糖の界面相互作用と立体構造制御に基づく超薄壁カーボン多孔体およびナノ構造体の創製

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05676
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 久保 史織 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20435770)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 糖型両親媒性分子 / 多孔質カーボン / 水熱合成 / カーボン薄壁 / ナノ構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、糖(親水部)とアルキル（疎水部）を併せ持った特徴的な分子構造に由来して、溶液中での特異な界面現象がのぞめる糖型両親媒性分子を原料とし、水熱手法によりカーボン壁がナノレベルで薄く制御され、分離・触媒担体や電極材として有利な高空隙率のカーボン体や新しいカーボン膜構造体を作り出すことを目指す。
今年度は、糖を化学誘導して合成される単糖モノアルキル置換体および市販の二糖モノアルキル置換体からなる糖型両親媒性分子をカーボン原料としてそれぞれ用い、また、ラテックス球(0-)、無機メンブレン(1-)、無機基板(2-)、および高分子ミセル(3次元)をテンプレートとしてそれぞれ用い、テンプレート界面におけるカーボン固体の析出を試みた。
このうち無機メンブレンと高分子ミセルテンプレートに対し、二糖モノアルキル置換体をカーボン原料として水熱合成を行った結果、未修飾の糖を原料とした場合と比較して、生成するカーボン固体の空隙率や壁面のテクスチャがナノレベルで異なることが分かった。これは、糖型両親媒性分子をカーボン原料として用いることが、テンプレート界面における原料分子の配列または集合状態に影響することを示している。
また上記と並行して、原料として着目する単糖モノアルキル置換体の合成手法の改良に着手した。具体的には、これまでモノ置換体から多置換体までを含む混合物として得られていた単糖アルキル置換体に対し、糖を化学誘導するための有機合成における反応条件を精査することにより、目的とするモノアルキル置換体を選択的に生成させることを可能にした。
これによりカーボン原料がより効率的に得られ、目的とするカーボン体合成に向けて、テンプレートと糖型両親媒性分子の仕込み比を系統的に変化させる等、より幅広い検討が可能になる。今後、今年度の成果を土台として様々な水熱条件でカーボン合成を試み薄壁形成を達成したい。

Current Status of Research Progress

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

Reason

着目する4種類のテンプレートのうち2種類について、二糖モノアルキル置換体からなる糖型両親媒性分子を原料とした水熱合成により、未修飾の糖を用いた場合とは異なるナノスケールのカーボン壁テクスチャや空隙が形成されることが電子顕微鏡観察およびガス吸着測定から観測された。
また本研究においては、各種テンプレート界面において効果的にカーボン固体を析出させるために、カーボン原料である糖型両親媒性分子の設計および選定が重要となる。これに対し、立体構造（分子構造）や物性の観点から着目するカーボン原料である単糖モノアルキル置換体について、それらが選択的に生成する有機合成条件が見い出された。これにより、本研究で用いるカーボン原料の合成プロセスにおいて、単離等の精製操作をできるだけ必要とせずに、効率的に原料を得る手法が確立されつつあり、次年度以降のカーボン水熱合成および合成手法の最適化における研究が加速すると考えられる。
以上より、次年度以降の研究の発展に繋がる重要な知見が得られたと言える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、今年度得られたカーボン固体について、壁厚の解析を含む詳細な構造解析を進める。また今年度の進捗を元に、カーボン原料として用いる単糖モノアルキル置換体を選択的かつ大量に得るための原料合成手法（有機合成）を確立するとともに、糖の種類やアルキル置換数の異なる複数の糖型両親媒性分子の合成への展開を図る。これらを元に、糖型両親媒性分子の分子構造や、テンプレートと糖型両親媒性分子の仕込み比、温度等の水熱合成条件を系統的に変化させて、0～3次元テンプレート界面におけるカーボン合成を行う。このようにして4種類のテンプレートに対して、それぞれテンプレート-糖型両親媒性分子間の界面親和性が最適化される水熱条件および原料分子構造を探索し、ナノスケールで薄いカーボン壁が形成され、基板上に均一な膜形態を有して生成するカーボンや、テンプレート除去によりカーボン単独からなる薄壁多孔体を得ることを目指す。ここで、糖型両親媒性分子とテンプレートとの化学的親和性が低く、テンプレート界面へのカーボン原料の配列が阻害される場合は、置換部の化学構造を変更するもしくはテンプレート表面の化学種を制御する等の工夫を行うことも検討する。
また、水熱環境下での糖型両親媒性分子の溶解度や相分離挙動も本研究において重要な知見となるため、特殊セルを用いて水熱挙動のその場観察を行うことも検討する。

Causes of Carryover

研究の効率的な遂行には、当初よりも原料の合成手法の改良が重要であると判断し、糖型両親媒性分子のモノアルキル置換体の選択的合成手法の検討を先行させ、カーボン材料の構造評価や水熱反応その場分析を次年度以降に重点的に行うこととしたため、今年度これらに関する支出が少なかった。次年度は、糖型両親媒性分子を選択的かつ大量に合成するための試薬や器具等の物品費が多く見込まれるほか、材料評価に必要な分析費用やその場分析の遂行に伴う旅費関連の支出が多く見込まれる。