アニオン置換型導電性酸化物ナノシートの開発と電気化学キャパシタへの応用

阴离子取代导电氧化物纳米片的研制及其在电化学电容器中的应用

基本信息

批准号：
21J00679
负责人：
村松佳祐
金额：
$ 3.08万
依托单位：
Shinshu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J00679/
关键词：
層状酸化物電気化学キャパシタナノシート

项目摘要

原子層厚みを有するシート状物質（＝ナノシート）は電気化学キャパシタの電極材料として理想的なナノ材料であるが、高い導電性を示しつつ化学的に安定な酸化物ナノシートはこれまで貴金属系酸化物に限定されており、資源量の観点からその利用範囲の拡大には限界があった。本研究課題では、非貴金属元素から構成される導電性酸化物ナノシートの作製に向け、「ナノシート中の骨格アニオンを別のアニオンで置換する組成制御技術の開発」による酸化物ナノシートの導電性向上を目指している。本年度は、アニオン交換反応に有用な手法を見出すことを目標に掲げた。概念実証に向けたターゲット物質として、オーミックな導電性を示す酸化モリブデンナノシート骨格中の酸素を硫黄で置換した酸硫化モリブデンナノシートの合成を検討した。積層したバルク固体では物質移動が障壁となり反応が進行しにくいと予想し、層状酸化モリブデンを予め剥離し、分散したナノシートに対して硫黄源を添加することでアニオン交換実験を試みた。非水溶媒系で反応を行うために、剥離後の酸化モリブデンナノシートの回収し有機溶媒へ再分散することで、ナノシートの有機分散液を作製した。硫黄源を添加し交換反応を試みたところ、ナノシート形態の保持と生成物中の硫黄の存在を確認した一方で、面内構造の変化は確認できなかった。生成物の詳細は解析中であるが、硫黄源の分解による硫黄単体の生成も確認されたため、硫黄源とナノシートの反応は進行していない可能性が高い。今後は反応雰囲気の見直しにより硫黄源の分解を抑制し、硫黄源とナノシート骨格間の反応を促進させる。以上より、本研究期間ではアニオン交換反応の実現に向けた重要な知見を多く蓄積することができた。

具有原子层厚度的类似板状材料（=纳米片）是理想的纳米材料作为电化学电容器的电极材料，但是氧化物纳米片具有很高的电导率和化学上稳定的氧化物纳米片，一直限于贵族金属氧化物，直到现在，并且在资源含量方面存在扩展使用的限制。在本研究主题中，我们旨在通过“开发一种用其他阴离子代替纳米片中骨骼阴离子的组成控制技术来提高氧化物纳米片的电导率”，以准备由非差异金属元素组成的导电氧化物纳米片。今年，我们的目标是找到用于阴离子交换反应的有用方法。作为概念证明的目标材料，我们研究了钼纳米片的合成，其中氧化钼纳米片纳米片框架中表现出欧姆电导率的氧气被用硫代替。我们预测，传质将成为堆叠的块状固体的障碍，这将防止反应易于进展，因此我们通过预先释放层状钼氧化物并在分散的纳米片中添加硫源来尝试进行阴离子交换实验。为了在非水溶剂系统中进行反应，收集了去皮的氧化钼纳米片并在有机溶剂中重新分散以制备纳米片的有机分散体。当尝试通过添加硫源来尝试交换反应时，已经确认保留了纳米片形式并存在硫磺中存在硫，但是可以证实平面内结构的变化。尽管目前正在分析产品细节，但由于硫源的分解也证实了硫源和纳米片之间的反应，因此硫磺源与纳米片之间的反应还没有进行。将来，通过审查反应气氛，将抑制硫源的分解，并将促进硫源和纳米片骨架之间的反应。结果，在这一研究期间，积累了许多重要的知识来实现阴离子交换反应。