2022 Fiscal Year Research-status Report
新規電気化学プロセス―ワイヤレス電解剥離法―による二次元材料の創出と構造制御
| Project/Area Number |
21K04835
|
|---|
| Research Institution | Kogakuin University |
|---|
Principal Investigator |
橋本 英樹 工学院大学, 先進工学部, 准教授 (60579556)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | グラファイト / グラフェン / バイポーラ電気化学 / マイクロリアクター / 電解液 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，バイポーラ電気化学，アノード酸化，インターカレーション反応を組合せて独自に開発した，“ワイヤレス電解剥離法”にマイクロリアクターの概念を取り入れ，微細なグラファイトを一括で大量に電解処理し，グラフェンを合成しその構造を制御する手法を提案する。将来的にはこの手法を様々な層状化合物に適用し，二次元材料のユニバーサルな合成手法へと展開することを考えている。具体的には，ワイヤレス電解剥離法を基盤として，マイクロ流路内で電気化学反応を制御することで，グラファイト粉末の高効率剥離法を確立する。①バッチ式電解装置，②フロー型電解装置，③直接通電の大きく3つの研究実施項目を設定しており，2年目はそれぞれの項目について以下の成果が得られた。
①バッチ式電解装置：ビーカースケールのワイヤレス電解剥離において，剥離物の構造に及ぼす出発原料の結晶性の違いの影響を明らかにするために，膨張黒鉛を成形して得られる膨張黒鉛シート，高分子を高温で加熱することで得られる高配向性グラファイトシート，天然黒鉛粉末について，バッチ式電解装置における基礎検討を進めた。その結果，剥離物の構造は出発物質の構造に強く影響を受けることが明らかになった。
②フロー型電解装置：外部電極間距離はワイヤレス試料近傍に生じる電圧・電流を制御可能な重要因子であり，距離が短いほど高い電圧・電流が生じる。そのため，フロー型電解装置において外部電極間距離を段階的に短縮することを検討した。その結果，電極間距離をミリメートルスケールまで短縮した流路を設計できた。
③直接通電：多孔質二次元薄膜が得られる炭酸水素アンモニウム電解液を用いて，剥離物の構造に及ぼす電解因子の影響を明らかにした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ワイヤレス電解剥離法を基盤として，グラファイト粉末の高効率剥離法を確立することを目的として，①バッチ式電解装置，②フロー型電解装置，③直接通電の大きく3つの研究実施項目を設定した結果，それぞれの項目について以下のように当初の計画通りの成果が得られた。そのため，研究は概ね順調に進展していると判断される。
①硫酸電解液を用いたビーカースケールの試験において，出発物質の構造が剥離物の構造に大きく影響を及ぼすことを明らかにした。
②フロー型電解装置の検討に着手した結果，電極間距離をミリメートルスケールにまで短縮した流路を設計することができた。
③炭酸水素アンモニウム電解液において，剥離物の構造に及ぼす電解因子の影響を明らかにした。
|
| Strategy for Future Research Activity |
ワイヤレス電解剥離法を基盤として，グラファイト粉末の高効率剥離法を確立することを目的として設定した，3つの検討項目，①バッチ式電解装置，②フロー型電解装置，③直接通電，について，当初の計画通りの進展が得られたため，最終年度も計画通り，以下のように研究を推進する予定である。また，想定外の成果として，アノードでの酸化反応だけでなく，カソードでの還元反応も剥離物の構造を制御するために，利用できることが明らかになったため，更なる検討を行う。
①電解液を変更した場合に，剥離物の構造にどのような影響が現れるかを明らかにする。特に，昨年度，直接通電で電解因子の影響が明らかになった炭酸水素アンモニウム電解液をワイヤレス電解に適用して，どのような条件で剥離が起こるかを検討する。
②電極間距離をミリメートルスケールまで短縮した流路を設計することができたため，電解液を流通させて通電試験を実施する。電流や電圧の条件を検討し，グラファイト試料のサイズを変更して電解試験を実施する。
③硫酸電解液を用いて低い電圧で電解を実施すると試料が膨張する。この膨張した試料をカソードにして電解すると，還元反応が起こり，酸化度が極端に低下することを見出した。本現象を更に詳細に検討するために，アノードとカソードの入れ替えによる，酸化度の制御を試みる。
更に，本年度が研究の最終年度であるため，剥離物の応用を検討する。剥離物に対して触媒能を有する物質を複合化し，触媒機能を評価し触媒担体としての機能を探索する。
|
