【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.19】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24HK0088

利用課題名 / Title

炭素系素材の表面処理による吸着・触媒特性の変化

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学 / Hokkaido Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

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）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（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

触媒材料, カーボン系材料, X線光電子分光,ナノカーボン/ Nano carbon,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,ナノ多孔体/ Nanoporuous material,電子分光/ Electron spectroscopy

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)

髙田 知哉

所属名 / Affiliation

公立千歳科学技術大学　理工学部　応用化学生物学科

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

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

鈴木啓太,吉田すずか

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution

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

HK-201：X線光電子分光装置

報告書データ / Report

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

高度に規定された表面細孔構造をもつ多孔質炭素材料は、大きな比表面積や特有の表面化学構造を有しており、吸着材料や触媒材料として積極的に研究されている物質である。多孔質炭素の表面をシランカップリングや酸化還元反応によって化学的に処理することで、吸着材料・触媒材料としての活性、選択性を向上させることができる。利用者らのグループでは、水中の有機汚染物質の回収・分解をするための炭素系材料の創製に取り組んでおり、その一環として表面処理を行った材料の元素分析・化学構造解析を行う必要がある。本課題では、異なる官能基を有するシランカップリング剤で表面修飾した多孔質炭素と、オゾン処理および減圧加熱により酸化・還元した多孔質炭素の表面分析をX線光電子分光測定（XPS）により行い、有機物質の吸着・触媒分解特性との関連を調べた。

実験 / Experimental

試料として、表面細孔径10 nmの多孔質炭素を用いた。多孔質炭素のシランカップリング処理は、アミノ基またはスルホン酸基を有するトリアルコキシシランをエタノール中で多孔質炭素と反応させて行った。また、酸化還元処理は、UVによるオゾン発生を利用した酸化または管状炉を用いた加熱による還元により行った。処理後の多孔質炭素の表面分析をXPSで行い、表面の元素組成および化学結合状態を調べた。これらを用いて、水溶液中の有機色素（ローダミンB、エオシンY）の吸着および触媒分解を観察し、表面処理の効果を評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

(1) シランカップリング処理の吸着選択性への効果
アミノ基（塩酸塩）およびスルホン酸基で修飾した多孔質炭素のXPS測定より、想定していた通りの表面修飾が進行していることが確認できた。これらを用いて有機色素の吸着を観察したところ、未修飾の多孔質炭素と比較して吸着の選択性が向上することが見出された。プロトン化したアミノ基で修飾した場合はエオシンY、スルホン酸基で修飾した場合はローダミンBの吸着が優勢となることから、官能基化によって色素との静電的相互作用の影響が強くなり、選択性が向上するものと考えられる。
(2) 酸化・還元による触媒活性の変化
オゾン処理及び加熱処理によって表面を酸化・還元した多孔質炭素を用い、過硫酸イオン存在下でのローダミンBの触媒分解反応を観察したところ、表面を酸化した場合には未処理の多孔質炭素からみて触媒活性が低下した一方、還元した場合は触媒活性が向上した。XPS測定および酸塩基滴定の結果から、酸化還元処理においては特にカルボキシ基の増減が顕著である（酸化により増加し、還元によってほぼ無くなる）のに対し、カルボニル基は還元後にも残存することが見出された。過硫酸イオンとの反応で反応活性種を生じる触媒反応サイトはカルボニル基であり、カルボキシ基が過剰な条件では過硫酸イオンとの静電的な反発によって反応活性種の生成が抑制されると結論した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

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

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.

1. Ryusuke Urushidate, Shuhei Shimoda, Keita Suzuki, Atsushi Fukuoka, Ken-ichi Shimizu, Tomoya Takada, "Decomposition of organic dye via persulfate activation on porous carbon surface and the effects of surface oxidation/reduction treatments", KJF-ICOMEP2024, 令和６年８月３１日
2. 漆舘琉介，下田周平，鈴木啓太，福岡淳，清水研一，高田知哉，"多孔質炭素表面での過硫酸塩活性化による有機色素の分解メカニズムと表面の酸化・還元処理が及ぼす影響"，第１４回CSJ化学フェスタ，令和６年１０月２４日
3. 浅野琴美，下田周平，鈴木啓太，福岡淳，高田知哉，"表面修飾した多孔質炭素表面へのアニオン性・カチオン性色素の吸着特性"，化学系学協会北海道支部2025年冬季研究発表会，令和７年１月２２日
4. 田口詩乃，下田周平，鈴木啓太，清水研一，高田知哉，"多孔質炭素触媒層での過硫酸塩活性化による有機色素分解"，化学系学協会北海道支部2025年冬季研究発表会，令和７年１月２２日
5. 田中類維，下田周平，鈴木啓太，福岡淳，高田知哉，"アミノシラン修飾多孔質炭素表面でのNO3-の吸脱着"，化学系学協会北海道支部2025年冬季研究発表会，令和７年１月２２日
6. 原侑史，下田周平，鈴木啓太，清水研一，高田知哉，"紫外線照射したグラファイト状窒化炭素による有機色素の光触媒分解"，化学系学協会北海道支部2025年冬季研究発表会，令和７年１月２２日

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