• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2021 年度 実施状況報告書

溶液合成における透析の精密化による無機酸化物半導体ナノ粒子の光機能化

研究課題

研究課題/領域番号 19K05013
研究機関千葉大学

研究代表者

上川 直文  千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (60282448)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード酸化チタン / 酸化セリウム / 板状粒子 / 自己集積化
研究実績の概要

2021年度は、2020年度の検討に引き続き、チタン酸化物についてコロイド化学的溶液プロセスの「透析」手法の高度化について検討を行った。また、セリウム酸化物については「透析」により調製した原子価制御された酸化セリウムナノ粒子の光との相互作用の検討と共に、「解膠」による二次元的形状異方性を有する酸化セリウム微粒子の合成とその機能の検討を行った。
チタン酸化物系として、塩化チタン(III)のエチレングリコール溶液の第1段階目の透析クエン酸塩の水溶液で行い、第2段階目の透析を脱イオン水で行うことでクエン酸複合化層状チタン酸粒子が得られた。特に、第1段階目の透析の溶媒としてクエン酸水溶液を用いると凝集の強い層状チタン酸ナノ粒子が生成したが、クエン酸アンモニウム水溶液を用いると水に安定に層状チタン酸ナノ粒子が分散したゾルが得られた。さらにこのゾルを95℃以上で加熱すると粒子表面に吸着したクエン酸イオンにより高アスペクト比のアナターゼ型酸化チタン板状ナノ粒子が生成した。この粒子は配向制御薄膜作製などへの応用が期待される。
また、硝酸セリウム水溶液にアンモニア水を添加して得た水酸化セリウムゲルを脱イオン水中で55℃以上で解膠することで広がりが100nm程厚みが5nm程の酸化セリウム板状粒子を得ることが出来た。そして、この酸化セリウム板状微粒子と糖アルコールの一種であるソルビトールの結晶微粒子が規則正しく交互積層した複合構造を形成し、この複合体は構造色を示すことを明らかにした。さらに、水蒸気が酸化セリウム板状粒子間のメソ細孔中に毛管凝縮することで構造色発色状態が大きく変化することも見出した。
このように2021年度は、コロイド化学的プロセスの高度化により高アスペクト比を有する板状形態の酸化物ナノ粒子の合成法を開発するとともにその自己集積能を明らかにすることが出来た。

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

コロイド化学的溶液プロセスである「透析」および「解膠」のプロセスを積極的に使用する溶液合成プロセスのここまでの我々の研究による進化により、酸化チタンおよび酸化セリウムナノ粒子において、その粒径のみならず粒子形態の精密制御を実現することが出来た。具体的には、クエン酸複合化層状チタン酸板状ナノ粒子分散ゾルを本研究で開発した2段階透析法により合成した後、95℃以上の温度でゾルを加熱処理することでクエン酸イオンの粒成長制御の効果により厚さが5nm広がりが100nmから200nm程度のアナターゼ型酸化チタン板状粒子を合成できた。この透析では、透析に用いる溶媒の溶質濃度を精密に制御することで粒子の分散安定性を損ねずに形態制御を可能にした。また、酸化セリウムでは、水酸化セリウムゲルの水中での55℃以上での解膠により粒径が50nmから200nmの板状粒子を得ることが出来た。この水酸化セリウムの解膠ではセリウムイオンの3価から4価への酸化による粒子表面電荷の状態の変化などが分散安定性を生み出すと共に粒成長へ関与する事を見出した。
今回得られた酸化物板状粒子は、分散ゾルへ不揮発性の非イオン性溶質を溶解した後乾燥することで、板状粒子と非イオン性分子の結晶微粒子の交互積層構造を自発的に形成し構造色を発する事を明らかにした。

今後の研究の推進方策

2022年度は、これまでの検討で十分に検討できていなかったコロイド化学的プロセスによる透析および解膠時の物理的環境制御を用い溶液中ナノ粒子生成プロセスの制御について検討する。具体的には、透析を行う際に超音波を照射し膜の細孔の状態に摂動を与えることでイオンの透過性制御を行い遷移金属イオンの加水分解反応の精密な制御を行う。この方法で粒成長過程を速度論的に精緻にコントロールすることで粒径分布と粒子形態に対しても適切な制御を行う。また、透析や解膠過程において酸化物を形成するチタンやセリウムイオンの酸化還元を伴うことから透析における溶媒中の溶存酸素濃度を制御し金属イオンの酸化速度を制御する事での粒成長の制御や酸化物の金属イオンの混合原子化状態制御が可能であるか検討を進める。さらに、得られた粒径や形態の精密制御された酸化物ナノ粒子の新規機能の創成として、酸化物ナノ粒子の粒径形態の均一化によりナノ粒子自己集積化能を制御できるか検討し、自己集積化による高度に規則的な集積構造を形成可能かそしてそれによる光学的機能が創成できるか検討し最終年度として研究を完成させる。

次年度使用額が生じた理由

コロナ禍の影響で、国際学会での発表予定などがキャンセルとなり海外旅費の使用予定が無くなったため当初の予定よりも予算使用額が減少した。このため、研究期間を延長し、繰越金について最終年度として本研究をまとめるために必要な実験データ取得のための機器分析費などとして使用する。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Preparation of flower-like titania particles from lithium titanate hydrate via acid treatment and hydrothermal crystallization2022

    • 著者名/発表者名
      Kimura Yuki、Kojima Takashi、Murofushi Mizuki、Kato Mana、Ujiie Kazuya、Uekawa Naofumi
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 130 ページ: 294~298

    • DOI

      10.2109/jcersj2.21157

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 糖関連分子と無機板状粒子の複合体による自己集積構造形成2022

    • 著者名/発表者名
      上川直文
    • 雑誌名

      セラミックス

      巻: 57 ページ: 21-24

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Low-temperature synthesis of strontium titanate particles with high specific surface area2021

    • 著者名/発表者名
      UJIIE Kazuya、KOJIMA Takashi、OTA Kosuke、HOSOYA Shuhei、UEKAWA Naofumi
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 129 ページ: 683~690

    • DOI

      10.2109/jcersj2.21085

    • 査読あり
  • [学会発表] プルシアンブルーナノ粒子分散ゾルの合成と薄膜化による陽イオン選択的還元反応の検討2021

    • 著者名/発表者名
      上川 直文 ・山田 純・小島 隆
    • 学会等名
      無機マテリアル学会 第142回学術講演会
  • [学会発表] 糖アルコール水溶液での解膠現象を用いたリン酸カルシウムゾルの合成2021

    • 著者名/発表者名
      鳥海 真司・小島 隆・上川 直文
    • 学会等名
      無機マテリアル学会 第142回学術講演会
  • [学会発表] 塩化チタン溶液の透析によるチタン酸化物-カルボン酸複合体の合成と フォトクロミック特性の検討2021

    • 著者名/発表者名
      菊地蓮・稲垣優吾・小島隆・上川直文
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
  • [学会発表] 水酸化ニッケル-糖アルコール複合体ゾルを用いた薄膜の調製とクロミック特性2021

    • 著者名/発表者名
      笹村悠真・小島隆・上川直文
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
  • [学会発表] 亜鉛塩と有機酸混合物の熱分解による ZnO微粒子の粒径形態制御2021

    • 著者名/発表者名
      池田彩音 ・ 山本万梨子 ・ 小島隆 ・ 上川直文
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
  • [学会発表] 解膠および透析過程における溶媒の最適化によるリン酸カルシウムゾルの合成2021

    • 著者名/発表者名
      鳥海 真司・小島 隆・上川 直文
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
  • [学会発表] 塩化チタン溶液の透析によるチタン酸化物-カルボン酸複合体の合成とフォトクロミック特性の検討2021

    • 著者名/発表者名
      菊地蓮・稲垣優吾・小島隆・上川直文
    • 学会等名
      第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
  • [学会発表] 糖アルコールを用いた 水酸化ニッケルゾルの調製と エレクトロクロミック薄膜への応用2021

    • 著者名/発表者名
      笹村 悠真・小島 隆・上川 直文
    • 学会等名
      第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
  • [学会発表] 解膠および透析過程における溶媒の最適化によるリン酸カルシウムゾルの合成2021

    • 著者名/発表者名
      鳥海 真司 ・ 小島 隆 ・ 上川 直文
    • 学会等名
      第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
  • [学会発表] 金属塩-カルボン酸-アンモニウム塩複合体の熱分解による酸化亜鉛微粒子の合成2021

    • 著者名/発表者名
      池田 彩音・小島隆・上川直文
    • 学会等名
      第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
  • [学会発表] 層状複水酸化物薄膜の水溶液処理による 配向ZnO薄膜への変換2021

    • 著者名/発表者名
      瀧本 伊織・川窪 涼・上川 直文・小島 隆
    • 学会等名
      第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
  • [学会発表] グルコン酸修飾層状チタン酸板状粒子と親水性高分子の複合体の膨潤解膠特性2021

    • 著者名/発表者名
      塚本達也,上川直文,小島隆
    • 学会等名
      第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
  • [学会発表] セリウム塩とソルビトールを含有した水溶液の透析により 得たCeO2ゾルの合成と光照射の影響の検討2021

    • 著者名/発表者名
      鈴木 謙之,小島 隆,上川 直文
    • 学会等名
      第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会
  • [学会発表] エチレングリコール溶液中での Zn イオンの加水分解反応によ る ZnO ナノ粒子の合成と蛍光発光特性の検討2021

    • 著者名/発表者名
      上川 直文・ 藤野 辰哉・小島 隆
    • 学会等名
      無機マテリアル学会第143回学術講演会
  • [学会発表] Z n 系層状複水酸化物薄膜のアミン水溶液処理による 配向酸化亜鉛薄膜の作製2021

    • 著者名/発表者名
      瀧本伊織・小島隆・上川直文
    • 学会等名
      無機マテリアル学会第143回学術講演会
  • [学会発表] グルコン 酸修飾 層状 チタン酸 板状粒子 PVA複合 体の水中での 膨 潤 解膠 特性2021

    • 著者名/発表者名
      塚本達也・上川直文・小島隆
    • 学会等名
      無機マテリアル学会第143回学術講演会
  • [学会発表] Preparation of calcium phosphate sol with sorbitol aq. and its application for thin film preparation2021

    • 著者名/発表者名
      Shinji Toriumi, Takashi Kojima, Naofumi Uekawa
    • 学会等名
      Material Research Meeting 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of UV light irradiation and heating for CeO2 sol prepared by dialysis of aqueous solution of Ce nitrate and sorbitol2021

    • 著者名/発表者名
      Noriyuki Suzuki, Takashi Kojima, and Naofumi Uekawa
    • 学会等名
      Material Research Meeting 2021
    • 国際学会
  • [産業財産権] 構造色発現材料およびその製造方法2021

    • 発明者名
      上川直文
    • 権利者名
      上川直文
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願 2021-121319

URL: 

公開日: 2022-12-28  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi