超高性能ＥＤＬＣ電極材料「カーボンナノジャングルジム」の創製とデバイス化

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23685041
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機能材料・デバイス
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 西原 洋知 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (80400430)
• 連携研究者: 京谷 隆 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90153238)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: Supercapacitors / Pseudocapacitors / Graphene / Acrivated carbons / Quinone

研究概要

本研究では、電気二重層キャパシタ（EDLC）の性能向上のため、ゼオライトを鋳型としたアプローチにより高性能な電極材料の合成を行った。ゼオライトへの炭素充填量を飛躍的に増加させることで、フラーレンに似たユニークな骨格をもつ新型カーボンの合成に成功した。また、バインダーレスの多孔性炭素膜を集電フィルム上に直接形成することで、超高速動作するEDLCが可能となることを実証した。さらに、エッジサイトを積極的に修飾し活用することで、従来よりも極めて大きい容量を示し、なおかつ安定性や高速応答に優れたキャパシタの構築に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Large Pseudocapacitance in Quinone-Functionalized Zeolite-Templated Carbon (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Itoi, H. Nishihara, T. Ishii, K. Nueangnoraj, R. Berenguer, T. Kyotani
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn 巻: 87 (※BCSJ賞受賞※論文の図が雑誌の表紙に採用される) ページ: 250-257
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carbon-Carbon Asymmetric Aqueous Capacitor by Pseudocapacitive Positive and Stable Negative Electrodes (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nueangnoraj, R. Ruiz-Rosas, H. Nishihara, S. Shiraishi, E. Morallón, D. Cazorla-Amorós, T. Kyotani
  • 雑誌名: Carbon 巻: 67 ページ: 792-794
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of crosslinked-fullerene-like framework as negative replica of zeolite Y (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Nueangnoraj, H. Nishihara, K. Imai, H. Itoi, T. Ishii, M. Kiguchi, Y. Sato, M. Terauchi, T. Kyotani
  • 雑誌名: Carbon 巻: 62 ページ: 455-464
  • 査読あり
• [雑誌論文] Binderless thin films of zeolite-templated carbon electrodes useful for electrochemical microcapacitors with ultrahigh rate performance (2013)
  • 著者名/発表者名: Á. Berenguer-Murcia, R. Ruiz-Rosas, J. García-Aguilar, K. Nueangnoraj, H. Nishihara, E. Morallón, T. Kyotani, D. Cazorla Amorós
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys 巻: 15 ページ: 10331-10334
  • 査読あり
• [雑誌論文] Amorphous water in three-dimensional confinement of zeolite-templated carbon (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Kyakuno, K. Matsuda, Y. Nakai, T. Fukuoka, Y. Maniwa, H. Nishihara, T. Kyotani
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 571 ページ: 54-60
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrochemical generation of oxygen-containing groups in an ordered microporous zeolite-templated carbon (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Berenguer, H. Nishihara, H. Itoi, T. Ishii, E. Morallón, D. Cazorla-Amorós, T. Kyotani
  • 雑誌名: Carbon 巻: 54 (※論文の図が雑誌の表紙に採用される) ページ: 94-104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tailoring the Surface Chemistry of Zeolite Templated Carbon by Electrochemical Methods (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Berenguer, E. Morallon, D. Cazorla-Amoros, H. Nishihara, H. Itoi, T. Ishii, T. Kyotani
  • 雑誌名: Boletin del Grupo Espanol del Carbon 巻: 28 ページ: 10-14
  • 査読あり
• [雑誌論文] ゼオライト鋳型を利用したユニークな構造の炭素の合成とその特異な性質 (2013)
  • 著者名/発表者名: 京谷隆, 西原洋知
  • 雑誌名: 触媒 巻: 55 ページ: 376-381
• [雑誌論文] Templated Nanocarbons for Energy Storage (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, T. Kyotani
  • 雑誌名: Adv. Mater 巻: 24 (※論文の図がinside coverに採用される) ページ: 4473-4498
  • 査読あり
• [学会発表] 鋳型ナノカーボンの合成とエネルギー貯蔵への応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西原洋知
  • 学会等名: 研究会:グラフェンを「作る・測る・使う」技術開発の将来
  • 発表場所: 岡山, (発表日3/14)
  • 年月日: 20140314-15
  • 招待講演
• [学会発表] Carbon-carbon asymmetric capacitor by using pseudocapacitive zeolite-templated carbon as one of the electrodes (2013)
  • 著者名/発表者名: ヌーアンノラドカニン、Ruiz-Rosas Ramiro、西原洋知、白石壮志、Morallón Emilia、Cazorla-Amorós Diego、京谷隆
  • 学会等名: 第40回炭素材料学会年会
  • 発表場所: 京都, (発表日12/5オーラル)
  • 年月日: 20131203-05
• [学会発表] Pseudocapacitance of zeolite-templated carbon (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, T. Kyotani
  • 学会等名: The 7th Asian Conference on Electrochemical Power Sources (ACEPS‐7)
  • 発表場所: (Osaka), Japan, (発表日11/25)
  • 年月日: 20131124-27
  • 招待講演
• [学会発表] Template carbonization for advanced nanomaterials (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara
  • 学会等名: 4th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC4)
  • 発表場所: (Jeju), Korea, (発表日11/5)
  • 年月日: 20131104-07
  • 招待講演
• [学会発表] Electrochemical behavior of activated carbons with phosphorous surface groups (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Gallardo-Fuentes, R. Ruiz-Rosas, R. Berenguer, E. Morallón, D. Cazorla-Amorós, H. Nishihara, T. Kyotani, Jose Rodríguez-Mirasol, Tomas Cordero
  • 学会等名: XII Meeting of the Spanish Carbon Group (GEC13)
  • 発表場所: Madrid, Spain, (発表日10/22)
  • 年月日: 20131020-23
  • 招待講演
• [学会発表] Energy storage in nanocarbons and nanocomposites (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara
  • 学会等名: International Symposium for the 70th Anniversary of the Tohoku Branch of the Chemical Society of Japan
  • 発表場所: (Sendai), Japan, (発表日9/28)
  • 年月日: 20130928-30
  • 招待講演
• [学会発表] High Performance Asymmetric Capacitor Based on Zeolite−Templated Carbon and KOH−Activated Carbon (2013)
  • 著者名/発表者名: Khanin Nueangnoraj, Ramiro Ruiz−Rosas, Hirotomo Nishihara, Emilia Morallón, Takashi Kyotani, Diego Cazorla−Amorós
  • 学会等名: Carbon2013
  • 発表場所: Windsor Atlântica Hotel, Rio de Janeiro, Brazil, (発表日7/16オーラル)
  • 年月日: 20130714-19
• [学会発表] Large Pseudocapacitance Induced by Redox Reactions on Microporous Carbon in Organic Electrolyte (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, K. Nueangnoraj, R. Berenguer, H. Itoi, M. Ito, T. Kyotani
  • 学会等名: Carbon2013
  • 発表場所: Windsor Atlântica Hotel, Rio de Janeiro, Brazil, (発表日7/15オーラル)
  • 年月日: 20130714-19
• [学会発表] Unique Electrochemical Capacitance of Zeolite-Templated Carbons (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, T. Kyotani
  • 学会等名: 2013 International Conference on Advanced Capacitors
  • 発表場所: (Osaka), Japan, (発表日5/27)
  • 年月日: 20130527-30
  • 招待講演
• [学会発表] Synthesis of Ordered Porous Carbon and Its Application to Energy Fields (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, T. Kyotani
  • 学会等名: 8th International Mesostructured Materials Symposium (IMMS 2013)
  • 発表場所: (Awajishima), Japan, (発表日5/21)
  • 年月日: 20130520-24
  • 招待講演
• [学会発表] Insight into the Framework Structure of Zeolite-Templated Carbon : Experimental and Theoretical Study (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, H. Fujimoto, H. Itoi, K. Nueangnoraj, H. Tanaka, A. Maki, M. Miyahara, T. Kyotani
  • 学会等名: 17th International Symposium on Intercalation Compounds (ISIC17)
  • 発表場所: (Sendai), Japan, (発表日5/14ポスター)
  • 年月日: 20130512-16
• [学会発表] Enhancement of electrochemical capacitance of zeolite-templated carbon by expanding a potential window (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Nueangnoraj、H. Nishihara、R. Berenguer、H. Itoi、M. Ito、T. Kyotani
  • 学会等名: 第39回炭素材料学会年会
  • 発表場所: 長野, (発表日11/29オーラル)
  • 年月日: 20121128-30
• [学会発表] Carbon Electrochemical Capacitors based on Pseudocapacitance -from Supercapacitor to Battery Behaviour- (2012)
  • 著者名/発表者名: R. Berenguer, H. Nishihara, H. Itoi, I. Takafumi, D. Cazorla-Amorós, E. Morallón and T. Kyotani
  • 学会等名: Carbon 2012, AGH University of Science and Technology
  • 発表場所: Krakow, Poland, (発表日6/19(ポスター)
  • 年月日: 20120617-22
• [学会発表] Nanocarbons for energy storage applications (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, H. Itoi, S. Iwamura, T. Kyotani
  • 学会等名: ISPlasma 2012
  • 発表場所: (Nagoya), Japan, (発表日3/6)
  • 年月日: 20120304-08
  • 招待講演
• [学会発表] 配列ナノ空間をもつカーボン系多孔性材料の調製と応用 (2012)
  • 著者名/発表者名: 西原洋知
  • 学会等名: 2012年度触媒学会北海道支部札幌講演会
  • 発表場所: 札幌
  • 年月日: 2012-12-07
  • 招待講演
• [学会発表] Unique Structure of Zeolite Templated Carbon and Its Performance as an Energy Storage Medium (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, T. Kyotani
  • 学会等名: The International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials–2012
  • 発表場所: Brisbane, Australia
  • 年月日: 2012-10-25
  • 招待講演
• [学会発表] 高表面積ナノグラフェン構造体「ゼオライト鋳型炭素」のキャパシタ特性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 西原洋知
  • 学会等名: キャパシタ技術委員会平成24年度第1回研究会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2012-01-27
  • 招待講演
• [学会発表] 超多孔性炭素の製造、構造、応用 (2012)
  • 著者名/発表者名: 西原洋知
  • 学会等名: 活性炭技術委員会第145回講演会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2012-01-25
  • 招待講演
• [学会発表] 規則性ナノグラフェン構造体による超高容量電気化学キャパシタ (2011)
  • 著者名/発表者名: 糸井弘行, 西原洋知, 石井孝文, Raúl Berenguer-Betrián, 京谷隆
  • 学会等名: 日本化学会東北支部平成23年度化学系学協会東北大会
  • 発表場所: 仙台,東北大学, (発表日9/17ポスター※ポスター賞受賞)
  • 年月日: 20110917-18
• [学会発表] A Possible Structure of a Negatively Curved Graphene Network Formed Inside the Zeolite Nanochannels (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Nueangnoraj, H. Nishihara, Y. Sato, M. Terauchi, T. Kyotani
  • 学会等名: Carbon2011, East China University of Science and Technology
  • 発表場所: Shanghai, China, (発表日7/25 (ポスター)※ポスター賞受賞)
  • 年月日: 20110724-29
• [学会発表] Electrochemical capacitor performances of zeolite-templated carbons containing heteroatoms (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, H. Itoi, R. Berenguer, T. Ishii, and T. Kyotani
  • 学会等名: 2^<nd> International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors (ISEE'Cap 2011), Poznan University of Technology
  • 発表場所: Poznan, Poland, (発表日6/13 (オーラル))
  • 年月日: 20110612-16
• [学会発表] Energy Storage in Nano-Structured Carbons (2011)
  • 著者名/発表者名: Hirotomo Nishihara, Takashi Kyotani
  • 学会等名: The 6th ICF and 2011 Fall Meeting of the Korean Carbon Society
  • 発表場所: Jeonju, Korea, (発表日11/2)
  • 年月日: 2011-11-02
  • 招待講演
• [図書] 鋳型法によるナノカーボンの合成法,カーボン材料実験技術 (2013)
  • 著者名/発表者名: 京谷隆,折笠広典,西原洋知,干川康人
  • 総ページ数: 126-134
  • 出版者: 炭素材料学会 (※著書の図が、書籍(ソフトカバー)の表紙絵に採用される)
• [図書] "Zeolite-Templated Carbon–Its Unique Characteristics and Applications", Novel Carbon Adsorbents, in Chapter 10 (2012)
  • 著者名/発表者名: Hirotomo Nishihara, Takashi Kyotani
  • 総ページ数: 295-322
  • 出版者: Elsevier (※著書の図が、書籍(ハードカバー)の表紙絵に採用される)
• [産業財産権] 電気化学キャパシタ用電極およびその製造方法 (2012)
  • 発明者名: 伊藤仁、京 谷隆、西 原洋知、ヌーア ンノラド カニン、糸井弘行、ベレンガー-ベトリアンラウル
  • 権利者名: 日産自動車株式会社、東北大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特許出願2012-258055
  • 出願年月日: 2012-11-26
  • 外国
• [産業財産権] ミクロポーラス炭素系材料の製造方法 (2012)
  • 発明者名: 西原洋知、京 谷隆、伊藤仁
  • 権利者名: 日産自動車株式会社、東北大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特許出願2012-23203、 特許公開2013-159526
  • 出願年月日: 2012-02-06
  • 外国