リグニンコンポジットナノファイバーを原料とするカーボンナノファイバーの開発

• Project/Area Number: 26850112
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Wood science
• Research Institution: Tokushima Bunri University
• Principal Investigator: 吾郷 万里子 徳島文理大学, 理工学部, 講師 (90389172)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2016: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2015: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2014: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: リグニン / カーボンナノファイバー / スーパーキャパシタンス / エレクトロスピニング / 相分離構造 / カーボンファイバー / ナノファイバー

Outline of Annual Research Achievements

本年度はリグニンナノファイバーをエレクトロスピニング法によって作製し，カーボン化の条件検討を行った．続いて，得られたカーボンナノファイバーの物性・構造解析を行った．とくに，スーパーキャパシタ用の電気伝導性電極としての性能に着目した．この結果，従来天然物由来のカーボン材料で得られているより高い値を示し，スーパーキャパシタ用電極材料として優れた性質を有することを明らかにした．詳細は以下に示す．１．エレクトロスピニング法によるリグニンナノファイバーの作製；リグニン／ポリビニルアルコール混合溶液を作製し，電圧16~19 kV，送液速度，8ml/min，ニードル-コレクター間距離，18 cm．以上の条件により，安定的に繊維半径約150 nmの不織布状の繊維マット（ネットワーク構造）が得られた．２．カーボンナノファイバーの作製；窒素雰囲気下（400 ml/min）で，種々検討した結果，前処理温度250 oC，1時間，昇温速度，4 または10 oC/min，900 oC，1時間で最も高い収率を得た．加えて，カーボンナノファイバーのネットワーク構造が維持されていることも確認された．このネットワーク構造は，力学特性を高めると共に，電気伝導性を高めることにも寄与している．さらに，このカーボン化の過程で，水酸化カリウムによる化学活性化を行うことにより，極めて高い比表面積を獲得でき，1900 m2/gを超えた．さらに，メソポアサイズの多孔質カーボン（メソポアカーボン）であることを窒素吸着曲線の解析より明らかにした．３．電気化学的特性；リグニンより得られたカーボンナノファイバー（ネットワーク）を電極として直接利用して，キャパシタンスを評価した．この結果，約205F/gの静電容量を示した．この値は，セルロースといったバイオマスに分類される他の生物資源から得られたカーボン材料と比較して，約2倍の値であり，リグニンがカーボン電極材料として優れていることを示した．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Aalto university(Finland)
• [Journal Article] Synthesis of soy protein–lignin nanofibers by solution electrospinning. (2014)
  • Author(s): Salas, C.; Ago, M.; Lucia, L. A.; Rojas, O. J.
  • Journal Title: Reactive and Functional Polymers Volume: 85 Pages: 221-227
  • DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2014.09.022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Free-standing elecrospun carbon network from lignin as a conductive electrode for supercapacitance (2016)
  • Author(s): Mariko Ago, et al
  • Organizer: ACS National meeting
  • Place of Presentation: San Diego
  • Year and Date: 2016-03-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リグニン/セルロース系ナノ複合材料の創製と物性評価 (2015)
  • Author(s): 吾郷万里子他
  • Organizer: セルロース学会年次大会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2015-07-09
  • Invited
• [Presentation] リグニンを原料とするカーボンファイバーの調製と物性解析 (2014)
  • Author(s): 1.Masutake Nakano, Toshiki Kawamoto, Kazuishi Sato, Mariko Ago, Orlando J. Rojas
  • Organizer: セルロース学会第21回年次大会年次大会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 2014-07-20 – 2014-07-21
• [Book] Functional lignocellulosics and nanotechnology (2016)
  • Author(s): Mariko Ago
  • Total Pages: 300
  • Publisher: Elsevier
• [Book] Production and Applications of Cellulose Nanomaterials (2014)
  • Author(s): Peresin, Maria S. Ago, Mariko, Rojas, Orlando J.
  • Total Pages: 327
  • Publisher: TAPPI