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無機多孔質材料の新展開


 無機多孔質材料は、細孔径を様々に制御可能であり、耐熱性に優れています。また、有機溶媒、酸、微生物の影響を受けにくいという特性があります。このため無機多孔質材料は、古くから高温域での高選択的な分離膜、触媒、吸着材、などに利用され、現在でも、環境・エネルギー、石油・化学、電子、医療、建築・土木などのあらゆる産業分野において、発展・進化し続けています。
 本調査レポートは無機多孔質材料を中心にその製造方法、構造・特性、細孔構造の評価技術さらには応用技術の最新動向について総合的にまとめたものです。

概要を総括的に解説
特性、構造、用途、多孔質化手法
それぞれの材料の製造方法、構造・特性について解説
酸化物系無機多孔質材料(ゼオライト、セラミックス、ガラスなど)
非酸化物系無機多孔質材料(炭素材料、金属など)
細孔構造の測定・評価技術
様々な機能性材料への応用について紹介
分離材料、吸着・貯蔵材料、触媒、電池部材、センサー、低誘電率材料、
電波吸収体、医療用材料、調湿材料、断熱材、吸音材など

 
    
    □体裁 A4判352ページ
    □価格 本体68,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2014年9月

章 目 次

第1章 無機多孔質材料の概要
第2章 酸化物系無機多孔質材料の製造法、構造・特性
第3章 非酸化物系無機多孔質材料の製造法、構造・特性
第4章 細孔構造の測定・評価技術
第5章 無機多孔質材料の応用技術

詳 細 目 次

第1章 無機多孔質材料の概要 1
 1.1 無機多孔質体とは 1
 1.2 細孔構造と特性 2
 1.3 機能と用途  3
 1.4 多孔質化の概要 4
 引用文献(1章) 5
 
第2章 酸化物系無機多孔質材料の製造法、構造・特性 6
 2.1 多孔質シリカ 6
  2.1.1 シリカゲル 6
  2.1.2 メソポーラスシリカ(メソ多孔性シリカ) 7
   (1) メソポーラスシリカの合成法 7
   (2) メソポーラスシリカの細孔径制御 9
   (3) メソポーラスシリカ薄膜の合成 11
    A. 蒸気浸透合成法による薄膜合成 11
     a. 1次元チャンネル状細孔構造シリカ薄膜の合成 11
     b. 2次元ケージ状細孔構造シリカ薄膜の合成 12
   (4) 配向性メソポーラスシリカ薄膜の合成 14
   (5) 単分散球状メソポーラスシリカ 16
  2.1.3 有機・無機ハイブリッド型メソポーラスシリカ 19
   (1) 表面結合型メソポーラスシリカ 19
   (2) 均一骨格型メソポーラスシリカ 21
   (3) ハイブリッドメソポーラス固体酸触媒 22
    A. Ph-HMMの合成 23
    B. Ph-SO3H HMEの酸特性 24
  2.1.4 スーパーミクロポーラスシリカの無溶媒合成 25
 引用文献(2.1節) 26
 2.2 ゼオライト 27
  2.2.1 ゼオライトの基本 27
   (1) ゼオライトとは 27
   (2) ゼオライトの種類と構造 28
   (3) ゼオライトの機能と応用 30
  2.2.2 ゼオライトの合成 31
   (1) ゼオライト合成の概要 31
   (2) 二次成長法によるゼオライト膜の作製 32
   (3) ゼオライト合成における最近の技術動向 35
    A. エマルジョン法によるナノサイズゼオライト合成 35
    B. ゼオライト特性を細孔壁にもつメソ多孔体の合成 37
    C. 層状ケイ酸塩の構造変換によるゼオライト合成 39
    D. MWW層状前駆体の層間シリル化による大孔径ゼオライトの合成 41
    E. 氷晶テンプレート法による規則配列マクロ孔を有するゼオライト粒子成型体 43
 引用文献(2.2節) 45
 2.3 多孔質セラミックス 46
  2.3.1 アルミナ系多孔体 47
   (1) 金属塩を前駆体とするゾル・ゲル法により作製されたバルク状酸化物多孔体 47
   (2) 高規則性陽極酸化ポーラスアルミナ 49
   (3) 繊維を多孔剤とした細孔配向型多孔質アルミナ 52
   (4) ゲルキャスティングにより作製された多孔質セラミックス 54
   (5) アノード酸化と熱処理により作製されたナノポーラスα-アルミナ膜 55
  2.3.2 酸化チタン系多孔体 58
   (1) ポリスチレン系界面活性剤を利用したマクロポーラス酸化チタン薄膜の作製 59
   (2) バルブ金属・合金の陽極酸化によるポーラス酸化物層の作製 60
   (3) 液相析出法による3次元規則構造多孔質酸化チタンの合成 63
   (4) 二チタン酸マグネシウム(MgTi2O5)多孔体 66
 引用文献(2.3.1〜2.3.2項) 68
  2.3.3 多孔質ガラス 69
   (1) 多孔質ガラスの製法 70
   (2) シラス多孔質ガラス(SPG) 72
   (3) 多孔質構造を幅広く制御した多孔質ガラス 73
   (4) 有機修飾多孔質ガラス(有機・無機ハイブリッド多孔体) 75
  2.3.4 水酸アパタイト多孔体(リン酸カルシウム系多孔体) 77
   (1) 水酸アパタイト(HAp)多孔体の製法 77
    A. 凍結鋳込み法による配向連通HAp多孔体 77
    B. 骨代謝に組み込まれる水酸アパタイト多孔体 79
    C. 細孔径、細孔形状が均一なアパタイト/コラーゲン多孔体 81
 引用文献(2.3.3〜2.3.4項)  84
 
第3章 非酸化物系無機多孔質材料の製造法、構造・特性 85
 3.1 炭素系多孔体 85
  3.1.1 活性炭 85
   (1) 活性炭の構造・特性と製造法 85
   (2)ハロゲン化合物を薬品賦活に用いて製造した多孔質炭素 87
  3.1.2 炭素膜 89
  3.1.3 高分子モノリスから作製された炭素モノリス 91
  3.1.4 構造規則性多孔質炭素 93
   (1) 構造規則性メソポーラスカーボン 93
    A. 無機鋳型法メソポーラスカーボンの合成 93
    B. 有機鋳型法メソポーラスカーボンの合成 94
    C. メソポーラスカーボン薄膜の合成 95
   (2) 構造規則性ミクロポーラスカーボン(ゼオライト鋳型炭素) 96
   (3) 炭素被覆メソ多孔性材料 97
    A. 炭素被覆メソポーラスシリカの合成 97
    B. 炭素被覆AAOの合成 98
  3.1.5 カーボンナノチューブ(CNT) 99
   (1) CNTの合成法 100
    A. プラズマCVD法によるCNT膜の合成 100
    B. SiC表面分解によるCNT膜の合成 101
   (2) カーボンナノリングによるCNTの精密合成 103
 引用文献(3.1節) 105
 3.2 炭化ケイ素・窒化ケイ素系多孔体 106
  3.2.1  炭化ケイ素系多孔体 106
   (1) 二段反応焼結法による超軽量スポンジ構造のSi/SiC多孔体の製造 106
   (2) ナトリウムを利用した炭化ケイ素多孔体の製造 106
   (3) ディーゼルパティキュレートフィルター用炭化ケイ素多孔体 108
  3.2.2 窒化ケイ素多孔体 110
   (1) バイオフィルター用窒化ケイ素多孔体 111
    A. テープ成形法によるマイクロ-マクロ細孔窒化ケイ素多孔体の作製 111
    B. β-Si3N4の種結晶添加によるマイクロ細孔の制御 114
 引用文献(3.2節) 115
 3.3 ポーラス金属 116
  3.3.1 ポーラス金属の作製法の概要 116
  3.3.2 ポーラス金属の作製 116
   (1) 脱合金化ナノポーラス金属 116
   (2) スペーサー法ポーラス金属 119
   (3) PVAバインダーを利用して作製した高気孔率ステンレス多孔体 121
    A. テンプレート法 121
    B. スペースホルダー法(SH法) 121
    C. 発泡法 122
   (4) ポーラス金属ガラス 123
   (5) 陽極化成法により作製されたポーラスシリコン 125
   (6) 一方向気孔を有するポーラス金属(ロータス型ポーラス金属) 126
    A. 鋳型鋳造法 127
    B. 連続帯溶融法 128
    C. 連続鋳造法 129
   (7) 固相接合を利用して作製される高強度ポーラス金属 130
   (8) 板材の繰返し圧延・拡散接合によるポーラス金属の作製 133
    A. ARBプリカーサ法によるポーラスアルミニウムの作製(圧延接合) 133
    B. ADBプリカーサ法によるポーラスマグネシウムの作製(拡散接合) 135
   (9) 中空金属球(MHS)成形体 136
   (10) 方向性細孔を有するポーラスAl-Cu合金の作製  139
   (11) 塩の結晶を細孔形成材に用いたチタン多孔体箔の作製 142
   (12) カルボン酸水溶液中での金のアノード酸化による多孔質皮膜の形成  144
 引用文献(3.3節) 147
 3.4 多孔性金属錯体 148
  3.4.1 多孔性金属錯体とは 148
  3.4.2 多孔性金属錯体の特徴 149
  3.4.3 多孔性金属錯体の合成法 152
   (1) 室温溶液法(自己集積化) 152
    A. 高選択的分子吸着能を示すPCP(CPL-1) 153
    B. 配位モジュレーション法によるPCPのナノ粒子化 155
   (2) ソルボサーマル法(水熱合成法) 156
   (3) マイクロ波照射法、超音波照射法 157
   (4) メカノケミカル合成法(固相合成法) 158
 引用文献(3.4節) 159
 
第4章 細孔構造の測定・評価技術 161
 4.1 吸着と吸着等温線 161
 4.2 吸着量測定法 163
 4.3 比表面積測定法 166
 4.4 細孔径・細孔分布測定法 168
  4.4.1 ガス吸着法 168
   (1) ミクロ孔の解析 168
    A. t -プロット、αs -プロット 168
    B. MP法 170
    C. Horvath-Kawazoe(HK)法ほか 171
   (2) メソ孔解析(毛管凝縮現象を利用する細孔評価) 172
  4.4.2 水銀圧入法 172
  4.4.3 サーモポロメトリー 173
  4.4.4 流動電位測定による細孔径評価 176
  4.4.5 気体透過モデルによる細孔径評価 178
  4.4.6 陽電子寿命分光法 180
   (1) 陽電子寿命分光法の原理 180
   (2) 陽電子寿命の計測法 181
   (3) 空孔測定例 182
  4.4.7 小角X線散乱法 183
   (1) 細孔サイズ(慣性半径)の見積もり(Guinier plotによる解析) 184
   (2) 細孔形状の見積もり(Cross-Section plot法による解析) 185
 引用文献(4章) 186
 
第5章 無機多孔質材料の応用技術 189
 5.1 分離材料への応用 189
  5.1.1 気体分離膜 189
   (1) シリカ分離膜 190
    A. ガス分離特性と分離系への応用 190
   (2) ゼオライト分離膜 192
    A. 各種気体分離系への応用 194
     a. 高温メタノール/水/水素分離 194
     b. バイオガス中のCH4/CO2分離 196
    B. 浸透気化・蒸気透過分離 197
   (3) 炭素分離膜 200
  5.1.2 膜反応器 202
   (1) 膜反応器の分類 202
    A. 膜反応器装置の構造 202
    B. 触媒と膜の位置関係 203
   (2) 膜反応器の合成反応への応用 204
  5.1.3 セラミックフィルター 206
   (1) 自動車排ガス浄化用フィルター 206
    A. 炭化ケイ素-DPF 208
    B. チタン酸アルミニウム-DPF 211
   (2) 高温集じん装置用セラミックフィルター 213
   (3) 液体分離用セラミックフィルター 216
    A. セラミックフィルターの特長と構造・形状 216
    B. 適用例 218
     a. エマルジョンの分離 218
     b. 浄水処理 218
     c. CMPスラリーの処理 219
 引用文献(5.1節) 220
 5.2 吸着・貯蔵材料への応用 221
  5.2.1 水素貯蔵材料 221
   (1) 多孔性材料の水素貯蔵特性の概要 221
   (2) 農業廃棄物からの水素吸蔵多孔質炭素 225
   (3) ゼオライト鋳型炭素による水素貯蔵 228
   (4) 金属坦持による室温付近における水素貯蔵量の向上 230
   (5) ピラー化炭素による水素貯蔵 231
  5.2.2 各種ガス吸着材 233
   (1) VOCの吸着除去 233
   (2) 金属坦持活性炭吸着材を用いたバイオガス中の硫化水素の吸着除去 234
  5.2.3 Zr坦持ゼオライトによるリンの吸着除去 236
  5.2.4 多孔質ガラスによるセシウムのイオン交換除去 239
 引用文献(5.2節) 242
 5.3 触媒・触媒材料への応用 243
  5.3.1 多孔質金を用いた触媒反応 244
  5.3.2 金属ナノ粒子を内包した多孔性中空カーボンの触媒機能 246
  5.3.3 シングルサイトTi種を含有した高次ナノ多孔性シリカ触媒 247
  5.3.4 Ni坦持シリカメソ多孔体触媒によるバイオエタノールの低級オレフィン化 252
  5.3.5 メソポーラスシリカ修飾水中固体酸触媒 255
  5.3.6 金属錯体内包ナノ多孔体の光触媒特性 258
 引用文献(5.3節) 260
 5.4 電池関連材料への応用 261
  5.4.1 電池二重層キャパシタ用電極材料 261
   (1) 多孔質金属材料を用いた高エネルギー密度EDLC 262
   (2) Al多孔体「アルミセルメット」、CNT、イオン液体を用いたEDLC 264
   (3) 高性能キャパシタ用炭素電極材料  267
    A. ゼオライト鋳型炭素電極材料 267
    B. 窒素含有炭素電極材料 269
  5.4.2 リチウムイオン電池用電極材料 270
   (1) シリコンと炭素を複合化したナノ複合負電極 271
   (2) 高エネルギー密度対応黒鉛負極材料 273
   (3) チタン酸リチウム-炭素複合体負極材料 275
   (4) 酸化物系複合負極材(ZnO/Si) 277
   (5) リチウム過剰系固溶体正極材料の電極特性の向上 278
    A. 表面修飾 278
    B. 電気化学的前処理 279
  5.4.3 修飾多孔質ガラス電解質 281
 引用文献(5.4節) 283
 5.5 センサーへの応用 284
  5.5.1 酸化セリウム多孔体を用いたガスセンサー 284
  5.5.2 半導体薄膜とPdを堆積した多孔質アルミナを用いたエチレンセンサー 286
  5.5.3 メソポーラス膜を用いた高性能・長寿命酵素センサー 289
  5.5.4 ニオブ酸カリウム多孔体を用いた応力センサー 291
 引用文献(5.5節) 294
 5.6 医療材料への応用 295
  5.6.1 人工骨 295
   (1) 多孔質セラミックス人工骨について 295
   (2) 配向連通HAp多孔質人工骨 297
   (3) チタン多孔体/緻密体複合椎間スペーサー 298
   (4) β-TCP/コラーゲン複合人工骨の圧縮力学特性に及ぼすコラーゲン
                コーティングの影響 299
   (5) 吸収置換型セラミックス人工骨 302
   (6) 弾力性に優れた生体置換型人工骨 305
   (7) 歯科材料用多孔質ジルコニア-陶材合板の剪断接合強度 306
  5.6.2 免疫隔離デバイス 308
 引用文献(5.6節) 310
 5.7 低誘電材料への応用 311
  5.7.1 多孔質シリカを用いた低誘電率(Low-k)層間絶縁膜 311
  5.7.2 高機械的強度のLow-k絶縁材料「ナノクラスタリングシリカ(NCS)」 314
  5.7.3 多孔質シリカ低誘電率絶縁膜の疎水性の向上と細孔径制御 317
 5.8 電波吸収体への応用 319
  5.8.1 酸化チタン多孔体を用いたW-band電波吸収体 320
  5.8.2 高気孔率と高強度を兼ね備えたフェライト多孔体を用いた電波吸収体 321
  5.8.3 ナノカーボン/セラミックス多孔質複合材料を用いた不燃性軽量電波吸収体 323
 引用文献(5.7、5.8節) 325
 5.9 調湿材料、保水・透水材料への応用 326
  5.9.1 調湿建材 326
   (1) イモゴライト系調湿材料 328
   (2) ハスクレイ系調湿建材 329
  5.9.2 メソポーラスシリカのデシカント除湿への応用 330
  5.9.3 高揚水性材料(細孔配向型セラミックス多孔体) 332
 引用文献(5.9節) 335
 5.10 断熱材への応用 336
  5.10.1 ナノ多孔質シリカ粒子を用いた断熱材 336
  5.10.2 発泡ポリマー-シリカ複合体断熱材 338
  5.10.3 ジルコニア超多孔質断熱材 340
  5.10.4 アルミナ高機能断熱骨材 343
 5.11 吸音材への応用 345
  5.11.1 高性能低周波吸音材 346
  5.11.2 多孔質材で構成したヘルムホルツ型吸音構造の吸音特性 348
  5.11.3 ポーラスコンクリート壁の騒音低減効果に及ぼす空隙率の影響 350
引用文献(5.10、5.11節) 352
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