| 研究課題/領域番号 |
17H03048
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| 研究機関 | 関西学院大学 |
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研究代表者 |
吉川 浩史 関西学院大学, 理工学部, 准教授 (60397453)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 金属有機構造体 / 半導体ナノ粒子 / 二次電池 / 光学特性 / 電気化学 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、分子、分子集合体、金属酸化物ナノ粒子といった様々なナノ材料を対象に、次世代二次電池として実用化されるような性能を有する蓄電デバイスの開発と固体電気化学反応を利用した新奇物性開拓を目的とした研究を行った。
高性能な蓄電材料の創製と蓄電デバイスへの応用については、ジスルフィド配位子の一つである4,4’-dipyridyl disulfide(4dpds)とCuイオンおよびCoイオンから成る金属有機構造体を作製し、これらを正極活物質とするリチウム電池を用いて充放電測定を行った。その結果、ジスルフィドと金属イオンの酸化還元反応により、従来のリチウムイオン電池よりも大きな容量を得ると同時に、配位子4dpds単独よりも安定なサイクル特性を示すことを見出した。また、このような電池反応におけるMOF中の金属イオンの価数変化およびS-S結合の状態変化を詳細に検討するため、これらを含む正極のX線吸収微細構造(XAFS)分析を行った。CuおよびCo K-edge XAFSより、充放電における金属イオンの可逆な酸化還元が、S K-edge XAFSより、充放電におけるS-S結合の可逆な開裂と再結合を示唆する結果が得られた。これより、ジスルフィド配位子を有するMOFが二次電池の正極として非常に有望な材料であることが明らかとなった。なお、他にも、有機カチオンペロブスカイト材料や窒素ドープグラフェン材料といった新しい電極材料候補の探索にも成功した。
一方で、固体電気化学反応を利用した新奇物性開拓については、発光性ナノ粒子の一つであるCdSeを対象に、そのスピンコート膜の電気化学反応による発光特性変化を検討した。その結果、還元により消光したものの、光照射をし続けることで発光が大きく回復するという現象を新たに見出した。
このように、高性能二次電池の開発と新規電気化学物性の両面で一定の成果を得た。
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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
高性能な蓄電材料の創製と蓄電デバイスへの応用については、研究計画通りに、酸化還元活性な配位子としてジスルフィドを用いたMOFを正極材料として用いることで、当初の計画をほぼ達成することができた。また、その他の高性能な電極として、ペロブスカイト関連材料や窒素ドープグラフェンなど、新しい電極材料を見出しつつあり、順調に進展しているといえる。一方で、固体電気化学物性研究については、電気化学反応により発光特性を可逆に変化させるという試みは成功しなかったものの、電気化学的に一度消光させた物質に対して、光を照射し続けることで発光が回復するという新しい現象を見出すことができた、このことから、当初予定の研究計画自体は実行しており、それに伴う新規現象を観測したという点で、順調に進展していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
高性能な蓄電材料の創製と蓄電デバイスへの応用については、H29年度の研究を継続し、多電子の酸化還元活性を示す様々なMOFを作製することにより、現在のLiイオン電池の理論容量(300Ah/kg)を超える容量と数千サイクルの安定性を有するMOF電池を実現する。また、3次元空孔構造を有するポリオキソメタレート（POM）についても精力的に検討する。例えば、そのような物質の一つであるMo, V, BiからなるPOMが、組成式当たり77電子の酸化還元による350 Ah/kg以上の大きな容量と100サイクル以上の安定なサイクル特性を有することが知られていることから、金属イオンの置換により3次元空孔構造を有する様々なPOMを作製し、その蓄電特性を開拓する。
一方で、固体電気化学反応による発光特性変化については、金属半導体ナノ粒子に加え、発光特性を示すMOFを対象とする。発光性MOFはイオンの吸脱着などにより発光特性のオンオフが可能であり、これらをITO基板上に塗布した電極について電気化学反応による発光特性の変化を観察し、新しい固体電気化学物性の開拓を目指す。
以上のように、高性能な二次電池の実現と新奇固体電気化学物性の両面で本研究を推進していく。
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