バイポーラ電気化学の概念を応用した位置選択的グラフェン化学修飾法

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グラフェンは炭素原子の厚さをもつ２次元平面物質であり電子材料としての応用が可能である。不活性な表面を機能化するために表面の精密な化学修飾が重要である。特に非対称に化学修飾したグラフェン(ヤヌスグラフェン)は異なる機能面を併せ持つことで、特異な性質を発現する。このためには位置選択的化学修飾が必要である。そこで本研究では、バイポーラ電気化学の概念をグラフェンの化学修飾に応用し、グラフェン表面で電気化学的な酸化修飾と還元修飾を位置選択的に同時行なうことで、同一面ヤヌスグラフェンの合成法を確立することを目的とする。令和４年度は装置のセットアップとグラフェンがバイポーラ電気化学雰囲気下でどのような挙動を示すかを確認した。アミンを使った反応では、主に陽極側において通常の電気化学反応と同様の酸化修飾反応を示した。また硫酸水溶液を用いた基本となる酸化反応においては、陰極側の端からグラフェンが位置選択的に酸化されることが分かった。さらに、グラフェン表面に金属微粒子をスパッタした状態で同様の酸化反応を行なうと、反応の怒らない陽極側においても酸化反応を示す知見を得られた。つまり金属微粒子を利用することでバイポーラ電気化学下でのグラフェンの化学修飾を活性化できることが分かった。また、水系での電気化学反応においては水の分解反応が邪魔になるため水の分解反応を抑制する必要がある。そのため、水系リチウムイオン電池などで使われる技術の１つである濃厚電解質溶液を用いる手法を導入し、水の分解電位を高電位側にシフトさせることができた。また、電位をスイッチさせることで水の分解電位を避けつつ還元反応と化学修飾的酸化反応を両立する手法も確立した。以上のことから、本年度はバイポーラ電気化学装置の構築とグラフェンの酸化側において位置選択的な酸化反応が可能であることを確認した。