【研究分野】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】17H03450 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゼオライト / 流通合成 / 高速 / 高速合成 / 結晶化 / アルミノシリケート / 合成

【研究成果の概要】

ゼオライトは多孔質アルミノケイ酸塩の総称であり、触媒、イオン交換材、吸着材として幅広く用いられている。通常、工業的に使用されるゼオライトはバッチ式オートクレーブを用い、100～200℃、数時間～数日の水熱処理を経て合成される。本研究では新規に流通合成装置を組み上げ、この合成時間を秒～分のスケールに短縮させることに成功した。

【研究の社会的意義】

本研究における目標の一つは“ゼオライトはSlow Kinetics”であるという常識を覆すことであったが、超高速合成が流通条件で可能であることを示せたと考えている。一般的にゼオライト合成には数時間～数日必要とされるが、ゼオライトの結晶化メカニズムを理解し、それを合理的に制御すればもはや長時間かけてゼオライトを合成する必要はないことを明らかにした。本手法は、耐圧容器を用いたバッチプロセスにより大量合成している現行生産システムを流通合成プロセスへと一変させる可能性を秘めており、工業的価値は極めて高いと考えている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】26709058 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゼオライト / ナノ粒子 / 粉体操作 / 結晶化 / 粉砕 / 結晶性 / 再結晶化 / ナノ材料

【研究成果の概要】

ゼオライトを粉砕・再結晶化させ、得られたナノゼオライトの触媒特性評価を行った。粉砕操作及び再結晶化操作を最適化させ、ゼオライトの平均粒径を30～200nmで自在にサイズをチューニングできる技術を確立させた。特に、粉砕・再結晶化法は申請者のオリジナルの手法であり、これを深化させる試みも行った。さらに、ゼオライトの高耐久化を目的として、合成後の追加処理に着目、ポスト加熱処理によりゼオライトの耐久性を向上させることに成功した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円)

【研究分野】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】26249118 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゼオライト / 水熱合成 / 種結晶添加 / 高速合成 / 種結晶添加法 / 結晶成長 / 水熱合成法 / OSDA / 種結晶 / 触媒 / 材料合成プロセス / ナノ多孔性材料 / 結晶化

【研究成果の概要】

結晶性のミクロ多孔質材料であるゼオライトの合成には、水熱合成法が広く用いられ、得られるゼオライトは触媒、吸着剤、イオン交換剤などとして広く工業的に用いられている。しかしながら、その合成には課題も未だ多く、本研究では、主にゼオライト合成における高コスト原料（有機構造規定剤、Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ　Ａｇｅｎｔ、ＯＳＤＡ）や長時間の合成時間といった、工業化の際に大きな障壁となる各課題について検討を行い、ＯＳＤＡを用いない合成法、より安価なＯＳＤＡを用いた合成法、高速合成法などを開発した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】42,770千円 (直接経費: 32,900千円、間接経費: 9,870千円)

【研究分野】化工物性・移動操作・単位操作

【研究領域課題番号】26630386 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゼオライト / 粉砕 / 再結晶化 / ナノサイズ / 非晶質 / ナノ粒子 / 微細化 / 結晶化

【研究成果の概要】

通常のゼオライトナノ粒子合成法では、合成後大量の上澄み溶液が残ってしまうため、バッチあたりの収率が低下してしまう。一方本研究では、ボールミル粉砕により微細化させた後、（湿式粉砕法と異なり、乾燥工程を省くことができる）、その粉末をドライゲル転換法を応用し、ごくわずかなアルミノシリケート溶液共存下で粉砕により生じた非晶質をゼオライトへと再結晶化できることを明らかにした。アルカリ溶液はごくわずかな酸で中和できる。実質的に見た目は粉末状のままでミクロンサイズのゼオライトをナノサイズ化できることが本研究の特色である。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】25630355 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゼオライト / 結晶化 / 流通合成 / 微細化

【研究成果の概要】

ゼオライトを合成中に粉砕・微細化し、粉砕により生成した非晶質はゼオライト合成原料として再利用させ、結晶化と微細化を同時両立させる。以上より、ボトムアップ法（バッチ式水熱合成法）であるケミカルプロセスのみでは実現し得なかった、安価に大量生産可能な新規ナノゼオライト製造プロセスの実現を目指した研究を行った。その結果、100nm以下の微細A型ゼオライトを安定して合成することに成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】18760503 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サイアロン / 蛍光体 / 窒化 / 固溶 / NMR / XAFS / ゼオライト / プロセス / 希土類 / 発光 / SiAlON / 結晶化

【研究成果の概要】

近年、酸化物にはない高い共有結合性を活かした窒化物蛍光体が注目されている。しかし、窒化物蛍光体と青色LEDからなる白色LEDは高寿命環境低負荷の照明材料として期待されているものの、赤色発光蛍光体(Ca-αSialon:Eu^<2+>,CaSiAlN_3:Eu^<2+>等)の温度特性や発光効率(吸収効率×量子効率)が不十分であるという問題がある。そこで、申請者は各種原子が原子レベルで均一に混合されている"ゼオライト"に着目し、これを出発原料とした発光中心元素の局所周辺環境が制御された窒化物蛍光体の開発を行った。具体的には、サイアロン蛍光体を作製し、その特性評価を行った。その結果、ゼオライトに発光中心元素をイオン交換した原料を窒化すると蛍光体が作製できるが、発光中心元素酸化物(Eu_2O_3)をゼオライトと混合したものは窒化しても蛍光体にならないことが明らかになった。以上のプロセスを核磁気共鳴法やX線吸収法により解析し、発効中心元素がサイアロン結晶に固溶する過程を調査した。また、本研究では高エネルギー放射光X線に着目し、回折データ(61.7keV:Wavelength=0.20A, Q_<max>=25)より実空間のサブナノメータースケール(〜10A)の構造変化を明らかにした。その結果、窒化初期の非晶質のネットワーク構造は小さいリング構造が最終生成物である結晶ほど生成しておらず、窒化とともに秩序化することが明らかになった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】触媒・化学プロセス

【研究領域課題番号】11450309 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゼオライト / 水熱合成法 / ドライゲルコンバージョン法 / 結晶化メカニズム / ナノ粒子 / メソ孔 / 触媒特性 / MFI / MCM22 / メソポーラス / 結晶化 / DGC法 / 粒径制御 / 水熱合成 / シリカライト / 形態制御 / 触媒活性 / 異性体選択性 / 流通合成 / 結晶化過程 / 結晶形態 / ナノ構造

【研究成果の概要】

ゼオライトは一般に水熱合成法により調製されるが,近年乾燥ゲルを水蒸気雰囲気下でゼオライトへと結晶化する手法,ドライゲルコンバージョン法が開発された。本研究では,水熱法でのゼオライトの結晶化過程の解明を行うとともに,新規合成法であるドライゲルコンバージョン法での結晶化過程についても研究を行った。ゼオライトの結晶成長過程では原料各種の原子分子サイズでの挙動はもちろんのこと,ナノスケールレベルの原料種にとくに焦点をあてて研究を進めた。
まず水熱法ではMFI型ゼオライトに注目し,とくに水和ゲル存在下での結晶成長過程では,アルミノケイ酸塩の溶解度が低い条件下では数十nmの大きさのMFI結晶が凝集して1つの粒子を形成していることを明らかにした。またシリカのみで構成されるMFI,シリカライト-1では原料液中の数十nmのアモルファス粒子が固相転移して結晶となる可能性を見出した。
いっぽうドライゲルコンバージョン法では,EMT型ゼオライトの結晶化に注目したところ,数μm原料の乾燥ゲルが結晶化初期段階で一旦数nmの微粒子へと転化してから平板構造のEMTゼオライトへ結晶化が進行することを見出した。
このように合成法によらず,本報告でのゼオライトの結晶化過程ではナノスケールレベルの粒子が重要な役割を果たしている。いっぽうでMFI型ゼオライトからアルカリ処理によってサブナノサイズの構造を取り出し,これを用いてゼオライトの強い酸性質をもつメソポーラス物質の調製にも成功した。
以上,ゼオライトのナノスケールレベルの構造体に注目して結晶化成長過程を明らかにし,またこの構造体を用いて新たな触媒材料の調製への展開までが研究報告である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2002

【配分額】14,800千円 (直接経費: 14,800千円)