| 研究課題/領域番号 |
16K05760
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| 研究機関 | 名城大学 |
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研究代表者 |
永田 央 名城大学, 理工学部, 教授 (40231485)
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| 研究期間 (年度) |
2016-10-21 – 2020-03-31
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| キーワード | 炭素電極 / ポリピロール / 半導体高分子 / 酸素発生 |
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| 研究実績の概要 |
炭素系電極材料として東レ製のカーボンペーパーを使用し、その表面に導電性高分子（ポリピロール）、半導体高分子（ポリフェニレンエチニレン）を塗布した複合材料を作成して、その評価を行った。具体的には、以下の成果を得た。
(1) 4-メチル-3-ピロールカルボン酸エステルを van Leusen 法で合成し、化学酸化重合法でポリマーを合成した。このポリマーを部分加水分解し、カルボキシル基とエステル基を有する両親媒性のポリピロールを合成した。この両親媒性ポリピロールをカーボンペーパー上に塗布し、コバルト塩を含むリン酸緩衝液中で電解することにより、酸素発生触媒であるリン酸コバルトが電着できることを確認した。
(2) エステル基と長鎖アルキル基を持つポリフェニレンエチニレンを薗頭カップリング法で合成した。このポリマーを加水分解して、カルボキシル基と長鎖アルキル基を持つ両親媒性のポリマーとした。このポリマーを(1)と同様にカーボンペーパー上に塗布し、リン酸コバルトが電着できることを確認した。
(3) (1)(2) に共通する問題点として、ポリマーを塗布すると電解電流が低下することが観測された。カーボンペーパーとポリマーの間の電気的接触が不十分であることがわかった。特に(1)については、ポリマーとカーボンペーパーとの密着性が低いことが目視でも明らかであった。
(4) (2) の複合電極について、可視光照射下で水の酸化電解を行ったところ、電解電流の増大が観測された。ポリフェニレンエチニレンの励起状態による酸化反応の促進が起きたものと考えられる。
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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
両親媒性ポリピロールの合成とカーボンペーパーとの複合化、およびその複合電極を用いた酸素発生触媒の電着と水の電解酸化について、おおむね予定通りに実施することができた。しかしながら、作成した複合電極の電解電流が低下しており、想定した性能よりも低いことがわかった。このため、電極の性能向上を優先させる必要があると判断し、電極自体の詳細な評価は行わなかった。代わりに、性能向上のために必要なポリピロールの分子設計について検討を行った。この点については、計画よりもやや遅れていると言える。
一方、当初の計画には含まれていなかった内容として、半導体高分子であるポリフェニレンエチニレンの合成を行った。両親媒性官能基を導入し、カーボンペーパーとの複合化も行った。こちらについては、ポリピロール系とほぼ同等の進度を達成することができた。また、当初想定していなかった結果として、可視光の効果についても予備的な成果を得ることができた。この点は、計画よりも進んでいると言える。
総合的に見れば、おおむね計画通りに研究は進展していると評価できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
酸素発生触媒とカーボンペーパーとの複合化については、引き続き検討する。両親媒性ポリピロールの分子設計に関する問題点として、部分加水分解が均一に進行しないことがこれまでの検討で示唆されたため、二種類の異なるエステル官能基を有するポリピロールを合成して、均一な部分加水分解を実現する。ポリフェニレンエチニレンを用いた複合電極については、触媒との酸化電位の整合性が良くないことがわかったため、酸化電位をシフトさせるための分子設計を行う。
また、当初の計画では、平成２９年度には二酸化炭素の還元触媒を手がけることとしているため、この研究にも着手する。すでに、予備的な成果として、窒素系複素環化合物と、ホウ素含有化合物の合成と、二酸化炭素との相互作用の研究を開始している。平成２９年度はこれらの研究をさらに推進して、有機触媒を用いた二酸化炭素の還元反応について探索的研究を行う。
ただし、二酸化炭素の還元反応は困難な課題であり、有機触媒単独では結果を出せないことも十分に予想できる。その場合は、既知の金属錯体による二酸化炭素還元反応に対して、有機化合物を助触媒として共存させて、還元反応の挙動の変化を調査し、有用な反応が得られるかどうかを探索する。
また、炭素電極との複合化につながるように、これらの触媒を電極の表面修飾または高分子化によって、電極表面に集積する方法についても検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
１１月頃に、本研究に不可欠である電気化学装置の一つが故障して復旧不可能であることが判明し、代替品の調達が必要となった。平成２８年度中に購入すると、年度途中で資金不足に陥る可能性があったため、購入を平成２９年度に先送りし、２８年度はなるべく経費を節約して調達費を確保するように努めた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
電気化学アナライザー (ALSモデル1210C, 745200円) を購入する。残りは消耗品に充てる。
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