2016 Fiscal Year Annual Research Report
エアロゾル合成による多孔性配位高分子の形態制御－ナノ材料との複合と薄膜作製－
| Project/Area Number |
16H06128
|
|---|
| Research Institution | Hiroshima University |
|---|
Principal Investigator |
久保 優 広島大学, 工学研究院, 助教 (00633752)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | ナノ材料 / 複合材料・物性 / 自己組織化 / 表面・界面物性 / 触媒・化学プロセス |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では噴霧乾燥を利用した多孔性配位高分子 (MOF) のエアロゾル合成プロセス (ASP) を機能性ナノ材料複合MOFの合成およびMOF薄膜作製の2つの形態制御プロセスへと発展させることを目的としている。平成28年度では機能性ナノ材料複合MOFの合成とMOF薄膜作製装置の設計・製作を行うことを目的とした。
機能性ナノ材料複合MOFの合成では磁性ナノ粒子としてFe3O4ナノ粒子を、MOFにはHKUST-1 (Cu3(BTC)2; BTC3- = 1,3,5-benzenetri- carboxylate)を用い検討した。まず10～30 nmのFe3O4ナノ粒子を合成しHKUST-1の前駆体溶液に加え、ASPによって粒子生成を行った。ASPを行うことで、HKUST-1の多孔質特性を維持したまま、Fe3O4ナノ粒子を高い収率で複合することに成功した。HKUST-1前駆体溶液は銅イオンの水溶液とH3BTCの有機溶液を混合した溶液を用いたが、Fe3O4ナノ粒子を添加する溶液によって、一つの複合粒子内でのFe3O4ナノ粒子の分布を調節できることがわかった。
MOF薄膜作製装置は、グローブボックス内にホットプレート・送液ポンプ・液滴発生器から構成される。液滴発生器からホットプレート上に設置した基板の距離を変更可能であり、また送液速度や噴霧空気流量も変更可能である。MOF薄膜の作製に先立ち、色素溶液を用い、本装置を用いた塗布性能を評価した。具体的には液滴発生部から基板までの距離や、基板加熱温度、送液速度、ガス供給流量、噴霧液滴径等を変更し、噴霧後の色素の被覆面積や色の濃淡を調べた。その結果、均一に被覆できる条件範囲を見出した。事前実験としてHKUST-1前駆体溶液の噴霧を行ったところ、HKUST-1の薄膜の形成が確認された。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度は機能性ナノ粒子複合MOFの合成とMOF薄膜作製装置の設計・製作・評価を行ったが、どちらも計画通り進んでいる。ナノ粒子複合MOFの合成では、ナノ粒子の複合形態について重点的に検討した。従来の機能性ナノ粒子複合MOF合成手法では仕込みの組成よりも少ない量しかナノ粒子がMOF中に複合されなかったのに対し、ASPを用いることでナノ粒子を仕込み組成と等量でMOF中に複合させることができた。複合MOF中のナノ粒子の分布についても検討し、有機配位子が含まれる溶液にナノ粒子を添加すると、ナノ粒子表面に有機配位子が結合し、複合MOF粒子の中心部にナノ粒子が局在することがわかった。一方、銅イオン溶液にナノ粒子を添加すると、複合MOF粒子中にナノ粒子が偏在することがわかった。今後は複合MOFの吸着・触媒などの応用の際にナノ粒子の分布がどのように影響するかを検討する必要がある。
設計・製作したMOF薄膜作製装置の性能評価を行うことで、基板上に均一に溶液が塗布される条件を見出した。また事前実験としてMOF薄膜の作製を試みたところ、基板上でMOFの形成が確認されたため、均一で連続的なMOF薄膜が得られる条件を探索する必要がある。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度では一つのナノ粒子(Fe3O4ナノ粒子)を用いて複合MOFを合成した。しかしASPを用いれば、他の機能性ナノ材料の複合も容易に行えると考えられる。また他のMOFについても検討する必要がある。そこで、今後は他のMOFやナノ材料を用いた複合MOFの合成を行う。さらに複数種類のナノ材料のMOF中への複合も行う。得られた複合MOFに対して、吸着や触媒などの特性評価を行い、複合化による新たな応用について検討する。
またMOF薄膜作製では、製作した薄膜作製装置を用いてMOFの薄膜作製を行い、プロセス操作条件（液滴発生部から基板までの距離や、基板加熱温度、送液速度、ガス供給流量、噴霧液滴径）がMOF薄膜の形成過程に与える影響を評価し、均一で緻密な膜が得られる条件を探索する。
|
