研究課題
2次元グラフェンの特性を良く引き継ぎディラックコーン型電子状態密度を持つ多孔質グラフェンを用いて吸着分子と表面との界面で引き起こす電荷移動を応答電流の差として検出するガスセンサーの開発を行った。グラフェンはガス分子の吸着点が少ないためガス分子検出の高感度化を達成するために改良ハンマー法を用いて立体的な多孔質グラフェンへ酸化還元処理を施した。この多孔質グラフェンをガス分子のセンサー部として採用し、電流電圧端子を接続した後、アルゴンガスで希釈した様々な測定対象ガスを流しながら電気抵抗の変化を計測した。その結果、ppmオーダーのガス体積濃度領域において水素ガスでは電気抵抗値が下がり、酸素と二酸化炭素ガスでは電気抵抗値が上昇することが明らかとなった。特に水素ガスでは、アルゴンガスで希釈した体積濃度4 ppmよりも低濃度の場合は電気抵抗値が減少し、アルゴンガスで希釈した体積濃度4 ppmよりも高濃度で体積濃度に比例して電気抵抗値が上昇に転じることが明らかとなった。この水素ガス体積濃度変化は第一原理計算より電荷移動効果と後方散乱効果のメカニズムの競合であると解釈することができた。低濃度領域において水素分子吸着によるホールドープによってグラフェンのフェルミレベルが下がったことから電気抵抗値が減少した。一方で、高濃度領域では吸着した水素分子の数が多くなったことから電荷移動の効果よりも水素分子が吸着した官能基サイトが電子の後方散乱源として働き電気抵抗値の上昇に繋がった。また、アルゴンガスで希釈した水素ガス体積濃度0.01 ppmまで検出が可能であることが確認された。以上より、酸化還元処理を施した多孔質構造を持つグラフェンは非極性分子の高感度化に大きく貢献することを明らかにできた。
2019年6月 第8回新化学技術研究奨励賞
すべて 2020 2019
すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 5件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)
ACS Energy Letters
巻: 5 ページ: 1788～1793
10.1021/acsenergylett.0c00715
Materials
巻: 13 ページ: 2259～2259
10.3390/ma13102259
Applied Catalysis B: Environmental
巻: - ページ: -
10.1016/j.apcatb.2020.119172
Advanced Materials
巻: 31 ページ: 1900843～1900843
10.1002/adma.201900843
Advanced Science
巻: 6 ページ: 1900119～1900119
10.1002/advs.201900119
ACS Catalysis
巻: 10 ページ: 792～799
10.1021/acscatal.9b04134
