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2019 年度 実績報告書

ワイドバンドギャップ金属酸窒化物のストイキオメトリ制御による高機能化

研究課題

研究課題/領域番号 18H02059
研究機関徳島大学

研究代表者

森賀 俊広  徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (90239640)

研究分担者 中村 浩一  徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (20284317)
大石 昌嗣  徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (30593587)
村井 啓一郎  徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (60335784)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2023-03-31
キーワード酸窒化物 / 非化学量論 / 負極材料
研究実績の概要

本研究では、岩塩型Li-Ti系酸窒化物LiTinOxNy(LTON)に着目し、平成30年度の研究において最も放電容量が大きいことが明らかになった(Ti+Ta)/Li=1.25のLTONに、Li4Ti5O12において4価のTiサイトに、特に高電流条件での性能が改善されることが報告されている5価のTaをドープすることで負極特性の向上を試みた。またIn-situ XRD測定により充放電中の結晶構造解析を行い、従来の負極材料の充放電挙動との比較を行った。
XRDにおいてTaのドープ量が15%までは単一相が得られた。Ta量の増加に伴ってa軸長がおおよそ単調増加し、また酸素窒素同時分析より、複合アニオン中の窒素比(N/O)に関しても増加傾向を示すことが明らかとなった。格子定数の増大はTa5+(0.64Å)が一部のTi4+(0.61Å)サイトを占有したことやN3-(1.46Å)とO2-(1.38Å)の複合アニオンにおけるN3-の存在割合が増加したことに起因すると考えられる。窒素比の増加に関しては、Taドープによる正電荷の増加に対して電気的中性を保つために窒素の導入が促進された可能性がある。5サイクルごとに電流条件を変化させたレート特性試験を行った結果、Taドープ量の増加に伴って充放電特性が向上する傾向が観測された。特にTaドープ量15%の試料が放電容量204.8 mAh g-1を示し、さらに全ての電流条件で最良の特性が得られた。In-situ XRDの結果より、Taドープ量10%のLTON活物質 1 molに対して約0.41 molのリチウムイオンが挿入されることが分かった。即ち、Li挿入前のLiに対する(Ti + Ta)比は3.92 : 5、一方でLi挿入後は7.08 : 5となり、この値はLi4Ti5O12の示すLi挿入反応によく対応することが明らかになった。

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

上記の酸窒化物電極材料に関する成果だけでなく、複数の蛍光体を用いるため、経年劣化によるLEDおよび各蛍光体の発光強度差から生じる「色ずれ」が問題となっている白色LED用蛍光体の代替材料として、励起光として320 nmの紫外線を用いるCa1.4Ba0.6Si5O3N6:Eu2+蛍光体を提案することに成功した。この蛍光体は2種類のEu2+が占有する発光中心があるが、それぞれの発光中心から青色光と黄色光を出しこれらの発光色が互いに補色となっているため白色光として感知される。また、Ta系酸窒化物光触媒についても、酸窒化物光触媒の最大の弱点であるアニオン欠陥が正孔と電子の再結合中心となって触媒活性が低下する現象を抑えるため、逆オパール構造を形成してフォトニックバンドギャップを持たせることに成功した。以上のようにそれぞれの分野での(国際会議)論文を含む学会発表を完了し、現在学術論文執筆を行っているところであるため概ね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

可視光照射により水の完全分解を成し得る光触媒活性を有するTaONおよびTa3N5光触媒材料をベースとした逆オパール構造を代表とするフォトニック結晶を作成し、(酸)窒化物で触媒活性低下の一因となるアニオン欠損での正孔・電子再結合の抑止効果が発現するかどうか検証を行う。
また、密度汎関数法を用いた材料設計にも注力していきたい。例えば、顔料としてあるいは可視光応答光触媒として期待されているSrTaO2NやSr2TaO3N構造中に存在するTa(O,N)6八面体のNのcis型配位についてX線構造解析、X線吸収微細構造測定を行うとともにCASTEPを用いたX線吸収微細構造中に現れるXANESスペクトルのシミュレーション結果からその妥当性を検証する。更に、先に述べたCa1.4Ba0.6Si5O3N6:Eu2+蛍光体の2つの発光中心からの発光特性のシミュレーションを行い、Ba/Ca比、O/N比の最適化を行って白色蛍光体としての完成度を向上させる。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 6件、 招待講演 1件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] 西安交通大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      西安交通大学
  • [国際共同研究] オークランド大学(ニュージーランド)

    • 国名
      ニュージーランド
    • 外国機関名
      オークランド大学
  • [国際共同研究] 国立台湾科技大学(中華民国)

    • 国名
      その他の国・地域
    • 外国機関名
      国立台湾科技大学
  • [雑誌論文] Ca2Si5N8:Eu2+ phosphors synthesized in graphite crucibles for enhanced reducing atmosphere2020

    • 著者名/発表者名
      Hsiao Chih-Wei、Oi Mitsuo、Shibai Koki、Murai Kei-Ichiro、Moriga Toshihiro、Shih Shao-Ju
    • 雑誌名

      Modern Physics Letters B

      巻: 34 ページ: 2040023~2040023

    • DOI

      10.1142/S0217984920400230

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Local structural changes in Ce1-xLnxO2-δ (Ln=La, Gd) solid electrolytes2020

    • 著者名/発表者名
      Liu Xue、Minato Runosuke、Otani Yasumasa、Hatai Kengo、Murai Kei-ichiro、Mori Masashi、Yoshinari Atsushi、Miyano Munehiko、Sakaki Atsushi、Moriga Toshihiro
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 347 ページ: 115213~115213

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2019.115213

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Superior electrochemical performance of a novel LiFePO4/C/CNTs composite for aqueous rechargeable lithium-ion batteries2020

    • 著者名/発表者名
      Duan Wenyuan、Zhao Mingshu、Mizuta Yusuke、Li Yanlin、Xu Tong、Wang Fei、Moriga Toshihiro、Song Xiaoping
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 22 ページ: 1953~1962

    • DOI

      10.1039/C9CP06042A

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Synthesis and evaluation of the SERS effect of Fe3O4?Ag Janus composite materials for separable, highly sensitive substrates2019

    • 著者名/発表者名
      Li Yanlin、Yang Sen、Lu Xuegang、Duan Wenyuan、Moriga Toshihiro
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 9 ページ: 2877~2884

    • DOI

      10.1039/c8ra09569h

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 白色LED用Ca1.4Ba0.6Si5O3N6:Eu2+蛍光体の合成および発光特性2020

    • 著者名/発表者名
      服部彩香、板東優乃、福村耕平、村井啓一郎、森賀俊広
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2020年年会(明治大学)
  • [学会発表] Optimization of Cation Composition and Ta-doping Effect on Charge-Discharge Behavior in Rock-salt Type Lithium Titanium Oxynitride Anode Material2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Shizukawa, Yusuke Mizuta, Yunoka Fukuda, Jung-Ting Sun, Kui Hu、Kei-ichiro Murai and Toshihiro Moriga
    • 学会等名
      3rd Biennial International Conference on Recent Trends in Image Prodessing and Pattern Recognition (Aurangabad, India)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Synthesis and Photocatalytic Properties of Tantalum Nitride with an Inverse Opal Structure2019

    • 著者名/発表者名
      T. Moriga, A. Fujisaka, N. Hirayama, Y. Furukawa, L. P. Richardo, K. I. Murai, W. T. Chen, and G. I. N. Waterhouse
    • 学会等名
      236th ECS Meeting (Atlanta)
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimization of Cation Composition on Charge-Discharge Behavior in Rock-salt Type Lithium Titanium Oxynitride Anode Material2019

    • 著者名/発表者名
      K. Shizukawa, R. Takahara, J. T. Sun, Y. Mizuta, K. I. Murai, and T. Moriga
    • 学会等名
      236th ECS Meeting (Atlanta)
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis and Photoluminescence Properties of Novel BaSi4O6N2:Eu2+ Phosphor for White LEDs2019

    • 著者名/発表者名
      Kohei Fukumura, Koki Shibai, Shao-Ju Shih, Kei-ichiro Murai and Toshihiro Moriga
    • 学会等名
      236th ECS Meeting (Atlanta)
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication and Characterization of Tantalum (oxy)nitride Photonic Crystals with Visible-light Photocatalytic Activity2019

    • 著者名/発表者名
      Ai Fujisaka, Natsumi Hirayama, Lewi Peter Rochardo, Kei-ichiro Murai, Toshihiro Moriga and Geoffrey I N Waterhouse
    • 学会等名
      The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (Okinawa)
    • 国際学会
  • [学会発表] Relationship between Particle Size of PMMA Spheres and Photonic Band Gaps (PBGs) of PMMA, Tantalum Oxides and Oxynitrides Photonic Crystals2019

    • 著者名/発表者名
      Lewi Peter Richardo, Fujisaka Ai, Hirayama Natsumi, Murai Kei-ichiro, Moriga Toshihiro, and G.I.N. Waterhouse
    • 学会等名
      International Symposium on Novel and Sustainable Technology (Tainan)
    • 国際学会
  • [図書] 枯渇資源と技術開発, --- 徳島大学における分野融合型枯渇資源対応技術の開発 ---2020

    • 著者名/発表者名
      杉山 茂, 森賀 俊広, 加藤 雅裕, 村井 啓一郎, 堀河 俊英, 霜田 直宏, 古部 昭広, 柳谷 伸一郎, 小笠原 正道, 山本 孝, 中村 嘉利, 浅田 元子, 佐々木 千鶴, 田中 秀治, 竹内 政樹, 竹谷 豊, 奥村 仙示, 増田 真志, 岡本 敏弘
    • 総ページ数
      88
    • 出版者
      徳島大学産業院出版部

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公開日: 2021-01-27   更新日: 2022-08-22  

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