2022 Fiscal Year Annual Research Report
Perturbation of local electronic structure of B-C-N nanotubes by encapsulated molecules for long-life functional electrodes
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22H02180
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
川崎 晋司 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40241294)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
服部 義之 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (20456495)
石井 陽祐 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80752914)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 内包 / ヘテロ原子 / 光触媒 / 電極特性 / 酸素還元 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
YAGレーザーを組み込んだレーザー蒸発法により単層カーボンナノチューブの合成実験を実施した。キャリアガス流量、反応管温度、反応管直径などさまざまな合成条件を制御して単層カーボンナノチューブの生成量、純度などの比較を行った。また、単層カーボンナノチューブの金属・半導体分離を行った。いくつかの分離手法を試したがゲルクロマトグラフを利用した方法で比較的良い成果が得られた。分離した金属型ナノチューブに対して三フッ化マンガンを用いて行ったフッ素化処理では、カーボンナノチューブ表面にフッ素を導入できていること、ナノチューブの電子状態が変化していることを確認した。このフッ素化ナノチューブ以外に窒素ドープナノチューブなどさまざまな化学修飾ナノチューブを調整した。調整した化学修飾ナノチューブに金属酸化物、金属超微粒子、有機半導体などを複合化し、酸素還元電極、太陽光二酸化炭素還元光触媒などへの応用を行った。複合化試料はTEMやSEMなどの電子顕微鏡観察だけでなくXRD, XPS, XANES, Raman などの分光手法により詳細なキャラクタリゼーションを行った。
水熱法を応用した手法で二酸化マンガンの薄層をナノチューブ表面上に析出させた試料は過電圧の小さな酸素還元電極として機能することがわかった。グラファイト様窒化炭素にナノカーボン、銅微粒子を複合化した試料は太陽光二酸化炭素還元性能を有し、二酸化炭素をメタンに効率よく変換することができることがわかった。ナノカーボン、銅微粒子の量を最適化することで二酸化炭素からメタンへの変換速度を約20倍向上できることが明らかになった。
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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
単層カーボンナノチューブの合成・精製・分離・化学修飾については一連の研究を遅滞なく実施できることが確認できた。カイラリティ分離後試料のキャラクタリゼーションについては近赤外吸収・発光の２次元マップ測定を大学内で確保できないことが問題であったが、静岡大学の装置を利用できることがわかり現在は解決している。金属型ナノチューブ分離後のフッ素処理についてもめどがたった。その他の化学修飾手法も予備的な実験を行うことができ順調に試料の幅を広げることができている。また、機能電極、光触媒などの応用のための複合化・性能評価について実験手順を確立できたことは大きな収穫である。酸素還元反応については昨年度までの回転ディスク電極に加え、今年度は回転リングディスク電極も整備し、より精密な実験を実施できると見込んでいる。光触媒性能評価については昨年度までに装置整備は完了しており必要な実験を行うことができていた。合成から評価までの一連の手順を最適化できたことは今年度以降の研究の進展に大きく寄与できるものと考えている。また、試料評価で学外の放射光施設でX線吸収実験を行う必要があったが、これについてもあいちシンクロトロン放射光施設、SPring8でともに予備的な実験を行えたことは大きな収穫であった。性能面でも酸素還元電極、太陽光二酸化炭素還元光触媒においてそれぞれ高い性能を確認できた。
得られた研究成果について複数の学会で報告できた。しかし、論文にまとめるところまで達しなかったことは反省すべき点である。
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| Strategy for Future Research Activity |
単層カーボンナノチューブの化学修飾（フッ素化、窒素ドープ、ホウ素ドープなど）を進めるとともに骨格構造を窒素、ホウ素などで構築したナノチューブについても研究を展開する。こうしたヘテロナノチューブについてもこれまでの試料同様に徹底したキャラクタリゼーションを行う。また、昨年度確立した単層カーボンナノチューブのカイラリティ分離をスケールアップし機能電極研究により展開しやすいようにする。
調整したさまざまな種類のナノチューブについて金属酸化物、金属超微粒子などを複合化し、機能電極性能を評価する。酸素還元・生成電極性能については今年度整備する回転リングディスク電極を用いて反応電子数など詳細な反応メカニズム解析を実施する。また、反応前後の試料について放射光実験施設でX線吸収実験を行い、実験結果を電極の高性能化にフィードバックする。太陽光二酸化炭素還元、太陽光水素生成などの光触媒性能評価も精力的に実施する。光触媒性能評価については実験システムは整備されているが、もうひとつ実験システムを追加し、研究の加速をはかる。
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