2020 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 – 2022-03-31
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| Keywords | カーボンナノ材料 / 炭素繊維 / カーボンアロイ / 電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，窒素などの異元素を含むカーボンナノ材料を液相プロセスにより簡易合成し，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．特に炭素繊維基材の繊維表面にカーボンナノチューブやウォール状カーボンといったナノ材料を直接成長させ，必要最小限の添加物の使用によりカーボンアロイ（窒素などが少量ドープされた炭素材料）の合成へとつなげ，高比表面積を有するナノカーボン複合体を創製する．
令和3年度は，独自の液相通電加熱プロセス（液相一段合成法）によりカーボンペーパーの表面にウォール状のナノカーボンを合成し，特に無機系ナノ粒子を予め合成溶液中に分散させておくことで，生成するナノカーボンの形態に与える影響や，基材ごと電極として用いた場合の電気化学特性に与える効果を検討した．ウォール状構造は，炭素源にエタノールを使用し，また特に特定の種類の無機系ナノ粒子を溶液に分散した系で顕著な発達が見られることを見出した．電気化学測定（サイクリックボルタンメトリー）からは，ウォール状構造の発達が，有効に表面積（電気化学的表面積）の増大へとつながっていることが確認された．さらに，電気化学的な酸化処理を試みたところ，特にウォール状構造が発達した電極系では飛躍的な表面積増大が見られた．炭素の電気化学的酸化はそのエッジ部から進行することが知られているが，ウォール状構造との関連性を踏まえ，考察を進めている．さらに，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，ナノ構造の生成形態や電気化学特性の比較も行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和2年度は，合成したカーボンナノ材料/カーボンペーパーを直接電極に用いた電気化学測定を主に行い，電極材料としての発展性を示唆する結果を多く得ている．また気相系における対照実験も多く行い，液相系との比較を行うことで，それぞれの合成因子の果たす役割が明確になりつつある．しかし計画していた実験と各種解析を全ては行えてはおらず，また実験結果の再現性を十分に確認する必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ材料の合成条件や異元素ドーププロセスの最適化と，電気化学的特性を中心とした評価を継続的に進め，本系の利点を活かした独自の機能性材料創製のプロセス確立へとつなげていく．気相系における対照実験の結果も踏まえ，本プロセスにおける液相反応場と気相反応場の共通点と相違点を整理し，包括的な理解へとつなげる．得られた知見は，学会発表や学術論文の発表等により発信をしていく予定である．
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| Causes of Carryover |
当初の計画よりも研究の進行がやや遅れており，また実験や測定結果の十分な再現性ならびに解析結果の妥当性を慎重に確認する必要があるため，研究期間を延長し，追加の実験と測定を予定している．研究費は実験の試薬や測定に用いる消耗品の購入のために，また外部の測定機関に出向く際の旅費としての使用を想定している．
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