| 研究課題/領域番号 |
23K26438
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01745 (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27010:移動現象および単位操作関連
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| 研究機関 | 広島大学 |
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研究代表者 |
荻 崇 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (30508809)
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| 研究分担者 |
平野 知之 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (40963674)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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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 |
18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)
2026年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2025年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2024年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2023年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
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| キーワード | 高次構造ポーラス微粒子 / 微粒子材料 / 噴霧法 / 物質移動特性 / プロセスサイエンス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
三次元的に規則配列した細孔空間を有する微粒子（以下、高次構造ポーラス微粒子）は、高比表面積、高空隙率、低密度、優れた物質移動特性といった従来の微粒子にない性質を有し、次世代型の微粒子として期待される。本研究では、高次構造ポーラス微粒子を対象として、【1】計測インフォマティクスとの融合による創製プロセスの高度化、【2】三次元解析技術を駆使した微粒子内部構造の定量的理解とモデル構築、【3】高次構造ポーラス微粒子の構造と物質移動特性の相関解明に取り組み、世界に先駆けて『高次構造ポーラス微粒子創製におけるプロセスサイエンスの構築』を目指す。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、次世代の微粒子材料として期待される高次構造ポーラス微粒子を対象として、(1)計測インフォマティクスとの融合による創製プロセスの高度化、(2)三次元解析技術を駆使した微粒子内部構造の定量的理解とモデル構築、(3)高次構造ポーラス微粒子の構造と物質移動特性の相関解明、に取り組んでいる。
2024年度、(1)については、噴霧液滴からの気相中での粒子生成機構を解明するために、リアルタイムでの粒子径・化学組成を測定するシステムを立ち上げた。具体的には，レーザー誘起ブレイクダウン分光法により，エアロゾル合成における反応場の測定を行い，気中に存在する粒子からの発光線より，粒子のサイズと組成に関する情報を取得した。(2)については、仮想空間上での三次元ポーラス触媒微粒子の作製に注力した。モデル粒子作製ソフトの改良により、より実物に近いモデルポーラス微粒子の作製が可能となった。多孔体ソフトウェアを用いて、単一のポーラス粒子内の一定方向の連通孔の経路数を造孔材体積ごとに比較すると体積割合が10~30%においては，造孔材径に依らず連通孔数は同程度であったが、体積割合が高くなると造孔材径の低下に伴って連通孔数が増加した。(3)については、三元触媒ナノ粒子を用いて合成した三元触媒ポーラス微粒子の合成において、二種類の造孔材を用いてマルチポーラス触媒微粒子の製造に成功した。第一造孔材として、381 nmのPMMA粒子と第二造孔材として61 nmまたは138 nmのPMMA粒子を使用することで、第一造孔材由来のマクロ孔の周りに第二造孔材由来のマクロ孔が形成され、その細孔間の骨格厚さが短くなり、CO酸化において優れた触媒性能を示した。
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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
上述した研究実績概要に記載してあるとおり、2024年は掲げた3つの目標のそれぞれに対して、順調に研究を進めることが出来た。(1)の目標は、高次構造ポーラス微粒子製造プロセスの高度化であるが、今年度は、粒子のサイズと組成に関する情報を入手できる実験系を立ち上げ、様々な材料に適応可能なオンライン計測システムへの展開が見出された。（２）の目標は、高次構造ポーラス微粒子の内部構造の定量的な理解であるが、1年目の課題であった実物のポーラス粒子とモデル粒子の類似性の低さの改善に取り組むことが出来た。モデル粒子作製ソフトを改良することで、単一のポーラス微粒子に存在する孔の位置を任意に制御できるようになり、より実物に近い粒子を作製することが出来た。さらに、モデル粒子に対する多孔体解析と流体解析も進めておりこちらも順調に進んでいる。（３）については、ポーラス微粒子の触媒性能の向上に向けて、二種類の造孔材を用いた粒子合成を検討した。現在も二種類の造孔材の粒子径比率や添加比率を変えてデータを蓄積し、触媒性能との相関関係をまとめている。よって、概ね順調に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1)についは、今後、噴霧法で製造される高次構造ポーラス微粒子を対象として、三元触媒ポーラス微粒子を直接セラミック基材に堆積させる装置を開発しており、この積層体を直接、触媒特性評価できる装置を立ち上げる予定である。(2)については、得られたモデル粒子を対象として、多孔体解析のみならず流体解析を実施し、単一のポーラス微粒子の粒子内部構造、その集合体を対象とした速度分布、温度分布、空隙率、連通細孔率などを定量的に算出していく予定である。また、2025年度からは一部のモデル材料として、ナノ粒子で構成されたポーラス微粒子だけでなく、原料溶液から分子レベルで構成されたポーラス触媒粒子を合成し、その粒子に対しても開発したモデルとの相関を評価する予定である。 (3)については、引き続き、シングルポーラス微粒子やマルチポーラス触媒微粒子の粒子合成条件と粒子性状、触媒性能との相関データを獲得していく予定であるが、さらなる触媒性能の向上へ向けた取り組みとして、造孔材径が400nm以上のポーラス微粒子の合成も二流体ノズル型の噴霧乾燥装置を用いて製造していく予定である。
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