Pb,Biを含むアニオン複合化物における秩序構造の解明と新規構造物性開拓

• 研究課題/領域番号: 16K05731
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 無機化学
• 研究機関: 近畿大学 (2019); 中央大学 (2016-2018)
• 研究代表者: 岡 研吾 近畿大学, 理工学部, 講師 (80602044)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2016年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: アニオン複合化物 / 酸フッ化物 / アニオン秩序配列 / 負熱膨張 / トポタクティック / 複合アニオン化合物 / 精密構造解析 / 層状ペロブスカイト / アパタイト / 誘電材料 / リートベルト解析 / 誘電体物性 / 無機工業化学

研究成果の概要

本研究課題では主にPbを含む酸フッ化物に着目し、研究を行った。その中で新物質であるPb2Ti4O9F2、Pb2Ti2O5.4F1.2を発見した。さらに精密構造解析の結果から、これらの物質中においてO/Fが秩序配列していることも見いだした。これら酸化物イオンとフッ化物イオンの秩序配列はPbの持つ6s2孤立電子対に由来する異方的な共有結合を反映しているものと考えられる。またPbVO3の酸素サイトを一部Fで置換した試料において、高圧条件でしか起こらない構造相転移を常圧条件で起こし、結果巨大負熱膨張現象が発現することもつきとめた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

新しい無機材料として、複数の異種アニオンを構造中に有するアニオン複合化物が注目を集めている。アニオン複合化物において、異種アニオン同士が結晶中でどのように配列するかを明らかにすることは、その特性を理解する上で重要である。本研究では、酸フッ化物を研究対象とし、酸化物イオンとフッ化物イオンの秩序配列に主に着目して研究を行った。結果、Pbの6s2孤立電子対に由来する異方的な共有結合を応用することで、アニオンの秩序配列が誘起されていることを示唆する結果が得られた。これは、今後のアニオン複合化物の物質デザイン指針の発展に貢献する重要な結果であり、今後の戦略的な材料開発へと繋がることが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] ボーズ基礎科学研究センター/インド工科大学(インド)
• [雑誌論文] Light Absorption Properties and Electronic Band Structures of Lead‐Vanadium Oxyhalide Apatites Pb5(VO4)3X (X=F, Cl, Br, I) (2020)
  • 著者名/発表者名: Masashi Nakamura, Kenji Oqmhula, Keishu Utimula, Miharu Eguchi, Kengo Oka, Kenta Hongo, Ryo Maezono, Kazuhiko Maeda*
  • 雑誌名: Chem Asian J. 巻: 15 号: 4 ページ: 540-545
  • DOI: 10.1002/asia.201901692
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Oxyfluoride Pb2Ti4O9F2 as a Stable Anode Material for Photoelectrochemical Water Oxidation (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Maeda, N. Hirayama, H. Nakata, H. Wakayama, and K. Oka
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 号: 3 ページ: 1844-1850
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b09969
  • 査読あり
• [雑誌論文] Negative thermal expansion in electron doped PbVO3-xFx (2019)
  • 著者名/発表者名: Ogata Takahiro、Oka Kengo、Azuma Masaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 号: 2 ページ: 023005-023005
  • DOI: 10.7567/1882-0786/aafb9b
  • NAID: 210000135584
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced Negative Thermal Expansion Induced by Simultaneous Charge Transfer and Polar-Nonpolar Transitions (2019)
  • 著者名/発表者名: Takumi Nishikubo, Yuki Sakai, Kengo Oka, Tetsu Watanuki, Akihiko Machida, Masaichiro Mizumaki, Koki Maebayashi, Takashi Imai, Takahiro Ogata, Keisuke Yokoyama, Yoichi Okimoto, Shin-ya Koshihara, Hajime Hojo, Takashi Mizokawa and Masaki Azuma
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 141 号: 49 ページ: 19397-19403
  • DOI: 10.1021/jacs.9b10336
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimized negative thermal expansion induced by gradual intermetallic charge transfer in Bi1-xSbxNiO3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Nishikubo Takumi、Sakai Yuki、Oka Kengo、Mizumaki Masaichiro、Watanuki Tetsu、Machida Akihiko、Maejima Naoyuki、Ueda Shigenori、Mizokawa Takashi、Azuma Masaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 11 号: 6 ページ: 061102-061102
  • DOI: 10.7567/apex.11.061102
  • NAID: 210000136216
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Stable, Narrow-Gap Oxyfluoride Photocatalyst for Visible-Light Hydrogen Evolution and Carbon Dioxide Reduction (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuriki Ryo、Ichibha Tom、Hongo Kenta、Lu Daling、Maezono Ryo、Kageyama Hiroshi、Ishitani Osamu、Oka Kengo、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 140 号: 21 ページ: 6648-6655
  • DOI: 10.1021/jacs.8b02822
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis, Crystal Structure, and Optical Properties of Layered Perovskite Scandium Oxychlorides: Sr2ScO3Cl, Sr3Sc2O5Cl2, and Ba3Sc2O5Cl2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Su Yu、Tsujimoto Yoshihiro、Fujii Kotaro、Tatsuta Makoto、Oka Kengo、Yashima Masatomo、Ogino Hiraku、Yamaura Kazunari
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 57 号: 9 ページ: 5615-5623
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b00573
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Light Absorption Properties and Electronic Band Structures of Lead Titanium Oxyfluoride Photocatalysts Pb2Ti4O9F2 and Pb2Ti2O5.4F1.2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Wakayama Haruki、Utimula Keishu、Ichibha Tom、Kuriki Ryo、Hongo Kenta、Maezono Ryo、Oka Kengo、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 号: 46 ページ: 26506-26511
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b08953
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Incorporation of sulfur ions into La2-xSrxCuO4 superconducting cuprate (2018)
  • 著者名/発表者名: Oka Kengo、Shirota Kensuke、Sato Yoshiki、Oh-ishi Katsuyoshi
  • 雑誌名: Journal of Asian Ceramic Societies 巻: 6 号: 3 ページ: 284-288
  • DOI: 10.1080/21870764.2018.1507611
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental and Theoretical Studies of the Metallic Conductivity in Cubic PbVO3 under High Pressure (2018)
  • 著者名/発表者名: Oka Kengo、Yamauchi Touru、Kanungo Sudipta、Shimazu Taku、Oh-ishi Katsuyohi、Uwatoko Yoshiya、Azuma Masaki、Saha-Dasgupta Tanusri
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 2 ページ: 024801-024801
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.024801
  • NAID: 210000134709
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temperature-Independent, Large Dielectric Constant Induced by Vacancy and Partial Anion Order in the Oxyfluoride Pyrochlore Pb2Ti2O6－δF2δ (2016)
  • 著者名/発表者名: Kengo Oka, Hajime Hojo, Masaki Azuma, and Katsuyoshi Oh-ishi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 28 号: 15 ページ: 5554-5559
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b02509
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 酸フッ化物におけるアニオン秩序と機能の発現 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡研吾
  • 学会等名: 応用物理学会 秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 新規Ruddlesden-Popper型層状ペロブスカイトPb3Fe2O5F2の構造および磁気転移 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡研吾, 林直顕, 高野幹夫，草野圭弘，大石克嘉
  • 学会等名: 日本物理学会第74次年次大会
• [学会発表] Observation of anion order in the Pb-Ti-O-F oxyfluoride system (2018)
  • 著者名/発表者名: Kengo Oka, Hajime Hojo, Masaki Azuma, Katsuyoshi Oh-ishi
  • 学会等名: ICPAC Langkawi
• [学会発表] フッ化物アパタイトにおけるイオン伝導 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡 研吾・大石 克嘉・ 舩山 耕生・植田 紘一郎・稲熊 宜之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第31回秋期シンポジウム
• [学会発表] フッ化アパタイトA5V3O12F (A = Pb, Ba, Sr)におけるフッ素脱離吸収挙動 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡研吾・大石克嘉、舩山耕生・植田紘一郎・稲熊宜之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2018年会
• [学会発表] 新規酸フッ化物層状ペロブスカイトPb3Fe2O5F2の合成と結晶構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡 研吾・大石 克嘉 ・ 林 直顕・高野 幹夫
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2017年会
  • 発表場所: 日本大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 新規酸フッ化物層状ペロブスカイトPb3Fe2O5F2の磁性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡研吾、大石克嘉、林直顕、高野幹夫
  • 学会等名: 日本セラミックス協会秋季シンポジウム
• [学会発表] ressure induced large volume collapse in PbVO3 and its potential for negative thermal expansion (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡研吾、大石克嘉、山内徹、上床美也、S. Kanuango, Y. Sakai, 尾形晃宏, 上床美也, T. Saha-Dasgupta, 東正樹
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Negative Thermal Expansion and Related Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パイロクロア酸フッ化物Pb2Ti2O5.4F1.2におけるアニオン秩序 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡 研吾・大石 克嘉・北條 元・東 正樹
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第29回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 広島大学
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] Temperature-Independent,Large Dielectric Constant Induced by Vacancy and Partial Anion Order in the Oxyfluoride Pyrochlore Pb2Ti2O6－δF2δ (2016)
  • 著者名/発表者名: Kengo Oka, Katsuyoshi Oh-ishi, Hajime Hojo, Masaki Azuma
  • 学会等名: ISAMR2016
  • 発表場所: Sun Moon Lake
  • 年月日: 2016-08-11
  • 国際学会 / 招待講演