金属イオン交換性多孔質窒化炭素の創製とその特性の解明

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05157
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture
• Principal Investigator: 尾中 篤 東京農業大学, 生命科学部, 教授 (10144122)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 層状窒化炭素 / 多孔質ナノ窒化炭素 / 固体塩基性 / ハイドロタルサイト / 水に不溶 / 固体塩基触媒作用 / Knoevenagel反応

Outline of Annual Research Achievements

メレム骨格の三方に出た側鎖のアミノ基で連結した鎖状ポリマー体が水素結合で2次元的に結合した平面単位は，さらに上下に積層した構造の層状窒化炭素（g-CN）をつくる．この材料は炭素原子と窒素原子が互い違いに配置した複素環構造をもつことから，電子材料や光触媒材料として注目を集めてきた．しかし，その積層構造が強固なため，材料の比表面積は大変小さく，期待される平面物性が十分発揮されない素材でもあった．筆者らは，このg-CNを濃硫酸中に分散させると平面単位が剥離し，その後アルカリ処理することで，一次元窒化炭素鎖状ポリマーが乱雑に集合化した形態に変わり，その結果表面積が約20倍増大し，機能性材料として期待できることを発見し，ナノ窒化炭素（nanoCN）と命名した．
このnanoCNは，アルカリ処理時に入ったアルカリ金属が，構造体内に強固に固定されているため，塩基性を示すという特徴をもつ．そこで，nanoCNを水中に分散させた時，塩基成分が水中に溶出するのか，また，これまでに固体塩基としてしばしば利用されてきた無機固体のハイドロタルサイト（HT）と比べて，水中でどのような塩基挙動を示すのかを検討した．
nanoCNとHTを水中に分散させ，その上澄み液部分と，水が吸着した固体成分を分離し，pH試験紙でその塩基性を評価した．その結果，上澄み液の液性は，nanoCNは7，HTは9であり，nanoCNのもつ塩基成分は水に全く溶出しないのに対し，HTでは部分的に溶出することがわかった．一方，水を吸着した固体表面のpHは，nanoCNは9，HTは9～10であり，HTの方がやや高かった．これらのことから，nanoCNの固体塩基成分は水中に全く溶出せず，固体表面上で塩基性を発現すると結論した．また，nanoCNが純水中でKnoevenagel反応を有効に引き起こす固体塩基触媒作用も確認した．

Current Status of Research Progress

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

Reason

従来水に対して不溶の無機固体塩基と言われ使われてきたハイドロタルサイトHTと，我々が開発したナノ窒化炭素nanoCNの水中での固体塩基特性を比較したところ，nanoCNは水に全く不溶であるのに対し，HTは部分的に溶解することが新たにわかり，nanoCNの固体塩基に関する特異性を新たに発見できた．実際に，純水中でのKnoevenagel反応に対する固体塩基としての有用性を両者で比較したところ，nanoCNがHTよりも高い塩基触媒作用を示すこともわかり，nanoCNの優位点が確認できたことは満足できる成果と考える．

Strategy for Future Research Activity

ナノ窒化炭素には塩基性を示すアルカリ金属イオンが強固に配位している．まずアルカリ金属イオンの種類の違いによるnanoCNの塩基性の変化を調べる．また，nanoCNの骨格には多くの第1級アミノ基が突き出ているため，このアミノ基を有機的に化学修飾することが可能と考える．その修飾によって，より脂溶性を高めたnanoCNを新たに作り出して，有機溶媒中で使用する多座配位子としての活用も考えていく．

Causes of Carryover

当初研究補助員の雇用を考えていたが，相応しい人材を見出すことが出来なかった．また，海外出張を計画していたが，その海外出張を控えたため，次年度使用額が大きくなった．