Exploring new layered compounds by designing synthesis reactions

• Project/Area Number: 20KK0124
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 36:Inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 三浦 章 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (10603201)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤岡 正弥 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (40637740) ; 後藤 陽介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (60760783)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2023: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: 新規化合物 / その場観察 / 反応理解 / 層状化合物 / 新規物質探索 / 固相反応 / 合成設計 / 層状構造 / 反応設計 / 計算科学

Outline of Research at the Start

X線回折および電子顕微鏡を用いた固相反応の可視化と、第一原理計算や機械学習を組み入れた計算科学による固相反応の論理化により、多元系層状化合物における複雑な固相合成反応を論理的に設計するための反応モデルを提案する。反応モデルから多元系層状化合物の合成反応を設計することで、電池材料・熱電材料・超伝導材料を創出する。日本・アメリカ・イギリスの若手研究者による固相反応化学に関する研究拠点を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

計算科学の発展によって、物質の構造・特性・熱力学的安定性に関する知見を用いた材料開発が行われるようになった一方で、材料合成は未だに試行錯誤によって行われており、時間がかかり、不確実性があり、成功するにはセレンディピティが必要になることもある。そこで研究では、層状化合物の合成反応を逐次的な反応の可視化と論理化によって明らかにし、新規層状化合物の論理的な探索を目指すものである。

主要な成果として、熱力学的な安定性と準安定性を整理することで、合成経路と化合物の安定性の理解を深めた。合成反応中に相対的な安定性が変化する場合と変化しない場合において、ことなる準安定性が必要なことを提案した。この準安定性の定義のもと、リチウムイオン伝導体であるLi3YCl6の多形生成における準安定性と合成経路の関連性を議論した。また、アメリカ連携先のWenhao SUN教授とともにMo2N3の合成機構の解析を行った。新規熱電材料であるMg3Sb2 and Mg3Bi2の伝導パスの異方性を明らかにした。

5月-6月には、アメリカのミシガン大学の博士課程学生を引き受け反応挙動の解析を行った。6月には、Advanced thermodynamicsとの題目で国際ワークショップを行った。アメリカ、フランス、トルコなどから国内外の研究者をよび、若手学生も参加し、情報交換とネットワーク形成を行った。9月にはアメリカのミシガン大学で共同研究を行った。このように順調に国際ネットワークが拡大しており、共同研究も進行中である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

国際ネットワークを順調に成長させることができており、順調に進行している。

Strategy for Future Research Activity

本研究成果を来年度のSolid-state chemistryのGordon Conference で発表する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ミシガン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] University of michigan(米国)
• [Int'l Joint Research] ミシガン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ミシガン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] オックスフォード大学(英国)
• [Journal Article] Nitrogen-Rich Molybdenum Nitride Synthesized in a Crucible under Air (2024)
  • Author(s): Demura Momoka、Nagao Masanori、Lee Chul-Ho、Goto Yosuke、Nambu Yusuke、Avdeev Maxim、Masubuchi Yuji、Mitsudome Takato、Sun Wenhao、Tadanaga Kiyoharu、Miura Akira
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 63 Issue: 11 Pages: 4989-4996
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.3c04345
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Band Anisotropy Generates Axis-Dependent Conduction Polarity of Mg₃Sb₂ and Mg₃Bi₂ (2024)
  • Author(s): Goto Yosuke、Usui Hidetomo、Murata Masayuki、Goldberger Joshua E.、Heremans Joseph P.、Lee Chul-Ho
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 36 Issue: 4 Pages: 2018-2026
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02970
• [Journal Article] Intercalation on Transition Metal Trichalcogenides via a Quasi‐Amorphous Phase with 1D Order (2023)
  • Author(s): Fujioka Masaya、Jeem Melbert、Sato Kento、Tanaka Masashi、Morita Kazuki、Shibuya Taizo、Takahashi Kiyonori、Iwasaki Suguru、Miura Akira、Nagao Masanori、Demura Satoshi、Sakata Hideaki、Ono Madoka、Kaiju Hideo、Nishii Junji
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 33 Issue: 10 Pages: 2208702-2208702
  • DOI: 10.1002/adfm.202208702
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermoelectric Properties of Zintl Arsenide EuCuAs (2023)
  • Author(s): Nakamura Naoto、Goto Yosuke、Nakahira Yuki、Miura Akira、Moriyoshi Chikako、Lee Chul-Ho、Usui Hidetomo、Mizuguchi Yoshikazu
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: - Issue: 5 Pages: 3121-3131
  • DOI: 10.1007/s11664-023-10290-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Conserved axis-dependent conduction polarity in NaSnAs polycrystalline bulk sample for transverse thermoelectric application (2022)
  • Author(s): Omprakash Muthusamy、Usui Hidetomo、Yanagi Kazuhiro、Mizuguchi Yoshikazu、Goto Yosuke
  • Journal Title: Materials Today Communications Volume: 31 Pages: 103558-103558
  • DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103558
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 固相合成のその場XRD測定と新規材料探索 (2022)
  • Author(s): 三浦, 章
  • Journal Title: セラミックス Volume: 57 Pages: 674-677
• [Journal Article] Phase transition, magnetic, and electronic properties of CeOInS₂ (2021)
  • Author(s): ITO Hiroaki、MIURA Akira、GOTO Yosuke、MIZUGUCHI Yoshikazu、MORIYOSHI Chikako、KUROIWA Yoshihiro、ROSERO-NAVARRO Nataly Carolina、TADANAGA Kiyoharu
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 129 Issue: 5 Pages: 249-253
  • DOI: 10.2109/jcersj2.20205
  • NAID: 130008033407
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Year and Date: 2021-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observing and Modeling the Sequential Pairwise Reactions that Drive Solid‐State Ceramic Synthesis (2021)
  • Author(s): Miura Akira、Bartel Christopher J.、Goto Yosuke、Mizuguchi Yoshikazu、Moriyoshi Chikako、Kuroiwa Yoshihiro、Wang Yongming、Yaguchi Toshie、Shirai Manabu、Nagao Masanori、Rosero‐Navarro Nataly Carolina、Tadanaga Kiyoharu、Ceder Gerbrand、Sun Wenhao
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 33 Issue: 24 Pages: 2100312-2100312
  • DOI: 10.1002/adma.202100312
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Kinetically Stabilized Cation Arrangement in Li3YCl6 Superionic Conductor during Solid‐State Reaction (2021)
  • Author(s): Ito Hiroaki、Shitara Kazuki、Wang Yongming、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Goto Yosuke、Moriyoshi Chikako、Rosero‐Navarro Nataly Carolina、Miura Akira、Tadanaga Kiyoharu
  • Journal Title: Advanced Science Volume: 8 Issue: 15 Pages: 2101413-2101413
  • DOI: 10.1002/advs.202101413
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Combustion Reactions between Transition-Metal Chlorides and Sodium Amide and Their Ignition Temperature (2021)
  • Author(s): Noguchi Shinji、Odahara Jin、Sakai Hayato、Rosero-Navarro Nataly Carolina、Miura Akira、Tadanaga Kiyoharu
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 60 Issue: 17 Pages: 12753-12758
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00557
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermoelectric Properties of the As/P-Based Zintl Compounds EuIn2As2?xPx (x = 0?2) and SrSn2As2 (2021)
  • Author(s): Shinozaki Keisuke、Goto Yosuke、Hoshi Kazuhisa、Kiyama Ryosuke、Nakamura Naoto、Miura Akira、Moriyoshi Chikako、Kuroiwa Yoshihiro、Usui Hidetomo、Mizuguchi Yoshikazu
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 未発行 Issue: 5 Pages: 5155-5164
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c00687
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bipolar doping and thermoelectric properties of Zintl arsenide Eu₅In₂As₆ (2021)
  • Author(s): Tomitaka Naoki、Goto Yosuke、Morino Kota、Hoshi Kazuhisa、Nakahira Yuki、Ito Hiroaki、Miura Akira、Usui Hidetomo、Mizuguchi Yoshikazu
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 9 Issue: 46 Pages: 26362-26370
  • DOI: 10.1039/d1ta07559d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observing and modeling the sequential pairwise reactions that drive solid-state ceramic synthesis (2021)
  • Author(s): Akira Miura, Christopher J. Bartel, Yusuke Goto, Yoshikazu Mizuguchi, Chikako Moriyoshi, Yoshihiro Kuroiwa, Yongming Wang, Toshie Yaguchi, Manabu Shirai, Masanori Nagao, Nataly Carolina Rosero-Navarro, Kiyoharu Tadanaga, Gerbrand Ceder, Wenhao Sun
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation Mechanism of β-Li3PS4 through Decomposition of Complexes (2021)
  • Author(s): Marcela Calpa, Hiroshi Nakajima, Shigeo Mori, Yosuke Goto, Yoshikazu Mizuguchi, Chikako Moriyoshi, Yoshihiro Kuroiwa, Nataly Carolina Rosero-Navarro, Akira Miura, Kiyoharu Tadanaga
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 大気下で合成したモリブデン窒化物 (2023)
  • Author(s): 出村 萌々香、三浦 章、長尾 雅則、李 哲虎、後藤 陽介、南部 雄亮、AVDEEV Maxim、鱒渕 友治、満留 敬人、藤井 雄太・忠永 清治
  • Organizer: 日本セラミックス協会第36回秋季シンポジウム
• [Presentation] Li3YCl6の相転移 (2023)
  • Author(s): 三浦 章、井藤浩明、忠永清治
  • Organizer: 第49回固体イオニクス討論会
• [Presentation] 多元系セラミックス材料の高速合成法の開発とその理論解明 (2023)
  • Author(s): 三浦 章
  • Organizer: 第 162 回フロンティア材料研究所学術講演会
  • Invited
• [Presentation] In-situ SEM-EDX システムとセラミックス合成のその場観察 (2023)
  • Author(s): 三浦 章・忠永 清治・ Ansbro Avery-Ryan・ Heron John・Sun Wenhao・佐々木 俊輔・宮武 耕志・望月 貞彦
  • Organizer: 日本セラミックス協会2023年会
• [Presentation] 固相合成反応のその場測定による準安定相の創出 (2022)
  • Author(s): 三浦章
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会・シンポジウムS3 物質中に現れる準安定性の科学：その理解と設計に基づく物性開拓
  • Invited
• [Presentation] Synthesis-Structure Relationship Guided by Intermediate and Remnant Metastability (2022)
  • Author(s): Akira Miura, Hiroaki Ito, Yuki Nakahira, Yosuke Goto, Yoshikazu Mizuguchi, Chikako Moriyoshi, Nataly Carolina Rosero-Navarro and Kiyoharu Tadanaga
  • Organizer: 2022 MRS Fall Meeting, DS01.02.06, Boston, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermodynamic ally metastable materials o btained by ion diffusion control (2022)
  • Author(s): M. Fujioka
  • Organizer: IUMRS-ICYRAM 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] イオン拡散制御による新規準安定物質開発 (2022)
  • Author(s): 藤岡 正弥
  • Organizer: 日本セラミック ス協会第35回秋季シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 放射光その場XRD・TEM・DFTを駆使したセラミックス固相合成反応機構の研究 (2022)
  • Author(s): 三浦章
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会
  • Invited
• [Presentation] The interplay between thermodynamics and kinetics in solid-state ceramic synthesis (2021)
  • Author(s): Wenhao Sun・Akira Miura・Christopher J. Bartel
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
  • Invited
• [Presentation] Synthesis Design of Functional Materials using DFT Database (2021)
  • Author(s): Akira Miura
  • Organizer: Joint Symposium on Faculty of Engineering, Faculty of Information Science and Technology, and ICReDD
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] YBa2Cu3O6+x合成における固相反応の可視化 (2021)
  • Author(s): 三浦章
  • Organizer: 先端無機材料共同研究拠点成果報告会
• [Presentation] その場測定と第一原理計算による材料合成反応の解析 (2021)
  • Author(s): 三浦 章
  • Organizer: 日本セラミックス協会秋季シンポジウム
• [Presentation] 新規準安定Li3YCl6相における速度論的なカチオン秩序の安定化 (2021)
  • Author(s): 井藤 浩明・設樂 一希・Wang Yongming・藤井 孝太郎・八島 正知・後藤 陽介・森吉 千佳子・Rosero-Navarro Nataly Carolina・三浦 章・忠永 清治
  • Organizer: 日本セラミックス協会秋季シンポジウム
• [Presentation] Li+伝導性塩化物Li3YCl6 の新規多形の低温固相合成 (2021)
  • Author(s): 井藤 浩明、設樂 一希、王 永明、 藤井 孝太郎、八島 正知、後藤 陽介、 森吉 千佳子、Rosero-Navarro Nataly Carolina、三浦 章、忠永 清治
  • Organizer: 第62回電池討論会
• [Presentation] AgインターカレーションによるZrTe3の擬アモルファス相と 新規結晶相」 (2021)
  • Author(s): 藤岡 正弥*、メルバート ジェーム、岩﨑 秀、田中 将嗣、出村 郷志、小野 円 佳、西井 準治
  • Organizer: 日本金属学会 2021年春期(第168回)講演大会
• [Presentation] 高圧固体電気化学 法による層状化合物 MoTe2への一価カチオンのインターカレーション (2021)
  • Author(s): 岩﨑 秀*、星野 海大、メルバート ジェーム、藤岡 正弥
  • Organizer: 第62回 高圧討論会
• [Presentation] YBa2Cu3O6+xの固相合成反応の観察と反応モデルの構築 (2021)
  • Author(s): 三浦 章・Bartel Christopher・後藤 陽介・水口 佳一・森吉 千佳子・黒岩 芳弘・Yongming Wang・矢口 紀恵・白井 学・長尾 雅則・Rosero-Navarro Nataly Carolina・忠永 清治・Ceder Gerbrand・Sun Wenhao
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] MgCr2S4の選択的メタセシス合成 (2021)
  • Author(s): 三浦 章・井藤 浩明・Bartel J. Christopher・Sun Wenhao・Rosero-Navarro Nataly Carolina・忠永 清治・中田 博子・前田 和彦・Ceder Gerbrand
  • Organizer: 日本セラミックス協会2020年会
• [Presentation] 反応の熱力学的設計によるMgCr2S4の選択的合成 (2020)
  • Author(s): 井藤 浩明・三浦 章・Christopher Bartel・Wenhao Sun・Rosero-Navarro Nataly Carolina・忠永 清治・Gerbrand Ceder
  • Organizer: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [Presentation] YBa2Cu3O7-x の固相合成を視て理解する (2020)
  • Author(s): 三浦 章, Christopher J. Bartel, 後藤 陽介, 水口 佳一, 森吉 千佳, 黒岩 芳弘, Yongming Wang, 矢口 紀恵, 白井 学, 長尾 雅則, Nataly Carolina Rosero-Navarro, 忠永清治, Gerbrand Ceder, Wenhao Sun
  • Organizer: 第14回物性科学領域横断研究会
• [Funded Workshop] Advanced thermodynamics (2023)