JP7265093B2 - 組成物の製造方法 - Google Patents
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Description
ホウ素をヘテロ原子として含むホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含み、25℃、1気圧において固体である、組成物。
反応性基を有する有機化合物、ホウ素化合物、および層状粘土鉱物の混合物を調製する工程と、前記混合物を加熱し、ホウ素をヘテロ原子として含むホウ素含有炭素量子ドット、および層状粘土鉱物、を含む組成物を得る工程と、を有する、組成物の製造方法。
反応性基を有する有機化合物およびホウ素化合物の混合物を調製する工程と、前記混合物を加熱し、ホウ素をヘテロ原子として含むホウ素含有炭素量子ドットを得る工程と、前記ホウ素含有炭素量子ドットおよび層状粘土鉱物を混合する工程と、を有する、組成物の製造方法。
上述のように、本発明の組成物が含むホウ素含有炭素量子ドットは、ヘテロ原子としてホウ素原子を含む。ホウ素含有炭素量子ドットが含むホウ素原子の量は、ホウ素含有炭素量子ドットの全ての原子の量に対して0.1~60質量%が好ましく、1~50質量%がより好ましい。ホウ素原子の量が当該範囲であると、ホウ素含有炭素量子ドットが極性を有しやすくなり、層状粘土鉱物との親和性が高まる。ひいては、組成物の量子収率が高まりやすくなる。ホウ素原子の量は、X線光電子分光法によって確認できる。ホウ素原子の量は、ホウ素含有炭素量子ドットを作製する際に使用するホウ素化合物の量と、炭素を含む有機化合物の量との比等によって調整できる。ホウ素含有炭素量子ドットの調製方法については、後で詳しく説明する。
層状粘土鉱物は、ケイ素、アルミニウム、酸素等が所定の構造で配列した結晶層の積層体であり、一般的に、結晶層どうしの間には、水や金属イオン、カリウムやマグネシウム、水、有機物等が取り込まれている。層状粘土鉱物は、アニオン交換性であってもよく、カチオン交換性であってもよい。
上記ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む組成物の調製方法の例には、以下の2つの方法が含まれる。ただし、上記組成物の調製方法は、当該方法に限定されない。
第1の調製方法は、反応性を有する有機化合物、ホウ素化合物、および層状粘土鉱物の混合物を調製する工程(混合物調製工程)と、当該混合物を加熱し、上述の組成物を得る工程(焼成工程)と、を含む。当該方法では、層状粘土鉱物の存在下でホウ素含有炭素量子ドットを生成する。そのため、層状粘土鉱物の層間をテンプレートとして、ホウ素含有炭素量子ドットの大きさを調整しやすく、得られる組成物の固体蛍光量子収率が高まりやすい、という利点がある。以下、各工程について説明する。
混合物調製工程では、反応性を有する有機化合物と、ホウ素化合物と、層状粘土鉱物とを混合する。有機化合物は、反応性基を有し、炭化によって炭素量子ドットを生成可能な化合物であれば特に制限されない。本明細書において、「反応性基」とは、後述の焼成工程において、有機化合物どうしの重縮合反応等を生じさせるための基であり、ホウ素含有炭素量子ドットの主骨格の形成に寄与する基である。なお、ホウ素含有炭素量子ドットには、これらの反応性基の一部が残存してもよい。反応性基の例には、カルボキシ基、ヒドロキシ基、エポキシ基、アミド基、スルホ基、およびアミノ基等が含まれる。当該有機化合物は、ホウ素含有炭素量子ドットにおいて、ホウ素原子以外のヘテロ原子となる成分(例えば、リン原子や硫黄原子、ケイ素原子、フッ素原子等)を含んでいてもよい。なお、混合物調製工程では、二種以上の有機化合物を層状粘土鉱物と混合してもよい。この場合、複数の有機化合物は、互いに反応しやすい基を有することが好ましい。
焼成工程は、上述の混合物を加熱し、有機化合物やホウ素化合物を層状粘土鉱物と共に焼成してホウ素含有炭素量子ドットと層状粘土鉱物とを含有する組成物を得る工程である。混合物の加熱方法は、有機化合物やホウ素化合物を反応させてホウ素含有炭素量子ドットを調製可能であれば特に制限されず、例えば加熱する方法や、マイクロ波を照射する方法等が含まれる。
上述の組成物を調製する方法の第2の方法は、反応性基を有する有機化合物およびホウ素化合物の混合物を調製する工程(混合物調製工程)と、混合物を加熱し、ホウ素をヘテロ原子として含むホウ素含有炭素量子ドットを得る工程(焼成工程)と、ホウ素含有炭素量子ドットおよび層状粘土鉱物を混合する工程(組成物調製工程)と、を含む。当該方法では、ホウ素含有炭素量子ドットを調製した後、当該ホウ素含有炭素量子ドットを層状粘土鉱物と混合する。当該方法においても、ホウ素含有炭素量子ドットと層状粘土鉱物とを十分に混合することで、ホウ素含有炭素量子ドットを組成物中に微分散させることができる。以下、各工程について説明する。
混合物調製工程では、反応性基を有する有機化合物と、ホウ素を含むホウ素化合物とを混合し、混合物を調製する。必要に応じて、上述のその他の化合物を混合してもよい。有機化合物やホウ素化合物、その他の化合物については、上述の第1の方法で使用するものと同様である。また、有機化合物やホウ素化合物、その他の化合物を混合する方法は、これらを均一に混合可能であれば、特に制限されない。例えば、乳鉢ですりつぶしながら混合したり、ボールミル等によって粉砕しながら混合したり、水や有機溶媒に溶解、混和あるいは分散させて混合したり、有機化合物またはホウ素化合物自体が液体である場合は、これらにその他の成分を溶解、混和あるいは分散させて混合したりしてもよい。液体状の混合物は乾燥させてもよいし、そのまま次の工程に用いてもよい。副反応を抑制する観点から、混合物は固体状であることが好ましい。
焼成工程は、上述の混合物調製工程で調製した混合物を加熱し、有機化合物やホウ素化合物を反応させてホウ素含有炭素量子ドットとする工程である。混合物の加熱方法は、有機化合物やホウ素化合物を反応させて、ホウ素含有炭素量子ドットを調製可能であれば特に制限されず、例えば加熱する方法や、マイクロ波を照射する方法等が含まれる。当該加熱方法や、マイクロ波の照射方法は、第1の調製方法の焼成工程と同様である。
上述の焼成工程で得られたホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物とを混合する。これにより、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物とが均一に分散された炭素量子ドット含有組成物が得られる。ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物との混合は、乳鉢ですりつぶしながら行ってもよく、ボールミル等によって粉砕しながら混合したり、水や有機溶媒に分散させて混合したりしてもよい。水や有機溶媒は、混合後、乾燥等によって除去する。
上述のホウ素含有炭素量子ドットおよび層状粘土鉱物を含む組成物は、発光性が良好であったり、ホウ素含有炭素量子ドットが有する官能基を利用して特定物質を分離させる分離剤として有用であったりする。したがって、当該組成物は各種用途に利用可能である。
(1)組成物の調製
サポナイト(スメクトンSA、クニミネ工業社製)1.0gと、フロログルシノール二水和物0.15gと、ホウ酸0.057gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、200℃で3時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む組成物(複合体)を調製した。
上記で得られた組成物をKBrプレートに挟み、プレスして測定用サンプルを作製した。積分球ユニットILF-835付属の分光蛍光光度計FP-8500(日本分光社製)を用いて、当該測定用サンプルの固体状態での発光波長(極大発光波長)、蛍光量子収率を評価した。励起光は、組成物の蛍光量子収率が最大となる波長の光とした。
熱重量分析装置TGA2(Mettler社製)を用いて、組成物の熱安定性を評価した。40ml/分の空気気流下、昇温速度10℃/分で測定を行い、測定開始から5%の重量が減少した温度を5%重量減少温度とした。
ハイドロタルサイト(富士フイルム和光純薬社製)0.5gと、クエン酸0.15gと、ジシアンジアミド0.1gと、ホウ酸0.048gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、170℃で1.5時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性および熱安定性を評価した。
サポナイト0.5gと、クエン酸0.15gと、ジシアンジアミド0.1gと、四ホウ酸ナトリウム0.039gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、170℃で1.5時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性および熱安定性を評価した。
蛍光X線分析装置ZSX Primus IV(リガク社製)を用いて、組成物の元素分析を行った。組成物0.1gのケイ素由来のピーク強度と、原料として用いたサポナイト0.1gのケイ素由来のピーク強度とを比較し、組成物中の層状粘土鉱物含有量を評価した。結果を表2に示す。
クエン酸0.15gと、ホウ酸0.048gとを乳鉢ですりつぶした。当該混合物を、三方コックを取り付けた内容積50mlのフラスコに入れ、窒素気流下、170℃で90分加熱して炭素量子ドットを合成した。合成した炭素量子ドットを0.01g測り取り、サポナイト0.09gとともに乳鉢ですりつぶすことで両者を混合し、組成物を得た。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性および熱安定性を評価した。さらに、実施例3と同様に、組成物中の層状粘土鉱物含有量を評価した。結果を表2に示す。
サポナイト0.5gと、L-システイン塩酸塩一水和物0.15gと、ホウ酸0.055gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、170℃で1.5時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む炭素量子ドット含有組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性を評価した。
サポナイト0.1gと、フロログルシノール二水和物0.015gと、ホウ酸0.0057gと、酸化リン(V)0.004gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、200℃で3時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む炭素量子ドット含有組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性を評価した。
サポナイト0.1gと、フロログルシノール二水和物0.04gと、ホウ酸0.015gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、200℃で3時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む炭素量子ドット含有組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性を評価した。また、実施例3と同様に、組成物中の層状粘土鉱物含有量を評価した。結果を表2に示す。
上述の組成物と臭化カリウムを乳鉢ですりつぶして混合し、この混合物を加圧成形して臭化カリウム錠剤を作製した。フーリエ変換赤外分光光度計FT/IR-4100(日本分光社製)を用いて、当該臭化カリウム錠剤の赤外吸収スペクトルを測定した。結果を図1に示す。当該赤外吸収スペクトルの横軸は波数、縦軸は透過率である。
フロログルシノール二水和物0.15gと、ホウ酸0.057gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、200℃で3時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットを合成した。実施例1と同様に、調製した炭素量子ドットの発光特性および熱安定性を評価した。
クエン酸0.15gと、ジシアンジアミド0.1gと、ホウ酸0.048gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、170℃で1.5時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットを合成した。実施例1と同様に、調製した炭素量子ドットの発光特性および熱安定性を評価した。
サポナイト1.0gと、フロログルシノール二水和物0.15gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、200℃で3時間加熱し、炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む炭素量子ドット含有組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性および熱安定性を評価した。
フロログルシノール二水和物0.15gを内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、200℃で3時間加熱し、炭素量子ドットを合成した。
クエン酸0.15gと、ホウ酸0.048gとを乳鉢ですりつぶした。当該混合物を、三方コックを取り付けた内容積50mlのフラスコに入れ、窒素気流下、170℃で90分加熱して炭素量子ドットを合成した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性、熱安定性を評価した。
クエン酸0.15gと、ジシアンジアミド0.1gと、四ホウ酸ナトリウム0.039gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、170℃で1.5時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットを合成した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性および熱安定性を評価した。
L-システイン塩酸塩一水和物0.15gと、ホウ酸0.055gと、を乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、170℃で1.5時間加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットを合成した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性を評価した。
内容積15mlのねじ口試験管内で、サポナイト1.0gに対して、フルフリルアルコール(液体)0.15gを含侵させ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、200℃で3時間加熱し、炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む炭素量子ドット含有組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性を評価した。
サポナイト、クエン酸(実施例9は使用無し)、ジシアンジアミド、およびホウ酸を表3に示す質量比で秤量して混合し、乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、表3に示す温度と時間で加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性を評価した。
(1)酸処理粘土鉱物の調製
サポナイト(スメクトンSA、クニミネ工業社製)5.0gをイオン交換水250mLに分散させ、撹拌下、塩酸を加えてpH4とした水分散液を3日静置した。次に、水分散液を1300rpmで10分間遠心分離し、得られたゲル状固体をイオン交換水に再分散させ、再度遠心分離を行う操作を繰り返し行った。回収したゲル状固体を90℃で真空乾燥し、白色固体(以下、酸処理サポナイトという)を得た。
上記のように調製した酸処理サポナイト、クエン酸(実施例14は使用無し)、ジシアンジアミド、およびホウ酸を表3に示す質量比で秤量して混合し、乳鉢ですりつぶした。当該混合物を内容積15mlのねじ口試験管に入れ、ゴムパッキン付きねじ口キャップで封をした。そして、ねじ口試験管内に窒素を流通させながら、表3に示す温度と時間で加熱し、ホウ素含有炭素量子ドットと、層状粘土鉱物と、を含む組成物(複合体)を調製した。実施例1と同様に、調製した組成物の発光特性を評価した。
Claims (6)
- 反応性基を有する有機化合物、ホウ素化合物、および層状粘土鉱物を、それぞれ固体の状態で混合して混合物を調製する工程と、
固体状の前記混合物を加熱し、ホウ素をヘテロ原子として含むホウ素含有炭素量子ドット、および層状粘土鉱物、を含む組成物を得る工程と、
を有する、組成物の製造方法。 - 前記反応性基を有する有機化合物は、カルボン酸、アルコール、フェノール類、アミン化合物、および糖類からなる群から選ばれる少なくとも一種である、
請求項1に記載の組成物の製造方法。 - 前記反応性基を有する有機化合物は、カルボン酸とアミン化合物との組合せである、
請求項1に記載の製造方法。 - 反応性基を有する有機化合物およびホウ素化合物を、それぞれ固体の状態で混合して混合物を調製する工程と、
固体状の前記混合物を加熱し、ホウ素をヘテロ原子として含むホウ素含有炭素量子ドットを得る工程と、
前記ホウ素含有炭素量子ドットおよび層状粘土鉱物を混合する工程と、
を有する、組成物の製造方法。 - 前記反応性基を有する有機化合物は、カルボン酸、アルコール、フェノール類、アミン化合物、および糖類からなる群から選ばれる少なくとも一種である、
請求項4に記載の組成物の製造方法。 - 前記反応性基を有する有機化合物は、カルボン酸とアミン化合物との組合せである、
請求項4に記載の組成物の製造方法。
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