Ｘ線自由電子レーザーを用いた時分割ナノ材料合成その場観察法の開発

X射线自由电子激光时间分辨纳米材料合成原位观察方法的发展

• 批准号: 21J12479
• 负责人: 藤田 知樹
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12479/
• 关键词: ナノ粒子合成; 放射光その場観察; 解析法の開発

本年度は、ナノ粒子合成の放射光時分割実験とナノ粒子の粉末回折データの解析法の開発を精力的に進めた。超臨界反応場におけるナノ粒子合成の放射光その場観察測定が、大型放射光施設SPring-8の大学院生提案型課題として採択された。獲得したビームタイムでは、液相、気相および超臨界水に対応する9点の温度と圧力の組み合わせにおいて、大きな問題なく合成中のナノ粒子から粉末回折データを測定できた。予備実験の効率化を目的として、測定装置の改良を行った。放射光その場観察実験で測定したナノ粒子の粉末回折データの解析法を開発した。バルク結晶を想定したリートベルト法による解析では、非等方なサイズや構造欠陥を持つナノ粒子の粉末回折データを表現できないことがわかった。本研究では、任意のサイズ・形状・構造欠陥を持つナノ粒子の構造モデルを作成した。デバイの散乱公式によりモデルから計算した粉末回折データを使用して、実験データをフィッティングした。GPUを使用した計算プラットフォームにより、数十万原子のモデルからでも30分程度で粉末回折データを計算できた。銀およびジルコニアナノ粒子の粉末回折データについて、ナノ粒子のサイズ・形状および原子配列を決定した。この解析手法を、放射光その場観察実験で測定した粉末回折データに対して適用した。合成の開始から60分の反応時間におけるジルコニアナノ粒子の構造変化を決定することに成功した。

今年，我们大力开展同步辐射纳米粒子合成时间分辨实验和纳米粒子粉末衍射数据分析方法的研究。超临界反应场中纳米颗粒合成的原位同步辐射观测和测量被选为大型同步辐射设施SPring-8的研究生提案项目。利用获得的光束时间，可以在对应于液相、气相和超临界水的九种温度和压力组合下测量正在合成的纳米粒子的粉末衍射数据，没有重大问题。改进了测量装置，提高了前期实验的效率。我们开发了一种分析原位同步辐射观测实验中测量的纳米颗粒粉末衍射数据的方法。研究发现，假设块状晶体使用 Rietveld 方法进行的分析不能代表具有各向异性尺寸或结构缺陷的纳米颗粒的粉末衍射数据。在这项研究中，我们创建了具有任意尺寸、形状和结构缺陷的纳米粒子的结构模型。使用德拜散射公式从模型计算的粉末衍射数据来拟合实验数据。使用基于 GPU 的计算平台，即使是具有数十万个原子的模型，他们也能够在大约 30 分钟内计算出粉末衍射数据。纳米颗粒的尺寸、形状和原子排列是根据银和氧化锆纳米颗粒的粉末衍射数据确定的。该分析方法适用于原位同步辐射观测实验中测量的粉末衍射数据。我们成功地确定了氧化锆纳米颗粒在合成开始后 60 分钟的反应时间内的结构变化。

项目成果

Critical Length for Lattice Expansion of SnO₂ Nanorods and Nanosheets: Implications for Lithium-Ion Batteries

SnO₂ 纳米棒和纳米片晶格膨胀的临界长度：对锂离子电池的影响

• DOI: 10.1021/acsanm.1c02615
• 发表时间: 2021
• 期刊: ACS Applied Nano Materials
• 影响因子: 5.9
• 作者: Nakamura Ryunosuke;Kasai Hidetaka;Fujita Tomoki;Akamine Hiroshi;Hata Satoshi;Nishibori Eiji
• 通讯作者: Nishibori Eiji

SnO2ナノロッドとナノシートの格子定数のサイズ依存性

SnO2 纳米棒和纳米片晶格参数的尺寸依赖性

• 发表时间: 2021
• 作者: 笠井秀隆;中村隆之介;藤田知樹;赤嶺大志;波多聰;西堀英治
• 通讯作者: 西堀英治