ナノ空間における水和イオンのミクロ構造に関する研究

• 研究課題/領域番号: 17550023
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 福岡大学
• 研究代表者: 山口 敏男 福岡大学, 理学部, 教授 (70158111)
• 研究期間 (年度): 2005 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 3,600千円 (直接経費: 3,600千円); 2006年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2005年度: 2,600千円 (直接経費: 2,600千円)
• キーワード: ナノ細孔 / 水和イオン / ミクロ構造 / MCM-41 / 活性炭 / 電解質水溶液 / 水素結合 / アセトニトリル / XAFS / X線回折 / 中性子散乱 / 相挙動 / ナノ空間 / 水和構造 / X線・中性子散乱 / 界面 / 水の構造 / メソ細孔 / 拡散係数

研究概要

本研究では、細孔径が均一で親水性界面をもつMCM-41と疎水性界面をもつ活性炭(ACF)中の水、メタノール、アセトニトリル、および種々の電解質水溶液の構造と性質を、DSC、FTIR、X線回折、中性子散乱により明らかにした。
(1)McM-41 C10(細孔径21Å)、Cl4(28Å)、C18(37Å)中に単層およびキャピラリー凝縮で吸着した水分子は界面のシラノール(SiOH)基と強い水素結合(O-O 距離 2.6Å)を形成し、水素結合が歪んでいることが明らかになった。また、C10およびCl4中の水分子の並進拡散係数は細孔径が小さくなるにつれて減少し、バルク水の約半分程度であることがわかった。
(2)MCM-41 C10およびC14細孔中に吸着したメタノール分子はシラノール基界面と強い水素結合を形成しており、界面に吸着したメタノール分子の構造と動的性質は細孔径や温度に依存しない。一方、キャピラリー凝縮したメタノール分子はバルク同様に鎖状構造を形成するが、水素結合は大きく歪んでいる。
(3)MCM-41C14中に閉じ込めたアセトニトリル分子はシラノール表面と双極子-双極子相互作用により弱いN-O結合(〜3A)を形成している。細孔中のアセトニトリル分子の拡散係数はバルクより小さいが、活性化エネルギーは7〜12kJ/molで水より小さい。
(4)MCM-41C10細孔中にキャピラリー凝縮で吸着した重水で、229K付近で低密度水から高密度水へのダイナミカルクロスオーバーが生じることが明らかになった。
(5)MCM-41 C10,C14,C18およびACF中に閉じ込めた種々の電解質水溶液について、DSCにより熱挙動を、XAFS法により水和イオンの構造を決定した。細孔中ではイオンの表面電荷密度が増加すると融点は降下した。細孔中の水和イオンの構造はバルクと類似していた。

研究成果

• [雑誌論文] Structure and dynamic properties of liquids confined in MCM-41 mesopores (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Yamaguchi
  • 雑誌名: European Physical Journal Special Topics 141 ページ: 19-27
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Structure and dynamic properties of liquids confined in MCM-41 mesopores (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Yamaguchi, K.Yoshida, T.Takamuku, S.Kittaka, et al.
  • 雑誌名: The European Physical Journal Special Topics 141 ページ: 19-27
• [雑誌論文] Hydration water in dynamics of a hydrated β-lactoglobulin (2007)
  • 著者名/発表者名: K.Yoshida, T.Yamaguchi, M.-C.Bellissent-Funel, S.Longeville
  • 雑誌名: The European Physical Journal Special Topics 141 ページ: 223-226
• [雑誌論文] Enthalpy and interfacial free energy changes of water capillary condensed in mesoporous silica, MCM-41 and SBA-15 (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Kittaka
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 8 ページ: 3223-3231
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] X-ray diffraction study of water confined in activated carbon pores over a temperature range of 228-298 K (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Yamaguchi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 129 ページ: 57-62
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Enthalpy and interfacial free energy changes of water capillary condensed in mesoporous silica, MCM-41 and SBA-15 (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Kittaka, et al.
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 8 ページ: 3223-3231
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] X-ray diffraction study of water confined in activated carbon pores over a temperature range of 228-298 K (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Yamaguchi, et al.
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 129 ページ: 57-62
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Enthalpy and interfacial free energy changes of water capillary condensed in mesoporous silica, MCM-41 and SBA-15 (2006)
  • 著者名/発表者名: Kittaka, S, Ishimaru, S, Kuranishi, M, Matsuda T, Yamaguchi, T
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 8 ページ: 3223-3231
• [雑誌論文] Thermal properties and mixing state of ethylene glycol-water binary solutions by calorimetry, large-angle X-ray scattering, and small-angle neutron scattering (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Matsugami, T.Takamuku, T.Otomo, T.Yamaguchi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 110・25 ページ: 12372-12379
• [雑誌論文] X-ray diffraction study of water confined in activated carbon ores over a temperature range of 228-298K (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Yamaguchi, H.Hashi, S.Kittaka
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 129 ページ: 57-62
• [雑誌論文] 170 NMR relaxation study of dynamics of water molecules in aqueous mixtures of methanol, ethanol, and 1-propernol over a temperature range of 283-403K (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Yoshida, A.Kitajo, T.Yamaguchi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 125 ページ: 158-163
• [雑誌論文] Amyloid formation aand cytotoxicity of a de novo designed protein, amylidgenesin, and its analogs (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Okada, S.Lee, K.Yoshida, T.Yamaguchi, M.Nakashima, M.Takahashi
  • 雑誌名: Peptide Science 2005 ページ: 217-220
• [雑誌論文] Neutron scattering study on dynamics of water molecules in MCM-41.2. Determination of translational diffusion coefficient. (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Takahara
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry, B 109・22 ページ: 11231-11239
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Interlayer Water molecules in vanadium pentoxide hydrate. 8. Dynamic properties by quasi-elastic neutron scattering. (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Kittaka
  • 雑誌名: Langmuir 21・4 ページ: 1389-1397
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Structure of methanol confined in MCM-41 investigated by large-angle X-ray scattering technique. (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Takamuku
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry, B 109・2 ページ: 892-899
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Neutron scattering study on dynamics of water molecules confined in MCM-41 (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Takahara
  • 雑誌名: Adsorption 11 ページ: 479-483
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Low temperature properties of acetonitrile confined in MCM-41. (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Kittaka
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry, B 109・49 ページ: 23162-23169
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Neutron scattering study on dynamics of water molecules in MCM-41. 2. Determination of translational diffusion coefficient. (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Takahara, et al.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B, 109-22 ページ: 11231-11239
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Interlayer Water molecules in vanadium pentoxide hydrate. 8. Dynamic properties by quasi-elastic neutron scattering. (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Kittaka, et al.
  • 雑誌名: Langmuir 21-4 ページ: 1389-1397
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Structure of methanol confined in MCM-41 investigated by large-angle X-ray scattering technique. (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Takamuku, et al.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry, B 109-2 ページ: 892-899
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Neutron scattering study on dynamics of water molecules confined in MCM-41 (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Takahara, et al.
  • 雑誌名: Adsorption 11 ページ: 479-483
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Low temperature properties of acetonitrile confined in MCM-41. (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Kittaka, et al.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B, 109-49 ページ: 23162-23169
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Neutron scattering study on dynamics of water molecules in MCM-41.2. Determination of translational diffusion coefficient. (2005)
  • 著者名/発表者名: Takahara, S., Sumiyama, N., Kittaka, S., Yamaguchi, T., Bellissent-Funel, M.-C.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 109(22) ページ: 11231-11239
• [雑誌論文] Interlayer Water molecules in vanadium pentoxide hydrate. 8. Dynamic properties by quasi-elastic neutron scattering. (2005)
  • 著者名/発表者名: Kittaka, S., Takahara, S., Yamaguchi, T., Bellissent Funel, M.-C.
  • 雑誌名: Langmuir 21(4) ページ: 1389-1397
• [雑誌論文] Structure of methanol confined in MCM-41 investigated by large-angle X-ray scattering technique. (2005)
  • 著者名/発表者名: Takamuku, T., Maruyama, H., Kittaka, S., Takahara, S., Yamaguchi, T.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 109(2) ページ: 892-899
• [雑誌論文] Neutron scattering study on dynamics of water molecules confined in MCM-41. (2005)
  • 著者名/発表者名: Takahara, S., Kittaka, S., Mori, T, Kuroda, Y, Yamaguchi, T., Bellissent-Funel, M.-C.
  • 雑誌名: Adsorption 11 ページ: 479-483
• [雑誌論文] Low temperature properties of acetonitrile confined in MCM-41 (2005)
  • 著者名/発表者名: Kittaka, S., Iwashita, T., Serizawa, A., Kranishi, M., Takahara, S., Kuroda, Y., Mori, T., Yamaguchi, T.
  • 雑誌名: J Phys. Chem. B 109(49) ページ: 23162-23169
• [雑誌論文] Collective dynamics of supercritical water (2005)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi, T., Yoshida, K., Yamamoto, N., Hosokawa, S., Inui, M., Baron, A.Q.R., Tsutsui, S.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Solids 66 ページ: 2246-2249
• [雑誌論文] Structure and dynamic properties of liquids confined in MCM-41 mesopores
  • 著者名/発表者名: T.Yamaguchi, et al.
  • 雑誌名: European Physical Journal Special Topics 141 ページ: 19-27
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より