| 研究課題/領域番号 |
20K05108
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| 研究機関 | 阿南工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
鄭 涛 阿南工業高等専門学校, 創造技術工学科, 准教授 (50737228)
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| 研究分担者 |
西山 憲和 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10283730)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 酸化チタン / チタン酸リチウム / 光触媒 / 色素増感太陽電池 / リチウムイオン電池 |
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| 研究実績の概要 |
1. テトロヒドロフランとチタンテトライソプロポキシドを原料として、色素増感太陽電池の電極用TiO2ナノ粒子を作製した。得られたTiO2の粒子径が20 nm以下であり、ほぼアナターゼ型であることが分かった。このTiO2を電極に用いた色素増感太陽電池のI-V特性を評価した結果、短絡電流値、開放電圧、変換効率とも市販のTiO2（P25）より高いことが分かった。これはTiO2の小さい粒子径や高分散性に由来すると考えられる。
2. 溶液重合法および蒸気重合法を用い、フルフリルアルコールを重合・炭化させるによって、ナノポーラスカーボンを被覆したTiO2を作製した。蒸気重合法において、カーボン被覆により、TiO2の高温においてのアナターゼ相からルチル相への相転移が抑制され、結晶構造の安定化が確認された。重合時間によるカーボン被覆量の制御が可能であることが分かった。光触媒性能評価より、カーボン被覆TiO2はカーボンによる吸着とTiO2による光触媒の効果を両方確認でき、吸着と触媒作用のハイブリット化ができた。
3. リチウムイオン電池の負極にLi4Ti5O12を用いると、従来のカーボン電極より長寿命や高い安全性が期待されている。しかし、Li4Ti5O12は絶縁体であり電気伝導性が乏しいため、電気伝導性の改善が必須である。材料のナノ構造化、および炭素材料との複合化が問題の改善に有効であると考えられる。本研究では、ゾルゲル法を用い、数ナノレベルのアモルファスTiO2粒子を作製し、このTiO2とLiOHを反応させ、Li4Ti5O12を作製した。XRD 測定より、Li4Ti5O12結晶を作製するには、原料のLi：Ti= 2:1が適していることが分かった。さらにフルフリルアルコールを炭素源として、蒸気重合法を用い、カーボン被覆Li4Ti5O12を作製した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
１．色素増感太陽電池電極材料の性能を評価する場合、短絡電流値、開放電圧、変換効率が挙げられる。本研究作製したTiO2粒子のI-V特性を評価した結果、短絡電流値、開放電圧、変換効率とも市販のTiO2（P25）より高いことが分かった。特に開放電圧が高く、これはTiO2粒子の小さい粒子径および高い分散性に由来すると考えられる。しかし、短絡電流値および変換効率が文献値より低く、電池の作製方法により一層の工夫が必要となる。コロナ禍の中で、他の研究機関への訪問が困難となり、電池作製のノウハウを習得することができなかった。
２．TiO2粒子の周りにナノポーラスカーボンのコーテイングに成功し、重合時間によるカーボン被覆量の制御も可能にした。メチレンブルーを用いた触媒性能評価の方法を確立し、得られたカーボン複合光触媒にカーボンによる吸着作用とTiO2による光触媒作用を両方確認できた。吸着・触媒のハイブリット化を最大限に発揮できるカーボンの最適な被覆量などについて検討する必要がある。
３．アモルファスTiO2を原料として用い、Li4Ti5O12の合成に成功し、最適なLi:Tiのモル比を見つけた。カーボン被覆について、樹脂の重合が確認できたが、炭化により樹脂が分解してしまい、カーボン被覆ができなかった。この分解のメカニズムについてまだ不明点が多数存在する。今後、樹脂の重合時間などの条件について検討を行い、Li4Ti5O12へのカーボン被覆を目指す。
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| 今後の研究の推進方策 |
１．本研究作製したTiO2粒子を電極に用いた色素増感太陽電池の短絡電流値および変換効率は文献値より低かった。電池の作製方法について検討を行い、理由を解明する。また、カーボン被覆TiO2の吸着・触媒効果を評価し、色素増感太陽電池への応用について検討を行う。
２．カーボン被覆TiO2の作製において、樹脂の重合時間などについて検討を行い、吸着および触媒性能を最大限に発揮できる最適なカーボン被覆量を確認する。応用面では、水中または空気中の揮発性有機化合物（VOC）や水中の農薬などについての分解作用について検討を行う。また、異種元素をドープし、可視光で作用する光触媒の開発に着手する。
３．Li4Ti5O12においては、粒子径などの物性を確認するとともに、リチウム電池の電池材料としての電気特定を評価する。また、Li4Ti5O12にカーボン被覆を行い、カーボン被覆による結晶構造・粒子径・導電性への影響について評価を行い、さらに電気特性を評価する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍の関係で、出張や学会参加が困難となり、旅費などの経費が次年度使用額として生じた。この助成金と翌年度分の助成金と合わせて、研究に必要な物品や薬品などの購入に使用する予定である。
また、コロナの対処方針に基づき、学会参加や出張などについて検討し、研究発表および情報収集に経費を使用する。
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