研究課題
グラフェンを基本骨格とし、1.2 nmの非常に均一なミクロ孔を有するゼオライト鋳型炭素（ZTC, ヤング率：16 MPa）が機械的に柔軟に弾性変形し、弾性変形によってH2O蒸気吸着量を増減できることを見出している。その現象のひとつとして、予め水蒸気を吸着させたZTCに対し、機械的応力を印加したところ、吸着していた水分子が強制的に細孔内から押し出され、気体となることを確認している。このとき、もともと細孔内に吸着した水分子は液体に近い密度で存在しており、そして強制的に押し出されることで周りから熱を奪いながら脱着することが考えられる。このような、ナノ空間が表面の化学的性質を変えることなく、機械的に変形することで分子の吸脱着が起こる現象は、ヒートポンプなどに応用可能な新たな熱機関として期待されるとともに、吸着現象への深い理解を与えるものである。このようなナノ空間の弾性的変形による性質変化の考え方は、液相にも展開が可能である。これにあたり、約7 nｍのメソ孔を有するグラフェンにより構成された柔軟な多孔体グラフェンメソスポンジ（GMS）の作製に成功している。液相は吸着質の拡散性が悪いため、上述のZTCよりも細孔サイズの大きなGMSの利用が妥当と考える。このGMSは比表面積が~1900 m2/gと大きく、また500 MPaの圧縮により2 nm以下にまで弾性的に変形することが見出されている。液相の吸着としては、電解質の物理吸着である電気二重層の形成に着目している。GMSを7 nmから2 nmまで大きく変形させながら、電気二重層の形成挙動を観測することにより、液相での吸着現象に関する新たな知見が得られるものと考える。また、もともと粉体であるGMSをモノリス化することにも成功している。強度面での問題はあるものの、粉体ではできなかった吸着測定等が可能となるものと考える。
3: やや遅れている
ZTCについて構造解析を行い、シミュレーション用のモデルを作成した。また、そのモデルを使用したシミュレーションにも成功した。ただし、ZTCに水を吸着した状態で変形させ、水が強制的に脱着されるかのシミュレーションができておらず、可視化には至っていない。液相の吸着に関しては、吸着質の拡散性の問題からZTCよりも細孔サイズの大きな材料が必要となった。そこで、ZTCと同じく柔軟に変形し、かつ細孔サイズの大きなGMSの作製をおこなった。モノリス化においては、GMSの作製法を工夫することでハンドリングに耐えうるものが得られた。ただし、まだ数十MPaでの圧縮に耐えうる強度が得られていない。
グラフェンにより構成される柔軟な多孔体であるゼオライト鋳型炭素（ZTC）のモデルを用いた水の吸着特性のシミュレーションから、このモデルが実際の実験の性質をよく表していることが確認できた。そこで、水を吸着させたZTCを機械的に変形させ、実際に水の脱着が起こるかをシミュレーションにより確認する。この現象の可視化および熱力学的な記述は、ナノ空間への吸着現象への新たな知見を与えるもとである。液相吸着においては、変形させながらの評価が現実的に考えられる材料、グラフェンメソスポンジ（GMS）が得られている。まずは、この材料に応力を印加しながら電気化学測定がおこなえるセルの作製を行う。そして、材料の変形と電気化学的性質の変化から、電気二重層などといった物理的現象のさらなる理解ができるものと考える。現在、もともと粉体であったGMSのモノリス化を行い、ハンドリングには問題ない程度のものが得られている。しかし、未だ粒子同士の接着が弱く、数十MPaの機械的応力の印加には耐えられない。現在、鋳型法と呼ばれる手法によりGMSを作製しているが、この方法に用いられる鋳型を改良することで強度面の改善を図る。
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ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
巻: 26 ページ: 6418-6427
10.1002/adfm.201602459
http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/kyotani/
