栗崎 敏 准教授
X線光電子分光法を用いたイオン液体中の金属イオンの溶存構造解析
蓄電池は再生可能エネルギーによって生成された電力を有効に利用するための重要なデバイスであり、その進化が求められている。現在、運輸部門における二酸化炭素排出量を削減するために電気自動車やプラグインハイブリッド自動車などの普及が期待されており、そのために電動走行距離を延伸する高性能な蓄電池技術の開発・実用化の研究が活発に行われている。特に、電池デバイスは、正極/電解液/セパレータ/電解液/負極と固液界面が多数存在していることが知られており、材料開発を進めていくうえでも、この固液界面の状態変化について検討を進めていくことが必要不可欠である。そのため、電池反応前後の電極表面の組成分析や電極内の電極材料粒子形状変化・粒子内の結晶構造について電子線回折による検討が進められている。加えて、固液界面での電解液中のLi・Na・Mgへの溶媒の配位構造やSEI（Solid
Electrolyte Interface）生成機構の解明など明らかにされていないことも多い。そのため、理論計算、分光分析や錯体化学を利用した検討が必要不可欠であると考えられる。我々はイオン液体中のリチウムやナトリウムイオンの界面での溶存構造解析を、XPSを用いて行っている。
吸光光度法とDV-ME分子軌道法を組み合わせた溶液中の金属イオンおよび金属錯体の溶存構造解析法の確立
生体関連物質や触媒が関連する反応の多くは、溶液中の金属イオンや金属錯体によって引き起こされている。また、遷移金属錯体の溶存構造とその機能には密接な相関があり、溶液中の金属錯体の構造を明らかにすることは非常に重要である。溶液中の金属錯体の構造は主にX線回折法やX線吸収分光法を用いて行われている。しかし、これらの手法は特別な技術や測定装置などが必要で一般的な分析法とはなっていない。一方、紫外可視分光法は、溶液中の金属錯体の電子状態を明らかにするため広く使用されている汎用的な分析法である。しかし、この分析法では、金属錯体の結合距離や結合角度などの直接的な構造情報を得ることはできない。これまで我々は、全ての配置間相互作用を同時に計算することが可能なDV-ME
法と紫外可視分光法を用いて水溶液中の遷移金属水和錯体の溶存構造を明らかにする研究を行ってきた。これまで、Ti3+水和錯体の理論スペクトルの計算と実測スペクトルの測定を行った。また、理論スペクトルと実測スペクトルを比較するために、得られた実測スペクトルと理論スペクトルの色座標を計算し、色度図を用いて比較することで客観的に一致度合いを評価することが可能となった。また、X線回折法を用いた溶存構造解析では区別できない小さな結合距離の差を我々の方法は区別できることが明らかとなった。
軽元素をドープした可視光応答性酸化チタンの合成と物性評価
近年、酸化チタンの光触媒の能力を活かす為に様々な研究が行われている。しかし、光触媒として機能するために通常使われる光は紫外光のみであり太陽光中に約6
%しか存在していない。そこで、酸化チタンの特性を促進する実験として、窒素・炭素・リンなどの非金属元素や金属元素を酸化チタンにドープさせることが報告されている。非金属元素ドープの場合は、価電子帯（酸素の電子軌道）と伝導帯（チタンの電子軌道）の間の価電子帯の少し上に新しくドープした非金属元素の電子軌道ができてバンドギャップが狭くなる。一方、金属元素ドープの場合は、伝導帯の少し下に新しくドープした金属元素の電子軌道ができてバンドギャップが狭くなる。このようにバンドギャップを狭めることにより、紫外光よりも長波長側の光である可視光を吸収し、光触媒活性が発現できないかと研究が進められている。
我々は塩化チタンとアルコールに溶解する陰イオン性リン化合物を用い、１段階で可視光応答型リンドープ酸化チタンの合成に成功した。本研究では、ドープ量を変えた可視光応答型リンドープ酸化チタンを１段階で合成し、2段階合成法でドープ量を変化させて合成した可視光応答型リンドープ酸化チタンとの違いを、XRD、FT-IR、固体反射スペクトルを測定し、比較を行っている。また、合成した酸化チタンを用いて可視光活性の測定を行い、可視光活性が高いドープ量を検討している。
市川慎太郎 助教
結晶構造を利用した土器の起源推定法の確立
古代の遺跡から発掘される土器は、作製当時の情報を含んでいるため、過去を解き明かす上で重要な手掛かりになります。なかでも、土器の起源 (土器の産地や原料の由来)
推定は、当時の集団活動や移動を考察する指標となります。本研究室では、土器に含まれる鉱物をX線回折法 (X-ray diffractometry;
XRD) で測定し、土器の原料である粘土だけでなく、作製過程で粘土に混ぜられることが多い砂や岩石片といった混和材の起源推定法の確立を進めています。
鉄製遺物の起源推定法の確立
幕末～明治時代初期に製造された佐賀藩の砲弾の起源を推定するために、原料である砂鉄の希土類元素パターンに着目しています。その原料の候補には、当時、この付近で製鉄業
(たたら製鉄) が盛んであった島根県奥出雲の砂鉄が考えられています。そこで、奥出雲地方の各地に所在する砂鉄採集跡地の土壌から砂鉄を取り出し、酸分解後に、希土類元素の含有量を誘導結合プラズマ質量分析法
(Inductively coupled plasma - mass spectrometry; ICP-MS) で測定しています。奥出雲地方の砂鉄の希土類元素パターンがもつ特徴を明らかにし、鉄製遺物の起源推定の基盤構築を目指しています。
福岡大学付近の製鉄関連遺物の分析
九州北部は、日本の製鉄開始時期 (6世紀後半～7世紀前半) に相当する遺跡が多い地域です。福岡大学の所在する油山山麓周辺でも、大牟田古墳群
(南区)、柏原M遺跡 (南区)、重留村下遺跡 (早良区) などの比較的古い時期の製鉄関連遺跡が見つかっています。しかし、時期や様相については未だに不明確な点が多くあります。その一つに、原料の入手先が明らかになっていないことが挙げられます。そこで、各遺跡から採集した製鉄関連遺物
(製鉄滓など) と油山周辺の砂鉄の化学組成や結晶構造を比較し、原料の入手先を推定しています。
