規則性メソポーラスシリカ全表面のグラフェン単分子層による完全被覆

2008 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20651029
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 京谷 隆 Tohoku University, 多元物質科学研究所, 教授 (90153238)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西原 洋知 東北大学, 多元物質科学研宛所, 助教 (80400430)
• Keywords: メソポーラスシリカ / グラフェン / メソ孔 / 炭素被覆 / シラノール基

Research Abstract

乾燥させたメソポーラスシリカ(SBA-15)に減圧下で2, 3-ジヒドロキシナフタレン(DN)を溶解させたアセトン溶液を含浸し、蒸発乾固させた。その後N2雰囲気下300℃で1h熱処理し、SBA-15の細孔表面に存在するシラノール基とDNを脱水縮合させた。この試料をアセトンで十分に洗浄して未反応のDNを除去した後、乾燥させることでSBA-15の細孔表面をDNが均一に被覆した複合体を得た。さらにこれをN2雰囲気下800℃で4h炭化することで、炭素被覆SBA-15(carbon/SBA-15)を調製した。試料の炭素構造、長周期規則構造はX線回折(XRD)により分析した。また、試料の構造は高分解能の電界放出型走査型電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて直接観察した。表面積や細孔径分布はN2吸脱着測定(-196℃)、水との親和性は水蒸気吸脱着測定(25℃)により評価した。carbon/SBA-15のXRDパターンからは明瞭な炭素(002)回折ピークが観察されなかったことから、炭素層にはグラフェンシートの積層構造が殆ど無いことが示された。SBA-15は炭素被覆後にも大きな表面積と細孔容積を保持していた。窒素吸脱着の結果に密度汎関数(DFT)法を用いて求めたメソ細孔径分布は、炭素被覆後も非常にシャープであった。さらに、DFT法より求めたメソ細孔径はFE-SEMで観察された細孔サイズとほぼ一致した。また、炭素被覆後の水蒸気吸着量が非常に小さいことから、炭素被覆はほぼ完壁でありシリカ露出部分が殆ど無いことが示された。データから推測されるcarbon/SBA-15の構造の模式図から、炭素層の厚さは0.6〜0.7nmと計算され、この値は炭素の担持量から推算される値とほぼ一致する。すなわち、本手法を用いることでメソポーラスシリカの表面をグラフェンシート1〜2層分の炭素層で被覆できることが明らかとなった.