2015 Fiscal Year Research-status Report
カーボンナノチューブ内で実現する疑似高圧力下電気化学反応
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26410238
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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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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 電気化学 / 高圧力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年に引き続き、いくつかの有機分子、元素分子を単層カーボンナノチューブに内包させ、内包分子の構造・物性をキャラクタライズするとともに、その電気化学的特性を評価した。内包処理は、昨年も実施したヨウ素、アントラキノン、フェナントレンキノン、硫黄に加え、今年度あらたにリンについても行った。今年度得られた新たな知見を以下に列挙する。
（１）ヨウ素内包ナノチューブ：ヨウ化物イオンを含む溶液中でナノチューブ電極に正電位を付与することでヨウ素分子を内包できることをすでに明らかにしていたが、今年度新たに水晶振動子を用いた実験により反応時の重量変化を検出し反応メカニズムを明らかにした。また、この反応を利用した新しいハイブリッドキャパシタを構築し、性能を評価した。
（２）キノン内包ナノチューブ：昨年度リチウムイオンを可逆的に捕捉できることを示したが、今年度あらたに２価のマグネシウムイオンについても可逆的な補足が可能であることを実験的に示すことができた。多価イオン電池への応用が期待できる。
（３）リン内包ナノチューブ：今年度新たにリンを内包したナノチューブについて、リチウムイオン、ナトリウムイオンに対する電気化学反応を評価した。リン内包ナノチューブはこれらのイオンを可逆的に捕捉できることを示した。ナトリウムイオン電池はポストリチウムイオン電池として期待される次世代電池の一つであるが、グラファイト負極が使用できないため負極の開発が課題となっている。リン内包ナノチューブはナトリウムイオンの可逆容量が 1000 mAh/g 以上見込まれることから、新しい負極材料として期待できる。
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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
申請書の実験計画・方法欄に具体的な研究項目として次のように記載した。
平成26年度：（１）カーボンナノチューブ調整、（２）分子・結晶の導入、（３）電気化学評価＋電気化学反応、（４）放射光X線回折実験、（５）XAFS測定
平成27年度以降：（１）カーボンナノチューブ調整、（２）高圧電気化学反応
また、実施する電気化学反応は、A. Li-S反応: ポストリチウムイオン二次電池として期待されるLiS電池を意識。LiS電池で問題となる多硫化物イオンの溶出を防ぐ、B. Li-I反応：全固体電池として機能するリチウムヨウ素電池の反応をナノチューブ内で実現する、C. Li-アントラキノン、フェナントレンキノン反応：リチウムイオン電池の新しい活物質として従来から期待されている有機ラジカル系の反応をナノチューブ内で実現する、D. 上記の反応をNaでも同様に実施する、E. Mg, Ca – S反応：多価イオン電池としての応用面からの興味だけでなく、地球科学的にも重要な反応である，となっている。
計画欄に記載した中で現在まで、未実施であるものは、平成27年度以降に実施するとした（２）高圧電気化学反応だけである。しかし、これについては計画を実行するために必要な高圧電気化学セルの作成にとりかかっており、28年度には実施できる見込みである。したがって、おおむね順調に進展していると判断した。なお、当初の実験計画にはなかったが、ナノチューブ内の電気化学反応を多角的に理解するために、低温下での内包分子の振る舞いを実験的にとらえる実験をあらたに計画している。また、内包分子についても、計画書に記したもの以外の無機物についても試行的な実験を実施している。
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| Strategy for Future Research Activity |
カーボンナノチューブ内に取り込んだ分子・結晶と外部からの金属イオンの反応（電気化学反応）を網羅的に研究しようというのが当初からの計画である。この計画に沿って２年間研究を進めてきており、最終年度も引き続き実施していく。これまでの研究で多くのことがわかってきているが、とくに内包分子とカーボンナノチューブホストとの間での電子のやり取りは科学的にも工業的にもきわめて興味深いものであり、より詳細に研究していきたいと考えている。工業的な重要性は内包分子が絶縁性で電池電極材として利用が困難である場合も分子レベルでの電子のやり取りを可能にすることで電極材料として利用できることである。具体的な例はリンである。リンはバルク試料では電池電極材料として利用することが困難であるが、ナノチューブに内包させることで機能させることができた。この電荷移動について、最終年度においてはホストとなるナノチューブの直径を変えるとどのようになるか、温度を変化させるとどのように変化するかといった科学的側面を明らかにしていきたい。あわせて工業的に重要な電極材料開発という視点からもあらたな材料開発に取り組みたい。また、当初の計画にあり、現時点でまだ未実施である高圧下での電気化学実験については早期の実現をめざし、テストセルの試作を実施する。すでに高圧機器メーカーと何度かの打ち合わせは済ませており、仕様をつめつつある。仕様が決定できたら、すぐに試作にとりかかり実験を実現させたい。
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