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キノン含有共役高分子材料の水圏および非水圏での機能制御とエネルギー関連応用

公募研究

研究領域水圏機能材料:環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成
研究課題/領域番号 22H04559
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

緒明 佑哉  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (90548405)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (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: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
キーワードキノン誘導体 / 非晶質共役高分子 / 水素発生電極触媒 / リチウムイオン二次電池 / ネットワーク高分子 / 水和 / 水和状態 / キャパシタ / 共役高分子ネットワーク / 水圏機能 / 非水圏機能 / エネルギー材料
研究開始時の研究の概要

本研究は、「キノン含有共役高分子材料の水圏および非水圏での機能制御とエネルギー関連応用」を目指す。キノン誘導体を含む高分子材料について、どのような分子・高分子・ナノ構造を作ると、水圏および非水圏で酸化還元に基づく機能を発現できるかは不明確であった。本研究では、その設計指針を確立と機能の制御を目指す。この設計指針の確立は、キノン含有高分子材料をメタルフリーなエネルギー関連材料として活用する上で極めて重要となる。具体的には、水圏での水系キャパシタおよび水素・酸素発生電極触媒、非水圏でのリチウムイオン二次電池の有機正極の創製につながり、金属資源に頼らない次世代有機エネルギー材料の実現へとつなげる。

研究実績の概要

2電子の酸化・還元反応を伴うキノン誘導体は、メタルフリーな水素発生電極触媒やリチウムイオン二次電池正極など、エネルギー関連材料への応用が期待されている。本課題では、キノン誘導体とヘテロ芳香族化合物の共重合により、機能部位が凝集せず分散した非晶質共役高分子ネットワークを設計・合成し、白金に代わる水素発生反応(HER: hydrogen evolution reaction)の電極触媒への応用を検討した。また、非晶質共役高分子ネットワークの水圏での特異な水和挙動を見出した。メタルフリーHER触媒に関する先行研究の文献データをもとに、当グループで開発してきた小規模データに対するマテリアルズインフォマティクス(MI)の手法を活用し、HER触媒活性である水素発生過電圧(ΔE)を少数の記述子で予測するモデルを構築した。ベンゾキノン(BQ)と共重合を行うヘテロ芳香族をフラン誘導体とすると、いずれも高活性が予測された。BQといくつかのフラン誘導体の組み合わせで合成を試みたところ、ベンゾオキサゾール(BO)を用いた共重合により非晶質共役高分子ネットワークBQ-BOが得られた。生成したBQ-BOは、リニアスイープボルタンメトリー(LSV)測定でΔE = 230 mV(at -10 mA cm-2)を示し、当研究室の先行研究のBQ-ピロール(Py)のΔE = 277 mVをよりも高活性であった。領域内共同研究により、これらの非晶質共役高分子ネットワークBQ-BOとBQ-Pyをテラヘルツ分光によって解析すると、特異な水和状態が観測され、親水性の高さが明らかになった。ナノ構造化による高比表面積、共役骨格による伝導性に加え、親水性がHER電極触媒の活性向上に重要であることがわかった。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Efficient Design and Synthesis of an Amorphous Conjugated Polymer Network for a Metal-Free Electrocatalyst of Hydrogen Evolution Reaction2024

    • 著者名/発表者名
      Wakana Hamada, Mafumi Hishida, Ryuto Sugiura, Haruka Tobita, Hiroaki Imai, Yasuhiko Igarashi, Yuya Oaki
    • 雑誌名

      J. Mater. Chem. A

      巻: 12 号: 6 ページ: 3294-3303

    • DOI

      10.1039/d3ta06447f

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Morphology and Size Control of an Amorphous Conjugated Polymer Network Containing Quinone and Pyrrole Moieties via Precipitation Polymerization2024

    • 著者名/発表者名
      Ryuto Sugiura, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki,
    • 雑誌名

      Nanoscale Advances

      巻: 6 号: 4 ページ: 1084-1090

    • DOI

      10.1039/d3na01006f

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nanosheet-Based Uneven Thin Film Exhibiting Angle-Independent Structural Color and Its Application to Detection of Biogenic Amines2022

    • 著者名/発表者名
      Yuri Haraguchi, Hiroaki Imai, Yuya Oaki
    • 雑誌名

      Advanced Materials Interfaces

      巻: 9 号: 25 ページ: 2201111-2201111

    • DOI

      10.1002/admi.202201111

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 実験化学者が扱う小規模データへのマテリアルズインフォマティクス2023

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 学会等名
      高分子学会関東支部第103 回千葉地域活動高分子研究交流講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 小規模データをもとにしたマテリアルズインフォマティクスによるエネルギー関連材料の探索と高性能化2023

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 学会等名
      高分子学会23-1水素・燃料電池材料研究会 マテリアルズ・インフォマティクスを用いたエネルギー関連材料開発の最前線,
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 非晶質共役高分子ネットワークとMI によるメタルフリー水素発生電極触媒の開2023

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 学会等名
      日本MRS水素科学技術連携研究会 2023年度前期研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 小規模データのマテリアルズインフォマティクスで挑む有機機能材料の探索と性能向上2023

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会 第104春季年会 中長期テーマシンポジウム マテリアルズ・インフォマティクスが拓く有機機能材料
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 非晶質共役高分子ネットワークのナノ構造形態制御法の開拓2023

    • 著者名/発表者名
      杉浦隆斗 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      高分子学会関東支部第9回神奈川地区講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 非晶質共役高分子ネットワークのナノ粒子化と粒径制御2023

    • 著者名/発表者名
      杉浦隆斗 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      第13回CSJ化学フェスタ2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 性能予測モデルを活用したリチウムイオン電池高分子正極活物質の探索2022

    • 著者名/発表者名
      坂野公亮 五十嵐康彦 今井宏明  宮川絢太郎 齊藤貴也 高柳良基 西山浩司 緒明佑哉
    • 学会等名
      第71回 高分子学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 構造を最適化した表面修飾ナノシートによるフッ素フリー超撥水膜の作製2022

    • 著者名/発表者名
      引地亮太 都倉勇貴 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      第71回 高分子学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] フラン誘導体を含む非晶質共役高分子ネットワークによる高性能な水素発生電極触媒の作製と設計2022

    • 著者名/発表者名
      濱田和香奈 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      第71回 高分子学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] フラン誘導体を含む非晶質共役高分子ネットワークによる高性能な水素発生電極触媒の作製2022

    • 著者名/発表者名
      濱田和香奈 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会第12回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] キノン含有非晶質共役ネットワークのナノ構造制御と水素発生電極触媒への応用2022

    • 著者名/発表者名
      杉浦隆斗 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会第12回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 性能予測モデルを活用したリチウムイオン二次電池有機正極活物質の探索2022

    • 著者名/発表者名
      坂野公亮 五十嵐康彦 今井宏明 宮川絢太郎 齊藤貴也 高柳良基 西山浩司 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会第12回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 表面修飾ナノシートの特長を活用したフッ素フリー高撥水膜の作製2022

    • 著者名/発表者名
      引地亮太 都倉勇貴 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会第12回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 表面修飾ナノシートによる基板依存性の無いフッ素フリー超撥水コーティングの作製2022

    • 著者名/発表者名
      引地亮太 都倉勇貴 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] キノン含有非晶質共役ネットワーク構造をもつナノ粒子の合成と水素発生電極触媒への応用2022

    • 著者名/発表者名
      杉浦隆斗 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習を活用したリチウムイオン二次電池高分子正極活物質の探索2022

    • 著者名/発表者名
      坂野公亮 五十嵐康彦 今井宏明 宮川絢太郎 齊藤貴也 高柳良基 西山浩司 緒明佑哉
    • 学会等名
      高分子学会関東支部 第7回神奈川地区講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [図書] CSJカレントレビュー502024

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      化学同人
    • ISBN
      9784759814101
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 研究室ホームページ

    • URL

      https://www.applc.keio.ac.jp/~oakiyuya/jp.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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