| 研究課題/領域番号 |
22K03465
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13010:数理物理および物性基礎関連
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| 研究機関 | 東京学芸大学 |
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研究代表者 |
佐藤 公法 東京学芸大学, 教育学部, 教授 (00401448)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
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| キーワード | 準一次元アイス / プロトン伝導 / ナノ空間 / ケイ酸塩鉱物 / 一次元アイス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，ケイ酸塩鉱物中に多量に含まれる二次元形状のナノ空間，およびナノ空間内部で強く凝集する特異な水分子ネットワークに着目する。メカノケミカル反応により二次元形状ナノ空間を一次元異方性を有するナノ空間に改質し，一次元方向に空間制約を受けた準一次元アイスを構築する。平行して高い反応断面積で水分子解離を進行させ，効率的なプロトン生成を行う。さらにナノ空間近傍に局所生成する負電荷にプロトンを弱局在させ，空間内部への閉じ込めを行う。上記を同時に実現することにより，無加湿・常温環境下で超プロトン伝導の発現を目指す。
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| 研究実績の概要 |
ケイ酸塩物質は地殻を構成する鉱物の大部分を占め，地球上で最も産出量が多い．加えて毒性もない．ケイ酸塩物質は一般に絶縁体に分類される．つまりケイ酸塩物質そのものに電流は流れない．資源的に安定で，かつ環境負荷のないケイ酸塩物質が伝導特性を持つようになれば環境・エネルギー分野の観点から意義がある．本研究では，ケイ酸塩鉱物中に多量に含まれる二次元形状のナノ空間，およびナノ空間内部で強く凝集する特異な水分子ネットワークに着目する．メカノケミカル反応により二次元形状ナノ空間を一次元異方性を有するナノ空間に改質し，一次元方向に空間制約を受けた準一次元アイスを構築する．平行して高い反応断面積で水分子解離を進行させ，効率的なプロトン生成を行う．さらにナノ空間近傍に局所生成する負電荷にプロトンを弱局在させ，空間内部への閉じ込めを行う．上記を同時に発現させることにより，無加湿・常温環境下で超プロトン伝導の発現を目指す．初年度は，ベースとなる試料の選定を行い，ケイ酸塩鉱物である合成サポナイトナノ粒子を採用した．メカノケミカル処理によりサポナイト凝集体組織が細分化すること，サポナイトを構成するSiO4四面体が剥離すること，二次元形状ナノ空間が一次元異方性を有するナノ空間に改質されていることが示された．今年度はメカノケミカル反応条件を詳細に協議し，ナノ空間改質について高精度化を進めた．またサポナイト組織の細分化だけでなく，非架橋酸素にも焦点を当てた．ポジトロニウム分光実験や固体核磁気共鳴名実験の結果から，メカノケミカル反応時間の増加とともにナノ空間サイズと相対強度が減少し組織が緻密化すること，SiO4四面体近傍の化学環境により多くのAl原子が含まれるようになること，水分子偏角振動の動きが一次元的に抑制されることが示唆された．
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| 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
本研究では，ケイ酸塩物質に多量に含まれる水分子ネットワークに対してメカノケミカル反応を促進させる．加えて，二次元形状ナノ空間を一次元異方性を有するナノ空間に改質する．これらを推進することにより，ナノ空間近傍に準一次元アイスを生成させ，常温・無加湿環境下で超プロトン伝導の発現を目指す．初年度は，ベースとなる試料の選定，メカノケミカル処理がケイ酸塩物質凝集体を細分化すること，ナノ空間を改質することを確認した．今年度はメカノケミカル反応条件を詳細に協議し，ナノ空間改質について詳細な議論，非架橋酸素生成に焦点を当てた．ポジトロニウム分光実験の結果から，メカノケミカル反応時間の増加とともにナノ空間サイズと相対強度が減少し，組織が緻密化する傾向が示された．シリコン29固体核磁気共鳴の結果から，SiO4四面体近傍の化学環境について以下の情報が得られた．メカノケミカル処理前には，Si原子3つで囲まれたSiO4四面体，Si原子2つとAl原子1つで囲まれたSiO4四面体，Si原子1つとAl原子2つで囲まれたSiO4四面体が存在する．メカノケミカル処理時間3時間で，Al原子3つで囲まれたSiO4四面体が生成される．上記Alを含む化学環境はメカノケミカル処理時間の増加とともに増加する．これらの結果は，より多数のプロトンがSiO4四面体近傍に局在していることが示唆している．フーリエ変換赤外吸収分光法により，メカノケミカル処理時間の増加とともに水分子の偏角振動ピークがブルーシフトすることがわかった．このことは水分子偏角振動の動きが抑制されていることを示しており，水分子の自由度が抑制されていることを示唆している．以上固体核磁気共鳴およびフーリエ変換赤外吸収分光実験の結果から，サポナイト凝集体中の水分子集団が一次元的に変化していることが示唆される．以上より，現在までの達成度はおおむね順調と判断する．
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では，二次元形状ナノ空間を一次元異方性を有するナノ空間に改質すること，一次元方向に空間制約を受けた準一次元アイスを構築すること，水分子解離によりプロトンを生成させることが不可欠である．初年度は，メカノケミカル反応を推進するための水分子ネットワークが試料内部に十分に得られることが確認できた．加えて，サポナイトナノ粒子を構成するSiO4四面体の剥離，さらには細分化だけでなく，二次元形状ナノ空間が一次元異方性を有するナノ空間に改質されていることが示された．今年度はナノ空間改質について高精度化を進めた．またサポナイト組織の細分化だけでなく，非架橋酸素にも焦点を当てた．ポジトロニウム分光実験や固体核磁気共鳴名実験の結果から，メカノケミカル反応時間の増加とともにナノ空間サイズと相対強度が減少し組織が緻密化すること，SiO4四面体近傍の化学環境により多くのAl原子が含まれるようになること，水分子偏角振動の動きが一次元的に抑制されることが示唆された．最終年度は，フーリエ変換赤外吸収分光実験により得られたサポナイト凝集体中の水分子集団の一次元的な振る舞いについてプロトン固体核磁気共鳴実験を用いて詳細に調べる．ここではメカノケミカル反応により変化したプロトンの結合に関する情報を得る．ナノ空間近傍で水分子集団系は空間的制約を受けるため，準一次元アイス状態を形成し，一方で物理吸着した水分子は湿式反応でプロトンと酸素イオンに分解され，プロトンは連結ナノ空間近傍の負電荷に弱局在することが期待される．サポナイト凝集体中の水分子集団系の状態はプロトン固体核磁気共鳴により調べる．局在プロトンは水素結合を介して準一次元アイスをホッピングするため，常温・無加湿状態で超プロトン伝導が発現することが期待される．プロトン伝導特性を電気化学インピーダンス計測により調べる予定である．
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