2021 Fiscal Year Research-status Report
Preparation of porous carbon nanofibers for capacitor electrodes derived from biomass resource
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20K05127
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| Research Institution | Fukushima University |
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Principal Investigator |
中村 和正 福島大学, 共生システム理工学類, 准教授 (90433870)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高瀬 つぎ子 福島大学, 共生システム理工学類, 特任准教授 (10466641)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 / カーボン系材料 / 表面・界面物性 / 電池・エネルギー材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の世界的な情勢から環境問題のみならず資源問題、エネルギー問題を総合的に解決することが重要である。それらを達成するために、製造プロセスが簡便で安価なキャパシターの開発を目指している。そこで、原料としてバイオマス資源のセルロースナノファイバーのBC(ナタデココゲル)を使用し、界面活性剤やヨウ素処理を用いて、細孔制御されたカーボンナノファイバーをワンプロセスで作製することを目的とした。
界面活性剤を添加したBCからCNF(カーボンナノファイバー)を作製した。その際、特に熱処理温度に着目し、それを変更した。界面活性剤を添加したBCが、界面活性剤未添加のそれと比較して炭素化収率および密度はほとんど変化が見られなかった。また、熱処理温度を変化に対しても界面活性剤添加または未添加に対する相違はほとんど見られなかった。しかしながら、X線回折測定より炭素材料の骨格構造が乱れることが示唆され、熱分解過程のピークは、より幅をもった。そこで、電子顕微鏡観察を行ったところ、界面活性剤を添加したBCから作製されたCNFはより気孔が開くとともに崩れたような組織が見られた。また、X線光電子分光分析より、界面活性剤を添加したBCから作製されたCNFは、界面活性剤未添加のそれより含酸素官能基の相対量が増加していた。これらより、BCに界面活性剤を添加することで、CNFが作製されていく段階で、二酸化炭素などの脱離による賦活が起こったことが示唆された。
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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3年度は、バイオマス資源であるセルロースナノファイバーのBCを原料として、CNFを作製した。このとき、界面活性剤の添加の有無と熱処理温度の変化による影響を調査した。BCに界面活性剤を添加した後に熱処理したCNFは、界面活性剤未添加のそれと比較して炭素化収率および密度の変化がほとんど見られなかった。また、熱処理温度に対する相違もほとんど見られなかった。一方で、X線回折測定よりBCに界面活性剤を添加し作製されたCNFは構造的な乱れが示唆された。それを調査するために、熱重量測定、電子顕微鏡観察、X線光電子分光測定を行ったところ、熱分解温度が幅広くなり、CNF表面に気孔や崩れた組織が観察され、含酸素官能基がより結合していた。これらの結果より、CNF作製時のBCへの界面活性剤添加は二酸化炭素などの脱離による賦活が起こり、このため表面組織の変化や構造的な乱れた生じたと示唆された。つまり、これらの方法を利用して所望の材料の作製条件に対する見通しもついてきた。しかしながら、新型コロナウイルス感染症および半導体不足の影響により、感染拡大の予防から何度か研究活動が停止してしまったことおよび電気化学測定装置が購入できなかったこともあり、研究がやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨今の世界的な状況より、資源問題、環境問題を解決するためにバイオマス資源の有効活用も求められ、エネルギー問題を解決するために新規のキャパシターの開発が課題となっている。それら全ての課題を同時に解決するために、安価でありふれたバイオマス資源からワンプロセスにてキャパシター用のCNFの開発を進めている。昨年度に得られた結果を基に、以下の2つの研究を推進する。
1) CNFの作製法やその特性に対するBCへのヨウ素処理と界面活性剤の効果が確認できたので、その2つの処理を組み合わせた試料を作製する。
2) 単味のCNF、ヨウ素処理を施したCNF、界面活性剤を添加したCNF、界面活性剤を添加しヨウ素処理を施したCNFと分けて、それらの吸着特性とキャパシター容量の測定を行う。半導体不足のため、装置の購入が儘ならない場合は、外部機関へ依頼測定を行う。
3) 作製した全てのCNFの物性調査結果から、よりキャパシターに適したCNFの作製条件を決定する。
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| Causes of Carryover |
令和3年度の研究を通し、998,927円ほど残予算が出たが、この大きな残予算は半導体不足による電気化学測定装置が購入できなかったためである。これが無ければ、ほぼ計画通り予算を執行できた。また、令和3年度は新型コロナウイルス感染症の影響で、学会等の成果報告がオンラインとなったための支出が生じなかった。
令和4年度は、可能な限り早めに電気化学測定装置が購入可能か検討する。もし、納品に時間がかかるようであったら、外部への依頼測定を検討し、その依頼費に物品費を当てる。その上で、余った予算は、電気炉を維持する機器や多少高額な試薬などの購入のための物品費計上し執行する予定である。また、学会などで成果報告が徐々に対面になりつつあるので、このために旅費等を計上し執行する予定である。
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