| Project Area | Supra-ceramics: Molecule-driven frontier of inorganic materials |
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| Project/Area Number |
22H05148
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Institute of Science Tokyo |
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Principal Investigator |
前田 和彦 東京科学大学, 理学院, 教授 (40549234)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内本 喜晴 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (50193909)
大矢根 綾子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 総括研究主幹 (50356672)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2026)
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| Budget Amount *help |
¥199,290,000 (Direct Cost: ¥153,300,000、Indirect Cost: ¥45,990,000)
Fiscal Year 2026: ¥34,580,000 (Direct Cost: ¥26,600,000、Indirect Cost: ¥7,980,000)
Fiscal Year 2025: ¥34,060,000 (Direct Cost: ¥26,200,000、Indirect Cost: ¥7,860,000)
Fiscal Year 2024: ¥33,930,000 (Direct Cost: ¥26,100,000、Indirect Cost: ¥7,830,000)
Fiscal Year 2023: ¥32,760,000 (Direct Cost: ¥25,200,000、Indirect Cost: ¥7,560,000)
Fiscal Year 2022: ¥63,960,000 (Direct Cost: ¥49,200,000、Indirect Cost: ¥14,760,000)
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| Keywords | 超セラミックス / 光触媒 / 二次電池 / 生体材料 / 分子イオン / 人工光合成 / カーボンニュートラル |
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| Outline of Research at the Start |
分子性コンポーネントに由来する超セラミックスの構造の異方性（階層性）や化学的多様性を活用することで、電子移動の整流性を持つ材料系を合成班と協働して構築する。物性開拓を行うC01班とも連携して、電子/正孔再結合を抑制した高性能光触媒、高速・高安定駆動する二次電池材料、抗感染性と骨再生能を併せ持つ生体機能材料を開発する。従来のセラミックスでは成し得なかった低濃度CO2の高選択的変換等、分子性ユニットを含む超セラミックスならではの革新的機能を創出する。さらに、領域内から生み出される新物質群の機能評価を行うことで構造―機能相関を分析し、有望材料の抽出と機能発現のための超セラミックスの設計指針を示す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
（光触媒）RuRe二核錯体を担持したTiO2/C3N4は、可視光下でCO2をCOへ高選択的に還元できる外圏型超セラミックス光触媒であるが、触媒耐久性が低いことが問題だった。本系に対してOs(II)光増感剤を導入した結果、長波長可視光の利用と触媒耐久性の大幅向上に成功した。本成果はACS Catal.誌で発表した。Pb-S結合を有する新規配位高分子CP1の合成に成功した。CP1は紫外光に応答してCO2を高選択的に変換するだけでなく、酢酸の可逆的な脱挿入で特徴的な色変化を示した。本成果はInorg. Chem.誌で発表した。
（二次電池）Ruddlesden-Popper型構造を有するLa1.2Sr1.8Mn2O7-δF2酸フッ化物が既存のLiイオン二次電池正極材料を超える200 mAh g-1という高い可逆容量を示すことを見出した。酸化物イオンが電荷補償をする際に酸素分子結合が形成する超セラミックス材料として機能していることで過剰なFイオンの挿入を可能にしていることを明らかにした（JACS誌で発表）。また酸素分子形成のみならず、硫黄-硫黄結合を形成する Sr2F2Fe2OS2 （容量 340 mAh/g。Chem. Mater.誌で発表）窒素-窒素結合を形成するCu3N窒化物（容量 550 mAh/g。JACS誌で発表）等の超セラミックス材料正極を見出した。
（生体材料）抗菌剤としてシプロフロキサシン（低分子医薬品）、およびラクトフェリン（糖タンパク質）を担持したリン酸カルシウム粒子をそれぞれ合成し、歯学系研究チームと共同で各種口腔内細菌に対する抗菌作用を実証した。シプロフロキサシン担持粒子については、細菌増殖に伴う酸性化に応答して自己溶解し、酸中和作用を示すことも明らかにした。これらの成果はMaterials誌およびInt. J. Mol. Sci.誌で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
C02機能班では、触媒化学、電気化学、生体材料科学の先端的手法を駆使して、光触媒、二次電池、バイオセラミックス応用を指向した超セラミックスの新機能を探求する。望みの機能を獲得するためには「どのような無機材料と分子性ユニットの組み合わせが必要なのか？」、「分子性ユニットの特徴を生かした機能を生み出すには、どのように無機材料の配位構造（金属―アニオン四面体や八面体）をデザインする必要があるのか？」といった学術的問いに対する答えをひとつずつ与えていき、超セラミックスの機能発現に関する学理を構築する。
2024年度においては、超セラミックスのレビュー論文（Sci. Technol. Adv. Mater. 2024, 25, 2416384）を発表し、領域研究で培われた超セラミックスの物性・機能発現の基本コンセプトを示した。このコンセプトに基づき、所望の機能をもつ材料の創出に次々と成功している。例えば、CO2還元機能を有する配位高分子光触媒や、無機材料内部での分子形成反応を活用した高容量な二次電池正極材料を複数見出すなど、超セラミックスの機能創出の学理構築に向けて研究は着実に進展している。このような現状を鑑み、本計画研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
（光触媒）RuRe二核錯体を担持したTiO2/C3N4をプラットフォームとした外圏型超セラミックスに関して、TiO2ナノ粒子上に配列させる金属錯体のデザインを高度化し、より高効率なCO2の実現を狙う。内圏型超セラミックスについては、引き続きpブロック金属元素と有機配位子からなる新構造の配位高分子を探索する。光触媒として有望なものについては、様々な合成ルートを検討することで高性能化を図る。
（二次電池・電極触媒）2024年度までの研究によって、フッ化物イオンの挿入に伴う正孔の導入により、酸素分子や窒素分子が形成される超セラミックス材料正極を実証した。これにより、現在のリチウムイオン二次電池正極の2倍を優に超える高い容量を示すことを見出した。2025年度は引き続き探索範囲を酸フッ化物だけでなく、窒フッ化物に拡張し、イオン性固体格子内に分子を内包する超セラミックス材料のアニオン配列と結晶内分子形成、イオン拡散に最適な結晶・局所構造、電子構造の要素を明らかにする。また、高電位における超セラミックス電極触媒表面での酸素分子形成挙動を明らかにする。
（生体材料）2023年度は成長因子を担持したリン酸カルシウムを、2024年度は抗菌成分を担持したリン酸カルシウムを合成し、それらの機能をin vitro試験により実証してきた。2025年度は、複数の機能性成分（成長因子、抗菌剤等）を共担持したリン酸カルシウム複合化足場材やリンカルシウム複合粒子を作製する。in vitro試験ならびにラットを用いたin vivo試験により機能検証を進め、リン酸カルシウム系超セラミックスのバイオ機能の制御指針を明らかにする。
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