熱分解によりブロック共重合体が多孔質炭素繊維に変化

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ビデオ: 「新規相溶化剤による未来材料の創成」 金沢工業大学 革新複合材料研究開発センター 研究員 附木 貴行 2022, 12月
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アメリカの科学者たちは、小さな細孔が均一に分布した炭素繊維を作る方法を開発しました。彼らは、2つの物質から均一なナノ構造を自発的に形成するブロック共重合体から繊維を作成し、次にポリマーの1つを除去して、多孔質マトリックスを残すことを提案しました。表面積が大きいため、この方法で得られた繊維は大容量であり、将来的には電気エネルギーの貯蔵に使用できるようになると、サイエンス・アドバンシスの記事の著者は述べています。

コポリマーは、高分子鎖が2種類以上のモノマーで構成されているという点で従来のポリマーとは異なります。例えば、そのようなポリマーでは、モノマーは1つを交互にすることができる。共重合体には、ブロック共重合体と呼ばれる別のクラスもあります。それらはまた2つ以上のタイプのモノマーを含むが、それらは少なくともいくつかのユニットのブロックの形で鎖状に配置され、それは次に交互にまたはランダムに配置され得る。科学者にとってブロックポリマーの最も魅力的な特性の1つは、完全にまたは主に同じタイプのモノマーからなるバルク材料の領域全体を形成できることです。たとえば、2つのモノマーのブロック共重合体を1つの材料のマトリックスに組み立てることができ、その中に別の材料の球状領域が周期的に配置されます。

バージニア工科大学のZhengpingZhou(Guoliang Liu)らは、この特性を利用して、非常に大きな表面積を持つ多孔質炭素繊維を合成することを決定しました。科学者たちは、基礎としてポリアクリロニトリルとポリメチルメタクリレートを選択しました。まず、エレクトロスピニング法を用いて、共重合体から直径約900ナノメートルの繊維を得る。このステップでは、2つの物質がファイバー全体に均等に分散されます。

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合成スキームと代替方法との比較

繊維を入手した後、研究者らはそれらを酸素の存在下で摂氏280度の温度で熱処理にかけた。酸化により、繊維はポリアクリロニトリル領域間の結合の形成によって一緒に保持されます。さらに、この段階で、メソッドの重要な段階が発生します。ポリマーが繊維のボリューム全体に分散し始め、ポリメチルメタクリレートの球状介在物を含むポリアクリロニトリルマトリックスを形成します。その後、処理された繊維は、窒素雰囲気中で摂氏800度で熱分解され、それにより、ポリメチルメタクリレート領域が分解されて除去され、ポリアクリロニトリルから作られた多孔質炭素マトリックスが残った。

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アニーリング前(AおよびB)とアニーリング後(C)、および熱分解後(D-I)の繊維構造

繊維を入手した後、研究者たちはそれらの特性を研究しました。そのような材料の比表面積は1グラムあたり503平方メートルであることが判明しました。材料のミクロポアの平均サイズは約0.5ナノメートルですが、メソポアの場合、この数値は約10ナノメートルです。比細孔容積は、材料1グラムあたり0.45平方センチメートルです。

さらに、科学者たちは、得られた炭素繊維の電気化学的特性を調査しました。これを行うために、彼らは、多孔質ニッケルの2つの層の間に挟まれた繊維で作られた2つの電極を備えたイオニスターを基本的に組み立てました。測定により、ファイバーの比(表面積正規化)静電容量は1平方センチメートルあたり66マイクロファラッドであることが示されています。さらに、テスト中に、著者はほぼ正方形のボルタモグラムを受け取りました。これは、電荷の蓄積および放出中の材料の理想に近い動作を示しています。

昨年、中国の化学者は、木材から高多孔性炭素材料を製造する方法を開発しました。これはセルロースヒドロゲルから得られ、乾燥後はエアロゲルになり、熱分解後は炭素多孔質材料になります。科学者たちはまた、電荷を蓄積するためにスーパーキャパシタや他のデバイスでこの材料を使用することを提案しています。

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