| 研究課題/領域番号 |
22K18286
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
村上 陽一 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (80526442)
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| 研究分担者 |
庄子 良晃 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40525573)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2027-03-31
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| キーワード | 分子熱工学 / ナノ孔内の輸送現象 / 共有結合性有機骨格 / 二次電池 / イオン輸送 |
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| 研究実績の概要 |
カーボンニュートラル社会、超スマートエネルギー社会の実現のため、高性能で高信頼な二次電池の創出が望まれている。近年、化学分野では、共有結合性有機骨格 (Covalent Organic Framework, COF)というナノスケールの周期構造と多孔性をもつ固体系が、多くのユニークな特長と多彩な応用可能性により注目を集めている。本研究は、未だ存在せず、高性能が期待できる超高秩序な分子骨格をもつ３次元COFを用いた新世代の全固体電池の創出に挑戦する。具体的に、本研究は以下２点を目的とする。(i) 超高秩序分子骨格系を用いた新世代の全固体電池創出を創出し、社会と産業の発展に貢献すること。(ii) 学術が未形成な超高秩序分子骨格系におけるイオン輸送の学理を開拓・究明し、分子熱流体工学と化学との新たな融合領域を創成すること。
二年度目である当年度は、応募時の研究調書に記載したアイデアであるポリエチレングリコール（PEG）鎖をもつ新規COFの開発と特性評価を完了させ、最大の難関だった結晶構造決定に成功し、成果を化学の著名誌であるJournal of the American Chemical Societyから出版した（2024年1月）。本成果はCOFで初めて三種類の構造異性体を制御的に生成したもので、骨格異性体間の熱力学的な差異を解明し、ナノ骨格系の基礎学術に新たな知見をもたらした。一方、当該COFではナノ孔がPEG側鎖で閉塞される問題が判明したため、当年度は様々な種類のリチウムイオン伝導性を与えるビルディングブロック分子（COFの原料分子）を新たに選定し、それらを用いて新COFの創出に挑戦した。さらに、COFの二次電池応用を進める上で基礎的理解が不可欠なCOFの物質導入特性や熱伝導特性をCOF-300という典型的な三次元COFを用いて解明し、その成果を2023年8月に論文出版した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当年度は、上述のように、本課題の申請時の研究計画調書に記載した当初アイデアであるCOFの開発と特性決定を完了し、その成果を論文出版するなど、本課題の計画の初段部分を遂行できている。一方、この当初アイデアにおける課題が見いだされたが、後述のように、その問題に対する解決方策もたてており、現在はその遂行途上であるため、本研究課題はおおむね順調に進展していると判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
上述のように、研究計画調書に当初記載したアイデアのPEG鎖を側鎖にもつ３次元COFの開発及びその骨格構造の決定を完了し、学術的には極めて有意義な成果を得たが、本課題が目指す材料創製の面では、明らかにした骨格構造及びガス吸着等温線の解析から、当該の新COFはその長い側鎖のためにナノ孔が閉塞しており、そのために内部の比表面積が微小であるという課題が明らかになった。この当初の予期しなかった課題に対処するため、今後の研究では、側鎖が可能な限り短く、かつ、リチウムイオンの輸率を向上させるため、負に帯電したアニオン骨格をもつ新規３次元COFの創製を追求することを解決方策として研究を進めてゆく計画である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本実施状況報告書に記載したように、当年度は本課題の初段部分の成果創出に注力したこと、及び、当年度は材料創製の初期段階にあったことから、材料評価に関係する備品購入をある程度材料創出が進展して評価試料が作製できた後に行う判断としたため。
次年度使用額は、本課題の目的達成に最も効果的となるよう、材料創製等の状況に照らし合わせて慎重に判断して使用してゆく計画である。
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