Development of functional carbon materials that selectively interact with molecules and ions in water

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 20H05224
• 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: Okayama University
• Principal Investigator: 仁科 勇太 岡山大学, 異分野融合先端研究コア, 研究教授 (50585940)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: カーボン / 吸着 / 化学修飾 / 水 / 金属 / ナノカーボン / 水処理 / ラジカル / グラフェン

Outline of Research at the Start

本研究では，分子認識可能な機能部位を炭素材料に付与し，水中に含まれる分子またはイオンと選択的に相互作用または除去する材料に展開する。本領域の発展に貢献すべく，A01班が創出する機能性高分子と炭素の複合体，および無機多孔質材料と炭素の複合体の作製を検討する。さらに，機能開拓班（A03班）への橋渡しをスムーズに行えるように，材料の評価のみならず基礎物性評価まで実施する。炭素材料は水分野への実応用が広く行われているが，原子・分子レベルでの構造制御が困難であるという理由から，化学的基礎研究の蓄積が十分とは言い難い。有機合成と炭素材料の両軸で研究を実施することにより，新規な水圏機能材料を創出する。

Outline of Annual Research Achievements

水中の金属イオンを吸着する材料を開発した。酸化グラフェン表面にイミノ二酢酸部位を持たせた場合はCuイオンを選択的に吸着することができ、ターピリジン部位を持たせた場合はNi、Zn、Coを効率よく吸着した。また、グラフェン面にはPbイオンを吸着しやすことをXAFS分析にて解明した。また、酸化グラフェンの構造の違いにより、酸化グラフェン積層膜がアクチュエーションする場合としない場合があることを見出した。酸化を十分行い、欠陥が多い酸化グラフェンは、水蒸気を触れさせてもアクチュエーションしない。一方、欠陥が少ないと反ることがわかった。酸化グラフェン層間の水の挙動が異なることが分かり、この現象はイオンやプロトン伝導材料の設計指針となる可能性が示唆された。

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] ストラスブール大学(フランス)
• [Journal Article] Oxidation-degree-dependent moisture-induced actuation of a graphene oxide film (2022)
  • Author(s): W. Nakanishi, Y. Yamauchi, Y. Nishina, M. Yoshio, M. Takeuchi
  • Journal Title: RSC Adv. Volume: 12 Issue: 6 Pages: 3372-3379
  • DOI: 10.1039/d1ra07773b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Graphene oxide-based multi-component antimicrobial hydrogels (2022)
  • Author(s): M. Z. I. Nizami, B. Campeon, A. Stoh, Y. Nishina
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn Volume: - Issue: 5 Pages: 713-720
  • DOI: 10.1246/bcsj.20220017
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nanocellulose Paper Semiconductor with a 3D Network Structure and Its Nano Micro Macro Trans-Scale Design. (2022)
  • Author(s): Koga, H.; Nagashima, K.; Suematsu, K.; Takahashi, T.; Zhu, L.; Fukushima, D.; Huang, Y.; Nakagawa, R.; Liu, J.; Uetani, K.; Nogi, M.; Yanagida, T.; Nishina, Y.
  • Journal Title: ACS Nano Volume: - Issue: 6 Pages: 8630-8640
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c10728
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Grafting chelating groups on 2D carbon for selective heavy metal adsorption (2021)
  • Author(s): R. Shibahara, K. Kamiya, Y. Nishina
  • Journal Title: Nanoscale Adv. Volume: 3 Issue: 20 Pages: 5823-5829
  • DOI: 10.1039/d1na00435b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-Sorption Terpyridine Graphene Oxide Hybrid for the Efficient Removal of Heavy Metal Ions from Wastewater (2021)
  • Author(s): Pakulski, D.; Gorczyski, A.; Marcinkowski, D.; Czepa, W.; Chudziak, T.; Witomska, S.; Nishina, Y.; Patroniak, V.; Ciesielski, A.; Samori, P.
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 13 Issue: 23 Pages: 10490-10499
  • DOI: 10.1039/d1nr02255e
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Disposable Electrochemical Gucose Sensor Based on Water-Soluble Quinone-Based Mediators with Flavin Adenine Dinucleotide-Dependent Glucose Dehydrogenase (2021)
  • Author(s): J. Morshed, R. Nakagawa, M. M. Hossain, Y. Nishina, S. Tsujimura
  • Journal Title: Biosens. Bioelectronics Volume: 189 Pages: 113357-113357
  • DOI: 10.1016/j.bios.2021.113357
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Simulating the redox potentials of unexplored phenazine derivatives as electron mediators for biofuel cells (2021)
  • Author(s): Nakagawa Ryo、Nishina Yuta
  • Journal Title: Journal of Physics: Energy Volume: 3 Issue: 3 Pages: 034008-034008
  • DOI: 10.1088/2515-7655/abebc8
  • NAID: 120007029887
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exploring Structures and Dynamics of Molecular Assemblies: Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Measurements (2020)
  • Author(s): Hada Masaki、Nishina Yuta、Kato Takashi
  • Journal Title: Accounts of Chemical Research Volume: 54 Issue: 3 Pages: 731-743
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00576
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 機能性炭素素材をベンチャービジネスに！酸化グラフェンの産業化 (2021)
  • Author(s): 仁科勇太
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ
  • Invited
• [Presentation] グラフェン材料の開発と応用展開 (2021)
  • Author(s): 仁科勇太
  • Organizer: グラフェンコンソーシアム 第２7回研究講演会
  • Invited
• [Presentation] 二次元ナノカーボンの化学～作製・構造解析から用途開拓まで～ (2020)
  • Author(s): 仁科勇太
  • Organizer: 創造機能化学第116委員会講演会
  • Invited
• [Presentation] 非破壊・均一・連続生産可能な黒鉛シートの電気化学的手法による機能化 (2020)
  • Author(s): 仁科勇太, Campeon Benoit, 古茂田将人
  • Organizer: 第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Remarks] 岡山大学 機能分子工学研究室
  • URL: http://www.tt.vbl.okayama-u.ac.jp/