導電性高分子－レドックス活性有機低分子複合体の作製と高容量蓄電デバイスへの応用

导电聚合物-氧化还原活性有机小分子复合材料的制备及其在高容量储能器件中的应用

基本信息

批准号：
16J03122
负责人：
佐藤宏亮
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

計画の三年目においては、 “導電性高分子-レドックス活性有機低分子複合体の組成を制御し、前年度までの形態制御と組み合わせることで、より高容量な複合体電極を作製すること”が計画の大綱であった。実際の進捗として、年間目標のうち、物質系の選定の基礎となる反応電位差の大きい二組の活物質の探索、および二極測定の測定条件の確立までを達成できた。実用に近いデバイスとしての評価には至らなかったものの、有機材料の組み合わせによって高出力な蓄電素子の設計が可能であることを示した。また、採用二年目において課題であった、有機酸化剤結晶上で生成した導電性高分子を利用した複合体電極材料において電気化学特性が向上する要因について、より詳細な研究を行った。本研究において新規に報告した、有機酸化剤を反応性テンプレートとして導電性高分子を重合し複合する手法について、大きな進捗があった。平滑性が高く還元電位の低い結晶であるテトラブロモ-1,4-ベンゾキノンを用いることで、結晶表面にポリピロール(PPy)ナノシートを厚さ数nmから100 nm程度まで制御して合成することに成功した。このような手法を通じて形成されるナノシートは極めて高い異方性を有し、集積膜や単層膜の構成材料として、従来知られる二次元材料と類似した性質を有することが分かった。このPPyナノシートは有機酸化剤がドーパントとして機能することから高い導電率を示し、レドックスキャパシタの電極として良好な特性を示した。このような手法で合成されるPPyの高い特性が、本研究を通して報告してきた導電性高分子/有機結晶複合体において観測された電気化学特性の向上の要因であることを解明した。この導電性高分子ナノシートの合成手法について、国際学会での発表および公刊学術論文により報告した。

在该计划的第三年，“我们将通过控制导电聚合物-氧化还原活性有机小分子复合材料的成分，并与前一年实现的形貌控制相结合，创造出具有更高容量的复合电极。”计划大纲。从实际进展来看，我们实现了寻找两组反应电位差较大的活性材料的年度目标，为选择材料体系和建立双极性测量的测量条件奠定了基础。虽然它没有被评价为接近实用的装置，但结果表明可以通过组合有机材料来设计高输出能量存储元件。此外，我们对使用有机氧化剂晶体上形成的导电聚合物的复合电极材料的电化学性能的改善因素进行了更详细的研究，这是采用第二年的一个问题。新报道的使用有机氧化剂作为反应模板聚合和复合导电聚合物的方法取得了重大进展。通过使用高光滑度和低还原电位的四溴-1,4-苯醌晶体，我们成功地在晶体表面合成了厚度范围从几纳米到约100纳米的聚吡咯（PPy）纳米片。研究发现，通过该方法形成的纳米片具有极高的各向异性，并且具有与常规二维材料相似的性能，可用作一体化薄膜或单层薄膜的构成材料。由于有机氧化剂起到掺杂剂的作用，PPy纳米片表现出高电导率，并且作为氧化还原电容器的电极表现出良好的性能。我们已经阐明，通过这种方法合成的 PPy 的高性能是通过本研究报道的导电聚合物/有机晶体复合材料中观察到的电化学性能改善的原因。我们通过在国际会议上的演讲和发表的学术论文报道了这种合成导电聚合物纳米片的方法。