2019 Fiscal Year Research-status Report
液相一段プロセスによるメタルフリーの異元素ドープカーボン複合材料の創製
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18K14009
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| Research Institution | Teikyo University of Science & Technology |
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Principal Investigator |
山際 清史 帝京科学大学, 生命環境学部, 講師 (20711443)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | カーボンナノ材料 / カーボンアロイ / 電極触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，メタルフリーまたは必要最小限の金属使用を念頭に置き，窒素などの異元素を含むカーボン複合材料を液相中において簡易合成し，燃料電池やバイオセンサの電極材料としての適用を試みることを目的としている．具体的にはカーボンペーパーなどの炭素繊維構造体を基材として用い，その繊維表面にカーボンナノファイバーやウォール状カーボンといったナノマテリアルを直接成長させ，さらに窒素などがドープされた”カーボンアロイ”の合成へと繋げ，3次元的に高比表面積を有するマイクロおよびナノカーボン複合体を創製する．
令和2年度は，独自の液相通電加熱プロセス（液相一段合成法）により天然成分由来の窒素源を添加剤として用いたカーボンアロイ合成を試み，生成したファイバー状カーボンの窒素ドープをX線光電子分光法により評価し，特にその詳細な構造観察と，電極として使用した場合の電気化学的特性についての評価を進めた．窒素源を添加しないブランク実験も条件を様々に変化させ，実施した．さらに，必要最小限の種々の無機系ナノ粒子を溶液に添加または基材に担持することで，カーボンナノマテリアルの成長や生成形態の変化に与える効果を検討している．量産化も視野に入れ，より包括的な生成メカニズム等の提案を行う上で，積極的に類似条件での対照実験を化学気相成長法（CVD法）において試み，液相法と気相法の反応場の類似性や違いを，ナノマテリアルの生成形態や各特性を比較することで考察をしている．
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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
液相系において，基材であるカーボンペーパー(CP)の繊維表面に特徴的な形態を有するカーボンナノファイバーやウォール状カーボンの合成に成功し，さらに必要最小限の種々の無機系ナノ粒子を溶液に添加することで，実験系によっては生成の促進が示唆されている．合成したナノマテリアル/CPを作用極に用いた電気化学測定（サイクリックボルタンメトリー）により，電極材料として良好な特性が，再現性良く示されている．気相系における対照実験も順調に進んでおり，液相系との類似性や違いが徐々に明らかになりつつあると同時に，気相系における新奇の生成形態の発現も認められるなど，研究の興味深い新展開も見られている．
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| Strategy for Future Research Activity |
液相一段合成法は，各実験条件（炭素源，基材，触媒前駆体，添加剤など）の選択と組み合わせが，既存の気相合成法に比べ多様性に富む，という利点がある．よって本研究では，液相系の利点を活かした独自の機能性付与のプロセス確立へと繋げていく予定である．今後は特に生成物の電気化学測定を重点的に行い，既存の材料との違いや新規性を明確にしていく予定である．一方，液相系だけでなく，気相系における対照実験も継続して実施し，生成メカニズムや特性発現の，より包括的な理解へと繋げるとともに，学術論文の執筆や学会発表を精力的に行い，成果の発信に努める予定である．
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| Causes of Carryover |
（理由）
令和元年度は予算の前倒し請求を行った経緯はあるが，その後実験試薬等の消耗品の消費量が，当初の想定と比較して多少少量であったため，その分の差額が生じている．
（使用計画）
令和元年度分として請求した助成金と合わせ，実験試薬等の消耗品および機器・備品の購入を計画している．
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