単分子の厚みしかない超極薄ポリマー膜形成反応の開発 ―電極・分子間の強い相互作用による自己停止型重合反応―

2026-05-30 東京大学

東京大学大学院工学系研究科の伊藤喜光准教授らの研究チームは、電極表面上で自発的に停止する新しい電解重合反応「アンダーポテンシャル電解重合(UPEP)」を開発し、厚さが単分子レベルしかない超極薄ポリマー膜の形成に成功した。通常、重合反応は一定以上の電圧で進行するが、本研究では金電極とモノマー分子(チオフェン類やピロール)との強い相互作用によって、従来は反応が起こらないと考えられていた低電圧領域でも重合が進行することを発見した。反応は電極に直接接触する分子のみで起こり、単分子層程度のポリマー膜が形成されると自動的に停止する。この現象は金属の単原子層形成技術で知られるアンダーポテンシャル析出(UPD)に類似しており、ポリマー形成へ初めて応用された。理論計算と電気化学実験により詳細な機構も解明された。本成果は、リチウムイオン電池などの性能を左右するSEI被膜形成メカニズムの理解や高性能化に貢献するほか、接着剤、コーティング、防汚材料、さらにはグラフェンに類似した2次元ポリマー材料の創製など幅広い応用が期待される。

単分子の厚みしかない超極薄ポリマー膜形成反応の開発 ―電極・分子間の強い相互作用による自己停止型重合反応―
分子―電極間相互作用によって自発的に終了する重合反応のメカニズム

<関連情報>

強力な超分子モノマー-電極相互作用による自己終結型アンダーポテンシャル電解重合の実現 Realization of Self-Terminating Underpotential Electropolymerization by Strong Supramolecular Monomer-Electrode Interaction

Yudai Yokoyama,Yuzu Kobayashi,Yasuyuki Yokota,Yasunobu Ando,and Yoshimitsu Itoh
Journal of the American Chemical Society  Published: May 29, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c03733

Abstract

In this report, we show that electropolymerization of 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) can take place at 0.4 V, a voltage far lower than the conventionally employed voltage of 1.0 V, in a self-terminating manner, when Au is employed as a working electrode. DFT calculations revealed that the highest occupied molecular orbital (HOMO) of EDOT is elevated by approximately 1 eV when it supramolecularly interacts with the Au surface compared to that without such direct interaction. In other words, monomers become highly reactive for oxidative polymerization when they are directly adsorbed onto Au. Once the polymer forms and covers the electrode surface, the monomer can no longer interact with the electrode surface, thus the polymerization is terminated. Such self-terminating polymerization behavior was supported by in situ electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopy (EC-SERS) and the current profile during the voltage scan. This is in sharp contrast to electropolymerization under ordinary high-voltage conditions, where the polymer film continuously grows. This study may provide solutions to control the polymerization on the solid surface, which is considered to be very important for adhesives, coatings, and solid electrolyte interphase (SEI) formation. It is also expected to lead to new synthetic methods via electropolymerization for monolayer polymers, which have recently attracted attention for their potential to exhibit various functions.

0505化学装置及び設備
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