| 研究課題/領域番号 |
21K18972
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分34:無機・錯体化学、分析化学およびその関連分野
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
栗原 正人 山形大学, 理学部, 教授 (50292826)
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| 研究分担者 |
石崎 学 山形大学, 理学部, 講師 (60610334)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | ナノ粒子 / 水和エネルギー / 発電 / プルシアンブルー / 薄膜 / 配位高分子 / 水和 / イオニクス / ゼータ電位 / カーボンナノチューブ / 塩水発電 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
電気二重層(EDL)発電は、自然/人工的な物質表面の電位を介して、水の移動エネルギーを電気エネルギーに変換する。本研究では、これに加え、電解質水溶液に潜在する水和エネルギーを外部に取り出す発電機構を探索する。発電層では、電子/ホール移動を制御する疑似半導体であるPB・PBAを使い、従来、EDL発電では考慮されていなかった付加価値の高い発電機構を見出すため、電子/ホールを選択的に取り込む電極構造と仕事関数に着目することで起電力増強効果の発現に繋げていく。表面電荷を有するPB・PBAナノ粒子からなる発電層の緻密薄膜から多孔質膜まで多様な構造制御により、電流量と起電力のバランスについて調査する。
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| 研究成果の概要 |
Na+の水和エネルギー変化を起電力とする「Salinity Gradient Energy (SGE)」に着目した。「プルシアンブルー（PB）骨格のd-π結合を介した半導体特性とFe(II)/(III)の酸化状態変化」と「格子空孔内へのNa+水和／脱水和」で駆動するSGE発電の探索を目的した。独自のPBナノ粒子分散液を用いた塗布膜（疑似的単結晶膜）の両端にカーボン電極を取付け、下端をNaCl水溶液に浸漬すると、水と比べ大きな起電力が生じた。空孔内あるいはナノ粒子界面に分布するNa＋の水和数が異なることで、塗布膜の下端でFe (III)、上端でFe(II)の分布の偏りを誘起する機構を提案した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
格子内や粒子界面に分布するNa+の水和状態がPB骨格の電子状態に敏感に影響を与え、それを電圧として取り出せる新しい機構が見出された。PBナノ粒子が緻密に連結された疑似単結晶膜は、PB相が両極間の空乏層として存在する薄膜電池素子として機能した。一方で、出力する電流量が極めて少ない課題が残った。電流量を増大させるには、新しい戦略に基づく素子設計が必要である。例えば、孤立したPBナノ粒子の表面効果＝塩水への接触面積の増大とそのPBナノ粒子個々の電気伝導経路を確保できる革新的な電極構造が構築できれば、「水和状態の変化を大きな電気エネルギーとして安定して変換」できる実質的な機能に導けると期待される。
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