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2021 年度 実績報告書

超空間デザイン無機結晶の固液界面でのイオン交換挙動の理解と応用

公募研究

研究領域水圏機能材料:環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成
研究課題/領域番号 20H05214
研究機関信州大学

研究代表者

手嶋 勝弥  信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00402131)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
キーワードフラックス法 / 表界面・層間制御 / 結晶成長 / 元素配列・置換 / 吸着・イオン交換
研究実績の概要

本研究は次の2つの課題から成る。(1)結晶/水の異相(固液)界面でのイオンや水分子の動的挙動観察・分析,イオン交換メカニズムの解明,ならびに超高性能を実現する無機イ
オン交換体のマテリアルデザイン,(2)最適化した無機イオン交換体結晶のフラックス創製と最適化による超高性能の実現
令和3年度は,上述の課題(2)に注力し,超高性能を実現する無機イオン交換体結晶の創製に努めた。具体的には,課題(2)の結果を課題(1)にフィードバックするサイクルを繰り返し,最適なマテリアルデザインを以下の通り具現化した。
特に,層状複水酸化物(LDH)結晶をベースマテリアルに選定し,LDHホスト層の構成ユニットの組成比(2価・3価の元素比率)を制御することで,陰イオン交換性能を向上できる可能性を見いだした。NiCo系LDHの場合,NiとCoの組成比を連続的に変化させて,その局所構造を解析すると,特定領域のCo:Ni比でNi周りの原子配列の対称性が最大となった。また,Co比率が特に高い組成では,Co周りの原子配列が大きく変化した。その結果,3価イオン同士が離れて配置することで,高い吸着容量を発現することを明らかにした。つまり,3価の金属イオン同士の平均距離と陰イオン交換性能に相関性があると言える。
これらの相関性に関し,イオン交換反応時の層間水の状態を水晶振動子(QCM-D)法によりその場観察することに成功した。特に,共振する水晶振動子の振動数変化から重量変化を計測するとともに,振動子と層間のエネルギー散逸から粘弾性変化を計測することで,陰イオン吸着反応に伴うLDHの水和挙動を明らかにできた。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (17件) (うち招待講演 6件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Graphitic Carbon Nitride Nanoflakes Decorated on Multielement-Doped Carbon as Photocatalysts for Bacterial Disinfection under Visible and Near-Infrared Light2022

    • 著者名/発表者名
      Tipplook Mongkol、Panomsuwan Gasidit、Sudare Tomohito、Teshima Katsuya
    • 雑誌名

      ACS Applied Nano Materials

      巻: 5 ページ: 3422~3433

    • DOI

      10.1021/acsanm.1c03980

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] SDGs水問題解決に資する結晶材料・結晶育成技術 ~信大クリスタル×フラックス法×社会実装~2021

    • 著者名/発表者名
      手嶋勝弥,林文隆,簾智仁,山田哲也,田中秀樹,寺島千晶,大石修治,是津信行
    • 学会等名
      2021年日本結晶成長学会特別講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Mg-Fe LDHs の面内原子配列の制御と陰イオン吸着2021

    • 著者名/発表者名
      中村友紀,簾智仁,手嶋勝弥
    • 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] Fe(Ⅲ)過剰組成をもつ Ni-Fe LDHs への陰イオン吸着2021

    • 著者名/発表者名
      川口健太,簾智仁,手嶋勝弥
    • 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] 分子動力学法を用いた塩化物系フラックス溶融塩の構造および物性解析2021

    • 著者名/発表者名
      椎葉寛将,古山通久,手嶋勝弥
    • 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] 5配位チタン酸カリウム結晶のフラックス育成と剥離2021

    • 著者名/発表者名
      林文隆,帯刀菜奈子,古井健太,簾智仁,手嶋勝弥
    • 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] 低温トポケミカル反応による層状複水酸化物(LDHs)のカチオン原子配列の制御と硝酸イオン吸着2021

    • 著者名/発表者名
      簾智仁,林文隆,手嶋勝弥
    • 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] フラックス法による機能性単結晶の育成とその応用 ~信大クリスタルが拓くSDGsソリューション~2021

    • 著者名/発表者名
      手嶋勝弥,山田哲也,簾智仁,椎葉寛将,林文隆,柳澤和道,田中秀樹,大石修治,寺島千晶,是津信行
    • 学会等名
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 層状複水酸化物における原子配列の陰イオン吸着容量への影響2021

    • 著者名/発表者名
      簾智仁,手嶋勝弥
    • 学会等名
      第34回日本吸着学会研究発表会
  • [学会発表] フラックス結晶育成法が拓く新技術・新材料 ~信大クリスタル~2021

    • 著者名/発表者名
      手嶋勝弥,山田哲也,簾智仁,林文隆,大石修治,寺島千晶,是津信行
    • 学会等名
      日本結晶成長学会第50回結晶成長国内会議
    • 招待講演
  • [学会発表] フラックス結晶育成研究の“むかし・いま・みらい”~ 信大クリスタルとともに ~2021

    • 著者名/発表者名
      手嶋勝弥
    • 学会等名
      第15回日本フラックス成長研究発表会
    • 招待講演
  • [学会発表] 分子動力学法による塩化物系フラックス溶融塩の高温物性解析2021

    • 著者名/発表者名
      椎葉寛将,手嶋勝弥
    • 学会等名
      第15回日本フラックス成長研究発表会
  • [学会発表] チタン酸塩結晶のフラックス成長のその場観察と支配因子の統計解析2021

    • 著者名/発表者名
      深石航平,林文隆,山田哲也,簾智仁,金子弘昌,手嶋勝弥
    • 学会等名
      第15回日本フラックス成長研究発表会
  • [学会発表] Five-coordinated layered titanate K2Ti2O5 crystal for water resource recovery2021

    • 著者名/発表者名
      Frumitaka Hayashi, Nanako Tatewaki, Maru Kashiwazaki, Tomohito Sudare, Hiromasa Shiiba, Katsuya Teshima
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021
    • 招待講演
  • [学会発表] Engineering cation atomic arrangement in layered hydroxide for nitrate adsorption from water2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohito Sudare, Katsuya Teshima
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021
    • 招待講演
  • [学会発表] The critical role of charge density on nitrate adsorption reaction dynamics in layered double hydroxides ~swelling and de-swelling in interlayer space~2021

    • 著者名/発表者名
      Takuro Yamaguchi, Tomohito Sudare, Fumitaka Hayashi, Katsuya Teshima
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021
  • [学会発表] Flux growth and exfoliation of high entropy layered potassium niobate crystals2021

    • 著者名/発表者名
      Kakeru Umehara, Fumitaka Hayashi, Kazunori Fujisawa, Tomohito Sudare, Chiaki Terashima, Katsuya Teshima
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021
  • [学会発表] Novel synthesis of hybrid graphitic carbon nitride quantum flake and carbon composite as a high-performance catalyst for photoelimination of pollutants2021

    • 著者名/発表者名
      Mongkol Tipplook, Gasidit Panomsuwan, Tomohito Sudare, Katsuya Teshima
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021
  • [備考] 信州大学 手嶋研究室

    • URL

      http://www.kankyo.shinshu-u.ac.jp/~teshimalab/

  • [備考] 信大クリスタル

    • URL

      https://shindaicrystal.com/

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公開日: 2022-12-28  

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