2018 Fiscal Year Research-status Report
金属系ナノ粒子の均一担持に向けたガス拡散を制御した新規CVD技術の開発
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18K04820
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
岩村 振一郎 北海道大学, 工学研究院, 助教 (10706873)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 反応プロセス / ナノ材料 / エネルギーデバイス / 炭素材料 / 化学気相成長法 / 光触媒 / ナノ粒子担持 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、研究代表者らが開発した減圧液パルス化学気相蒸着（VLP-CVD）法を活用して、電極材料や触媒に向けたナノ複合材料を簡便に製造することである。研究代表者らのこれまでの研究により細孔径の大きな多孔質炭素材料中にTiO2ナノ粒子を均一に担持することに成功し、電極材料としての優れた特性が得られることを明らかとなった。そこで、平成30年度は様々な細孔構造を持つ担体へのTiO2ナノ粒子の担持、および複合材料の光触媒としての活用を検討した。
VLP-CVD法は一般的な連続的にガスを流通させるCVD法と比べ多孔質担体の細孔内に円滑に原料ガスを拡散できる手法であり、原料ガスが細孔内に到達してから熱分解することで均一な担持が可能となる。反応器内で原料ガスは多孔質担体粒子の粒子間の空隙に流れ込み、細孔内での拡散により担体粒子内部に到達する。原料ガスの濃度変化を計算したところ、粒子間空隙での流動は瞬時に完了し、細孔内の拡散が律速になっていることが判明した。そこで、担体粒子の粒子径を小さくして細孔内での拡散距離を短くした結果、これまでより細孔径の小さな多孔質担体の内部まで均一に担持することに成功した。
得られた複合材料をメチレンブルーの回分式分解反応による光触媒特性を評価した結果、VLP-CVD法で作製したTiO2/炭素複合材料は一般的な流通式CVD法で作製した試料と比べ高い光触媒活性を有することが判明した。担体粒子径が大きい場合、細孔径が大きいマクロポーラスな担体を用いた複合体が最も高い光触媒活性が得られた。一方、細孔径が小さいメソポーラスな担体を用いた複合体も担体粒子径を小さくすることでマクロポーラスな担体から得られる複合体と同等の光触媒活性を得ることに成功した。この結果より、用途に応じて最適な細孔構造の担体を用いた複合材料を活用することが可能となったといえる。
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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
本研究で行う気相反応で細孔内にナノ粒子を担持するプロセスの場合、細孔内への原料ガスを円滑に拡散させることが非常に重要である。本年度の成果により、求められている細孔径の担体へ円滑に拡散させることが可能な拡散距離を定量的に求めることが可能となり、実験的に実証することにも成功した。この成果は今回用いたTi源ガスと多孔質炭素材料の組み合わせに限らず様々な原料と担体の組み合わせに活用できることが期待される。さらに、光触媒活性の評価が可能になったことにより、これまでの電極への活用以外の用途への可能性が明らかになったことから、本研究で開発を進めているナノ複合材料製造プロセスの有用性を示すことに成功したといえる。以上のことから、今年度の進捗状況として「おおむね順調に進行している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
H30年度の成果より、VLP-CVD法により様々な細孔構造を持つ担体を有効に活用する手法が明らかになり、触媒用途への活用の可能性も見出すことができた。そこで、R元年度はVLP-CVD法による様々なナノ複合材料製造の可能性を検証するために、TiO2以外の金属酸化物の担持を検討する。新たに検討する金属酸化物としては、CVD原料として液パルス状に導入可能な金属アルコキシドを比較的入手容易なSnO2やV2O5などを予定している。さらに得られた材料についての電極特性や触媒活性などの応用評価も進める予定である。
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| Causes of Carryover |
本研究ではナノ複合材料製造に必要な実験装置を新たに作製すること前提に予算を計上していた。H30年度は様々な細孔構造の担体を活用することに向けた検討に注力したため、これまで保有している実験装置を用いて検討を進めた。予定していた新たな実験装置の製作はR元年度より本格的に検討を進める予定であり、これを用いて様々な金属酸化物を担持する検討を行う予定である。
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