利用報告書 / User's Report | ARIM Japan公式ホームページ_マテリアル先端リサーチインフラ

【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.05.08】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22KT1154

利用課題名 / Title

ナノ結晶及びポリマー等との複合材料の作製と評価

利用した実施機関 / Support Institute

京都大学

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード / Keywords

形状・形態観察,機械計測,導電性,X線回折/X-ray diffraction,3D積層技術/ 3D lamination technology

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

佐川尚

所属名 / Affiliation

京都大学大学院エネルギー科学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

木村考岐

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術相談/Technical Consultation

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

KT-310：X線回折装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

フッ素ドープ酸化スズ（FTO）被覆ガラスを基板としたルチル型の酸化チタンTiO₂ナノロッドアレイを前駆体とし、ナノロッドアレイの導電性向上を目指してTiO₂ナノロッドアレイへのニオブNbドープを、塩化ナトリウムNaCl添加の下、塩酸HCl酸性条件で行い、ナノロッドの構造を維持することが可能なNbドープ量を調べると共に、Nbドープ時の酸性度と塩濃度が、得られるNbドープTiO₂ナノロッドアレイの形状に及ぼす影響を検証した。

実験 / Experimental

FTO被覆ガラス基板上にルチル型のTiO₂ナノロッドアレイを水熱合成法により作製した。その後、NaClを添加したHCl酸性水溶液にTiO₂ナノロッドアレイを浸し、チタニウムテトライソプロポキシドにニオビウムエトキシド加えてオートクレーブ中でNbドープを行った。Nbドープ前後のTiO₂ナノロッドアレイの形状及び結晶相を比較して評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

　Nbドープ前後のTiO₂ナノロッドアレイのSEM観察により、未ドープ（0 mol%）から5 mol％（原料としたチタニウムテトライソプロポキシド/ニオビウムエトキシド混合物におけるNbのTiに対するモル比）までNbドープ量を増やすと、Nbドープ量が3%以上になるとその形状が著しく変わることを確かめた。1 mol％ NbドープTiO₂ナノロッドアレイのEDX測定により求めたNb/Ti元素比と、Fig. 1に示す36度及び63度に観測されるX線回折ピークと既報回折パターン[1]との対比及びXPS測定により観測されるTi 2pとNb 3dのピークから、Nbの導入を確認した。
　HCl酸性水溶液のHCl濃度を3 M − 6 Mで変化させたときに得られたNbドープTiO₂ナノロッドアレイのSEM観察から、酸性度が低いほどTiO₂核生成速度が早まり、ロッド長が長く、ロッドの直径が太くなることがわかった。3 M HCl酸性水溶液中で作製した5 mol% NbドープTiO₂ナノロッドアレイのXRDパターン（Fig. 2）からはルチル相が方位に揃っており、低酸性度下でのNbドープにおいてTiO₂核生成速度が抑えられると同時にNb吸着速度が促進することが推察される。
　HCl酸性水溶液に0 mg mL⁻¹, 0.05 mg mL⁻¹, あるいは0.08 mg mL⁻¹ のNaClを添加して作製した1 mol% NbドープTiO₂ナノロッドアレイのSEM観察から、NaCl濃度が高いほどTiO₂核生成速度が抑制され、ロッド長が短く、ロッドの直径が細くなることがわかった。すなわちNaCl添加量を最適化することにより、ロッドの直径を調整してロッドの配向が揃う（異方性を高める）ように最適化できることがわかった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 XRD patterns of undoped and 1 mol% Nb−doped TiO₂ nanorod arrays.

Fig. 2 XRD patterns of 5 mol% Nb−doped TiO₂ nanorod arrays prepared in 3 M HCl.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

JSPS特別研究員奨励費「配向を制御したナノ構造体薄膜の作製とフレキシブル太陽電池への応用」（木村考岐 JP21J23273）の支援を受けた。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

T. Kimura, K. Hachiya, T. Sagawa, “Morphology control of niobium-doped titanium dioxide nanorod arrays,” 8th International Conference on Sustainable Energy and Environment (SEE 2022), Bangkok, Thailand (hybrid meeting), 7-9 Nov 2022.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件