| 研究課題/領域番号 |
26289290
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
長嶺 信輔 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30335583)
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| 研究分担者 |
引間 悠太 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50721362)
大嶋 正裕 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60185254)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | カーボン / ナノファイバー / 多孔質材料 / 電気二重層キャパシタ |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、安価な水溶性高分子であるポリビニルアルコール（PVA）を原料とした、階層的細孔構造を有するカーボン材料のクリーンな作製法の開発を行っている。平成26年度までに、PVAと炭化促進剤であるリン酸二アンモニウム（DAP）、ドデシル硫酸ナトリウム（SDS）の混合水溶液の静電紡糸、炭化により、DAPとSDSの熱分解により生成する塩粒子を鋳型とした100 nm径の球状の細孔を有するカーボンナノファイバーが得られることを見出した。平成27年度には、このカーボンナノファイバーの電気二重層キャパシタ（EDLC）電極としての性能をサイクリックボルタンメトリー（CV）により評価した。静電容量は100 F/g程度であり、ナノファイバー内部への細孔の形成により、電圧掃引速度増大に伴う容量低下を抑制できた。これは細孔の発達によりナノファイバー内部のイオンの輸送が促進されたことに起因するものと考えられる。この結果をまとめた論文はMaterials Research Bulletin誌に掲載されている。また、平成27年度には両親媒性を示すPEO-PPO-PEOトリブロックコポリマーであるPluronic F127の形成するナノスケールの分子集合体をテンプレートに利用した多孔質カーボンナノファイバーの作製を試みた。PVAとF127の混合水溶液を静電紡糸した後、ヨウ素蒸気を用いた分子内脱水による耐炎化を施し、窒素雰囲気下で炭化した。得られたカーボンナノファイバーには、窒素吸着測定によりわずかにナノ細孔の形成が確認されたものの、その細孔容積は小さくEDLC電極性能の向上にはほとんど寄与しなかった。これは炭化工程において、PVAの収縮により細孔の形成が阻害されたためであると考えられる。F127等の界面活性剤分子集合体を有効にテンプレートとして活用できる手法について引き続き研究を行う予定である。
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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
平成27年度までに塩粒子を鋳型とした多孔質カーボンナノファイバーの作製、電気二重層キャパシタ電極としての性能評価について成果を上げ、学術誌への論文発表にこぎつけている。また、より微細かつ連続な細孔を発現させる手法として、トリブロックコポリマーをテンプレートとした作製法の開発に着手している。以上を鑑みて、当初予定と進展の順序、手法に若干の変更があるが、概ね順調に進展しているものと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでに作製した塩粒子を鋳型としたカーボンナノファイバーにおける問題点として、ファイバー内に形成した細孔が球状であり、細孔の連通性が低いことが挙げられる。これは鋳型となった塩粒子の形状によるものである。現在、より微細かつ連続な細孔を発現させる手法として、ナノサイズの分子集合体を形成する界面活性剤、トリブロックコポリマーをテンプレートとし、ヨウ素蒸気による耐炎化を利用したカーボンナノファイバー作製法について検討を開始しており、平成28年度はこの手法を主に推し進める予定である。現在のところ、トリブロックコポリマーF127を用いた系においてナノ細孔の形成は確認できるものの、細孔容積が小さく電気二重層キャパシタ（EDLC）の性能の向上には至っていない。これは炭化処理時のPVAの収縮によるものと考えられる。ヨウ素蒸気処理後のPVA／F127ナノファイバーの熱挙動を観察し、耐炎化、炭化の温度プロファイルの最適化を図り、発達したナノ細孔構造の形成を実現する。また、電解質イオンのナノファイバーへの吸着速度測定を行い、ナノファイバー間およびファイバー内部の細孔における電解質イオンの物質移動を評価し、細孔構造設計の指針とする。また、ナノファイバーを格子状に配列する技術の開発を実施する。格子状配列により、ファイバー間の空隙のサイズの均一性、及び膜内のファイバーの充填密度が向上し、イオンの拡散や体積あたりの表面積の向上による電極の高性能化が見込めると考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成27年度に導入した電気化学アナライザーが当初予定より低価格で導入できたため繰越金が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
平成28年度予算と合わせ、カーボンナノファイバー内部の電解質イオンの物質移動について検討するための分光光度計の導入に充てる予定である。
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