イオン性ナノ結晶の陽イオン交換における結晶構造変化決定因子を発見～温和な条件での結晶構造制御に向けた新たな知見～

2021-07-162021-10-26

2021-07-16 京都大学

李展召化学研究所博士課程学生、猿山雅亮同特定助教、寺西利治同教授、浅香透名古屋工業大学准教授、立津慶幸名桜大学准教授の研究グループは、イオン性ナノ結晶の陽イオン交換反応中に起こる結晶構造変化が、ナノ結晶の形状に依存することを発見しました。陽イオン交換反応は、イオン性ナノ結晶の元素組成を容易に調整できる方法として注目されていますが、結晶構造の制御は難しいと考えられてきました。

本研究では、16種類の幅と高さをもつ六角柱型の六方晶系Cu_1.8Sナノ結晶をCo²⁺と陽イオン交換を行い、高さが約10 nmを境に、生成物の結晶構造が六方晶系CoSと立方晶系Co₉S₈に分かれることを発見しました。第一原理計算によって、六角柱型の六方晶系CoSは底面よりも側面の表面エネルギーが大きく、高さが大きくなると側面の広い露出を避けようとして安定な立方晶系Co₉S₈へ構造変化することが示唆されました。Co²⁺以外の陽イオンでは異なる傾向が見られ、物質固有の構造安定性がこの現象に重要な役割をもつことも分かりました。これらの知見は、温和な条件で物質中のイオンの配列を制御する技術につながると考えられます。

本研究成果は、2021年7月16日に、国際学術誌「Science」のオンライン版に掲載されました。

図：本研究の概要図