JP2007031189A - Method for peeling layered double hydroxide, double hydroxide nanosheet, composite thin film material thereof, method for producing the same, and method for producing layered double hydroxide thin film material - Google Patents

Method for peeling layered double hydroxide, double hydroxide nanosheet, composite thin film material thereof, method for producing the same, and method for producing layered double hydroxide thin film material Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for easily peeling an LDH having inorganic anions as an intermediate layer, and to provide a double hydroxide nanosheet obtained thereby. <P>SOLUTION: The method for peeling a layered double hydroxide comprises a process where a layered double hydroxide is mixed with an aprotic polar organic solvent. The layered double hydroxide is represented by any of [M<SP>2+</SP><SB>1-x</SB>M<SP>3+</SP><SB>x</SB>(OH)<SB>2</SB>]<SP>x+</SP>[A<SP>n-</SP><SB>x/n</SB>-mH<SB>2</SB>O]<SP>x-</SP>(1), [Li<SP>+</SP><SB>1-x</SB>M<SP>3+</SP><SB>x</SB>(OH)<SB>2</SB>]<SP>(2x-1)+</SP>[A<SP>n-</SP><SB>(2x-1)/n</SB>-mH<SB>2</SB>O]<SP>(2x-1)-</SP>(2), and [M<SP>2+</SP><SB>1-x</SB>Ti<SP>4+</SP><SB>x</SB>(OH)<SB>2</SB>]<SP>2x+</SP>[A<SP>n-</SP><SB>2x/n</SB>-mH<SB>2</SB>O]<SP>2x-</SP>(3), wherein, M<SP>2+</SP>is a bivalent metal ion; M<SP>3+</SP>is a tervalent metal ion; A<SP>n-</SP>is an inorganic anion selected from the group consisting of NO<SB>3</SB><SP>-</SP>,Cl<SP>-</SP>, ClO<SB>3</SB><SP>-</SP>, ClO<SB>4</SB><SP>-</SP>, F<SP>-</SP>, Br<SP>-</SP>, I<SP>-</SP>, CO<SB>3</SB><SP>2-</SP>, SO<SB>4</SB><SP>2-</SP>and their mixture; n is the bivalent of the inorganic anion; m is a real number larger than 0; and x satisfies 0<x<0.5. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、層状複水酸化物(Layered Double Hydroxide;以降では単にLDHと称する。)を剥離する方法、それによって得られた複水酸化物ナノシート、それを用いた複合薄膜材料、その製造方法、および、層状複水酸化物薄膜の製造方法に関する。詳細には、本発明は、無機アニオンからなるLDHを容易に剥離する方法に関する。   The present invention relates to a method for peeling a layered double hydroxide (hereinafter referred to simply as LDH), a double hydroxide nanosheet obtained thereby, a composite thin film material using the same, a method for producing the same, And it is related with the manufacturing method of a layered double hydroxide thin film. Specifically, the present invention relates to a method for easily peeling LDH composed of inorganic anions.

製造技術の進歩に伴い、高品質な単結晶層(またはナノシート)が得られるようになり、新規なナノ材料として注目されている。このようなナノシートを用いた新規なナノデバイスの構築も期待されている。   With the progress of manufacturing technology, high-quality single crystal layers (or nanosheets) can be obtained and are attracting attention as new nanomaterials. Construction of a novel nanodevice using such a nanosheet is also expected.

現在得られているナノシートの多くは、例えば、Ti1-δO2ナノシート、MnO2ナノシートに代表されるように、負電荷を有したアニオン性ナノシートである。 Many of the nanosheets obtained at present are anionic nanosheets having a negative charge, as represented by Ti 1- δO 2 nanosheets and MnO 2 nanosheets, for example.

一方、正電荷を有したカチオン性ナノシートの製造の報告例は少ない。良質なカチオン性ナノシートが得られれば、材料合成における応用性および柔軟性を広げることができ、ナノ材料の選択幅が拡がり得る。   On the other hand, there are few reports on the production of cationic nanosheets having a positive charge. If a good quality cationic nanosheet is obtained, the applicability and flexibility in material synthesis can be expanded, and the selection range of nanomaterials can be expanded.

カチオン性ナノシートの候補材料として、層状複水酸化物(LDH)が注目されている。LDHは、この構造の鉱物の代表であるハイドロタルサイトから名前を取って、ハイドロタルサイトまたはハイドロタルサイト様物質とも通称されることがある。   As a candidate material for the cationic nanosheet, layered double hydroxide (LDH) has attracted attention. LDH is sometimes referred to as hydrotalcite or a hydrotalcite-like substance, taking the name from hydrotalcite, which is a representative of this structure of minerals.

LDHからカチオン性ナノシートを合成する技術がある(例えば、非特許文献1および特許文献1を参照。)。
非特許文献1および特許文献1は、アミノ酸を層間に含有するLDHをホルムアミドに分散させることによって、複水酸化物ナノシートを得ることを開示している。非特許文献1および特許文献1において、LDHとは、一般式(1)で表される。
[M2+ 1-x3+ x(OH)2][An- x/n・mH2O]…(1)
ここで、M2+は2価金属イオン、M3+は3価金属イオン、An-は層間陰イオン、mは有理数、nは整数、xは1を超えない有理数である。
There is a technique for synthesizing cationic nanosheets from LDH (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).
Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 disclose obtaining double hydroxide nanosheets by dispersing LDH containing an amino acid between layers in formamide. In Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, LDH is represented by the general formula (1).
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] [A n− x / n · mH 2 O] (1)
Here, M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-interlayer anion, m is a rational number, n represents a rational number integer, x is not exceeding 1.

上記式(1)において、[M2+ 1-x3+ x(OH)2]は、LDHの基本層(ホスト層)
と呼ばれ、後に、複水酸化物ナノシートとなり得る。一方、上記(1)において、[An- x/n・mH2O]は、中間層(ゲスト層)と呼ばれる。LDHは、基本層と中間層とが交互に積層して形成されている。
In the above formula (1), [M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] represents an LDH basic layer (host layer).
And can later become a double hydroxide nanosheet. On the other hand, in (1) above, [A n− x / n · mH 2 O] is called an intermediate layer (guest layer). The LDH is formed by alternately laminating basic layers and intermediate layers.

非特許文献1および特許文献1に記載されるLDHにおいて、An-は、アラニン、ロイシン、セリン、リシン、ヒスチジン等のアミノ酸であり得る。LDH中のこれらアミノ酸がホルムアミドに対して良好な分散性を有していることにより、上記式(1)の[M2+ 1-x3+ x(OH)2]で表される複水酸化物ナノシートを得ることができる。 In LDH described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, A n-include alanine, leucine, serine, lysine, amino acid histidine and the like. Since these amino acids in LDH have good dispersibility with respect to formamide, double water represented by [M 2 + 1-x M 3+ x (OH) 2 ] in the above formula (1). An oxide nanosheet can be obtained.

LDHからカチオン性ナノシートを合成する別の技術がある(例えば、非特許文献2および非特許文献3を参照。)。
非特許文献2および3に記載の技術は、中間層としてドデシル硫酸イオン(DDS)等のアニオン性有機界面活性剤を有するLDHをブタノール中で還流、または、メタクリル
酸2−ヒドロキシエチル中で加熱することによって、カチオン性ナノシートを得ることを開示している。
There is another technique for synthesizing cationic nanosheets from LDH (see, for example, Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3).
In the techniques described in Non-Patent Documents 2 and 3, LDH having an anionic organic surfactant such as dodecyl sulfate ion (DDS) as an intermediate layer is refluxed in butanol or heated in 2-hydroxyethyl methacrylate. Thus, it is disclosed that a cationic nanosheet is obtained.

Hibino, Chem. Mater., 2004, 16, 5482−5488Hibino, Chem. Mater. , 2004, 16, 5482-5488 Adachi−Paganoら, Chem. Commun., 2000, 91Adachi-Pagano et al., Chem. Commun. , 2000, 91 S. O’Learyら, Chem. Commun., 2002, 1506S. O'Leary et al., Chem. Commun. , 2002, 1506 特開2005−89269号公報JP 2005-89269 A

しかしながら、これら非特許文献1〜3および特許文献1に記載される技術は、各種のLDHの製造時に、アルカリ(例えば、NaOH)を作用させて、沈殿させるとともに、アミノ酸またはDDSを包接させる共沈法を採用している。共沈法によって得られるアミノ酸またはDDS等の有機アニオンを含有するLDHの結晶性は、概して低く、結晶子サイズも数十ナノメートル以下と小さい。   However, these technologies described in Non-Patent Documents 1 to 3 and Patent Document 1 are commonly used in the production of various LDHs by causing alkali (for example, NaOH) to act and precipitate, and for inclusion of amino acids or DDS. The settling method is adopted. The crystallinity of LDH containing amino acids or organic anions such as DDS obtained by the coprecipitation method is generally low, and the crystallite size is as small as several tens of nanometers or less.

このようなLDHを出発物質として用いるため、大面積で良質な複水酸化物ナノシートが得られないという問題がある。   Since such LDH is used as a starting material, there is a problem that a high-quality double hydroxide nanosheet cannot be obtained in a large area.

特に、アミノ酸を含有するLDHの製造時には、pHの調整が必要であり、プロセスが複雑であるという問題もある。   In particular, during the production of LDH containing amino acids, there is a problem that pH adjustment is necessary and the process is complicated.

このように有機アニオンを中間層として含有するLDHの製造方法は、複雑かつ限定されており、得られるLDHの品質も低い。そのため、任意の方法で得られるLDH、特に、水熱合成法に代表される、結晶性の高い良質な、無機アニオンを中間層として含有するLDHを出発物質として用いることができれば、有利であり得る。   Thus, the manufacturing method of LDH which contains an organic anion as an intermediate | middle layer is complicated and limited, and the quality of obtained LDH is also low. Therefore, it can be advantageous if LDH obtained by an arbitrary method, in particular, LDH containing a high crystallinity and high quality inorganic anion as an intermediate layer, represented by a hydrothermal synthesis method, can be used as a starting material. .

したがって、本発明の目的は、中間層として無機アニオンを有するLDHを容易に剥離する方法、および、それによって得られた複水酸化物ナノシートを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for easily peeling LDH having an inorganic anion as an intermediate layer, and a double hydroxide nanosheet obtained thereby.

本発明のさらなる目的は、得られた複水酸化物ナノシートを用いた層状複水酸化物(LDH)薄膜材料(単に薄膜材料とも呼ぶ)、複水酸化物ナノシートを用いた複合薄膜材料、および、それらの製造方法を提供することである。   A further object of the present invention is to provide a layered double hydroxide (LDH) thin film material (also simply referred to as a thin film material) using the obtained double hydroxide nanosheet, a composite thin film material using the double hydroxide nanosheet, and It is to provide a manufacturing method thereof.

本明細書において、用語「薄膜材料」とは、複水酸化物ナノシートを再積層することによって得られた層状複水酸化物からなる薄膜材料、および、それによって派生した薄膜材料を意図し、用語「複合薄膜材料」とは、複水酸化物ナノシートとアニオン性高分子層とのレイヤーバイレイヤー積層から導かれる薄膜材料を意図することに留意されたい。   In this specification, the term “thin film material” means a thin film material composed of a layered double hydroxide obtained by re-lamination of double hydroxide nanosheets, and a thin film material derived therefrom. Note that "composite thin film material" intends a thin film material derived from layer-by-layer stacking of double hydroxide nanosheets and anionic polymer layers.

本発明による層状複水酸化物を剥離する方法は、前記層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程を包含し、前記層状複水酸化物は、下記式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)
ここで、前記式(1)〜前記式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3
価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2-、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであり、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5であり、これにより上記目的を達成する。
The method for exfoliating a layered double hydroxide according to the present invention includes a step of mixing the layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent, and the layered double hydroxide is represented by the following formulas (1) to (1): (3)
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1)
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2) [M 2 + 1−x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n− 2x / n · mH 2 O] 2x− (3)
Here, in the formulas (1) to (3), M 2+ is a divalent metal ion, and M 3+ is 3
The valence metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, ClO 3 -, ClO 4 -, F -, Br -, I -, CO 3 2-, SO 4 2-, and mixtures thereof Wherein n is a valence of the inorganic anion, m is a real number greater than 0, and x is 0 <x <0.5, whereby Achieve the goal.

前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択され得る。 The M 2+ may be selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca.

前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択され得る。 The M 3+ may be selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La.

前記非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミド、および、ジメチルホルムアミドからなる群から選択され得る。   The aprotic polar organic solvent may be selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide.

前記混合する工程は、不活性ガスでパージし、室温にて1時間〜24時間、振盪させ得る。   The mixing step may be purged with an inert gas and shaken at room temperature for 1-24 hours.

本発明による複水酸化物ナノシートは、
式(4)〜(6)のいずれかで表される複水酸化物ナノシートであって、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+…(4)、
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+…(5)、
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+…(6)、
前記式(4)〜前記式(6)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、xは、0<x<0.5であり、
前記複水酸化物ナノシートの長手方向の大きさは、5nm以上50μm以下であり、前記複水酸化物ナノシートの厚さは、0.3nm以上2nm以下であり、これにより上記目的を達成する。
The double hydroxide nanosheet according to the present invention is
A double hydroxide nanosheet represented by any one of formulas (4) to (6),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + (4),
[Li + 1-x M3 + x (OH) 2 ] (2x-1) + (5),
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + (6),
In the formula (4) to the formula (6), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, and x is 0 <x <0.5,
The size of the double hydroxide nanosheet in the longitudinal direction is 5 nm or more and 50 μm or less, and the thickness of the double hydroxide nanosheet is 0.3 nm or more and 2 nm or less, thereby achieving the above object.

前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択され得る。 The M 2+ may be selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca.

前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択され得る。
本発明による層状複水酸化物を剥離する方法によって得られる複水酸化物ナノシートは、前記方法が、前記層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程を包含し、前記層状複水酸化物は、式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)、
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)、[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)、
ここで、前記式(1)〜前記式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2-、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであり、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5であり、これにより上記目的を達成する。
The M 3+ may be selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La.
The double hydroxide nanosheet obtained by the method for exfoliating a layered double hydroxide according to the present invention includes a step of mixing the layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent, and the layered double hydroxide nanosheet. The hydroxide is represented by any one of formulas (1) to (3),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1),
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2), [M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3),
Here, the formula (1) to the formula (3), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, An inorganic anion selected from the group consisting of ClO 3 , ClO 4 , F , Br , I , CO 3 2− , SO 4 2− , and mixtures thereof, and n is the inorganic anion Where m is a real number greater than 0 and x is 0 <x <0.5, thereby achieving the above object.

前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択され得る。 The M 2+ may be selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca.

前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択され得る。 The M 3+ may be selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La.

前記非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミド、および、ジメチルホルムアミドからなる群から選択され得る。   The aprotic polar organic solvent may be selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide.

本発明による層状複水酸化物薄膜を製造する方法は、前記層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程と、前記混合する工程で得られた混合溶液を、スピンコーティングまたはディップコーティングによって基板に付与する工程とを包含し、前記層状複水酸化物は、式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)、
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)、[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)、
ここで、前記式(1)〜前記式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2-、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであり、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5であり、これにより上記目的を達成する。
A method for producing a layered double hydroxide thin film according to the present invention includes a step of mixing the layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent, and a mixed solution obtained by the mixing step by spin coating or dipping. And applying to the substrate by coating, the layered double hydroxide is represented by any one of formulas (1) to (3),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1),
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2), [M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3),
Here, the formula (1) to the formula (3), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, An inorganic anion selected from the group consisting of ClO 3 , ClO 4 , F , Br , I , CO 3 2− , SO 4 2− , and mixtures thereof, and n is the inorganic anion Where m is a real number greater than 0 and x is 0 <x <0.5, thereby achieving the above object.

前記付与する工程で得られた付与物をイオン交換する工程をさらに包含し得る。
前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択され得る。
A step of ion exchange of the imparted product obtained in the imparting step may be further included.
The M 2+ may be selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca.

前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択され得る。 The M 3+ may be selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La.

前記非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミド、および、ジメチルホルムアミドからなる群から選択され得る。   The aprotic polar organic solvent may be selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide.

本発明による複水酸化物ナノシートとアニオン性高分子層とを含む複合薄膜材料を製造する方法は、層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程であって、前記層状複水酸化物は、式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)、
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)、
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)、
ここで、前記式(1)〜前記式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2-、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであり、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5である、工程と、基板に4−スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸ナトリウム、ポリ−(1−(4−(3−カルボキシ−4−ヒドロキシフェニルアゾ)−ベンゼンスルフォノアミド)−1,2−エタンジニル)ナトリウム、ポリアニリンプロパンスルフォン酸、および、ポリアニリンスルフォン酸からなる群から選択されるアニオン性高分子を付与する工程と、前記アニオン性高分子上に前記混合する工程で得られた混合溶液を付与する工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。
A method for producing a composite thin film material comprising a double hydroxide nanosheet and an anionic polymer layer according to the present invention is a step of mixing a layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent, the layered double water The oxide is represented by any one of formulas (1) to (3),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1),
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2),
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3),
Here, the formula (1) to the formula (3), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, An inorganic anion selected from the group consisting of ClO 3 , ClO 4 , F , Br , I , CO 3 2− , SO 4 2− , and mixtures thereof, and n is the inorganic anion Where m is a real number greater than 0 and x is 0 <x <0.5, and the substrate is sodium 4-styrenesulfonate, sodium polyvinylsulfonate, poly- (1 Anionic high selected from the group consisting of-(4- (3-carboxy-4-hydroxyphenylazo) -benzenesulfonamido) -1,2-ethanedinyl) sodium, polyanilinepropane sulfonic acid, and polyaniline sulfonic acid With molecule A step of, the mixed solution obtained in said step of mixing on the anionic polymer includes a step of imparting, thereby achieving the above object.

前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択され得る。 The M 2+ may be selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca.

前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択され得る。 The M 3+ may be selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La.

前記非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミド、および、ジメチルホルムアミドからなる群から選択され得る。   The aprotic polar organic solvent may be selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide.

前記混合する工程は、不活性ガスでパージし、室温にて1時間〜24時間、振盪させ得る。   The mixing step may be purged with an inert gas and shaken at room temperature for 1-24 hours.

前記方法は、前記アニオン性高分子を付与する工程と、前記混合溶液を付与する工程とを交互に繰り返す工程とをさらに包含し得る。   The method may further include a step of alternately applying the step of applying the anionic polymer and the step of applying the mixed solution.

本発明による少なくとも一組の複水酸化物ナノシートおよびアニオン性高分子層を含む複合薄膜材料は、前記複水酸化物ナノシートは、式(4)〜式(6)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+…(4)、
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+…(5)、
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+…(6)、
ここで、前記式(4)〜前記式(6)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、xは、0<x<0.5であり、前記複水酸化物ナノシートの長手方向の大きさは、5nm以上50μm以下であり、前記複水酸化物ナノシートの厚さは、0.3nm以上2nm以下であり、前記アニオン性高分子層は、4−スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸ナトリウム、ポリ−(1−(4−(3−カルボキシ−4−ヒドロキシフェニルアゾ)−ベンゼンスルフォノアミド)−1,2−エタンジニル)ナトリウム、ポリアニリンプロパンスルフォン酸、および、ポリアニリンスルフォン酸からなる群から選択され、これにより上記目的を達成する。
The composite thin film material comprising at least one pair of double hydroxide nanosheets and an anionic polymer layer according to the present invention, the double hydroxide nanosheet is represented by any one of formulas (4) to (6):
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + (4),
[Li + 1-x M3 + x (OH) 2 ] (2x-1) + (5),
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + (6),
Here, in the formulas (4) to (6), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, and x is 0 <x <0.5. The size of the double hydroxide nanosheet in the longitudinal direction is from 5 nm to 50 μm, the thickness of the double hydroxide nanosheet is from 0.3 nm to 2 nm, and the anionic polymer layer is Sodium 4-styrenesulfonate, sodium polyvinylsulfonate, poly- (1- (4- (3-carboxy-4-hydroxyphenylazo) -benzenesulfonamido) -1,2-ethanedinyl) sodium, polyanilinepropanesulfonic acid And the group consisting of polyaniline sulfonic acid, thereby achieving the above object.

前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択され得る。 The M 2+ may be selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca.

前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択され得る。 The M 3+ may be selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La.

前記少なくとも一組の複水酸化物ナノシートおよび前記アニオン性高分子層は、交互に積層され得る。   The at least one set of double hydroxide nanosheets and the anionic polymer layer may be alternately stacked.

本発明による方法は、層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程を包含する。層状複水酸化物(LDH)は、式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)
ここで、式(1)〜式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2-
、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであり、n
は、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5である。
The method according to the invention comprises the step of mixing the layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent. The layered double hydroxide (LDH) is represented by any one of the formulas (1) to (3),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1)
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3)
Here, in the formulas (1) to (3), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, ClO 3 -, ClO 4 -, F - , Br -, I -, CO 3 2-
, SO 4 2− , and a mixture thereof, an inorganic anion, n
Is the valence of the inorganic anion, m is a real number greater than 0, and x is 0 <x <0.5.

LDHは、基本層[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+、[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+、および、[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+が、それぞれ、水分子と、無機アニオン中間層[An- x/n・mH2O]x-、[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-、および、[An- 2x/n・mH2O]2x-とを挟み込んで構成される。 The LDH has a basic layer [M 2 + 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + , [Li + 1-x M 3 + x (OH) 2 ] (2x-1) + , and [M 2 + 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + is a water molecule and an inorganic anion intermediate layer [A n− x / n · mH 2 O] x− , [A n− (2x−1), respectively. / n · mH 2 O] (2x-1) -and [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- .

通常、水分子は、基本層の水酸基と水素結合しており、上記アニオン中間層と調和した状態を維持する。しかしながら、上記LDHと極めて極性の高い非プロトン性極性溶媒とを混合することによって、溶媒分子中のカルボニル基またはスリフェニル基が上記基本層に対して強い相互作用を有し、水分子と置換し得る。   Usually, water molecules are hydrogen-bonded to the hydroxyl group of the basic layer, and maintain a state in harmony with the anion intermediate layer. However, by mixing the LDH and a very polar aprotic polar solvent, the carbonyl group or triphenyl group in the solvent molecule has a strong interaction with the basic layer and can be replaced with a water molecule. .

一方、溶媒分子中の他方の端、アミン基またはメチル基は、上記無機アニオン中間層と結合力が弱いので、上述の置換が生じると、LDH中の水素結合が減少し、剥離が容易に生じ得る。   On the other hand, the other end in the solvent molecule, the amine group or the methyl group, has a weak binding force with the above-mentioned inorganic anion intermediate layer. Therefore, when the above-described substitution occurs, the hydrogen bond in LDH is reduced and peeling easily occurs. obtain.

また、剥離に用いるLDHは、中間層のアニオンとして無機アニオンを用いるため、従来法である、共沈法によって得られるLDH、および、水熱合成法によって得られるLDH等任意の方法で製造されるLDHを適用することができる。   In addition, since LDH used for peeling uses an inorganic anion as an anion for the intermediate layer, it is produced by an arbitrary method such as LDH obtained by a coprecipitation method and LDH obtained by a hydrothermal synthesis method. LDH can be applied.

特に、水熱合成法によって製造されるLDHは、結晶性が高く、結晶性が高く、横サイズの大きな(すなわち、アスペクト比の大きな)板状結晶であるため、このようなLDHを出発物質に用いれば、大型(例えば、ミクロンオーダ)、高結晶性の良質なLDHナノシートが得られ得る。   In particular, LDH produced by a hydrothermal synthesis method is a plate crystal having high crystallinity, high crystallinity, and large lateral size (that is, a large aspect ratio). Therefore, such LDH is used as a starting material. If used, a high-quality LDH nanosheet having a large size (for example, micron order) and high crystallinity can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明のLDHを剥離する方法を示すフローチャートである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a flowchart showing a method for peeling LDH of the present invention.

剥離に先立って、本発明で用いるLDHを製造する工程を説明する。
本発明で用いるLDHは、例えば、Iyiらによる、“Chem.Lett.2004,33,1122”に記載される水熱合成法によって製造される。
Prior to peeling, a process for producing LDH used in the present invention will be described.
The LDH used in the present invention is produced, for example, by a hydrothermal synthesis method described in “Chem. Lett. 2004, 33, 1122” by Iyi et al.

なお、本発明に適用可能なLDHの製造方法は、共沈法であってもよく、水熱合成法に限定されないことに留意されたい。本発明に適用可能なLDHは、任意の方法によって製造された無機アニオンを含有したLDHである。   Note that the LDH production method applicable to the present invention may be a coprecipitation method and is not limited to the hydrothermal synthesis method. The LDH applicable to the present invention is an LDH containing an inorganic anion produced by any method.

工程S101:1価金属または2価金属を含む第1の金属塩と、3価金属または4価金属を含む第2の金属塩と、加水分解試薬とを混合する。   Step S101: A first metal salt containing a monovalent metal or a divalent metal, a second metal salt containing a trivalent metal or a tetravalent metal, and a hydrolysis reagent are mixed.

1価金属は、例えば、Liである。2価金属は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、およびCaからなる群から選択される。第1の金属塩を構成するアニオンは、NO3-、Cl-、および、CO3 2-からなる群から選択される。第1の金属塩は、上記1価金属または2価金属と、上記アニオンとの任意の組み合わせであり得る。 The monovalent metal is, for example, Li. The divalent metal is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca. The anion constituting the first metal salt is selected from the group consisting of NO 3− , Cl , and CO 3 2− . The first metal salt may be any combination of the monovalent metal or divalent metal and the anion.

3価金属は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、NiおよびLaからなる群から選択される。4価金属は、例えば、Tiである。第2の金属塩を構成するアニオンは、NO3-、Cl-、および、CO3 2-からなる群から選択される。第2の金属塩は、上記3価金属または4価金属と、上記アニオンとの任意の組み合わせであり得る。 The trivalent metal is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La. The tetravalent metal is, for example, Ti. The anion constituting the second metal salt is selected from the group consisting of NO 3− , Cl , and CO 3 2− . The second metal salt can be any combination of the trivalent or tetravalent metal and the anion.

なお、第1の金属塩として1価金属を選択した場合、第2の金属塩は、3価金属が好ましい。第2の金属塩として4価金属を選択した場合、第1の金属塩として2価金属が好ましい。   When a monovalent metal is selected as the first metal salt, the second metal salt is preferably a trivalent metal. When a tetravalent metal is selected as the second metal salt, a divalent metal is preferred as the first metal salt.

加水分解試薬は、ヘキサメチレンテトラアミンまたは尿素である。   The hydrolysis reagent is hexamethylenetetraamine or urea.

工程S102:工程S102で得られた混合物を水熱処理する。混合物を高圧下で100℃〜200℃の温度範囲において10時間〜30時間加熱する。   Step S102: Hydrothermal treatment of the mixture obtained in Step S102. The mixture is heated under high pressure in the temperature range of 100 ° C. to 200 ° C. for 10 hours to 30 hours.

工程S103:工程S102で得られた反応物を、目的の陰イオン(後述のAn-で示される無機アニオン)を含む塩の溶液に浸漬してイオン交換する。 Step S103: The reaction product obtained in step S102, then immersed in a solution of a salt containing the desired anion (inorganic anion represented by the later-described A n-) ion exchange.

その場合、陰イオンを含む塩に加えて適当量の酸を共存させることで反応が効果的に進むことが知られている。例えば、Iyiら、“Chem.Mater.2004,16,2926”に記載されるような、酸−塩の混合溶液による処理によって結晶性を損なうことなく達成できる。イオン交換によって中間層に位置する炭酸イオンが除去され、目的の無機陰イオンに置換される。   In that case, it is known that the reaction proceeds effectively by coexisting an appropriate amount of acid in addition to the anion-containing salt. For example, it can be achieved without impairing crystallinity by treatment with an acid-salt mixed solution as described in Iyi et al., “Chem. Mater. 2004, 16, 2926”. By the ion exchange, carbonate ions located in the intermediate layer are removed and replaced with the target inorganic anions.

水熱合成法を用いることによって、ミクロンオーダの大きさの結晶性の高いLDHが得られることが知られている。このような水熱合成法は、従来技術に示されたアミノ酸等の有機アニオンを中間層とするLDHの製造には不向きである。   It is known that LDH with high crystallinity of the order of microns can be obtained by using the hydrothermal synthesis method. Such a hydrothermal synthesis method is not suitable for the production of LDH using an organic anion such as amino acid as an intermediate layer as shown in the prior art.

なお、上記工程S101〜工程S103では、水熱合成法を採用した場合を詳述してきたが、共沈法を採用してもよい。   In addition, in the said process S101-process S103, although the case where the hydrothermal synthesis method was employ | adopted was explained in full detail, you may employ | adopt a coprecipitation method.

この場合、工程S101における加水分解試薬は、水酸化アルカリまたはアンモニアであり得る。工程102の代わりに、混合物を室温〜100℃の温度範囲において加水分解し、熟成してもよい。   In this case, the hydrolysis reagent in step S101 can be alkali hydroxide or ammonia. Instead of step 102, the mixture may be hydrolyzed and aged in the temperature range from room temperature to 100 ° C.

本発明では、従来の共沈法によって得られる通常のLDHに加えて水熱合成法によって製造された横サイズが大きく結晶性の高いLDH結晶を直接出発物質として用いることができるため有利であり得る。   In the present invention, in addition to the usual LDH obtained by the conventional coprecipitation method, LDH crystals produced by the hydrothermal synthesis method and having a large lateral size and high crystallinity can be used directly as a starting material. .

工程S101〜工程S103で得られたLDHは、式(1)〜式(3)のいずれかで表される。
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)
ここで、式(1)〜式(3)において、M2+は上述の2価金属イオンであり、M3+は上述の3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-
-、CO3 2-、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオ
ンであり、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5である。
LDH obtained in steps S101 to S103 is represented by any one of formulas (1) to (3).
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1)
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3)
Here, in the formulas (1) to (3), M 2+ is a divalent metal ion described above, M 3+ is above trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, ClO 3 -, ClO 4 -, F -, Br -,
An inorganic anion selected from the group consisting of I , CO 3 2− , SO 4 2− , and mixtures thereof, n is the valence of the inorganic anion, and m is a real number greater than 0. X is 0 <x <0.5.

なお、無機アニオンは、好ましくは、Cl-、F-、Br-、I-であり、より好ましくは、NO3 -、ClO4 -である。これは、LDHに含まれる陰イオンの種類によって、後述する非プロトン性極性有機溶媒中で剥離する傾向が異なり、NO3 -、ClO4 -は、剥離能力が高いためである。 The inorganic anion is preferably Cl , F , Br or I , and more preferably NO 3 or ClO 4 . This is because the tendency of exfoliation in an aprotic polar organic solvent described later varies depending on the type of anion contained in LDH, and NO 3 and ClO 4 have high exfoliation ability.

なお、複数の無機アニオン(すなわち混合物)を含む場合、複数の無機アニオンのそれぞれは、価数にしたがって任意の割合で、例えば、上記工程S103において混合される。このような割合は当業者であれば容易に理解されるところである。   In addition, when a some inorganic anion (namely, mixture) is included, each of a some inorganic anion is mixed in arbitrary ratios according to a valence, for example in the said process S103. Such ratios are easily understood by those skilled in the art.

上記式(1)における[M2+ 1-x3+ x(OH)2]、上記式(2)における[Li+ 1-x
3+ x(OH)2]、および、上記式(3)における[M2+ 1-xTi4+ x(OH)2]はLD
Hの基本層(ホスト層)と称され、後に、複水酸化物ナノシートとなり得る。
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] in the above formula (1), [Li + 1-x in the above formula (2)
M 3+ x (OH) 2 ] and [M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] in the above formula (3) are LD
It is called a basic layer (host layer) of H, and can later become a double hydroxide nanosheet.

一方、上記(1)における[An- X/n・mH2O]、上記式(2)における[An- (2x-1)/n・mH2O]、および、上記式(3)における[An- 2x/n・mH2O]は中間層(ゲスト層)と称される。得られたLDHは、基本層と中間層とが交互に積層して形成されている。 On the other hand, [A n− X / n · mH 2 O] in the above (1), [A n− (2x-1) / n · mH 2 O] in the above formula ( 2 ), and the above formula (3) [A n− 2x / n · mH 2 O] is called an intermediate layer (guest layer). The obtained LDH is formed by alternately laminating basic layers and intermediate layers.

工程S101〜工程S103で得られた、上記式(1)〜式(3)のいずれかで表されるLDHと、非プロトン性極性有機溶媒とを混合する(図1の工程S110)。   The LDH represented by any of the above formulas (1) to (3) obtained in step S101 to step S103 is mixed with an aprotic polar organic solvent (step S110 in FIG. 1).

非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミドおよびジメチルホルムアミドからなる群から選択される。これらの非プロトン性極性有機溶媒は、陽イオンに溶媒和しやすく、一方陰イオンにはその逆であるため、LDHの剥離を促進させ得る。非プロトン性極性有機溶媒は、好ましくは、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、メチルホルムアミドであり得、より好ましくは、ホルムアミドである。これは、剥離能力は、非プロトン性極性有機溶媒の種類によって異なり得、上記の溶媒の順で増加する傾向にあるためである。   The aprotic polar organic solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethyl sulfoxide, methylformamide and dimethylformamide. These aprotic polar organic solvents are easy to solvate to cations, while vice versa for anions, and thus can promote LDH stripping. The aprotic polar organic solvent may preferably be dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, methylformamide, more preferably formamide. This is because the peeling ability may vary depending on the type of aprotic polar organic solvent and tends to increase in the order of the above solvents.

工程S110により、LDHは容易に剥離され、[M2+ 1-x3+ x(OH)2]、[Li+ 1-x3+ x(OH)2]、または、[M2+ 1-xTi4+ x(OH)2]のいずれかで表される複水酸化物ナノシートが得られる。このようにして得られた複水酸化物ナノシートの長手方向の大きさは5nm以上50μm以下であり、厚さは0.3nm以上2nm以下である。 By the step S110, the LDH is easily peeled off, and [M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ], [Li + 1-x M 3+ x (OH) 2 ], or [M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] is obtained. The double hydroxide nanosheet thus obtained has a size in the longitudinal direction of 5 nm or more and 50 μm or less, and a thickness of 0.3 nm or more and 2 nm or less.

本発明者らは、無機アニオンを含有するLDHが、ホルムアミド等の誘電率の高い非プロトン性極性有機溶媒によって剥離し、複水酸化物ナノシートが得られることを創意工夫によって見出した。   The inventors of the present invention have found by ingenuity that LDH containing an inorganic anion is peeled off by an aprotic polar organic solvent having a high dielectric constant, such as formamide, to obtain a double hydroxide nanosheet.

剥離のメカニズムは、次のとおりである。
本発明で用いるLDHは、基本層[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+、[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+、および、[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+が、それぞれ、水分子と、無機アニオン中間層[An- x/n・mH2O]x-、[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-、および、[An- 2x/n・mH2O]2x-とを挟み込んで構成される。通常、水分子は、基本層の水酸基と水素結合しており、上記無機アニオン中間層と調和した状態を維持する。しかしながら、LDHと極めて極性の高い非プロトン性極性溶媒とを混合することによって、溶媒分子中のカルボニル基またはスリフェニル基が上記基本層に対して強い相互作用を有し、水分子と置換し得る。一方、溶媒中の他方の端、アミノ基またはメチル基は、上記無機アニオン中間層との結合力が弱いので、上述の置換が生じると、LDH中の水素結合が減少し、また、溶媒分子同士がさらに水素結合によってつながり、層間にさらに溶媒分子が侵入して膨潤が進み、剥離が容易に生じ得る。
The peeling mechanism is as follows.
The LDH used in the present invention comprises a base layer [M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + , [Li + 1-x M 3+ x (OH) 2 ] (2x-1) + , and , [M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + are respectively a water molecule and an inorganic anion intermediate layer [A n− x / n · mH 2 O] x− , [A n− ( 2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) -and [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- . Usually, water molecules are hydrogen bonded to the hydroxyl group of the basic layer, and maintain a state in harmony with the inorganic anion intermediate layer. However, by mixing LDH and a very polar aprotic polar solvent, the carbonyl group or triphenyl group in the solvent molecule has a strong interaction with the basic layer and can be replaced with a water molecule. On the other hand, the other end in the solvent, the amino group or the methyl group, has a weak binding force with the inorganic anion intermediate layer. Therefore, when the above substitution occurs, the hydrogen bond in the LDH decreases, and the solvent molecules Can be further connected by hydrogen bonds, and solvent molecules can further invade between the layers to swell, and peeling can easily occur.

このような発見は、従来、アミノ酸またはアニオン性界面活性剤などを含有するLDHでなければ、ホルムアミドによって剥離しないという常識を覆すものであり、また、無機イオンを含むLDHで可能であるという新しい知見である。これにより、従来不可能であった、水熱合成法によって製造された結晶性の良い大型のLDH結晶を直接出発物質として用いることができるので、アミノ酸を含有するLDHの製造に見られた複雑なプロセスが不要となり、労力の削減に寄与する。当然のことながら、得られたLDHの中間層をアミノ酸等の有機アニオンに置換させる必要もない。また、容易に大面積かつ結晶性の高い複水酸化物ナノシートが得られるため、極めて簡便な方法であり得る。   Such a discovery overturns the common knowledge that, unless LDH contains an amino acid or an anionic surfactant, it is not exfoliated by formamide, and it is possible to use LDH containing inorganic ions. It is. As a result, large LDH crystals with good crystallinity produced by a hydrothermal synthesis method, which has been impossible in the past, can be used directly as starting materials, so that the complexities seen in the production of LDH containing amino acids can be used. No process is required, contributing to labor savings. As a matter of course, it is not necessary to replace the intermediate layer of the obtained LDH with an organic anion such as an amino acid. Moreover, since a double hydroxide nanosheet having a large area and high crystallinity can be easily obtained, it can be an extremely simple method.

なお、図1の工程S110において、混合溶液を不活性ガスでパージし、室温にて、1時間〜24時間、振盪させてもよい。これによって確実にLDHを剥離することができる
In step S110 of FIG. 1, the mixed solution may be purged with an inert gas and shaken at room temperature for 1 to 24 hours. As a result, the LDH can be reliably peeled off.

次に、実施の形態1で得られた複水酸化物ナノシートを用いたLDH薄膜材料、および、その製造方法を説明する。   Next, an LDH thin film material using the double hydroxide nanosheet obtained in Embodiment 1 and a manufacturing method thereof will be described.

(実施の形態2)
図2は、本発明による複水酸化物ナノシートを用いたLDH薄膜材料(a)、および、有機−LDH薄膜材料(b)の模式図である。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a schematic view of an LDH thin film material (a) and an organic-LDH thin film material (b) using the double hydroxide nanosheet according to the present invention.

図2(a)に示されるLDH薄膜材料200は、複数の複水酸化物ナノシート220と、複数の複水酸化物ナノシート220に挟まれたアニオン性の中間層230とを含む。   The LDH thin film material 200 shown in FIG. 2A includes a plurality of double hydroxide nanosheets 220 and an anionic intermediate layer 230 sandwiched between the plurality of double hydroxide nanosheets 220.

複数の複水酸化物ナノシート220は、例えば、実施の形態1で説明した方法によって製造され得、式(4)〜式(6)のいずれかで表される。
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+…(4)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+…(5)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+…(6)
ここで、式(4)〜式(6)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンである。xは0<x<0.5の範囲の有理数である。詳細には、M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、ZnおよびCaからなる群から選択される。M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、NiおよびLaからなる群から選択される。
The plurality of double hydroxide nanosheets 220 can be manufactured, for example, by the method described in Embodiment 1, and is represented by any one of formulas (4) to (6).
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + (4)
[Li + 1-x M3 + x (OH) 2 ] (2x-1) + (5)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + (6)
Here, in Formula (4)-Formula (6), M <2+> is a bivalent metal ion and M <3+> is a trivalent metal ion. x is a rational number in the range of 0 <x <0.5. Specifically, M 2+ is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn and Ca. M 3+ is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and La.

中間層230は、無機アニオンであり、Cl-、F-、Br-、I-であり、より好ましくは、NO3 -、ClO4 -である。 The intermediate layer 230 is an inorganic anion, and is Cl , F , Br or I , and more preferably NO 3 or ClO 4 .

LDH薄膜材料200は、基板210上に位置する。基板210は、用途に応じて、ガラス基板、Si基板等任意の基板であり得る。   The LDH thin film material 200 is located on the substrate 210. The substrate 210 can be any substrate such as a glass substrate or a Si substrate depending on the application.

LDH薄膜材料200は、実施の形態1で用いた出発物質のLDHと異なり、配向膜であり得る。このため、LDH薄膜材料200は、出発物質のLDH粉末を直接塗布して得られるLDH薄膜材料と比べて、緻密かつ平滑であり、極めて透明性の高い薄膜材料である。LDH薄膜材料200は、新規な光素子としての応用可能性を有する。   The LDH thin film material 200 can be an alignment film, unlike the LDH of the starting material used in the first embodiment. For this reason, the LDH thin film material 200 is a thin film material that is dense and smooth and extremely transparent compared to an LDH thin film material obtained by directly applying an LDH powder as a starting material. The LDH thin film material 200 has applicability as a novel optical element.

LDH薄膜材料200は、また、そのセンサ能を利用した修飾電極、表面プラズモン共鳴(SPR)、水晶発振子マイクロバランス(QCM)、分子認識デバイス等に利用可能である。より詳細には、LDH薄膜材料200を電極等の基板上に形成することによって、LDH薄膜材料200の中間層230は、特定のアニオンと容易にイオン交換し、センサ能を発現する。このようなイオン交換によって生じる電気的変化、重量変化を検出することによって、アニオンの特定、さらにはイオン交換されたアニオンの定量的な測定が可能である。   The LDH thin film material 200 can also be used for modified electrodes, surface plasmon resonance (SPR), crystal oscillator microbalance (QCM), molecular recognition devices, and the like using the sensor ability. More specifically, by forming the LDH thin film material 200 on a substrate such as an electrode, the intermediate layer 230 of the LDH thin film material 200 is easily ion-exchanged with a specific anion and exhibits a sensor capability. By detecting electrical changes and weight changes caused by such ion exchange, it is possible to identify anions and quantitatively measure ion-exchanged anions.

特に、本発明によれば、結晶性の良好な配向膜であるLDH薄膜材料200を上述のデバイス等に利用できるので、電子伝導の異方性を生かすことができ、有利であり得る。   In particular, according to the present invention, the LDH thin film material 200, which is an alignment film with good crystallinity, can be used for the above-described devices and the like, so that the anisotropy of electron conduction can be utilized, which can be advantageous.

次に、再度図1を参照し、このような結晶性に優れたLDH薄膜材料200の製造方法を説明する。図1の工程S110に続いて、行われる。   Next, referring to FIG. 1 again, a method of manufacturing the LDH thin film material 200 having excellent crystallinity will be described. This is performed following step S110 in FIG.

工程S120:工程S110で得られた混合溶液を基板に付与する。基板への付与は、スピンコーティングまたはディップコーティングが好ましい。これによって、均一な厚さで混合溶液を基板に付与することができるので、配向膜の形成を促進し得る。実施の形態
1で上述したように、上記混合溶液中では、出発物質のLDHが完全に単層に剥離されている。このような混合溶液を基板に付与するだけで、複水酸化物ナノシートを緻密に再配列させることができる。この結果、従来にないLDHの配向膜が容易に得られ得る。なお、混合溶液を付与する基板は、必ずしも、板状である必要はなく、上記スピンコーティングまたはディップコーティングが適用できれば、任意の物体を基板として採用し得る。
Step S120: The mixed solution obtained in Step S110 is applied to the substrate. The application to the substrate is preferably spin coating or dip coating. Thereby, since the mixed solution can be applied to the substrate with a uniform thickness, the formation of the alignment film can be promoted. As described above in Embodiment 1, the LDH as the starting material is completely separated into a single layer in the mixed solution. By simply applying such a mixed solution to the substrate, the double hydroxide nanosheet can be densely rearranged. As a result, an unprecedented LDH alignment film can be easily obtained. Note that the substrate to which the mixed solution is applied does not necessarily have a plate shape, and any object can be adopted as the substrate as long as the above-described spin coating or dip coating can be applied.

工程S120は、好ましくは、基板に付与された混合溶液を乾燥させる工程を包含する。これによって、不要なホルムアミドが蒸発し得る。乾燥は、オーブン等の任意の加熱手段を用いてもよいし、大気中で保持して乾燥させてもよい。乾燥後、所望の厚さのLDH薄膜材料となるまで、上記工程を繰り返してもよい。
このように、混合溶液を基板に付与するだけで、良質なLDHの配向膜が得られるので、デバイス製造における歩留まりが向上し得る。スピンコーティングまたはディップコーティングといった従来の付与方法を採用できるので、材料設計の自由度が増し得る。
Step S120 preferably includes a step of drying the mixed solution applied to the substrate. This can evaporate unwanted formamide. For drying, any heating means such as an oven may be used, or drying may be performed while being held in the air. You may repeat the said process after drying until it becomes the LDH thin film material of desired thickness.
As described above, since a high-quality LDH alignment film can be obtained simply by applying the mixed solution to the substrate, the yield in device manufacturing can be improved. Since a conventional application method such as spin coating or dip coating can be employed, the degree of freedom in material design can be increased.

次に、実施の形態1で得られた複水酸化物ナノシートを用いた別の例を示す。再度、図2を参照する。   Next, another example using the double hydroxide nanosheet obtained in the first embodiment is shown. Reference is again made to FIG.

図2(b)に示される有機−LDH薄膜材料240は、複数の複水酸化物ナノシート220と、複数の複水酸化物ナノシート220に挟まれたアニオン性の中間層250とを含む。複数の複水酸化物ナノシート220は、実施の形態1で得られた複水酸化物ナノシートである。中間層250は、図2(a)の中間層230とは異なる、有機アニオンである。有機−LDH薄膜材料240は、基板210上に位置する。基板210は、用途に応じて、ガラス基板、Si基板等任意の基板であり得る。   The organic-LDH thin film material 240 shown in FIG. 2B includes a plurality of double hydroxide nanosheets 220 and an anionic intermediate layer 250 sandwiched between the plurality of double hydroxide nanosheets 220. The plurality of double hydroxide nanosheets 220 are the double hydroxide nanosheets obtained in the first embodiment. The intermediate layer 250 is an organic anion different from the intermediate layer 230 in FIG. The organic-LDH thin film material 240 is located on the substrate 210. The substrate 210 can be any substrate such as a glass substrate or a Si substrate depending on the application.

このような有機−LDH薄膜材料240は、配向膜である。特に、中間層250の有機アニオンが所定の方向に配向しているので、有機アニオンの機能をより発揮することができる。例えば、中間層250として、レーザ色素を含む有機アニオンを用いた場合、有機−LDH薄膜材料240は、蛍光体、発光素子等の光学素子として機能し得る。   Such an organic-LDH thin film material 240 is an alignment film. In particular, since the organic anion of the intermediate layer 250 is oriented in a predetermined direction, the function of the organic anion can be exhibited more. For example, when an organic anion containing a laser dye is used as the intermediate layer 250, the organic-LDH thin film material 240 can function as an optical element such as a phosphor or a light emitting element.

図2(b)では、中間層250として有機アニオンを含む場合を説明したが、デバイス設計に応じて、中間層250は、所望の機能を有する任意のアニオンが適用可能である。   Although FIG. 2B illustrates the case where an organic anion is included as the intermediate layer 250, any anion having a desired function can be applied to the intermediate layer 250 depending on the device design.

次に、再度、図1を参照して、図2(b)に示す有機−LDH薄膜材料240の製造方法を説明する。   Next, referring to FIG. 1 again, a method for manufacturing the organic-LDH thin film material 240 shown in FIG. 2B will be described.

有機−LDH薄膜材料240は、工程S120に続いて製造される。   The organic-LDH thin film material 240 is manufactured following step S120.

工程S130:工程S120で得られたLDH薄膜材料をイオン交換する。イオン交換では、アニオンが交換される。アニオンには、例えば、p−トルエンスルホン酸イオン等の有機アニオンがあり得るが、イオン交換可能なアニオンである限り、これらに限定されない。イオン交換は、工程S120で得られたLDH薄膜材料の配向性を失うことなく、適宜行われるので、イオン交換後のLDH薄膜材料もまた配向膜であり得るので、有機アニオンの機能を損なうことなく、維持し得る。   Step S130: The LDH thin film material obtained in Step S120 is ion-exchanged. In ion exchange, anions are exchanged. The anion can be, for example, an organic anion such as p-toluenesulfonate ion, but is not limited thereto as long as it is an ion-exchangeable anion. Since the ion exchange is appropriately performed without losing the orientation of the LDH thin film material obtained in step S120, the LDH thin film material after the ion exchange can also be an orientation film, so that the function of the organic anion is not impaired. Can be maintained.

次に、実施の形態1で得られた複水酸化物ナノシートを用いた複合薄膜材料、および、その製造方法を説明する。   Next, a composite thin film material using the double hydroxide nanosheet obtained in Embodiment 1 and a production method thereof will be described.

(実施の形態3)
図3は、本発明による複水酸化物ナノシートを用いた複合薄膜材料の模式図である。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a schematic view of a composite thin film material using a double hydroxide nanosheet according to the present invention.

複合薄膜材料300は、少なくとも一組のアニオン性高分子層310および複水酸化物ナノシート320を含む。   The composite thin film material 300 includes at least one set of an anionic polymer layer 310 and a double hydroxide nanosheet 320.

アニオン性高分子層310は、4−スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸ナトリウム、ポリ−(1−(4−(3−カルボキシ−4−ヒドロキシフェニルアゾ)−ベンゼンスルフォノアミド)−1,2−エタンジニル)ナトリウム、ポリアニリンプロパンスルフォン酸、および、ポリアニリンスルフォン酸からなる群から選択される。   The anionic polymer layer 310 is composed of sodium 4-styrenesulfonate, sodium polyvinylsulfonate, poly- (1- (4- (3-carboxy-4-hydroxyphenylazo) -benzenesulfonamide) -1,2- Ethanedinyl) sodium, polyaniline propane sulfonic acid, and polyaniline sulfonic acid.

複水酸化物ナノシート320は、例えば、実施の形態1で説明した方法によって製造され得、式(4)〜式(6)のいずれかで表される。
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+…(4)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+…(5)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+…(6)
ここで、式(4)〜式(6)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンである。xは0<x<0.5の範囲の有理数である。詳細には、M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、ZnおよびCaからなる群から選択される。M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、NiおよびLaからなる群から選択される。
The double hydroxide nanosheet 320 can be manufactured, for example, by the method described in Embodiment 1, and is represented by any one of formulas (4) to (6).
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + (4)
[Li + 1-x M3 + x (OH) 2 ] (2x-1) + (5)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + (6)
Here, in Formula (4)-Formula (6), M <2+> is a bivalent metal ion and M <3+> is a trivalent metal ion. x is a rational number in the range of 0 <x <0.5. Specifically, M 2+ is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn and Ca. M 3+ is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and La.

複合薄膜材料300は、アニオン性高分子層310および複水酸化物ナノシート320の組を複数有してもよい。この場合、アニオン性高分子層310と複水酸化物ナノシート320とは、交互にレイヤーバイレイヤー積層され得る。   The composite thin film material 300 may include a plurality of sets of the anionic polymer layer 310 and the double hydroxide nanosheet 320. In this case, the anionic polymer layer 310 and the double hydroxide nanosheet 320 may be alternately layer-by-layer stacked.

また、複合薄膜材料300を基板210上に形成してもよい。基板210は、例えば、Si基板、石英ガラス基板等用途に応じて選択可能である。またナノシートが柔軟な機械的特性を持つため、必ずしもフラットな基板上だけでなく曲率を持った基材表面へのコーティングも可能である。複合薄膜材料300を基板230上に形成する場合には、複合薄膜材料300のアニオン性高分子層310と基板330とを結合させるための接着層330を適用してもよい。接着層330は、例えば、カチオン性のポリエチレンイミンであり得る。   Further, the composite thin film material 300 may be formed on the substrate 210. The substrate 210 can be selected according to the application, such as a Si substrate or a quartz glass substrate. In addition, since nanosheets have flexible mechanical properties, it is possible to coat not only on a flat substrate but also on the surface of a substrate having a curvature. When the composite thin film material 300 is formed on the substrate 230, an adhesive layer 330 for bonding the anionic polymer layer 310 of the composite thin film material 300 and the substrate 330 may be applied. The adhesive layer 330 can be, for example, cationic polyethyleneimine.

このように本発明による複水酸化物ナノシートは、カチオン性であり、かつ、大面積であるため、従来不可能であった、アニオン性高分子層を積層するリンカーとして機能し得る。このような複合薄膜材料300は、様々な機能性分子、金属錯体、クラスターなどをナノレベルで取り込むことが可能であるため、触媒、センサ、帯電防止コーティング等幅広い用途に利用可能である。   Thus, since the double hydroxide nanosheet according to the present invention is cationic and has a large area, it can function as a linker for laminating an anionic polymer layer, which has been impossible in the past. Since such a composite thin film material 300 can incorporate various functional molecules, metal complexes, clusters, and the like at the nano level, it can be used in a wide range of applications such as catalysts, sensors, and antistatic coatings.

再度図1を参照し、複合薄膜材料300の製造方法を説明する。複合薄膜材料300は、工程S110に続いて製造される。工程S110は、実施の形態1で説明した工程S110と同様のため省略する。   With reference to FIG. 1 again, a method for manufacturing the composite thin film material 300 will be described. The composite thin film material 300 is manufactured following step S110. Since step S110 is similar to step S110 described in the first embodiment, a description thereof will be omitted.

工程S140:4−スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸ナトリウム、ポリ−(1−(4−(3−カルボキシ−4−ヒドロキシフェニルアゾ)−ベンゼンスルフォノアミド)−1,2−エタンジニル)ナトリウム、ポリアニリンプロパンスルフォン酸、および、ポリアニリンスルフォン酸からなる群から選択されるアニオン性高分子を基板に付与する。基板は、例えば、Si基板または石英ガラス基板であり得る。基板に予めポリエチレンイミンを付与しておくことが望ましい。カチオン性のポリエチレンイミンによって、基板とアニオン性高分子との接着性が向上し得る。この場合の付与の方法は、アニオン性高分子を含む水溶液に基板を所定時間浸漬させればよい。好ましくは、アニオン性高分子が付与された後に、基板を水で洗浄する。   Step S140: sodium 4-styrenesulfonate, sodium polyvinylsulfonate, poly- (1- (4- (3-carboxy-4-hydroxyphenylazo) -benzenesulfonamido) -1,2-ethanedinyl) sodium, polyaniline An anionic polymer selected from the group consisting of propane sulfonic acid and polyaniline sulfonic acid is applied to the substrate. The substrate can be, for example, a Si substrate or a quartz glass substrate. It is desirable to previously apply polyethyleneimine to the substrate. Cationic polyethyleneimine can improve the adhesion between the substrate and the anionic polymer. In this case, the application method may be performed by immersing the substrate in an aqueous solution containing an anionic polymer for a predetermined time. Preferably, after the anionic polymer is applied, the substrate is washed with water.

工程S150:工程S110の混合溶液をアニオン性高分子上に付与する。工程S110の混合溶液は、コロイド状態にある。工程S140と同様に、ポリエチレンイミンが付与された基板を混合溶液に所定時間浸漬させればよい。好ましくは、混合溶液が付与された後に、基板を水で洗浄する。   Step S150: Applying the mixed solution of Step S110 onto the anionic polymer. The mixed solution in step S110 is in a colloidal state. Similar to step S140, the substrate to which polyethyleneimine has been applied may be immersed in the mixed solution for a predetermined time. Preferably, after the mixed solution is applied, the substrate is washed with water.

工程S140と工程S150とを必要回数繰り返し、所望の厚さまで積層させてもよい。   Step S140 and step S150 may be repeated as many times as necessary, and laminated to a desired thickness.

このように、本発明によれば、イオン交換不可能なアニオン性高分子等の嵩高く大きなアニオンに対しても、結晶性の高いカチオン性の複水酸化物ナノシートとアニオン性高分子とをレイヤーバイレイヤーで積層することによって、容易に積層構造を形成することが可能である。また、工程S140と工程S150との繰り返し回数によって、厚さを1nm単位で制御できる。また、そのようにして制御された表面は、極めて平滑であり得る。   As described above, according to the present invention, a high-crystalline cationic double hydroxide nanosheet and an anionic polymer are layered against a bulky and large anion such as an anionic polymer that cannot be ion-exchanged. By laminating by bilayer, it is possible to easily form a laminated structure. Further, the thickness can be controlled in units of 1 nm by the number of repetitions of step S140 and step S150. Also, the surface so controlled can be very smooth.

次に、実施例を述べるが、本発明は実施例に限定されるものではないことに留意されたい。   Next, examples will be described, but it should be noted that the present invention is not limited to the examples.

剥離のための出発物質であるLDHを調製した。第1の金属塩としてMg(NO32・6H2O(0.02mol)と、第2の金属塩としてAl(NO33・9H2O(0.01mol)と、加水分解試薬としてヘキサメチレンテトラアミン(0.026mol)とを混合し、80cm3の水溶液に溶解させた。混合物をオートクレーブ中で140℃、24
時間加熱した(水熱処理)。得られた反応物をろ過し、水で洗浄した後、大気中で乾燥させ、固形物を得た。
LDH, a starting material for stripping, was prepared. Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O (0.02 mol) as the first metal salt, Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O (0.01 mol) as the second metal salt, and the hydrolysis reagent Hexamethylenetetraamine (0.026 mol) was mixed and dissolved in an 80 cm 3 aqueous solution. The mixture is placed in an autoclave at 140 ° C., 24
Heated for hours (hydrothermal treatment). The obtained reaction product was filtered, washed with water, and then dried in the air to obtain a solid.

元素分析のために上記固形物を塩酸溶液に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析装置ICP−AES SPS1700HVR(SEIKO、Japan)を用いて、含まれる金属イオンの定量を行った。また炭酸イオンは酸・塩基滴定により定量した。   After the solid matter was dissolved in a hydrochloric acid solution for elemental analysis, the contained metal ions were quantified using an inductively coupled plasma emission spectrometer ICP-AES SPS1700HVR (SEIKO, Japan). Carbonate ions were quantified by acid / base titration.

この結果、固形物の組成は、[Mg0.65Al0.33(OH)2][(CO30.17・0.5H2O](すなわち、上式(1)においてM2+がMg、M3+がAl、An-がCO3-である
)であることが分かった。各元素の重量分率は、それぞれ、Mg20.4wt%(計算値20.3wt%)、Al11.6wt%(計算値11.4wt%)、C2.6wt%(計算値2.6wt%)であり、計算値と良好な一致を示した。すなわち生成物が、典型的な炭酸型Mg−Al LDHであると確認された。
As a result, the composition of the solid was [Mg 0.65 Al 0.33 (OH) 2 ] [(CO 3 ) 0.17 · 0.5H 2 O] (that is, M 2+ in the above formula (1) was Mg, M 3+ but Al, a n-was found to be CO 3- and is). The weight fraction of each element is Mg 20.4 wt% (calculated value 20.3 wt%), Al 11.6 wt% (calculated value 11.4 wt%), C2.6 wt% (calculated value 2.6 wt%), respectively. Showed good agreement with the calculated values. That is, the product was confirmed to be typical carbonated Mg—Al LDH.

次いで、乾燥させた固形物0.5gを、NaNO3(0.75mol)とHNO3(0.0025mol)とを含む水溶液500cm3で処理した。具体的には、固形物を含む水
溶液を、容器ごと窒素ガスでパージし、密封した後、室温にて1日振盪させ、イオン交換によって炭酸イオンを除去し、硝酸型LDHに変換した。再度、固形物を回収し、水で洗浄し、真空中で乾燥させた。回収された固形物について、以下の分析を行った。
Next, 0.5 g of the dried solid was treated with 500 cm 3 of an aqueous solution containing NaNO 3 (0.75 mol) and HNO 3 (0.0025 mol). Specifically, the aqueous solution containing solids was purged with nitrogen gas together with the container, sealed, and then shaken at room temperature for 1 day to remove carbonate ions by ion exchange and converted to nitric acid type LDH. Again, the solid was collected, washed with water and dried in vacuo. The collected solids were analyzed as follows.

固形物(以降では、硝酸型Mg−Al LDHと称する)のX線回折データの測定を行った。   X-ray diffraction data of a solid material (hereinafter referred to as nitrate-type Mg—Al LDH) was measured.

図4は、硝酸型Mg−Al LDHのX線回折パターンを示す図である。
Mg−Al LDHのX線回折パターンを、X線粉末回折装置Rint 2000S(Rigaku、Japan)によって測定した。測定条件は、CuKα線(λ=0.15405nm)を用いて、40kV/30mA、走査速度1.5°2θ/分であった。
FIG. 4 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of nitrate-type Mg—Al LDH.
The X-ray diffraction pattern of Mg-Al LDH was measured with an X-ray powder diffractometer Rint 2000S (Rigaku, Japan). The measurement conditions were 40 kV / 30 mA using a CuKα ray (λ = 0.15405 nm), and a scanning speed of 1.5 ° 2θ / min.

いずれのピークも、LDH構造を示す菱面体晶系単位格子に一致することを確認した。これらピークは、平行かつ周期的に配列した基本層において、X線が干渉することによって得られる。このデータからLDHの格子定数を求めた。単位格子のa軸長が0.3050nmであり、c軸長が2.675nmであった。基本層の層間距離は0.89nmであった。この距離は、硝酸型Mg−Al LDHの文献値とよく一致する。このことから、結晶性に優れた硝酸型Mg−Al LDHが得られたことが分かる。   It was confirmed that all the peaks coincided with the rhombohedral unit cell showing the LDH structure. These peaks are obtained by interference of X-rays in the base layers arranged in parallel and periodically. From this data, the lattice constant of LDH was determined. The unit cell had an a-axis length of 0.3050 nm and a c-axis length of 2.675 nm. The interlayer distance of the basic layer was 0.89 nm. This distance is in good agreement with literature values for nitrate-type Mg—Al LDH. This indicates that nitrate-type Mg—Al LDH excellent in crystallinity was obtained.

次に、走査型電子顕微鏡JEOL JSM−6700F(JEOL、Japan)を用いて、硝酸型Mg−Al LDHの表面観察を行った。観察は、加速電圧10kVであった。   Next, using a scanning electron microscope JEOL JSM-6700F (JEOL, Japan), surface observation of nitrate-type Mg—Al LDH was performed. Observation was an acceleration voltage of 10 kV.

図5は、硝酸型Mg−Al LDHのSEM像を示す図である。
図から、硝酸型Mg−Al LDHは、平面状に約10μmの大きさを有する六角板状の結晶であることが分かった。中間層としてアミノ酸を用いたLDHでは、このような大きな結晶を製造することは困難であり得る。中間層として無機アニオンを用いることにより、水熱処理を可能とし、2次元方向によく発達したLDH結晶を容易に得ることができる。
FIG. 5 is a view showing an SEM image of nitrate-type Mg—Al LDH.
From the figure, it was found that the nitrate type Mg—Al LDH was a hexagonal plate-like crystal having a size of about 10 μm in a planar shape. In LDH using an amino acid as an intermediate layer, it can be difficult to produce such a large crystal. By using inorganic anions as the intermediate layer, hydrothermal treatment is possible, and LDH crystals well developed in the two-dimensional direction can be easily obtained.

次いで、高分解能透過型電子顕微鏡JEM−3000F(JEOL、Japan)を用いて、より詳細に硝酸型Mg−Al LDHの観察を行った。観察は、加速電圧300kVで行った。   Next, using a high-resolution transmission electron microscope JEM-3000F (JEOL, Japan), nitrate-type Mg—Al LDH was observed in more detail. Observation was performed at an acceleration voltage of 300 kV.

図6は、硝酸型Mg−Al LDHのTEM像(a)および電子回折パターン(b)を示す図である。
図6(a)TEM像もまた、図5と同様にLDHが六角板状の形態を有していることを示した。また、図6(b)電子回折パターンは、硝酸型Mg−Al LDHが六方晶であることを示す明瞭なスポットを示した。
FIG. 6 is a diagram showing a TEM image (a) and an electron diffraction pattern (b) of nitrate-type Mg—Al LDH.
FIG. 6 (a) TEM image also showed that LDH had a hexagonal plate shape as in FIG. Moreover, the electron diffraction pattern of FIG. 6B showed a clear spot indicating that the nitrate-type Mg—Al LDH is hexagonal.

以上、図4〜図6を参照して、説明したように、中間層として無機イオンを含有し、ミクロンオーダの大きさのLDH結晶を首尾よく製造した。   As described above with reference to FIG. 4 to FIG. 6, as described, LDH crystals containing inorganic ions as an intermediate layer and having a micron order size have been successfully manufactured.

次いで、調製された硝酸型Mg−Al LDHを用いて、剥離を行った。硝酸型Mg−Al LDH0.05gを100cm3のホルムアミドとフラスコ中で混合させた。フラ
スコを窒素ガスでパージした後、密閉した。混合物を室温にて12時間、170rpmの回転速度で攪拌(振盪)した。得られた溶液が、沈殿物のない透明な溶液であることを目視にて確認した。このことは、硝酸型Mg−Al LDHがホルムアミドによって剥離されたことを示唆している。
Next, peeling was performed using the prepared nitrate-type Mg—Al LDH. Nitric acid type Mg—Al LDH 0.05 g was mixed with 100 cm 3 of formamide in a flask. The flask was purged with nitrogen gas and then sealed. The mixture was stirred (shaken) at room temperature for 12 hours at a rotation speed of 170 rpm. It was visually confirmed that the obtained solution was a transparent solution having no precipitate. This suggests that the nitrate-type Mg—Al LDH was peeled off by formamide.

次いで、透明な溶液を20分間、30000rpmの回転速度で遠心分離し、沈降したコロイド状沈降物について次のような分析を行った。   The clear solution was then centrifuged for 20 minutes at a rotational speed of 30000 rpm, and the following analysis was performed on the settled colloidal sediment.

得られたコロイド状沈降物のX線回折パターンを、X線粉末回折装置Rint 2000S(Rigaku、Japan)によって測定した。   The X-ray diffraction pattern of the obtained colloidal sediment was measured with an X-ray powder diffractometer Rint 2000S (Rigaku, Japan).

その結果を図7に示し、詳述する。
図7は、Mg−Al LDHのX線回折パターン(a)と、ホルムアミドおよびコロイド状沈降物のX線回折パターン(b)と、構造因子Fの2乗(c)とを示す図である。
The results are shown in FIG.
FIG. 7 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern (a) of Mg—Al LDH, an X-ray diffraction pattern (b) of formamide and colloidal sediment, and a square of structure factor F (c).

なお、図7(a)には、図4に示す出発物質の硝酸型Mg−Al LDHのX線回折パターンの一部のみを示す。
図7(b)に示されるように、コロイド状沈降物のX線回折パターン2θ=20°〜30°の範囲には、顕著なハローが見られた。これは、コロイド状沈降物中に残留するホルムアミド(ブランクデータ)によるものであることを確認した。また、コロイド状沈降物の低角側のX線回折パターン(図中矢印で示す)は、ブロードな回折パターンを示し、図7(a)に見られるような明瞭なピークが見られなかった。このことは、硝酸型Mg−Al LDHの基本層(平行かつ規則的に配列している)が、コロイド状沈降物中では、ランダムに配列しているため、X線の干渉が生じないためと考えられる。すなわち、硝酸型Mg−Al LDHが剥離したことを強く示唆している。
FIG. 7 (a) shows only a part of the X-ray diffraction pattern of the starting nitrate-type Mg—Al LDH shown in FIG.
As shown in FIG. 7B, a remarkable halo was observed in the X-ray diffraction pattern 2θ = 20 ° to 30 ° of the colloidal sediment. This was confirmed to be due to formamide remaining in the colloidal sediment (blank data). Further, the X-ray diffraction pattern (indicated by an arrow in the figure) on the low-angle side of the colloidal sediment showed a broad diffraction pattern, and a clear peak as seen in FIG. This is because the basic layer of nitrate-type Mg-Al LDH (parallel and regularly arranged) is randomly arranged in the colloidal sediment, so that no interference of X-rays occurs. Conceivable. That is, it strongly suggests that the nitrate-type Mg—Al LDH has been peeled off.

次に、構造因子Fを用いて、硝酸型Mg−Al LDHの剥離について、より詳細に、調べた。   Next, the structure factor F was used to examine the peeling of nitrate-type Mg—Al LDH in more detail.

以前の報告から、H0.7Ti1.8250.1754・H2O(□は空孔を示す)、H0.13Mn
2・0.7H2O、および、HCa2Nb310・1.5H2O等の剥離された層状基本層
(ホスト層)からなるコロイド状沈降物のX線回折パターンが、剥離前に見られた明瞭なピークとは異なるブロードな回折パターンを示すことが知られている。さらに重要なことに、このブロードな回折パターンは、基本層の構造因子の2乗の値にほぼ一致するプロファイルを示すことが分かっている。
これらの知見に基づいて、Mg−Al LDH(ここでは、基本層が、上式(1)において、M2+がMgであり、M3+がAlであり、x=1/3であるMg2/3Al1/3(OH)2とする)の構造因子Fを、式(7)を用いて算出した。
F=fMg/Al+2fOHcos2π・2z・sinθ/λ …(7)
ここで、fMg/AlおよびfOHは、仮想原子種(2/3Mg+1/3Al)および(O+H
)の散乱因子であり、θはX線の回折角であり、λはX線の波長(λ=0.15405nm)である。なお、上式(7)では、LDHの基本層が、xy平面において中心対称であるため、cos項のみを考慮している。以前の報告に基づいて、OHの位置であるzを0.10nmとした。
From previous reports, H 0.7 Ti 1.8250.175 O 4 · H 2 O (□ indicates vacancies), H 0.13 Mn
The X-ray diffraction pattern of the colloidal precipitate composed of the peeled layered basic layer (host layer) such as O 2 · 0.7H 2 O and HCa 2 Nb 3 O 10 · 1.5H 2 O It is known to show a broad diffraction pattern different from the distinct peak seen in FIG. More importantly, it has been found that this broad diffraction pattern exhibits a profile that roughly matches the square of the base layer structure factor.
Based on these findings, Mg—Al LDH (here, the basic layer is Mg in which M 2+ is Mg, M 3+ is Al, and x = 1/3 in the above formula (1)). 2/3 Al 1/3 (OH) 2 ) was calculated using equation (7).
F = f Mg / Al + 2f OH cos 2π · 2z · sin θ / λ (7)
Here, f Mg / Al and f OH are virtual atomic species (2 / 3Mg + 1 / 3Al) and (O + H
) Is the X-ray diffraction angle, and λ is the X-ray wavelength (λ = 0.15405 nm). In the above equation (7), since the LDH basic layer is centrally symmetric in the xy plane, only the cos term is considered. Based on previous reports, z, which is the position of OH, was set to 0.10 nm.

式(7)から得られた結果を図7(c)に示す。図7(c)のプロファイルは、図7(b)のコロイド状沈降物の低角側のX線回折パターンに類似することが分かった。このことから、Mg−Al LDHは、ホルムアミドによって試料全体が完全に剥離されたことが確認された。   The result obtained from the equation (7) is shown in FIG. The profile in FIG. 7 (c) was found to be similar to the low angle X-ray diffraction pattern of the colloidal sediment in FIG. 7 (b). From this, it was confirmed that the entire sample of Mg-Al LDH was completely peeled off by formamide.

従来から、中間層としてアミノ酸等の有機アニオンを含有するLDHが、ホルムアミドによってコロイド化することが報告され、これが剥離によるものと主張されてきたが、本願発明者らは、中間層として無機アニオンを含有するLDHにおいてもホルムアミド等の非プロトン性極性溶媒によって容易に剥離することを見出した。このような、発見は、創意工夫によって初めて見出されるものであることを理解されたい。   Conventionally, it has been reported that LDH containing organic anions such as amino acids as an intermediate layer is colloidalized by formamide, and it has been claimed that this is due to exfoliation. It was found that the contained LDH can be easily peeled off by an aprotic polar solvent such as formamide. It should be understood that such a discovery is first discovered through ingenuity.

次に、上述のコロイド状沈降物(以降では、LDHナノシートまたは複水酸化物ナノシートと称する)を用いて、LDHナノシートの生成を確証した。
LDHナノシートを、Gatan−666電子エネルギー損失分光計およびエネルギー分散X線アナライザーを備えた高分解能透過型電子顕微鏡JEM−3000F(JEOL、Japan)を用いて、観察を行った。加速電圧は300kVであった。
Next, the production of LDH nanosheets was confirmed using the above colloidal sediment (hereinafter referred to as LDH nanosheets or double hydroxide nanosheets).
The LDH nanosheets were observed using a high resolution transmission electron microscope JEM-3000F (JEOL, Japan) equipped with a Gatan-666 electron energy loss spectrometer and an energy dispersive X-ray analyzer. The acceleration voltage was 300 kV.

図8は、LDHナノシートのTEM像および電子回折パターンを示す図である。
図8のTEM像は、LDHナノシートが二次元方向に約2μmの広がりを有していることを示す。また、LDHナノシートは、出発物質として用いたLDHの六方晶の構造を維持していることも示す。またEDX分析を行った結果、Mg、Al、O、CおよびCuが検出された。検出された元素のうちCおよびCuは、TEMのグリッドの構成元素に相当
する。また、MgとAlとの比は、1.6であった。この値は、出発物質の硝酸型Mg−Al LDHにおけるMgとAlとの比1.91にほぼ一致する。
FIG. 8 is a diagram showing a TEM image and an electron diffraction pattern of an LDH nanosheet.
The TEM image in FIG. 8 shows that the LDH nanosheet has a spread of about 2 μm in the two-dimensional direction. It also shows that the LDH nanosheet maintains the hexagonal structure of LDH used as the starting material. As a result of EDX analysis, Mg, Al, O, C, and Cu were detected. Among the detected elements, C and Cu correspond to the constituent elements of the TEM grid. Further, the ratio of Mg to Al was 1.6. This value almost coincides with the ratio of Mg to Al in the starting nitrate-type Mg—Al LDH of 1.91.

図8の電子回折パターンは、LDHナノシートが六方晶であることを示す明瞭なスポットを示した。電子回折パターンから求めた単位格子のa軸長は、0.31nmであり、出発物質の硝酸型Mg−Al LDHの単位格子のa軸長(0.3050nm)にほぼ一致した。   The electron diffraction pattern of FIG. 8 showed a clear spot indicating that the LDH nanosheet was hexagonal. The a-axis length of the unit cell obtained from the electron diffraction pattern was 0.31 nm, which almost coincided with the a-axis length (0.3050 nm) of the unit cell of nitric acid Mg-Al LDH as a starting material.

以上より、LDHナノシートは、出発物質として用いた硝酸型Mg−Al LDHの結晶構造を損なうことなく維持した状態で、良好に剥離されていることが分かった。   From the above, it was found that the LDH nanosheet was peeled well in a state where the crystal structure of the nitrate-type Mg—Al LDH used as the starting material was maintained without being impaired.

次に、LDHナノシートの表面トポグラフィをSeiko SPS−100原子間力顕微鏡(AFM)を用いて調べた。表面トポグラフィ用の試料は、Si基板にLDHナノシートを吸着させることによって調製された。測定は、シリコンチップを備えたカンチレバーで、14N/mのタッピングモードで行った。   Next, the surface topography of the LDH nanosheet was examined using a Seiko SPS-100 atomic force microscope (AFM). Samples for surface topography were prepared by adsorbing LDH nanosheets on a Si substrate. The measurement was performed with a cantilever equipped with a silicon chip in a tapping mode of 14 N / m.

図9は、LDHナノシートのAFM像を示す図である。
図9は、LDHナノシートが一部の重なりを除いて単一シートとして基板上に吸着している様子を示している。それぞれのシートの大きさは、図8で上述したように、約2μmであった。LDHナノシート間の段差から得られるLDHナノシートの厚さは、0.81±0.05nmであり、単層シートであることが確認された。
FIG. 9 is a diagram showing an AFM image of the LDH nanosheet.
FIG. 9 shows a state in which the LDH nanosheets are adsorbed on the substrate as a single sheet except for some overlap. The size of each sheet was about 2 μm as described above with reference to FIG. The thickness of the LDH nanosheet obtained from the step between the LDH nanosheets was 0.81 ± 0.05 nm, confirming that it was a single layer sheet.

次に、実施例1で得られたLDHナノシートを用いて、新規な複合薄膜材料を製造した。メタノール/塩酸(体積1:1で混合)および濃硫酸中で、Si基板および石英基板を20分間ずつ洗浄した。次いで、基板を水で洗浄した後、ポリエチレンイミン(PEI、1.25g/dm3、pH=9)に基板を20分間浸漬させた。これにより、基板に正に
帯電したPEIが付与(コーティング)された。次に、PEIが付与された基板(PEI/Sub)(ここでSubは基板を示す)を、4−スチレンスルホン酸ナトリウム(PSS)水溶液(1g/dm3)に20分間浸漬させ、その後、水で洗浄した。次いで、PS
S/PEI/Subを、LDHナノシートを含むコロイド溶液(0.5g/dm3)に2
0分間浸漬させ、再度、水で洗浄した。このようにして、(LDHナノシート/PSS)n=1/PEI/Subが得られた。その後、PSSおよびLDHナノシートを付与する工
程をn回(n;累積回数、1≦n≦10)繰り返し、複合薄膜材料(LDHナノシート/PSS)nを得た。
Next, a novel composite thin film material was manufactured using the LDH nanosheet obtained in Example 1. The Si substrate and the quartz substrate were washed for 20 minutes each in methanol / hydrochloric acid (mixed at a volume ratio of 1: 1) and concentrated sulfuric acid. Next, after the substrate was washed with water, the substrate was immersed in polyethyleneimine (PEI, 1.25 g / dm 3 , pH = 9) for 20 minutes. As a result, positively charged PEI was applied (coated) to the substrate. Next, a substrate (PEI / Sub) to which PEI was applied (where Sub represents a substrate) was immersed in an aqueous solution of sodium 4-styrenesulfonate (PSS) (1 g / dm 3 ) for 20 minutes, and then water Washed with. Then PS
Add S / PEI / Sub to a colloidal solution (0.5 g / dm 3 ) containing LDH nanosheets.
It was immersed for 0 minutes and washed again with water. In this way, (LDH nanosheet / PSS) n = 1 / PEI / Sub was obtained. Thereafter, the step of applying PSS and LDH nanosheet was repeated n times (n; cumulative number, 1 ≦ n ≦ 10) to obtain a composite thin film material (LDH nanosheet / PSS) n .

n=1の場合の複合薄膜材料の表面トポグラフィをSeiko SPS−100原子間力顕微鏡(AFM)を用いて調べた。測定は、シリコンチップを備えたカンチレバーで、14N/mのタッピングモードで行った。   The surface topography of the composite thin film material when n = 1 was examined using a Seiko SPS-100 atomic force microscope (AFM). The measurement was performed with a cantilever equipped with a silicon chip in a tapping mode of 14 N / m.

図10は、LDHナノシート/PSS/PEI/SubのAFM像を示す図である。ここでは、基板としてSi基板を用いた。
表面には、PSSおよびPEIの存在は確認されなかった。このことは、全体がLDHナノシートで被覆されていることを示す。表面を覆うLDHナノシートは、数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲の大きなサイズであり、基板表面をほぼ効率的に被覆しているのが分かる。負に帯電したPSS上にLDHナノシートが位置していることから、LDHナノシートは正に帯電(カチオン性)していることが確認された。
FIG. 10 is a diagram showing an AFM image of LDH nanosheet / PSS / PEI / Sub. Here, a Si substrate was used as the substrate.
The presence of PSS and PEI was not confirmed on the surface. This indicates that the whole is coated with LDH nanosheets. It can be seen that the LDH nanosheet covering the surface has a large size in the range of several hundred nanometers to several micrometers and covers the substrate surface almost efficiently. Since the LDH nanosheet was positioned on the negatively charged PSS, it was confirmed that the LDH nanosheet was positively charged (cationic).

次に、複合薄膜材料(LDHナノシート/PSS)nのHitachi U−4000
分光光度計(Hitachi、Japan)を用いて、透過モードで紫外・可視吸収スペ
クトルを測定した。測定は、LDHナノシートの累積直後にそれぞれ行った。
Next, Hitachi U-4000 of composite thin film material (LDH nanosheet / PSS) n
Using a spectrophotometer (Hitachi, Japan), an ultraviolet / visible absorption spectrum was measured in a transmission mode. The measurement was performed immediately after the accumulation of LDH nanosheets.

図11は、複合薄膜材料(LDHナノシート/PSS)nの紫外・可視吸収スペクトル
を示す図である。ここでは、基板として石英ガラスを用いた。
図には、累積回数n=1〜10それぞれの紫外・可視吸収スペクトルを示されており、挿入図は、波長193nmにおける吸光度と累積回数との関係を示す。いずれのスペクトルにも見られる、約200nm近傍における吸収は、PSSによるものである。このPSSの吸光度は、累積回数が増加するにつれて増大した。
FIG. 11 is a diagram showing an ultraviolet / visible absorption spectrum of a composite thin film material (LDH nanosheet / PSS) n . Here, quartz glass was used as the substrate.
In the figure, the ultraviolet and visible absorption spectra for the cumulative number n = 1 to 10 are shown, and the inset shows the relationship between the absorbance at the wavelength of 193 nm and the cumulative number. Absorption in the vicinity of about 200 nm, which is seen in any spectrum, is due to PSS. The absorbance of this PSS increased as the cumulative number increased.

より詳細には、挿入図として示されるように、累積回数nが増加するにつれて、PSSの吸光度は、線形に増大し、累積回数n=10において、吸光度0.34が得られた。このような累積回数に依存したPSSの吸光度の線形増加は、LDHナノシートとPSSとが交互に積層された多層膜からなる複合薄膜材料が形成されたことを示す。また、吸光度0.34は、塩化ポリジアリルジメチルアンモニウム(PDDA)を用いて、PSSを積層させた多層膜で得られる吸光度に匹敵する。したがって、本発明によるLDHナノシートは、アニオン性高分子からなる多層膜を製造する際の新規なカチオン性リンカーとして有効であり得る。   More specifically, as shown in the inset, the absorbance of PSS increased linearly as the cumulative number n increased, and an absorbance of 0.34 was obtained at the cumulative number n = 10. Such a linear increase in the absorbance of PSS depending on the cumulative number indicates that a composite thin film material composed of a multilayer film in which LDH nanosheets and PSS are alternately laminated is formed. The absorbance 0.34 is comparable to the absorbance obtained with a multilayer film in which PSS is laminated using polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA). Therefore, the LDH nanosheet according to the present invention can be effective as a novel cationic linker in producing a multilayer film composed of an anionic polymer.

次に、複合薄膜材料(LDHナノシート/PSS)nのX線回折パターンを、上述の出
発物質である硝酸型Mg−Al LDH結晶およびLDHナノシートのX線回折パターンと同様に、X線粉末回折装置Rint 2000S(Rigaku、Japan)によって求めた。測定条件も同じである。
Next, the X-ray diffraction pattern of the composite thin film material (LDH nanosheet / PSS) n is the same as the X-ray diffraction pattern of the nitrate-type Mg—Al LDH crystal and LDH nanosheet which are the starting materials described above. Determined by Rint 2000S (Rigaku, Japan). The measurement conditions are the same.

図12は、複合薄膜材料(LDHナノシート/PSS)nのX線回折パターンを示す図
である。ここでは、基板としてSi基板を用いた。図が複雑になるのを避けるため、図には累積回数n=3、5および10のX線回折パターンのみ示す。
いずれの回折パターンも2θ=4.4°に回折ピークを示した。このことから、PSSの層間距離は、約2.2nmであることが分かった。2θ=4.4°の回折ピークは、いずれもブロードではあるが、累積回数nが増加するにつれてそのピーク強度も増加した。また、累積回数n=10の複合薄膜材料においては、2次の回折ピークが2θ=8.6°に確認された。
FIG. 12 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a composite thin film material (LDH nanosheet / PSS) n . Here, a Si substrate was used as the substrate. In order to avoid complication of the figure, only X-ray diffraction patterns with cumulative number n = 3, 5 and 10 are shown in the figure.
All diffraction patterns showed a diffraction peak at 2θ = 4.4 °. From this, it was found that the interlayer distance of PSS was about 2.2 nm. The diffraction peaks at 2θ = 4.4 ° were all broad, but the peak intensity increased as the cumulative number n increased. Further, in the composite thin film material having the cumulative number n = 10, a second-order diffraction peak was confirmed at 2θ = 8.6 °.

このように、本発明によれば、カチオン性複水酸化物ナノシート(LDHナノシート)をリンカーとして用いることによって、アニオン性高分子からなる多層膜を製造することができる。特に、本発明による複水酸化物ナノシートは、従来の複水酸化物ナノシートに比べて大面積を有するため、高品位の多層膜を得ることができ、材料設計において有利であり得る。   Thus, according to the present invention, a multilayer film made of an anionic polymer can be produced by using a cationic double hydroxide nanosheet (LDH nanosheet) as a linker. In particular, since the double hydroxide nanosheet according to the present invention has a larger area than the conventional double hydroxide nanosheet, a high-quality multilayer film can be obtained, which can be advantageous in material design.

以上、説明してきたように、本発明によれば、中間層として無機アニオンを有するLDHから複水酸化物ナノシートを容易に製造することができる。複水酸化物ナノシートは、新規なカチオン性のナノ材料として有用であり得る。また、この複水酸化物ナノシートを利用して、配向したLDH薄膜材料、さらには、新規な複合薄膜材料を提供することができる。このようなLDH薄膜材料、複水酸化物ナノシートを用いた複合薄膜材料は、触媒、センサ、帯電防止コーティング等に利用可能であり得る。   As described above, according to the present invention, a double hydroxide nanosheet can be easily produced from LDH having an inorganic anion as an intermediate layer. Double hydroxide nanosheets can be useful as novel cationic nanomaterials. Further, by using this double hydroxide nanosheet, an oriented LDH thin film material, and further a novel composite thin film material can be provided. Such LDH thin film materials and composite thin film materials using double hydroxide nanosheets can be used for catalysts, sensors, antistatic coatings and the like.

本発明のLDHを剥離する方法を示すフローチャートThe flowchart which shows the method of peeling LDH of this invention 本発明による複水酸化物ナノシートを用いたLDH薄膜材料(a)、および、有機−LDH薄膜材料(b)の模式図Schematic diagram of LDH thin film material (a) and organic-LDH thin film material (b) using double hydroxide nanosheets according to the present invention 本発明による複水酸化物ナノシートを用いた複合薄膜材料の模式図Schematic diagram of composite thin film material using double hydroxide nanosheet according to the present invention 硝酸型Mg−Al LDHのX線回折パターンを示す図The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of nitric acid type Mg-Al LDH 硝酸型Mg−Al LDHのSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of nitric acid type Mg-Al LDH 硝酸型Mg−Al LDHのTEM像(a)および電子回折パターン(b)を示す図The figure which shows the TEM image (a) and electron diffraction pattern (b) of nitric acid type Mg-Al LDH Mg−Al LDHのX線回折パターン(a)と、ホルムアミドおよびコロイド状沈降物のX線回折パターン(b)と、構造因子Fの2乗(c)とを示す図The figure which shows the X-ray-diffraction pattern (a) of Mg-Al LDH, the X-ray-diffraction pattern (b) of formamide and a colloidal sediment, and the square of the structure factor F (c) LDHナノシートのTEM像および電子回折パターンを示す図The figure which shows the TEM image and electron diffraction pattern of LDH nanosheet LDHナノシートのAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of a LDH nanosheet LDHナノシート/PSS/PEI/SubのAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of LDH nanosheet / PSS / PEI / Sub 複合薄膜材料(LDHナノシート/PSS)nの紫外・可視吸収スペクトルを示す図The figure which shows the ultraviolet and visible absorption spectrum of a composite thin film material (LDH nanosheet / PSS) n 複合薄膜材料(LDHナノシート/PSS)nのX線回折パターンを示す図Diagram showing X-ray diffraction pattern of composite thin film material (LDH nanosheet / PSS) n

符号の説明Explanation of symbols

200 LDH薄膜材料
210 基板
220、320 複水酸化物ナノシート
230、250 中間層
300 複合薄膜材料
310 アニオン性高分子層
340 接着層
200 LDH thin film material 210 Substrate 220, 320 Double hydroxide nanosheet 230, 250 Intermediate layer 300 Composite thin film material 310 Anionic polymer layer 340 Adhesive layer

Claims (27)

層状複水酸化物を剥離する方法であって、
前記層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程
を包含し、
前記層状複水酸化物は、式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)
ここで、前記式(1)〜前記式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2-、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであり、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5である、方法。
A method for peeling off a layered double hydroxide,
Mixing the layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent,
The layered double hydroxide is represented by any one of formulas (1) to (3),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1)
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3)
Here, the formula (1) to the formula (3), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, An inorganic anion selected from the group consisting of ClO 3 , ClO 4 , F , Br , I , CO 3 2− , SO 4 2− , and mixtures thereof, and n is the inorganic anion Wherein m is a real number greater than 0 and x is 0 <x <0.5.
前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the M 2+ is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca. 前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein M 3+ is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La. 前記非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミド、および、ジメチルホルムアミドからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the aprotic polar organic solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethylsulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide. 前記混合する工程は、不活性ガスでパージし、室温にて1時間〜24時間、振盪させる、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the mixing is purged with an inert gas and shaken at room temperature for 1 to 24 hours. 式(4)〜(6)のいずれかで表される複水酸化物ナノシートであって、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+…(4)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+…(5)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+…(6)
ここで、前記式(4)〜前記式(6)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、xは、0<x<0.5であり、前記複水酸化物ナノシートの長手方向の大きさは、5nm以上50μm以下であり、前記複水酸化物ナノシートの厚さは、0.3nm以上2nm以下である、複水酸化物ナノシート。
A double hydroxide nanosheet represented by any one of formulas (4) to (6),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + (4)
[Li + 1-x M3 + x (OH) 2 ] (2x-1) + (5)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + (6)
Here, in the formulas (4) to (6), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, and x is 0 <x <0.5. The double hydroxide nanosheet has a size in the longitudinal direction of 5 nm to 50 μm, and the double hydroxide nanosheet has a thickness of 0.3 nm to 2 nm.
前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択される、請求項6に記載の複水酸化物ナノシート。 The double hydroxide nanosheet according to claim 6, wherein the M 2+ is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca. 前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択される、請求項6に記載の複水酸化物ナノシート。 The double hydroxide nanosheet according to claim 6, wherein said M 3+ is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La. 層状複水酸化物を剥離する方法によって得られる複水酸化物ナノシートであって、前記方法は、
前記層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程
を包含し、
前記層状複水酸化物は、式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)
ここで、前記式(1)〜前記式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであ
り、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5である、複水酸化物ナノシート。
A double hydroxide nanosheet obtained by a method of exfoliating a layered double hydroxide, the method comprising:
Mixing the layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent,
The layered double hydroxide is represented by any one of formulas (1) to (3),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1)
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3)
Here, the formula (1) to the formula (3), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, An inorganic anion selected from the group consisting of ClO 3 , ClO 4 , F , Br , I , CO 3 2 , SO 4 2− , and mixtures thereof, A double hydroxide nanosheet wherein the valence is m is a real number greater than 0 and x is 0 <x <0.5.
前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択される、請求項9に記載の複水酸化物ナノシート。 The double hydroxide nanosheet according to claim 9, wherein the M 2+ is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca. 前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択される、請求項9に記載の複水酸化物ナノシート。 The double hydroxide nanosheet according to claim 9, wherein M 3+ is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La. 前記非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミド、および、ジメチルホルムアミドからなる群から選択される、請求項9に記載の複水酸化物ナノシート。   The double hydroxide nanosheet according to claim 9, wherein the aprotic polar organic solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethylsulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide. 層状複水酸化物薄膜材料を製造する方法であって、
層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程と、
前記混合する工程で得られた混合溶液を、スピンコーティングまたはディップコーティングによって基板に付与する工程と
を包含し、
前記層状複水酸化物は、式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)
ここで、前記式(1)〜前記式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2-、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであり、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5である、方法。
A method for producing a layered double hydroxide thin film material,
Mixing the layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent;
Applying the mixed solution obtained in the mixing step to a substrate by spin coating or dip coating,
The layered double hydroxide is represented by any one of formulas (1) to (3),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1)
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3)
Here, the formula (1) to the formula (3), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, An inorganic anion selected from the group consisting of ClO 3 , ClO 4 , F , Br , I , CO 3 2− , SO 4 2− , and mixtures thereof, and n is the inorganic anion Wherein m is a real number greater than 0 and x is 0 <x <0.5.
前記付与する工程で得られた付与物をイオン交換する工程をさらに包含する、請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, further comprising a step of ion exchange of the imparted product obtained in the imparting step. 前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択される、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, wherein the M 2+ is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca. 前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択される、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, wherein M 3+ is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La. 前記非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミド、および、ジメチルホルムアミドからなる群から選択される、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the aprotic polar organic solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethylsulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide. 複水酸化物ナノシートとアニオン性高分子層とを含む複合薄膜材料を製造する方法であって、
層状複水酸化物を非プロトン性極性有機溶媒と混合する工程であって、前記層状複水酸化物は、式(1)〜式(3)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+[An- x/n・mH2O]x-…(1)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+[An- (2x-1)/n・mH2O](2x-1)-…(2)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+[An- 2x/n・mH2O]2x-…(3)
ここで、前記式(1)〜前記式(3)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、An-は、NO3 -、Cl-、ClO3 -、ClO4 -、F-、Br-、I-、CO3 2-、SO4 2-、および、これらの混合物からなる群から選択される無機アニオンであり、nは、前記無機アニオンの価数であり、mは、0より大きい実数であり、xは、0<x<0.5である、工程と、
基板に4−スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸ナトリウム、ポリ−(1−(4−(3−カルボキシ−4−ヒドロキシフェニルアゾ)−ベンゼンスルフォノアミド)−1,2−エタンジニル)ナトリウム、ポリアニリンプロパンスルフォン酸、および、ポリアニリンスルフォン酸からなる群から選択されるアニオン性高分子を付与する工程と、
前記アニオン性高分子上に前記混合する工程で得られた混合溶液を付与する工程と
を包含する、方法。
A method for producing a composite thin film material comprising a double hydroxide nanosheet and an anionic polymer layer,
A step of mixing a layered double hydroxide with an aprotic polar organic solvent, wherein the layered double hydroxide is represented by any one of formulas (1) to (3);
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + [A n− x / n · mH 2 O] x− (1)
[Li + 1-x M 3+ x (OH) 2] (2x-1) + [A n- (2x-1) / n · mH 2 O] (2x-1) - ... (2)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + [A n- 2x / n · mH 2 O] 2x- (3)
Here, the formula (1) to the formula (3), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is, NO 3 -, Cl -, An inorganic anion selected from the group consisting of ClO 3 , ClO 4 , F , Br , I , CO 3 2− , SO 4 2− , and mixtures thereof, and n is the inorganic anion Wherein m is a real number greater than 0 and x is 0 <x <0.5;
Sodium 4-styrenesulfonate, sodium polyvinylsulfonate, poly- (1- (4- (3-carboxy-4-hydroxyphenylazo) -benzenesulfonamido) -1,2-ethanedinyl) sodium, polyanilinepropane Providing an anionic polymer selected from the group consisting of sulfonic acid and polyaniline sulfonic acid;
Applying the mixed solution obtained in the mixing step onto the anionic polymer.
前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択される、請求項18に記載の方法。 The method of claim 18, wherein the M 2+ is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca. 前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択される、請求項18に記載の方法。 The method of claim 18, wherein the M 3+ is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La. 前記非プロトン性極性有機溶媒は、ホルムアミド、ジメチルスルホキド、メチルホルムアミド、および、ジメチルホルムアミドからなる群から選択される、請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, wherein the aprotic polar organic solvent is selected from the group consisting of formamide, dimethylsulfoxide, methylformamide, and dimethylformamide. 前記混合する工程は、不活性ガスでパージし、室温にて1時間〜24時間、振盪させる、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein the mixing step is purged with an inert gas and shaken at room temperature for 1 to 24 hours. 前記アニオン性高分子を付与する工程と、前記混合溶液を付与する工程とを交互に繰り返す工程と
をさらに包含する、請求項18に記載の方法。
The method according to claim 18, further comprising the step of alternately applying the step of applying the anionic polymer and the step of applying the mixed solution.
少なくとも一組の複水酸化物ナノシートおよびアニオン性高分子層を含む複合薄膜材料であって、
前記複水酸化物ナノシートは、式(4)〜式(6)のいずれかで表され、
[M2+ 1-x3+ x(OH)2x+…(4)
[Li+ 1-x3+ x(OH)2(2x-1)+…(5)
[M2+ 1-xTi4+ x(OH)22x+…(6)
ここで、前記式(4)〜前記式(6)において、M2+は2価金属イオンであり、M3+は3価金属イオンであり、xは、0<x<0.5であり、前記複水酸化物ナノシートの長手方向の大きさは、5nm以上50μm以下であり、前記複水酸化物ナノシートの厚さは、0.3nm以上2nm以下であり、
前記アニオン性高分子層は、4−スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸ナトリウム、ポリ−(1−(4−(3−カルボキシ−4−ヒドロキシフェニルアゾ)−ベンゼンスルフォノアミド)−1,2−エタンジニル)ナトリウム、ポリアニリンプロパンスルフォン酸、および、ポリアニリンスルフォン酸からなる群から選択される、複合薄膜材料。
A composite thin film material comprising at least one set of double hydroxide nanosheets and an anionic polymer layer,
The double hydroxide nanosheet is represented by any one of formulas (4) to (6),
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + (4)
[Li + 1-x M3 + x (OH) 2 ] (2x-1) + (5)
[M 2+ 1-x Ti 4+ x (OH) 2 ] 2x + (6)
Here, in the formulas (4) to (6), M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, and x is 0 <x <0.5. The size in the longitudinal direction of the double hydroxide nanosheet is 5 nm or more and 50 μm or less, and the thickness of the double hydroxide nanosheet is 0.3 nm or more and 2 nm or less,
The anionic polymer layer is composed of sodium 4-styrenesulfonate, sodium polyvinylsulfonate, poly- (1- (4- (3-carboxy-4-hydroxyphenylazo) -benzenesulfonamide) -1,2- Etanedinyl) sodium, polyaniline propane sulfonic acid, and a composite thin film material selected from the group consisting of polyaniline sulfonic acid.
前記M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、および、Caからなる群から選択される、請求項24に記載の複合薄膜材料。 The composite thin film material according to claim 24, wherein the M 2+ is selected from the group consisting of Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ca. 前記M3+は、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、および、Laからなる群から選択される、請求項24に記載の複合薄膜材料。 The composite thin film material according to claim 24, wherein said M 3+ is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and La. 前記少なくとも一組の複水酸化物ナノシートおよび前記アニオン性高分子層は、交互に積層されている、請求項24に記載の複合薄膜材料。

The composite thin film material according to claim 24, wherein the at least one set of double hydroxide nanosheets and the anionic polymer layer are alternately laminated.

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