2018 Fiscal Year Annual Research Report
酸化物系ナノチューブの高次構造チューニングによる物理光化学機能の深化と体系化
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15H05715
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
関野 徹 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (20226658)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清野 智史 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90432517)
佃 諭志 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00451633)
楠瀬 尚史 香川大学, 創造工学部, 教授 (60314423)
林 大和 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60396455)
後藤 知代 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60643682)
趙 成訓 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (50776135)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | ナノ材料 / 酸化物ナノチューブ / 光触媒 / 高次構造機能チューニング / ナノハイブリッド / 表面ナノ構造制御 / 環境エネルギー機能 / 可視光応答化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酸化物半導体ナノチューブ材料を高効率高次環境保全・エネルギー創製など次世代型サステナブルシステムへ適応しうる多機能集積型材料へと変革することを目
的とした研究を進め、下記の成果を得た。
チタニアナノチューブ（TNT）と機能性物質や高分子とのナノ複合化プロセスの探索を更に進め、ポリアニリン系高分子を直接形成した無機・有機ナノハイブリッド材料の創製に成功した。
カーボンナノチューブ（TNT）およびグラフェン（GO）を共存してTNTを合成させることで得られた一次元型CNT/TNTコアシェル型ナノハイブリッド、およびナノサイズ平面型GO/TNTナノハイブリッドについて、可視光領域で光吸収特性を持つこと、結果として光触媒性と分子吸着性が共生することを見いだした。さらに、GO/TNTでは、低濃度のCO分子を室温にてセンシングできることを見いだした。
過酸化水素処理したTNTの構造を放射光等による解析と分光学的な評価を行うことで、価電子帯のエネルギー順位が通常のチタニアに比較して上昇すること、これにより可視光応答光触媒特性が発現することを見いだした。
チタン金属を分散したアルミナセラミックス基複合材料を化学処理と熱処理を併用することにより、表面に低次元なポーラスナノ構造チタニアを均一形成させることに成功した。この結果、バルク表面のごく薄い層により、構造体自体へ光触媒機能を担持できることを示した。さらに派生研究により、電気化学的陽極酸化法を適用することで、バルク構造体に酸化チタン層を形成できること、この結果バルク材料の力学的信頼性の向上も同時に可能であることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では材料創製・構造機能チューニング、および構造解析・機能評価解析検証の２つのフェーズにより研究を推進している。
材料創製プロセスステージでは異種化学結合様式を持つ有機（高分子）材料とのナノレベルハイブリッド構造化を可能とする新たな手法としての光重合報を提案し、合成を実証した。加えて、表面の化学結合・化学修飾により、ごく薄い機能性高分子をナノチューブ表面に均一に形成させることにも成功するなど、低次元のナノ領域のハイブリッド化の指針を得るなど、材料合成と機能検証が順調に進んでいる。
一方、ナノ構造炭素との複合化では、従来加熱が必要なガスセンシングを室温環境下で可能とすることを見いだすなど、当初の予想以上の成果を得たほか、化学的処理により可視光応答化させたTNTのエネルギーバンド構造を実験的に評価すると共に、修飾構造モデルから第1原理計算により推定を行うなど、当初の計画に従って進んでいる。
さらに、環境材料としての実装を視野にしたバルク構造体へのこれら機能性酸化物ナノチューブの形成では、従来の化学プロセスを援用することで、セラミックス表面に均一に多様なナノ構造酸化物を形成できること、これにより光触媒特性を担持できることなどを検証したほか、電気化学的陽極酸化法による酸化物形成を従来導電性を持たないセラミックス基材で同時に実現できるとの知見も得ており、多機能性材料の新たな方向性を示すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度で本研究の計画期間が終了することから、今後はこれまでに得られた多様な性質、特に環境やエネルギー分野への応用を想定した機能の検証に加え、ナノ構造と機能の多彩な相関についてまとめを行う。
有機・無機ナノハイブリッド材料や、バルク型基材表面の低次元酸化物ナノマテリアル形成については、構造形成の機序（適用した表面修飾法が構造に与える機構など）解明を行う。
更に、化学処理によるTNTの機能化、特に可視光応答性機能付与については、構造の精査をラボスケールの分光装置等に加え、放射光施設を利用した測定により検証し、機能発現と構造の相関を明確にすることで材料設計指針を纏める。
以上を総括することで、低次元ナノマテリアルの構造設計指針構築と、機能との関連を明確にすることで、多様な機能が融合し、また様々な応用へ展開できる多機能ナノ材料の創製と機能化に関する方法論を提案する。
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