２次元単層ナノシートを用いた高効率エネルギー貯蔵

本研究は単層ナノシートの持つ性能を限界まで引き出した究極のエネルギー貯蔵特性を実現することを目標としている。真の２次元物質である単層ナノシート（酸化物、カルコゲン化物）とグラフェン（単層酸化グラフェンおよびその還元体）が交互に分子レベルで繰り返し積層したミルフィーユ構造の超格子複合材料を構築し、活物質としてエネルギー貯蔵及び変換性能の向上を目指した。溶液自己組織化プロセスにより、化学的に剥離された酸化マンガンナノシートと還元型酸化グラフェンの超格子複合材料を作製した。この複合材料はリチウム及びナトリウムイオン二次電池の負極として、容量が従来炭素系材料の２倍以上となり、サイクル寿命も大幅に向上することが分かった。当該技術を活用し、単層MoS2ナノシートと還元型酸化グラフェンの超格子複合材料の合成に成功した。このMoS2/グラフェン複合材料をナトリウムイオン二次電池の負極として用いたところ、0.1A g-1の電流密度での初期放電容量は1100mAh/gに達し、100サイクル後にも960mAh/gの高い容量が保持されることが明らかになった。これまでに報告されたMoS2をベースとした負極材料に比べ、高い容量が得られることに加え、サイクル寿命や高電流密度のレート特性も優れていることが明らかになった。さらに、電極触媒として水を電解する水素発生反応においても、MoS2/グラフェン超格子複合材料は反応を進行させるために必要な電圧が非常に小さく抑えられ、約88mVの過電圧を示す実験結果が得られた。これは、MoS2ナノシートの過電圧（258mV）と比べてはるかに小さく、水素発生を効率的に促進することを意味する。グラフェンで挟むことで、ナノシートの構造が安定に保持されるとともに、電極全体の電気化学特性が改善され、活性の大幅な向上につながったと考えられる。

本研究は単層ナノシートの持つ性能を限界まで引き出した究極のエネルギー貯蔵特性を実現することを目標としている。真の２次元物質である単層ナノシート（酸化物、カルコゲン化物）とグラフェン（単層酸化グラフェンおよびその還元体）が交互に分子レベルで繰り返し積層したミルフィーユ構造の超格子複合材料を構築し、活物質としてエネルギー貯蔵及び変換性能の向上を目指した。溶液自己組織化プロセスにより、化学的に剥離された酸化マンガンナノシートと還元型酸化グラフェンの超格子複合材料を作製した。この複合材料はリチウム及びナトリウムイオン二次電池の負極として、容量が従来炭素系材料の２倍以上となり、サイクル寿命も大幅に向上することが分かった。当該技術を活用し、単層MoS2ナノシートと還元型酸化グラフェンの超格子複合材料の合成に成功した。このMoS2/グラフェン複合材料をナトリウムイオン二次電池の負極として用いたところ、0.1A g-1の電流密度での初期放電容量は1100mAh/gに達し、100サイクル後にも960mAh/gの高い容量が保持されることが明らかになった。これまでに報告されたMoS2をベースとした負極材料に比べ、高い容量が得られることに加え、サイクル寿命や高電流密度のレート特性も優れていることが明らかになった。さらに、電極触媒として水を電解する水素発生反応においても、MoS2/グラフェン超格子複合材料は反応を進行させるために必要な電圧が非常に小さく抑えられ、約88mVの過電圧を示す実験結果が得られた。これは、MoS2ナノシートの過電圧（258mV）と比べてはるかに小さく、水素発生を効率的に促進することを意味する。グラフェンで挟むことで、ナノシートの構造が安定に保持されるとともに、電極全体の電気化学特性が改善され、活性の大幅な向上につながったと考えられる。