2018 Fiscal Year Annual Research Report
Design of carbon nanotube-based advanced materials for environmental friendly energy-oriented society
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16H02083
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
中嶋 直敏 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 特任教授 (80136530)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
白木 智丈 九州大学, 工学研究院, 准教授 (10508089)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 非白金型触媒 / 酸素還元反応 / 酸素発生反応 / 半導体性ナノチューブ選択分離 / フラビン / イソアロキサジン / 触媒還元反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
課題１（次世代のエコエネルギー社会が求めるイモータル（不死身）燃料電池触媒の創成）および、課題２（簡便かつ超高効率での半導体性単層カーボンナノチューブ(SWNT)と金属性SWNTの分離法開発;これらは、次世代エレクトロニクス、エネルギー、環境分野における革新的エコ素材となる）の２つの課題に焦点を当てて、研究を推進している。
本年度の成果として、まず、課題１では、非白金型触媒として、TiO2/ポリベンズイミダゾール(PBI)/多層カーボンナノチューブ（CNT）のハイブリッド触媒を水熱合成法で合成し、そのナノ構造の解析、並びに触媒機能をを調べた。その結果、TiO2薄層が均質にCNT上に形成され、この触媒が有機酸の還元に有効であることを見出した。また、いくつかのスピネル酸化物/PBI/CNT触媒を水熱合成法で合成し、それらの酸素還元反応(ORR)および酸素発生反応(OER)およびそのメカニズムについての構造要因をさらに精査した。
また、課題２では、フラビン類縁体およびイソアロキサジン類縁体を用いた半導体性SWNTと金属性SWNT分離のメカニズムの解明を進め、効率的な半導体性SWNTと金属性SWNT分離に対する溶媒、分離材とCNTの割合（重量比）、水素結合の重要性などについての詳細を計算科学を含めて明らかにし、提案のコンセプトが完成しつつある状況である。分離の特徴は、ここで用いる分離が、「超音波照射」だけのワンポットである（極めて容易、大量分離が可能）ことである。その後、遠心で可溶化SWNTを分離して、Raman、可視／近赤外吸収、蛍光分光で、半導体性SWNTの選択分離を確認した。分離後は、弱酸でリンスすることによりフラビンの水素結合が壊されて、フラビン集合体はモノマーに戻る。フラビンに置換基がない分子は、自己分子会合が生じやすい為に可溶化能がなくなること、N-メチルフラビンは、水素結合によるSWNT表面での集合体形成が出来なく、可溶化能がなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以下に記載する成果が得られ、これらは、研究が、順調に進行していることを示している。課題１に対して、非白金型触媒として、安価な酸化チタン（TiO2）/ポリベンズイミダゾール(PBI)/安価な多層カーボンナノチューブ（CNT）のハイブリッド型触媒を水熱合成法で合成し、高分解能電子顕微鏡、X線光電子分光法、X線回折法、熱重量分析法、電気化学的改正法などを駆使して、それらのナノ構造、触媒反応（有機酸還元反応、酸素還元反応、酸素発生反応）、およびその反応メカニズムを明らかにした。また、課題２では、昨年に続き、フラビン類縁体およびイソアロキサジン類縁体の合成を行い、半導体性SWNTと金属性SWNT分離のメカニズムの解明研究を第一原理計算、分子メカニクス、分子ダイナミクス、HOMO-LUMO計算などの計算化学的研究も合わせて統合的にさらに進めており、提案の半導体性SWNTと金属性SWNT分離のメカニズムコンセプトが完成しつつある状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果を踏まえて、次の実験を行なう。課題１に対して、極めて安価なニッケル、コバルト、マンガンなどを素材として、それらのスピネル型金属酸化物とカーボンナノチューブとのコンポジット触媒をデザイン、水熱合成法により合成し、それらの特性をさらに精査する（酸素還元能、酸素発生能、耐久性など）。課題２では、フラビン/イソアロキサジン類縁体を用いた高効率の金属性単層CNTと半導体性CNTの高効率分離研究を引き続き行い、これらの効率的な分離に対する分子コンセプトを明確にし、世界で最高レベルの簡便で効率的な分離法をの指針を提案する。具体的には、フラビン／イソアロキサジン類縁体の7, 8位の置換基を様々に変化させることで、半導体性CNTのカイラリティが制御の可能性を示す。また実験とともに、計算化学的手法（第１原理計算、分子力学、分子動力学計算など）複合して、長鎖フラビン分子と半導性SWNTの相互作用力解析する。
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