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2018 年度 実施状況報告書

金属酸化物ナノ粒子を活性炭のミクロ孔に高分散させた高性能電気化学キャパシタの開発

研究課題

研究課題/領域番号 17K06034
研究機関愛知工業大学

研究代表者

糸井 弘行  愛知工業大学, 工学部, 准教授 (40648789)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード電気化学キャパシタ / 金属酸化物 / 酸化ルテニウム / ナノ粒子 / クラスター
研究実績の概要

本研究では、酸化ルテニウム前駆体となる有機ルテニウム錯体を高分散させた活性炭に電圧を印加することで、活性炭細孔内部での酸化ルテニウムの高分散化と電気化学キャパシタ電極への応用の検討を行っている。平成29年度では、試料中のルテニウムの担持量が5重量パーセントを超える試料においてもルテニウム由来の粒子が透過型電子顕微鏡を用いてもほとんど確認できないことから、ルテニウムが1ナノメートル以下の微小なクラスターとして存在していることが示唆されていた。また、平成29年度にはX線吸収スペクトル測定による試料分析を行ったが、従来の酸化ルテニウムと構造が全く異なるためか、フィッティングが困難を極め現時点でも酸化ルテニウムの構造が明らかにされていない。しかしX線吸収スペクトルの結果から、ルテニウムの担持量によって酸化ルテニウムの酸化状態が異なり、また酸化還元反応特性との相関があることが分かった。特に電気分解後の試料中のルテニウムの担持量が2重量パーセント以下の試料においては、ルテニウムの酸化状態が低い傾向を示した。
異なる細孔構造を有する多孔質炭素でも同様の検討を行うため、平成30年度ではゼオライトを鋳型として合成した多孔質炭素を用いた検討も行った。この多孔質炭素は細孔径が1.2ナノメートルという均一なサイズを有しており、三次元的に規則正しく配列した細孔構造を有している。また、積層の無いグラフェンから成る構造をしており、活性炭の10倍の酸素を含酸素官能基として含んでいる。その結果、活性炭を用いた場合よりも錯体が極めて分解されやすいことが分かり、分解挙動が多孔質炭素の細孔構造に依存することが分かった。
一方でフェロセンを用いて同様の手法により評価したところ、熱的かつ電気化学的に安定なフェロセンにもかかわらず、活性炭細孔内では極めて容易に電気化学的な分解を受けることが分かった。

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

平成30年度では、酸化ルテニウムを高分散化した活性炭を透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡で詳細に観察することで、酸化ルテニウムの高分散化処理の過程で活性炭粒子の体積膨張が起こらないことが分かった。この結果は酸化ルテニウムクラスターが活性炭の細孔内部に高分散しているためであり、電気化学キャパシタ電極として体積あたりの高容量化が得られることが分かった。
本研究手法は熱的・電気化学的に安定なフェロセンのような有機金属錯体でさえも、活性炭細孔内部に吸着させて電圧を印加することで容易に分解されることが分かった。したがって様々な金属においても微小金属酸化物クラスターの高分散化が可能な方法として期待できる。本研究では酸化ルテニウムクラスターの高分散化によって急速な充放電が可能な電気化学キャパシタ電極特性を明らかにすることができたが、微小金属酸化物クラスターを利用した電極触媒や合成触媒への応用も期待できる。特に炭素担体は金属や金属酸化物との相互作用が小さいために、従来の手法では1ナノメートルよりも小さな金属クラスターや金属酸化物クラスターの高分散化が困難であった。一方で本研究手法は、安価な活性炭に有機金属錯体を吸着させて電圧をかけるだけで、金属酸化物クラスターを高分散可能な極めて容易な手法である。
X線吸収スペクトル測定結果の解析がまだ終わらないために論文の投稿も遅れているが、しかし平成30年度に得られた知見をもとに、高インパクトファクタージャーナルへの論文の早急な投稿を目指すことが期待できる。

今後の研究の推進方策

X線吸収スペクトル測定の解析を進め、酸化ルテニウムクラスターの構造を明らかにする。また、X線吸収スペクトルで得られた知見をもとに、早期の論文の投稿を目指す。
本研究手法はルテニウムのみならず鉄を含む安定な錯体においても応用可能であることが分かったため、さらに多くの種類の金属錯体を用いて検討を行い、電気化学キャパシタ電極の高性能化を目指すとともに、電子顕微鏡を用いた構造解析を同時に行う予定である。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Enhancing the performance of electrochemical capacitor electrodes by modifying their carbon nanopores with redox-active materials2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Itoi
    • 雑誌名

      Tanso

      巻: 288 ページ: 103-113

    • DOI

      10.7209/tanso.2019.103

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Templated Synthesis of Ultrafine Polyaniline Fibers and their Transfer to Carbon Substrates for Highly Rapid Redox Reactions2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Itoi, Kento Shimomura, Hideyuki Hasegawa, Naoya Nomura, Yuina Ohta, Hiroyuki Iwata, Yasuto Hoshikawa, Yoshimi Ohzawa
    • 雑誌名

      Advanced Materials Interfaces

      巻: 6 ページ: 1801799

    • DOI

      10.1002/admi.201801799

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of Carbon Support Nanostructures on the Reactivity of Ru Nanoparticle Catalyst in Hydrogen Transfer Reaction2018

    • 著者名/発表者名
      Takeharu Yoshii, Kazuki Nakatsuka, Tatsuya Mizobuchi, Yasutaka Kuwahara, Hiroyuki Itoi, Kohsuke Mori, Takashi Kyotani, Hiromi Yamashita
    • 雑誌名

      Organic Process Research & Development

      巻: 22 ページ: 1580-1585

    • DOI

      10.1021/acs.oprd.8b00207

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced hydrogen chemisorption and spillover on non-metallic nickel subnanoclusters2018

    • 著者名/発表者名
      Hirotomo Nishihara, Fumihide Ohtake, Alberto Castro-Muñiz, Hiroyuki Itoi, Masashi Ito, Yuichiro Hayasaka, Jun Maruyama, Junko N. Kondo, Ryota Osuga, Takashi Kyotani
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 6 ページ: 12523-12531

    • DOI

      10.1039/C8TA02561D

    • 査読あり
  • [学会発表] 有機金属錯体を前駆体として金属酸化物微粒子を高分散させた活性炭の電気化学キャパシタ特性2018

    • 著者名/発表者名
      長谷川 英之,糸井 弘行,大澤 善美
    • 学会等名
      第45回炭素材料学会年会
  • [学会発表] ポーラスガラスのナノ細孔構造と形状を複写したカーボンモノリス電極の作製2018

    • 著者名/発表者名
      増山 貴裕,田邉 香,畔柳 修平,糸井 弘行,野崎 功一,干川 康人,京谷 隆
    • 学会等名
      第45回炭素材料学会年会
  • [学会発表] スギ炭素化物への化学気相含浸法を用いた熱分解炭素コーティングと構造評価及びリチウムイオン電池負極特性2018

    • 著者名/発表者名
      澤野 晃輝,糸井 弘行,大澤 善美
    • 学会等名
      第45回炭素材料学会年会
  • [学会発表] 有機チタン錯体を利用した活性炭への酸化チタン微粒子の高分散化2018

    • 著者名/発表者名
      野村尚也、長谷川英之、糸井弘行、大澤善美
    • 学会等名
      第45回炭素材料学会年会
  • [学会発表] パルスCVI法によるリチウムイオン二次電池の電極部材用炭素へのカーボンコーティング2018

    • 著者名/発表者名
      長谷川 達郎,糸井 弘行,大澤 善美
    • 学会等名
      第45回炭素材料学会年会
  • [学会発表] レドックス化合物と多孔質炭素とのナノレベルでの複合化による電気化学キャパシタ電極の高性能化2018

    • 著者名/発表者名
      糸井弘行
    • 学会等名
      2018年電気化学会秋季大会・キャパシタ技術委員会第4回研究会
    • 招待講演

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公開日: 2019-12-27  

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