金属酸化物ナノ粒子を活性炭のミクロ孔に高分散させた高性能電気化学キャパシタの開発

• 研究課題/領域番号: 17K06034
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: デバイス関連化学
• 研究機関: 愛知工業大学
• 研究代表者: 糸井 弘行 愛知工業大学, 工学部, 准教授 (40648789)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2019年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: 電気化学キャパシタ / 電池 / 有機金属錯体 / 金属ナノ粒子 / 金属酸化物ナノ粒子 / X線吸収スペクトル測定 / 酸化ルテニウムナノ粒子 / ルテノセン / 擬似容量 / ルテニウムナノ粒子 / 有機ルテニウム錯体 / 金属酸化物 / 酸化ルテニウム / ナノ粒子 / クラスター / スーパーキャパシタ / 電気二重層キャパシタ

研究成果の概要

本研究では、活性炭細孔内に酸化ルテニウム水和物ナノ粒子あるいはルテノセンを複合化し、硫酸水溶液を電解液とした電気化学キャパシタ電極特性を検討した。
いずれの複合体においても、酸化ルテニウム水和物ナノ粒子あるいはルテノセンが導電性の高い炭素表面と高表面積で接触しているため、接触界面における電荷移動が極めて速やかに行われる。その結果、電極材料として急速充放電特性を有することを明らかにした。同時に、この複合化は活性炭粒子の体積膨張を伴わないため、電極体積当たりの高容量化が可能である。したがって本研究手法により、電極材料として急速充放電特性と体積あたりの高容量化が両立可能であることを示すことができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、活性炭をはじめとする多孔質炭素材料と有機金属錯体あるいは金属酸化物との複合化による高エネルギー電極材料の開発である。有機金属錯体と金属酸化物とは異なる物質ではあるが、複合化の最初の段階は気相吸着を利用した同じ操作であり、その後の操作によって活性炭細孔内に吸着した錯体を金属酸化物に変換することができる。
本研究では結果的にいずれの材料も電極材料に応用することができたが、錯体や金属の種類によっては電極以外の応用が期待できる。錯体や金属と多孔質炭素材料の組み合わせは無限であり、したがって本研究手法を利用することで高性能な電子デバイス材料の開発が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Enhancing the performance of electrochemical capacitor electrodes by modifying their carbon nanopores with redox-active materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Itoi
  • 雑誌名: 炭素 巻: 2019 号: 288 ページ: 103-113
  • DOI: 10.7209/tanso.2019.103
  • NAID: 130007679422
  • ISSN: 0371-5345, 1884-5495
  • 年月日: 2019-06-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Constraint spaces in carbon materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Itoi, Hiroyuki Muramatsu, Michio Inagaki
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 9 号: 40 ページ: 22823-22840
  • DOI: 10.1039/c9ra03890f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Study of the pore structure and size effects on the electrochemical capacitor behaviors of porous carbon/quinone derivative hybrids (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Itoi, Shuka Tazawa, Hideyuki Hasegawa, Yuichiro Tanabe, Hiroyuki Iwata, Yoshimi Ohzawa
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 9 号: 47 ページ: 27602-27614
  • DOI: 10.1039/c9ra05225a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A dry chemical method for dispersing Ir nanoparticles in the pores of activated carbon and their X‐ray absorption spectroscopy analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Itoi, Takashi Tachikawa, Ryutaro Suzuki, Hideyuki Hasegawa, Hiroyuki Iwata, Yoshimi Ohzawa, Atsushi Beniya, Shougo Higashi
  • 雑誌名: New Journal of Chemistry 巻: 43 号: 46 ページ: 17927-17931
  • DOI: 10.1039/c9nj04659c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Templated Synthesis of Ultrafine Polyaniline Fibers and their Transfer to Carbon Substrates for Highly Rapid Redox Reactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Itoi, Kento Shimomura, Hideyuki Hasegawa, Naoya Nomura, Yuina Ohta, Hiroyuki Iwata, Yasuto Hoshikawa, Yoshimi Ohzawa
  • 雑誌名: Advanced Materials Interfaces 巻: 6 号: 7 ページ: 1801799-1801799
  • DOI: 10.1002/admi.201801799
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Carbon Support Nanostructures on the Reactivity of Ru Nanoparticle Catalyst in Hydrogen Transfer Reaction (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeharu Yoshii, Kazuki Nakatsuka, Tatsuya Mizobuchi, Yasutaka Kuwahara, Hiroyuki Itoi, Kohsuke Mori, Takashi Kyotani, Hiromi Yamashita
  • 雑誌名: Organic Process Research & Development 巻: 22 号: 12 ページ: 1580-1585
  • DOI: 10.1021/acs.oprd.8b00207
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced hydrogen chemisorption and spillover on non-metallic nickel subnanoclusters (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirotomo Nishihara, Fumihide Ohtake, Alberto Castro-Muñiz, Hiroyuki Itoi, Masashi Ito, Yuichiro Hayasaka, Jun Maruyama, Junko N. Kondo, Ryota Osuga, Takashi Kyotani
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 6 号: 26 ページ: 12523-12531
  • DOI: 10.1039/c8ta02561d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrochemical Polymerization of Pyrene and Aniline Exclusively inside the Pores of Activated Carbon for High-Performance Asymmetric Electrochemical Capacitors (2018)
  • 著者名/発表者名: Itoi Hiroyuki、Maki Shintaro、Ninomiya Takeru、Hasegawa Hideyuki、Matsufusa Hidenori、Hayashi Shinya、iwata hiroyuki、Ohzawa Yoshimi
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: - 号: 20 ページ: 9760-9772
  • DOI: 10.1039/c8nr01529e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-polymeric hybridization of a TEMPO derivative with activated carbon for high-energy-density aqueous electrochemical capacitor electrodes (2018)
  • 著者名/発表者名: Itoi Hiroyuki、Hasegawa Hideyuki、Iwata Hiroyuki、Ohzawa Yoshimi
  • 雑誌名: Sustainable Energy & Fuels 巻: 2 号: 3 ページ: 558-565
  • DOI: 10.1039/c7se00541e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Graphene-basd ordered framework with a diverse range of carbon polygons formed in zeolite nanochannels (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirotomo Nishihara, Hiroyuki Fujimoto, Hiroyuki Ito, Keita Nomura, Hideki Tanaka, Minoru T. Miyahara, Patrick A. Bonnaud, Ryuji Miura, Ai Suzuki, Naoto Miyamoto, Nozomu Hatakeyama, Akira Miyamoto, Kazutaka Ikeda, Toshiya Otomo, Takashi Kyotani
  • 雑誌名: Carbon 巻: 129 ページ: 854-862
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2017.12.055
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation mechanism of zeolite-templated carbons (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, K. Imai, H. Itoi, K. Nomura, K. Takai, T. Kyotani
  • 雑誌名: 炭素 巻: 2017 号: 280 ページ: 169-174
  • DOI: 10.7209/tanso.2017.169
  • NAID: 130006284864
  • ISSN: 0371-5345, 1884-5495
  • 査読あり
• [学会発表] 気相法を用いた活性炭細孔内部への金属ナノ粒子の高分散化とそのX線吸収スペクトル解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木隆太郎、糸井弘行，岩田博之，紅谷篤史，東相吾，大澤善美
  • 学会等名: 第46回炭素材料学会年会
• [学会発表] 活性炭細孔空間に担持したRhナノ粒子による水素スピルオーバーを利用した水素化反応特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宮地将大、糸井弘行，鈴木隆太郎，紅谷篤史，東相吾，大澤善美
  • 学会等名: 第46回炭素材料学会年会
• [学会発表] キノン誘導体を吸着させた多孔質炭素の電気化学キャパシタ電極特性に及ぼす多孔質炭素細孔構造の影響の考察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田辺湧一朗、糸井弘行，田澤秀華，長谷川英之，大澤善美
  • 学会等名: 第46回炭素材料学会年会
• [学会発表] 活性炭／メタロセン複合体電極とイオン液体を組み合わせた電気化学キャパシタ電極の充放電特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 笠井湧斗、糸井弘行，大澤善美
  • 学会等名: 第46回炭素材料学会年会
• [学会発表] 流通式CVD法を用いて熱分解炭素をコーティングしたSi－黒鉛混合粉体の構造解析及び電気化学特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤風雅、糸井弘行，大澤善美
  • 学会等名: 第46回炭素材料学会年会
• [学会発表] パルスCVI法により熱分解炭素皮膜をコーティングした負極部材炭素の構造及び電気化学特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 長谷川達郎、糸井弘行，大澤善美
  • 学会等名: 第46回炭素材料学会年会
• [学会発表] 活性炭細孔空間内で合成した超微細ポリアニリンナノファイバーの炭素電極への転写とその電気化学特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 野村尚也、糸井弘行，長谷川英之，太田結菜，干川康人，大澤善美
  • 学会等名: 第46回炭素材料学会年会
• [学会発表] 有機金属錯体を前駆体として金属酸化物微粒子を高分散させた活性炭の電気化学キャパシタ特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 英之，糸井 弘行，大澤 善美
  • 学会等名: 第45回炭素材料学会年会
• [学会発表] ポーラスガラスのナノ細孔構造と形状を複写したカーボンモノリス電極の作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 増山 貴裕，田邉 香，畔柳 修平，糸井 弘行，野崎 功一，干川 康人，京谷 隆
  • 学会等名: 第45回炭素材料学会年会
• [学会発表] スギ炭素化物への化学気相含浸法を用いた熱分解炭素コーティングと構造評価及びリチウムイオン電池負極特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 澤野 晃輝，糸井 弘行，大澤 善美
  • 学会等名: 第45回炭素材料学会年会
• [学会発表] 有機チタン錯体を利用した活性炭への酸化チタン微粒子の高分散化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野村尚也、長谷川英之、糸井弘行、大澤善美
  • 学会等名: 第45回炭素材料学会年会
• [学会発表] パルスCVI法によるリチウムイオン二次電池の電極部材用炭素へのカーボンコーティング (2018)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 達郎，糸井 弘行，大澤 善美
  • 学会等名: 第45回炭素材料学会年会
• [学会発表] レドックス化合物と多孔質炭素とのナノレベルでの複合化による電気化学キャパシタ電極の高性能化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 糸井弘行
  • 学会等名: 2018年電気化学会秋季大会・キャパシタ技術委員会第4回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 計算科学と中性子回折を援用したゼオライト鋳型炭素の構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西原洋知、藤本宏之、糸井弘行、野村啓太、田中秀樹、宮原稔、池田一貴、大友季哉、京谷隆
  • 学会等名: 日本学術振興会 産学協力研究委員会 第117委員会
• [学会発表] 多孔質炭素細孔内部へのレドックス化合物の高分散化による急速電荷移動の実現 (2018)
  • 著者名/発表者名: 糸井 弘行
  • 学会等名: 炭素素材壁面空間シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Fine Dispersion of Redox-active Materials inside the Pores of Porous Carbons for High-performance Electrochemical Capacitors through a Solvent-free Preparation (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Itoi, Hideyuki Hasegawa, Yoshimi Ohzawa
  • 学会等名: 44th Annual Meeting of The Carbon Society of Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 化学蒸着法によるリチウムイオン電池用負極炭素材料へのシリコンコーティングと電気化学特性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 恩徳 拓哉，糸井 弘行，大澤 善美
  • 学会等名: 第44回炭素材料学会年会
• [学会発表] パルスCVI法を用いた木質炭素材料への熱分解炭素コーティングと構造評価及び電気化学特性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 澤野 晃輝，糸井 弘行，大澤 善美
  • 学会等名: 第44回炭素材料学会年会
• [学会発表] TEMPO誘導体を細孔内部に高分散させた活性炭の高性能電気化学キャパシタ電極への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 英之，糸井 弘行，大澤 善美
  • 学会等名: 第44回炭素材料学会年会
• [学会発表] 有機金属錯体からの金属担持多孔質炭素の合成と水素貯蔵への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 耀介、糸井 弘行、Mohammed Ouzzine、Alberto Castro Muniz、西原 洋知、京谷 隆
  • 学会等名: 第44回炭素材料学会年会