2019 Fiscal Year Research-status Report

微小なグラファイトドメインの配向性を制御した規則性多孔質炭素電極の創製

Research Project

Project/Area Number	19K05184
Research Institution	Yokohama National University
Principal Investigator	稲垣怜史横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (90367037)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	グラファイトドメイン / 配向制御 / 電気二重層キャパシタ / イオン液体 / 規則性メソポーラスカーボン / 金属触媒
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，電気二重層キャパシタ（EDLC），とりわけイオン液体を電解液とする系の蓄電容量向上を実現する多孔質炭素材料の調製に取り組んでいる。イオン液体は粘度が高いのでミクロ孔のみからなる活性炭では，電解液の細孔内への浸透が十分ではなく，高速な充放電が達成しえない。一方，本研究で注目している規則性メソポーラスカーボンでは，ミクロ孔よりも広いメソ孔に電解液が浸透するので高速な充放電を達成しうることを明らかにした。またアセナフテンを炭素源として調製した規則性メソポーラスカーボンの調製の検討では，750℃の熱処理では炭素化には至らないが，アセナフテンとともにニッケルを触媒として加えると，750℃でも十分炭素化が進行することがわかった。またこのようにして調製した規則性メソポーラスカーボンはEDLCの電極とした際に，10μF/cm2を超える充放電容量が得られることを見出した。この値は従来の活性炭電極やメソポーラスカーボン電極では達成されていない値である。この成果は，Chemistry Lettersに査読付き論文として報告した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 易黒鉛化炭素源であるアセナフテンを原料とする規則性メソポーラスカーボンの調製では，ニッケルを触媒として加えることで750℃という低温でも炭素化できることを見出した。またこの炭素体はEDLCの電極とした際に，従来の多孔質炭素電極よりも非常に高い充放電容量を得ることができた。これらの検討から，ニッケル触媒が炭素化中にグラファイトドメインの形成を促しており，またメソ孔表面にグラファイトのエッジ面を露出しうる可能性がある。これにより今後，炭素体の露出表面の構造を評価する手法を確立する上でも有用な多孔質炭素材料を得ることができたと言える。すなわち，本研究はおおむね順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	今後の研究では，ニッケル触媒を活用して得た規則性メソポーラスカーボンの露出表面の構造・性状を調査する手法を検討する。グラファイトのエッジ面が露出している場合には，エッジ面に水酸基などの官能基が存在していることが考えられるので，多孔質炭素体の水蒸気吸着等温線の測定を活用してその表面構造を調べることとする。特に吸着熱を精査することで水分子の吸着サイトの同定・識別について検討を進める予定であるまた触媒成分についても，ニッケルの他に，鉄，コバルトなどの金属での検討を進め，グラファイトドメインの形成の振る舞いについて検討していく。さらに炭素源としてアクリロニトリルを新たに適用することで，含窒素規則性メソポーラスカーボンを調製し，炭素化過程での窒素成分の振る舞い，とりわけ触媒の有無による窒素の脱離過程を観測することで，窒素含有量を制御するための因子を明らかにしていく。