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新規Xe化合物の合成と新しいXe無機化学の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 21655021
研究種目

挑戦的萌芽研究

配分区分補助金
研究分野 無機化学
研究機関岡山大学

研究代表者

黒田 泰重  岡山大学, 大学院・自然科学研究科, 教授 (40116455)

研究分担者 湯村 尚史  京都工芸繊維大学, 大学院・工芸科学研究科, 助教 (80452374)
小林 久芳  京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 教授 (40128690)
研究期間 (年度) 2009 – 2010
研究課題ステータス 完了 (2010年度)
配分額 *注記
3,200千円 (直接経費: 3,200千円)
2010年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2009年度: 2,600千円 (直接経費: 2,600千円)
キーワード室温でのXe吸着現象 / キセノン(Xe) / CuMFI / 希ガス / XAFS / Xe-NMR / DFT calculation / Xe吸着・分離剤 / Cu^+-Xe結合 / 吸着熱
研究概要

キセノン(Xe)は18属元素の希ガスに分類され,一般には反応性に乏しいと認識されている.特に,それが金属や金属イオンと直接の強い結合を有する化合物はほとんど知られていない.我々は,Xeが銅イオン交換MFI型ゼオライト(CuMFIと略記)中に形成されたCu^+と特異的に相互作用するという不思議な現象を見いだした.本研究では,CuMFIなどの金属イオン交換ゼオライトをナノリアクションポットとして利用することによって,その反応容器中における交換イオンとキセノンとの化合物についてそれらの構造・電子状態などの特性を解明し,これまでにない全く新しいXeと金属または金属イオンのとの結合を通して,新しいXeの無機化学を開拓することを目的としている.
今回,ゼオライトのサブナノメーターサイズの空間内に銅イオンをイオン交換させた試料を用いることによって,室温でさえ,XeとCu^+との化合物が形成されるという不思議な現象を解析した.Cu^+-Xeの結合状態に関して,高エネルギー加速器研究機構のシンクロトロン放射光を利用したX線吸収微細構造解析により,直接の構造解析に世界で初めて成功した.Cu^+-Xe間の結合距離は0.25nmと求まった.Xeのファン・デル・ワールス半径やCu^+のイオン半径を考慮すると,0.25nmという結合距離は大変短く,Cu^+-Xe結合に化学結合が存在することを示している.また,吸着エネルギーとして得たCu^+-Xe間の結合エネルギーの値は60kJ/molとわかった.これらの結果は量子化学計算的手法によりよく再現できた.また,銀イオン交換MFI型ゼオライト(AgMFI)もXeと室温で相互作用することを見いだした.その際,ゼオライト中に形成された銀イオンクラスターがXeとの相互作用に重要な役割をしていることがわかった.ゼオライト中の銀イオンクラスターの状態についてX線吸収微細構造スペクトルを測定し,真空排気処理により銀イオン交換ゼオライト中に形成される銀イオンクラスターの構造解析を行った.その結果試料中にはAg_n^<m+>クラスター,特に,Ag_3^<m+>クラスターが多く形成されることが分かった.拡散反射(DRS)スペクトルの測定の結果,Ag_n^<m+>クラスターに帰属されるバンドがキセノンを吸着させることにより高エネルギー側にシフトすることもわかった.これらの結果を考慮することによって,ゼオライト中に形成されたAg_3^<m+>クラスターがキセノンと相互作用するものと推定した.さらに,量子化学計算法を用いて銀イオンクラスターの構造解析および電子状態解析を行い,キセノンと相互作用する銀イオンクラスターの状態解析を行った.まず,電子状態解析から銀イオンクラスターの紫外可視スペクトル(計算)を得た.さらに,キセノン吸着前後におけるスペクトル変化(計算)の挙動はDRSスペクトル(実験)から得られた結果とよく一致した.以上の結果Ag_3^<2+>クラスターが最も強くキセノンと相互作用すると結論した.今後,吸着エネルギーを実験的に求め,その値とAg_3^<2+>クラスターへのXeの吸着エネルギーの計算値がどの程度一致するかについて,モデルの妥当性も含めて検討する予定である.これらのデータは世界で初めて実験的に求まった値であり,ゼオライトなどのナノリアクションポットを特異反応場として利用したXe-金属イオン化合物の初めての実験研究である.これらの結果を計算化学的手法を用いることによって実証した.さらに,本研究結果を利用し,キセノンの分離・回収法としてのCuMFIやAgMFI利用について,実用面からのアプローチも行った.

報告書

(2件)
  • 2010 実績報告書
  • 2009 実績報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2011 2010 2009

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件) 学会発表 (16件) 図書 (1件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Exfoliated graphene sheets decorated with metal/metal oxide nanoparticles : simple preparation from cation exchanged graphite oxide2011

    • 著者名/発表者名
      K.Gotoh, T.Kinumoto, E.Fujii, A.Yamamoto, H.Hashimoto, T.Ohkubo, A.Itadani, Y.Kuroda, H.Ishida
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 49 ページ: 1118-1125

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Site-specific Xe Additions into Cu-ZSM-5 Zeolite2010

    • 著者名/発表者名
      T.Yumura, H.Yamashita, H.Torigoe, H.Kobayashi, Y, Kuroda
    • 雑誌名

      Phys.Chem.Chem.Phys., 2010, 12, 2392-2400

      巻: 12 ページ: 2392-2400

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The Variety of Carbon-Metal Bonds inside Cu-ZSM-5 Zeolites : A Density Functional Theory Study2010

    • 著者名/発表者名
      T.Yumura, S.Hasegawa, A.Itadani, H.Kobayashi, Y.Kuroda
    • 雑誌名

      Materials

      巻: 3 ページ: 2516-2535

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Existence of dual species composed of Cu^+ in CuMFI being bridged by C2H22010

    • 著者名/発表者名
      A.Itadani, T.Yumura, T.Ohkubo, H.Kobayashi, Y.Kuroda
    • 雑誌名

      Phys.Chem.Chem.Phys.

      巻: 12 ページ: 6455-6465

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Potential for Fixation of N_2 at Room Temperature Utilizing a Copper-Ion-Exchanged MFI-Type Zeolite As an Adsorbent : Evaluation of the Bond Dissociation Energy of Adsorbed N≡N and the Bond Strength of the Cu^+-N(≡N) Species2010

    • 著者名/発表者名
      A.Itadani, M.Tanaka, T.Mori, H.Torigoe, H.Kobayashi, Y.Kuroda
    • 雑誌名

      J.Phys.Chem.Letters

      巻: 1 ページ: 2385-2390

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct Information on Structure and Energetic Features of Cu^+-Xe Species Formed in MFI-Type Zeolite at Room Temperature2010

    • 著者名/発表者名
      H.Torigoe, T.Mori, K.Fujie, T.Ohkubo, A.Itadani, K.Gotoh, H.Ishida, H.Yamashita, T, Yumura, H.Kobayashi, Y.Kuroda
    • 雑誌名

      J.Phys.Chem.Letters

      巻: 1 ページ: 2642-2650

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural Optimization of Arranged Carbon Nanotubes for Hydrogen Storage by Grand Canonical Monte Carlo Simulation2010

    • 著者名/発表者名
      D.Minami, T.Ohkubo, Y.Kuroda, K.Sakai, H.Sakai, M.Abe
    • 雑誌名

      Int.J.Hydrogen Ener.

      巻: 35 ページ: 12398-12404

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Site-specific Xe additions into Cu-ZSM-5 Zeolite2010

    • 著者名/発表者名
      Takashi Yumura, Hiroki Yamashita, Hiroe Torigoe, Hisayoshi Kobayashi, Yasushige Kuroda
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys. 12

      ページ: 2392-2400

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The Variety of Carbon-Metal Bonds inside Cu-ZSM-5 Zeolites : A Density Functional Theory Study2010

    • 著者名/発表者名
      Takashi Yumura, Saki Hasegawa, Atsushi Itadani, Hisayoshi Kobayashi, Yasushige Kuroda
    • 雑誌名

      Materials 3(in press)

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 特異反応場としての銅イオン交換ゼオライトのおもしろさ2011

    • 著者名/発表者名
      黒田泰重
    • 学会等名
      社団法人 新化学発展協会 講演会
    • 発表場所
      東京千代田区神田須田町1-12山萬ビル4F
    • 年月日
      2011-01-19
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Xe回収・分離剤としての銅および銀イオン交換ゼオライトの可能性2010

    • 著者名/発表者名
      黒田泰重
    • 学会等名
      JST新技術説明会
    • 発表場所
      科学技術振興機構 JSTホール(東京 市ヶ谷)
    • 年月日
      2010-12-07
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] レアガス吸着剤-ゼオライトの新たな利用法-2010

    • 著者名/発表者名
      鳥越裕恵・黒田泰重
    • 学会等名
      岡山大学 知恵の見本市
    • 発表場所
      岡山大学創立50周年記念館
    • 年月日
      2010-11-05
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Prominent Surface Properties of MCM-41 Prepared by Template-ion Exchange Method2010

    • 著者名/発表者名
      Y.Kuroda, T.Mori, T.Ohkubo, H.Kobayashi, S.Kittaka, M.Iwamoto
    • 学会等名
      10th International Conference on Fundamentals of Adsorption (FOA10)
    • 発表場所
      Awaji, Hyogo Japan
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Adsorption and activation of C_2H_2 by Cu^+ in CuMFI at 300 K2010

    • 著者名/発表者名
      A.Itadani, K.Takahara, T.Yumura, T.Ohkubo, H.Kobayashi, Y.Kuroda
    • 学会等名
      10th International Conference on Fundamentals of Adsorption (FOA10)
    • 発表場所
      Awaji, Hyogo Japan
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Chemisorption of an Inert Xe Atom at 300 K on Copper-ion Exchanged in MFI2010

    • 著者名/発表者名
      H.Torigoe, T.Yumura, T.Ohkubo, H.Kobayashi, Y.Kuroda
    • 学会等名
      10th International Conference on Fundamentals of Adsorption (FOA10)
    • 発表場所
      Awaji, Hyogo Japan
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Hydration Structure of Zinc Ion Restricted in Hydrophobic Nanospaces2010

    • 著者名/発表者名
      T.Ohkubo, Y.Kuroda
    • 学会等名
      10th International Conference on Fundamentals of Adsorption (FOA10)
    • 発表場所
      Awaji, Hyogo Japan
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] A DFT Study of Interactions of Organic Molecules with Dicopper Centers in a ZSM-5 Cavity2010

    • 著者名/発表者名
      T.Yumura, A.Itadani, H.Kobayashi, Y.Kuroda
    • 学会等名
      16th international zeolite conference (IZC-16)
    • 発表場所
      Convention Center "Hilton Sorrento Palace", Sorrento Italy
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Specific H2 adsorption onto CuMFI at room temperature : extended to H-D exchange reaction of surface OH and ortho-para conversion of H_22010

    • 著者名/発表者名
      Y.Kuroda, K.Takahara, H.Shinogi, H.Torigoe, T.Ohkubo, M.Lintuluoto, T.Yumura, H.Kobayashi
    • 学会等名
      16th international zeolite conference (IZC-16)
    • 発表場所
      Convention Center "Hilton Sorrento Palace", Sorrento Italy
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Chemisorption of inert Xe on AgMFI at 300 K-Structural and electronic characterization-2010

    • 著者名/発表者名
      Hiroe Torigoe, Takashi Yumura, Takahiro Ohkubo, Hisayoshi Kobayashi, Yasushige Kuroda
    • 学会等名
      16th international zeolite conference (IZC-16)
    • 発表場所
      Convention Center "Hilton Sorrento Palace", Sorrento Italy
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis and Surface Properties of Titanate and Titanium Dioxide Prepared by Utilizing Morphology Change in Simple Wet-Chemical Process2010

    • 著者名/発表者名
      Y.Hirose, N.Nishi, T.Ohkubo, S.Kittaka, Y.Kuroda
    • 学会等名
      International Conference on Nanoscopic Colloid and Surface Science : NCSS-2010
    • 発表場所
      Makuhari Messe
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Preparation of Silver Ion-Clusters in AgMFI-In Connection with Xe-adsorption-2010

    • 著者名/発表者名
      H.Torigoe, A.Itadani, T.Yumura, T.Ohkubo, H.Kobayashi, Y.Kuroda
    • 学会等名
      International Conference on Nanoscopic Colloid and Surface Science : NCSS-2010
    • 発表場所
      Makuhari Messe
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Distorted Hydration Structure of Metal Ions Confined in Slit-Shaped Micropores of Carbon2010

    • 著者名/発表者名
      T.Ohkubo, Y.Takehara, A.Itadani, Y.Kuroda
    • 学会等名
      International Conference on Nanoscopic Colloid and Surface Science : NCSS-2010
    • 発表場所
      Makuhari Messe
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] AgMFI中に形成されるAgクラスターの状態検討2010

    • 著者名/発表者名
      鳥越裕恵・板谷篤司・大久保貴広・湯村尚史・難波朋大・小林久芳・黒田泰重
    • 学会等名
      第106回触媒討論会
    • 発表場所
      山梨県甲府市 ベルクラシック甲府・山梨大学甲府キャンパス
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 銅イオン交換MFI-型ゼオライトを用いた小分子の活性化2010

    • 著者名/発表者名
      黒田泰重・板谷篤司・湯村尚史・小林久芳
    • 学会等名
      分子研研究会「グリーンイノベーションのための表面・界面化学」
    • 発表場所
      分子研,岡崎市明大寺町字西郷中38番地
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Retention of Xe in Copper-ion-exchanged MFI at 300 K as a Stable and New Compound, XeCu+, Exhibiting Covalent Bonding Nature2009

    • 著者名/発表者名
      Hiroe Torigoe, Toshinori Mori, Kazuhiko Fujie, Takahiro
    • 学会等名
      Seventeen Symposium on Thermophysical Properties
    • 発表場所
      Colorado Univ., Colorado, USA
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [図書] Photon Factory Activity Report, 2009, No.27 (PartB) 2010, 20.2010

    • 著者名/発表者名
      H.Torigoe, A.Itadani, K.Sakano, M.Ushio, T.Ohkubo, Y.Kuroda
    • 総ページ数
      1
    • 出版者
      Controlling the Formation of Silver Cluster in Silver-Ion-Exchanged MFI-Type Zeolites by Different Treatment Methods
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [産業財産権] Xenon Adsorbendt, Xenon Enrichment Method, Xenon Enrichment Device, Air Liquefaction, Separation2010

    • 発明者名
      藤江和彦, 中村章寛, 飛騨野龍也, 黒田泰重, 森俊
    • 権利者名
      岡山大学
    • 出願年月日
      2010-02-25
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 外国

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公開日: 2009-04-01   更新日: 2016-04-21  

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