2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a structural analysis method of carbon materials using soft X-ray absorption spectroscopy and the first-principle calculations
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18H02007
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
村松 康司 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (50343918)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 放射光 / 軟Ｘ線吸収分光 / 第一原理計算 / 炭素材料 / 構造解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，「放射光軟Ｘ線吸収分光法と第一原理計算による炭素材料の複雑構造解析技術の開発」を目的とする。本研究では特に工業的に重要であるにもかかわらずその複雑構造解析技術が確立していないカーボンブラック，タール・ピッチ，ゴム，潤滑油/金属摩擦界面に着目し，これらの複雑構造を放射光軟Ｘ線吸収分光法（SR-SXAS: Synchrotron Radiation Soft X-ray Absorption Spectroscopy）と第一原理計算で解き明かす方法を確立する。具体的には，（1）ターゲット材料の調製，（2）放射光軟Ｘ線測定，（3）第一原理計算による理論解析，（4）解析と評価手法の提案の4ステップで実施する。
2018年度の研究実績を以下に示す。
（1）ターゲット材料の調製： ターゲット材料は予定通り関連企業および外部研究機関から調達した。カーボンブラック系材料は，三菱ケミカル，セキスイ化学，ダイセル，御国色素から，タール・ピッチ系材料は三菱ケミカル，ゴム系材料は東洋タイヤから得た。なお，材料中の金属成分を分析するため，計画通り蛍光Ｘ線分析装置を導入した。
（2）放射光軟Ｘ線測定： 放射光測定は，計画通り本学NewSUBARUのBL10で15回実施するとともに，米国放射光施設Advanced Light SourceのBL-6.3.2で4回実施した。
（3）第一原理計算による理論解析： バンド計算ソフトCASTEPによる理論解析は計算効率を高めるために，計画通り8コア以上の計算機を新たに導入した。
（4）解析と評価手法の提案： ターゲット材料に対して軟Ｘ線吸収スペクトルの形状と試料調製条件との相関を調べ，その相関の妥当性を理論解析から裏付ける。今期は，(1)の材料に対して(2)の放射光軟Ｘ線測定を行い，多くのデータを蓄積した。
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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
上記6. 研究実績の概要で述べたように，概ね，計画通りに研究を実施した。得られた測定データは以下のように整理できる。
(a) カーボンブラック系材料： 工業カーボンブラックの熱処理変化の観察，粒子被覆カーボン層の識別
(b) タール・ピッチ系材料： タール・ピッチの典型的な軟Ｘ線吸収スペクトルの取得，タール・ピッチの熱処理変化の観察，タール・ピッチの識別
(c) ゴム系材料： カーボンブラック添加イソプレンにおけるカーボンブラック添加効果の観察
(d) その他： 黒鉛系炭素材料に含まれるヘテロ環構造の軟Ｘ線吸収スペクトルの予測，透過法による炭素超薄膜の軟Ｘ線吸収測定，絶縁性媒体に吸着した炭素材料の全電子収量測定
以上のデータについて， 2件の論文発表，1件の国際会議発表，33件の国内学会発表を行なった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度も継続して（1）ターゲット材料の調製，（2）放射光軟Ｘ線測定，（3）第一原理計算による理論解析，（4）解析と評価手法の提案の4ステップを実施する。
(1) ターゲット材料の調製は，カーボンブラック系材料，タール・ピッチ系材料，ゴム系材料を重点化する。また，透過法による軟Ｘ線吸収測定から炭素の質量吸収係数を決定できる見通しが得られたので，有機膜をターゲットとして加える。さらに，絶縁性媒体に吸着した炭素材料の全電子収量測定が可能になったことから，PM2.5などの環境炭素材料もターゲットとする。
(2) 放射光測定は，本学NewSUBARUのBL10で10回以上，米国放射光施設Advanced Light SourceのBL-6.3.2で3回以上を計画する。
（3）第一原理計算による理論解析は，測定した軟Ｘ線吸収スペクトルの解釈のために，加速させて実施する。
(4) 解析と評価手法の提案については，タール・ピッチ系材料の軟Ｘ線吸収スペクトルの形状から分子サイズの見積もりが可能になることを見出したので，これを発展させてタール・ピッチの識別手法として確立する。また，ゴムにおけるカーボンブラックとイソプレン分子との結合状態を計算で検証する。
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