2020 Fiscal Year Research-status Report

ウェアラブル型グルコースセンサにむけた低pH駆動型水酸化ニッケル電極触媒の開発

Research Project

Project/Area Number	20K21133
Research Institution	Saitama Institute of Technology
Principal Investigator	丹羽修埼玉工業大学, 付置研究所, 教授 (70392644)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	芝駿介愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 助教 (70823251)
Project Period (FY)	2020-07-30 – 2023-03-31
Keywords	電気化学センサ / 糖酸化 / ニッケルナノ粒子 / 電気化学触媒
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、酵素を用いないウェアラブル型グルコースセンサにむけた低pH駆動型水酸化ニッケル(Ni）電極触媒の開発を目的とする。報告者らは、窒素化したカーボン電極上にNiナノ粒子を形成すると、電気化学的な触媒活性が飛躍的に向上することを発見した。そこで本研究では、低圧真空プラズマによりNiナノ粒子を電析したカーボン電極を窒素化し、①カーボンマトリックスとナノ粒子の電気的な相互作用を変化、或いは②Ni粒子を水酸化して触媒活性点を増加させることで、より低いpHでの糖酸化検出をめざす。 2020年度は、まず、アンバランストマグネトロン(UBM)スパッタ法を用いて作製したカーボン薄膜電極に条件を変えて窒素プラズマ処理を行い、表面をXPSで解析することで窒素を含む置換基が表面に導入されたことを確認した。その後Niメッキの条件を検討し、窒素化前に比較し過電圧が増加し、より低電位側でメッキする必要があることを確認した。Niをメッキした後、触媒活性点を増加させるため、アルカリ水溶液中で電位掃引を行い表面を水酸化（Ni(OH)2）化した。水酸化物が電位印加によりNi-O-OHに酸化され、それが還元側で水酸化物に戻る反応を調べるとカーボンが窒素化された後は、より速い応答が得られ触媒として高い活性が示唆された。またpHを通常測定を行ってきたpH13付近からpH12まで下げても、窒素化したカーボン電極上に形成したNiナノ粒子では、窒素化していないカーボン膜上に形成したNiナノ粒子に比較し、高い糖酸化活性を示した。現在のところ、窒素化することで、Niナノ粒子中の電子がより窒素化カーボン膜に引き寄せられやや正に帯電することで、アニオン性の糖類が引き寄せられて電極反応速度が向上したと推測している。より低いｐHでの測定やメカニズムに関しては次年度以降検討を行う。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 初年度でカーボン薄膜の窒素化とNiメッキによるナノ粒子の形成条件、窒素化によるNiナノ粒子の電位掃引に対する速い触媒サイクルや糖類酸化の加速などの効果が確認でき論文発表も行ったため、おおむね順調に進展していると判断した。
Strategy for Future Research Activity	初年度で電極作製と窒素化したカーボン薄膜電極での効果の確認に成功した。しかしながら、まだ十分な特性ではない。今後は、まずプラズマ処理条件を詳細に検討し、窒素の導入量を上げると共に、Niナノ粒子の活性に関与する構造把握について検討する。また、Niメッキ条件を検討し活性の高いNiナノ粒子のサイズを検討する。また、糖酸化特性のより低ｐH化を検討するとともに、前年度は、他の糖で検討を行ったため、計画どうりグルコースでの効果を確認する。さらにウエアラブルセンサとしての要素技術としてカーボン印刷電極の開発を行う。
Causes of Carryover	次年度使用額が生じた理由：コロナ感染症にともなう緊急事態宣言のため、代表者の所属機関は、2020年度2月から2か月程度学生や研究員の登校ができなかった。また、その後も人数制限などを実施し、12月には学生4名の発熱による1週間の活動停止など不測の事態がおき当初より予算使用額が減少した。また、２つの国際会議が延期され、参加予定の学会も3件オンラインとなったため、予算執行額が減少した。次年度使用額は、繰り越し額867,490円,2021年度請求額1,400,000円のうち、代表者分1,867,490円は、備品：500,000円、試薬類など消耗品：467,490円、TEM等分析費用：300,000円, 謝金人件費：250,000円, 会議参加費、旅費（旅費は、後期以降）350,000円の使用予定である。また、400,000円は、分担者が電極の分析費用や試薬類などに使用する。