アモルファス前駆体の構造制御に立脚した結晶性ナノ粒子の創出

基于无定形前驱体结构控制的结晶纳米颗粒的创建

• 批准号: 16J09629
• 负责人: 宮本 唯未
• 金额: $ 0.83万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J09629/
• 关键词: マンガン酸化物; ナノ粒子; マンガン酸化物; ナノ粒子

マンガン系複酸化物は、触媒、イオン交換体、電極材料などの様々な応用が可能な有用な材料である。マンガン系複酸化物をナノ粒子化することで、表面での反応の促進やイオンの粒子内拡散長の減少により、高い触媒活性や高速充放電特性等の実現が可能となると期待される。従来、マンガン酸化物は、高温高圧条件での水熱合成法で合成されてきたが、生成物の粒子径制御と結晶構造制御の両立には限界があった。マンガン系スピネル酸化物は、マンガン-酸素ユニット間に狭い空間を有し、マンガン-酸素ユニット間の空間に脱水したカチオンの入った構造を有する。本研究では、有機溶媒中でカチオンの水和状態を制御することで、様々な結晶構造・組成を有するマンガン系複酸化物をナノ粒子として合成可能な手法を確立した。有機溶媒中での合成を可能とするために、マンガン源として有機溶媒に可溶な過マンガン酸塩を用いた。異種金属種存在下、有機溶媒中に溶解させた過マンガン酸塩を温和な還元剤で還元することでアモルファス前駆体を形成させた。さらに、得られたアモルファス前駆体を加熱することで、結晶化させ、生成物を得た。本研究では、有機溶媒中で脱水したカチオンを用いることでスピネル構造の合成が可能であった。さらに、溶媒中に意図的に水を添加することで、層状構造やトンネル構造を有するマンガン系複酸化物の合成も可能であった。得られたマンガン系副酸化物は、きわめて小さなナノ粒子であり、粒子径の大きな酸化物とは異なる特性（高速放電特性、Li+とH+のイオン交換特性、高い触媒活性）を示すことが明らかになった。

基于锰的复合氧化物是有用的材料，可用于各种应用，例如催化剂，离子交换器和电极材料。通过将基于锰的复合氧化物转化为纳米颗粒，可以通过促进表面上的反应并降低粒子内离子的扩散长度，可以实现高催化活性和高速充电和排放特性。从传统上讲，在高温和高压条件下的水热合成中已经合成了锰氧化物，但是控制产品的颗粒尺寸和晶体结构已有限制。基于锰的尖晶石氧化物在锰 - 氧气单元之间具有狭窄的空间，并具有在锰氧单元之间的空间中包含脱水阳离子的结构。在这项研究中，我们建立了一种方法，该方法允许通过控制有机溶剂中阳离子的水分来合成具有各种晶体结构和组成作为纳米颗粒的各种晶体结构和组成的氧化物。为了使有机溶剂合成，将大麻糖酸盐（可溶于有机溶剂）用作锰源。通过在存在带有轻度还原剂的不同金属物种的情况下，在存在有机溶剂中溶解在有机溶剂中的大锰酸盐来形成无定形前体。此外，将所得的无定形前体加热以结晶以获得产物。在这项研究中，可以使用在有机溶剂中脱水的阳离子合成尖晶石结构。此外，通过故意向溶剂添加水，可以合成具有分层或隧道结构的基于锰的多个氧化物。据揭示，获得的基于锰的氧化氧化物是极小的纳米颗粒，并且表现出来自具有较大颗粒大小的氧化物的不同特性（高速放电性能，Li+和H+的离子交换特性以及高催化活性）。