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高性能電極材料の実現を目指した空間制御型二次元配位ナノシートの創出

研究課題

研究課題/領域番号 22K14569
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分28030:ナノ材料科学関連
研究機関東京理科大学

研究代表者

前田 啓明  東京理科大学, 研究推進機構総合研究院, 助教 (10771446)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワード配位ナノシート / トリプチセン / 界面合成 / 電気化学的酸化法 / 水素発生反応 / センシング / 金属錯体 / 薄層化 / ナノシート / 配位高分子 / 電極材料
研究開始時の研究の概要

電気伝導性を示す配位ナノシートは電極材料としての親和性に富み、電極触媒、エネルギー貯蔵材料、センサーなどへの応用が展開されてきている。これらの応用においては、金属錯体部位が機能性発現に重要であるが、従来のπ共役平面型配位子を用いて得られる配位ナノシートは、層間の大きなπ-π相互作用により多層化しやすく、近接した層により金属錯体のアキシアル位が遮蔽され、機能発現の妨げになっていた。本課題では、新たに設計した配位子により層間相互作用を抑制するとともに、金属錯体のアキシアル位が開放された化学構造の配位ナノシートを構築することで、電極材料としての高性能化を実現する。

研究実績の概要

従来のπ共役型平面配位子を用いて得られる配位ナノシートはその電気伝導性、酸化還元特性、空孔構造を活かした電極材料応用などが進められている。しかし、その高い平面性に由来する強い層間相互作用により容易に多層化し、特に電極触媒やセンサー材料として応用する際の活性点となる金属錯体部位が近接する層で遮蔽され、性能低下を引き起こしうるという課題があった。本課題では、配位子にトリプチセン骨格を導入することで金属錯体部位を2次元平面から直立させた配位ナノシートを合成する。これにより層間相互作用を抑制するとともに金属錯体部の遮蔽を解消することで、この課題の解決に取り組んだ。
今年度は、トリプチセン骨格配位子とニッケルからなる配位ナノシートNi-HATTの気液界面合成、超音波による数層の薄膜への剥離、電気化学的酸化法によるNi-HATTの電極上への直接合成、Ni-HATTと従来のπ共役型配位ナノシートの水素発生反応(HER)触媒活性の比較を実施し、これらに関して得られた結果について論文投稿を行った。また、Ni-HATTおよび銅イオンを用いたCu-HATTを用いた湿度や各種揮発性溶媒のセンシング特性について、学会発表を行った。
電気化学的酸化法は短時間で配位ナノシートを電極上に直接合成できる有用な合成法であるが、形成されるナノシートの平滑性や結晶性に課題があった。より良質な配位ナノシートを本手法で獲得するべく、合成時の印加電位、基質濃度、塩基の種類・濃度を最適化することにより、ヘキサアミノベンゼン(HAB)とニッケルまたは銅イオンからなるNiHAB、CuHABナノシートを金電極上にFace-on配向にて異方的に形成することに成功した。得られた結果について学会発表・論文発表を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

トリプチセン骨格からなる配位ナノシートNi-HATTの界面合成法・電気化学的酸化法による合成と水素発生反応用電極触媒特性評価、および既存の平面型配位子からなる配位ナノシートとの触媒特性比較に関する論文を執筆・投稿した。現在は審査結果に基づいて現在修正や追加実験を行っている。また、Ni-HATT、Cu-HATTを用いた湿度や溶媒蒸気に対するセンシング特性を評価するとともに、従来の平面型配位子を用いた配位ナノシートのセンシング特性と比較を行い、得られた結果について学会やシンポジウムで成果発表を行った。いずれも、Ni-HATTとCu-HATTは従来型の配位ナノシートよりも性能向上を示唆する結果が得られており、概ね順調に研究が進展していると考えられる。
加えて、本研究課題を遂行中に実施した関連実験から得られた興味深い結果に関して、学会発表、論文発表を行った。

今後の研究の推進方策

現在投稿中の論文に寄せられたレビュアーコメントに回答するため、Ni-HATTのキャラクタライズとHER触媒特性評価に関する追加実験の実施して論文原稿の修正作業を進め、次年度中の受理を目指す。また、センシング特性に関しては溶媒蒸気の種類と応答強度の相関について、Ni-HATTおよびCu-HATTと溶媒分子の相互作用の観点から議論を進める予定である。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (34件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 2件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 図書 (2件) 備考 (4件)

  • [雑誌論文] Face-on-oriented formation of bis(diimino)metal coordination nanosheets on gold electrodes by electrochemical oxidation2024

    • 著者名/発表者名
      Maeda Hiroaki、Takada Kenji、Fukui Naoya、Masunaga Hiroyasu、Sasaki Sono、Tsukagoshi Kazuhito、Nishihara Hiroshi
    • 雑誌名

      New Journal of Chemistry

      巻: 48 号: 14 ページ: 6081-6087

    • DOI

      10.1039/d3nj05650c

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Lateral Heterometal Junction Rectifier Fabricated by Sequential Transmetallation of Coordination Nanosheet2024

    • 著者名/発表者名
      Tan Choon Meng、Fukui Naoya、Takada Kenji、Maeda Hiroaki、Selezneva Ekaterina、Bourges Cedric、Masunaga Hiroyasu、Sasaki Sono、Tsukagoshi Kazuhito、Mori Takao、Sirringhaus Henning、Nishihara Hiroshi
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 63 号: 9

    • DOI

      10.1002/anie.202318181

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Manipulating the Morphology and Electronic State of a Two-Dimensional Coordination Polymer as a Hydrogen Evolution Cocatalyst Enhances Photocatalytic Overall Water Splitting2024

    • 著者名/発表者名
      Guan Jingyan、Koizumi Kazuma、Fukui Naoya、Suzuki Hajime、Murayama Kantaro、Toyoda Ryojun、Maeda Hiroaki、Kamiya Kazuhide、Ohashi Keitaro、Takaishi Shinya、Tomita Osamu、Saeki Akinori、Nishihara Hiroshi、Kageyama Hiroshi、Abe Ryu、Sakamoto Ryota
    • 雑誌名

      ACS Catalysis

      巻: 14 号: 2 ページ: 1146-1156

    • DOI

      10.1021/acscatal.3c04389

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Manipulation of Chemical and Crystal Structures of Multilayered Copper-Hexaaminobenzene Coordination Nanosheets to Modulate Conductivity with Precise Control of Liquid?Liquid Interfacial Synthesis2023

    • 著者名/発表者名
      Maeda Hiroaki、Takada Kenji、Fukui Naoya、Ukai Junzo、Honma Nobutaka、Sasaki Sono、Masunaga Hiroyasu、Kato Kenichi、Nishihara Hiroshi
    • 雑誌名

      Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials

      巻: - 号: 7 ページ: 2948-2956

    • DOI

      10.1007/s10904-023-02920-5

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Bis(terpyridine)nickel(II)-Based Coordination Nanosheet: A Redox-Active Material with Flexibility and Transparency2023

    • 著者名/発表者名
      Takada Kenji、Maeda Hiroaki、Nishihara Hiroshi
    • 雑誌名

      Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials

      巻: - 号: 7 ページ: 2990-2997

    • DOI

      10.1007/s10904-023-02921-4

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 二次元メタラジチオレンナノシートの発展と将来展望2023

    • 著者名/発表者名
      前田啓明、髙田健司、福居直哉、長島佐代子、西原 寛
    • 雑誌名

      材料表面 (Accounts of Materials & Surfaces Research)

      巻: 8 ページ: 116-124

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Terpyridine-zinc(<scp>ii</scp>) coordination nanosheets as modulators of perovskite crystallization to enhance solar cell efficiency2023

    • 著者名/発表者名
      Wang Ying-Chiao、Chiang Chun-Hao、Su Chun-Jen、Chang Je-Wei、Lin Chi-Ying、Wei Chia-Chun、Huang Shao-Ku、Maeda Hiroaki、Jian Wen-Bin、Jeng U-Ser、Tsukagoshi Kazuhito、Chen Chun-Wei、Nishihara Hiroshi
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 11 号: 13 ページ: 7077-7084

    • DOI

      10.1039/d3ta00505d

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Conductive coordination nanosheets: Sailing to electronics, energy storage, and catalysis2022

    • 著者名/発表者名
      Maeda Hiroaki、Takada Kenji、Fukui Naoya、Nagashima Sayoko、Nishihara Hiroshi
    • 雑誌名

      Coordination Chemistry Reviews

      巻: 470 ページ: 214693-214693

    • DOI

      10.1016/j.ccr.2022.214693

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Chemically Laminated 2D Bis(terpyridine)metal Polymer Films: Formation Mechanism at the Liquid?Liquid Interface and Redox Rectification2022

    • 著者名/発表者名
      Komeda Joe、Takada Kenji、Maeda Hiroaki、Fukui Naoya、Tsuji Takuya、Nishihara Hiroshi
    • 雑誌名

      Chemistry - A European Journal

      巻: 28 号: 44

    • DOI

      10.1002/chem.202201316

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Superior Multielectron‐Transferring Energy Storage by π‐d Conjugated Frameworks2022

    • 著者名/発表者名
      Xia Dong、Sakaushi Ken、Lyalin Andrey、Wada Keisuke、Kumar Sonu、Amores Marco、Maeda Hiroaki、Sasaki Sono、Taketsugu Tetsuya、Nishihara Hiroshi
    • 雑誌名

      Small

      巻: 18 号: 33 ページ: 2202861-2202861

    • DOI

      10.1002/smll.202202861

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] トリプチセン骨格を有する配位ナノシートの創製と水素発生反応電極触媒への応用2024

    • 著者名/発表者名
      須藤 裕太, 前田 啓明, 長島 佐代子, 高田 健司, 福居 直哉, 西原 寛
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 金電極上における配向性ビス(ジイミノ)金属配位ナノシートの電気化学酸化的合成2024

    • 著者名/発表者名
      前田 啓明, 髙田 健司, 福居 直哉, 増永 啓康, 佐々木 園, 塚越 一仁, 西原 寛
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ニッケラジチオレンナノシートのトランスメタル化と反応機構・速度論解析2024

    • 著者名/発表者名
      蔚 子恒, 高田 健司, 前田 啓明, 福居 直哉, 西原 寛
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 透明で酸化還元活性な二次元ビス(テルピリジン)ニッケル(II)錯体高分子の界面合成2024

    • 著者名/発表者名
      高田 健司, 前田 啓明, 西原 寛
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 白金ジチオレンナノシートに対する金属イオンの逐次反応によるヘテロメタル化2024

    • 著者名/発表者名
      福居 直哉, 小宮 大輝, 鈴木 毬絵, 水野 克哉, 前田 啓明, 髙田 健司, 増永 啓康, 佐々木 園, 西原 寛
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 逐次反応による異種金属を導入した配位ナノシートの創製2024

    • 著者名/発表者名
      伊藤 実祐, 福居 直哉, 髙田 健司, 前田 啓明, 長島 佐代子, 西原 寛
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Electrical Conductivity Control of Manganese-Benzenehexathiol Coordination Nanosheets via Transmetallation Reaction2023

    • 著者名/発表者名
      Kenji Takada, Yuta Kawai, Takahiro Yamane, Ziheng Yu, Choon Meng Tan, Naoya Fukui, Hiroaki Maeda, Hiroyasu Masunaga, Sono Sasaki, Hiroshi Nishihara
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Lateral Heterometal Junction Rectifier Fabricated by Sequential Transmetallation of Coordination Nanosheet2023

    • 著者名/発表者名
      Choon Meng Tan, Naoya Fukui, Kenji Takada, Hiroaki Maeda, Hiroyasu Masunaga, Sono Sasaki, Hiroshi Nishihara
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 化学量論に基づく2種のNi-BHTの構造選択的合成と同定2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤 実祐, 甘水 君佳, 福居 直哉, 高田 健司, 前田 啓明, 長島 佐代子, 北河 康隆, 西原 寛
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] トリプチセン骨格を有する配位ナノシートの創製2023

    • 著者名/発表者名
      須藤 裕太, 前田 啓明, 長島 佐代子, 福居 直哉, 高田 健司, 西原 寛
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Chemiresistive performance of bis(diimino)metal nanosheets with a triptycene skeleton ligand for humidity sensing2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Maeda, Yuta Sudo, Sayoko Nagashima, Kenji Takada, Naoya Fukui, Hiroshi Nishihara
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Structural modification of coordination nanosheets by a triptycene ligand for enhanced functionalities2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Maeda
    • 学会等名
      2023 JSPS-EPSRC Workshop on 2D conjugated MOFs and coordination nanosheets
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Interfacial Synthesis of Functional Bis(diimino)metal Nanosheets2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Maeda
    • 学会等名
      2023 JSPS-EPSRC workshop on coordination nanosheets
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 配位ナノシートの電気化学的合成と電極触媒特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      前田 啓明, 藤野 真弓, 長島 佐代子, 西原 寛
    • 学会等名
      日本化学会第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Liquid-Liquid Interfacial Synthesis of Metal-Hexaaminobenzene Coordination Nanosheets for Tuning of Their Structures and Functions2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Maeda, Kenji Takada, Naoya Fukui, Junzo Ukai, Nobutaka Honma, Sono Sasaki, Kenichi Kato, Hiroshi Nishihara
    • 学会等名
      錯体化学会第72回討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Chemical and Electrochemical Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheet as Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction2022

    • 著者名/発表者名
      Sayoko Nagashima, Mayumi Fujino, Eunice J. H. Phua, Hiroaki Maeda, Hiroshi Nishihara
    • 学会等名
      錯体化学会第72回討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Transmetallation Reaction in a Manganese Dithiolene Coordination Nanosheet2022

    • 著者名/発表者名
      Kenji Takada, Takahiro Yamane, Choon Meng Tan, Naoya Fukui, Hiroaki Maeda, Hiroshi Nishihara
    • 学会等名
      錯体化学会第72回討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] The smallest fraction of coordination nanosheet visualized by scanning tunneling microscopy under ultrahigh vacuum2022

    • 著者名/発表者名
      Naoya Fukui, Yu Endo, Miyu Ito, Kenji Takada, Hiroaki Maeda, Sayoko Nagashima, Hiroshi Nishihara
    • 学会等名
      錯体化学会第72回討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [図書] 金属錯体の二次元物質 配位ナノシート2023

    • 著者名/発表者名
      日本化学会、前田 啓明、福居 直哉、髙田 健司、西原 寛
    • 総ページ数
      178
    • 出版者
      共立出版
    • ISBN
      9784320044852
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [図書] Comprehensive Inorganic Chemistry III, Third Edition, Chapter "Photochromic Materials"2023

    • 著者名/発表者名
      H. Maeda, M. Nishikawa, R. Sakamoto, H. Nishihara
    • 総ページ数
      61
    • 出版者
      Oxford: Elsevier
    • ISBN
      9780128231449
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 東京理科大学 西原研究室ホームページ

    • URL

      https://www.rs.tus.ac.jp/nishihralab/index.html

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 東京理科大学プレスリリース

    • URL

      https://www.tus.ac.jp/today/archive/20240207_2732.html

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 東京理科大学プレスリリース英語版

    • URL

      https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/archive/20240208_1002.html

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 西原研究室ホームページ

    • URL

      https://www.rs.tus.ac.jp/nishihralab/index.html

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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