2013 Fiscal Year Research-status Report

金属との相互作用を活用したグラファイト状窒化炭素の特性制御

Research Project

Project/Area Number	25420746
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	佐野泰三独立行政法人産業技術総合研究所, 環境管理技術研究部門, 主任研究員 (30357165)
Project Period (FY)	2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords	窒化炭素 / 光触媒 / 有機金属半導体 / 層状化合物 / 機能性材料
Research Abstract	グラファイト状窒化炭素（g-C3N4）への金属複合化手法を検討した。添加する金属元素として、g-C3N4 に含まれるアミノ基やシアノ基との相互作用の期待できるRu,Zn,Pd,Fe等を検討した。g-C3N4の前駆体であるメラミンやシアナミドと金属塩を混合し、500～650℃で重合させる乾式高温重合法の検討では、窒化炭素の分解を抑制するためにアンモニア雰囲気およびアルゴン雰囲気での重合を試みたが、g-C3N4様の層状構造や特異な光吸収特性を有する化合物は得られなかった。g-C3N4を金属塩水溶液中で水熱処理する水熱添加法の検討では、RuやFeのアセチルアセトナート錯体を添加して110℃で水熱処理すると、g-C3N4とは異なる蛍光特性の針状の有機結晶が得られることを見い出した。g-C3N4を剥離・微細化した後に金属塩水溶液を添加して複合体を形成する再構成法の検討では、g-C3N4を濃硫酸に懸濁させた後に少量の水を添加するとg-C3N4の誘導体の溶液が得られることを見い出した。この誘導体溶液に金属塩を加えると、金属塩ごとに異なる周期構造を有する有機結晶が得られ、現状では金属複合化に最も適した方法と予想される。元素分析やX 線光電子分光の結果から、取り込まれた金属イオン重量はg-C3N4に対して数％未満と見積もられ、g-C3N4の構造ユニットレベルで金属を取り込んでいるのではないと推察された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 予定していたg-C3N4と金属化合物を作用させる実験は進んでおり、g-C3N4とは異なる結晶構造と蛍光特性の物質が複数得られた点では順調である。一方、構造ユニットレベルで金属イオンの複合化された物質は得られていない点と、結果のまとまりに乏しいことから学会発表を見送った点でやや計画より遅れている。しかし、研究目的遂行に有効と思われるg-C3N4の溶解法を見いだしたことは大きな進展であり、全体としては概ね順調と考えられる。
Strategy for Future Research Activity	発見したg-C3N4の溶解法を発展させてg-C3N4溶液を調製し、金属イオンを複合化する手法を開発する。金属化合物を作用させた後、g-C3N4との相互作用の弱い溶媒を用いて硫酸イオンを除去する手法から着手する。また、溶解の際と溶液状態におけるg-C3N4の構造と安定性を検討する。さらに、得られた複合体の光伝導、光触媒および吸着等の特性を測定し、金属複合化手法や金属種、添加濃度の影響を解析する。また、蛍光・励起スペクトル及び蛍光寿命測定などにより、金属種がバンド構造に与える影響を解析する。光電子分光法を用い、金属種に配位した窒素原子や炭素原子の電子状態を解析する。これらの解析により単なる混合物か複合化された新規物質であるかを評価する。上記で得られた構造に関する知見と特性の解析結果を合わせ、複合化された金属がg-C3N4の特性を変化させる機構を明らかにする。金属が添加されれば半導体特性は必ず変化すると考えられるが、金属の添加量に限界があり、半導体特性の変化が小さい可能性はある。影響が小さいなりに金属種の酸化状態、イオン半径、窒化炭素との結合形態などとの関連性を解析し、傾向を明らかにする。
Expenditure Plans for the Next FY Research Funding	適当な人材を見つけるのに時間がかかり、研究補助員の雇用が予定より2か月遅れたこと、学会発表を行えなかったために旅費がかからなかったこと、外注で顕微鏡撮影をするほどのサンプルを作ることができずに外注分析費がかからなかった（研究所内での簡易撮影のみ行った）ことの3点により、次年度使用額が生じた。当初予定より研究補助員の作業時間を増やすために次年度使用額の一部を人件費に充当する。また、H25年度に行えなかった外注分析費に充当して研究を加速する。これらによって外部発表回数を当初予定より増やし、その旅費および学会参加費に充当する。