| 研究課題/領域番号 |
16K06837
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| 研究機関 | 同志社大学 |
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研究代表者 |
白川 善幸 同志社大学, 理工学部, 教授 (70262459)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 中空粒子 / 多孔質 / 複合化 / ピコリットル反応場 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は，インクジェットノズルを用いて正確にピコリットルサイズに制限された空間を形成し，その空間を反応場とすることで，ナノ構造が制御された単分散で多孔質な中空酸化チタン粒子を作製し，この粒子を用いた用途開発として， 中空粒子内にビタミンを導入しDDS における徐放性能の高性能化を図ること，また中空粒子内に触媒金属を析出させ，中空内での触媒活性を持った光触媒複合粒子としての利用を探ることである。2016年度は，１）インクジェット吐出システムの改良設置ならびに２）粒子径および細孔径分布制御のための溶液調整と粒子作製を中心に行った。
インクジェットノズルの改良については，業者に特注し，ノズル部からピエゾのドライバ部分を含め，全面的な変更を行った。新しいインクジェット吐出システムにおいて，ピエゾ素子の吐出条件となるヘッド電圧，周波数，パルス幅を変化させ，液滴の安定性を高速度カメラで観察しながら，どの範囲のサイズまで作製可能なのか調べた。その結果，これまで用いてきたシステムより液滴サイズが単分散でありながら様々なサイズの液滴が得られ，また吐出量も格段にアップすることができ，目的としたシステムが構築できた。
次に粒子径および細孔径分布制御のための溶液調整と粒子作製については，上記の新インクジェット吐出システムに適する溶液条件の検討を行った。ヘキサンにチタンアルコキシドを加えた溶液と，水に有機溶媒を加え塩酸によりpH を調整した2 液を様々な濃度で準備し，これらを用いて粒子生成を行った。作製したチタニアについて，SEMによる粒子径の計測，BETによる細孔径分布の計測ならびにXRDによる構造解析を行い，粒子特性を評価した。その結果，想定した細孔径分布を持つチタニア中空粒子を得ることができた。さらに計画を先行して，ビタミンについて粒子内に導入できる条件出しを行い，粒子内への導入を確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
2016年度の研究計画では，１）インクジェット吐出システムの改良設置ならびに２）粒子径および細孔径分布制御のための溶液調整と粒子作製であった。新しいインクジェットシステムについては，ノズルの変更，液滴形成法の変更ならびに吐出条件の詳細の検討を重ね，これまで我々が作製してきた液滴径の範囲を広げることができるようになった。また，測定精度をあげることと多くの条件で実験を実施できるようにするため，これまでより量が得られるように，また操作性がよくなるようにシステムを作り上げた。
粒子径分布については，新しいインクジェットシステムの吐出条件によってほぼ決定できる。しかし，粒子の中空化や粒子内の細孔径分布は原料となる溶液条件に大きく依存する。また，インクジェットシステムが新しくなったことにより，安定な液滴を形成するには，適切な溶液粘度が必要となる。そこで，インクジェットから吐出させる溶液条件ならびに液滴と反応させる溶液について，各溶液濃度ならびに吐出側と反応溶液側の組み合わせをマイクロリアクタや静電噴霧も利用し，様々な条件で実験を行った。ヘキサンにチタン酸テトライソプロピルを加えた溶液と，水にアセトニトリルを加え塩酸によりpH を調整した2 液の濃度調整ならびに適切なピエゾ素子の吐出条件となるヘッド電圧，周波数，パルス幅を設定することで，想定した範囲の極めてシャープな粒子内細孔径分布を得ることに成功した。これによって，申請した研究計画についてはほぼ達成したと考えている。
以上に加えて，ビタミンCの導入に適切であろう構造を有する粒子について，導入を試みた。いくつかの導入方法を実施した結果，1つの方法において中空粒子断面の観察によってビタミンCの吸着が確認され，導入することが可能であることが分かった。このビタミンCの導入については，研究計画を先行して行うことができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
2017年度は，金属を複合化させた粒子の作製と光学測定を実施する予定である。2016年度に得られた結果を基に，白金などの金属を中空粒子内に酸化還元反応を用いて析出させ，光触媒活性を評価する。その際，酸化チタンの光吸収係数を考慮して，可能の限り薄い殻を持つ中空粒子を作製する。反応速度を調整するアセトニトリルの濃度を変化させて平均細孔径がどう変化するのか調べる。また，アセトニトリル以外の立体障害についても検討する。溶液条件調整で所望の細孔径分布が得られない場合は，比較的大きな細孔分布の粒子を200℃で焼成し，焼成時間によって細孔径分布を制御する。結晶構造はXRDを用い，複合化状態はイオンミリングによって粒子断面を作り，SEM もしくはTEMで確認する。金属を複合化させた酸化チタン粒子の光学特性，光触媒反応を紫外-可視分光光度計で測定する。
また，チタニアの多孔質中空粒子の作製にあたり，これまでの我々が用いてきたゾル－ゲル法ではなく，チタンの塩化物などを原料とする作製プロセスについて検討する。本インクジェットシステムを用いた粒子作製プロセスにおいて，溶液粘度に直結する原料の選択がどこまで広げられるのかは，本研究の目的の一つである用途開発に大きく影響するからである。ここで，粒子特性として本研究で重要な位置づけである粒子の細孔径分布について，現有装置では20nm以下の測定精度があまり高くないことが分かったため，20nm以下の細孔分布測定については，外部委託することで対応を検討している。
計画の実行にあたり，研究補助者として申請していた大学院生2名が，2016年度末に修了したため，あらたに2名の大学院生を研究補助として追加する予定である。
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