Radiation chemistry provides nanoscopic insights into the role of intermediate phases in CeO mesocrystal formation

放射線反応を用いたセリアメソ結晶形成における中間状態のナノ構造に関する研究

Li, Z.*; Piankova, D.*; Yang, Y.*; 熊谷 友多   ; Zschiesche, H.*; Jonsson, M.*; Tarakina, N. V.*; Soroka, I. L.*

Li, Z.*; Piankova, D.*; Yang, Y.*; Kumagai, Yuta; Zschiesche, H.*; Jonsson, M.*; Tarakina, N. V.*; Soroka, I. L.*

Ce(III)水溶液の放射線誘起酸化反応によるCeO形成過程を研究した。Ce(III)はガンマ線照射による水の放射線分解で生じるOHラジカルによりCe(IV)に酸化され、水に対する溶解度が減少するため析出し、最終的にはCeOが生成する。この反応過程を透過型電子顕微鏡観察とX線結晶構造解析を用いて調べた。その結果、ガンマ線照射によって生成するCeOは、いくつかの中間的な状態を経てメソ結晶体を形成することを明らかにした。水溶液中でCe(III)が酸化されると、CeO析出の前駆体としてアモルファスなCe(IV)水酸化物が生成する。その後、Ce(IV)水酸化物中でCeOのナノ粒子が成長する。このCeOナノ粒子はアモルファス組織の中でゆっくりと配向性を有するようになり、ナノ粒子間の相互作用により規則的な構造を形成したメソ結晶体となる。さらに、このメソ結晶体を徐々に乾燥させることでメソ結晶体がさらに構造化した超結晶(supracrystal)となり、複雑な階層化アーキテクチャが形成されることを明らかにした。

The role of intermediate phases in CeO mesocrystal formation from aqueous Ce(III) solutions subjected to -radiation was studied. Radiolytically formed hydroxyl radicals convert soluble Ce(III) into less soluble Ce(IV). Transmission electron microscopy and X-ray diffraction studies of samples from different stages of the process allowed the identification of several stages in CeO mesocrystal evolution following the oxidation to Ce(IV): (1) formation of hydrated Ce(IV)-hydroxides, serving as intermediates in the liquid-to-solid phase transformation; (2) CeO primary particle growth inside the intermediate phase; (3) alignment of the primary particles into "pre-mesocrystals" and subsequently to mesocrystals, guided by confinement of the amorphous intermediate phase and accompanied by the formation of mineral bridges. Further alignment of the obtained mesocrystals into supracrystals occurs upon slow drying, making it possible to form complex hierarchical architectures.