Creating new catalyst materials using boron monosulfide nanosheets

• Project/Area Number: 22K18964
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70373305)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 硫化ホウ素 / ホウ素 / 触媒 / 2次元物質 / 電極触媒

Outline of Research at the Start

本研究では，我々が世界で初めて単離生成を実現した新規二次元物質である硫化ホウ素シートを基軸に用い，新しい触媒材料群を創出します。金属を含まないホウ素と硫黄で構成される物質による電極触媒や熱触媒はこれまでに報告が無く，硫化ホウ素シートは新しい典型元素の触媒材料といえます。そこで本研究では，白金族などのこれまでのｄバンドを主体とした遷移金属触媒とは異なる，新しい典型元素触媒群の構築を目指して硫化ホウ素シートを基盤とした高機能・高寿命触媒群の創出に挑戦します。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，我々が世界で初めて単離生成を実現した新規二次元物質である硫化ホウ素シートを基軸に用い，新しい触媒材料群を創出することです。硫化ホウ素シートは二硫化モリブデンのモリブデン原子を二つのホウ素原子で置換した結晶構造を持つ二次元物質です。本年度の研究により、硫化ホウ素シートが積層した菱面体硫化ホウ素をグラフェン粉末と１：２の質量比で混合すると、アルカリ中での酸素生成反応に対する電極触媒活性が市販のRuO2よりも高い性能を示すことを見出しました。耐久性や繰り返し特性も優れており、X線回折、ラマン散乱分光、X線光電子分光、走査電子顕微鏡観察などから、使用前後で組成や構造に大きな変化が無いこともわかりました。一方で100時間などの長時間使用をすると生成酸素ガスの吹き出しなどの影響と思われる電極からの触媒剥離が起こり、性能が劣化することもわかりました。これを防ぐためにニッケルフォームを用いて触媒を担持したところ100時間でも性能が劣化せず高い触媒性能が維持されることがわかりました。さらに東工大の宮内研究室との共同研究で菱面体硫化ホウ素が様々な優れた光触媒としての機能を有していることが示されました。来年度はこれらの本年度見出した新しい優れた触媒特性に着目し、触媒活性を決める部位や触媒反応メカニズムを明らかにし、更なる性能向上への材料設計指針とすることで本研究で見出した新しい触媒材料の性能をさらに向上させてまいります。

Current Status of Research Progress

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

Reason

硫化ホウ素シートが積層した菱面体硫化ホウ素をグラフェン粉末と１：２の質量比で混合すると、アルカリ中での酸素生成反応に対する電極触媒活性が市販のRuO2よりも高い性能を示すことを見出し、ニッケルフォームを用いて触媒を担持したところ100時間でも性能が劣化せず高い触媒性能が維持されることがわかりました。さらに東工大の宮内研究室との共同研究で菱面体硫化ホウ素が様々な優れた光触媒としての機能を有していることも示されました。以上より研究はおおむね順調に進展しているといえます。

Strategy for Future Research Activity

本年度見出した新しい優れた触媒特性に着目し、触媒活性を決める部位や触媒反応メカニズムを明らかにし、更なる性能向上への材料設計指針とすることで本研究で見出した新しい触媒材料の性能をさらに向上させてまいります。

Research Products

• [Journal Article] Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES (2023)
  • Author(s): Katsuaki Sugawara, Haruki Kusaka, Tappei Kawakami, Koki Yanagizawa, Asuka Honma, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Shin-ichi Orimo, Masayuki Toyoda, Susumu Saito, Takahiro Kondo, and Takafumi Sato
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 23 Issue: 5 Pages: 1673-1679
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04048
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rhombohedral Boron Monosulfide as a p-Type Semiconductor (2023)
  • Author(s): Norinobu Watanabe, Keisuke Miyazaki, Masayuki Toyoda, Kotaro Takeyasu, Naohito Tsujii, Haruki Kusaka, Akiyasu Yamamoto, Susumu Saito, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Takashi Aizawa, Takao Mori, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
  • Journal Title: Molecules Volume: 28 Issue: 4 Pages: 1896-1896
  • DOI: 10.3390/molecules28041896
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Highly dispersed Ni nanoclusters spontaneously formed on hydrogen boride sheets (2022)
  • Author(s): Natsumi Noguchi, Shin-ichi Ito, Miwa Hikichi, Yohei Cho, Kazuho Goto, Atsushi Kubo, Iwao Matsuda, Takeshi Fujita, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
  • Journal Title: Molecules Volume: 27 Issue: 23 Pages: 8261-8261
  • DOI: 10.3390/molecules27238261
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] カーボンニュートラルに貢献する材料の開発研究 (2023)
  • Author(s): 近藤剛弘
  • Organizer: 産学連携炭素材料研究会
  • Invited
• [Presentation] CaB6のイオン交換による B,Ca,H を含む 3 次元ホウ素ネットワーク物質 (2023)
  • Author(s): 吉岡ひかり, 冨中悟史, Ben Slater, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • Organizer: 第15回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] 金属水素化物とホウ化水素シートの複合体調製と評価 (2023)
  • Author(s): 後藤和歩, 野口夏未, 伊藤伸一, 藤田武志, 細野秀雄, 折茂慎一, 近藤剛弘
  • Organizer: 第15回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] ホウ化水素シート上での Ni ナノクラスターの自発的形成 (2023)
  • Author(s): 野口夏未, 伊藤伸一, 引地美亜, 張葉平, 後藤和歩, 久保敦, 松田巌, 藤田武志, 宮内雅浩, 近藤剛弘
  • Organizer: 第15回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] r-BS as a promising high-performance metal-free electrocatalyst for OER (2023)
  • Author(s): Linghui Li, Satoshi Hagiwara, Cheng Jiang, Haruki Kusaka, Norinobu Watanabe, Takeshi Fujita, Akiyasu Yamamoto, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Hideo Hosono, Fumiaki Kuroda, Minoru Otani, Takahiro Kondo
  • Organizer: 第15回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] Investigation of carrier properties of rhombohedral boron sulfide (2023)
  • Author(s): N. Watanabe, K. Miyazaki, M. Toyoda, K. Takeyasu, N. Tsujii, H. Kusaka, A. Yamamoto, S. Saito, M. Miyakawa, T. Taniguchi, T. Aizawa, T. Mori, M. Miyauchi, T. Kondo
  • Organizer: 第15回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] 菱面体硫化ホウ素(r-BS)の光触媒特性 (2022)
  • Author(s): 宮﨑啓佑、山口晃、日下陽貴、渡邉範陳、宮川仁、谷口 尚、近藤剛弘、宮内雅浩
  • Organizer: 第27回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」
• [Presentation] Hydrogen boride and boron monosulfide sheets (2022)
  • Author(s): Takahiro Kondo
  • Organizer: The 8th Southeast Asia Collaborative Symposium on Energy Materials (SACSEM 8th)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hydrogen boride sheets and boron monosulfide sheets (2022)
  • Author(s): Takahiro Kondo
  • Organizer: The International Boron Symposium (BORON2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spontaneous reduction reaction of Ni ion by hydrogen boride sheets (2022)
  • Author(s): Natsumi Noguchi, Shin-ichi Ito, Miwa Hikichi, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] r-BS as a metal-free electrocatalyst for OER with high performance and strong durability (2022)
  • Author(s): Linghui Li, Cheng Jiang, Haruki Kusaka, Norinobu Watanabe, Takeshi Fujita, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Takahiro Kondo
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluating the interaction of hydrogen boride sheets and water (2022)
  • Author(s): Kurt Irvin M Rojas, Nguyen Thanh Cuong, Hiroaki Nishino, Ryota Ishibiki, Shin-ichi Ito, Masahiro Miyauchi, Yoshitaka Fujimoto, Satoshi Tominaka, Susumu Okada, Hideo Hosono, Nelson B. Arboleda Jr., Takahiro Kondo, Yoshitada Morikawa, Ikutaro Hamada
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-dimensional boron network compounds composed of B, Ca and H through proton-exchange reaction of CaB6 (2022)
  • Author(s): Hikari Yoshioka, Satoshi Tominaka, Ben Slater, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MgH2 Nanoparticle-Hydrogen Boride Sheet Nanocomposites for Hydrogen Storage (2022)
  • Author(s): Kazuho Goto, Shin-ichi Ito, Takeshi Fujita, Hideo Hosono, Shin-ichi Orimo, Takahiro Kondo
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploration of new 2D materials composed by boron and phosphorus with 1:1 stoichiometric ratio by controlling temperature and pressure (2022)
  • Author(s): Norinobu Watanabe, Haruki Kusaka, Akiyasu Yamamoto, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Takahiro Kondo
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] To explore the synthesis condition of h-BP (2022)
  • Author(s): Norinobu Watanabe, Haruki Kusaka, Akiyasu Yamamoto, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi and Takahiro Kondo
  • Organizer: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of three-dimensional boron network compounds composed of B, Ca and H through proton-exchange reactions (2022)
  • Author(s): Hikari Yoshioka, Satoshi Tominaka, Ben Slater, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • Organizer: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reduction reaction of Ni ions on hydrogen boride sheets (2022)
  • Author(s): Natsumi Noguchi, Shin-ichi Ito, Miwa Hikichi, Masahiro Miyauchi, Takahiro Kondo
  • Organizer: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] r-BS as a promising high performance with strong durability metalfree electrocatalyst for OER (2022)
  • Author(s): Linghui Li, Cheng Jiang, Haruki Kusaka, Norinobu Watanabe, Takeshi Fujita, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Takahiro Kondo
  • Organizer: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Highly dispersed MgH2 nanoparticle-Hydrogen boride sheet nanocomposites for superior hydrogen storage materials (2022)
  • Author(s): Goto Kazuho, Shin-ichi Ito, Takeshi Fujita, Hideo Hosono, Shin-ichi Orimo, Takahiro Kondo
  • Organizer: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rhombohedral boron monosulfide and 2D boron monosulfide sheets (2022)
  • Author(s): Takahiro Kondo
  • Organizer: 21st International Symposium on Boron, Borides and related materials (ISBB2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] New two-dimensional material of hydrogen boride sheets Hydrogen (2022)
  • Author(s): Takahiro Kondo
  • Organizer: Toyota FC research global workshop (Hydrogen Storage)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 2nd Global Summit and Expo on Graphene and 2D Materials (2DMAT2022) (2022)
  • Author(s): Takahiro Kondo
  • Organizer: Hydrogen boride sheets and boron monosulfide sheets
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 典型元素で構成される新しい機能性物質の開拓 (2022)
  • Author(s): 近藤剛弘
  • Organizer: 分子研物質分子科学研究領域研究会「物質分子科学の研究展望」
  • Invited
• [Presentation] 水素とホウ素で構成されるホウ化水素シート材料の機能と展開 (2022)
  • Author(s): 近藤剛弘
  • Organizer: 水素科学技術連携研究会第1回研究会
  • Invited
• [Presentation] Composite of MgH2 Nanoparticles and Hydrogen Boride Sheets for Efficient Hydrogen Storage Material (2022)
  • Author(s): Kazuho Goto, Takeshi Fujita, Shin-ichi Ito, Hideo Hosono, Shin-ichi Orimo, Takahiro Kondo
  • Organizer: 2nd Int. Symposium "Hydrogenomics"
• [Patent(Industrial Property Rights)] 酸素生成反応触媒材料、組成物、複合体 (2022)
  • Inventor(s): 近藤剛弘, リレイケイ
  • Industrial Property Rights Holder: 近藤剛弘, リレイケイ
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-078212
  • Filing Date: 2022