2017 Fiscal Year Annual Research Report
Function creation and device development based on polar field of nanosheet hybrid
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17H01200
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
速水 真也 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (30321912)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 酸化グラフェン / ナノシート / プロトン伝導 / 電子伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者は、GO、MOおよびMOHナノシートやそれらの還元体であるrGOあるいはMナノシート、さらにナノシート同士を組み合わせたハイブリッドや、ナノシートと種々のナノ粒子や機能性分子とのハイブリッドに着目し研究を推進した。特に本研究では、異種のシートや物質との化学的なハイブリッドにより発現する特異なダイポール（極性）を“極性場”と定義し、この極性場に着目した機能発現を目指した。
GOナノシートは原料であるグラファイトを化学的、電気化学的剥離、あるいは液中パルスプラズマにより安価で大量に合成することに成功し、また溶媒を種々に変えることで溶媒に依存した原子をドープすることに成功した。またrGOナノシートはGOナノシートをヒドラジンなどの化学還元、アニーリングによる熱還元、紫外線照射による光還元、電気化学還元により合成し、得られたGOとrGOの局所構造における秩序的配置と物性との関連性を明らかにした。一方、MOおよびMOHナノシートは、化学的剥離やパルスプラズマにより合成し、MナノシートはMOおよびMOHナノシートを還元することで合成することにも成功した。
GOのプロトン伝導について調べた結果、およそ1 × 10-2 S cm-1のプロトン伝導性を室温で示した。したがってGOは非常に大きなプロトン伝導性を示すことが分かり、また緩やかな湿度依存性に応答したプロトン伝導性も示した。またGOは電子絶縁体であるのに対して、その還元体であるrGOは電子伝導性を示す。電子(またはホール)伝導度とプロトン伝導を測定し、GOやrGOの酸化度、官能基、欠陥の状態との関係を明らかにした。その他、MOおよびMOHのプロトン伝導についても測定しMO、MOH、Mナノシートについても酸化度、官能基、欠陥の状態との関係を明らかにした。
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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
これまでの研究結果は、ナノシートに関してはその界面を利用した、発光、誘電的性質、磁性、電気化学特性、光電気化学特性、光触媒について、これまでその基礎的研究にとどまっていた。特に半導体ナノシートのハイブリッド化やそのプロトン伝導、半導体特性についてはほとんど研究されていない。さらに本研究では、ナノシートハイブリッドの界面・表面における傾斜pn接合の特徴を生かした新規構造体とデバイス開発を目指している点が特徴的である。
これまでの進捗状況としては、
①新規ナノシートおよびハイブリッドの合成では、通常の化学剥離法やLB法あるいはLBL法のほか、新たな材料開発として液中パルスプラズマを用いることに成功した。電極や溶媒を変えることで様々なナノシートやハイブリッドが合成できた。
②ハイブリッドにおける傾斜pn接合の創製に関して、ナノシートのサイズやそれ自身が持つ機能性と機能分子を組み合わせるナノシートハイブリッドを得ことに成功した。
以上のことを考慮するとおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
GOハイブリッドにおいて、プロトン伝導性の向上と付加的な多機能性、例えば磁性や伝導性あるいは誘電性などの機能性を発現する。そこでGO-金属イオンやGO-金属錯体のハイブリッドを静電的な相互作用により容易にハイブリッドを合成し、これらのGOにおけるプロトン伝導や発光特性と金属イオンや金属錯体におけると磁性、伝導性、誘電性、発光特性などをハイブリッドさせることにより多重機能性を協奏的に発現させる。rGOは伝導性や強磁性を示すため、金属イオンや金属錯体との協奏的多重機能性を発現させる。
またフタロシアニンなどの金属錯体はπ-πスタッキングなどでハイブリッドを構築することができ、還元後のrGO-フタロシアニンのハイブリッドでは巨大磁気抵抗について観測を行う。
rGO単体の光触媒による水の分解は前述したメカニズムで起こるが、その効率や多機能性を持たせるため、rGOハイブリッドにおける光触媒の開発は非常に重要である。例えばGO-金属イオンのハイブリッドを還元するとrGO-金属酸化物ナノ粒子あるいは金属ナノ粒子のハイブリッドが形成され、それらは特異的な光触媒能で水の分解を行い、rGO単体に比べて優れた光触媒能を発現する。またrGO-金属錯体のハイブリッドでは光触媒能の増大のみならず、レニウム錯体などを用いた場合には、発生する二酸化炭素の還元も同時に行うことが可能であり、多機能性の光触媒を開発することを目指す。
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