Dvelopment of catalyst design of carbon network by using standard realization

• Project Area: Discrete Geometric Analysis for Materials Design
• Project/Area Number: 20H04628
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥22,360,000 (Direct Cost: ¥17,200,000、Indirect Cost: ¥5,160,000); Fiscal Year 2021: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000); Fiscal Year 2020: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
• Keywords: グラフェン / 離散幾何学 / カーボンネットワーク / 極小曲面 / 触媒 / 水電解 / 電気伝導度 / ディラック電子 / 標準化モデル / 化学ドープ / 離散曲面 / 標準実現 / 数学モデル / 欠陥構造

Outline of Research at the Start

材料科学では絶え間ない試行錯誤を経て優れた特性や最適な材料設計指針を得ることが一般的である。目まぐるしく変化する社会に対応すべく、望んだ特性や機能を持つような材料を自在にかつ迅速に設計することが求められている。この社会のニーズを満たすためには研究者の「感」や「経験」などに頼らず普遍的で効果的な材料設計を行える新しい手法の開発が必要である。ハチの巣構造を持つカーボンネットワークは離散幾何学でよく記述できる理想的な対象である。数学という普遍的な手法でカーボンネットワークをモデル化することで幾何学構造と材料特性の相関を深く理解し、新たな機能を予測する「逆問題」的材料開発の手法確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

初年度では、標準実現手法によって得られた知見が触媒設計に有効であることを実験的に実証した。そこで、最終年度では触媒に必要なもう一つの要素である電極自身の電気伝導特性の理解に向けて研究を拡大させた。
初年度で作製した３次元の周期的立体構造を持つグラフェン（以下、３次元と呼ぶ）に対して、グラフェンの曲がり具合を示す曲率半径を意図的に変更し、３次元集積化（曲面の詰め込み具合）がグラフェンの物性をどのように変えるのか、一定体積当たりどこまでの集積効率ならばグラフェンとしての特性を保持できるのかなどを検討した。つまり、本物質が持つ３種類の幾何学的な特徴：（1）原子間距離の伸縮を伴う曲面、（2）トポロジカル欠陥と呼ばれるグラフェンを３次元的に曲げるために不可欠な５、７、８員環構造と（3）疑似的な周期構造に着目した。（1）グラフェンの伸縮効果による炭素原子間の電荷の飛び移りの変調は、グラフェンの伝導電子の運動方向を変調する場（擬磁場）の発生させることが明らかとなった。従って、3次元グラフェンが持つ伸縮のある曲面上を電子が動き回ると、あたかも様々な方向に電子が散乱されるような効果を発生させた。（2）トポロジカル欠陥の周りを電子が一周すると、バレーと呼ばれるグラフェンの２つの異なる電子状態間を差し渡すように電子が散乱された。（3）周期構造をもつ３次元グラフェンの理論計算からは、周期の逆数に比例するバンドギャップの形成が示唆された。つまり、グラフェンに疑似的な周期構造が存在する場所では局所的にバンドギャップの形成が起こる可能性が見つかった。そこで、曲率の大幅に異なる３種類の３次元グラフェン（25 nm、50 nm、500 nm）の作製し、電気伝導性やキャリア易動度などを計測した結果、デバイス（受光素子、触媒電極やキャパシタなど）を考える上で重要な設計指針を得ることに成功した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ハルビン工業大学(中国)
• [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)
• [Int'l Joint Research] ローマ・サピエンツァ大学(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Tsinghua University(中国)
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] The Ohio State University/Johns Hopkins University(米国)
• [Int'l Joint Research] Sapienza University of Rome(イタリア)
• [Journal Article] Gap Opening in Double-Sided Highly Hydrogenated Free-Standing Graphene (2022)
  • Author(s): Betti Maria Grazia、Placidi Ernesto、Izzo Chiara、Blundo Elena、Polimeni Antonio、Sbroscia Marco、Avila Jos?、Dudin Pavel、Hu Kailong、Ito Yoshikazu、Prezzi Deborah、Bonacci Miki、Molinari Elisa、Mariani Carlo
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 22 Issue: 7 Pages: 2971-2977
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00162
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recyclable Clay-Supported Heteropolyacid Catalysts for Complete Glycolysis and Aminolysis of Post-consumer PET Beverage Bottles (2022)
  • Author(s): Gopal Jeya、Elumalai Ganesan、Tajuddin Aimi Asilah Haji、Ito Yoshikazu、Vajiravelu Sivamurugan、Ravikumar Dhanalakshmi
  • Journal Title: Journal of Polymers and the Environment Volume: - Issue: 6 Pages: 2614-2630
  • DOI: 10.1007/s10924-022-02386-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 2D MoS2 Heterostructures on Epitaxial and Self‐Standing Graphene for Energy Storage: From Growth Mechanism to Application (2021)
  • Author(s): Zebardastan Negar、Bradford Jonathan、Gupta Bharati、Lipton‐Duffin Josh、MacLeod Jennifer、Pham Hong Duc、Dubal Deepak、Ostrikov Kostya、Wolff Annalena、Hu Kailong、Ito Yoshikazu、Mariani Carlo、Betti Maria Grazia、Motta Nunzio
  • Journal Title: Advanced Materials Technologies Volume: 7 Issue: 4 Pages: 2100963-2100963
  • DOI: 10.1002/admt.202100963
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Disordered photonics behavior from terahertz to ultraviolet of a three-dimensional graphene network (2021)
  • Author(s): Tomarchio Luca、Macis Salvatore、D’Arco Annalisa、Mou Sen、Grilli Antonio、Romani Martina、Guidi Mariangela Cestelli、Hu Kailong、Kukunuri Suresh、Jeong Samuel、Marcelli Augusto、Ito Yoshikazu、Lupi Stefano
  • Journal Title: NPG Asia Materials Volume: 13 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41427-021-00341-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Corrosion-resistant non-noble metal electrodes for PEM-type water electrolyzer (2021)
  • Author(s): Tajuddin Aimi Asilah Haji、Elumalai Ganesan、Xi Zeyu、Hu Kailong、Jeong Samuel、Nagasawa Kensaku、Fujita Jun-ichi、Sone Yoshitsugu、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy Volume: 46 Issue: 78 Pages: 38603-38611
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.09.116
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polyethylene Glycol Covered Sn Catalysts Accelerate the Formation Rate of Formate by Carbon Dioxide Reduction (2021)
  • Author(s): Jeong Samuel、Ohto Tatsuhiko、Nishiuchi Tomohiko、Nagata Yuki、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 15 Pages: 9962-9969
  • DOI: 10.1021/acscatal.1c02646
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phase-Dependent Electrochemical CO2 Reduction Ability of NiSn Alloys for Formate Generation (2021)
  • Author(s): Ito Yoshikazu、Kukunuri Suresh、Jeong Samuel、Elumalai Ganesan、Haji Tajuddin Aimi Asilah、Xi Zeyu、Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 4 Issue: 7 Pages: 7122-7128
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c01207
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inhibiting Surface Diffusion to Synthesize 3D Bicontinuous Nanoporous N-Doped Carbon for Boosting Oxygen Reduction Reaction in Flexible All-Solid-State Al-Air Batteries (2021)
  • Author(s): Kailong Hu,Tingting Yu,Yanyi Zhang,Xiaorong Lin,Yilu Zhao,Guoqiang Xie,Xingjun Liu,Xi Lin,Jun-ichi Fujita,Hua-Jun Qiu,Yoshikazu Ito
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 23 Issue: 38 Pages: 2103632-2103632
  • DOI: 10.1002/adfm.202103632
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Geometric model of 3D curved graphene with chemical dopants (2021)
  • Author(s): Dechant Andreas、Ohto Tatsuhiko、Ito Yoshikazu、Makarova Marina V.、Kawabe Yusuke、Agari Tatsufumi、Kumai Hikaru、Takahashi Yasufumi、Naito Hisashi、Kotani Motoko
  • Journal Title: Carbon Volume: 182 Pages: 223-232
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.06.004
  • NAID: 120007180740
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] グラフェンを被膜した卑金属電極──白金代替電極へ向けた防食と触媒作用の両立 (2021)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Journal Title: 化学5月号 Volume: 76 Pages: 44-47
  • NAID: 40022555389
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deuterium Adsorption on Free-Standing Graphene (2021)
  • Author(s): Abdelnabi Mahmoud Mohamed Saad、Izzo Chiara、Blundo Elena、Betti Maria Grazia、Sbroscia Marco、Di Bella Giulia、Cavoto Gianluca、Polimeni Antonio、Garca-Corts Isabel、Rucandio Isabel、Moroo Alejandro、Hu Kailong、Ito Yoshikazu、Mariani Carlo
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 11 Issue: 1 Pages: 130-130
  • DOI: 10.3390/nano11010130
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Catalytic activity of graphene-covered non-noble metals governed by proton penetration in electrochemical hydrogen evolution reaction (2021)
  • Author(s): Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko、Nagata Yuki、Wakisaka Mitsuru、Aoki Yoshitaka、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 203-203
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20503-7
  • NAID: 120006952196
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Terahertz and Infrared Response Assisted by Heat Localization in Nanoporous Graphene (2021)
  • Author(s): D. Suzuki, T. Okamoto, J. Li, Y. Ito, T. Fujita, Y. Kawano
  • Journal Title: Carbon Volume: 173 Pages: 403-409
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2020.10.059
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Acceleration of Electrochemical CO2 Reduction to Formate at the Sn/Reduced Graphene Oxide Interface (2021)
  • Author(s): Tsujiguchi Takuya、Kawabe Yusuke、Jeong Samuel、Ohto Tatsuhiko、Kukunuri Suresh、Kuramochi Hirotaka、Takahashi Yasufumi、Nishiuchi Tomohiko、Masuda Hideki、Wakisaka Mitsuru、Hu Kailong、Elumalai Ganesan、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 6 Pages: 3310-3318
  • DOI: 10.1021/acscatal.0c04887
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dirac Fermion Kinetics in 3D Curved Graphene (2020)
  • Author(s): Yoichi Tanabe, Yoshikazu Ito, Katsuaki Sugawara, Mikito Koshino, Shojiro Kimura, Tomoya Naito, Isaac Johnson, Takashi Takahashi, Mingwei Chen
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 32 Issue: 48 Pages: 2005838-2005838
  • DOI: 10.1002/adma.202005838
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bismuth/Porous Graphene Heterostructures for Ultrasensitive Detection of Cd (II) (2020)
  • Author(s): Huang Luyi、Ito Yoshikazu、Fujita Takeshi、Ge Xingbo、Zhang Ling、Zeng Heping
  • Journal Title: Materials Volume: 13 Issue: 22 Pages: 5102-5102
  • DOI: 10.3390/ma13225102
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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] Towards free-standing graphane: atomic hydrogen and deuterium bonding to nano-porous graphene (2020)
  • Author(s): Abdelnabi Mahmoud Mohamed Saad、Blundo Elena、Betti Maria Grazia、Cavoto Gianluca、Placidi Ernesto、Polimeni Antonio、Ruocco Alessandro、Hu Kailong、Ito Yoshikazu、Mariani Carlo
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 32 Issue: 3 Pages: 035707-035707
  • DOI: 10.1088/1361-6528/abbe56
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phase-Dependent Reactivity of Nickel Molybdates for Electrocatalytic Urea Oxidation (2020)
  • Author(s): Hu Kailong、Jeong Samuel、Elumalai Ganesan、Kukunuri Suresh、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 3 Issue: 8 Pages: 7535-7542
  • DOI: 10.1021/acsaem.0c00968
  • Peer Reviewed
• [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
• [Presentation] 3次元構造を持つグラフェンによる応用研究の拡大 (2022)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Organizer: 第5回東工大応用化学系次世代若手シンポジウム、オンライン
  • Invited
• [Presentation] 3D graphene expands graphene applications (2021)
  • Author(s): Yoshikazu Ito
  • Organizer: 3D Graphene and other 2D to 3D Materials, Bilateral Workshop, Frascati, November 25-26, 2021. (hybrid)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 3D graphene expands graphene applications (2021)
  • Author(s): Yoshikazu Ito
  • Organizer: The 293rd ICYS Seminar, NIMS, Tsukuba, Japan, November 16th 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 持続可能な社会に向けた酸化グラフェンの触媒応用 (2021)
  • Author(s): 伊藤良一
  • Organizer: 第15回酸化グラフェン研究会, オンライン
  • Invited
• [Presentation] Substrate effects on the growth modes of vdW/graphene heterostructures (2020)
  • Author(s): 23.N. Motta, J. Bradford, N.Zebardastan, A. Wolff, B Gupta, J. Lipton-Duffin, J. MacLeod, K. Hu, Y. Ito, M.G. Betti, C. Mariani
  • Organizer: International Conference on the Physics of Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 数学を取り入れたシミュレーションで材料設計を加速
  • URL: https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/achievements/press/2021/20210707_001417.html
• [Remarks] 二酸化炭素吸収材で表面を被覆したスズ電極によりギ酸合成速度を24倍に高速化
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/journal/technology-materials/20210802140000.html
• [Remarks] スズとグラフェンの界面を利用した二酸化炭素を高効率に還元する新しい触媒を開発
  • URL: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20210304-2/index.html
• [Remarks] 数学と物質科学が融合 シミュレーションで材料設計加速 東北大など有用性実証
  • URL: https://sci-news.co.jp/topics/5166/
• [Remarks] 東北大・阪大・筑波大・金沢大・名大、グラフェン触媒設計に従来法よりも10億倍速い計算時間で成功
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP614092_07072021000000/
• [Remarks] ３次元集積化グラフェントランジスタの動作に成功
  • URL: https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news/press/2016/20161012_000667.html
• [Remarks] グラフェンで被膜した卑金属電極が防食と触媒作用を両立するメカニズムを解明
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/journal/technology-materials/20210108190000.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 電極、その製造方法および水電解装置 (2021)
  • Inventor(s): 伊藤良一
  • Industrial Property Rights Holder: 伊藤良一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 電極、その製造方法および水電解装置 (2020)
  • Inventor(s): 伊藤良一、エルマライガネシヨン
  • Industrial Property Rights Holder: 伊藤良一、エルマライガネシヨン
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020