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2022 年度 実施状況報告書

原子・空孔配列を制御したカーボンナノシートの開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K04875
研究機関熊本大学

研究代表者

畠山 一翔  熊本大学, 産業ナノマテリアル研究所, 助教 (30773965)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワードナノシート / 構造制御 / グラフェン / 酸化グラフェン
研究実績の概要

本研究の研究目的は、申請者が新開発したエポキシカーボンナノシートを前駆体とし、機能性二次元ナノカーボン材料を次々に開発することにある。2022年度は、1)酸素を脱離させることでグラフェン類似ナノカーボン材料を作製する試み、2)エポキシ基部位に窒素をドープする試み、3)エポキシ基を化学修飾する試み、を行い1)のグラフェン類似ナノカーボン材料の作製において最も成果が得られた。グラフェン化は、レイヤーバイレイヤー法により3層積層させた薄膜を3%水素中で熱処理した後、シート抵抗を測定することで評価した。結果として、300 ℃という比較的低温の熱処理で、4.2 kΩ/sqのシート抵抗を得ることができた。これは、グラフェンの前駆体としてよく用いられる酸化グラフェンを、700 ℃の熱処理したときのシート抵抗(12.8 kΩ/sq)より低い値であった。この結果は、エポキシカーボンナノシートがグラフェンの前駆体として、非常に優れていることを示す。エポキシカーボンナノシートの構造規則性について、XRD、紫外可視吸収およびRaman測定により詳細に議論し、低温熱処理による低シート抵抗の実現は、エポキシカーボンナノシートが炭素欠陥をほとんど含まないこと、高い構造規則性により酸素脱離の温度が狭い範囲に集中していること、が主な原因であると突き止めた。高い電気伝導度は、電池、センサー、触媒などの性能向上に直結するため、本成果はそれらの分野の発展に大きく貢献できると考えている。

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

2022年度の研究で、エポキシカーボンナノシートを温和な条件で還元し、低いシート抵抗を得ることができた。これは、これまで酸化グラフェンを用いた研究では達成不可能だった機能性を、エポキシカーボンナノシートを用いることで実現できること意味する。また、その中で、エポキシカーボンナノシートの構造欠陥や構造規則性について詳細を明らかにすることができた。このように、エポキシカーボンナノシートの可能性およびその根拠を示すことができたため、研究は概ね順調に進んでいると言える。

今後の研究の推進方策

2022度の研究で、エポキシカーボンナノシートがグラフェン(類似材料)の前駆体として非常に優秀であることがわかった。酸化グラフェンを前駆体とする研究は、触媒、電極、センサー、多機能膜と多岐におよんでおり、エポキシカーボンナノシートも同規模の将来性があると考えられる。今後は、申請者が得意とする、触媒、電極、多機能膜の研究にエポキシカーボンナノシートを導入していく。特に欠陥が少ないという事実から、ガスバリア膜やイオンバリア膜への利用へ発展させていく予定である。また、構造規則性が高いことから、酸化グラフェンでは不可能であった、理論計算の導入が期待できる。今後は、理論計算による構造予測や、IR、紫外可視吸収スペクトルの予測なども行っていく。

次年度使用額が生じた理由

評価装置立ち上げが遅れ、測定に必要な消耗品購入に充てれなかった。今後は、測定のための消耗品およびサンプル合成に必要な試薬購入に充てる。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Bandgap Tunable Oxynitride LaNb2O7-xNx Nanosheets2023

    • 著者名/発表者名
      Hsu Chu‐Wei、Miyano Takuro、Awaya Keisuke、Tsushida Masayuki、Hatakeyama Kazuto、Koinuma Michio、Ida Shintaro
    • 雑誌名

      Small

      巻: 19 ページ: 2206552~2206552

    • DOI

      10.1002/smll.202206552

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photocatalytic Water Splitting Using Layered Zirconium Chloride Nitride2023

    • 著者名/発表者名
      Tomatsu Satsuki、Hatakeyama Kazuto、Tokudome Tomoki、Hsu Chu-Wei、Koinuma Michio、Ida Shintaro
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 127 ページ: 2901~2907

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c07564

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Alternatingly stacked 2D/2D hybrid via preferential intercalation of nitrate ions between layered double hydroxide and graphene oxide2023

    • 著者名/発表者名
      Kullyakool Saifon、Hatakeyama Kazuto、Khemthong Pongtanawat、Babel Sandhya、Laohhasurayotin Kritapas
    • 雑誌名

      Materials Chemistry and Physics

      巻: 296 ページ: 127203~127203

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2022.127203

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Revisiting the two-dimensional structure and reduction process of graphene oxide with in-plane X-ray diffraction2023

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi Takaaki、Nurdiwijayanto Leanddas、Sakai Nobuyuki、Tsukagoshi Kazuhito、Sasaki Takayoshi、Tsugawa Tatsuki、Koinuma Michio、Hatakeyama Kazuto、Ida Shintaro
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 202 ページ: 26~35

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2022.11.009

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Chemical-free exfoliation of hexagonal boron nitride via cavitation-bubble plasma in water2022

    • 著者名/発表者名
      Goto Taku、Hatakeyama Kazuto、Ito Tsuyohito、Inoue Kenichi、Hakuta Yukiya、Shimizu Yoshiki、Terashima Kazuo
    • 雑誌名

      Journal of Physics D: Applied Physics

      巻: 55 ページ: 335204~335204

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ac717c

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Seamless All‐Solid‐State Supercapacitor Fabricated Using a Proton‐Conducting Methanesulfonic Acid‐Intercalated Graphene Oxide Film as an Electrolyte2022

    • 著者名/発表者名
      Ohori Kei、Hatakeyama Kazuto、Koinuma Michio、Ida Shintaro
    • 雑誌名

      Macromolecular Rapid Communications

      巻: 43 ページ: 2100912~2100912

    • DOI

      10.1002/marc.202100912

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 高い構造規則性および低い欠陥密度を有する酸化グラフェンの開発2022

    • 著者名/発表者名
      畠山一翔
    • 雑誌名

      ニューダイヤモンド誌

      巻: 38 ページ: 30~32

  • [雑誌論文] Proton Conducting Property of Graphene Oxide Membrane2022

    • 著者名/発表者名
      Hatakeyama Kazuto
    • 雑誌名

      MEMBRANE

      巻: 47 ページ: 60~67

    • DOI

      10.5360/membrane.47.60

    • 査読あり
  • [学会発表] デバイス展開に向けた酸化グラフェンの構造・物性制御技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      畠山一翔
    • 学会等名
      第17回酸化グラフェン学会
    • 招待講演
  • [学会発表] An iron phthalocyanine/graphene oxide nanocomposite for Pt-free oxygen reduction reaction electrocatalyst2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuto Hatakeyama, Kenichiro Irisa, Michio Koinuma, Shintaro Ida
    • 学会等名
      NDNC2022
    • 国際学会
  • [学会発表] A Methanesulfonic Acid-Intercalated Graphene Oxide Film for All-Solid-State Supercapacitor with Enhanced Electrochemical Performance and Long-Term Electrochemical Stability2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuto Hatakeyama, Kei Ohori, Michio Koinuma, Shintaro Ida
    • 学会等名
      IUMRS-ICYRAM 2022
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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