2020 Fiscal Year Research-status Report
ナノ多孔質電極を用いた多成分電解質からのイオン種の分離
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20K12249
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
清原 健司 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 (30344188)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 選択的イオン吸着 / 多孔質電極 / 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、細孔径が１ナノメートル程度の多孔質電極による電気化学的吸着によって、多成分電解質水溶液から特定のイオンを選択的に吸着することを目指すものである。研究手法としては、分子シミュレーションによる理論的予測および吸着メカニズムの解明と、電気化学実験による実証の二つを用いる。
分子シミュレーションにより、電解質水溶液中のカチオンが炭素材料でできた多孔質電極に電気化学的に吸着される際に越えなければならない自由エネルギーバリアを計算した。カチオン種としては、一価および二価のさまざまなイオン種を用い、アニオン種は塩化物イオンに統一した。多孔質電極としてはスリット状のものを用い、細孔径としては細孔の両側の炭素原子の中心の距離で６Åから12Åのものを用いた。
自由エネルギーバリアの計算結果からは、カチオンがバルクの電解質水溶液から多孔質電極に吸着されるときの吸着されやすさは、カチオン種、電極の細孔径、そして電極に印加する電圧の大きさによって大きく異なることが分かった。さらにカチオンに水和した水分子の構造を解析したところ、カチオンの吸着のされやすさの違いは、電解質水溶液中でカチオンに水和した水分子の構造が、カチオンが電極に吸着される過程においてそれぞれの条件において大きく異なることと密接に関連していることがわかった。
また、カチオン種の違いによる実験的検証のために電気化学セルを構築し、これに電解質水溶液を循環させるとともに電極に電圧を印加して電解質中のイオンを電極に吸着させた。イオンの吸着は、電圧印加前後の電解質中の電導度を計測することなどにより確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
分子シミュレーションによる計算は、おおむね順調に進んでいる。実験的検証はまだ開始して間もないが、今後さらに進めていきたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
多孔質電極による多成分電解質水溶液から特定のイオンを選択的に吸着することを目指して、これまでの手法による研究をさらに進める。
①分子シミュレーションにより、三価のイオンを含め、さらに多くのカチオンについてこれまでと同様の手法を用いて自由エネルギーバリアの計算を行い、イオン種ごとの多孔質電極への吸着されやすさについての比較を進める。
②多孔質電極によるイオン種選択的吸着の実験的検証を、これまでに構築した電気化学セルなどを用いて進める。特に、二種類のカチオンが共存する電解質水溶液からのイオン種選択的吸着について調べる。一方のカチオン種が他方のカチオン種よりも吸着されやすいような条件が見つかれば、そのメカニズムについて分子シミュレーションと合わせて考察する。
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| Causes of Carryover |
計算機の購入に際して余剰金が発生したため、次年度における外部計算機使用料などに充てることとした。
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