注目すべき点は、酸性を示す要因となるプロトンの吸着量だと研究チームでは説明する。1gのCNTあたりに吸着するプロトンの吸着量は、用いるアルカリ金属イオンの種類に無関係でほぼ等しかったことに加えて、プロトンの吸着量と各アルカリ金属イオンの吸着量の総量は、それぞれの硝酸イオンの吸着量と等しいことも確認されたとする。

これらの結果とラマンスペクトルの結果を考慮すると、CNTのナノ空間内に吸着した界面近傍の水がプロトンの供給源となっており、それらのプロトンがプラスのイオンとマイナスのイオンの電気的バランスを一定に保つように働くことが示されているとする。

これまでの研究でも、炭素材料のナノ空間がプロトンを多く吸着することを示す研究結果が得られており、化学反応の面でもナノ空間内のプロトンを利用できることも明らかにされてきたという。しかし今回の研究では、ナノ空間内のプロトンが空間内に均一に分布しているのではなく、CNTの細孔壁近くに集まっているという描像を捉えることに成功したとする。つまり、炭素材料のナノ空間内にイオンを含む水溶液が浸透すると、たとえ水溶液が中性であっても、プロトンを含む酸性の水溶液層が形成され、安定な状態を保てることが判明したとする。

  • CNTのナノ空間内で形成される酸性吸着層のイメージ

    CNTのナノ空間内で形成される酸性吸着層のイメージ。吸着前に水溶液中に存在する硝酸イオンの数とアルカリ金属イオンの数は等しいが、ナノ空間内での硝酸イオンの数はアルカリ金属イオンの数と等しくはならない。また、硝酸イオンが吸着するときにナノ空間から水酸化物イオンが脱離するため、水溶液はアルカリ性を示す (出所:岡山大Webサイト)

炭素材料のナノ空間内において形成される酸性の吸着層の存在は、これまで報告されたことはなく、電解質水溶液の吸着状態を研究する上で、重要かつまったく新しい概念を提唱したことになると研究チームでは説明している。そのため今回の研究成果は、吸着材料を開発する上で重要な概念を述べたものとなり、イオンの吸着に適したナノ空間の設計指針を立てやすくなる可能性があるとしている。

また、身近なところの謎にも密接に関連した成果であるともしている。たとえば、水槽に入れた水を活性炭で浄化する際、水がアルカリ性になることがしばしばあることが知られている。活性炭で浄化した水がアルカリ性になる原因については、今回の成果によれば、炭素材料のナノ空間内ではプロトンの吸着層が形成されるが、同時に対イオンである水酸化物イオンも生成され、水溶液中に存在する陰イオンとナノ空間内の水酸化物イオンが入れ替わることで、水溶液がアルカリ性を示すようになることが考えられるという。ただしこの説明は、活性炭にはさまざまな不純物も含まれる場合もあることから、すべての場合に当てはまるわけではないともしているほか、不純物を含まない活性炭を用いたとしても、陰イオンが吸着することで水溶液はアルカリ性を示すことになるともしている。