2022 Fiscal Year Research-status Report
Bottom-up synthesis of metalate nanosheets with metallic properties and the fabrication of thin films with highly anisotropic optical properties by using their nanosheets
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21K05225
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
伴 隆幸 岐阜大学, 工学部, 教授 (70273125)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ゾルゲル法 / ナノ材料 / ハイブリッド材料 / ナノシート / 薄膜 / 溶液化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属酸ナノシートは、層状金属酸塩を層剥離することにより得られる二次元材料であり、その高い構造異方性に起因した興味深い特性が期待される材料である。我々はこれまでに、金属酸ナノシートに対して、化学反応を利用したボトムアップ型の合成法を見出している。ここでは、この方法で合成した金属酸ナノシートと、長鎖アルキル基をもつ界面活性剤からなる高配向性のハイブリッド薄膜を作製し、その異方構造が屈折率などの光学的物性の異方性に対してどのように影響するかを明らかにすることを目的とする。
２年目はまず、チタン酸ナノシート・界面活性剤のハイブリッド薄膜の作製法の改良を検討した。初年度までの検討では、ナノシートが積層した層状チタン酸塩薄膜を作製し、その後に層間陽イオンを陽イオン性界面活性剤にイオン交換することでハイブリッド薄膜が簡便に作製できることを示してきた。しかし、この方法で作製される薄膜の膜質が十分でないために屈折率の評価などにおいて問題が生じた。そこで作製法自体を見直し、膜質の良い薄膜を作製する方法を検討しなおした。また、屈折率の評価方法についても、新たに解析ソフトを購入して、より詳細に解析できるように検討を進めている。
金属酸ナノシートの作製についてもいくつかの検討を行った。例えば、我々が見出した方法では小さく丸みを帯びたナノシートが得られやすいので、より緻密に充填したナノシート層の形成に適した、大きさのそろった自形形態をもつチタン酸ナノシートの合成を検討した。また、高い電気伝導性をしめすナノシートとして、これまでに検討したルテニウム酸ナノシートに加え、混合原子価をもつバナジン酸ナノシートのボトムアップ合成についても検討した。
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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
本研究は大きく分けて3つの内容について検討する。それぞれの進展状況は以下のとおりである。
「ゾルゲル法によるハイブリッド薄膜の作製」については、当初の予定では、初年度にチタン酸ナノシートと界面活性剤のハイブリッド薄膜を作製し、2年目にルテニウム酸ナノシートと界面活性剤のハイブリッド薄膜を作製する予定であった。しかし、初年度に見出した簡便な方法で作製したハイブリッド薄膜の膜質に問題があったため、2年目もチタン酸ナノシートを用いて、良好な膜質をもつハイブリッド薄膜の作製法を検討することとした。そこでは、ハイブリッドナノ粒子が高分散したゾルの調製法を検討し、そのゾルをコーティングすることで膜質が改善することが示唆された。
「薄膜の屈折率評価」については、まずはエリプソメーターを用いて、入射角依存性により屈折率の異方性を評価することを検討した。しかし、この方法では高精度な評価が難しかったため、新たに解析ソフトを購入し、エリプソメーターの測定結果を解析することとした。現在も解析手法の確立に向けて検討中である。
「金属性のナノシートのボトムアップ合成」については、2年目は、混合原子価のバナジウムイオンを含むバナジン酸ナノシートの合成を検討した。VO2を原料とし、水溶液中の溶存酸素での酸化反応を利用することで、目的とするナノシートが合成できることが示唆された。また、初年度に合成したルテニウム酸ナノシートについては、薄膜作製への応用ができなかったため、代わりに層状炭化窒素とのハイブリッド材料を調製し、光触媒による水の可視光分解の助触媒への応用を検討しはじめた。他にも、チタン酸ナノシートの形態制御などについても検討した。
以上のように、ハイブリッド薄膜の作製や評価はやや遅れているものの、代わりに別の検討で興味深い結果が得られたため、全体としてみるとおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
「ゾルゲル法によるハイブリッド薄膜の作製」と「作製したハイブリッド薄膜の屈折率評価」を並行して研究を進めていく。ナノシートとしては、これまで用いたチタン酸ナノシート，2年目に形態制御を検討して得られた自形形態のチタン酸ナノシート，高い電気伝導性を示すルテニウム酸ナノシートを用いる。金属性や半金属性を示すナノシートとしてルテニウム酸ナノシート以外にバナジン酸ナノシートも合成したが、化学的安定性や収率などを考慮して、とりあえずは前者を用いた検討を中心に進める。また、ハイブリッド薄膜の屈折率評価については、まずは、チタン酸ナノシート・界面活性剤のハイブリッド薄膜を用いて、その異方的な屈折率の解析方法を確立する。次に、その解析手法を用いて、薄膜の厚さ方向と面内方向で屈折率に最も大きな違いが現れることが期待されるルテニウム酸ナノシート・界面活性剤のハイブリッド薄膜を中心に薄膜作製や光学物性測定とその解析を進める。薄膜の厚さ方向と面内方向のそれぞれの屈折率の波長分散や、それらが界面活性剤の長鎖アルキル基の長さでどの程度変化するのかなどを調べ、ハイブリッド薄膜の構造異方性と屈折率の異方性の関係を明らかにする。特に、厚さ方向と面内方向の屈折率の符号が異なるくらいの異方性が現れる可能性についても調べる。
また2年目に、ルテニウム酸ナノシートと層状炭化窒素とのハイブリッド材料の調製と、光触媒による水の可視光分解の助触媒としての応用を検討しはじめたので、この検討も引き続き行う予定である。調製したハイブリッド材料を用いて電極を作製し、サイクリックボルタンメトリーなどにより、水の光分解における酸素発生や水素発生の過電圧などにルテニウム酸ナノシートがどのように影響するのかを明らかにする。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じたものの、その額はそれほど大きいものではない。予定していないかった高額の解析ソフトを購入したため、経費の使用の内訳に若干の変更があったため、経費の使用実績が当初の予定と少し異なった。次年度は予定通り研究を進めていくが、高額の実験試薬を予定より多めに使用することが予想され、それにより次年度使用額は消費されると思われる。
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