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微粒子合成化学・講義 E-mail: mura@tagen.tohoku.ac.jp 村松淳司
村松淳司
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単分散粒子合成
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単分散粒子とは サイズ、形態、構造、組成が均一な粒子群 おおむねサイズの標準偏差が１０％以内のものをさす
単分散粒子は上記の性能が均一であるために、それだけで機能性材料となる。なぜならば、全体で平均化されるのではなく、粒子１個１個がもつ特性がそのまま反映されるから。 たとえば、酸化鉄（α-Fe2O3）だと、単分散粒子ではないと、べんがらと呼ばれる真っ赤な塗料だが、サイズが１μm程度で、形態が長いと黄色っぽくなり、平板だと真っ赤になる。
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ゲルーゾル法で合成した単分散粒子 a-Fe2O3 CdS Cu2O 2mm 0.5mm 1mm 10mm
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粒子成長機構
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CeO2粒子生成が発端 1.0x10-3 mol/l Ce(SO4)2 4.0x10-2 mol/l H2SO4 90 ℃
Aは数時間後、B,Cと経時している。 Bでは一次粒子が集まって凝集体を形成しているように見える。
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凝集機構との比較
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凝集機構の問題点 １．成長する粒子に選択的に凝集？ 一次粒子同士、成長する粒子同士の凝 集はなぜないのか？
成長粒子 溶質 １．成長する粒子に選択的に凝集？ 一次粒子同士、成長する粒子同士の凝 集はなぜないのか？ （これらの凝集が起こると、単分散粒子 は得られない） ２．一次粒子の生成は溶質の析出では？ 一次粒子や核が生成する機構は、溶質 の析出であり、成長中一次粒子も生成 しているとすると、その間は、一次粒子 の生成が溶質の析出、粒子成長は凝集 で、と機構が分かれて併発しているとい うことになる。
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希薄系ヘマタイト生成 合成条件 2.0x10-2 mol dm-3 FeCl3 and 4.5x10-4 KH2PO4 at 100 oC
凝集機構の成長モデルを支持する論文多い M. Ocana, M. Morales, and C.J. Serna: J. Colloid Interface Sci. 171 (1995) 85. M. Ocana, R. Rodriguez-Clemente, C.J. Serna: Adv. Mater. 7 (1995) 212.
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生成プロセス 0 hour 8 hours 2 day 4 day 7 day b-FeOOH a-Fe2O3
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ナノ粒子
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ナノ粒子と触媒機能
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粒子径による粒子の分類 微粒子 コロイド分散系 超微粒子 ナノ粒子 光学顕微鏡 電子顕微鏡 1m 10cm 1cm 1mm サブミクロン粒子
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 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 ナノ粒子
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ナノ粒子 10-9 m = 1 nm １０億分の１m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
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粒子径による粒子の分類 微粒子 コロイド分散系 超微粒子 ナノ粒子 光学顕微鏡 電子顕微鏡 100μm 1m 10cm 1cm 10μm
ソフトボール 10cm 硬貨 微粒子 1cm パチンコ玉 10μm 光学顕微鏡 1mm 小麦粉 1μm サブミクロン粒子 コロイド分散系 100μm 10μm 花粉 1μm 100nm タバコの煙 電子顕微鏡 100nm ウィルス 超微粒子 10nm 10nm ナノ粒子 セロハン孔径 1nm 1Å 1nm クラスター
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雲や霧もコロイド粒子 光に反射するから光よりも大きい ～１μｍ 2005/12/9 8:41撮影
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粒子径による粒子の分類 微粒子 コロイド分散系 超微粒子 ナノ粒子 光学顕微鏡 電子顕微鏡 100μm 1m 10cm 1cm 10μm
ソフトボール 10cm 硬貨 微粒子 1cm パチンコ玉 10μm 光学顕微鏡 1mm 小麦粉 1μm サブミクロン粒子 コロイド分散系 100μm 10μm 花粉 1μm 100nm タバコの煙 電子顕微鏡 100nm ウィルス 超微粒子 10nm 10nm ナノ粒子 セロハン孔径 1nm 1Å 1nm クラスター
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ナノ粒子と触媒機能
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触媒 工業触媒 触媒設計 活性、選択性、寿命、作業性 表面制御 バルク制御 金属触媒→金属種、価数、組成、粒径など
担体効果、アンサンブル効果、リガンド効果
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活性 触媒全体の活性は全表面積に依存 活性点１つあたりのturnover frequency 触媒材料全体としての活性
１サイトあたりの表面反応速度 触媒材料全体としての活性 触媒全体の活性は全表面積に依存 しかし、構造に強く依存する場合もある（後述）
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寿命 触媒寿命 同じ活性選択性を持続する 工業的には数ヶ月から１年の寿命が必要 失活 主にシンタリングや触媒物質自身の変化
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選択性 特定の反応速度だけを変化させる COの水素化反応 反応条件にも左右される Cu: CO + 2H2 → CH3OH
Ni: CO + 3H2 → CH4 + H2O Co, Fe: 6CO + 9H2 → C6H6 + 6H2O Rh: 2CO + 2H2 → CH3COOH Rh: 2CO + 4H2 → C2H5OH + H2O 反応条件にも左右される
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酸化状態の制御の例 Mo/SiO2触媒 COの水素化反応→炭化水素、アルコール合成 Mo（金属状態）→低級炭化水素を生成
Mo金属上でCOは解離し、アルコールは生成しない Mo（4+）→低活性で極僅かにメタノールを生成 Mo(4+)上ではCOは非解離吸着し、-CO部分を保持 Mo（金属）とMo（4+）→混合アルコールを生成 解離したCOから炭素鎖を伸ばす-CH2が生成 末端に-COが付加し、水素化されてアルコールに
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サイズ制御 比表面積を大きくし全体の触媒活性を増大 TOF (Turnover Frequency)がサイズに依存 量子効果
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半径が小さくなるほど、比表面積は大きくなる！
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触媒設計 表面情報の正確な把握 精密な表面機能制御 局所構造制御と評価が重要
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触媒の分類 均一系触媒 不均一系触媒 反応物、生成物と同じ相 例： 酢酸合成のロジウム触媒 相が違うもの 例： 固体触媒
例： 酢酸合成のロジウム触媒 液相均一系 触媒も液体 不均一系触媒 相が違うもの 例： 固体触媒 担持触媒、無担持触媒
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担持金属触媒 担体物質上に、触媒金属が担持されている 担体は粉体か、塊状態である 触媒金属 担体
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担持金属触媒 担体 触媒金属 金属酸化物が多い 細孔が発達しているものが多い 機械的強度に優れている 担体上に担持、分散
数nm程度の大きさが理想とされる 実際は5～50nm程度の場合が多い
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担体： 比表面積が大きい
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担体の例： 活性炭 ヤシガラ活性炭 石炭系活性炭 木炭系活性炭
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活性炭
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木炭の表面
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担持金属触媒 担体 触媒金属 金属酸化物が多い 細孔が発達しているものが多い 機械的強度に優れている 担体上に担持、分散
数nm程度の大きさが理想とされる 実際は5～50nm程度の場合が多い
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担持金属触媒調製法
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表面構造と触媒機能
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表面構造と触媒機能
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構造敏感・構造鈍感 構造鈍感 構造敏感 表面積が大きくなる効果のみ現れる 触媒活性は粒径に依存 粒径が小さいほど大きい
粒径が大きいほど大きい ある粒径で最大となる
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構造敏感・構造鈍感
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構造敏感・構造鈍感
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構造敏感・構造鈍感
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構造敏感・構造鈍感
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