XAFS測定によるジオポリマーに含まれるCuの局所構造解析

あいち産業科学技術総合センター2014.3.28
成果公開無償利用課題成果報告会2014
XAFS測定によるジオポリマーに含まれるCuの局所構造解析
橋本忍1・武田はやみ1・町野達也1・村松拓人1・本多沢御1・岩本雄二1・稲吉辰夫2・鈴木一正2
1名古屋工業大学環境材料工学科
2高浜工業株式会社
背景・経緯
ジオポリマーの反応機構は地殻中の岩石の生成機構と類似しているため、天然鉱物のように安定した発色を持つジオポリマー硬化体の作製も可能と推測さ
ジオポリマ
の反応機構は地殻中の岩石の生成機構と類似しているため、天然鉱物のように安定した発色を持つジオポリマ硬化体の作製も可能と推測さ
れる。本研究では、原料に各種の銅化合物を添加したジオポリマー硬化体を作製し、シンクロトロン光を用いて硬化体中の銅の局所構造を分析し、天然の銅
含有非晶質鉱物であるクリソコラと比較した。
ジオポリマーとは？
クリソコラ（天然鉱物） (Cu,Al)2H2Si2O5(OH)4・nH2O
アルカリで活性化した非晶質アルミノシリケートが脱水縮合して硬化したもの－人工鉱物
銅を含む天然非晶質アルミノシリケート鉱物
非晶質 Al2O3‐SiO2 相
O
(フライアッシュ, メタカオリン等)
l
・脱水反応
縮合重合応
・縮合重合反応
+
O
O K+
l
l
‐O‐Si‐O‐Al3+‐O‐Si‐O‐
アルカリ活性剤
(NaOHaq, KOHaq, 水ガラス)
l
l
O
O
l
O
n
：Cu
Mineral chrysocolla
[Kalukuluku, Shaba Prov., Congo]
高強度（セメント並）
高耐酸性
高耐アルカリ性
高耐熱性
低環境負荷
非晶質アルミン
シリケイト相
+NaOH水溶液
：O
：Al
＜特徴＞
Structure of Chrysocolla [David A.McKeown, J.Non‐
Crystalline Solids, 180, 1‐10(1994)]
Cu‐ジオポマーの作製条件
養生条件: 60℃, 相対湿度100%
養生時間: 48h
Table Cu‐ジオポリマーの出発化学組成
Sampl e
name
B-CO
B-Cl
B-SO
B
SO
metak aol i n
K-water
g las s
KOH
H2O
100
100
100
40
40
40
10
10
10
20
40
20
B-OH
B-O
100
100
40
40
10
10
20
20
B-2O
100
40
10
20
Cu CO 3 ・
CuCl 2 ・2H2 O Cu(OH) H
2・ 2O
CuSO 4 ・
5H2 O
Cu(OH) 2
CuO
Cu 2 O
5
7.5
10
4
3.5
3
結果
15
B‐SO
B‐OH
B‐CO
B‐2O
10
B-OH
CuO
BO
B-O
Cu
2O
B-2O
Cu(OH)
B-OH 2
CuSO
B-SO 4
CuCl
B-Cl 2
B-SO
arb.u
u.
Intensity / a.u.
B‐O
20
B-O
B-Cl
B-CO
Non-additive
CuCO
B-CO 3
Metakaolin
Metakaolin
metakaolin
5
10
20
30
40
50
60
Diffraction angle, 2θ/°(CuK
Fig.2 FT‐IR spectra of resultant bulk.
Fig.1 Compressive strength of the resultant bulk.
2000
B-O
B
O
B-O
CuCl2·2H 2O
CuCO3·Cu(OH)2·H2O
Cu-foil
Cu(OH)2
B-OH
B-OH
k 3 x(k) / Å -3
CuSO4·5H 2O
B-2O
B-SO
B-Cl
CuSO4·5H2O
CuCl2·2H2O
Fig 3 XRD patterns of resultant bulk
Fig.3 XRD patterns of resultant bulk.
15
B-SO
B-Cl
CuCO3·Cu(OH)2·H2O
B-CO
B-CO
Cu-foil
Chrysocolla
500
-4
CuO
Cu(OH)2
CuO
k 3 x(k) / Å -3
B-2O
Normalized absorption / arb.u.
Normalized absorption / arb.u.
Cu ２O
Cu ２O
1500
1000
Wavenunber / cm-1
cm-1
Chrysocolla
10
B-SO
3
B‐Cl
0
|FT|k x(k) / Å
Compressive strength /MP
Pa
25
B-2O
○SiO2(Quartz) □Cu2O △K２SO4
●CuO
▼Cu(OH) 2 ▲KCｌ
Non‐
additive
arb.u.
Intensity, I (aa.u.)
30
5
B-Cl
B-CO
8960
8980
9000 9020 9040
Photon energy / eV
9060 8960
8980
9000 9020 9040
Photon energy / eV
9060
Fig.4 XANES spectra of copper in Cu‐compounds, resultant bulk and chrysocolla.
0
5
10
k / Å-1
15
0
5
10
k/Å
15
-1
Fig.5. EXAFS spectra of copper in Cu‐compounds, resultant bulk and chrysocolla.
0
0
Chrysocolla
2
4
R/Å
6
8
Fig.6 Radial structure of functions of resultant bulk and chrysocolla.
期待される効果・社会的インパクト
原料に銅化合物であるCuO, Cu2O, Cu(OH)2を添加してジオポリマーを作製した場合、硬化体中にそれぞれの化合物が残存した。CuCO3・Cu(OH)2・H2O, CuCl2・
2H2O, CuSO4・5H2Oを添加して作製した場合は、高アルカリ環境下でこれらの化合物は分解し、非晶質化した。この場合には、銅原子は分子レベルでジオポリ
マー構造中に取り込まれていることが示唆され、XAFSによって局所構造を解析したところ、ジオポリマー中の銅の存在状態が天然鉱物クリソコラ中の銅のそれと
類似していることが推測された。⇒意匠性ゼオポリマーの作製に成功 ⇒普及に期待。
Takeda, Hashimoto et al, Ceam. Int. 40 (2014) 6503‐6507.

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