単結晶チタニア複合ナノチューブの創製と特性化の研究

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チタニア単独並びに酸化ジルコニウム等との複合酸化物系について、鋳型利用ゾルゲル法によるナノ材料創製及びその形成過程の解明を行った。0.1M LAHC水溶液とACAで修飾したチタンアルコキシドを混合して得られる沈殿及び上澄み液の組成、SAXS、XRD測定により沈殿の結晶性状、分子集合組織の有無などを調べた。また鎖長或いは級数の異なるアミンを活性剤とし、40℃で攪拌して透明な液を得た段階から80℃で反応を開始後ゲル化に至る過程において、組成、SAXS、XRDを測定し、反応前および反応過程における分子集合組織の形状・サイズの変化、結晶の有無並びに結晶性状変化のデータを得た。またSAXSから試料のフラクタル次元を得た。複合酸化物の結晶諸特性は、5%まではアナターゼ構造が支配的であり、他の構造は観察されなかった。これより、複合化は原子レベルで起こっている可能性が高い。また、アルキル鎖のフラクタル次元に及ぼす効果は、長いほど低下することが観測され、表面積の傾向と一致している。このことから、メソポーラスな材料創製には、低いアルキル鎖を有するアミンが有利であるといえる。また、TEM像での格子像より、単結晶か多結晶か、試料全体が結晶なのかアモルファスとの混合なのかを調べ、FE-SEM像より得られた試料の形状・サイズを得た。さらにXRDから結晶の性状を、また、窒素吸着等温線の測定により、試料のミクロ孔及びメソ孔の存在並びに孔径分布を得、複合ナノチューブ材料の構造解析及びキャラクタリゼーションを行った。さらに、得られたナノチューブの光触媒活性並びに、部分酸化触媒活性を測定するとともに、色素増感太陽電池を作成し光電変換機能の評価を行った。単離精製したチタニア複合ナノチューブ試料のアルコール溶液を、フッ素ドープの酸化スズよりなる透明導電膜上にスキージ法により塗布し、乾燥後450℃で30分焼成した。その後、Greatzelらのルテニウム色素N3を吸着によりチタニア膜に導入し、白金を対極として、0.03MI_2を含む0.3Mヨウ化リチウムのアセトニトリル溶液を電解質として擬似太陽光を照射して電圧-電流特性を測定した。特に、開放電圧及びフィルファクターに与える各種元素の影響について物理化学諸特性との比較検討を行った結果、チタニアナノチューブをニオベイト、セリア、ジルコニアなどの混合酸化物とした系では、少量のジルコニアとの複合系で、3.5ミクロンの薄い膜厚で、16mA/cm^2という非常に高い短絡電流密度を得ており、光電変換効率も5%がでていることから、今後の改良により厚膜では日本最高の10%も可能と考えられた。