2016 Fiscal Year Annual Research Report
非水電析の高度化に向けた反応場制御～３つの速度論的アプローチ～
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16H02411
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
邑瀬 邦明 京都大学, 工学研究科, 教授 (30283633)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
深見 一弘 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60452322)
北田 敦 京都大学, 工学研究科, 助教 (30636254)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 金属生産工学 / 金属電析 / 電気めっき / 金属錯体 / 溶液化学 / イオン液体 / 非水溶媒 / 多孔質電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、(1)イオン液体系の非水電析における錯体制御［錯体の電荷制御と低対称化］、(2)グライム系の非水電析における錯体制御［錯体の低対称化］、(3)溶媒分解抑制のためのナノポーラス電極制御［反応場制御］が柱である。「電荷制御」とは主として錯体のカチオン化、「低対称化」とは錯体の対称性を下げることで速度論的に電析しやすくする戦略である。
課題(1)および(2)として、今年度はマグネシウムおよびアルミニウムの室温電析を手がけ、浴物性や配位状況と電析挙動の相関、すなわち配位子であるグライムの鎖長に起因する配位構造の違いが電析挙動に差をもたらしていることを明確にした。実験再現性も確認した。電析時のデンドライト成長は見られなかった一方、電析物の表面状態は黒色（アルミニウムの場合）であることが多く、非水溶媒中で機能する添加剤の探索が今後の課題といえる。一方で、黒色であることを、新しい「黒色めっき」技術として活用することも期待される。設備備品として熱分析装置を導入し、電析浴の熱的安定性に関するスクリーニングも実施した。
課題(3)では、多孔質電極を用いたリチウムおよび亜鉛（水溶液系）の電析に関し、反応場制御によるデンドライト析出抑制を見いだした。具体的には、孔径が小さくなるほどデンドライト析出の開始が遅れることや、ナノ細孔への物質拡散が通常のバルク拡散より速いことを明らかにした。また、錯平衡の計算から、デンドライトの抑制には金属錯体のもつ電荷（価数）がゼロであることが重要とわかった。これらの知見は、添加剤を利用しないデンドライト抑制方法として意義があり、新しい電池等への応用が期待される。電極界面における電気化学反応と物質輸送を一体的にシミュレートするため、有限要素法を用いた汎用シミュレーションソフトを導入し、手始めに水溶液からの銅電析をモデルとして計算を試みている。
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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
電析浴の熱的安定性に関するスクリーニングは完了し、アルミニウム電析のためのグライム系電解液において、どのようなグライム分子が有効か、明らかになった。電気化学特性ならびに配位環境による電析挙動の違いも、その実験再現性を含め明確になりつつある。これらは過去のデータとあわせて Electrochimica Acta 誌などへ論文として掲載した。年度末の試薬の調達等の事情により、予算（800千円）を繰り越したが、研究の進捗には影響ない。多孔質電極を用いた金属電析に関しても、電気化学特性の調査や基板条件（孔径など）の最適化を含め、綿密に研究が進捗している。ここでは、多孔質電極におけるデンドライト抑制が、錯体の電荷と関係していることを見いだした価値が大きい。亜鉛電析に関しては部分的に Journal of Physical Chemistry, C 誌などへ論文を発表し、現在執筆中のものもある。本年度得られた結果はいずれも、本課題の主眼である反応場制御、すなわち溶液側での錯体制御と、電極側での基板制御を体現している。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的に、課題申請の際に記載した研究計画を続ける。イオン液体を用いた系（マグネシウム電析）に関しては研究が一段落しており、今後はグライム浴からのアルミニウムおよびリチウム電析に関して重点的な応用展開に着手する。グライム浴は難揮発性イオン液体よりは揮発性をもつため、実用性の観点から電解浴の熱的特性をより詳細に調べる目的で、示差熱天秤を導入する。電析物中の不純物に関する知見など、皮膜物性を明らかにし、黒色を呈する析出状態を、銀白色で平滑なめっきへと改善するための添加剤物質を探索する。電池負極への展開研究にもとりかかる。水溶液系への展開としては、新たに希土類およびその合金の電析について検討を始める。また、水の活量が抑制されるような濃厚水溶液を活用する電位窓拡大など、新しいアプローチによる電析高度化も視野に入れ、研究を推進する。
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Research Products
(21 results)
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[Journal Article] Accelerated Growth from Amorphous Clusters to Metallic Nanoparticles Observed in Electrochemical Deposition of Platinum within Nanopores of Porous Silicon2016
Author(s)
A. Munoz-Noval, K. Fukami, A. Koyama, D. Gallach, D. Hermida-Merino, G. Portale, A. Kitada, K. Murase, T. Abe, S. Hayakawa, and T. Sakka
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Journal Title
Electrochemistry Communications
Volume: 71
Pages: 561-567
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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