2023 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of high-performance fluorine remover to solve African water problems
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22H00568
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
手嶋 勝弥 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00402131)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺島 千晶 東京理科大学, 創域理工学部先端化学科, 教授 (00596942)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | フラックス法 / フッ素除去材 / 結晶 / 層状化合物 / 超空間制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，前年度に続き，申請者が強みをもつフラックスサイエンスに立脚し，層状複水酸化物(LDH)結晶材料の超空間構造をデザインし，ナノ・マイクロ粒子合成から三次元構造化までを制御することで，東アフリカ地域で社会実装できる高性能なフッ素除去材を創製する。以下に4つの研究アプローチ①～④に関する成果・実績をまとめる。①LDH組成・原子配列制御，②LDH結晶発達面制御，③LDH結晶表面積・三次元構造制御(今年度非対象)，④東アフリカ地域でのFS実証。現在のところ，ほぼ計画通りに研究開発は進行している。
①本年度はLDHのうち，M2+／M3+の組み合わせがMg／AlあるいはNi／Feの主骨格組成をターゲットに据えた。フラックス法結晶育成技術を基盤とし，特異な形状をもつ結晶材料をつくり，LDHとして2価／3価の金属元素を高分散あるいはクラスタリングできた。それにより，Mg／Al系とNi／Fe系-LDHsにおいて，2価／3価の金属原子配列を制御することで，イオン交換容量を向上できた。
②特異な形状をもつフラックス育成結晶を前駆体に用いることで，特定の結晶面を発達させたLDH結晶を育成できる可能性を見いだした。特に，2成分あるいは3成分混合系フラックスを用いることで，テーブル面以外の結晶面の発達した晶相が出現した。
④本年度は，これまでに試作したフッ素除去材の加工技術の獲得に注力した。これまでバッチ試験で高性能を発現したLDH結晶系に関し，そのシート加工を試みた。特に，ガラス繊維上に担持させることを可能とし，そのイオン交換特性を評価できた。今後，フッ素除去材の性能を最大限に引き出せるように加工技術の改良に努める。さらに，高性能をもつMg系フッ素除去材の開発の端緒を捉えたため，この材料系の深化にも注力する。
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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
上述のとおり，課題①，②，④において，当初予定どおりの研究を遂行できている。また，④では，試作フェーズに入ったこと，ならびに新たな材料系を見いだせたこともあり，（2）の評価を選択した。
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| Strategy for Future Research Activity |
4つの課題①～④について今後の推進方策概略を下述する。これにより次年度の研究開発を効果的に推進する。
①LDH主骨格の面内原子配列を制御し，イオン交換反応に影響を及ぼす因子を特定するとともに，異種元素添加やハイエントロピー化に取り組む。特に，計算科学的視点の導入と精密分析を導入し，研究開発を加速する。
②上述①で得られたLDHや関連結晶材料組成・結晶構造を基盤とし，低温フラックス法などにより再結晶化を引き続き実施することで，晶相・晶癖制御の鍵を掴む。
③イオン交換反応・化学的吸着反応に最適(高速・高容量)な比表面積や三次元構造を導くために，実験系および計算系の両アプローチを試みる。
④これまでに研究開発に努めた結晶材料活用して，現地・タンザニアでFS実証するための基盤を整える。
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