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電気化学デバイス工学 - 早稲田大学先進理工学部 応用物理化学研究室
文部科学省 科学研究費補助金 特別推進研究 （平成20年度採択） 総括と展望 Establishment of Electrochemical Device Engineering 10 VOL. 研究代表者：逢坂哲彌（早稲田大学理工学術院教授） Dimension Device Topic Approach 次元 デバイス トピックス アプローチ 燃料電池 電気化学デバイス工学、 さらなる深化。 電気化学界面設計で未来を拓く―このタイトルのもと発行 してきたパンフレットも最終号（第10号） を迎えました。電気 化学は電極と電解質の『界面』 を扱う化学であり、私たちの 生活を豊かにする材料やデバイスの開発に繋がる産業技 術の礎となっています。 「電気化学デバイス このプロジェクト 工学の確立と深化」 では、原子や分子スケールからの界面 設計に基づき、界面の構造や界面での現象を活用した新 逢坂哲彌 しい 機能を持つデバイスの開発と実用化のための研究を 早稲田大学理工学術院教授 カソード触媒の開発 ナノ・マイクロ加工プロセスと反応選択性触媒層の このプロジェクトでは、電気化学ナノテクノロジーに基づく 「固液界面制御による新機能発現の オンチップ燃料電池の提案 適用による無隔膜燃料電池 ための材料開発研究」 と 「界面構造や界面現象の実践的な活用によるデバイス開発研究」 に総合 3次元 交流インピーダンス法の適用 集電体構造、電解液抵抗、正極・負極の 交流インピーダンス法の適用 二次電池 する具体的なデバイスを学問体系の 『縦糸』 とすることで、 プロジェク界面反応 トの成果が目に見えるように ・イオン拡散を想定した等価回路の設計 しました。 その一方で、デバイス機能の現れ方の特徴を 「次元」 という視点から見つめ直し、 それ 体積変化の影響を緩和するミクロンオーダーの 高容量スズ負極材料の開発 スリットをスズ薄膜に導入 を取り入れた界面設計を学問体系の『横糸』 としました。 さまざまなデバイス開発研究で蓄積され 二次電池 高容量シリコン負極材料の開発 金-ニッケル合金めっき膜への炭素共析よる の視点から整理するこ とで、 デバイスに依らない根源的なものが見えてきました。 マイクロ接点材料の開発 エレクトロニクス材料 膜構造の非晶質化 ３次元・２次元 複合 二次電池 電極／電解質界面被膜の制御 反応場雰囲気制御による 負極と電解質との界面安定化 バイオセンサ 測定条件の最適化 固液界面から溶液側へのナノ領域における イオン分布と電荷遮 効果を考慮 3次元 デバイス感応性の制御 バイオセンサ にあるものを学問として体系化することを目指してきました。 構造の導入と制御 実践的な 開発研究対象とする 代表的なデバイスを設定 電気化学 ナノテクノロジー 共通概念や普遍性 事象ごとの経験論 燃料電池 元、0次元） として整理し、 それを私が 世界に先駆けて提唱 電子材料 医用材料 バイオセンサ 機能性材料・デバイスの研究開発 計に反映させることで、 「電気化学デバイス工学」の確立と 深化が 加速度的に進みつつあることを実感しています。未 来を拓く電気化学デバイス工学のさらなる深化の序章とし て、 このプロジェクトの成果をここに紹介します。 電圧掃引処理によるプローブ分子との 強固な結合の形成 界面相互作用の制御による 非特異吸着の抑制 特有な性質の効果的活用 は、界面設計に「次元」 という見方・考え方を取り入 れ、そ 「次元」 （ 3 次元、2 次 しました 。デバイス機能 の 現 れ 方を 電極上に検出に関わる部位と 分子認識に関わる部位を順次固定化（積層化） 機能が空間的な拡がりではなく 機能が幾何的な面に沿った ナノ・マイクロ加工プロセスと精密めっき反応による 点への凝集として特徴付けられ、 拡がりで特徴付けられ、 場としての 磁性ナノドットアレイの作製 磁気記録媒体 磁性合金ナノドットアレイの形成 単独でのほか、 均一性はデバイス機能の 集合体としても機能する。 安定化に繋がる。 ナノ粒子表面との相互作用が期待される 磁性ナノ粒子の固定化 磁気記録媒体 役立ついくつもの成果 が 得られています。 その中で私 たち 「電気化学デバイス工学」 れを を貫く一つの軸とすることに 単分子層が形成する３次元的ナノ凹凸と 対象イオンのサイズを考慮 2次元界面における金属錯体形成 0次元 単分子層（２次元的な分子配列）に 2次元 や磁気記録媒体、バイオセンサの創製といった、暮らしに し培ってきた「電気化学ナノテクノロジー」における界面設 磁気記録 二次電池 社会・産業への貢献 学問として体系化 形成プロセスの開発 機能発現の分類 るリチウム蓄電池の新しい負極材料の関発や、ナノマイク 機能が面内および 機能性分子の配列・固定化 面外方向への拡がりによって 特徴付けられ、空間的な 多様性や変化が高次の プローブ分子の配列・固定化 デバイス機能に繋がる。 測定対象への特異性向上 ロ加工技術との組み合 わせによる新しい概念の燃料電池 電気化学デバイス工学 の確立 反応機構の理解と設計 この4 年半の取り組みでは、めっき技術の新 たな深化によ 育成若手研究者の 学・産での活躍 有機溶媒の還元分解を伴う有機電解液からの シリコン電解析出 （めっき） た数多くの知見やノウハウを、機能発現の次元（ 3 次元、2 次元、0 次元） とそれに基づく界面設計 推し進めました。 そして、材料やデバイスの応用研究の根源 新材料・デバイス研究の展開 ３次元的な反応分布を考慮した 伝送線モデルを用いた等価回路の設計 的に取り組むことで、 「 電気化学デバイス工学」の体系化を進めています。私たちの生活を豊かに 学問の社会・産業への貢献 海外・国内連携 合金電析とその脱合金化による 高表面積電極の形成と階層構造導入 官能基を有する単分子層を介した固定化 ２次元・０次元 複合 燃料電池 磁性ナノ粒子の規則化配列 上記の系の基板にナノ・マイクロ加工プロセスによる 物理的グリッドを導入 固体表面への金属ナノ粒子触媒の担持 超音波照射により水中で生成するラジカルによる 合金ナノ粒子触媒の合成 表面を硫酸化したプロトン供与性ジルコニア粒子の 水への分散 高プロトン伝導性電解質の開発 燃料電池 2008年6月からこれまで4年半の期間で、 このプロジェク トには19名の博士研究員が研究協力者等として参画し、 0次 元 また、 9名が学位 （博士号）を取得しました。 このプロジェクトでの経験を活かし、電気化学デバイス工学のさらなる 医用材料 ナノ粒子のバイオ・医療応用 深化の担い手としての活躍が期待されます。 粒径を制御して合成した酸化鉄ナノ粒子の 表面特性の制御 Dimension Device Topic Approach Outcome 次元 デバイス トピックス アプローチ 成果 カソード触媒の開発 合金電析とその脱合金化による 高表面積電極の形成と階層構造導入 オンチップ燃料電池の提案 ナノ・マイクロ加工プロセスと反応選択性触媒層の 適用による無隔膜燃料電池 自給式無隔膜微小燃料電池への展開 交流インピーダンス法の適用 ３次元的な反応分布を考慮した 伝送線モデルを用いた等価回路の設計 燃料電池カソード3次元反応場解析 交流インピーダンス法の適用 集電体構造、電解液抵抗、正極・負極の 界面反応・イオン拡散を想定した等価回路の設計 市販リチウム二次電池の劣化解析 高容量スズ負極材料の開発 体積変化の影響を緩和するミクロンオーダーの スリットをスズ薄膜に導入 充放電サイクル特性の改善 高容量シリコン負極材料の開発 有機溶媒の還元分解を伴う有機電解液からの シリコン電解析出（めっき） 7,000サイクル以上という優れた充放電特性の実現 マイクロ接点材料の開発 金-ニッケル合金めっき膜への炭素共析よる 膜構造の非晶質化 優れた電気特性と耐摩耗性の実現 二次電池 電極／電解質界面被膜の制御 反応場雰囲気制御による 負極と電解質との界面安定化 負極寿命の延長と対不純物耐性の向上 バイオセンサ 測定条件の最適化 固液界面から溶液側へのナノ領域における イオン分布と電荷遮 効果を考慮 デバイス応答量と安定性の向上 デバイス感応性の制御 単分子層が形成する３次元的ナノ凹凸と 対象イオンのサイズを考慮 参照デバイスの不感応性向上 機能性分子の配列・固定化 電極上に検出に関わる部位と 分子認識に関わる部位を順次固定化（積層化） 特異な電位応答発現を発見 プローブ分子の配列・固定化 電圧掃引処理によるプローブ分子との 強固な結合の形成 デバイス応答の安定化と再現性の向上 測定対象への特異性向上 界面相互作用の制御による 非特異吸着の抑制 夾雑物存在下での腫瘍マーカーの特異的検出 界面における金属錯体形成 単分子層（２次元的な分子配列）に 特有な性質の効果的活用 ジアステレオマー錯体形成を利用したキラルセンサ 磁性ナノドットアレイの作製 ナノ・マイクロ加工プロセスと精密めっき反応による 磁性合金ナノドットアレイの形成 超高密度磁気記録媒体への適用 燃料電池 3次元 二次電池 二次電池 エレクトロニクス材料 ３次元・２次元 複合 バイオセンサ 2次元 磁気記録媒体 酸素還元活性の向上 合金電析とその脱合金化によって 形成したナノ細孔を有する サブミクロンサイズの樹状 PdCo合金（電子顕微鏡像） 100nm 500nm 断面図 100nm 有機溶媒の還元分解を伴う 有機電解液から電解析出した 非晶質Si-O-Cめっき膜の断面像 酸素分布 （電子顕微鏡像） と元素分布 0 抗体 （タンパク質） を固定化する前後のSiO2基板表面の原子間力顕微鏡像 磁性ナノ粒子の固定化 ナノ粒子表面との相互作用が期待される 官能基を有する単分子層を介した固定化 超高密度磁気記録媒体への適用 磁性ナノ粒子の規則化配列 上記の系の基板にナノ・マイクロ加工プロセスによる 物理的グリッドを導入 超高密度磁気記録媒体への適用 燃料電池 固体表面への金属ナノ粒子触媒の担持 超音波照射により水中で生成するラジカルによる 合金ナノ粒子触媒の合成 炭素を担持体とするアルカリ型燃料電池用触媒の形成 燃料電池 高プロトン伝導性電解質の開発 表面を硫酸化したプロトン供与性ジルコニア粒子の 水への分散 高分子電解質に代わる長寿命電解質としての適用 医用材料 ナノ粒子のバイオ・医療応用 粒径を制御して合成した酸化鉄ナノ粒子の 表面特性の制御 ナノ粒子の体内動態の制御や安全性評価法の提案 ２次元・０次元 複合 0次元 炭素分布 10.00[nm] （左：固定化前、右：固定化後：1μm四方） 物理的グリッドを付した 50nm 磁気記録媒体 ケイ素分布 SO4 / ZrO2 ナノ粒子の 電子顕微鏡像 Si基板上のFePtナノ粒子の 規則配列（電子顕微鏡像） Coordinated system ［ 研究連携体制 ］ 逢坂・門間グループおよび本間グループ （応用 物理化学）、庄子グループ（マイクロシステム 工学）、松方グループ （触媒化学） の有機的な 連携により研究を推進しています。 研究統括 エネルギー デバイス 門間 杭 奈良 向山 横島 冨中 ・・ ・・ ・・ 触媒化学 松方 ・ ・逢坂 （研究代表者） 磁気・電子 デバイス 杉山 蜂巣 吉野 ・ ・ ・ センサ・医用 デバイス 中西 黒岩 張 秀島 ・・ ・・ 表面電気化学 本間 ・ マイクロ シクテム工学 庄子 関口 水野 ・ ・ ・ 研究 総括 エネルギーデバイス （二次電池と燃料電池） バイオセンサと 医用材料 磁気・電子 デバイス 中核 グループ マイクロ システム工学 触媒 化学 表面 電気化学 連携 グループ Research organization ［ 研究組織 ］ a：研究代表者 b：研究分担者 c：連携研究者 （2013年1月現在） 博士課程学生を含むプロジェクト関係者を記載 早稲田大学理工学術院 逢坂哲彌 門間聰之 庄子習一 松方正彦 本間敬之 a b b c c 杉山敦史 横島時彦 向山大吉 奈良洋希 杭弢 早稲田大学先端科学・ 健康医療融合研究機構 秀島翔 吉野正洋 國本雅宏 山本大輔 蜂巣琢磨 中西卓也 （理工学術院） 張弘 （理工学術院） 黒岩繁樹 （理工学術院） 早稲田大学大学院 先進理工学研究科 早稲田大学 ナノ理工学研究機構 栃原美佐子 小林千秋 馬場大輔 程姗姗 戸ヶ崎徳大 関口哲志 c 水野潤 c 電気化学デバイス工学の確立と深化 VOL.10 劉軍 鄭文國 2013年1月発行 早稲田大学先進理工学部応用化学科・応用物理化学研究室 〒169-8555 東京都新宿区大久保3-4-1 TEL 03-5286-3202 FAX 03-3205-2074 物質・材料研究機構 冨中悟史