2019 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 |
柔軟に変形する単層グラフェン多孔体に、液体状態の冷媒を含ませてから押し付けて変形させると、冷媒が蒸発して気体となって放出され、気化熱によって冷却が可能であることを見出した。反対にナノスポンジを復元させると、気体が液体となって取り込まれ発熱する。この原理に基づく新しいヒートポンプの設計に関する論文をNature Communications誌で発表した。水やアルコールなどの自然冷媒を用いた高効率なヒートポンプの開発につながる基礎研究として注目され、新聞やウェブサイトにて報道された。
また、アルミナナノ粒子を鋳型として調製される単層グラフェン多孔体「グラフェンメソスポンジ」の形成機構の解明に向け、前年度に導入した熱量分析-質量分析同時測定装置（TG-MS）を利用し、複数種類のアルミナナノ粒子に対し、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た。炭素堆積の起点となる触媒活性サイトの詳細な検討を行った結果、化学気相蒸着は3段階で進行していることがわかった。具体的には、最初に炭素源であるメタンと固体表面との反応により固体表面が活性化し、続いて発生した活性点によりメタンが分解してグラフェンの成長が生じ、最後にグラフェン上に2層目3層目のグラフェンがさらに積層することがわかった。また、鋳型を除去した後の高温処理が炭素組織に及ぼす影響についても検討を進め、分子レベルで構造変化の温度依存性を理解することができた。
さらに、単層グラフェン多孔体は電気二重層キャパシタの電極として高耐久性を実現できることを前年度に報告したが、その原理に関して詳細な検討を進め、カーボン電極と電解液の界面において生じる劣化反応の起源を正極と負極のそれぞれについてほぼ同定することができた。
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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、力学エネルギーを熱エネルギーに変換する新型のヒートポンプの開発は順調に進んでいる。基礎原理に関しては確立ができ、Nature Communications誌に論文が掲載され、Online attentionのスコアは同時期のNature Communications誌論文の第1位にランクされたほか、複数の新聞やウェブサイトで報道されるなど大きな注目を集めた。また、単層グラフェン多孔体の形成メカニズム、特に金属酸化物と炭素源であるメタンとの反応機構に関する理解が深まり、単層グラフェン多孔体の構造制御が進展したばかりでなく、独特の表面活性化機構を利用した別の展開も見えてきた。単層グラフェン多孔体のキャパシタ電極としての優位性を明確に示す学理の構築も進展した。さらに、単層グラフェン多孔体の他のエネルギーデバイスへの応用や触媒担体としての応用に関しても、複数の案件が進行しており、単層グラフェン多孔体の展開研究は当初の予想以上に広がりつつ発展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで粉末として合成してきた単層グラフェン多孔体をデバイスに組み込むため柔軟なペレットに成型することを検討する。ナノ細孔が応力で変形するペレットを調製するには、バインダーの選定が極めて重要となる。バインダーとの複合化方法やペレット調製方法の最適化を行い、数千回の圧縮／復元にも耐える強度をもった材料調製を行う。さらに、調製した柔軟ペレットを利用し、気液相転移による高効率での潜熱の取り出しを検討する。
既に論文報告をした、電気二重層キャパシタやヒートポンプ以外のエネルギーデバイスや触媒担体への応用検討も引き続き進める。特に、単層グラフェン多孔体の化学的な安定性を生かしつつ、細孔構造の制御性を改善し、各種の用途に適した材料設計を進める。
また、単層グラフェン多孔体の実用化を見据え、より安価な鋳型物質を用いた単層グラフェン多孔体の調製法の開発も行う。具体的には、フッ酸や強アルカリではなく塩酸で容易に溶解除去が可能なアルカリ土類金属を検討する。
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[Presentation] Understanding the effect of carbon structure on the degradation of organic electrolyte-based supercapacitors2019
Author(s)
Rui Tang, Kaihsi Taguchi, Hiromoto Nishihara, Takafumi Ishii, Keita Nomura, Masanori Yamamoto, Emilia Morallon, Diego Cazorla-Amoros, Toshihiro Asada, Naoya Kobayashi, Takashi Kyotani
Organizer
学振第117委員会第330回委員会
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