Facile preparation of N-doped graphene using MHz ultrasound and elucidation of mechanism

Research Project

Project/Area Number	23K04488
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 27020:Chemical reaction and process system engineering-related
Research Institution	Kagoshima University
Principal Investigator	二井晋鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (90262865)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords	ultrasound / cavitation / graphene / nitride / sonochemistry / graphehe
Outline of Research at the Start	申請者が発見した、従来の窒化グラフェン製法に比べて格段に低エネルギーかつ簡単な、前駆体を用いることなくメガヘルツ超音波の照射による窒化グラフェン調製法は、工業的製法として実用化が期待できる。そこで本研究では反応機構の解明と展開すなわち窒化量の増大やグラフェン酸化の可能性探索に着手するため、メガヘルツ超音波の作用メカニズムを解明することと、窒化量の制御や他の官能基による炭素修飾条件を目的として検討し、超音波による簡便な炭素材料調製技術の学術基盤の構築を目指す。
Outline of Annual Research Achievements	本研究ではメガヘルツ超音波照射による簡便な炭素材料調製法の学術基盤を構築する大目的のもとで２つの目的を設定している。第１にアンモニア水とグラファイト混合物へのメガヘルツ超音波照射による窒化メカニズムを解明すること、第２に窒化量を制御する条件を探索し、他の官能基による炭素修飾、例えばグラファイトへの含酸素基の導入可能性を探ることである。 2024年度は、超音波作用メカニズム解明のため、種々の濃度のアンモニア水と超音波照射条件で窒化グラフェンを生成させ、生成物の窒化特性を把握した。超音波周波数としては、これまでに実績のある1.6メガヘルツに加えて2.4メガヘルツで試験した結果、1.6メガヘルツが窒化において優れていることがわかった。これまでに窒化グラフェン製造に成功しているアンモニア濃度10%から大幅に低下させてもN/C値がゼロになることはなく、アンモニア濃度とともにN/C値が増加する傾向が見られた。含窒素種について、アンモニア濃度によって生成する含窒素種に変化が見られた。アンモニア濃度の増加とともにピロリン型窒素の生成割合が大きくなることがわかった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2023年度には、これまでに窒化グラフェン製造に成功しているアンモニア濃度10%から、アンモニア濃度を低下させた条件での窒化に成功し、アンモニア濃度が窒化の支配因子でないことがわかった。したがってアンモニア以外の物質とグラファイトとの反応を探索することで、この現象のメカニズム解明に近づいたためである。この成果に加えて、含窒素種の組成がアンモニア濃度によって変化する興味深い事実がわかった。この事実は反応経路を考察する上で重要な結果であり、これらの発見は研究目標として設定した窒化メカニズム解明に大きく貢献するためにこのように評価した。
Strategy for Future Research Activity	2024年度には2023年度に続いて、超音波作用メカニズム解明を目的として、超音波の照射条件を系統的に変化させた場合の窒化特性を調査する。さらに、アンモニアを含まない水の場合での、炭素の酸化特性を検討する。これまでのXPS分析結果を精査して含窒素化学種、修飾官能基の種類と密度の測定、ラマン分光分析による炭素シート厚みの定量、SEMによる形態観察を予定している。