2019 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 / ハイブリッド / 磁性 / 伝導性 / 誘電性 / バイオマス / 触媒反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでにGOナノシートおよびGOペーパーのプロトン伝導が、1 × 10-2 S cm-1程度のNafionに匹敵する非常に高いプロトン伝導度を示すことを世界に先駆けて発見し、またそれらのキャパシタ特性の発現も見出した。これらはいずれもGOナノシートの酸素官能基を経由するプロトン伝導によることも明らかにしている。またGOは、グラファイトを酸化して合成するため、グラフェン表面に酸素官能基が付加して負電荷・親水性のため様々なカチオン性の物質とハイブリッドを形成する。
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させた。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た。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た。
またGO単体の触媒反応は酸化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、GOハイブリッドにおける触媒材料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GO-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、それらは特異的な触媒能でセルロースの分解を行い、GO単体に比べて優れた触媒能を発現する。またGO-金属錯体のハイブリッドでは触媒能の増大のみならず、POMなどを用いた場合には、様々な触媒反応も同時に行うことが可能であり、多機能性の触媒材料を開発することを目指した。
今回はGOハイブリッドにおける多重機能の発現およびバイオマス触媒反応における高効率化に成功した。
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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、GOナノシートに関して、その酸素官能基を用いたハイブリッド化に焦点を当て研究を推進している。これまでは、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、光触媒についての基礎的研究にとどまっていた。特にナノシートのハイブリッド化における相互作用の見積もりなどについてはほとんど研究されていない。本研究では、ナノシートハイブリッドの特異的物性発現やバイオマス触媒反応において興味深い研究結果が得られた。
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、磁性体ナノ粒子とのハイブリッド化のほか、新たな材料開発として液中パルスプラズマを用いた化学修飾に成功した。
②ハイブリッドにおける基礎物性のみならず、バイオマス触媒反応において高効率な触媒反応に成功した。
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 |
様々な金属イオンや金属錯体の選択が重要であり、多重機能性を目指したrGOハイブリッドの開発を行う。またrGOは還元法によりp型あるいはn型の半導体特性を示すため、p型あるいはn型の特異性さらにはpn接合による光触媒の開発などを詳細に検討する。
MO、MOHおよびMナノシートハイブリッドにおいても同様に、pn接合を目指す。例えば、結晶構造の異なるp型、n型半導体材料をもちいて結晶方位をそろえて、かつ、接合界面でアモルファス層を含まない2nm以下のヘテロpn接合を作成しようとすると、通常の半導体デバイス形成置（CVD法、ALD法、MBE法）ではその構造を作製できない。しかしながらナノシート張り合わせ技術を用いると、大気中でもそのようなデバイス構造を形成できる。我々はナノシートpn接合技術を保有しており、本研究では１nm以下といったpn接合の限界膜厚に挑戦し、その接合体の光エネルギー変換特性を様々なアプローチで評価していく予定である。このようなデバイス構造もナノシートだからこそ達成できる構造であり、もし実現できれば世界で最も薄いpn接合デバイスを創成できると期待している。
また世界で初めて、赤、緑、青に蛍光を示す厚さ0.9nm～1.4nmのMOナノシートの合成を試みている。本研究では、上記に説明したナノシートpn接合技術を用いて、発光ナノシートを発光層とした、発光デバイスも開発する。
その他、ナノシートハイブリッドにおいて極性場特有の磁性、弾性、伝導性あるいは磁気抵抗などの機能探索を行うと同時にデバイス作成も行う。
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