| 研究課題/領域番号 |
18K05198
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
本田 光典 金沢大学, 物質化学系, 准教授 (60242533)
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| 研究分担者 |
山口 孝浩 金沢大学, 物質化学系, 准教授 (90272947)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | イオン液体 / フルオラス / ハイブリッド材料 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、有機薄膜太陽電池の発電層作成の溶剤やドラッグデリバリーシステムの媒体として、一つの分子中にパーフルオロアルキル鎖と炭化水素鎖をもつ新たなハイブリッド材料を合成すること、二つの炭素鎖長の増減によりフルオラス性、親油性、親水性を調整し、この材料がイオン液体、界面活性剤、または相間移動触媒としての特性を発現するよう分子設計を行うことにある。本年度は、パーフルオロアルキル基を有するピロリジニウム、およびピリジニウム塩の合成と機能付与のためのチューニングを計画した。
ピロリジンを出発原料とし、窒素原子上にパーフルオロアルキル基を２つ導入したヨージド塩を合成したが、フルオラス性が高いとは言えない固体であった。アニオン部をチューニングし、パーフルオロアルキル基を複数もつボレート塩が高いフルオラス性をもつイオン液体として機能することを明らかにした。分子設計が容易なカチオン部をチューニングする方が機能を制御しやすいと考え、ケイ素原子上にパーフルオロアルキル基を3つ有するシリル基をもつタグを調製しピロリジンの窒素原子上に導入したヨージドを合成し、メタセシス反応により様々なアニオン部をもつハイブリッド化合物群を合成した。これらはアニオン部の種類にかかわらずいずれも常温常圧で液体であり、分配係数測定によってフルオラス性を見積もったところ、いずれも高いフルオラス性を示すことが明らかとなった。同様にピリジニウム塩の合成においてもパーフルオロアルキル基を直接ピリジン環に結合させるより、パーフルオロアルキル基を3つ有するシリルタグを窒素原子上に導入するとフルオラス性の高いイオン液体が合成できた。計画とは異なり界面活性剤への応用的利用を検討できなかったものの、カチオン側のみの調整で高いフルオラスを発現するイオン液体の合成はこれまでに例がなく、新規材料として、また、合成化学的にも大変意義深い。
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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
本年度における本研究の目的は、ケイ素原子上にパーフルオロアルキル基を3つもつシリル基を1つまたは2つ有するピロリジニウム系イオン液体を合成し、その物性測定を行いフルオラス性を調整すること、および得られた知見を利用してピロリジニウム以外のカチオン部をもつフルオラスイオン液体を合成し、多様なフルオラス性および有機基の官能性をもったハイブリッド材料のライブラリを構築することにある。
イオン液体の合成においては、ケイ素原子上にパーフルオロアルキル基を3つ有するシリル基をもつタグを調製しピロリジン環の窒素原子上へ導入することにより、高いフルオラス性をもつ新規イオン液体の合成に成功した。しかし、シリル基をもつタグの複数導入については一部成功しているものの、データがまだ完全に揃っていない。一方、上記研究で得た知見をもとにカチオン部がピリジン系の高フルオラスイオン液体の合成を達成した。有機薄膜太陽電池の発電層構築への応用には他のカチオン部をもつライブラリーの構築や実用化のための大量合成が今後必要である。
上述の様に高フルオラスイオン液体の開発に時間と労力が費やされ、応用面において遅れをとっているが、イオン液体の分子構造と融点、溶解性およびフルオラス性の相関の解明が進行しており、31年度に検討を予定していた界面活性剤への応用に目処が立っている。その結果、全体として概ね予定通りと考えた。
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| 今後の研究の推進方策 |
30年度に得られた知見をもとに、ケイ素原子上にパーフルオロアルキル基を3つもつシリルタグを導入したイミダゾリウム系イオン液体、および同タグを２つ有するピロリジニウム系、イミダゾリウム系イオン液体を合成し、ハイブリッド材料のライブラリを増強する。また、計算化学等の手法を駆使してイオン液体の分子構造とフルオラス性の相関の解明をさらに進め、フルオラス性向上を指向したイオン液体の分子設計を行うとともに界面活性剤への応用も検討する。上述の方法で合成するフルオラスイオン液体を用いて、これまでに本研究者らが開発したパーフルオロアルキル基をもつポリチオフェンとフラーレン誘導体の混合物を溶解（膨潤）することが可能となり、真空蒸着により有機薄膜太陽電池の発電層を合成することができる。得られた発電層の表面構造を走査型電子顕微鏡（SEM）で確認するとともに、これを用いて作成した太陽電池の開放電圧、短絡電流密度、フィルファクタを測定し、エネルギー変換効率を明らかにして、発電層のモルフォロジー制御の評価とそのフィードバックによるイオン液体の分子構造の改善が、現実的に可能となるであろう。
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