| 研究課題/領域番号 |
23K26434
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01741 (2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26060:金属生産および資源生産関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
成田 弘一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究チーム長 (60357689)
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| 研究分担者 |
元川 竜平 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (50414579)
阿久津 和宏 一般財団法人総合科学研究機構, 中性子科学センター, 副主任技師 (60637297)
鈴木 智也 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80748624)
上田 祐生 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究職 (80806638)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)
2025年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2024年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2023年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
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| キーワード | レアアース / 溶媒抽出 / 構造解析 / 小角散乱 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の目的は、金属の液－液抽出において最難関技術である、原子番号の隣接したレアアースの相互分離を高効率で達成するために、微細なイオンサイズの差異を認識可能な抽出剤の探索を金属錯体の有機相中の高次構造や有機相－水相界面構造解析に基づき行い、その分離メカニズムを明らかにすることで、有用な抽出分離系を提案することである。既存の熱力学的アプローチや金属イオン周辺の構造解析では、液－液抽出における明確なサイズ認識発現のメカニズムを得られていないが、本提案では中性子小角散乱法と中性子反射率法による構造解析を駆使することで、相互分離を生み出す新たなポイントを探求する。
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| 研究実績の概要 |
2-エチルヘキシルホスホン酸モノ-2-エチルヘキシルエステル（EHEHPA）による重レアアース分離における希釈剤効果（オクタン／1-オクタノール系）に関して、昨年度より多くの条件下で二相間の分離データを取得した。レアアース抽出は1-オクタノール濃度の増加に伴い減少したが、レアアース間の抽出性能の差についてはほとんど変化しないことが示された。また、レアアース抽出に用いる有機相と水相間の界面張力及び有機相の誘電率等の物理パラメーターの測定を行った。
次年度に計画している中性子散乱実験に必要な重水素化EHEHPAの合成法の開発も行い、中性子実験に用いるのに十分な重水素化率の化合物が得られた。
計算科学的アプローチではEHEHPAと1-オクタノールの有機相での会合状態を調べるため、密度汎関数（DFT）法により、構造最適化及び振動計算を実施した。ここでは、計算時間の短縮のため、アルキル鎖を簡略化し、EHEHPAはメチルホスホン酸モノ-2-メチルエステル（MeMePA）、1-オクタノールはエタノール（EtOH）の構造を用いて計算した。いずれの会合状態についても、会合するMeMePAの分子数が増えることでΔGが負となり、会合体の安定性が増加する。 [MeMePA][EtOH]、[MeMePA]2[EtOH]については、それぞれ単量体や二量体に対し、EtOHが会合することでΔGが負に変化する。一方、[MeMePA]2[EtOH]2や[MeMePA]3[EtOH]については、[MeMePA]2[EtOH]や[MeMePA]3に比べ、それぞれΔGが正に変化する。この結果より、EHEHPAに対し、1-オクタノールを添加することで、EHEHPAの単量体や二量体と1-オクタノールが会合することが示唆された。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
今年度は、有機リン系抽出溶媒の物理的パラメーター等の基本物性やそれによるレアアースの抽出特性を調べるとともに、構造解析試験のための化合物合成や分子間の相互作用に関するDFT計算を行うことにより、有機リン系抽出剤の高いサイズ認識能の要因解明の鍵となるX線／中性子構造解析試験及び新たにスタートする分子動力学計算に必要な基本データを備えることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
有機リン系化合物によるレアアース抽出の希釈剤効果のうち、今年度までに行ったレアアース抽出平衡の変化及び抽出有機溶媒の物理的パラメーターに関し、次年度は補足実験を行うとともに、それらデータに基づいた構造解析実験を行う。構造解析実験は、これまでに実験用に合成した化合物や準備した測定セル等を用い、中性子またはX線小角散乱法によるバルク有機相における抽出剤等の凝集・会合状態の観察及び中性子またはX線散乱技術を用いた液-液界面または気-液界面のナノ構造観察を行い、有機リン系化合物の高い選択性と有機相中での構造の関係について考察する。また、計算科学的アプローチに関しては、これまでのDFT計算に加えて分子動力学(MD)計算を導入する。MD計算は分子の動的な挙動を追跡できることから、有機相中分子の構造解析データの補足説明や実測データでは見えない分子の動きのシミュレーションを行う。これらの結果に基づき、有機リン系抽出剤のレアアースに対する高度な相互分離特性の原因を推測する。
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