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溶液プロセスを用いた水酸基の活性制御による無機機能性材料の構造制御と機能開拓

寄能 大佑 大阪府立大学 DOI:info:doi/10.24729/00017768

2022.07.21

概要

無機材料は現代の生活において欠かすことができない材料であり、その機能をより高めることが求められている。無機材料は元素の組み合わせ、分子構造、ナノ構造・モルフォロジー、バルク体の成型と幅広いサイズスケールで「構造」を制御することが可能であり、各々の構造が材料物性に影響を与えている。そのため無機材料の「構造」を自在に制御し、その構造と特性との相関を解明することができれば、効率的な材料機能の開拓と新しい高機能材料の創製が期待できる。近年は無機材料の物性制御に向けて、有機化学で行われているような無機材料の分子構造を精密に制御する反応プロセスの開拓が溶液プロセスを中心に進められている。無機材料をナノサイズ化し 0 次元のナノ粒子、1 次元のナノチューブ、ナノロッド、2 次元のナノシートといった 3 次元のバルクとは異なるモルフォロジーを形成することで物性の制御を行い、さらにこれらのナノ材料をビルディングブロックとして人工格子の構築やナノメートルスケールの多孔構造の形成なども研究されている。このように様々なアプローチで無機材料の構造と物性の制御を試みる研究が行われているものの、無機材料合成においては、出発原料や構成元素によって反応性が異なることも多く、任意の組成、構造、形状の無機材料を得るための反応プロセスに関しては未解明な部分が多い。

本研究では、溶液プロセスを用いた無機材料合成における反応性を制御するための鍵となるファクターとして、材料中の水酸基に着目した。水酸基は金属水酸化物/酸化物の合成過程において過渡的あるいは生成物の構成成分として出現し、材料の形成にも関与するため、その反応性を制御することができれば得られる材料の分子構造、組成、形状を制御できると考えられる。また水酸基の多寡は得られる材料の化学的反応性、吸着特性、光学特性等にも影響を与えるだけでなく、無機ナノ材料においては表面の割合が増加するため材料の安定性、さらには無機材料をビルディングブロックとしたナノ構造形成においても重要な役割を持つと考えられる。そのため、無機材料の構造と物性の両方を制御する際には、水酸基の活性制御が重要な因子になる。水酸基の活性がその反応性を支配する合成プロセスとして、溶液プロセスの一種であるゾル－ゲル法の利用を検討した。ゾル－ゲル法とは金属アルコキシド/金属塩を出発材料として、加水分解により生成する水酸基の重縮合を経て、金属水酸化物/酸化物を合成するプロセスである。出発原料を均一に反応させることができるため高収率で材料合成が可能であるだけでなく、比較的低温で反応が進行するため有機－無機ハイブリッド材料への展開も可能といった特徴を持つ。ゾル－ゲル法の反応過程で形成した分子中の水酸基の反応性の制御からバルク体中の水酸基にわたるまで、幅広いスケールでの水酸基の活性を調査し、水酸基の活性を能動的に利用する手法を見出すことができれば、分子スケールからマクロスケールの幅広いサイズスケールで、精密で階層的な材料設計の実現が期待できる。

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参考文献

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