大阪大学産業科学研究所の後藤知代助教、大学院生の近藤吉史さん(当時、工学研究科博士前期課程)、関野徹教授らの研究グループは、ユニークな海苔様シート構造をもつ層状チタン酸ナトリウムの合成に成功しました。

多層構造をもつ層状チタン酸ナトリウムは、水中に存在する多様な重金属や放射性物質を内部に取り込み除去することが可能であり、水をきれいにする除去材として使用されています。その主な除去の反応機構は結晶構造中のナトリウムイオンと水中の重金属や放射性物質の陽イオンとのイオン交換反応と考えられています。

今回、後藤助教らの研究グループは、簡便な水熱合成法 によりナノサイズの繊維状結晶(ナノファイバー)からなるシート構造の層状チタン酸ナトリウムを合成し、水中に含まれるコバルトイオンに対し高い除去特性を持つことを明らかにしました （図1） 。

この成果により、本材料は水をきれいにする重金属・放射性物質除去材への応用が期待されます。

本研究成果は、英国王立化学会誌「RSC Advances」に、2020年11月11日(水)に公開されました。

図1　ナノサイズ海苔様シート状の層状チタン酸ナトリウム吸着材

層状チタン酸ナトリウムは、結晶層間に存在するナトリウムイオンが水中の陽イオンとイオン交換することが可能であり、この反応機構を利用して水中の重金属・放射性物質の除去材や電池材料への応用が進められています。これまで、層状チタン酸ナトリウムのイオン交換反応機構は多くの研究が報告されています。しかしながら、水中より除去する陽イオンの層状チタン酸ナトリウムへの詳細な収着 機構や、何種類も存在する層状チタン酸ナトリウムの結晶構造や材料の形態のうち、どのようなものが特性にとって最適なのかなど、未解明の部分もあり研究が進められている材料です。

後藤助教らの研究グループは、強アルカリ水溶液を用いた水熱合成法を用いて、通常用いられる添加剤や界面活性剤を一切加えない単純な合成条件により、層状チタン酸ナトリウムナノファイバーが複雑に「海苔」のように絡み合ったシート構造体の合成に成功しました （図2） 。

この海苔のようなシート構造により、一枚のシート結晶の場合と比べて表面積が高くなり、イオン交換の反応量が増加すると考えられます。

さらに、重金属のモデル物質としてコバルトイオンを選択し、水中のコバルトイオンの層状チタン酸ナトリウムによる除去試験を行いました。その結果、この海苔様シート構造をもつ層状チタン酸ナトリウムは高い除去特性(最大収着量)を示すことを明らかにしました。従来よく研究されている三チタン酸ナトリウム(市販試薬)と比較して、今回合成した層状チタン酸ナトリウムは二チタン酸ナトリウム構造をもつと考えられ、水中の水素イオン(ヒドロニウムイオン)の取込みが少ないため材料表面へのコバルトの化合物の析出反応を抑えつつ、イオン交換反応によりコバルトイオンを除去できることを明らかにしました （図3） 。

図2　層状チタン酸ナトリウムのナノサイズの繊維状結晶からなるシート構造

図3　合成した層状チタン酸ナトリウムと比較試料(市販試薬)のコバルトイオンの収着試験。(a)コバルトイオンに対する収着等温曲線(SST: 合成層状チタン酸ナトリウム、TC:市販試薬)、(b)収着試験後の層状チタン酸ナトリウム表面と(c)市販試薬の表面電子顕微鏡像。合成した層状チタン酸ナトリウムは表面に析出は見られない一方、市販試薬表面はコバルトの水酸化物の析出により覆われている

本研究成果は、水中の陽イオンの取り込み反応において、層状チタン酸ナトリウムの結晶構造と材料構造設計が、陽イオンの収着機構に影響するとともに除去特性の向上に重要であることを示しました。本研究で合成した層状チタン酸ナトリウムは、重金属・放射性物質除去材への応用が期待できるとともに、イオン交換反応を利用した電池材料などへの展開も期待されます。

本研究成果は、2020年11月11日(水)に英国王立化学会誌「RSC Advances」(オンライン)に掲載されました。

タイトル: "Sorption capacity of seaweed-like sodium titanate mats for Co ²⁺ removal"
著者名: Yoshifumi Kondo, Tomoyo Goto, and Tohru Sekino
DOI: 10.1039/D0RA06662A

なお本研究は、公益財団法人木下記念事業団(大阪大学自然科学系基礎的分野の研究に対する助成事業)、独立行政法人日本学術振興会(JSPS)の「科研費基盤研究S(15H05715)」、文部科学省(MEXT)の「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス」の一部として行われました。