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本研究では、遷移金属ジカルコゲナイド(TMDC)やグラフェンといった二次元結晶を化学気相蒸着法(CVD)により作製し、様々な異種表面との相互作用によって構造が歪んだ非対称二次元結晶を開発する。得られた非対称結晶の電気化学的特徴を精査し、水素発生・水素貯蔵電極材料といった機能性エネルギー変換材料を創製する知見を得る。
平成29年度は、金単結晶金属表面にTMDCであるMoS2やMoSe2をそれぞれCVD合成する技術を確立し、金属表面形状がTMDCの歪み誘起に影響を与えること、歪み誘起により電子状態が半導体的から金属性の物性に変調することを明らかにした。平成30年度はこの知見を基にし、電子物性が変調されたTMDCの電気化学水素発生能について評価を行った。その結果、電子物性が変調されたTMDC/金単結晶電極の水素発生過電圧は、変調されていないTMDC/Au多結晶電極のそれよりも正電位側にシフトすることを見出し、非対称結晶化によって発現する電子状態変調によって水素発生反応の高活性化が可能であることを明らかにした。
また、グラフェンを金単結晶表面に作製する技術を確立、圧縮歪みをもつグラフェンが形成していること、水素発生反応が起きる電位において圧縮歪みが一部、解消されることを明らかにした。このような特徴とグラフェンのもつ選択的プロトン透過能を考慮した結果、水素発生反応下においてグラフェンを透過したプロトンが金表面上で水素に還元、グラフェンの水素分子に対する不透過能によって歪みが緩和したグラフェンとAu界面に水素ガスが貯蔵されることを見出した。
以上、様々な二次元結晶を金属表面上に作製し構造歪みをもつ非対称二次元結晶を作製することで、電子状態変調やエネルギーキャリアの貯蔵が可能であることを明らかにし、二次元結晶を用いた新しいエネルギー変換材料創製の基礎的知見を得た。
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