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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Creation of two-dimensional conjugated polymer, coordination nanosheet, and manifestation of higher-order functions using high quality and hetero-structured nanosheets

Research Project

Project/Area Number 19H05460
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

西原 寛  東京理科大学, 研究推進機構総合研究院, 教授 (70156090)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 坂牛 健  国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主幹研究員 (50756484)
Project Period (FY) 2019-04-23 – 2024-03-31
Keywords二次元物質 / 金属錯体 / 結晶 / ヘテロ構造 / 導電性 / エネルギー貯蔵 / 太陽電池
Outline of Annual Research Achievements

配位ナノシートのエネルギー貯蔵材料としての特性について、2019年にニッケルイオンとヘキサアミノベンゼンから合成されるビス(ジイミノ)ニッケルシート(NiDI)が、リチウムイオン二次電池の正極材料として155 mAh/gの高いエネルギー密度を持つことを報告した。今回、ビス(ジイミノ)銅シートCuDIについてその正極材料特性を評価し、400 mAh/gの極めて高いエネルギー密度を持つことを見出してそのカチオン/アニオンがともに関わるデュアルイオンレドックスメカニズムを明らかにした。
配位ナノシートのヘテロ構造についての研究として、ビス(テルピリジン)鉄ナノシート(Fe-tpy)とビス(テルピリジン)コバルトナノシート(Co-tpy)のヘテロ積層を水/ジクロロメタン界面での連続的ワンポット合成で作製することに成功した。その積層構造をTEM-EDSにより解析し、ナノシートの成長機構を明らかにした。ヘテロ積層膜の電気化学特性をサイクリックボルタンメトリーで解析し、混合原子価状態の狭いポテンシャル領域においてナノシートの導電性が上昇すること及び内層が外層と基板間の電子移動を媒介することを示した。さらに、電極に挟んだ二層膜の電流―電圧特性では、安定した整流特性を示し、バリア電圧は二層間の酸化還元電位差に対応することを明らかにした。また、配位ナノシートの反応性を利用して面内へテロ接合の作製にも成功し、その整流特性を見出し、論文投稿準備中である。
配位ナノシートのデバイス応用として、テルピリジン亜鉛(II)配位ナノシートを複合することにより、ペロブスカイト太陽電池の特性が向上することを示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題では、金属錯体から成る二次元物質である配位ナノシートに関して、これまで研究が進んでいなかった高結晶度化およびヘテロ構造化という基盤技術の確立と化学的・物理的な特性・機能の応用展開を目指している。本研究においては、ヘテロ構造化に関して二相界面での逐次的錯形成反応を用いたFe-tpyとCo-tpyからなる面直ヘテロ接合体の作製に成功し、そのダイオード的電子移動挙動を明らかにした。また、面内ヘテロ接合体の作製にも成功し、その整流特性を見出している。これらの成果は、様々な配位ナノシートのヘテロ構造化の手法を達成するともに、ヘテロ構造に基づく物性発現へ大きく展開したことを示している。また、配位ナノシートの応用展開に関しては、導電性と多電子移動特性を生かしたエネルギー貯蔵材料への展開に関しては、コバルト酸リチウムなどの金属酸化物材料よりエネルギー密度の大きなCuDI系を見出す大きな成果を挙げるとともに、配位ナノシートがペロブスカイト太陽電池の性能向上にも有用であることを見出した。以上のことから、研究計画が順調に進んでおり、「(2)おおむね順調に進展している」を選択した。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題では、色々な配位ナノシートについてヘテロ構造化と高結晶度化を実現することを目指している。ヘテロ構造化については、ヘテロメタル化やヘテロ積層化に成功し、論文発表した。残るヘテロ構造化として面内ヘテロ接合化の新規作製法の開拓とその整流特性の発現に成功し、現在、整流特性の機構解析を進めている。それらの研究成果が整えば、論文発表する予定である。準備を進めている。さらに、上記のヘテロ構造化の集大成として、段階的な異種金属導入法による、精密設計されたヘテロメタル化とその金属分布の面直または面内分布の制御を実現する研究を進める。
高結晶化に関しては、これまでに単結晶合成や、かなり構造規制されたナノシート合成には成功してきたが、依然として、大きなシングルドメインの原子層ナノシートの作製が課題として残っている。次年度は、水熱合成などの新しい合成法を導入したり、剥離法をより詳細に検討することにより、物性測定に資する面積を持つシングルドメインナノシート作製の研究を行う。
最終的には、単結晶の原子層配位ナノシートのヘテロ構造を作ることによって、未踏の量子物性の発現に展開することを計画している。

  • Research Products

    (26 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (15 results) (of which Invited: 1 results) Book (2 results) Remarks (3 results)

  • [Int'l Joint Research] National Taiwan University/National Tsing Hua University/National Yang Ming Chiao Tung University(その他の国・地域)

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      National Taiwan University/National Tsing Hua University/National Yang Ming Chiao Tung University
    • # of Other Institutions
      1
  • [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      University of Cambridge
  • [Journal Article] Terpyridine-zinc(II) coordination nanosheets as modulators of perovskite crystallization to enhance solar cell efficiency2023

    • Author(s)
      Y.-C. Wang, C.-H. Chiang, C.-J. Su, J.-W. Chang, C.-Y. Lin, C.-C. Wei, S.-K. Huang, H. Maeda, W.-B. Jian, U-S. Jeng, K. Tsukagoshi, C.-W. Chen, H. Nishihara
    • Journal Title

      J. Mater. Chem. A

      Volume: 11 Pages: 7077-7084

    • DOI

      10.1039/d3ta00505d

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Superior Multielectron-Transferring Energy Storage by π-d Conjugated Frameworks2022

    • Author(s)
      D. Xia, K. Sakaushi,* A. Lyalin, K. Wada, S. Kumar, M. Amores, H. Maeda, S. Sasaki, T. Taketsugu, H. Nishihara
    • Journal Title

      Small

      Volume: 2022 Pages: 2202861

    • DOI

      10.1002/smll.202202861

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chemically Laminated 2D Bis(terpyridine)metal Polymer Films: Formation Mechanism at the Liquid-Liquid Interface and Redox Rectification2022

    • Author(s)
      J. Komeda, K. Takada, H. Maeda, N. Fukui, T. Tsuji, H. Nishihara
    • Journal Title

      Chem. Eur. J.

      Volume: 2022 Pages: e202201316

    • DOI

      10.1002/chem.202201316

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Conductive coordination nanosheets: Sailing to electronics, energy storage, and catalysis2022

    • Author(s)
      H. Maeda, K. Takada, N. Fukui, S. Nagashima, H. Nishihara
    • Journal Title

      Coord. Chem. Rev.

      Volume: 470 Pages: 214693

    • DOI

      10.1016/j.ccr.2022.214693

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Overview of Coordination Nanosheets2023

    • Author(s)
      Hiroshi Nishihara
    • Organizer
      2023 JSPS-EPSRC workshop on coordination nanosheets
  • [Presentation] The Smallest Fraction of Coordination Nanosheet Visualized by Scanning Tunnelling Microscopy under Ultrahigh Vacuum2023

    • Author(s)
      Naoya Fukui
    • Organizer
      2023 JSPS-EPSRC workshop on coordination nanosheets
  • [Presentation] Rectifying Lateral Heterojunction by Post-synthetic Modification of Coordination Nanosheet2023

    • Author(s)
      Choon Meng Tan
    • Organizer
      2023 JSPS-EPSRC workshop on coordination nanosheets
  • [Presentation] Functionality of Non-Planar Coordination Nanosheets Based-on Bis(terpyridine)metal(II) Complexes2023

    • Author(s)
      Kenji Takada
    • Organizer
      2023 JSPS-EPSRC workshop on coordination nanosheets
  • [Presentation] Interfacial Synthesis of Functional Bis(diimino)metal Nanosheets2023

    • Author(s)
      Hiroaki Maeda
    • Organizer
      2023 JSPS-EPSRC workshop on coordination nanosheets
  • [Presentation] 配位ナノシートの電気化学的合成と電極触媒特性評価2023

    • Author(s)
      前田 啓明, 藤野 真弓, 長島 佐代子, 西原 寛
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
  • [Presentation] アニオン交換による二次元ビス(テルピリジン)配位高分子の電場応答性制御2023

    • Author(s)
      髙田 健司, 西原 寛
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
  • [Presentation] 配位ナノシートのアルキル終端によるサイズ制御2023

    • Author(s)
      福居 直哉, 遠藤 友, 伊藤 実祐, 髙田 健司, 西原 寛
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
  • [Presentation] 金属錯体をモチーフとする二次元物質2022

    • Author(s)
      西原 寬
    • Organizer
      公益社団法人日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] Chemical and Electrochemical Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheet as Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction2022

    • Author(s)
      Sayoko Nagashima, Mayumi Fujino, Eunice J. H. Phua, Hiroaki Maeda, Hiroshi Nishihara
    • Organizer
      錯体化学会第72回討論会
  • [Presentation] Liquid-Liquid Interfacial Synthesis of Metal-Hexaaminobenzene Coordination Nanosheets for Tuning of Their Structures and Functions2022

    • Author(s)
      Hiroaki Maeda, Kenji Takada, Naoya Fukui, Junzo Ukai, Nobutaka Honma, Sono Sasaki, Kenichi Kato, Hiroshi Nishihara
    • Organizer
      錯体化学会第72回討論会
  • [Presentation] Transmetallation Reaction in a Manganese Dithiolene Coordination Nanosheet2022

    • Author(s)
      Kenji Takada, Takahiro Yamane, Choon Meng Tan, Naoya Fukui, Hiroaki Maeda, Hiroshi Nishihara
    • Organizer
      錯体化学会第72回討論会
  • [Presentation] The smallest fraction of coordination nanosheet visualized by scanning tunneling microscopy under ultrahigh vacuum2022

    • Author(s)
      Naoya Fukui, Yu Endo, Miyu Ito, Kenji Takada, Hiroaki Maeda, Sayoko Nagashima, Hiroshi Nishihara
    • Organizer
      錯体化学会第72回討論会
  • [Presentation] 配位ナノシートの創製と特性・機能2022

    • Author(s)
      西原 寛
    • Organizer
      高分子表面研究会 「二次元界面の機能化戦略」分子レベルで界面を操る!」
  • [Presentation] Functional Coordination Nanosheets2022

    • Author(s)
      Hiroshi Nishihara
    • Organizer
      7th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials
  • [Book] Photochromic Materials2023

    • Author(s)
      H. Maeda, M. Nishikawa, R. Sakamoto, H. Nishihara
    • Total Pages
      61
    • Publisher
      Oxford: Elsevier
    • ISBN
      9780128231449
  • [Book] 教養の化学 生命・環境・エネルギー2023

    • Author(s)
      西原寛、中田宗隆 編
    • Total Pages
      216
    • Publisher
      東京化学同人
    • ISBN
      9784807920419
  • [Remarks] Nishihara Laboratory 東京理科大学研究推進機構総合研究院 西原研究室

    • URL

      https://www.rs.tus.ac.jp/nishihralab/index.html

  • [Remarks] 物質・材料研究機構 (NIMS) 坂牛グループ

    • URL

      https://sites.google.com/site/sakaushiken/

  • [Remarks] 東京理科大学ニュース&イベント プレスリリース

    • URL

      https://www.tus.ac.jp/today/archive/20220722_2587.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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