2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of the electrodes for high-performance electrochemical capacitors via high dispersion of metal oxide nanoparticles into the micropores of activated carbon
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17K06034
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| Research Institution | Aichi Institute of Technology |
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Principal Investigator |
糸井 弘行 愛知工業大学, 工学部, 准教授 (40648789)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電気化学キャパシタ / 金属酸化物 / 酸化ルテニウム / ナノ粒子 / クラスター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は、電極材料となる試料合成の条件検討と、得られた試料の分析評価や電気化学特性評価を行った。本研究では高性能な電気化学キャパシタ電極の開発に向けて、多孔質炭素材料の中でも最も一般的な活性炭に、金属酸化物ナノ粒子を高分散化させる取り組みを行った。その手法として、使用する活性炭の細孔サイズよりも小さい分子サイズを有する有機ルテニウム錯体を活性炭に気相中で吸着させ、錯体を高分散させた試料を作製した。続いて得られた試料から一般的な手法を用いて電極を作製し、1 M硫酸を電解液として電圧を印加することで、活性炭細孔内部で金属酸化物ナノ粒子の高分散化を検討した。
本実験手法では溶媒を用いないため、活性炭に吸着させる錯体の重量を正確に制御することができる。したがって優れた電気化学キャパシタ特性を示す活性炭と錯体の重量比を容易に見出すことができる。その結果、有機ルテニウム錯体としてルテノセンを用いて試料を作製したところ、透過型電子顕微鏡（TEM）でも確認できない程の1ナノメートル以下の酸化ルテニウムクラスターが活性炭に高分散されていることが示唆された。そこでX線吸収スペクトル測定や誘導結合プラズマ（ICP）発光分析により、クラスターの構造評価とルテニウムの担持量の測定を行った。X線吸収スペクトル測定の結果から、酸化ルテニウムクラスターの酸化数は2価であることが分かり、現在、詳細なフィッティングによるクラスターサイズの解析を進めている。
電気化学測定の結果からは、酸化ルテニウムクラスターが活性炭の細孔内部に高分散しているため、本来は導電性の乏しい金属酸化物が導電性の高い高表面積を有する活性炭と広大な面積で接触しているため、従来は急速充放電特性に乏しいとされた金属酸化物であるにもかかわらず優れた急速充放電特性と高いエネルギー密度の両立を実現した。
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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
本研究計画の当初の目的は、金属酸化物ナノ粒子を活性炭の細孔内部に高分散させることであった。しかしながら、活性炭の細孔内部に有機金属錯体を吸着させてから電圧を印加して金属酸化物を生成させる本研究手法では、金属酸化物粒子のサイズを1ナノメートル以下にまで制御できることが明らかになった。酸化物粒子の粒径が小さくなればなるほど粒子中の原子の表面露出率が高くなるため、高い表面積を有する活性炭との接触面積も高くなり、急速充放電特性を実現することができる。しかも酸化ルテニウムはエネルギー密度が高いため、酸化ルテニウムクラスターが活性炭の細孔内部に高分散することで、電極の体積膨張が起こらず、結果的に体積あたりのエネルギー密度の向上も実現することができた。また、活性炭に吸着させたルテノセンと実際に活性炭に担持されたルテニウムの重量比をICPによる分析から明らかにし、しかもX線吸収スペクトル測定まで初年度に終えることができた。X線吸収スペクトルの解析はまだ終わっていないものの、しかしTEMを用いた元素マッピングからは、活性炭粒子全体に酸化ルテニウムが高分散していることも確認できた。
本研究手法の新規性と得られた試料の電気化学キャパシタ電極としての優れた特性から、本インパクトファクターの高いジャーナルへの研究成果の掲載が大いに期待できる成果を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は、初年度の研究成果を基に論文を完成させ、30年度の前半までには論文の投稿を目指す。そのために、初年度に測定した試料のX線吸収スペクトル測定の解析を進め、酸化ルテニウムクラスターのサイズと電気化学特性の関係を明らかにする。また、本研究手法が市販の活性炭と安価に購入できる有機金属錯体を用いて実施可能であることを示すため、いくつかの活性炭とルテニウム以外の金属を含む錯体を用いることで、様々な金属酸化物クラスターの高分散化が可能であることも明らかにしていく。
ルテニウムは比較的高価な金属であるが、より安価なマンガンやニッケルを含む金属酸化物クラスターの高分散化を検討し、優れた電気化学キャパシタ特性を得るための検討を行う。
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