特殊な工程が不要なナノ炭素材料の新しい合成法を開発

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特殊な工程が不要なナノ炭素材料の新しい合成法を開発

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配位高分子を原料に用いたカーボンナノロッドとグラフェンナノリボンの合成方法(図:産総研のプレスリリースより)

産業技術総合研究所(産総研)は、棒状やリボン状に形状制御されたナノ炭素材料である
カーボンナノロッドとグラフェンナノリボンの新しい合成方法を開発したと発表しています。
通常の化学反応や熱処理以外の複雑な工程が不要で、簡便かつ高い収率でナノ炭素材料を合成できるとのこと。


従来のグラフェンナノリボンの合成法は、電気化学処理やプラズマエッチングなどによるカーボンナノチューブを
剥離・展開するもので、工程が複雑で収率が低いなどの課題があったとのこと。
そこで今回、配位高分子を原料とした簡便な合成方法を開発したとしています。
配位高分子は、多数の金属イオンと有機配位子が連結されたジャングルジムに類似した構造の固体材料。
内部に規則的に並ぶナノメートルサイズの細孔を有用な空間として利用する研究開発が世界中で行われています。

金属塩(酢酸亜鉛)と、金属塩を連結できる有機配位子として2,5−ジヒドロキシテレフタル酸(架橋配位子)から
配位高分子を合成する際に、金属塩を連結できない配位子(非架橋配位子)であるサリチル酸を加えることで、
配位高分子の特定方向の成長を抑制して棒状の配位高分子を合成。
この棒状の配位高分子を不活性気体中に置き、1000度で加熱処理して、棒状の形状が保持された
カーボンナノロッドを形成しています。

さらに、カーボンナノロッドを水酸化カリウム(KOH)水溶液中で超音波処理を行った後、
不活性気体中で800度の熱処理で活性化させることで、カーボンナノロッド中で棒状に積層したグラフェンが
解きほぐされてグラフェンナノリボンが生成されたとのことです。
透過型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡で観察し、棒状のカーボンナノロッドや、2~6層のグラフェンからなる
グラフェンナノリボンが高収率で形成されていることを確認しています。

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カーボンナノロッド(a)とグラフェンナノリボン(b)の透過型電子顕微鏡像(写真:産総研のプレスリリースより)

今回作製したカーボンナノロッドとグラフェンナノリボンは、通常キャパシターの電極材料に用いられる
ミクロポーラスカーボンより充放電特性に優れ、高効率なエネルギー貯蔵・変換デバイスとしての
可能性を示したとのこと。

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今回作製したカーボンナノロッドとグラフェンナノリボン、通常用いられるミクロポーラスカーボンを
電極材料としたキャパシターの定電流充放電特性(図:産総研のプレスリリースより)

今後、今回開発した手法を用いて、形状制御された配位高分子を原料とした
さまざまなナノ炭素材料の開発を進めていくとしています。

今回の研究開発は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業 基盤研究(B)
「高機能性ポーラス炭素の創成とエネルギー貯蔵への応用に関する研究」の支援を受けており、
成果の詳細は、英国科学誌「Nature Chemistry」オンライン版に5月9日(英国時間)掲載されています。

産総研ニュースリリース
棒状やリボン状に形状制御されたナノ炭素材料の新しい合成法を開発

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