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異方形態ナノ結晶の抽出と再利用を指向した機能性界面活性剤ゲルの集積空間制御

研究課題

研究課題/領域番号 21K12304
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分64030:環境材料およびリサイクル技術関連
研究機関お茶の水女子大学

研究代表者

伊村 くらら  お茶の水女子大学, 基幹研究院, 准教授 (60707107)

研究分担者 伊村 芳郎  東京理科大学, 工学部工業化学科, 准教授 (70756288)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワード貴金属 / ナノ結晶 / 界面活性剤 / ゲル / 抽出 / 循環利用 / 再利用
研究開始時の研究の概要

非球状形態を有する貴金属ナノ結晶は、高機能触媒として注目されている。その一方で、これらは熱力学的に不安定であり、粒子凝集による機能損失リスクが存在する。本研究では、凝集を回避しながら異方形態貴金属ナノ結晶を抽出分離する「界面活性剤ゲル」の構築を行う。貴金属への高い親和性をもつ界面活性剤を分子膜から段階的に組み上げることで、ナノ結晶の形態に見合う三次元ゲル空間を自在かつ精確に構築する手法を確立する。

研究実績の概要

穏和な条件で高効率な化学反応をもたらしうる高機能ナノ触媒の開発は、近年の重要な課題である。一方で、触媒をはじめとするナノ結晶機能を安定に保つには粒子凝集を回避する必要があり、ナノ結晶形態を保持したままでの再利用が理想的である。本研究課題では、貴金属ナノ結晶の触媒利用を視野に入れ、希少資源を含むナノ結晶を再利用する技術の確立を目指している。そこで、ナノ粒子の分散剤として用いられる界面活性剤を用い、界面活性剤ゲルを媒体とした効果的なナノ結晶抽出を試みている。
構造不安定な界面活性剤ゲルをナノ結晶抽出用途に用いるには、ナノ結晶を保持しうるゲル空間の構築が求められる。また、ゲル構造の長期的な安定性も課題となってきた。これまでに、界面活性剤の分子構造ならびにその組成がラメラ面間隔におよぼす影響、界面活性剤ゲルと金属酸化物の複合によってもたらされるゲル構造の経時安定性向上について明らかにしてきた。
令和5年度は、これまでの研究で得られた複合ゲルを媒体に用いた貴金属ナノ結晶の抽出回収を行った。界面活性剤ゲルの膨潤性が良く保たれる組成条件において、抽出したナノ結晶が凝集せずに保持されることを確認した。さらに、ゲルからのナノ結晶再分散を試みたところ、界面活性剤濃度を最低ゲル化濃度付近まで低減させても良好な分散性が保持されることが明らかとなった。これは、ゲル形成の足場として金属酸化物微粒子を導入したことによって生み出された効果であり、ナノ触媒の循環利用法における環境負荷の抑制に成功したと言える。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

現在までに、界面活性剤と金属酸化物の複合ゲルを媒体としたナノ結晶の抽出回収を達成した。金属酸化物との複合によって界面活性剤ゲルの分子集積構造の経時安定性が高まることはこれまでに明らかにしてきたが、ナノ結晶抽出に用いた際の複合ゲルの効果はそこでの予想を大きく上回るものであった。金属酸化物と複合しない場合にはゲルの収縮を抑えることが難しく、ナノ結晶抽出にはゲル化剤である界面活性剤を高濃度で用いる必要があった。一方で、金属酸化物と複合した系においては、界面活性剤量をいちじるしく低減した条件であってもゲル構造が維持され、ナノ結晶の安定な抽出回収をもたらした。このことは、環境負荷の抑制ならびにナノ触媒の再利用においてもきわめて意義深いものと考えている。

今後の研究の推進方策

令和6年度では、これまでに得られた知見に基づき、界面活性剤と金属酸化物の複合ゲルを媒体とした貴金属ナノ結晶の抽出回収の高効率化を行う。研究目的であるナノ触媒の循環利用法の確立に向け、抽出回収前後にわたるナノ結晶性能の再現性を評価していく。特に、最低ゲル化濃度近傍といった界面活性剤低濃度領域に焦点をしぼり、より効率的なナノ触媒再利用にむけた抽出回収を行う。また、安定なナノ結晶回収に求められる抽出機構をゲル皮膜の観点からも再精査する。これまで、アルキル鎖長の短い界面活性剤はゲル化能に乏しく十分なゲル形成量を確保できないためゲル抽出用途には不向きであると予想してきたが、実際の複合ゲルを用いた試験では金属ナノ結晶の回収性能は著しく高いことが明らかとなった。これは金属酸化物上に形成される界面活性剤分子膜に依存した挙動であると考え、この分子動態をもとにナノ結晶抽出回収におよぼす影響を明らかにしていく。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Nanoarchitectonics and Catalytic Performance of Au-Pd Nanoflowers Supported on Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>2023

    • 著者名/発表者名
      Imura Yoshiro、Tanaka Masami、Kasuga Asuka、Akiyama Ryota、Ogawa Daisuke、Sugimori Hirokazu、Morita-Imura Clara、Kawai Takeshi
    • 雑誌名

      Journal of Oleo Science

      巻: 72 号: 11 ページ: 1055-1061

    • DOI

      10.5650/jos.ess23125

    • ISSN
      1345-8957, 1347-3352
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Preparation and Catalytic Performance of Highly Stable Silica-Coated Gold Nanorods Supported on Alumina2021

    • 著者名/発表者名
      Imura Yoshiro、Fukuda Kunihiro、Saito Haruna、Maniwa Motoki、Kurihara Yusuke、Morita-Imura Clara、Kawai Takeshi
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 94 号: 6 ページ: 1685-1689

    • DOI

      10.1246/bcsj.20210074

    • NAID

      130008066555

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Preparing Alumina-Supported Gold Nanowires for Alcohol Oxidation2021

    • 著者名/発表者名
      Imura Yoshiro、Maniwa Motoki、Iida Kazuki、Saito Haruna、Morita-Imura Clara、Kawai Takeshi
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 6 号: 24 ページ: 16043-16048

    • DOI

      10.1021/acsomega.1c01895

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] アミドアミン型界面活性剤を用いた低分子ゲルへのアミノ酸添加の効果2024

    • 著者名/発表者名
      敦井晴香, 伊村くらら
    • 学会等名
      日本化学会 第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 有機色素の添加で誘起される両イオン性界面活性剤のゲル形成2024

    • 著者名/発表者名
      桂井望, 伊村くらら
    • 学会等名
      日本化学会 第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 異鎖長混合による界面活性剤ゲルの形成とナノ粒子抽出-再分散作用への影響2023

    • 著者名/発表者名
      大野史保子, 伊村くらら
    • 学会等名
      第13回 CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 刺激応答性界面活性剤を用いた貴金属ナノ粒子の選択的抽出2023

    • 著者名/発表者名
      西周慧風, 伊村くらら
    • 学会等名
      第13回 CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 界面活性剤ゲルを媒体とした金ナノ粒子回収とアルキル鎖長の影響2023

    • 著者名/発表者名
      大野史保子, 伊村芳郎, 伊村くらら
    • 学会等名
      2023年度色材研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 刺激応答性界面活性剤による元素選択的な貴金属ナノ粒子の抽出2023

    • 著者名/発表者名
      西周慧風, 伊村芳郎, 伊村くらら
    • 学会等名
      2023年度色材研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] アルコール酸化反応に対して高い触媒活性を持つ金-白金ナノフラワーの調製2023

    • 著者名/発表者名
      春日あすか, 秋山諒太, 伊村くらら, 伊村芳郎
    • 学会等名
      2023年度色材研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 担体上の球状金ナノ粒子をシードとした異方性ナノ材料の調製2023

    • 著者名/発表者名
      吉本太一, 伊村くらら, 伊村芳郎
    • 学会等名
      2023年度色材研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] アミドアミン型界面活性剤のゲル形成におよぼす無機塩添加の効果2023

    • 著者名/発表者名
      廣谷紗瑛子, 伊村くらら
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 刺激応答性界面活性剤ゲルを用いたナノ粒子の回収と再分散性の制御2023

    • 著者名/発表者名
      大野史保子, 伊村くらら
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 表面凹型金ナノキューブの調製と屈折率感度2023

    • 著者名/発表者名
      大石 耕太郎, 山本 涼太, 伊村 くらら, 伊村 芳郎
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 担持金ナノ粒子をシードとした担持異方形態金ナノ結晶の調製2023

    • 著者名/発表者名
      吉本 太一, 山本 涼太, 伊村 くらら, 伊村 芳郎
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 酸化セリウムとの複合化による小型金ナノフラワーの触媒活性向上2023

    • 著者名/発表者名
      黒羽 幸樹, 馬庭 基樹, 伊村 くらら, 伊村 芳郎
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 担持金-白金ナノフラワーの調製と触媒特性2023

    • 著者名/発表者名
      春日 あすか, 秋山 諒太, 伊村 くらら, 伊村 芳郎
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 刺激応答性界面活性剤による可逆的な金ナノ粒子の分離抽出制御2022

    • 著者名/発表者名
      西周慧風, 伊村くらら
    • 学会等名
      第12回 CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 両イオン性界面活性剤の多重刺激応答性による金ナノ粒子の可逆的な相間移動制御2022

    • 著者名/発表者名
      西周慧風, 伊村くらら
    • 学会等名
      色材協会創立95周年記念会議
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Recovery of Organic Dyes by Molecular Inclusion in Surfactant Gels Controlled Alkyl Chain Length2022

    • 著者名/発表者名
      Mio Konaka, Clara Imura
    • 学会等名
      the 95th JSCM anniversary conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] "Preparation and catalytic performance of supported gold nanocubes having various size"2022

    • 著者名/発表者名
      Ryota Yamamoto, Clara Imura, Kehsuan Wang, Takeshi Kawai, Yoshiro Imura
    • 学会等名
      the 95th JSCM anniversary conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Control of gel-like assemblies of zwitterionic surfactants for recovery-redispersion of gold nanoparticles2021

    • 著者名/発表者名
      飯島紗生, 伊村くらら
    • 学会等名
      日本油化学会第60回年会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Effect of alkyl chain length on extraction of organic dyes using zwitterionic surfactant gel2021

    • 著者名/発表者名
      小中美緒, 伊村くらら
    • 学会等名
      日本油化学会第60回年会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] pH応答性界面活性剤の会合体転移による金ナノ粒子の回収と再分散2021

    • 著者名/発表者名
      飯島紗生, 伊村くらら
    • 学会等名
      第72回コロイドおよび界面化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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