合成技術の「新旧融合」二酸化マンガンを極小ナノ粒子に～極小ナノ領域のユニークな粒子形態によって次世代蓄電池や触媒が高性能に～
【ポイント】
- アルファ型二酸化マンガンの極小ナノ粒子を短時間で合成する「アルコール溶液法」を開発。
- 極小ナノ粒子化によって粒子のアスペクト比が低下し棒状の結晶が球状の結晶に変化。
- 次世代多価イオン電池の正極や種々の有機化合物を酸化する触媒として高い性能を発揮。
【概要】
北海道大学大学院理学研究院の小林弘明准教授、東北大学多元物質科学研究所博士後期課程の飯村玲於奈氏らの研究グループは、アルファ型二酸化マンガンの極小ナノ粒子材料を開発しました。
二酸化マンガンは乾電池や触媒など長年実用されており、近年では更なる応用として次世代蓄電池への適用や触媒の高活性化に向けた研究開発が進められています。様々な種類がある二酸化マンガンの中で、特にトンネル構造をもつアルファ型二酸化マンガンはマグネシウムやカルシウム、亜鉛など次世代多価イオン電池の正極として有望であることが報告されています。アルファ型二酸化マンガンは長いトンネル構造を骨格とした棒状結晶を形成しますが、多価イオンは固体の中での移動が遅いため、トンネルの長さが短い、すなわち粒子のアスペクト比が小さいほど高い正極特性が期待できます。
今回、従来のアルファ型二酸化マンガン合成技術である「水熱法」と、小林准教授らが独自に開発してきた極小ナノ粒子合成技術である「アルコール還元法」を融合した「アルコール溶液法」を開発し、粒径10nm以下のアルファ型二酸化マンガン極小ナノ粒子を短時間で合成することに成功しました。本材料は従来材料で見られた棒状結晶とは異なり、トンネルの長さが短くなり球状に近づいていることが分かりました。実際に粒子のアスペクト比は1/10に低下しており、次世代多価イオン電池の正極として高い特性を示しました。さらに、本材料は種々の有機化合物の酸化反応にも高い触媒活性を示し、触媒反応にも低アスペクト比化が有効であることを見出しました。
本手法は、アルファ型以外の様々な二酸化マンガンの極小ナノ粒子や低アスペクト比材料の合成に展開可能なだけでなく、二酸化マンガンのもつ汎用性から電池や触媒、吸着剤など様々な用途への応用が可能であり、低炭素化社会、地球温暖化対策への貢献が期待されます。
なお、本研究成果は、2025年1月16日（木）公開のSmall誌に掲載されました。
論文名：Ultrasmall α-MnO2 with Low Aspect Ratio: Applications to Electrochemical Divalent-Ion Intercalation Hosts and Aerobic Oxidation Catalysts（低アスペクト比を有するアルファ型二酸化マンガン極小ナノ粒子：多価イオン電池正極や酸化触媒への応用）
URL：https://doi.org/10.1002/smll.202411493
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