レドックス高分子での交換反応による電荷・水素の輸送と貯蔵の化学

• 研究課題/領域番号: 18H03921
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分35:高分子、有機材料およびその関連分野
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 西出 宏之 早稲田大学, 理工学術院, 名誉教授 (90120930)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 41,210千円 (直接経費: 31,700千円、間接経費: 9,510千円); 2020年度: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円); 2019年度: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円); 2018年度: 14,690千円 (直接経費: 11,300千円、間接経費: 3,390千円)
• キーワード: 機能性高分子 / 機能性有機材料 / 高分子合成 / レドックス反応 / 電荷貯蔵 / グリーンマテリアル / 二次電池 / 水素キャリア / 高分子物性

研究成果の概要

酸化還元（レドックス）反応すなわち電子の授受が迅速かつ可逆的に進む有機分子を連結して、研究代表者らが合成した一群のレドックス高分子を対象に、少量の電解質も含んでゴム状となった高分子での電荷（すなわち電子と対イオン）さらにはプロトンと水素分子の効率高い輸送と貯蔵をはじめて系統的に実証した。凝縮したレドックス席を介して、液相に似た迅速で可逆的な電荷および水素の交換反応が生起し、濃度勾配を駆動力として高分子内の隅々まで伝播する機作を、普遍的なエネルギー機能もつ有機材料の設計指針として描像した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

電池のように電荷（すなわち電気）を貯蔵し放出できる材料の多くは金属・金属酸化物など無機物によっている。また水素の化学的な貯蔵でも同じである。これらエネルギーの貯蔵作用を、レドックス能もち軽量・成形性ある有機高分子材料で発現できる可能性を提示した研究である。無機材料には無い特性として、数秒でのフル充電、サロンパス様電池、水素運搬プラスチック、酸素バリアフィルムなどを例示し、資源制約少なく環境適合・安全な機能材料としてアピールした。

研究成果

• [国際共同研究] Monash University(オーストラリア)
• [雑誌論文] Hydrophilic Anthraquinone-Substituted Polymer: Its Environmentally Friendly Preparation and Efficient Charge/Proton-Storage Capability for Polymer?Air Secondary Batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Murao Saki、Kataoka Miho、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Macromolecules 巻: 54 号: 10 ページ: 4854-4859
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.1c00865
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesis of vinyl polymers substituted with 2-propanol and acetone and investigation of their reversible hydrogen storage capabilities (2021)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Tobita Yuka、Kataoka Miho、Murao Saki、Kobayashi Kazuki、Furukawa Shuhei、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Polymer Journal 巻: － 号: 7 ページ: 799-804
  • DOI: 10.1038/s41428-021-00475-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Copolymer of Phenylene and Thiophene toward a Visible‐Light‐Driven Photocatalytic Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide (2021)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Nishide Hiroyuki、Winther‐Jensen Bjorn
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 8 号: 5 ページ: 2003077-2003077
  • DOI: 10.1002/advs.202003077
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Completely Solar-Driven Photoelectrochemical Water Splitting Using a Neat Polythiophene Film (2021)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Nishide Hiroyuki、Winther-Jensen Bjorn
  • 雑誌名: Cell Reports Physical Science 巻: 2 号: 1 ページ: 100306-100306
  • DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100306
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Organic π‐Conjugated Polymers as Photocathode Materials for Visible‐Light‐Enhanced Hydrogen and Hydrogen Peroxide Production from Water (2021)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Winther‐Jensen Bjorn、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 11 号: 43 ページ: 2003724-2003724
  • DOI: 10.1002/aenm.202003724
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrophilic isopropanol/acetone‐substituted polymers for safe hydrogen storage (2021)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Tobita Yuka、Kataoka Miho、Kobayashi Kazuki、Kaiwa Yusuke、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Polymer International 巻: 71 号: 3 ページ: 348-351
  • DOI: 10.1002/pi.6337
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facile reversible hydrogenation of a poly(6‐vinyl‐2,3‐dimethyl‐1,2,3,4‐tetrahydroquinoxaline) gel‐like solid (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaiwa Yusuke、Oka Kouki、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Polymers for Advanced Technologies 巻: 32 号: 3 ページ: 1162-1167
  • DOI: 10.1002/pat.5163
  • 査読あり
• [雑誌論文] Poly(dihydroxybenzoquinone): its high-density and robust charge storage capability in rechargeable acidic polymer?air batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Furukawa Shuhei、Murao Saki、Oka Tatsuya、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 号: 29 ページ: 4055-4058
  • DOI: 10.1039/d0cc00660b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tuning Conformational H-Bonding Arrays in Aromatic/Alicyclic Polythiourea Toward High Energy-Storable Dielectric Material (2019)
  • 著者名/発表者名: Yang Feng, Yui Hasegawa, Takeo Suga, Hiroyuki Nishide, Liuqing Yang, George Chen, Shengtao Li
  • 雑誌名: Macromolecules 巻: 52 号: 33 ページ: 8781-8787
  • DOI: 10.1039/d0py00091d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of PEDOT-Quinone conducting redox polymers in water-in-salt electrolytes for safe and high-energy Li-ion batteries (2019)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Strietzel Christian、Emanuelsson Rikard、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi、Str?mme Maria、Sj?din Martin
  • 雑誌名: Electrochemistry Communications 巻: 105 ページ: 106489-106489
  • DOI: 10.1016/j.elecom.2019.106489
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Oxygen Scavenging and Oxygen Barrier Poly (1, 2‐butadiene) Films Containing an Iron‐Complex Catalyst (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu Wang, Motoharu Shoda, Ayako Hisama, Kenichi Oyaizu, Hiroyuki Nishide
  • 雑誌名: Macromol. Chem. Phys. 巻: 220 号: 19 ページ: 1900294-1900294
  • DOI: 10.1002/macp.201900294
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible Hydrogen Releasing and Fixing with Poly(Vinylfluorenol) through a Mild Ir‐Catalyzed Dehydrogenation and Electrochemical Hydrogenation (2019)
  • 著者名/発表者名: Kato Ryo、Oka Kouki、Yoshimasa Keisuke、Nakajima Masataka、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Macromolecular Rapid Communications 巻: 40 号: 16 ページ: 1900139-1900139
  • DOI: 10.1002/marc.201900139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonconjugated Redox-Active Polymer Mediators for Rapid Electrocatalytic Charging of Lithium Metal Oxides (2019)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama-Sato Kan、Masui Tomomi、Serikawa Takuma、Sasaki Yusuke、Choi Wonsung、Doo Seok-Gwang、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 2 号: 9 ページ: 6375-6382
  • DOI: 10.1021/acsaem.9b01007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] n-Type Redox-active Benzoylpyridinium-substituted Supramolecular Gel for an Organogel-based Rechargeable Device (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Hatakeyama-Sato, R. Ichinoi, Y. Sasada, Y. Sasaki, K. Oyaizu, H. Nishide
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 48 号: 6 ページ: 555-557
  • DOI: 10.1246/cl.190085
  • NAID: 130007659793
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultra-thin and Stretchable Rechargeable Devices with Organic Polymer Nanosheets Conformable to Skin Surface (2019)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama-Sato, K., Wakamatsu, H., Yamagishi, K., Fujie, T., Takeoka, S., Oyaizu, K., Hiroyuki, N.
  • 雑誌名: Small 巻: 15 号: 13 ページ: 1805209-1805209
  • DOI: 10.1002/smll.201805296
  • 査読あり
• [雑誌論文] Poly (1, 4‐di (2‐thienyl)) benzene Facilitating Complete Light‐Driven Water Splitting under Visible Light at High pH (2019)
  • 著者名/発表者名: Kouki Oka, Kanako Noguchi, Takeo Suga, Hiroyuki Nishide, Bjorn Winther-Jensen
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 9 号: 6 ページ: 1803286-1803286
  • DOI: 10.1002/aenm.201803286
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] How to Install TEMPO in Dielectric Polymers-Their Rational Design toward Energy‐Storable Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Yang Feng, Takeo Suga, Hiroyuki Nishide, Yoshimichi Ohki, George Chen, Shengtao Li
  • 雑誌名: Macromolecular rapid communications 巻: 40 号: 4 ページ: 18007-18007
  • DOI: 10.1002/marc.201800734
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Long-lived water clusters in hydrophobic solvents investigated by standard NMR techniques (2019)
  • 著者名/発表者名: Kouki Oka, Toshimichi Shibue, Natsuhiko Sugimura, Yuki Watabe, Bjorn Winther-Jensen, Hiroyuki Nishide
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 223-223
  • DOI: 10.1038/s41598-018-36787-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrophilic Organic Redox-active Polymer Nanoparticles for Higher Energy Density Flow Batteries (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Hatakeyama-Sato, T. Nagano, S. Noguchi, Y. Sugai, J. Du, H. Nishide, K. Oyaizu
  • 雑誌名: ACS Applied Polym. Mater. 巻: 1 号: 2 ページ: 188-196
  • DOI: 10.1021/acsapm.8b00074
  • 査読あり
• [雑誌論文] Poly(vinyldibenzothiophenesulfone): Its Redox Capability at Very Negative Potential Toward an All‐Organic Rechargeable Device with High‐Energy Density (2018)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Kato Ryo、Oyaizu Kenichi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 28 号: 50 ページ: 1805858-1805858
  • DOI: 10.1002/adfm.201805858
  • 査読あり
• [雑誌論文] An Ultrahigh Output Rechargeable Electrode of a Hydrophilic Radical Polymer/Nanocarbon Hybrid with an Exceptionally Large Current Density beyond 1 A cm?2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama-Sato Kan、Wakamatsu Hisato、Katagiri Ryu、Oyaizu Kenichi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 30 号: 26 ページ: 1800900-1800900
  • DOI: 10.1002/adma.201800900
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light-assisted electrochemical water-splitting at verylow bias voltage using metal-free polythiophene as photocathode at high pH in a full-cell setup (2018)
  • 著者名/発表者名: Kouki Oka, Orie Tsujimura, Takeo Suga, Hiroyuki Nishide and Bjorn Winther-Jensen
  • 雑誌名: Energy Environ. Sci. 巻: - 号: 5 ページ: 1335-1342
  • DOI: 10.1039/c7ee03669h
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Allylic polymers as an Ultrahigh Oxygen-scavenging and Active Packaging Film (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: 7th Congress of Federation of Asian Polymer Societies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] “Solar-Driven Water Splitting with a Specialty Polymer” (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: 8th Int Symp on Specialty Polymers
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] “Macromolecular Complexes as an Advanced Functional Polymer” (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: 18th IUPAC Int Symp on Macromolecule-Matal Complexes
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] “Radical Polymers as an Organic Charge-transport and Energy-storage Material” (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: Organic Battery Days 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] “Polythiophenes for Solar-Driven Water Splitting” (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: 6th FAPS Polymer Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] “Polythiophenes for Solar-Driven Water Splitting” (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: 12nd East Asian Symp on Polymer for Advanced Technologies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radical Polymer/ Nanocarbon Hybrid as an Ultrahigh Output Rechargeable Electrode (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: 8th Int. Symp. Polymer Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrathin and Flexible Rechargeable Deavies with Organic Polymer Nanosheets (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: 5th Int. Biomaterials Symp.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Materials Informatics for Enegy-related Functional Polmers (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: Polymer Soc. Korea, Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Redox- active Polymers as an Organic Charge- Trangat and Energy- Storage Material (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Nishide
  • 学会等名: 12th Inter. Polymer Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [産業財産権] 水素の製造方法 (2020)
  • 発明者名: 西出宏之、岡弘樹、ビヨーン ウインザー ジェンセン
  • 権利者名: 西出宏之、岡弘樹、ビヨーン ウインザー ジェンセン
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2020
  • 取得年月日: 2020
• [産業財産権] 過酸化水素の製造法 (2019)
  • 発明者名: 西出宏之、岡弘樹、ビヨーン ウインザー ジェンセン
  • 権利者名: 西出宏之、岡弘樹、ビヨーン ウインザー ジェンセン
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019
  • 取得年月日: 2019