新しい形態の Sn3O4 多形体の探索: 合成と分析

充填度やガス組成などの反応条件を調整することは、得られる水熱合成によって得られる製品に大きな影響を与える可能性があります。 これは、水熱反応炉内の条件を最適化することによって、従来の単斜晶相の代わりに、報告されていないSn3O4の斜方晶系多形を合成した東工大の新しい研究で明確に示された。 斜方晶系Sn3O4は従来のものよりもバンドギャップが狭いため、可視光活性光触媒として有用です。

スズ酸化物 (SnxOy) は、その多用途な性質により、多くの現代技術で使用されています。 スズの多価酸化状態（Sn2+ および Sn4+）は、酸化スズに導電性、光触媒作用、およびさまざまな機能特性を与えます。 酸化スズを光触媒として応用するには、広範囲の太陽エネルギーを利用するために、可視光吸収のための狭いバンドギャップが不可欠です。 したがって、新しいSnxOyの発見は、水の分解やCO2削減など、環境的に重要な多くの光触媒反応の効率を向上させるのに役立つ可能性があります。 新しい安定した SnxOy については理論的および計算による予測が数多くありますが、その予測を現実にするための実験研究の必要性が依然として残っています。

これを行動喚起として、東京工業大学、防衛大学校、三菱マテリアル株式会社の研究者らは、新しい酸化スズを設計した。 Y. Liu 氏らは、Angewandte Chemie International Edition に掲載された最近の画期的な成果で、 は、これまで報告されていなかった斜方晶系結晶構造を持つ Sn3O4 多形体の合成につながる、新しい最適化された水熱合成アプローチを発表しました。 本研究は、東京工業大学オープンイノベーションプラットフォームの支援を受け、三菱マテリアルサステナビリティ・イノベーション連携研究クラスターにおいて実施されました。

プロジェクトリーダーの宮内教授は、「私たちの研究の目的は2つありました。1つは新しい酸化スズの多形体を合成すること、もう1つはそれを可視光感受性光触媒に応用することです。」と研究の原動力を説明します。 」

研究チームは、Sn3O4を調製するために同じ出発原料を使用して複数の熱水反応器を設置した。 最初のシリーズの 1 セットでは、100 ml テフロンライナーの 20、40、60、および 80% を充填することによって、前駆体溶液の充填度を変更しました。 2 番目のシリーズでは、充填度を 20% に一定に保ち、テフロン ライナーにそれぞれ周囲空気、純酸素、純窒素を充填しました。

次にチームは、形成された生成物に対してリートベルト解析、X 線分光法、および第一原理計算を実行しました。 分析の結果、新しい Sn3O4 多形体が Sn(II)2Sn(IV)O4 の化学式を持つことが示されました。 その X 線回折パターンはこれまで報告されたことがなく、経験的および計算的解析に基づいて斜方晶系結晶相に割り当てられています。 ガス組成と充填度の調整に関する比較研究により、斜方晶系多形は充填度が高い場合、または導入されたガスが不活性で酸素が少ない場合にのみ形成されることが示されました。 したがってチームは、酸素源に注意を払うことがより正確な水熱合成の鍵となる可能性があると示唆した。

この研究で報告された新しい斜方晶系 Sn3O4 多形体は、従来の単斜晶系 Sn3O4 よりもバンドギャップが小さく、可視光の吸収効率が高いことを示しています。 さらに、斜方晶系多形の伝導帯は、CO2 還元反応を促進するのに十分に高いです。

水熱法は材料合成に広く使用されている方法です。 この研究により、水熱合成において無視されがちなパラメーターが結晶構造に大きく影響を与えることがわかりました。 この発見は、多数の新しい酸化物材料の発見に有益です。

参照

1 東京工業大学物質理工学院物質理工学系

2 独立行政法人物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点

3 物質・材料研究機構 SPring-8 放射光 X 線ステーション

4 国立研究開発法人物質・材料研究機構先端材料解析研究拠点

5 物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点

6 三菱マテリアル株式会社イノベーションセンター

7 防衛大学校物質理工学科