Purification and edge-activation of graphene nanoribbon with chemical duality

• Project/Area Number: 22K04723
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 藤澤 一範 信州大学, 先鋭領域融合研究群先鋭材料研究所, 准教授(特定雇用) (00724634)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ナノカーボン / グラフェンナノリボン / CVD合成 / 炭素 / エッジ / フィラー

Outline of Research at the Start

グラフェンナノリボン（GNR）は化学的二面性「連続したグラファイト構造」と「化学的に活性な広いエッジ面」を持ち，エッジ面の化学結合を通じた他材料との強い相互作用が期待できる新奇フィラーである．しかしGNRの合成では高純度化が困難であった．よって本研究では可動型触媒層化学気相成長（CVD）法を用いてGNR成長を担う触媒のサイズ・形状とGNR構造の関連性を調べ「選択合成」を試みると共にナノ構造の違いを利用した「分離精製」により高純度化を図る．さらにGNRの「エッジ再活性化」手法を確立し，最終的に高機能フィラーとして利用可能なGNRの実現を目的とする．

Outline of Annual Research Achievements

本年度はグラフェンナノリボンの合成メカニズム解析と評価に注力をして研究を実施した．
CVD法によるグラフェンナノリボンの直接合成メカニズムには未だ理解できていない点が多い．グラフェンナノリボンは二種のアルコールを炭素源として添加した場合のみにおいて成長するため，炭素源の混合比がグラフェンナノリボン，もしくはその前駆体として考えているカーボンナノチューブの合成に与える影響を調べた．エタノール，メタノールおよびそれらの混合液を炭素源として用いてCVD合成を行い，透過型電子顕微鏡を用いて得られた試料における触媒粒子径の分析を行った．触媒径はエタノールのみを炭素源として用いた条件において最も小さく，メタノールの混合量を増やすと共に数nm増大する結果となった．しかしメタノールのみを炭素源として用いた場合においては得られた触媒粒子径がエタノールのみを炭素源として用いた場合の凡そ4倍となっており，他の条件とは大きく異なる結果となった．グラフェンナノリボンが多く見られた40-60%のメタノールを含むエタノール混合液を炭素源として用いた場合は平均触媒粒子径が30nm程度となり，この大きな直径を持つ触媒が直径の大きなカーボンナノチューブの合成，ひいてはグラフェンナノリボンの合成に寄与していると考えられた．これよりグラフェンナノリボンの合成において一定の進展が見られた．
またグラフェンナノリボンの評価として昇温脱離法による脱ガス分析を実施した．高温で脱離した水素，一酸化炭素および二酸化炭素の量から炭素六員環構造のエッジ量が1748umol/gと算出でき，また同エッジ量を持つグラフェンナノリボンのリボン幅を計算すると11.7nmとなり実験で確認されたGNRと近い値となった．これより昇温脱離法がリボン幅の分析に有効であることが示された．

Research Products

• [Int'l Joint Research] ペンシルバニア州立大学(米国)
• [Presentation] 化学気相成長法によるグラフェンナノリボンの合成と構造解析 (2023)
  • Author(s): 藤澤一範, Lei Yu, 姜 天水, 林 卓哉, Terrones Mauricio
  • Organizer: 第50回 炭素材料学会年会
• [Presentation] Graphene Atlas: A Guide for Quantitative Defect Density Analysis in Graphenic System (2023)
  • Author(s): Kazunori Fujisawa, Cheon-Soo Kang, Takuya Hayashi, Mauricio Terrones
  • Organizer: 7CBNM Symposium on Future Challenges for Carbon-Based Nanoporous Materials
• [Presentation] Synthesis of Multilayer Graphene Naroribbons via a Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition Route (2023)
  • Author(s): Kazunori Fujisawa, Yu Lei, Cheon-Soo Kang, Takuya Hayashi, Mauricio Terrones
  • Organizer: 第64回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Synthesis of Multilayer Graphene Naroribbons via a Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition Route (2023)
  • Author(s): Kazunori Fujisawa, Yu Lei, Cheon-Soo Kang, Takuya Hayashi, Mauricio Terrones
  • Organizer: 第64回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム CIRFE-FNTGジョイントシンポジウム
• [Remarks] 信州大学 研究者総覧 SOAR
  • URL: https://soar-rd.shinshu-u.ac.jp/profile/ja.yacebUkh.html
• [Remarks] HMLAB
  • URL: http://endomoribu.shinshu-u.ac.jp/hayashi-muramatsu-lab/index.html