新規電気化学プロセス―ワイヤレス電解剥離法―による二次元材料の創出と構造制御

使用新的电化学过程——无线电解剥离方法来创建和控制二维材料

基本信息

批准号：
21K04835
负责人：
橋本英樹
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kogakuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，バイポーラ電気化学，アノード酸化，インターカレーション反応を組合せて独自に開発した，“ワイヤレス電解剥離法”にマイクロリアクターの概念を取り入れ，微細なグラファイトを一括で大量に電解処理し，グラフェンを合成しその構造を制御する手法を提案する。将来的にはこの手法を様々な層状化合物に適用し，二次元材料のユニバーサルな合成手法へと展開することを考えている。具体的には，ワイヤレス電解剥離法を基盤として，マイクロ流路内で電気化学反応を制御することで，グラファイト粉末の高効率剥離法を確立する。①バッチ式電解装置，②フロー型電解装置，③直接通電の大きく3つの研究実施項目を設定しており，2年目はそれぞれの項目について以下の成果が得られた。①バッチ式電解装置：ビーカースケールのワイヤレス電解剥離において，剥離物の構造に及ぼす出発原料の結晶性の違いの影響を明らかにするために，膨張黒鉛を成形して得られる膨張黒鉛シート，高分子を高温で加熱することで得られる高配向性グラファイトシート，天然黒鉛粉末について，バッチ式電解装置における基礎検討を進めた。その結果，剥離物の構造は出発物質の構造に強く影響を受けることが明らかになった。②フロー型電解装置：外部電極間距離はワイヤレス試料近傍に生じる電圧・電流を制御可能な重要因子であり，距離が短いほど高い電圧・電流が生じる。そのため，フロー型電解装置において外部電極間距離を段階的に短縮することを検討した。その結果，電極間距離をミリメートルスケールまで短縮した流路を設計できた。③直接通電：多孔質二次元薄膜が得られる炭酸水素アンモニウム電解液を用いて，剥離物の構造に及ぼす電解因子の影響を明らかにした。

在这项研究中，我们将微反应器的概念融入到我们自主开发的“无线电解剥离法”中，该法结合了双极电化学、阳极氧化和插层反应，一次性电解处理大量的细化石墨，我们提出了一种合成和控制其结构的方法。未来，我们计划将该方法应用于各种层状化合物，并将其发展成为二维材料的通用合成方法。具体来说，我们将基于无线电解剥离，通过控制微通道内的电化学反应，建立一种高效的石墨粉剥离方法。设定了三个主要研究实施项目：（1）间歇式电解槽、（2）流动式电解槽、（3）直接通电，第二年每个项目都获得了以下成果。 ①间歇式电解槽：在烧杯规模无线电解剥离中，为了明确起始原料结晶度的差异对剥离产品结构的影响，对通过成型膨胀石墨、聚合物得到的膨胀石墨片材进行了使用间歇式电解槽在高温下加热获得的高取向石墨片和天然石墨粉末的基础研究。结果表明，剥离材料的结构受到起始材料结构的强烈影响。 ②流动式电解槽：外部电极之间的距离是控制无线样品附近产生的电压和电流的重要因素，距离越短，产生的电压和电流越高。因此，我们考虑在流动式电解槽中逐步减小外部电极之间的距离。因此，我们能够设计出一种将电极之间的距离缩短至毫米级的流路。（3）直接通电：利用产生多孔二维薄膜的碳酸氢铵电解质，阐明了电解因素对剥离材料结构的影响。