2013 Fiscal Year Research-status Report
フタロシアニンを基にした高キュリー温度炭素系スピン材料に関する研究
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25390049
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
本多 善太郎 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (30332563)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 磁性体 / フタロシアニン / 高キュリー温度 / 炭素材料 |
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| Research Abstract |
フタロシアニン重合体はフタロシアニン環中央に窒素に囲まれた遷移金属イオンが存在するため、遷移金属イオンを内包した炭素材料とみなすことができ、電気伝導性と磁性を併せ持った物性を示すことが期待される。本研究では一連の遷移金属フタロシアニン重合体を合成し、その構造、及び磁気、電気物性を系統的に調査することで金属内包炭素材料の創製を目指す。
本年度は様々な遷移金属を含むフタロシアニン重合体を得ることを目的に、１．テトラシアノベンゼンと金属粉末の反応、２．高塩素化鉄フタロシアニンとアルカリ金属の反応を検討した。１．ではテトラシアノベンゼンと各種遷移金属粉末を真空中で加熱し、反応温度、時間、原料比等の反応条件の検討を行った。Ｘ線回折法により反応生成物の同定を行った結果、銅粉末を原料に用いた場合、fused-ring型フタロシアニン重合体の生成を確認した。一方、マンガン、鉄粉末を原料に用いた場合、Mn4N等の各種遷移金属窒化物と層状炭素の混合物の生成が確認された。反応条件の検討により遷移金属窒化物中の窒素量が反応温度、原料混合比により制御可能であることを示した。また、層状炭素の構造を透過型電子顕微鏡により調べたところ、直径20-40nmの中空カーボンオニオン構造であることを明らかにした。２．高塩素化鉄フタロシアニンと金属カリウムのウルツ反応により鉄が均一に分布した炭素材料の合成を試みた。Ｘ線回折法により反応生成物の同定を行った結果、ウルツ反応の副生成物である塩化カリウムの回折線を確認した。遊離した鉄を除去するため硝酸洗浄を行った反応生成物の磁気測定を行った結果、キュリー温度490 Kの強磁性を観測した。Ｘ線回折、透過型電子顕微鏡により試料内部を調べたところ、遊離鉄による鉄粒子等の生成は確認されず、アモルファス状の炭素中に鉄が均一に分布した強磁性炭素材料の可能性を示唆する結果を得た。
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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
本年度の研究計画ではテトラシアノベンゼンと各種遷移金属粉末の反応を試み、Ｘ線回折法により反応生成物の構造、磁気測定により反応生成物それぞれの磁性を調査することを目標としている。テトラシアノベンゼンと遷移金属粉末の反応を試みた結果、銅とテトラシアノベンゼンの反応生成物において目的のfused-ring型フタロシアニン重合体を得ることに成功した。また、その磁性は常磁性的であり、磁気秩序しないことを明らかにした。一方、鉄及びマンガンとテトラシアノベンゼンの反応生成物は中空カーボンオニオン構造の炭素と遷移金属窒化物の混合物であることを明らかにした。当初の研究目標とは異なるが、テトラシアノベンゼンと金属粉の低温反応により窒化物を得る新規方法を発見した。金属窒化物は産業上様々な分野で応用可能であり、窒素量制御の容易な本方法は有用であると考えられる。また、中空カーボンオニオンは表面積が大きいため、触媒やリチウムイオン二次電池負極材料等への応用が期待される。本年度はさらに、高塩素化フタロシアニンを原料とした新たな炭素材料の合成を試み、反応生成物がアモルファス炭素中に鉄イオンが均一の分散した炭素材料である可能性を示唆する結果を得た。また、磁気測定の結果、反応生成物が室温で強磁性を示すことを明らかにした。以上より、fused-ring型銅フタロシアニン重合体の合成と磁性を明らかにすると共に新規金属窒化物、カーボンオニオン合成法を開発することに成功し、本年度の研究目標を達成した。一方、中心金属が銅以外のフタロシアニン重合体の合成に関しては今後の検討が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．テトラシアノベンゼンを原料としたフタロシアニン重合体の合成及び磁性評価
これまでにテトラシアノベンゼンと各種遷移金属粉末を真空加熱したところ、原料に銅を用いた場合のみフタロシアニン重合体が得られた。一方、マンガン、鉄を原料に用いた場合、フタロシアニン重合体は生成せず、窒化物と中空カーボンオニオンの混合物が得られた。そこで今年度は金属原料、反応条件を再度検討することで各種フタロシアニン重合体の合成を試みる。原料の検討として遷移金属粉末の代わりに塩化物、酢酸塩等の金属塩を原料に用い、不活性ガス中でテトラシアノベンゼンとの反応を行う。また、反応条件の検討として加熱プレス機を用い、加圧下で金属、金属塩とテトラシアノベンゼンの反応を行うことにより圧力を新たなパラメータとして検討する。各種反応生成物の構造をX線回折法、透過型電子顕微鏡観察により調査する。また、各種反応生成物の磁性をSQUID磁束計を用いて調査し、どのような反応条件で金属が均一の分布したフタロシアニン重合体が得られるか、強磁性を示す条件を解明する。
２．高塩素化フタロシアニンのウルツ反応によるポリマーの合成
高塩素化鉄フタロシアニンとアルカリ金属のウルツ反応により強磁性炭素材料を得ることに成功した。そこでウルツ反応の温度、時間、アルカリ金属の種類、原料比の検討を行い、反応生成物の磁化値及びキュリー温度の向上を目指す。また、加熱プレス機を用い、加圧条件下で高塩素化鉄フタロシアニンとアルカリ金属のウルツ反応を行い、Ｘ線回折、電子顕微鏡観察により炭素の局所構造を解明するとともに反応生成物の構造及び磁性の変化を調査し、磁化値及びキュリー温度の向上を目指す。鉄以外の高塩素化金属フタロシアニンのウルツ反応による磁性炭素材料合成を試みるため、本年度は原料となる各種高塩素化フタロシアニンの合成を行う。
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