A role of amorphous carbon contained in nanocarbon materials

Research Project

Project/Area Number	22K04888
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	小橋和文国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (60586288)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000) Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords	非晶質炭素 / ナノ炭素材料 / カーボンナノチューブ / 構造 / 表面官能基
Outline of Research at the Start	非晶質炭素は様々な炭素材料に幅広く含まれるが、ナノ炭素材料では合成、精製時に生じる副産物とみなされ、グラフェンシートからなる炭素結晶構造が主な研究対象とされてきた。しかし、ナノ炭素材料から分散液・ペースト等の中間体を作製し、膜、糸、バルク等の部材を製造する工程では、非晶質炭素の担う役割が次第に認識されるようになった。それは分散性、成形性の向上や機能性の発現を支える助剤ととらえられる。そこで、本研究ではナノ炭素材料中の非晶質炭素を分析し、短距離（0.数～数nm）の規則的構造のサイズと表面官能基を明らかにする。得られる知見により、ナノ炭素材料の理解が深まり、ナノカーボン実用化研究を加速できる。
Outline of Annual Research Achievements	2年目（2023年度）は初年度に得られた中赤外分光法による炭素六角網面の結晶性評価に関して、NT23国際会議で研究成果発表を行った。赤外C=C結合振動ピークから炭素六角網面の結晶性を評価できる手法として提案し、ラマン分光法のG、Dバンドを評価する手法との違い等を関連研究者と議論できた。また、非晶質炭素を含む市販CNTの評価を引き続き、中赤外分光法を中心に取り組んだ。初年度、バンドルをゆるく組んだ構造をもつ単層CNT(SGCNT)の評価ができてきたため、2年目は構造の異なるCNTの分析を進めた。結晶性が高くバンドルを強く組んだ構造をもつ単層CNT（eDips）を選び、前者のSGCNTと同様な酸化処理を行い積極的に非晶質炭素（表面官能基）量を増やした。強酸H2SO4と酸化剤KMnO4を用いた酸化処理によって、SGCNTと同様なO含有官能基の導入をeDipsでも確認できた。さらに、他の評価手法としてEDS、XPSによるO/C組成分析、ラマン分光法によるG/D比、TGAによる官能基重量、電子顕微鏡による形態、サイズの評価を行った。これらの多角的な評価データを基に、酸化処理前後で構造の異なる二つの単層CNTを見比べた。その結果、バンドルをゆるく組んだ結晶性が中間クラスのSGCNTでは、官能基の導入とともにCNT側壁に1nm程度の穴が均一に開きやすいことが分かった。一方、結晶性が高くバンドルを強く組んだeDipsでは、CNT側壁に数nm程度のより大きな穴が不均一に形成されることが分かった。この酸化反応によってCNT側壁に生じる欠陥構造の違いは、用いたCNTの結晶性、構造に由来すると考えられる。この研究成果は学術論文としてCarbon誌で今年度公表することができた。非晶質炭素の湿式および乾式分離手法も検討を進め、湿式でpHの差を利用すると分離が良好であることが分かった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2年目は市販CNTの中で構造が異なる単層CNTを二つ（SGCNT、eDips）用いて、酸化処理によって非晶質炭素量を増やし評価を行った。この多角的な評価データから酸化反応で形成される官能基と欠陥構造について知見を得ることができた。これは非晶質炭素の構造パラメータ（結晶性、表面官能基、形態、サイズ等）を評価、解析していく上で重要となる。また、初年度から検討してきた中赤外分光法については、長距離のC=C骨格振動と短距離のC=C伸縮振動のピークに基づく炭素六角網面の結晶性評価手法として国際会議で提案できた。この中赤外分光法を中心に市販CNTとして多層CNTについても評価に取り組んでいる。一方、非晶質炭素の分離手法については、湿式、乾式を検討し、湿式でpHの差を利用すると、非晶質炭素を良好に分離できることが分かってきた。このような理由から現在までの進捗状況を(2)おおむね順調に進捗しているとした。
Strategy for Future Research Activity	中赤外分光法を中心に多角的な評価手法を用いて、ナノ炭素材料に含まれる非晶質炭素の規則的構造のサイズと表面官能基を明らかにする。積極的な酸化やアニール処理、湿式での分離を行う試料として市販CNT（単層、多層）やグラフェンを用いる。最終年度の3年目は、1、2年目に得られたCNT表面官能基および構造の知見を活用して、膜、バルク等の部材中の非晶質炭素の評価に取り組む。特に部材作製工程（分散）と部材の機能、性能（電気、機械特性）に関して、非晶質炭素の構造と助剤効果の関係を調べる。助剤効果が分かるよう非晶質炭素の評価だけでなく、元の材料のCNTやグラフェンの評価も進め、多角的な分析、解析を行う。初年度から検討してきた中赤外分光法による炭素六角網面の結晶性評価は、学会等で成果発表、意見交換をさらに行い、評価手法としての普及に取り組む。また、参考物質として官能基を含む芳香族化合物の赤外評価を行い、本手法をカーボン材料結晶性の新規評価法として論文化を進める。2年目に市販CNTのうち、バンドルの組み方と結晶性の異なる単層CNTの評価情報が得られため、今後は結晶性が低くバンドル構造をもたない種々の多層CNTの分析に取り組む。また、市販酸化グラフェンの評価を進め、ナノ炭素材料に含まれる非晶質炭素の分析を行う。