2020 Fiscal Year Annual Research Report
Preparation of ionic-bond molecules using pseudo-high-pressure in a single-walled carbon nanotube and their application for high-rate batteries
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19H02809
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
川崎 晋司 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40241294)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
服部 義之 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (20456495)
石井 陽祐 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80752914)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 内包 / ヨウ素 / 硫黄 / アルカリ金属 / キノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
独自に開発した電解酸化法によるヨウ素の内包技術を利用した安全で高速充放電特性に優れた新しい水溶液二次電池に関して、日本学術振興会の炭素材料117委員会で川崎が発表するとともに、大学院生が炭素材料学会年会で発表した。この研究成果は国内学会誌および国際誌に論文として発表した。電池に関わる新しい研究成果については現在論文投稿準備中である。また、内包したヨウ素を硝酸銀水溶液中に浸漬する手法により、AgIO3とAgIとの複合体の合成手法および太陽光CO2還元触媒性能について大学院生が炭素材料学会年会で発表するとともに国際誌に論文投稿を行った。内包したヨウ素の反応のようにナノチューブ内包物を反応物とする手法を展開し、さまざまな金属錯体をナノチューブに内包したうえで反応させた。ニッケルアセチルアセトナート錯体を気相法によりナノチューブに内包したのち、これを真空ポンプで脱気しながら加熱処理することによりニッケルの金属微粒子をナノチューブに均一に分散担持させた。これをアルカリ水溶液中で処理することによりナノチューブ上に微小水酸化ニッケルを担持させることに成功した。この試料は高速充放電特性に優れたニッケル水素電池電極として機能することを明らかにし、大学院生が炭素材料学会年会で発表し学生優秀発表賞を受賞した。同じように銅錯体を内包し、銅微粒子をナノチューブ上に分散担持させた試料を有機半導体と組み合わせることにより光CO2還元触媒を調整した。この触媒は生成物の選択性に優れていることが明らかとなった。これらの研究成果については国内会議で発表するとともに論文投稿を行った。
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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
ヨウ素を内包した単層カーボンナノチューブを硝酸銀水溶液中に浸漬する手法により、AgIO3とAgIが生成できることを昨年度発見したが、今年度この手法により生成した単層カーボンナノチューブ-AgIO3-AgI複合体の詳細なキャラクタリゼーションおよび太陽光CO2還元触媒性能の評価を実施した。ナノチューブに内包されたヨウ素を反応物として利用することにより、反応物の供給量が制限されるため生成物の成長が抑制され微粒子となること、一本一本のナノチューブから反応物が供給されるために生成物がナノチューブに均一に分散担持されることが明らかとなった。AgIO3とAgIの微粒子が均一に分散担持されたナノチューブ複合体は効率よくCO2をCOへ光還元することを確認した。この光触媒は少なくとも72時間の間、光照射時間に比例してCOを生成できており長寿命であることを確認した。このナノチューブ内包物を反応物とする手法を今年度さらに展開し、さまざまな金属錯体をナノチューブに内包したうえで反応させた。具体的にはニッケル、銅のアセチルアセトナート錯体を気相法によりナノチューブに内包したのち、これを真空ポンプで脱気しながら加熱処理することによりニッケル、銅の金属微粒子をナノチューブに均一に分散担持させた。ニッケル試料はこれを水酸化処理したのちニッケル水素電池電極性能を評価し高速充放電特性に優れていることを確認した。銅-ナノチューブ試料については有機半導体と複合化して光CO2還元触媒性能の評価を行ったところ生成物の選択性に優れた触媒として機能することが明らかとなった。これらの一連の反応物の電子状態や構造変化については放射光を利用したX線吸収分光などにより詳細な評価を実施した。また、内包を行うナノチューブの直径は1～5 nm まで種々の試料でテストを実施し直径による違いも明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの２年間で単層カーボンナノチューブに内包したさまざまな分子の化学反応特性、電気化学反応特性について明らかにしてきた。内包した分子を反応させてナノチューブとの複合体を合成する研究は大きく展開し、電池電極や光触媒の研究に進展した。今年度はこの研究をさらに深めていくため、電池電極反応や触媒反応の詳細を明らかにする分光実験をさらに強化する。昨年に引き続き、放射光を利用したX線吸収実験、X線光電子分光を実施する（分担者の服部がおもに担当するが、あいちシンクロトロンを利用して川崎・石井も実験を実施する）。また、これまで整備を進めてきた自前のナノチューブ合成を応用実験にも展開していく。具体的にはヘテロ原子を導入したナノチューブの調整を進め、調整した試料の構造・物性の評価を実施する（分担者の石井が担当する）。さらに、昨年度大きく展開した有機分子内包とその反応特性については引き続き今年度も対象をひろげて実施する。具体的にはこれまでニッケル、銅のアセチルアセトナート錯体の内包を行ってきたが、これを鉄やアルミニウムについても実施したいと考えている。生成物の電池電極特性評価や触媒性能評価は昨年度までに整備した機器で実施可能である。今年度は試薬などの消耗品に研究費の大半をあてる予定である。（この一連の研究はおもに川崎・石井が担当する）。有機分子内包については上記の反応以外に直接電気化学反応を実施し電池電極としての評価も実施する。具体的にはアントラキノンのような芳香族キノン分子について、構造が異なる数種のものについてカチオン捕捉性能の比較を実施する。やや難しいと予測されるが、光や熱による充電が可能な電池の開発も行いたい（分担者の石井が担当する）。
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