「夢の素材」グラフィンは電気化学の分野でどのような新しい用途があるのでしょうか?

制作：中国科学普及局 著者：オットー・シングアン 制作：中国科学普及局

エネルギー問題と環境問題は、今日人類が直面している二大課題であり、緊急に取り組むべき重要な問題でもあります。中国がタイムリーに提案した「デュアルカーボン」目標は、持続可能な開発を達成するための重要な戦略的手段であり、世界中の政府に広く認識され、注目されています。

「デュアルカーボン」という野心的な目標を達成するためには、よりクリーンなエネルギーを使用する必要があります。新しいエネルギーを有効活用するには？現時点では、電気化学的エネルギー貯蔵と変換という2 つの重要な戦略が必要です。新しいオールカーボン材料であるGraphdiyne (GDY) の応用により、従来のソリューションに新たな視点とインスピレーションがもたらされます。

最近、中国科学院化学研究所の研究者らも、電気化学的エネルギー貯蔵および変換におけるグラフィンの応用に関するレビュー記事を発表しました。この記事では、電気化学電極インターフェースアプリケーションにおける 2 次元グラフィン炭素材料の独自の利点と研究の進歩について紹介します。さらに、グラフィンの具体的な応用シナリオも示しています。

しかし、グラフィネが具体的にどのように使用されるかを理解する前に、まずグラフィネとは何かについて説明しましょう。

グロッティンは炭素の新しい同素体であり、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェンに続く二次元多孔質膜材料です。グラフィンでは、炭素原子が、sp および sp2 混成、芳香族結合、単結合、三重結合などのさまざまな結合モードを通じて、π 電子共役フレームワークと細孔を形成し、イオンを選択的に透過できます。異なる結合長により構造の柔軟性が高まり、電気化学インターフェースの環境を制御しやすくなります。

新しいタイプの電気化学インターフェース材料として、グラフィンは構造から物理的・化学的特性に至るまで、顕著な優位性と適合性を示します。

図1. エネルギー貯蔵とエネルギー変換の分野におけるグラフィンの応用シナリオ（画像出典：文献[1]）

電気化学エネルギー貯蔵におけるGraphdyneの応用

電気化学的エネルギー貯蔵は、将来のエネルギー革命を促進する上で重要な役割を果たします。代表的なリチウムイオン電池は、携帯電話、ノートパソコン、電気自動車など、私たちの日常生活のあらゆるところで見ることができます。幅広い用途に加えて、リチウムイオン電池は私たちの日常生活をより経済的、効率的、環境に優しいものにします。

しかし、リチウム電池の実際の応用においては、リチウム電池の性能を制限する問題が存在します。それはインターフェースの問題です。現在、インターフェースの問題も次世代電極材料の共通の障害となっています。しかし、研究者らは、グラフィンを改質して電池界面に適用することで、リチウムデンドライトを効果的に抑制でき、リチウム金属負極の寿命と安全性を向上できることを発見した。

改良グラフィンには、バッテリーのインターフェース問題を改善できるどのような魔法があるのでしょうか?実験により、グラフィンはリチウム親和性が高く、グラフィンの細孔はリチウムイオンを妨げずに通過させながら溶媒分子を遮断するため、脱溶媒和プロセスを通じてリチウムの反応速度論を改善できることが示されています。

グラフィンフィルムはリチウムに加えて、高い導電性とプロトンに対する高い選択性も備えており、ほぼ完璧な機械的特性と化学的安定性も兼ね備えているため、燃料電池分野におけるグラフィンの優れた応用見通しも示しています。

図2. グラフィンの細孔を通過するリチウムイオンの脱溶媒和プロセスの模式図（画像出典：文献[1]）

研究者らはまた、グラフィンの成長と電極の準備とを組み合わせ、まず銅箔上に活性物質を成長またはコーティングし、次にこれらの活性物質上にグラフィンをその場で成長させて3次元接続ネットワークを形成し、イオンと電子の伝導のための安定したチャネルを提供し、電極に強力な立体保護を提供した。

図3. グラフィンによって形成された保護界面の模式図（画像出典：文献[1]）

電気化学エネルギー変換分野におけるGraphdyneの応用

電気化学的エネルギー貯蔵に加えて、エネルギー変換もエネルギーを効率的に利用し、汚染物質の排出を削減するために必要な手段です。 GDY はエネルギー変換においても役割を果たします。

Graphdine は、酸素還元反応 (ORR)、酸素発生反応 (OER)、水素発生反応 (HER)、窒素還元反応 (NRR)、二酸化炭素還元反応 (CO2RR) など、電気化学エネルギー変換の分野で幅広い応用シナリオを持っています。

sp2混成炭素原子で形成されるグラフェンと比較すると、spとsp2混成炭素原子で形成されるグラフェンのπ共役ネットワーク内の電子は不均一であり、新しい活性部位を生成する可能性があります。以下ではORRとNRRの2つの反応例からグラフィンの具体的な役割を紹介します。

1つ目はORR触媒反応であり、これは次世代の高エネルギー密度電気化学エネルギー技術の基本反応です。

酸素（O2）は、私たちが生きていくために依存している空気の成分です。酸素自体も、さまざまな燃料の燃焼反応における酸化剤です。プロトン交換膜燃料電池では、酸素も重要な役割を果たします。酸素の吸着を促進できる物質があれば、ORR触媒反応プロセスに有益となるでしょう。

この触媒反応の過程で、改質グラフィンを添加すると、触媒の活性を向上させることができます。基本的な理由は、2 次元グラフィンに元々ドーピングされている窒素原子が、活性部位での酸素吸着とそれに続く電子移動を促進することができるためです。さらに、グラフィンをベースとした担持単原子触媒もORR反応プロセスに有効であると考えられています。

図4. 窒素ドープグラフィンの酸素還元反応（ORR）の模式図（画像出典：文献[1]）

NRR 反応では、グラフィンも役割を果たします。

アンモニア（NH3）は農業やエネルギーにおいて重要な役割を果たしています。アンモニアは重要な窒素肥料や燃料電池の燃料として使用できます。一方、合成アンモニアは膨大なエネルギーを消費する産業であるため、新しいアンモニア合成方法の開発は、省エネと環境保護に大きな応用の見通しを示す可能性があります。

NRR反応において、研究者らはグラフィンが間接的にアンモニアを固定し、それがその後のNRR反応を助けることを発見した。具体的なプロセスは以下のとおりです。研究者らは、原子的に分散したゼロ価モリブデン（Mo）原子がグラフィン上に安定して固定できることを発見しました。これは、遷移金属原子と炭素-炭素三重結合間の配位効果によるものです。理論計算によれば、Mo 原子上の局所電荷は再分配されて電子過剰中心となり、Mo 原子は窒素の吸着部位となり、その後 NRR 反応が発生することが示されています。

図5. モリブデン原子で固定されたグラフィンの窒素還元反応（NRR）の模式図（画像出典：文献[1]）

要約する

電気化学的エネルギー貯蔵および変換の分野では、有望な新興材料であるグラフィンは性能面でいくつかの飛躍的進歩を達成しましたが、まだ初期研究段階にあります。

しかし、科学者たちはグラフィンの実際の応用シナリオをさらに拡大するために、既存の応用分野に関するより詳細かつ体系的な研究を行っています。例えば、自然なエネルギーバンドギャップを持つ新しいタイプの全炭素半導体として、電界効果トランジスタ、人工知能デバイス、ウェアラブルデバイス、光電子デバイスなどの電子デバイスに使用されています。

また、近い将来、グラフィンがさまざまな応用分野で予期せぬ驚きをもたらすことも期待しています。

編集者：郭 雅新

参考文献:
[1] X. Gao、J. Li、Z. Zuo、「グラフダイインインターフェースにおける先進的な電気化学的エネルギー貯蔵および変換」ナノリサーチエネルギー。 https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120036。