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イオン性前駆体を用いた新規多孔性セラミックスの合成

スピノーダル分解を利用した多孔質ゲルの作製法
Fig. 1 Gelation of the ionic precursors occurs in parallel with spinodal decomposition.

 当研究グループでは、シリカゾル−ゲル系において、「相分離を伴うゾル−ゲル法」を用いて新規機能性材料を作製してきました。この手法を非シリカ系のゾル−ゲル系に応用する際、用いる金属アルコキシドの高い反応性が問題となっていました。多くの金属アルコキシドは高い反応性を持つため、その加水分解、重縮合の過程を制御し、整ったマクロ構造を得ることは困難です。本研究では、金属アルコキシドを用いずに、安定なイオン性前駆体を用いることで、非シリカ系新規多孔性セラミックスの合成に成功しました(Fig.1)。

乾燥ゲルのSEM画像
Fig. 2 SEM images of the dried gels. Morphology in the micrometer range changes depending on the starting composition.
 
熱処理による外観の変化
Fig. 3 Appearance of the gels before and after heat treatment.
 
Table 1 Development of micro-mesopores with increasing heat-treatment temperature
熱処理による細孔の変化

 Fig. 2はイオン性前駆体としてAl Cl3・6H2O を用いて作製したマクロポーラスアルミナゲルのSEM写真です。アルコキシド系と同様に、ゾル−ゲル反応に並行してスピノーダル分解を誘起することで、連続貫通孔を有するゲルを得ることに成功しました。また出発組成を調節することによりマイクロメートル領域の構造(細孔径・細孔容積)を(a)-(h)の様に自在に制御できます。得られたゲルはバルク形状を有しており、熱処理後においても形状は保持されます(Fig. 3)。また、Table 1に示すような大きな比表面積持つため、触媒担体や分離媒体、吸着剤への応用が考えられます。

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Fig. 4 SEM photographs of macroporous YAG (a), calcium phosphate (b), and LiFePO4/Carbon (c) synthesized from ionic precursors.

 本研究の手法では、異なる金属イオンの均一混合が可能となるため、複酸化物の作製にも拡張できます。Fig. 4はこの手法によって作製されたマクロポーラスYttrium Aluminum Garnet (YAG), リン酸カルシウム, LiFePO4/carbon複合体です。中でも、LiFePO4/carbon複合体は、リチウムイオン電池電極材料として応用可能であることが分かっています(Fig. 5)。

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Fig. 5 Charge and discharge curves of the LiFePO4/Carbon composites calcined at different temperatures.
 

 本研究は安定かつ容易な金属塩を前駆体として用いるため、様々な多孔性セラミックスの合成に非常に有用な手法といえます。当研究グループでは、新規機能性材料を作製する手法の一つとしてこの合成法を用いることで、非シリカ系の金属酸化物(アルミナ、酸化鉄)、および複酸化物(YAG, リン酸カルシウム, LiFePO4/Carbon, 亜鉛フェライト)の作製が可能となっています。さらに、熱処理条件を調整することで、多孔構造を有する還元型の酸化物や、金属と炭素との複合体へと拡張されています。このように当研究グループでは、比較的簡便な本手法を用いることで、上述のような多様な多孔性材料の作製に積極的に取り組んでいます。

by Yasuaki Tokudome
George Hasegawa
Yasuki Kido

論文

  1. Yasuaki Tokudome, Koji Fujita, Kazuki Nakanishi, Kiyotaka Miura and Kazuyuki Hirao, Chem. Mater., 19, 3393–3398 (2007).     DOI:10.1021/cm063051p
  2. Yasuaki Tokudome, Koji Fujita, Kazuki Nakanishi, Kazuyoshi Kanamori, Kiyotaka Miura, Kazuyuki Hirao and Teiichi Hanada, J. Ceram. Soc. Japan, 115, 925-928 (2007).     DOI:10.2109/jcersj2.115.925
  3. Koji Fujita, Yasuaki Tokudome, Kazuki Nakanishi, Kiyotaka Miura and Kazuyuki Hirao, J. Non-Cryst. Solids, 354, 659-664 (2008).     DOI:10.1016/j.jnoncrysol.2007.06.091
  4. Yasuaki Tokudome, Kazuki Nakanishi and Teiichi Hanada, J. Ceram. Soc. Japan, 117, 351-355 (2009).     DOI:10.2109/jcersj2.117.351
  5. Yasuaki Tokudome, Kazuki Nakanishi, Kazuyoshi Kanamoria, Koji Fujita, Hirofumi Akamatsu and Teiichi Hanada, J. Colloid Interface Sci., 338, 506-513 (2009).     DOI:10.1016/j.jcis.2009.06.042
  6. Yasuaki Tokudome, Kazuki Nakanishi, Kazuyoshi Kanamoria, Koji Fujita, Hirofumi Akamatsu and Teiichi Hanada, J. Colloid Interface Sci., 352, 303-308 (2010).     DOI:10.1016/j.jcis.2010.08.041
  7. Yasuaki Tokudome, Kazuki Nakanishi, Sho Kosaka, Ayuta Kariya, Hironori Kaji and Teiichi Hanada, Microporous Mesoporous Mater., 132, 538-542 (2010).     DOI:10.1016/j.micromeso.2010.04.005
  8. Yasuaki Tokudome, Akira Miyasaka, Kazuki Nakanishi and Teiichi Hanada, J. Sol-Gel Sci. Technol., 57, 269-278 (2011).     DOI:10.1007/s10971-010-2184-y
  9. George Hasegawa, Yuya Ishihara, Kazuyoshi Kanamori, Kohei Miyazaki, Yuki Yamada, Kazuki Nakanishi and Takeshi Abe, Chem. Mater., 23, 5208-5216 (2011).     DOI:10.1021/cm2021438
  10. Yasuki Kido, Kazuki Nakanishi, Akira Miyasaka, and Kazuyoshi Kanamori, Chem. Mater., 24, 2071-2077 (2012).     DOI:10.1021/cm300495
  11. Yasuki Kido, Kazuki Nakanishi, and Kazuyoshi Kanamori, RSC Adv., 3, 3661-3666 (2013)     DOI:10.1039/C3RA22481C
  12. Yasuki Kido, Kazuki Nakanishi, Nao Okumura, and Kazuyoshi Kanamori, Microporous Mesoporous Mater., 176, 64-70 (2013)..     DOI:10.1016/j.micromeso.2013.03.042

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Last-modified: 2013-01-19 (土) 15:39:52 (3607d)