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窒素ドープグラフェン(NG)は、バンドギャップの生成や酸素還元反応の触媒活性の向上などから、トランジスタや燃料電池などへの応用が期待されている。NGの合成法として化学気相成長法や酸化グラフェンの熱処理などが報告されており、特にボトムアップ合成の場合、低温成長条件が窒素ドープ量の増大に有利であることが知られている。
我々の研究室ではこれまでに、亜臨界水中(300℃、10 MPa)における酢酸の電気還元を利用した水熱電気化学法によるグラフェンの低温合成に成功していたので本研究では、この水熱電気化学法によるNGの合成を試みた。
作用極と対極にはPt箔を用いた。エタノールとアンモニア（NH3）の混合水溶液にPt電極を浸漬し、Ar加圧下において合成装置内を亜臨界水状態となるまで昇温した。その後、ポテンショスタットを用いて30分間電圧を印加することで、作用極表面にカーボンを電解析出させた。
電圧印加後の作用極表面のSEM像から、カーボン薄膜の析出が確認された。300℃の条件で合成したカーボンのラマンスペクトルにおいて、炭素間のsp2結合に由来するG、2Dバンドが確認され、グラフェンの析出が示唆され、さらに、含有窒素の化学結合状態の分析を試みて、光電子分光（XPS）スペクトルからグラフェン中に3.5 at%の窒素がドープされていることが示された。グラフェンに対しNH3水溶液中にて水熱反応的に窒素ドープを試みてもグラフェン中への窒素導入が確認されなかったことから、グラフェンのボトムアップ成長中に窒素原子が導入されたと考えられる。
さらに、300℃と25℃でそれぞれ電気化学的に合成したNGを解析した結果、300℃の水熱条件で合成したNGでは、オキサイド型窒素(403 eV)が見らなかったことなどから、亜臨界水中ではグラフェン成長中に導入される窒素原子の位置が常温成長の場合とは異なることが示唆された。
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