2021 Fiscal Year Research-status Report
溶液合成における透析の精密化による無機酸化物半導体ナノ粒子の光機能化
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19K05013
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
上川 直文 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (60282448)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 酸化チタン / 酸化セリウム / 板状粒子 / 自己集積化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は、2020年度の検討に引き続き、チタン酸化物についてコロイド化学的溶液プロセスの「透析」手法の高度化について検討を行った。また、セリウム酸化物については「透析」により調製した原子価制御された酸化セリウムナノ粒子の光との相互作用の検討と共に、「解膠」による二次元的形状異方性を有する酸化セリウム微粒子の合成とその機能の検討を行った。
チタン酸化物系として、塩化チタン(III)のエチレングリコール溶液の第1段階目の透析クエン酸塩の水溶液で行い、第2段階目の透析を脱イオン水で行うことでクエン酸複合化層状チタン酸粒子が得られた。特に、第1段階目の透析の溶媒としてクエン酸水溶液を用いると凝集の強い層状チタン酸ナノ粒子が生成したが、クエン酸アンモニウム水溶液を用いると水に安定に層状チタン酸ナノ粒子が分散したゾルが得られた。さらにこのゾルを95℃以上で加熱すると粒子表面に吸着したクエン酸イオンにより高アスペクト比のアナターゼ型酸化チタン板状ナノ粒子が生成した。この粒子は配向制御薄膜作製などへの応用が期待される。
また、硝酸セリウム水溶液にアンモニア水を添加して得た水酸化セリウムゲルを脱イオン水中で55℃以上で解膠することで広がりが100nm程厚みが5nm程の酸化セリウム板状粒子を得ることが出来た。そして、この酸化セリウム板状微粒子と糖アルコールの一種であるソルビトールの結晶微粒子が規則正しく交互積層した複合構造を形成し、この複合体は構造色を示すことを明らかにした。さらに、水蒸気が酸化セリウム板状粒子間のメソ細孔中に毛管凝縮することで構造色発色状態が大きく変化することも見出した。
このように2021年度は、コロイド化学的プロセスの高度化により高アスペクト比を有する板状形態の酸化物ナノ粒子の合成法を開発するとともにその自己集積能を明らかにすることが出来た。
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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
コロイド化学的溶液プロセスである「透析」および「解膠」のプロセスを積極的に使用する溶液合成プロセスのここまでの我々の研究による進化により、酸化チタンおよび酸化セリウムナノ粒子において、その粒径のみならず粒子形態の精密制御を実現することが出来た。具体的には、クエン酸複合化層状チタン酸板状ナノ粒子分散ゾルを本研究で開発した2段階透析法により合成した後、95℃以上の温度でゾルを加熱処理することでクエン酸イオンの粒成長制御の効果により厚さが5nm広がりが100nmから200nm程度のアナターゼ型酸化チタン板状粒子を合成できた。この透析では、透析に用いる溶媒の溶質濃度を精密に制御することで粒子の分散安定性を損ねずに形態制御を可能にした。また、酸化セリウムでは、水酸化セリウムゲルの水中での55℃以上での解膠により粒径が50nmから200nmの板状粒子を得ることが出来た。この水酸化セリウムの解膠ではセリウムイオンの3価から4価への酸化による粒子表面電荷の状態の変化などが分散安定性を生み出すと共に粒成長へ関与する事を見出した。
今回得られた酸化物板状粒子は、分散ゾルへ不揮発性の非イオン性溶質を溶解した後乾燥することで、板状粒子と非イオン性分子の結晶微粒子の交互積層構造を自発的に形成し構造色を発する事を明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、これまでの検討で十分に検討できていなかったコロイド化学的プロセスによる透析および解膠時の物理的環境制御を用い溶液中ナノ粒子生成プロセスの制御について検討する。具体的には、透析を行う際に超音波を照射し膜の細孔の状態に摂動を与えることでイオンの透過性制御を行い遷移金属イオンの加水分解反応の精密な制御を行う。この方法で粒成長過程を速度論的に精緻にコントロールすることで粒径分布と粒子形態に対しても適切な制御を行う。また、透析や解膠過程において酸化物を形成するチタンやセリウムイオンの酸化還元を伴うことから透析における溶媒中の溶存酸素濃度を制御し金属イオンの酸化速度を制御する事での粒成長の制御や酸化物の金属イオンの混合原子化状態制御が可能であるか検討を進める。さらに、得られた粒径や形態の精密制御された酸化物ナノ粒子の新規機能の創成として、酸化物ナノ粒子の粒径形態の均一化によりナノ粒子自己集積化能を制御できるか検討し、自己集積化による高度に規則的な集積構造を形成可能かそしてそれによる光学的機能が創成できるか検討し最終年度として研究を完成させる。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響で、国際学会での発表予定などがキャンセルとなり海外旅費の使用予定が無くなったため当初の予定よりも予算使用額が減少した。このため、研究期間を延長し、繰越金について最終年度として本研究をまとめるために必要な実験データ取得のための機器分析費などとして使用する。
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