非晶質構造の安定性に着目し中距離構造の観点からアプローチする。研究の遂行にあたっては実験室系でのX線試料環境の整備を行うとともに外部の放射光施設（KEK-PF, SPring-8）や中性子施設（J-PARC MLF, JRR3）を活用する。
また、本年度のMg添加ACCの進展を踏まえ、陽イオンの効果を考察に加えることで当初の研究目的の進展につなげる。

Causes of Carryover

当初予定していたX線回折装置の高度化について、本年度のその場観察実験により、予想した内容に加えて進展があったため仕様を再検討し、本年度の導入を見送った。検討結果を踏まえ今年度に実施する。