ナノ粒子

融合システム研究部門

有機系応用システム研究分野

〜村松研の研究内容〜

ナノ粒子

„ 10 − 9 m = 1 nm

„ １０億分の１ m の世界

„ 原子が数〜十数個集まった素材

„ バルクとは異なる物性が期待される

„ バルク原子数と表面原子数に差がなく、

結合不飽和な原子が多く存在する

粒子径による粒子の分類

ナ ノ 粒 子

1m 10cm

1cm 1mm 100μm

10μm 1μm 100nm 10nm 1nm

1Å

光 学 顕 微 鏡 電 子 顕 微 鏡

ソフトボール 硬貨

パチンコ玉

小麦粉

花粉 タバコの煙

ウィルス

セロハン孔径

100μm

10μm

1μm

1nm 100nm

10nm

微 粒 子 超 微 粒 子 ク ラ ス タ ー

サブミクロン粒子

コ ロ イ ド 分 散 系

よく定義された担体表面へのPtナノ粒子の選択析出→高分散、高担持率のハイブリッド材料

選択析出法による Pt ナノ粒子の合成

これまでの成果

配位子制御 Pt

⁴⁺

Cl

^–

Cl

^–

Cl

^–

Cl

^–

Cl

^–

Cl

^–

出発物質

吸着

担体

Pt

⁴⁺

OH

^–

H₂O

H₂O

OH

^–

OH

^–

OH

^–

強吸着性錯体

0.5〜1.0 nm，20 wt%担持

特徴

・ナノ粒子が凝集することがなく高分散状態を維持

・被服率＝20〜30%→高担持率

・下地との強い化学結合→高安定性

このあと、穏和な条件で還元処理するとPt金属ナノ粒子が生成

加水分解条件制御

（希薄溶液系100℃, 2日）

各吸着サイトでPtナノ粒子生成

還元剤と錯形成 錯体内還元反応

Ni

Zn

²⁺

Ni金属核

吸着

^Zn錯体

Ni Zn B

Ni上でZnが還 元され合金化

NiとBが金属間化合物を形成 するため、アモルファスとなる 磁性を持たない非晶質ナノ粒子

Ni

Zn

²⁺

BH

₄^–

Ni金属上でZn

²⁺

が 還元される

〜Niの触媒効果〜

Ni

²⁺

BH

₄^–

Ni錯体

還元剤

出発Ni錯体の合成

2-プロパノール溶液中

Ni only

Ni only Ni-Zn Ni-Zn

特徴

・磁性を持たない金属ナノ粒子→取扱いの容易さ

・B混在による金属間化合物生成→熱的安定性

・あらゆる金属種の組合せが可能→汎用性

単独では金属まで還元されないZnとNiの合金化

液相還元法による Ni-Zn アモルファス合金ナノ粒子合成

これまでの成果

よく定義されたチタニアナノ粒子上へのNi-Znアモルファス合金ナノ粒子の選択還元析出

選択還元析出法による Ni-Zn/TiO

₂

ナノコンポジット材料の合成 現在進行中

伝導帯

価電子帯

h e

TiO

₂

NiZn

光

新規フォトニクス材料創製の可能性 ゲルーゾル法による

単分散 TiO

₂

ナノ粒子合成

サ イ ズ 、 形 状 、 構 造 、 組 成 の 精密制御

Ni

²⁺

Zn

²⁺

Ni

²⁺

Zn

²⁺

Ni

²⁺

Zn

²⁺

Zn

²⁺

Ni

²⁺

Ni

²⁺

Zn

²⁺

液相還元析出法による NiZn/TiO

₂

ナノコンポジット粒子の作成

錯 体 構 造 制 御 、

還 元 剤 の 選 択

など

レーザアブレーション法によるアナタース型 チタニアナノ薄膜形成と CS

₂

による部分硫化

これまでの成果

アブレーション反応装置

TiO₂ペレット

60°

レーザー SiO₂基板

真空装置 回転ターゲット

CS

₂

硫化処理（ 1000 ℃ , 1 ｈ）

TiO

₂

TiS

₂

2 2.5

3 3.5

4 4.5

5

Energy / eV

T / arb.unit

1000℃

700℃

500℃

300℃

未処理 Su lfu rization

(CS2, 1 h)

Anatase Ru tile

N o n e   Treatme n t 3 00 ℃ 50 0℃

7 00 ℃ 1 00 0 ℃

部分硫化が進むにつ れて、吸収端が可視 光側にシフト

UV-visible 吸収スペクトル

硫化温度によって硫化度が変化する

有機ナノ薄膜上への金属ナノ粒子析出とキャラクタリゼーション 今後の研究計画

液相還元析出法

M

^x+

M

^x+

M

^x+

M

^x+

金属ナノ粒子

レーザアブレーション法

TiO₂

ナノメンブレン

有機ナノ薄膜

伝導帯

価電子帯 h

e

金属ナノ粒子 有機ナノ薄膜

新たな光デバイス？

TiO₂

層

これまでの成果

メソポーラスシリカ MCM-41 の有機‑無機ハイブリッド化

29

Si MAS NMR

特徴

・有機基の多様な機能を無機構造体に付与 → 高機能化

・Grignard試薬を用いることによる適用範囲の広さ → 汎用性

・表面親/疎水性がコントロール可能 → 吸着量の制御

・有機基の大きさの選択が可能 → 細孔径の精密制御

Si

^O

CH 3

Si

Si

O

OH

Si

Si

O

OBu

Si

BuOH

エステル化

MCM-41

Grignard

試薬

CH

₃

MgI

均一な細孔径 広い表面積

現在研究中

メソポーラスシリカ MCM-41 の粒径、細孔径制御

合成時に用いるアルカリ源が変わるだけで 生成物の物性が大きく変化する

NH

₃

NaOH

10 µm 1 µm

用いるアルカリ源により、生成する

MCM-41粒子のサイズは１０倍も違う

→ 粒子径の制御 粒子径への影響

1.0 µm

1 2 3 4 5 6 7 8

2Theta / degree

Intensity / a.u.

NaOH NH₃

(1,0,0) (1,1,0)

(1 0 0)

(1 1 0) (2 0 0)

NH₃ NaOH

細孔径への影響

同じ型剤でもアルカリ源により

メソ細孔径が変化する → 細孔径制御

今後の研究計画

メソポーラスシリカを用いたナノチューブ・ナノロッド材料合成の制御

反応物 の導入

鋳型の 除去 細孔中

の反応

粒子サイズ の制御

細孔径 の制御

反応物導入量の コントロール

表面の制御

生成物形状の コントロール