氏 名 梅澤 成之 授与した学位 博 士 専攻分野の名称 工 学
学位授与番号 博甲第 ６６３３ 号 学位授与の日付 ２０２２年 ３月 ２５日
学位授与の要件 自然科学研究科 産業創成工学専攻
（学位規則第４条第１項該当）
学位論文の題目
Detailed analyses of multi-functional carbon materials toward high-performance supercapacitor electrodes
（高性能電気二重層キャパシタ電極材料開発へむけた多機能性炭素材料の詳細な分析）
論文審査委員 教授 林 靖彦 准教授 山下 善文 准教授 後藤 和馬
学位論文内容の要旨
The doctoral thesis aims at multi-functional carbons, such as porous carbons and heteroatoms-doped carbons, for electrode materials of electric double-layer (EDL) capacitors. The histories of porous carbons and supercapacitors were briefly mentioned in chapter 1 and chapter 2, respectively. In this study, the author developed the unique processes of multi-functional carbons, such as nitrogen, boron-doped porous carbons, and highly porous carbons by carbonizing imine-based covalent-organic frameworks (COFs), boron-based COFs (COF-5), and zinc- based metal-organic frameworks (MOFs), respectively. The detailed characterization of imine-COFs, COF-5, and zinc-based MOFs were discussed in chapter 3, 4, and 5, respectively.
Each sample's morphology and nanoscale structures were observed by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), respectively. The phase transformation and pore formation during carbonization were studied using in situ techniques, which provide high-resolution measurements of the bulk properties of samples. Several dynamic techniques characterized the samples, including in situ X-ray diffraction (XRD) analysis and thermogravimetry–differential thermal analysis (TG–DTA) accompanied by ex-situ microscopy (electron, Raman) and spectroscopic analysis (energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy and X- ray photoelectron (XP) spectroscopy (XPS)).
Finally, the electrochemical properties of EDLC were evaluated by using the commercial porous carbons and the obtained carbon samples. Notably, using COF-5 derived carbons, high charge density (~15 μF cm-2) was achieved compared with that of the commercial activated carbons (~7 μF cm-2) (chapter 4). Further, zinc-based MOFs-derived carbons with the surface area of ~2700 m2 g-1 achieved specific capacitances of 360, 278, and 221 F g−1 at 50, 250, and 1000 mA g−1 in an aqueous electrolyte (H2SO4), respectively, the highest values reported to date for zinc-based MOF- derived electrodes under identical conditions (chapter 6).
論文審査結果の要旨
電気二重層キャパシタ（EDLC）は，電極界面で化学反応を伴わないため急速充放電が可能で，劣化が 少ない優れた充放電サイクル特性を示すことから，低炭素社会を実現する蓄電デバイスとして実用化が 期待されている。しかし実用化には，エネルギー密度の向上が必要で，電極の電荷蓄積容量を増大させ る，高比表面積で細孔構造を制御した電極材料技術の開発が不可欠である。本論文は，EDLC電極材料と して多孔質炭素やヘテロ原子ドープ炭素など，多機能カーボンに注目して研究した成果をまとめたもの である。
①ナノサイズの細孔を有するイミン系共有結合性有機構造体（MOF）を直接炭化する簡便な方法で，
粒子径を制御した窒素ドープ炭素材料を合成することに成功した。炭素材料の比表面積と炭素の粒子径 の関連を明らかにした。②酸化ホウ素 B2O3を用いた，無酸のテンプレート多孔質材料を炭化し，その後，
穏やかな水処理によりB2O3を除去することで，ボロン・ドープ炭素電極材料を製造する方法を確立した。
③炭素前駆体としてZn系MOF（ZMOF）を800oC以下での炭化により，炭素骨格上に酸化亜鉛（ZnO）が 生成され，また800oC以上で炭素はZnOをガス状のZnに還元した。そして，Znの昇華により最大2700m2g-
1の細孔が形成され，細孔生成は焼成温度によってZn/C比またはO/C比と密接に関係していることを，In-
situ X 線回折測定や熱重量分析から明らかにし，比表面積増大の指針を得た。④水系電解液（H2SO4）を
用いたEDLCの電極に，本研究で開発したZMOF由来炭素材料を用いることで，市販の多孔質炭素材料を 電極にしたEDLCの比静電容量を超える高容量EDLC（1000 mAg-1で221 Fg-1）の開発に成功した。
以上，EDLCの実用化を促進する電極材料の研究開発は，研究室レベルから製造レベルにつながる成果
である。査読付き学術論文誌3編（筆頭2編，共著1編）を発表し，2件の国際会議論文発表の実績も考慮し，
審査員全員が学位論文として十分に価値あると認め，博士（工学）の学位を授与できると判断した。
