電気分解によるグラフェン合成に成功――亜臨界水熱電解により実現、水素も同時に生成 東北大

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白金陰極を覆う水熱電解法により合成されたグラフェンのSEM(走査型電子顕微鏡)像(グラフェンと白金の熱膨張係数の差に由来する「しわ」が見える)

東北大学多元物質科学研究所は2019年12月10日、亜臨界水反応場を適用することで、電気分解によるグラフェンの合成に成功したと発表した。

グラフェンとは、グラファイト(黒鉛)結晶の単層分のことで、高い電気伝導性、熱伝導性、機械的強度を有する。このため、近年、透明導電膜やエレクトロニクス部材、電池電極向けの導電助剤などあらゆる分野で実用化研究が進められている。

しかし、炭素原子を含む原料を分解し、炭素原子を組み上げてグラフェンを合成する「ボトムアップ合成法」には、CVD法(化学的気相合成法)とSiC(シリコンカーバイド)分解法の2つの手法しかなかった。

CVD法やSiC分解法では、グラフェンを合成する過程において、活性化障壁を超えて反応を促進するために熱化学反応のみを利用する。そのため、高温の熱エネルギーが必要となってしまう。一方、電気化学反応が重畳される水熱電解法では、熱エネルギーに加えて電気エネルギーも併用できることから、散逸ロスの大きい熱エネルギー消費を抑えられる。

電気分解により、アモルファスカーボンなどの結晶性の低い炭素材料が合成できることはすでに知られていた。しかし、炭素の結晶性ナノシートであるグラフェンを合成できるという研究は報告されていなかった。

そこで今回の研究では、亜臨界水を溶媒に用いた電解合成法に着目した。アモルファスカーボンの堆積を抑えつつ、目的の結晶性ナノカーボンを比較的低温で成長させることが目的だ。その結果、常温常圧水中ではアモルファスカーボンしか堆積しなかったが、300℃程度の亜臨界水中で酢酸を電気分解したところ、白金陰極表面にグラフェンを合成することに成功した。

合成に使用した装置は、電極導入端子付き圧力容器、直流電源で主に構成されている。酢酸水溶液を封入し、昇温(300℃)、昇圧(10-12 MPa)した容器中の電極間に3.5Vの電圧を印加することで、白金陰極表面にグラフェンを堆積させることが可能だ。

さらに研究グループは、この水熱電解法によるグラフェンの合成メカニズムについて解析し、酢酸以外にも蟻酸、エタノール、メタノールからも同様のグラフェン合成ができることを明らかにした。

また、グラフェンの成長中、陰極表面では酢酸や溶媒の水の還元により水素が生じる。これは、今回開発したプロセスが、グラフェンと水素のコプロダクションプロセスとして成立することを示唆している。将来的に、太陽電池や風力発電等の再生可能電力を利用して、バイオマス資源や天然ガスなどから水素とグラフェンを同時製造できれば、二酸化炭素の固定化や水素エネルギーの低コスト化が期待できるという。

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