| 研究課題/領域番号 |
20K05074
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
林 文隆 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (20739536)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 層状物質 / ナノシート / 剥離 / フラックス / 選択吸着 |
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| 研究実績の概要 |
環境・エネルギー問題を解決するため、選択的にイオンを吸着する、あるいは伝導させる材料のニーズが高まっている。本研究では、ユニークな結晶構造をもつチタン系酸化物・(酸)硫化物に着目し，そのイオン交換特性・剥離特性・電気伝導特性を評価する。今回、i) フラックス育成したK2Ti2O5(KTO)結晶が酸や塩基を用いずに容易に剥離可能なこと、およびii) 新たな層状構造をもつ硫化チタンリチウム結晶を育成することができることを見出した。
はじめに、KTO結晶を用いて簡便にナノシートを作製できるか検討した。極性の低い溶媒を用いると，剥離の兆候は観察されなかった。一方，水あるいはアセトンに浸漬すると，分散液はチンダル現象を示した。超音波の照射や遠心分離の操作は，大型ナノシートの作製に有効ではなかったが，120度で水熱処理し，上澄み液を回収することで大型ナノシートが得られた。AFM測定から、ナノシートの厚みは3-10nmであった。また、蛍光法によるXANES測定からTiO5骨格の一部は水と反応し、６配位へ変化することが分かった。またDFT計算からKTOおよびK2Ti2O5・H2Oの剥離エネルギーを計算した。６配位のK2Ti4O9の剥離エネルギーに比べておよそ一桁程度低いことを明らかにした。
次に、チタン(酸)硫化物(LTOS)をOとSの比を変えて育成した。Oを添加せずに硫化物(LTS)を育成すると，無機結晶構造データベースのカードデータと一致しない，対称性の高い特徴的なパターンが得られた。このXRDパターンを解析プログラムで指数付けすると，Figure-of-Merit値が21と27の2種類の解が得られ，空間群の候補は斜方晶，C2/m，No. 12であった。XRDの結果やTiの価数を考慮すると，LTSの有力な化学組成はLiTiS2である。LTS組成を決定するとともにイオン伝導特性を評価する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
計画に従い実験を遂行し,育成した5配位型チタン酸カリウムK2Ti2O5単結晶の機能性を評価することができた。また、K2Ti2O5（KTO）以外にも、新たに新物質となる層状硫化チタン酸リチウム(LTS)を合成することができた。前半のKTOに関して、従来強い酸や塩基をもちいる必要があったが、溶媒に水のみという簡便なプロセスでナノシートを作製できることを見出した。また、後半では、ICSDデータベースにのっていない、新たなLTS結晶の合成に成功した。対称性の高いXRDパターンが見られ、層状構造を有している可能性が高い。今後、このイオン伝導特性を評価していく。これらの知見は，電池電極や固体電解質等の設計につながると期待できる。そのため、現在までの進捗状況はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は今回得られた知見を活かして，ナノシート積層体やLTS結晶の電気伝導性等の機能を調べていく。また，さらなる機能化を目指して選択性をしめすハイブリッド膜の作製に取り組む。特に，フラックス法の特徴を活かして，大型酸化物シートをモジュールとし，大型シートをタイリングして本手法ならではのハイブリッド膜を作製する。デバイスとして，これらの機能性材料の性能を評価する。学会等での成果の発信や論文誌への投稿により，本研究で得られた知見をまとめていく
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