| 研究課題/領域番号 |
21K04773
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分27030:触媒プロセスおよび資源化学プロセス関連
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| 研究機関 | 千葉大学 |
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研究代表者 |
山田 泰弘 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (90546780)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 炭素材料 / ピリジニック窒素 / 第3級窒素 / 構造制御 / スクリーニング / 反応分子動力学計算 / グラフェン / XPS / 構造解析 / ピロール窒素 / 5員環 / 活性点 / 窒素 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
グラフェンなどの炭素材料の性能を飛躍的に向上するためには、炭素材料中に存在するエッジやヘテロ元素、5員環等の種々の欠陥の内、高活性を示す欠陥を選択的に導入する必要がある。本研究では、活性点を選択的に導入したナノ炭素材料を合成し、さらに類を見ない高精度構造解析法を確立する。活性点を選択的に導入した炭素材料の合成においては、原料の反応性を生かし、原料を減圧下で加熱するシンプルな方法で、高活性が期待できる1種類の欠陥を選択的に導入したナノ炭素材料を数多く合成する。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、活性点（ピリジニック窒素（N-C-H、gulfエッジを含むもの等）や第3級窒素等）を選択的に導入したナノ炭素材料の合成を行った。これらの研究を通して、計算化学（反応分子動力学計算や密度汎関数法によるエネルギー計算）を適用し、構造制御された炭素材料の原料をスクリーニングする技術を確立した。活性点が選択的に導入された炭素材料の合成においては、原料の骨格構造の反応性を利用し、原料を減圧下で加熱するシンプルな方法で構造制御された炭素材料の合成に成功した。また、炭素材料の構造制御に求められる原料構造構造を明確化するため、種々の分析（赤外分光分析（IR）、Raman分光分析、元素分析、X線光電子分光分析（XPS））に加えて、密度汎関数法による計算や、反応分子動力学計算などを組合せ、炭素材料の分析技術を確立してきた。さらに類を見ない高精度構造解析法の確立を目指し、種々の構造の異なるグラフェンやグラフェンナノリボンのX線光電子分光分析による分析を行った。本研究成果の一部は、論文として6報Acceptされており（Carbon Rep. Accepted（https://doi.org/10.7209/carbon.020202）, Carbon 207 (2023) 270-291, Carbon Lett. accepted（https://doi.org/10.1007/s42823-023-00482-7）, Carbon 203 (2023) 498-522, Carbon 198 (2022) 411-434, J. Mater. Sci. 57 (2022) 15789-15808）、炭素材料学会でも発表を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究成果は、論文として6報Acceptされており、炭素材料学会でも発表を行った。例えば、触媒を使用することなく、ピリジニック窒素（N-C-H、gulfエッジを含むもの等）や第3級窒素等を高い割合で含む炭素材料を合成した（Carbon Rep. Accepted（https://doi.org/10.7209/carbon.020202）, Carbon 207 (2023) 270-291, Carbon Lett. accepted（https://doi.org/10.1007/s42823-023-00482-7）, Carbon 203 (2023) 498-522, Carbon 198 (2022) 411-434）。また、Ｘ線光電子分光分析によるグラフェンやグラフェンナノリボン等の詳細な構造解析技術の確立を行った。これらの成果により、ナノ炭素材料の構造を詳細に解析することが可能となった（Mater. Sci. 57 (2022) 15789-15808）。また、Ｘ線光電子分光分析や赤外分光分析、ラマン分光分析と反応動力学計算を組合せて含窒素炭素材料の構造解析の精度を大幅に向上した（Carbon 203 (2023) 498-522, Carbon 198 (2022) 411-434）。
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| 今後の研究の推進方策 |
炭素材料の活性点の構造制御状態をさらに高められるように、可能性のある原料を数多く炭素化し、活性点の構造制御状態を種々の分光分析と計算により詳細に解析する。数多くの原料を炭素化して加熱することにより、活性点の構造制御に求められる原料構造の必要条件を明確化し、今後の原料選択のための基礎データを蓄積する。現在のところ、研究計画の変更や研究遂行上の問題点は見つかっておらず、順調に研究が進展している。
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