| 研究課題/領域番号 |
16H01795
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
本間 格 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90181560)
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| 研究分担者 |
小林 弘明 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (90804427)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | グラフェン / ダイヤモンド / 水熱電気化学 / 超臨界流体 / 亜臨界水 / 電解合成 |
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| 研究実績の概要 |
地球温暖化対策の本質は化石燃料から排出される二酸化炭素のゼロエミッション化およびカーボンニュートラル循環の構築である。
本基盤研究Ａでは①水素と②有価な機能性ナノ炭素材料をゴミやバイオマス等の安価炭化水素原料から同時製造（コプロダクション）することにより②の経済的利潤を①に還元することで水素の安価量産化を可能とすることを目的としている。原料炭化水素中の炭素を従来のガス改質の様に二酸化炭素として排出するのではなく、経済的利潤が得られる機能性炭素材料として固定化・循環することで、トータルシステムとして、社会的課題である水素製造の低コスト化と、水素製造時の二酸化炭素のゼロエミッション化を実現する、画期的な炭素循環コプロダクション型水素製造技術を開拓する。特に多元研・本間研の独自技術である水熱電気化学法を用いて高温・高圧の亜臨界水状態で炭化水素原料を溶かした水溶液を電気分解することにより水素とダイヤモンドなどの高付加価値炭素のコプロダクションを実現する。平成２９年度は研磨した酢酸水溶液を加圧型オートクレーブ電解槽を用いて300℃の亜臨界水状態に保持して、これに白金基板を用いた陰極上にグラフェンを電解析出させることに成功した。水溶液からの電析でグラフェンを作製したのは世界的にも初めての実験例であり、常温の水と物理化学液性質が異なる亜臨界水が機能性ナノカーボンを合成するのに革新的な反応溶媒であることを実証した。このような亜臨界水中での電気化学的な機能材料合成プロセスは未開拓であり、このような反応媒体を用いた新材料合成プロセスの開発に期待がかかる。さらに、同時に水素も生成していることが判明したため、これらの生成効率の検討を行った。水素とグラフェンのコプロダクションを実証できた
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
グラフェン合成条件の最適化を行った。加圧型電解槽に白金シート電極を入れて電解合成実験を行った。白金シートは前処理として1800℃で30分間のアニールを行い、アセトン、エタノール、水中でそれぞれ超音波洗浄を行った。１％酢酸水溶液を電解槽に入れてグラフェン原料とした。室温の常温水から300℃、10-12MPaの亜臨界水まで温度変化させて水の状態を変化させて最適な電解合成温度を調べた。カソードの電位は-3.5Vを最適電位としてグラフェン電析実験を行った。最初に製膜したグラフェンの構造分析をラマン分光で調べた。水熱電解温度が２００℃以下の場合、1350cm-1 付近のDバンドと1580cm-1付近のGバンドの非常にブロードなピークが観測され、アモルファス構造のカーボン膜が生成していることが判明した。他方250℃以上の温度ではDバンド、Gバンドの双方がシャープなピークになり結晶性の向上したグラフェンが製膜していることが判明し、300℃での電解合成実験ではｄバンドピークはシャープなまま減少し、Dバンドピークが強くなると同時に2700cm-1付近にシャープな２Dバンドが出現した。この時、２Dバンドピーク強度はGバンドの強度より大きく、これは結晶性の高い単原子層グラフェンが作製されていることを示唆しており、世界で初めて良質なグラフェンを炭化水素酸からの電気化学的還元で合成することに成功した。この領域の水熱電気化学反応による機能性カーボンのプロセス研究例は僅少であり、本研究により亜臨界水がグラフェン製膜に有効な反応溶媒であることを実証した。さらにコプロダクション効率を見積もるため、水素発生量の測定を行った。水素発生量は電解槽中のガスをサンプリングして水素検出器で評価した。その結果、陰極での還元電流として消費した電力のうち約６０％が水素生成に使われたことが判明した。
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| 今後の研究の推進方策 |
水素とグラフェンのコプロダクションに成功したので今後はその効率向上の検討やグラフェンが生成する反応プロセス解析を行いたい。現状、流した電流の内、６０％が水素製造に使われ、のこりの４０％の一部がグラフェン生成に用いられていると想定している。これを効率向上により４０％の電力が全てグラフェン製造に用いられれば完全なコプロダクションシステムが構築できる。すなわち投入した電力エネルギーで酢酸からグラフェンへの転換を行い、この転換反応に寄与しなかった電流は全て水素製造に使用されれば投入した電力エネルギーの無駄のない高付加価値化が可能である。この電力エネルギーを太陽光発電などの再生可能エネルギーから得れば、二酸化炭素を放出することなくグラフェンと水素を製造できる。さらに酢酸よりグラフェンや水素の方が高価なので経済的にも成立するプロセスシステムである。原料を酢酸だけでなくバイオマス、バイオエタノール、さらには二酸化炭素まで広げることが出来れば水素コプロダクションしながらの炭素固定化にもなるので理想的な温暖化対策技術としての低炭素化エネルギーシステムが構築できる。今後はこの目標を目指して水熱電解プロセスのシステム研究を展開する。
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