2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of porous materials with single-graphene walls
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17H01042
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
西原 洋知 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (80400430)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
京谷 隆 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90153238)
干川 康人 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (90527839)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | グラフェン / 多孔体 / 弾性 / キャパシタ / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度は、前年度に引き続き単層グラフェン多孔体であるグラフェンメソスポンジ（GMS）の熱処理に伴うグラフェン組織の変化並びに物性の変化を検討した。本年度は実用的な観点からより低温領域での影響についても検討を行った。その結果、900℃程度から開始されるグラフェン融合反応は従来の1800℃より若干低い温度でもほぼ完了していることが明らかになった。
GMSの大きな特徴の1つがスポンジのような機械的弾性であるため、熱処理が機械的弾性に与える影響についても水銀ポロシメトリーを用いて検討を行った。興味深いことに、グラフェン融合反応が進行すると体積弾性率が低下する、すなわち材料がより柔軟になることがわかった。GMSは弾性変形を利用した熱変換や電気エネルギー変換への利用が期待されているため、これらの知見は応用に際し重要となる。
さらに、昨年度調製に成功した一体型のGMSシートの電気化学的耐久性およびスーパーキャパシタへの応用について検討を行った。GMSはグラフェンの端（エッジサイト）が殆ど無いため、粉末状であっても活性炭やカーボンブラックに比べ電気化学的耐久性が高いことは以前から分かっていたが、さらにシームレス化して粒間接触抵抗を排除することで、従来の高性能材料である単層カーボンナノチューブを大幅に上回る超高耐久性を示した。一般的な有機電解液を用いた対称キャパシタセルにおいては、従来の活性炭電極の耐電圧（2.8 V）を大幅に上回る4.4 Vの耐電圧を示した。従来に無い高電圧で作動するスーパーキャパシタが実現できるため、高電圧モジュール作製に際してはデバイスの全体積を大幅に低減可能である。
また、グラフェンやナノチューブを利用したエネルギー関連研究も大幅に進展した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の予定通り、単層グラフェン多孔体の形成メカニズムの解明は順調に進んでおり、また高耐久性キャパシタへの応用も達成できた。高耐久性キャパシタへの応用に関しては、当初は単層カーボンナノチューブと同程度の4.0 Vの耐電圧を予想していたが、実際にはこれを上回る4.4 Vを達成できた。研究成果はRSCのEnergy & Environmental Science誌に掲載が決まり、さらに論文のイメージ図がBack Coverに採用されるなど高い評価を受けた。
一方で、単層グラフェン多孔体を利用した力学エネルギーを熱エネルギーに変換するデバイス開発についても検討が進み、現在論文を投稿中である。
単層グラフェン多孔体の応用用途の更なる拡張に向けた共同研究も国内外で複数開始しており、耐酸化性の電極触媒担体や先端蓄電デバイスへの応用検討を着々と進めている。
さらに、単層グラフェン多孔体を利用し、力学エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイス開発に関しても、有用な初期検討結果が得られており、今後研究を加速する予定である。また、グラフェンやカーボンナノチューブを氷晶鋳型法によりハニカムやラメラ構造に成型することで機能材料を調製し、エネルギー関連応用研究へ利用する検討も大幅に進展した。
以上のように、当初の予定以上の速度で研究が進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度には、熱量分析-質量分析同時測定装置（TG-MS）を導入し、装置の初期調整を進めた結果、安定的に高品質なデータが得られる状況が整った。既に複数種類のアルミナナノ粒子や表面処理したシリカ粒子に対し、化学気相堆積（CVD）を実施している際の重量増加と発生ガスの分析を進めており、非常に興味深い多くの結果が得られている。そこで2019年度は反応速度解析など、詳細なメカニズム検討を進めると同時に、他の金属酸化物も含めた多種類の物質上で生じる気相化学分解反応について検討を行う。さらに得られた結果に基づき、新しい構造を持つ単層グラフェン多孔体や、安価な単層グラフェン多孔体の製造法の開発を行う。
平成30年度に引き続き、単層グラフェン多孔体の弾性変形に基づく力学エネルギーの熱エネルギーへの変換、および電気エネルギーへの変換についても、さらに実用に向けた応用検討を進める。
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