Publicly Offered Research
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
本研究は、「キノン含有共役高分子材料の水圏および非水圏での機能制御とエネルギー関連応用」を目指す。キノン誘導体を含む高分子材料について、どのような分子・高分子・ナノ構造を作ると、水圏および非水圏で酸化還元に基づく機能を発現できるかは不明確であった。本研究では、その設計指針を確立と機能の制御を目指す。この設計指針の確立は、キノン含有高分子材料をメタルフリーなエネルギー関連材料として活用する上で極めて重要となる。具体的には、水圏での水系キャパシタおよび水素・酸素発生電極触媒、非水圏でのリチウムイオン二次電池の有機正極の創製につながり、金属資源に頼らない次世代有機エネルギー材料の実現へとつなげる。
2電子の酸化・還元反応を伴うキノン誘導体は、メタルフリーな水素発生電極触媒やリチウムイオン二次電池正極など、エネルギー関連材料への応用が期待されている。本課題では、キノン誘導体とヘテロ芳香族化合物の共重合により、機能部位が凝集せず分散した非晶質共役高分子ネットワークを設計・合成し、白金に代わる水素発生反応(HER: hydrogen evolution reaction)の電極触媒への応用を検討した。また、非晶質共役高分子ネットワークの水圏での特異な水和挙動を見出した。メタルフリーHER触媒に関する先行研究の文献データをもとに、当グループで開発してきた小規模データに対するマテリアルズインフォマティクス(MI)の手法を活用し、HER触媒活性である水素発生過電圧(ΔE)を少数の記述子で予測するモデルを構築した。ベンゾキノン(BQ)と共重合を行うヘテロ芳香族をフラン誘導体とすると、いずれも高活性が予測された。BQといくつかのフラン誘導体の組み合わせで合成を試みたところ、ベンゾオキサゾール(BO)を用いた共重合により非晶質共役高分子ネットワークBQ-BOが得られた。生成したBQ-BOは、リニアスイープボルタンメトリー(LSV)測定でΔE = 230 mV(at －10 mA cm－2)を示し、当研究室の先行研究のBQ-ピロール(Py)のΔE = 277 mVをよりも高活性であった。領域内共同研究により、これらの非晶質共役高分子ネットワークBQ-BOとBQ-Pyをテラヘルツ分光によって解析すると、特異な水和状態が観測され、親水性の高さが明らかになった。ナノ構造化による高比表面積、共役骨格による伝導性に加え、親水性がHER電極触媒の活性向上に重要であることがわかった。
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
All 2024 2023 2022 Other
All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results, Open Access: 1 results) Presentation (16 results) (of which Invited: 4 results) Book (1 results) Remarks (1 results)
J. Mater. Chem. A
Volume: 12 Issue: 6 Pages: 3294-3303
10.1039/d3ta06447f
Nanoscale Advances
Volume: 6 Issue: 4 Pages: 1084-1090
10.1039/d3na01006f
Advanced Materials Interfaces
Volume: 9 Issue: 25 Pages: 2201111-2201111
10.1002/admi.202201111
https://www.applc.keio.ac.jp/~oakiyuya/jp.html
