負熱膨張材料の安全でクリーンな合成法を開発 ~環境負荷の低減、精密機器の熱制御に適した微粒子化に成功~

2026-06-19 東京科学大学

東京科学大学らの研究グループは、負熱膨張材料(加熱すると収縮する材料)であるペロブスカイト型酸化物BiNi1-xFexO3(BNFO)の新たな合成法「共沈酸化同時プロセス」を開発した。従来法では、前駆体作製時に有害な窒素酸化物(NOx)を発生させる硝酸塩の熱分解や、爆発リスクを伴う酸化剤の使用が必要だった。本研究では、逆共沈法と次亜塩素酸イオンによる同時酸化を組み合わせ、高度に酸化された非晶質前駆体を生成することで、追加の酸化剤を用いずに目的材料を合成することに成功した。さらに、従来より低温・短時間で結晶化できるため粒成長が抑制され、微粒子化も実現した。この微粒子材料は、大きな負熱膨張特性を維持しながら、より広い温度範囲で安定して機能する。研究ではSPring-8を用いた高圧放射光X線回折により、非晶質前駆体から直接ペロブスカイト相が形成される過程も解明した。本手法は負熱膨張材料の安全・低環境負荷な量産化を可能にするだけでなく、高温超伝導体など異常高原子価イオンを含む機能性酸化物の合成にも応用できる可能性がある。

負熱膨張材料の安全でクリーンな合成法を開発 ~環境負荷の低減、精密機器の熱制御に適した微粒子化に成功~
図1. 本研究で開発した共沈酸化同時プロセスの概略。

<関連情報>

高度に酸化された共沈前駆体からの異常に高い原子価のペロブスカイト酸化物の合成 Synthesis of Unusually High Valent Perovskite Oxide from the Highly Oxidized Coprecipitation Precursor

Takumi Nishikubo,Ryan J. Paull,Takatoshi Hirooka,Kana Matsuno,Koki Maebayashi,Jiong Ding,Hidetaka Kasai,Shigeo Mori,Takafumi Yamamoto,Kenneth R. Poeppelmeier,and Masaki Azuma
Journal of the American Chemical Society  Published: June 18, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c04051

Abstract

Perovskite oxides containing cations with unusually high-valent states such as Fe4+, Ni3+, and Cu3+ have attracted significant attention, often requiring a strong oxidizing atmosphere. This study addresses the challenges associated with the conventional precursor preparation for the high-pressure synthesis of BiNi1–xFexO3, a material exhibiting negative thermal expansion (NTE), specifically the need for mixed oxidants and the emission of NOx. We successfully established a modified method for preparing a highly oxidized, amorphous precursor containing Bi5+ and Ni3+ ions, ensuring high elemental dispersion by employing a reverse coprecipitation method with simultaneous oxidation using hypochlorite ions, enabling the synthesis of the target phase without the addition of external oxidizing agents. When subjected to high-pressure and high-temperature treatment, the BiNi1–xFexO3 phase crystallized directly from the amorphous precursor at a relatively low temperature (750 °C) and in a short time of less than 1 min, unlike the crystalline precursor prepared by conventional methods. Furthermore, leveraging the advantage of direct crystallization from the amorphous phase, we demonstrated that reducing the heating duration allows for the fabrication of fine particles, decreasing the size from 15 to 5 μm. These fine particles exhibited NTE over a wider temperature range without any degradation of the volume shrinkage magnitude. This synthetic method provides a safe, pollution-free, and potentially scalable route for BiNi1–xFexO3 fine particles and is expected to be applicable to the synthesis of other oxides containing anomalously high-valent ions.

0500化学一般
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