2023 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanism of Water-Assisted Solid-State Reaction
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22H01769
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
戸田 健司 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (20293201)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邉 美寿貴 新潟大学, 自然科学系, 助教 (60847987)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 固相反応 / 水 / ソフト化学 / 固体酸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、申請者のグループで開発した「水により加速する固相反応法（Water-Assisted Solid-State Reaction）」の反応メカニズム解明に向け、水の役割を明らかにすることである。「水により加速する固相反応法（略称WASSR）」は室温から220℃程度の低温（多くの場合に温度は80℃以下で良い）でわずかな水を加えて混合もしくは容器の中で保持するだけで高機能セラミックスを合成できる。これは従来手法と全く異なる、低エネルギー・安全な画期的な合成手法である。
Water-Assisted Solid-State Reactionのメカニズムの解明には、まず反応の観察が重要である。高倍率での観察が可能な走査型電子顕微鏡（SEM）の場合は真空状態での観測となるため反応に必須の水を加えることができない問題がある。そのため、含水試料の大気圧下の観察が可能な特殊容器を用いて、反応の観察を行った。導入する水の量や時間経過ごとに表面状態を見ると、原料表面に水膜が形成されると同時に、おそらくは局所的な発熱を伴う激しい粒子移動が確認された。水の量は、表面での膜の形成に必要な最小量で良く、過剰な水はおそらく揮発している。そして、過剰な水は原料粒子の接触頻度を低下させるために、反応速度を著しく減少させた。
反応の進行には、原料の固体酸塩基性が大きく影響していた。固体酸性および塩基性は指示薬を用いて相対的に評価した。水を加えない場合は原料の固体酸性および塩基性は混合後に変化しないが、水を加えた場合は固体酸性および塩基性が大きく変化し、中和反応とみられる反応が起きていることがわかった。
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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
導入する水の量や時間経過ごとでのSEM観察により、原料表面に水膜が形成されると同時に、おそらくは局所的な発熱を伴う激しい粒子移動を確認でき、本反応が溶液反応でなく、水により加速する固相反応であることを明らかにできた。
また、反応の進行には、原料の固体酸塩基性が大きく影響していることを明らかにできた
。水を加えない場合は原料の固体酸性および塩基性は混合後に変化しないが、水を加えた場合は固体酸性および塩基性が大きく変化し、中和反応とみられる反応が起きていることを確認できた。このことより、WASSRは水により加速される固体酸と固体塩基の間の中和反応によるものであることがわかり、メカニズムの解明につながった。
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| Strategy for Future Research Activity |
ガス種の変更、温度や湿度の変更により、反応の速度について検討する。特にガス置換は、最終生成物の価数制御を可能にすることにより、実用材料へのWASSR法の適用範囲を広げるうえで重要である。コストの低減と温度範囲の拡大のために、非密閉溶液での反応も検討する。
また、中間生成物をラマン分光法により調査することで、反応の途中経過を観察する。XRDでは評価が難しい早い反応も追跡が可能である。
加えて、粒子表面での水の状態についての分析手法の調査や理論計算に基づく検討も行う。
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