2020 Fiscal Year Research-status Report
Revisiting of sodium intercalation into carbon materials using multi-layer graphene
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19K05018
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| Research Institution | Tokyo Polytechnic University |
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Principal Investigator |
松本 里香 東京工芸大学, 工学部, 教授 (30338248)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | インターカレーション / ナトリウム / 黒鉛 / 多層グラフェン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
黒鉛にはアルカリ金属が容易にインターカレーションし、黒鉛層間化合物（GIC）を形成するが、ナトリウムだけは層間化合物（Na-GIC）を形成しにくい。Na-GICの飽和構造は複数報告されており、Na-GICの物性も明らかにされていない。よって、本研究では、Na-GICの形成挙動や飽和構造を再検討し、適切な合成条件、飽和構造、さらにNa-GICの特性を明らかにする。特に、僅かなインターカレーションを検出するために、多層グラフェンを利用する。
2019年度は黒鉛シートを用いて、Na-GICの飽和構造をX線回折法により検討し、生成物のキャラクタリゼーションを行った。しかし、飽和構造としてはステージ8以上の複数構造が考えられ、確定することができなかった。よって、引き続き2020年度も、黒鉛シートを用いた飽和組成の検討から開始した。
黒鉛シートを用いた検討を進める中で、これまでとは明らかに異なる低ステージ構造のGICの形成を確認した。当初は極めて部分的な形成であったが、低ステージ構造を示す青色の着色が確認され、ラマン分光測定よりステージ３程度の構造であることを確認した。形成理由および反応条件を確定するために、合成条件を網羅的に検討した結果、最終的に均一な低ステージ構造を再現性高く合成する条件を見出した。しかし、構造解析の結果、従来想定される低ステージ構造のNa-GICとは異なることが判明した。形成には微量の第三物質の添加が必要であるのだが、その第三物質の働き、および、形成した新規低ステージ化合物の構造は、まだ明らかにできていない。
また、多層グラフェンを用いたNaのインターカレーションの検討は難航している。反応生成物は大気下でラマン分光測定により観察するが、試料表面や層間から放出されたNaの酸化反応は確認できるが、未だに、Naインターカレーションの形跡を見つけることはできていない。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は、（1）Na-GICの飽和構造の決定、（2）ステージ1構造のNa-GICの創製、（3）低ステージ～高ステージ構造のNa-GICの合成と物性評価、の3段階で計画された。2019年度は主に（1）として、ポリイミドフィルムの熱分解により製造される柔軟性黒鉛シートを用いて、Na-GICの飽和構造および合成条件を明らかにした。さらに、（3）の先行実験として、（1）で合成したステージ8構造のNa-GICの物性測定を行った。よって、2020年度は、上記の黒鉛シートを用いて（1）のNa-GICの飽和構造の決定を終了させ、（2）のステージ１構造のNa-GICの創製行い、さらに、多層グラフェンを用いた実験を始める計画であった。
しかし、(1)の黒鉛シートによる合成を進める中で、2019年度とは異なる新規な低ステージ構造の化合物の形成を確認したため、計画を変更し、その新規化合物の追求に注力した。2020年度内に新規化合物を再現性高く形成する反応条件は見出すことができたが、構造解析や形成理由の解明には至っていない。また、多層グラフェンを用いた実験も開始したが、Naのインターカレーションの形跡を確認するまでには至っていない。
よって、進捗状況は「やや遅れている」と評価したが、新規低ステージ化合物の合成という当初予定とは異なる成果を得ているため、研究は前進していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は最終年度であるため、これまでの経過を考慮し、今後の計画を再検討した。その結果、１）2020年度に形成した新規低ステージ化合物の構造解析および特性評価、２）多層グラフェンを用いたNa-GICの形成挙動の検討、３）1）および２）を通して、黒鉛へのNaインターカレーションを総括する。
１）で検討する新規低ステージ化合物は、当初の想定であった純粋なNa-GICでなないかもしれないが、Naを黒鉛層間に蓄えることができるという意味では、Naイオン電池等への応用可能性を秘めている。また、本化合物の解析により、純粋なNa-GICが形成困難である理由解明の一助となるかもしれない。よって、新規化合物を検討する必要性および意義はあると考えている。また、２）では純粋なNa-GICの低ステージ化合物の形成を目指し、多層グラフェンを用いた検討を行う。2019および2020年度に実施した実験では、大気下では試料表面に付着したNaや層間から漏れ出したNaの酸化反応の影響により、黒鉛層間に挿入したNaインターカレーションの形跡を見つけることは困難であった。よって、今年度は、資料のコーティング等で酸化反応を抑える方法の検討や、酸化後のラマンスペクトルからNa挿入の形跡を見出す方法を検討するなど、あらゆる視点から検討を行う。
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| Causes of Carryover |
本研究では多層グラフェンを用いるが、そのグラフェンの生成、観察に費用がかかる。当初計画では2019年度から多層グラフェンを用いた実験を開始する予定であったが、2019年度および2020年度は黒鉛シートを用いた実験に専念したため、その分の費用が発生しなかった。2021年度は多層グラフェンを用いた実験が主流となるため、これまでの残金と合わせて使用する計画である。また、2020年度は出張が禁止となったため、計上していた２回分の出張旅費が不要となった。2021年度も海外出張は取り止めとなったため、2020～2021年度分の出張旅費分は、実験材料費および論文掲載費等に充てる予定である。
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Research Products
(2 results)
