導電性高分子膜への電流反転金ナノ粒子自在析出制御による電極触媒設計学理の構築

• 研究課題/領域番号: 22K20475
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0401:材料工学、化学工学およびその関連分野
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 栗岡 智行 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (00963456)
• 研究期間 (年度): 2022-08-31 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: ハイブリッド材料 / 電極触媒 / 貴金属ナノ粒子 / 導電性高分子 / 電気化学センサー

研究開始時の研究の概要

本研究では、導電性高分子膜と金ナノ粒子からなるハイブリット材料の電極触媒能向上のため、導電性高分子膜内における金ナノ粒子の析出制御法の構築を目指す。ハイブリッド材料は、電気化学センサーの電極触媒材料として有用である。電極触媒能向上には、ハイブリッド材料内における金ナノ粒子の析出制御が重要であるが、その方法論は限られている。そこで本研究では、導電性高分子の電気化学ドーピングを用いる新たな金ナノ粒子析出制御法を提案する。本研究を通じて、電気化学センサーの高性能化に向けた電極触媒材料の設計指針を構築し、重篤疾患の早期発見技法に資する電気化学センサー材料の開発に貢献する。

研究実績の概要

電気化学反応に基づき、簡便かつ迅速に高感度で化学物質を検出可能な電気化学バイオセンサーは、糖尿病等の重篤疾患の発見手法として期待されている。センサーの高感度化は、低濃度の検出対象の検出を可能とするため、疾患の早期発見につながる。電気化学センサーの有力な電極材料の一つとして、導電性高分子担体と貴金属ナノ粒子からなるハイブリッド材料がある。導電性高分子担体内における、貴金属ナノ粒子の形状や量、分布は、ハイブリット材料の電極触媒特性に影響を及ぼすため、これらの制御は重要であるものの、その手法は依然限られている。
本研究では、ハイブリッド材料の電極触媒特性の向上を目的として、導電性高分子の電気化学ドーピングと脱ドーピングを鍵とする貴金属ナノ粒子析出制御法を新たに構築する。また、本手法で用いる各種パラメータが、アルコール類の電解酸化に対する作製したハイブリッド材料の電極触媒特性に及ぼす影響を詳細に明らかにし、電気化学バイオセンサー応用に向けた電極材料設計指針の学理を開拓する。
初年度である2022年度は、導電性高分子担体にポリチオフェン (PTh)、貴金属ナノ粒子として金ナノ粒子 (AuNPs) からなる AuNPs/PTh ハイブリッド材料の作製に取り組み、ハイブリッド材料中の AuNPs の形状や析出量制御に取り組む。作製したハイブリッド材料については、1-propanol の電解酸化に対する電極触媒特性を評価した。その結果、AuNPs の析出条件によって、作製した AuNPs/PTh の電極触媒特性が変化することを見出した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初の計画では、2022年度内において AuNPs の析出形状や量に関連した実験パラメータを明らかにし、これらの析出制御法の基盤を構築する予定であったが、AuNPs/PTh ハイブリッド材料の作製条件探索に当初の予定以上に時間が費やした。また、作製したハイブリッド材料の解析も十分に行えていない。その一方で、作製した AuNPs/PTh が 1-propanol の電解酸化に対する電極触媒特性を示すことを確認した。これらを総合的に踏まえて、本年度の進捗状況として、当初の予定より遅れていると評価した。

今後の研究の推進方策

今後は前年度に見出したハイブリッド材料作製条件を基準として、導電性高分子に対する AuNPs 析出制御法の構築を急ぐとともに、作製したハイブリッド材料の電極触媒特性との相関を調査する。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of supercritical carbon dioxide soft particles on incorporation of titanium dioxide nanoparticles into nickel matrix (2023)
  • 著者名/発表者名: Chien Yu-An、Chen Chun-Yi、Kurioka Tomoyuki、Sone Masato、Chang Tso-Fu Mark
  • 雑誌名: Materials Chemistry and Physics 巻: 302 ページ: 127703-127703
  • DOI: 10.1016/j.matchemphys.2023.127703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gold/MnO2 particles decorated on electrodeposited polyaniline toward non-enzymatic electrochemical sensor for glucose (2023)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Keisuke、Kawakami Hiroki、Chien Yu-An、Kurioka Tomoyuki、Chiu Wan-Ting、Chakraborty Parthojit、Nakamoto Takamichi、Hsu Yung-Jung、Sone Masato、Chang Tso-Fu Mark
  • 雑誌名: Micro and Nano Engineering 巻: 18 ページ: 100175-100175
  • DOI: 10.1016/j.mne.2023.100175
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electrodeposition of Ni-B Alloy Film: Effect of Current Density and Heat Treatment on Micro-Mechanical Property (2022)
  • 著者名/発表者名: Jiang Yiming、Chen Chun-Yi、Kurioka Tomoyuki、Luo Xun、Yamane Daisuke、Mizoguchi Masanori、Kudo Osamu、Maeda Ryu、Sone Masato、Chang Tso-Fu Mark
  • 雑誌名: Journal of The Electrochemical Society 巻: 169 号: 11 ページ: 112504-112504
  • DOI: 10.1149/1945-7111/ac9dc2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Functionalization of Polyethylene Terephthalate Fabrics with Au@Cu2O Core@Shell Nanocrystals for Environmental Purifications (2023)
  • 著者名/発表者名: Jhen-Yang Wu, Tomoyuki Kurioka, Chun-Yi Chen, Masato Sone, Tso-Fu Mark Chang, Yung-Jung Hsu
  • 学会等名: 35th Topical Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 国際学会
• [学会発表] ポリアニリンと貴金属原子の複合電極の開発と1-プロパノールの電解酸化に対する触媒活性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉田 祥平, 岡本 奎祐, 栗岡 智行, Chun-Yi Chen Parthojit Chakraborty, Tso-Fu Mark Chang, 中本 高道, 曽根 正人
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Functionalization of Polyethylene Terephthalate Fabrics with Au@Cu2O Core@Shell Nanocrystals for Environmental Purifications (2023)
  • 著者名/発表者名: Jhen-Yang Wu, Tomoyuki Kurioka, Chun-Yi Chen, Masato Sone, Tso-Fu Mark Chang, Yung-Jung Hsu
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Ultra-High Mechanical Strength and Thermal Stability of Electrodeposited Ni-B Alloys toward MEMS Micro-Components (2022)
  • 著者名/発表者名: Yiming Jiang, Chun-Yi Chen, Tomoyuki Kurioka, Daisuke Yamane, Masanori Mizoguchi, Osamu Kudo, Ryu Maeda, Masato Sone, Tso-Fu Mark Chang
  • 学会等名: 48th international conference on Micro and Nano Engineering - Eurosensors (MNE-ES)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Au nanoparticles-MnO2 modified polyaniline electorode for Non-Enzymatic Glucose Sensors (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Okamoto, Hiroaki Kawakami, Yu-An Chien, Tomoyuki Kurioka, Wan-Ting Chiu, Parthojit Chakraborty, Takamichi Nakamoto, Masato Sone, Tso-Fu Mark Chang
  • 学会等名: 48th international conference on Micro and Nano Engineering - Eurosensors (MNE-ES)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Interactions and Charge Transfer Dynamics of Yolk Shell Nanocrystals for Photocatalysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Jhen-Yang Wu, Ting-Hsuan Lai, Mei-Jing Fang, Jui-Yuan Chen, Ming-Yu Kuo, Yi-Hsuan Chiu, Ping-Yen Hsieh, Chun-Wen Tsao, Huai-En Chang, Yu-Peng Chang, Chien-Yi Wang, Tomoyuki Kurioka, Chun-Yi Chen, Masato Sone, Wen-Wei Wu, Yung-Jung Hsu, Tso-Fu Mark Chang
  • 学会等名: 48th international conference on Micro and Nano Engineering - Eurosensors (MNE-ES)
  • 国際学会
• [学会発表] High Strength and High Corrosion Resistance Ni-TiO2 Composites by Supercritical CO2-Assisted Co-Electrodeposition towards MEMS Components (2022)
  • 著者名/発表者名: Yu-An Chien, Chun-Yi Chen, Tomoyuki Kurioka, Masato Sone, Tso-Fu Mark Chang
  • 学会等名: 48th international conference on Micro and Nano Engineering - Eurosensors (MNE-ES)
  • 国際学会