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チタン酸ナノチューブ/酸化チタンモノリスの階層的細孔構造の活用
- 3. Introduction 多孔性材料 Pore Size 50 nm Micro Porous Meso Porous Macro Porous 数 Å 2 nm 1 µm ゼオライト D. Bougeard, et al., Phys.Chem.Chem.Phys 2007, 9, 226–245. 500 nm A. Imhof et al., Nature, 1997, 389, 30. メソポーラスシリカ P. Falcaro, et al., J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 11, 3838-3846 50 nm ~10 Å マクロポーラスチタニア 分子ふるい 液体輸送特性 反応サイト増加 2
- 4. Introduction 階層的細孔構造 3 Z. Yuan, et al., J. Mater. Chem. Soc., 2006, 16, 663. 両方の細孔由来の特性 粉末 バルク 薄膜 材料形態 Macropores 液体輸送特性 反応サイト増加 Macropores Mesopores Mesopores
- 5. Introduction 階層的細孔構造を有するバルク アモルファス 触媒活性 電気化学特性 磁性 e.g. TiO2, ZrO2SiO2 遷移金属 結晶 Sol-Gel法による 反応制御性〇 ポーラス構造との相性△ 4 チタン酸ナノチューブ(TNTs)P. Feng, et al., J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 994. ポーラス構造との相性〇
- 6. Introduction チタン酸ナノチューブ(TNTs) 5 • チューブ構造 • n型半導体 • カチオン交換能 • 光触媒能 特徴 ： TiO6 Octahedra ： Cation チタン酸ナノシート 固定化触媒 H+, Li+ 貯蔵 Li+バッテリー電極 応用
- 7. ナノ粒子 バルク 他の遷移金属へも応用可能 Obfective 目的 TNTモノリスの階層的細孔構造の応用に向けての特性調査 6 Bavykin, D. V., et al., J. Mater. Chem., 2004, 14, 3370. 2 µm TiO2/NaOHが高い合成条件 TNTが絡み合った µmスケールの凝集体 K. Okada., et al., Chem. Mater., 2015, 27, 1885. TNTで絡み合わせる 任意の形状に成形 ナノコンポジット法
Editor's Notes
- 私たちの身の回りには様々な多孔性材料があります。 こちらのPorou Quartzというアロマオイル徐放剤はこのようなマイクロスケールのポーラス材料であり、この間隙にアロマオイルを閉じ込めて長時間かけて香りを放ちます 観賞用の水槽などによく見られる溶岩石にも多くの孔が存在し、その細孔内に微生物が住み着くことで水質浄化の作用があります
- このように私たちの生活に密着している多孔性材料は、その細孔の大きさで、マクロ孔、メソ孔、マイクロ孔、に分類され、それぞれサイズ由来の特性を持っています。例えば、マクロ孔は液体輸送特性、メソ孔は反応サイトの増加、マイクロ孔は分子ふるいなどの特性をもちます。私が今回注目したのは、マクロ孔とメソ孔が同時に存在する階層的細孔構造であり、マクロ孔・メソ孔両方の特性を有します。また、材料形態として、粉末、薄膜、モノリスなどが挙げられますが、最もハンドリング・回収性がよいモノリスに注目しました。
- このように私たちの生活に密着している多孔性材料は、その細孔の大きさで、マクロ孔、メソ孔、マイクロ孔、に分類され、それぞれサイズ由来の特性を持っています。例えば、マクロ孔は液体輸送特性、メソ孔は反応サイトの増加、マイクロ孔は分子ふるいなどの特性をもちます。私が今回注目したのは、マクロ孔とメソ孔が同時に存在する階層的細孔構造であり、マクロ孔・メソ孔両方の特性を有します。また、材料形態として、粉末、薄膜、モノリスなどが挙げられますが、最もハンドリング・回収性がよいモノリスに注目しました。
- 階層的な細孔構造をもつモノリスは今までに数多く報告がありますが、その多数はシリカによって作製されています。シリカはアモルファスであるためポーラス構造形成しやすく、ゾルゲル法による反応制御性が非常によいことがその理由として挙げられます。 しかし近年、シリカではなく、遷移金属を骨格とする階層的細孔構造の作製が盛んにおこなわれています。結晶性であるためポーラス構造との相性はよくないのですが、遷移金属で階層的細孔構造が構築されれば触媒活性や電気化学特性、磁性などにおける特性向上が見込まれる、という点で非常に有用です。そこで今回私は材料としてチタン酸ナノチューブ、TNTを選択し、階層的細孔構造を構築することにしました。 しかし、結晶性の遷移金属酸化物にすればより特性がUPしさらなる応用が見込まれる その中でTNTを選択した
- TNTは直径5-10 nm、長さ数100 nm、異方的なチューブ構造を持ち、●層間にカチオンを取り込んでいる材料です。このため、高比表面積、カチオン交換能という特性をもっており、他にも、光触媒活性などの特性も示します。応用としては、触媒や水素イオン, リチウムイオン貯蔵、リチウムバッテリー電極などの応用が期待されています。 先行研究では、TiO2/NaOH比が高い合成条件では、TNTが絡み合いµｍスケールの凝集体ができることに着目し、できた凝集体をさらにTNTでつなぎ合わせることによってTNTモノリスを任意の形状で作製することに成功しました。
- また、今回用いた手法は酸化チタンのナノ粒子からモノリスを組み立てるナノビルディングアプローチであり、この手法は他の遷移金属へも応用が可能であると考えられます。そこで今回は、作製した～を行いました。