鋳型法により高度に構造制御されたエネルギー貯蔵用炭素ナノ複合材料の開発

本研究の目的は鋳型法を利用し、ナノレベルで炭素の構造を高度に制御することによって高エネルギー貯蔵材料を開発することである。最終年度に当たる当該年度はゼオライト鋳型炭素を電気化学的に酸化させることによって炭素系材料の中では世界最大の電気化学キャパシタ容量を示すことが明らかになったため、当該年度はこのゼオライト鋳型炭素の電気化学的酸化の詳細な研究を行った。ゼオライトを鋳型として合成されるゼオライト鋳型炭素は高表面積と構造規則性、更に導電性を有する炭素材料であるため、電気化学キャパシタの電極材料として用いることで多量の電気エネルギーが蓄えられることが既に明らかになっている。第一年度目では更に多くのエネルギー貯蔵を目的として、単位表面積あたりの容量を増加させるヘテロ原子をゼオライト鋳型炭素にドーピングすることを検討した。しかし当該年度ではゼオライト鋳型炭素を電気化学的に酸化することを検討した結果、ゼオライト鋳型炭素の構造規則性を維持した状態でヘテロ原子である酸素を多量に導入することに成功した。しかもこの手法によりキノンのみが選択的に導入されることが明らかになり、電気化学キャパシタ容量が511F/gという炭素系材料の中では世界最大の容量を示した。これは電気二重層容量に加えてキノンで起こる酸化還元反応に由来する擬似容量が加わるためである。更にゼオライト鋳型炭素は20A/gという急速充放電においても400F/gを超える極めて高い容量を示し、1万サイクルの充放電試験を経ても容量の低下が殆ど確認されず優れた耐久性を示した。これまでの研究報告では含酸素官能基の酸化還元反応は耐久性が低く急速充放電に向かないとの認識が一般的であったが、今回得られた結果はこれまでの報告と相反する結果であり、キノンが耐久性が高く素早い酸化還元反応に優れた官能基であることを明らかにすることができた。

本研究の目的は鋳型法を利用し、ナノレベルで炭素の構造を高度に制御することによって高エネルギー貯蔵材料を開発することである。最終年度に当たる当該年度はゼオライト鋳型炭素を電気化学的に酸化させることによって炭素系材料の中では世界最大の電気化学キャパシタ容量を示すことが明らかになったため、当該年度はこのゼオライト鋳型炭素の電気化学的酸化の詳細な研究を行った。ゼオライトを鋳型として合成されるゼオライト鋳型炭素は高表面積と構造規則性、更に導電性を有する炭素材料であるため、電気化学キャパシタの電極材料として用いることで多量の電気エネルギーが蓄えられることが既に明らかになっている。第一年度目では更に多くのエネルギー貯蔵を目的として、単位表面積あたりの容量を増加させるヘテロ原子をゼオライト鋳型炭素にドーピングすることを検討した。しかし当該年度ではゼオライト鋳型炭素を電気化学的に酸化することを検討した結果、ゼオライト鋳型炭素の構造規則性を維持した状態でヘテロ原子である酸素を多量に導入することに成功した。しかもこの手法によりキノンのみが選択的に導入されることが明らかになり、電気化学キャパシタ容量が511F/gという炭素系材料の中では世界最大の容量を示した。これは電気二重層容量に加えてキノンで起こる酸化還元反応に由来する擬似容量が加わるためである。更にゼオライト鋳型炭素は20A/gという急速充放電においても400F/gを超える極めて高い容量を示し、1万サイクルの充放電試験を経ても容量の低下が殆ど確認されず優れた耐久性を示した。これまでの研究報告では含酸素官能基の酸化還元反応は耐久性が低く急速充放電に向かないとの認識が一般的であったが、今回得られた結果はこれまでの報告と相反する結果であり、キノンが耐久性が高く素早い酸化還元反応に優れた官能基であることを明らかにすることができた。