Exploration of salinity-gradient-energy electric-generator functions of coordination-polymer nanofilms using water evaporation

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水の状態変化は潜在的に大きなエネルギー源としての魅力がある。本研究では、水素イオンは水素結合を介し、アルカリ金属イオンは水和を介し、水のエントロピー/エンタルピーに与える潜在エネルギーを電気エネルギーとして外部に取り出すことができる機能性薄膜の探索を目的としている。マイクロ流路を有する薄膜では、水の蒸散とゼータ電位を利用し、単純な機序による電気二重層(EDL)発電の探索が盛んに進めらている。一方で、PBナノ粒子の水分散液をガラス基板に塗布・加熱し作製したPBナノ粒子緻密薄膜では、下端を塩化ナトリウム水溶液に浸すことで起電力が発生することを見出している。しかし、発生する電流量が微小であったため、起電力の再現性を得るための最適な条件を見いだすのに時間を要している。この起電力の機序として、ナトリウムイオンの水和状態変化がPBのフレームワークの電子状態（酸化還元状態）に影響を与えた結果であると推測している。PBのフレームワークに内包するアルカリ金属イオンの水和状態と拡散は、温度・湿度など複雑な因子に支配される。そのため、従来のEDL発電に類似した構造体を表面に負電荷を付加したPBナノ粒子を使って作製し、その発電性能を比較した。具体的には、濾紙にPBナノ粒子分散液を浸透・乾燥することで、濾紙内にPBナノ粒子を付着させた。その付着量を変化させ発電性能を調べた。条件の最適化が必要であるが、PBナノ粒子緻密薄膜に比べて、安定した起電力が得られることが分かってきた。また、従来のEDL発電では、低濃度のNaCl塩水でも起電力を失うのに対して、PBナノ粒子濾紙膜は、起電力低下を抑制できることが分かってきた。このことは、従来のEDLとは異なるPBとアルカリ金属イオンとの相互作用の効果を期待させる。また、PBナノ粒子緻密薄膜ではアルカリ金属イオンの拡散と偏在が起電力に寄与している可能性がある。