| 研究課題/領域番号 |
17K06802
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
井上 亮太郎 日本大学, 医学部, 准教授 (50397626)
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| 研究分担者 |
岡澤 厚 日本大学, 医学部, 助教 (30568275)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 酸化物 / 還元 |
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| 研究実績の概要 |
平成29年度に、酸化物LiNbO3中にある遷移金属元素Feの価数を低温化学溶液還元によって制御することに成功した。これは当初の予定通りであったが、その過程で予想していなかった実験結果を得た。その原因を考えることによって、還元の制御機構について新しい物理的モデルの確立に成功し、研究計画を前倒しして平成30年度からこの物理的モデルについて論文を投稿する予定を立てた。しかし、データ解析の定量性に問題が生じ、論文を投稿できていない。ICP発光分析によるFeの定量と数値計算を進め、問題解決のめどはある程度たったのだが、コロナ感染拡大によって研究以外の業務が増大し、事業期間の再延長・再々延長を申請するに至った。
平成30年度後半から、低温化学溶液還元技術の更なる開発を行った。これまで中心的に研究してきたLiNbO3に加えて、BiFeO3やBaTiO3などの酸化物にFeやMnなどの遷移金属元素をドープし、低温化学溶液還元によって価数制御を試みた。どの粉末においても還元には成功したが、まだ系統的な実験結果を得るに至っていない。
また電子ドープ系酸化物高温超伝導体Nd1.85Ce0.15CuO4を合成し低温化学還元を行った。残念ながら超伝導発現は確認できていないが低温磁化率測定から反強磁性Weiss温度の系統的な変化が得られており、不十分なものの化学溶液還元自体には成功していると考えている。今後さらに還元条件を検討する。
Feの価数決定に使用してきたMoessbauer分光測定のCo線源の強度が落ちてきているため、今後はESR(電子スピン共鳴)測定なども併用して遷移金属元素の価数決定を行うことを考えている。また外部機関との共同研究を積極的に行い、BET測定による粉末の比表面積決定・TG(熱重量)測定などによって低温化学溶液還元プロセスについてより多角的に調べる予定である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
酸化物のモデル材料としてLiNbO3を選び、ドープした遷移金属元素Feの価数制御技術を確立した。具体的には、反応時間・反応温度・ヒドリド還元剤濃度などを系統的に変化させてFe(10 mol%):LiNbO3粉末試料を還元し、Moessbauer分光測定によってFeの平均価数を調べた。十分に時間が経って飽和した時点でのFe2+率を還元条件から予想できるようになった。
研究開始当初は、 Fe2+率の飽和は表面還元反応の律速過程の切り替わりによって起こっていると考えていた。しかし、試料粉末の粒径によって飽和Fe2+率の変化することが明らかになり、「還元によって導入された酸素空孔と電子の拡散が止まっている」という新しい物理モデルを構築するに至った。この物理モデルについての論文投稿を計画したが、データ解析の定量性に問題が生じて、論文を投稿できず、補助事業期間の延長を申請した。問題解決のめどはある程度立ったのだが、令和2年度・令和3年度はコロナ感染拡大によって研究以外の業務が増大し、論文投稿ができなかった。
また平成30年度後半からLiNbO3に加えてBiFeO3やBaTiO3といった強誘電体酸化物粉末を準備し、複数のヒドリド還元剤を用いて低温化学溶液還元を試みた。どの粉末試料においてもドープしたFe元素の価数変化には成功したが、(1)強還元すると母物質の結晶構造が壊れてしまうことがある、(2)母物質の組成元素のためにMoessbauer分光測定によるFeの価数決定が容易でない、などの問題が生じた。
また電子ドープ系酸化物高温超伝導体Nd1.85Ce0.15CuO4を合成し低温化学還元を行った。残念ながら超伝導発現は確認できていないが低温磁化率測定から反強磁性Weiss温度の系統的な変化が得られており、化学溶液還元自体には成功していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度前半から、論文の執筆・投稿に取り組んでいる。試料粉末の粒径によって飽和Fe2+率が変化することから、「還元によって導入された酸素空孔と電子の拡散が止まっている」という新しい物理モデルを構築した。粉末形状を球形と仮定して常微分方程式の境界値問題として定式化したが、数値計算の結果から実験データを定量的に説明することに難航し、コロナ感染拡大による他業務増大もあって補助事業期間の再延長・再々延長を申請するに至った。令和４年度は、まず論文の執筆・投稿に注力する。
酸化物全般の低温還元技術というより幅広い視点から、ペロブスカイト類似構造を持つ酸化物の低温化学溶液還元にも取り組む。ペロブスカイト類似構造を持つ酸化物では、擬酸素八面体構造の中心にある金属元素によって還元のしやすさが変わってくると予想される。まずはESR(電子スピン共鳴)などを用いたFe以外の金属元素の価数決定手法の確立を目指す。当初の計画に含まれていた遷移金属二元酸化物の還元は、通常のプロセスでは実現できない結晶構造を実現できる可能性があるが、かなり挑戦的な課題であるので期間内の遂行が難しいと判断した。
また令和３年度から低温化学還元技術としての応用可能性のデモンストレーションとして、電子ドープ型酸化物高温超伝導体Nd1.85Ce0.15CuO4の低温化学還元に取り組んだ。現時点で残念ながら超伝導発現は確認できていないが低温磁化率測定から反強磁性Weiss温度の系統的な変化が得られており、化学溶液還元自体には成功していると考えている。今後さらに適切な還元条件を検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ感染拡大に伴う大学への立ち入り制限と学務の増加のために、研究を十分に遂行できなかった。今後、論文投稿費用を使用する予定である。
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