2020 Fiscal Year Annual Research Report
Various functional designs of non-silica-based hybrid mesoporous materials realized by the precise reactivity control
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19H02805
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
木村 辰雄 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (20308191)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 多孔体 / メソポーラス / 無機固体化学 / ナノ機能材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
触媒機能を付与するための基本骨格となるベンゼン架橋及び電子移動の起点を設計するための有機化合物を想定したビフェニル架橋のホスホン酸エステル（市販品）を活用し、金属源との反応性を考慮し、界面活性剤にPluronic F127を用いたホスホン酸アルミニウム及びホスホン酸チタンの薄膜化を検討した。
・無機種に由来する表面特性の制御を目指し、既に合成に成功している、構造規則性が高く、フェニレン基を含むメソポーラスホスホン酸アルミニウム薄膜の合成法を基準に、ホスホン酸チタン薄膜のメソポーラス構造化の改善に取り組んだ。ホスホン酸化合物とチタンのモル比が１より大きい場合に構造規則性が改善する傾向を確認した。合成手順を改良し、アルミニウムとチタンをモル比１：１で混合した前駆溶液からより高い構造規則性のメソポーラス薄膜を合成できることを見出した。
・種々の合成条件を精査しながら、ビフェニル基を含むホスホン酸アルミニウム薄膜のメソポーラス構造化を行った。ホスホン酸化合物とチタンのモル比が１：１の場合を含め、比較的広い範囲で、構造規則性の高いメソポーラス薄膜が合成できることを確認した。両親媒性有機分子が自己集合する性質を利用した多孔体合成では世界初となる、非シリカ組成で複数の芳香環を骨格内に含み、構造規則性の高い、ハイブリッド型メソポーラス材料を合成することに成功した。
・ビフェニル基を含むホスホン酸チタンのメソポーラス構造化にも挑戦した結果、ホスホン酸化合物とチタンのモル比が１：１の場合を含め、ある程度の範囲で、構造規則性の高いメソポーラス薄膜が合成できることを見出した。成膜直前にアルミニウム源を添加することで、チタンとアルミニウムを任意の割合で複合化した構造規則性の高いメソポーラス薄膜も合成できることを確認した。
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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
予算提案書に記載した内容の内、以下の研究成果が得られている。
１．両親媒性有機分子の存在下、アルミニウム源（AlCl3）やチタン源（TiCl4）との反応性を考慮し、ベンゼン及びビフェニルで架橋されたホスホン酸エステル或いはその酸処理物を出発原料とすることで、メソポーラス構造を有する種々のホスホン酸アルミニウム及びホスホン酸チタンの成膜技術を開発した。
２．表面特性（親水性／疎水性）を序列化する際に複合組成の状態を理解しやすい、ホスホン酸化合物と金属源のモル比が１：１となる前駆溶液の調製が可能であることが確認できたため、フェニレン基やフェニレン基を含む材料系を中心に、噴霧乾燥による粉体合成を進められる段階に到達したと判断した。
３．ベンゼン及びビフェニルで架橋されたホスホン酸化合物を出発原料として金属ホスホン酸塩のメソポーラス構造化が実現できたことから、導入可能な有機基の種類に関する情報、許容される分子サイズ（≒空間）の目安としては、有機官能基の設計を含め、更に多様な架橋有機基を導入できる可能性が示唆された。
４．ホスホン酸エステルを合成するアルブゾフ反応に関する経験を積んできたが、例えば、高温で還流する過程でスルホン酸基が部分的に脱離してしまうことを確認している。代替法に関する調査も進めてきた結果、パラジウム系触媒の存在下での合成がより有用である可能性が高いとの情報を得ている。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下の４つの研究項目を設定しているが、メソポーラス薄膜の構造規則性が改善されたものから、順次、粉体合成への適用、両親媒性有機分子の抽出、水蒸気吸着等温線の測定を進め、一連の材料に関する触媒特性の評価を実施できれば、予算提案書に記載した内容に沿った形での研究が進展できると考えている。
①ホスホン酸アルミニウム系でシリカ並みの有機基の導入を実現する［想定期間：2019年4月～2021年3月程度まで］
②応用展開する有機基では他の金属種（主にTi）並びにAlとの混合系を構築する［想定期間：2019年4月～2021年10月程度］
③金属種と有機基の種類で整理した表面特性（親水性／疎水性）を序列化する［想定期間：2020年4月～2022年3月］
④有機基に由来する吸着特性或いは触媒特性を最適化する空間環境を提案する［想定期間：2020年4月～2022年3月］
ただし、コロナ禍に於ける緊急事態宣言の発出等の状況によっては、研究期間中、既に延べ５ヵ月近くの期間がテレワーク勤務（出勤制限）を余儀なくされた状況であったことを鑑みると、今後も、テレワーク勤務が避けられない状況になる可能性が排除できず、想定量の実験が行えなくなる可能性があることは申し添えておく。
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Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Nanoarchitectured structure and surface biofunctionality of mesoporous silica nanoparticles2020
Author(s)
Kankala Ranjith Kumar, Han Ya‐Hui, Na Jongbeom, Lee Chia‐Hung, Sun Ziqi, Wang Shi‐Bin, Kimura Tatsuo, Ok Yong Sik, Yamauchi Yusuke, Chen Ai‐Zheng, Wu Kevin C.‐W.
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Journal Title
Advanced Materials
Volume: 32
Pages: 1907035～1907035
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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