2020 Fiscal Year Research-status Report
バイオナノファイバー由来3Dナノポーラスカーボンの光熱変換機能開拓
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20K21334
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
古賀 大尚 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (30634539)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2022-03-31
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| Keywords | セルロースナノファイバー / キチンナノファイバー / ナノポーラス構造 / 炭化 / ナノカーボン / 光熱変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、再生可能な太陽光エネルギーを熱に変換して利用するための光熱変換材料に注目が集まっており、海水の淡水化や浄水に向けた水蒸発プロセス、熱電発電や触媒プロセスへの応用が活発化している。代表的な光熱変換材料として、金・銀等のプラズモニックナノ粒子、半導体材料、カーボン材料が挙げられる。特にカーボン材料は、太陽光波長（300～2500 nm）に適した幅広い光吸収帯を持つため有望視されている。しかし、太陽光エネルギーの最大限活用に向け、光熱変換機能のさらなる向上が課題となっている。すなわち、①太陽光の吸収と②吸収した光の熱変換（光励起電子が基底状態に戻る際のフォノン振動による熱発生）を志向したナノポーラス構造、および、カーボン系分子構造の設計が希求されている。
そこで本研究では、樹木由来のセルロースナノファイバーまたはカニ殻由来のキチンナノファイバーの炭化戦略により、バイオナノファイバー由来新規ナノカーボンの創製と高効率光熱変換に挑戦する。今年度は、セルロースまたはキチンナノファイバーを用いてナノポーラス構造を持つ紙を調製し、さらにその炭化条件を精査してカーボン系分子構造を設計することで、光熱変換機能開拓に取り組んだ。得られた炭化セルロースナノファイバーペーパーは、太陽光波長領域において最大98%以上の光吸収率を示し、モデル太陽光照射時に温度が最大73℃まで上昇した。この光熱変換機能は、カーボンナノチューブフィルムやグラフェンペーパー等の市販ナノカーボン材料よりも優れていることが確認できた。また、炭化キチンナノファイバーペーパーも優れた光熱変換機能を有し、さらに、光照射に応答して電気特性が変化する光センシング機能も見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
セルロースナノファイバーおよびキチンナノファイバーを炭化したナノポーラスカーボン材料を調製し、その分子構造を設計することで、極めて優れた光熱変換特性を発現させることができた。以上から、当初の計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
高温処理だけでなく化学処理による炭化も検討し、形成される細孔構造・分子構造と光熱変換機能の相関をより詳細に精査することで、学術的な知見取得、および、応用に向けた更なる高機能化に取り組む。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの影響を受け、学生アルバイト雇用のために計上した予算等が不要となり、次年度使用額が生じた。その一方で、研究自体は当初の計画以上に進展している。
そこで次年度は、本研究課題の鍵となる「バイオナノファイバーの炭化技術」について、当初予定していた高温処理だけでなく化学処理（本年度の検討で有用性は確認済み）にも検討規模を拡大し、そのために本予算を使用する。
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