2020 Fiscal Year Research-status Report

Synthesis of sub-nanoporous boron nitride and its development as adsorbents and catalysts

Research Project

Project/Area Number	19K05650
Research Institution	Okayama University
Principal Investigator	大久保貴広岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (30385554)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	窒化ホウ素 / ガス吸着 / ミクロ孔 / メソ孔
Outline of Annual Research Achievements	本研究では炭素材料と等電子の関係にある窒化ホウ素（BN）を壁材とした細孔性材料（p-BN）の創出と触媒への展開を指向した研究を行っている。昨年度、カーボンナノホーンを鋳型とした方法では、鋳型を用いない方法（自己鋳型法）よりも比表面積や細孔容量の点で劣ることがわかり、ここでは単層カーボンナノチューブを鋳型として用いることで解決可能と考えたが、適切な細孔の付与は困難だとわかった。以上のことから、自己鋳型法により創製したp-BNが比表面積の観点で最も優れているとの結論に達した。 p-BNを創製する際の焼成条件も検討し、アルゴン気流下1673 Kで焼成した場合、1473 Kで焼成した場合と同等の細孔を賦与できる上、大気中で973 Kで焼成しても細孔構造を維持できる耐酸化性に優れた材料を得ることができた。表面化学種の違いをIRおよびXPSの測定結果を基に検討した結果、1473 Kで焼成したp-BNの方が1673 Kで処理した場合に比べてヒドロキシ基やアミノ基が豊富に含まれており、窒素分子が吸着した場合にこれらの官能基と窒素とが比較的強く相互作用している可能性が高い。その一方で、1673 Kで処理したp-BNにはXPSスペクトル中に窒化物イオン種に帰属されるバンドが観測され、引き続きこの興味深い化学種について検討する。一方、窒素分子とp-BNとの特異的な相互作用解明を目指して第一原理計算に基づく理論的な解析を試みた。その結果、窒素と沸点が近くサイズ的にも類似しているアルゴン分子との比較において、六方晶BNの基底面との安定化エネルギーはアルゴンよりも窒素の方が約1.5倍大きいことが分かった。更に、末端の官能基との相互作用もアルゴンの場合に比べて窒素の方が約1.5倍大きいこともわかり、これまでに実験的に得られた結果を理論面で理解することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は昨年度からの継続課題として、ミクロ孔性BNの創製手法および得られた材料のガス吸着特性についての知見を得ることを目指した。最終的には炭素材料を鋳型として用いない方法が最適であるとの結論に至り、昨年度の成果も併せて、自己鋳型法により得られる材料に的を絞ることにした。また、創製する際の焼成温度を1673 Kにまで上げることで、得られた材料を空気中で973 Kで焼成しても細孔構造が維持されることも確認でき、炭素材料では燃焼してしまうような過酷な条件でも安定的に用いることができる細孔材料として使える可能性を見出すことに成功した。更に、第一原理計算を駆使した理論解析の結果、六方晶BNの基底面での安定化エネルギーはアルゴンよりも窒素の方が約1.5倍大きいことが分かった。更に、末端の官能基との相互作用もアルゴンの場合に比べて窒素の方が約1.5倍大きいこともわかり、これまでに実験的に得られた結果を理論面で理解することができた。以上のような種々の成果から、本研究は「おおむね順調に進展している」と判断した。
Strategy for Future Research Activity	2021年度は、得られたp-BN材料を吸着分離材料や触媒材料として有効活用するための基本的な知見を揃えることを目指す。これまでに炭素材料との比較で窒素ガスに対するp-BNの優位性は認められたが、その他のガス種については全く理解が進んでいない。特に、二酸化炭素については、BN材料を吸着材料として使った報告例がある一方で、本研究課題を開始した当初に行った検討では炭素材料に対する優位性は認められなかったという経緯もある。昨年度までに得られた新規材料も含めて、二酸化炭素に対する吸着性能や触媒能について新たな知見の創出を目指す。材料の評価は、学内外における各種装置により評価すると共に、ガス吸着量測定により小分子固定化能や触媒能の指標を得る。昨年度までの検討の結果、自己鋳型法による材料創製がベストであるとの結論に至った。しかし、この手法では細孔構造（サイズ）を積極的に制御することが困難であるため、本年度は自己鋳型法により創出されるp-BNの細孔構造を制御するための方法論の確立も目指す。細孔構造を適切に制御できれば、吸着分離剤や触媒材料として更に機能性に優れた材料を創製することができるため、引き続き細孔構造制御に的を絞った材料創製手法の開発にも注力する。
Causes of Carryover	2020年度はコロナ禍の影響により、主として学会参加等に係る旅費を使う機会に恵まれず、次年度への繰越が生じた。これらの研究費は2021年度においてガラス器具類および真空部品類等の消耗品の購入と学会が実施された場合の旅費に充当する予定である。