超臨界二酸化炭素を利用した無欠陥の導電性高分子超薄膜の作成

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ポリピロールなどの導電性高分子は燃料電池や超小型コンデンサなどへの応用が期待されている。これらの導電性薄膜は水や有機溶媒中での電解重合により作製されているが、電解中に発生する水素ガスや溶媒中における物質移動速度の制限により均一で薄い膜を得ることが難しい。一方、超臨界流体、特に超臨界二酸化炭素は溶媒特性を操作条件で制御できる高機能性溶媒である。また、超臨界二酸化炭素は水素と完全に混合するとともに、物質移動が早いため、水素の効率的除去や物質移動に起因する不均一性の緩和が可能である。本研究では、超臨界二酸化炭素と有機溶媒と導電性高分子原料の均一系超臨界反応場を用いて、緻密な導電性高分子超薄膜の電気化学作製技術を確立することが目的とする。また、膜形成のメカニズムを明らかにするとともに、作製した薄膜の諸物性を評価した。具体的な研究実績は以下のように得られた:(1)薄膜の電解重合について、明らかにした相挙動の観察結果を基づいて、独自に作成した超臨界電解重合実験装置を使い、超臨界二酸化炭素を溶媒とした導電性高分子膜の電解重合が成功した。レーザー顕微鏡を用いて測定した結果から、均一な超臨界状態で合成した膜の表面粗さは、有機溶媒で得られたものの約1/10であり、超臨界状態において均一かつ緻密な重合膜が形成されるのが確認された。また、超臨界二酸化炭素中における膜の成長速度は有機溶媒中により遅いことが明らかにした。(2)膜形成のメカニズムについて、独自に作成した高圧電気化学実験用電極を用いて、有機溶媒および均一系超臨界反応場での電極反応を解析した。超臨界二酸化炭素の有機溶媒への添加により、電気化学活性種の拡散速度は速くなるとともに、電極反応は電気化学的に可逆系から不可逆系へシフトすることが分かった。均一超臨界反応場で優れた特性を持つ導電性高分子薄膜の形成は、低誘電率、低粘度の超臨界二酸化炭素は電極反応の電子移動と物質移動両過程への影響によるものと考えた。