研究室紹介

溶液系の電気化学と熱力学に基づく材料プロセッシング

人間社会を支えそして豊かにしている材料は、ほとんどすべてが2つ以上の物質の組み合せで成り立っており、そこには物質の「表面」と「界面」が必ず存在して機能の発現に寄与しています。それは、マイクロ・ナノ技術を駆使して高度にデザインされた現代の材料に限らず、百年以上の歴史をもつオーソドックスな材料についてもまたいえることです。いいかえれば、種々のものづくり技術では、表界面の形成と機能化が鍵を握っているのです。

当研究室では、水溶液系と非水溶液系(イオン液体や有機溶媒)の電気化学、溶液化学、ならびに化学熱力学に立脚し、基礎から応用にわたる様々な表界面の湿式機能化プロセスを研究しています。

Figure 1

図1 研究の全体像

水溶液系の薄膜形成とその熱力学

電解質水溶液から酸化還元反応や酸塩基反応によって固相薄膜を析出させる電析法や化学浴析出法は、常温常圧下のソフト溶液プロセスとして、湿式製錬や耐食性表面処理に代表されるマクロスケールから、電子デバイスの実装技術のようなマイクロスケール、単分子・単原子膜レベルの表面機能化のようなナノスケールに至る幅広い守備範囲をもつ要素技術です。私たちの研究室では、CdTe化合物、酸化亜鉛ZnO、酸化銅(I) Cu2Oのような太陽電池用薄膜形成や、Ni-Mo合金めっきのような耐食性表面処理技術を研究してきました。ここでは、トライアル・アンド・エラーによる従来型の条件探索に加え、電位-pH図を描くことで電解諸条件の熱力学的理解と総括的制御を可能にし、得られる皮膜のモルフォロジーや半導体物性の評価、ガルバニック接触法による新しい製膜法の提案など、幅広い研究を展開しています。また最近は、濃厚な金属塩を含む多成分電析浴中の化学種の解析研究にも取り組んでいます。

Figure 2

図2 (a)アンモニア、(b)エチレンジアミン、(c)ジエチレントリアミンを配位子として含む場合のCd-Te-H2O系電位-pH図。テルルの安定領域幅(図の矢印の部分)の違いが、電析浴設計の指針となる。(d)はアンモニア性浴からの電析CdTeの写真

湿式製錬技術の開発と高効率化

私たちの暮らしは三大材料と呼ばれる金属、セラミックス、高分子により主として支えられています。このうち金属原料は、鉄やアルミニウムのように高温の乾式冶金プロセスで生産されるものと、銅や亜鉛のように乾式プロセスに水溶液系の湿式冶金プロセスをうまく組み合わせて生産されるものがあります。水溶液を用いる湿式冶金は常温常圧で操業される環境にやさしいプロセスであり、最近では金属をリサイクリングする手法としても期待されています。私たちの研究室では、新しい銅の電解採取プロセスの開発や、現行の銅電解精製プロセスの高効率化に関し、非鉄製錬各社との共同研究を進めています。

Figure 3

図3 1価の銅イオンを含む水溶液から採取した銅デンドライト。電析電位(SHE基準)は 0 mV(左上)、-50 mV(右上)、-100 mV(左下)、-150 mV(右下)

イオン液体を用いる表面の機能化

イオン液体(Ionic Liquids, IL)は、水や通常の有機溶媒のように電荷をもたない中性の分子ではなく、陽イオンと陰イオンからなる室温付近でも液体状態の物質です。ILの多くは、高い温度でも揮発せず、発火することもありません。この優れた性質を利用し、新しい電気化学デバイスや環境に優しい有機合成プロセスが研究されています。なかでも、私たちの研究室ではILを溶媒とする、材料表面の電気化学的機能化に関する研究を行っています。これまでに、酸化還元電位が低く水溶液中では還元できない金属の薄膜化技術や、水や有機溶媒を使えない中温域での合金薄膜形成手法で成果をあげてきました。また、従来になかった構成イオンをもつ新しいIL物質の探索や、その物性評価に関する研究にも取り組んでいます。ILを用いる技術を、水溶液を用いるソフトプロセスと組み合わせることで、表面の新たな機能構築技術へと展開を図ります。

Figure 4

図4 イオン液体を構成する主要なイオン種。多くの場合、サイズの大きな1価の陽イオンと陰イオンを組み合わせることで、イオン間のクーロン相互作用が弱まり、室温で融解した「イオン液体」となる

Figure 5
図5 当研究室で新たに合成した「ヒドロニウム溶媒和イオン液体」の構造式と外観。強酸性を示し、従来のイオン液体における酸性度の記録を更新した

多孔質電極の電気化学

多孔質材料は高い比表面積を有するため触媒担体や電池の電極材料などに幅広く利用されています。高い比表面積を十分に活かすためには、細孔内の微小空間における化学反応の制御が必要です。私たちは、シリコン表面の電気化学溶解による多孔質材料の創製とその利用について研究を行っています。多孔質化したシリコンの細孔内に金属ナノ粒子触媒を充填し、微小空間における触媒反応の高効率化に取り組んでいます。また、細孔内に存在する溶媒分子の影響を物理化学的観点から調べ、微小空間における化学反応/電気化学反応の新たな制御法に関する研究も進めています。

Figure 6

図6 (a)多孔質化したシリコンウエハの表面SEM像、(b)多孔質化したシリコン電極に電析した白金ナノ粒子のTEM像、および(c)周期変調した電流密度で作製した多孔質シリコンの反射スペクトルと外観。電流変調の周波数に応じて反射スペクトルの異なるフォトニック結晶が作製できる

新しい金属電池負極のための金属電析

太陽電池や風力発電など、自然エネルギーに依存した社会の構築には、不安定な電力を蓄えるための容量の大きな化学電池(いわゆる「電池」)の開発が求められています。化学電池は電極/電解質界面での金属イオンの酸化還元を用いたデバイスであり、その充放電反応はまさに金属の電析反応と同列のものです。私たちの研究室では、マグネシウムやアルミニウムなど平衡電位の低い多価の金属を用いる電池負極の基礎研究を行っています。ここでは、種々のイオン液体や有機溶媒など、酸化還元耐性にすぐれた溶媒を用います。また、電気化学的手法によって新しい電池活物質を調製する研究にも取り組んでいます。

Figure 7

図7 グライム類を主溶媒とする電解浴から室温で電析させた(上)マグネシウムおよび(下)アルミニウム薄膜のX線回折図形 (XRD) および電子顕微鏡写真 (SEM)。水溶液からは熱力学的に電析不可能な金属を室温で電析することが可能になり、次世代の電池/電気めっきのための要素技術として期待されている

単分子膜の電気化学(機能構築学分野との共同研究)

有機単分子膜とは、固体表面に分子が2次元的に単一層だけ化学吸着した超薄膜です。ここでは、有機分子を選ぶことで固体表面に様々な機能を付与できることが知られています。私たちは、フェロセニル基など電気化学的に活性な部位をもつ有機分子の単分子膜が、イオン液体中において水溶液中とは異なる酸化還元挙動を示すことを見いだしました。これは、イオン液体の構成イオン種が、水溶液に比べて大きいことに由来すると思われ、イオン液体がもつ特異性の一つとして興味深い現象といえます。

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サイト開設日:March 11, 2012  最終更新日:April 12, 2018

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