A discrete surface theory of carbon networks for interpretation of properties and prediction-based material synthesis

• Project Area: Discrete Geometric Analysis for Materials Design
• Project/Area Number: 18H04477
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 伊藤 良一 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90700170)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2019: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2018: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
• Keywords: グラフェン / 離散幾何学 / カーボンネットワーク / 標準化モデル / 触媒 / 化学ドーピング / 窒素 / 水素発生 / 離散曲面論 / ナノ材料科学 / 周期極小曲面 / 逆問題 / 電気伝導 / 化学ドープ

Outline of Annual Research Achievements

標準化数学モデルの構築とそのモデルを用いたカーボンネットワークへの化学ドープのしやすさについて着目し、離散幾何学を用いた材料設計を推進した。標準化数学モデルの構築については、グラフェンが持つ正六角形のカーボンネットワークをボール（炭素原子）とバネ（化学結合）に置き換えて単純化するモデル化を試みた。第一近接から第三近接までの吸引力と反発力をそれぞれ数学モデルに組み込み、幾何学のエッセンス（炭素間の結合長や局所的ガウス曲率の変化など）を抽出して比較した。その結果、第一近接吸引力、第一近接と第二近接の反発力を組み込んだ新たな標準化モデルが構造をよく再現していることが明らかとなった。次にこの標準化モデル手法を1つの窒素原子を導入したグラフェン構造に適応した。窒素原子はグラフェンの格子内部に取り込まれると良い触媒サイトになることが知られているので、どのような幾何学的構造を持つとき化学ドープされやすいのかなどの数学的予測と解釈を試みた。特徴的なグラフェン構造（エッジや5-7欠陥など）に1つの窒素原子をドープした場合、グラフェンのカーボンネットワークが歪んでいる領域では窒素原子ドープ前後で局所的ガウス曲率が大きく変化することが明らかとなった。このガウス曲率の変化が窒素原子ドープにどのように関係しているかを検証するために実験的に窒素原子をドープしたグラフェン試料を作製した。透過型電子顕微鏡を用いて基礎的な幾何学構造データを取得したところ、窒素原子をドープした周辺構造が大きく乱れていることが確認できた。また、窒素原子の空間分布をその場計測した結果、カーボンネットワークが歪んでいる領域で多くの窒素原子が存在していることが確認された。以上より、数学モデルの構築から幾何学構造の解釈とそこから導かれる特性予測に基づいた材料合成を行い、実験的に標準化モデルの正しさの実証まで関連付けることに成功した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ジョンズ・ホプキンズ大学(米国)
• [Journal Article] ナノポーラス金属と触媒・エネルギー分野への応用 (2020)
  • Author(s): 藤田武志、伊藤良一
  • Journal Title: 化学工業 Volume: 71 Pages: 32-39
• [Journal Article] Fabrication of graphene/MoS2 alternately stacked structure for enhanced lithium storage (2020)
  • Author(s): Yu Xiaoliang、Tang Jie、Terabe Kazuya、Sasaki Taizo、Gao Runsheng、Ito Yoshikazu、Nakura Kensuke、Asano Kazuko、Suzuki Masa-aki
  • Journal Title: Materials Chemistry and Physics Volume: 239 Pages: 121987-121987
  • DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.121987
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Building a Reactive Armor Using S-Doped Graphene for Protecting Potassium Metal Anodes from Oxygen Crossover in K?O2 Batteries (2020)
  • Author(s): Hu Kailong、Qin Lei、Zhang Songwei、Zheng Jingfeng、Sun Jiaonan、Ito Yoshikazu、Wu Yiying
  • Journal Title: ACS Energy Letters Volume: 5 Issue: 6 Pages: 1788-1793
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00715
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Understanding the Detection Mechanisms and Ability of Molecular Hydrogen on ThreeDimensional Bicontinuous Nanoporous Reduced Graphene Oxide (2020)
  • Author(s): Yoshikazu Ito, Megumi Kayanuma, Yasuteru Shigeta, Jun-ichi Fujita, Yoichi Tanabe
  • Journal Title: Materials Volume: 13 Issue: 10 Pages: 2259-2259
  • DOI: 10.3390/ma13102259
  • NAID: 120007166901
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anchoring Single-Atom Mo and N on Edge-Rich Nanoporous Holey Graphene as Bifunctional Air Electrode in Zn-Air Batteries (2020)
  • Author(s): Peng Du, Kailong Hu, Juan Lyu, Huanglong Lia, Xi Lin, Guoqiang Xie, Xingjun Liu, Yoshikazu Ito, Hua-Jun Qiu
  • Journal Title: Applied Catalysis B: Environmental Volume: - Pages: 119172-119172
  • DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119172
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Metal and Nonmetal Codoped 3D Nanoporous Graphene for Efficient Bifunctional Electrocatalysis and Rechargeable Zn?Air Batteries (2019)
  • Author(s): Qiu Hua‐Jun、Du Peng、Hu Kailong、Gao Jiaojiao、Li Huanglong、Liu Pan、Ina Toshiaki、Ohara Koji、Ito Yoshikazu、Chen Mingwei
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 31 Issue: 19 Pages: 1900843-1900843
  • DOI: 10.1002/adma.201900843
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemical dopants on edge of holey graphene accelerate electrochemical hydrogen evolution reaction (2019)
  • Author(s): A. Kumatani, C. Miura, H. Kuramochi, T. Ohto, M. Wakisaka, Y. Nagata, H. Ida, Y. Takahashi, K. Hu, S. Jeong, J. Fujita, T. Matsue, Y. Ito,
  • Journal Title: Adv. Sci. Volume: - Issue: 10 Pages: 1900119-1900119
  • DOI: 10.1002/advs.201900119
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Damage‐Free Solar Dewatering of Micro‐Algal Concentrates via Multifunctional Hierarchical Porous Graphene (2019)
  • Author(s): Ito Yoshikazu、Habata Yuto、Kuramochi Hirotaka、Kusuda Emi、Hu Kailong、Masuda Hideki、Fujita Junichi、Nagata Yuki、Watanabe Makoto M.、Isdepsky Andreas
  • Journal Title: Advanced Sustainable Systems Volume: 3 Issue: 9 Pages: 1900045-1900045
  • DOI: 10.1002/adsu.201900045
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 非金属系多孔質グラフェン電極触媒の開発 (2019)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Journal Title: 機能材料 Volume: 39 Pages: 44-54
  • NAID: 40022642234
• [Journal Article] 家庭用水電解装置に向けて (2019)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Journal Title: 水素エネルギーシステム Volume: 44 Pages: 268-269
• [Journal Article] Effect of Graphene Encapsulation of NiMo Alloys on Oxygen Evolution Reaction (2019)
  • Author(s): Jeong Samuel、Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko、Nagata Yuki、Masuda Hideki、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 10 Issue: 1 Pages: 792-799
  • DOI: 10.1021/acscatal.9b04134
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Boosting electrochemical water splitting via ternary NiMoCo hybrid nanowire arrays (2019)
  • Author(s): Hu Kailong、Wu Mingxing、Hinokuma Satoshi、Ohto Tatsuhiko、Wakisaka Mitsuru、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 7 Issue: 5 Pages: 2156-2164
  • DOI: 10.1039/c8ta11250a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lithium intercalation into bilayer graphene (2019)
  • Author(s): Ji Kemeng、Han Jiuhui、Hirata Akihiko、Fujita Takeshi、Shen Yuhao、Ning Shoucong、Liu Pan、Kashani Hamzeh、Tian Yuan、Ito Yoshikazu、Fujita Jun-ichi、Oyama Yutaka
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 275-275
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07942-z
  • NAID: 120007133576
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Graphene Layer Encapsulation of Non-Noble Metal Nanoparticles as Acid-Stable Hydrogen Evolution Catalysts (2018)
  • Author(s): Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko、Chen Linghan、Han Jiuhui、Wakisaka Mitsuru、Nagata Yuki、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: ACS Energy Letters Volume: 3 Issue: 7 Pages: 1539-1544
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00739
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱による細胞損傷なく太陽光で含水 バイオマスを濃縮する技術の開発 (2020)
  • Author(s): 伊藤良一、楠田恵美、永田勇樹、渡邉信、イスデプスキーアンドレアス
  • Organizer: 日本化学会 第100春季年会
• [Presentation] Van der Waals epitaxy of MoS2 on epitaxial and self-standing graphene (2019)
  • Author(s): N. Motta, J. Bradford, J. Lipton-Duffin, J. MacLeod, A Wolff, K. Hu, Y. Ito, C.Mariani, M. G. Betti
  • Organizer: Workshop on Surface Science and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水素社会実現に向けた酸性中でも腐食しない卑金属電極の開発 (2019)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Organizer: 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム令和元年度利用成果発表会
  • Invited
• [Presentation] Chemically doped graphenes for electrochemical hydrogen production (2019)
  • Author(s): Yoshikazu Ito
  • Organizer: The Fifth International Symposium on Innovative Materials and Processes in Energy Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hydrogen ion penetration through graphene layers (2019)
  • Author(s): Kailong Hu, Tatsuhiko Ohto, Yuki Nagata, Mitsuru Wakisaka, Yoshikazu Ito
  • Organizer: The Fifth International Symposium on Innovative Materials and Processes in Energy Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 立体的な多孔質構造を持たせたグラフェンによる応用用途開拓 (2019)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Organizer: グラフェン・酸化グラフェン合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Mathematically-designed graphene in electrochemical water splitting (2019)
  • Author(s): Yoshikazu Ito
  • Organizer: MATERIALS RESEARCHMEETING 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Graphene Encapsulation Effects on NiMo Alloy in Oxygen Evolution Reaction (2019)
  • Author(s): Samuel Jeong, Kailong Hu, Tatsuhiko Ohto, Yuki Nagata, Hideki Masuda, Jun-ichi Fujita, Yoshikazu Ito
  • Organizer: MATERIALS RESEARCHMEETING 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] エッジに化学ドープされた穴空きグラフェンによる電気化学的水素発生反応 (2019)
  • Author(s): 伊藤良一、熊谷明哉、三浦千穂、倉持宏隆、大戸達彦、脇坂暢、永田勇樹、高橋康史、Hu Kailong、藤田淳一、末永 智一
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] グラフェンのナノ構造と酸性条件下で腐食しない卑金属触媒 (2018)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Organizer: 2018年度微細構造解析プラットフォームシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 化学結合を制御した多孔質グラフェンの物性とその応用研究 (2018)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Organizer: 第11回酸化グラフェンシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Graphene layer encapsulation of non-noble metal nanoparticles as acid-stable hydrogen evolution catalysts (2018)
  • Author(s): Kailong Hu, Tatsuhiko Ohto, Mitsuru Wakisaka, Yuki Nagata, Jun-ichi Fujita, Yoshikazu Ito
  • Organizer: 2018 Annual Nanotechnology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 穴の空いた3次元グラフェンを用いた金属を使用しない水素発生電極の開発 (2018)
  • Author(s): 倉持宏隆，胡凱龍，脇坂暢，藤田淳一，伊藤良一
  • Organizer: 分子科学討論会
• [Presentation] Graphene layer encapsulation of non-noble metal nanoparticles as acid-stable hydrogen evolution catalysts (2018)
  • Author(s): Kailong Hu, Yoshikazu Ito
  • Organizer: 第２回プレ戦略研究会「次世代物質・デバイス戦略開発拠点」
• [Book] 電気化学・インピーダンス測定のデータ解析手法と事例集 (2018)
  • Author(s): 技術情報協会編
  • Total Pages: 522
  • Publisher: 技術情報協会
• [Remarks] グラフェン構造を数学的観点から設計し、その優位性を電気化学イメージングにより初めて実証
  • URL: https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news/press/2019/20190404_001128.html
• [Remarks] Mathematically-designed graphene with improved
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/en/research-list/p201904191340