2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of New Functions of Supra-ceramics
| Project Area | Supra-ceramics: Molecule-driven frontier of inorganic materials |
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| Project/Area Number |
22H05148
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
前田 和彦 東京工業大学, 理学院, 教授 (40549234)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内本 喜晴 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (50193909)
大矢根 綾子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (50356672)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| Keywords | 分子イオン / 光触媒 / 二次電池 / 人工光合成 / カーボンニュートラル / 生体材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（光触媒）可視光水素生成反応に活性な光触媒である層状ペロブスカイト型酸窒化物K2LaTa2O6Nの層間修飾を試みた。この材料は、可視光吸収能を維持したまま、H+/K+交換、エチルアミン（EA）インターカレーション、水酸化テトラブチルアンモニウムによる剥離（その後の再スタッキング）など、様々な層間修飾を施すことが可能だった。Pt助触媒を最適量添加した際、メタノール水溶液からの水素生成活性は、EAインターカレーションによりホスト材料の層間間隔を広げることで約60倍に向上した。しかし、その後、剥離・再積層を行ってナノシート凝集体とすると、EAインターカレーションを行った試料と比較して、活性が低下することがわかった。
（二次電池）層状ペロブスカイト構造を有する酸フッ化物Sr3Fe2O5F2を、フッ化物イオン電池の正極として展開した。フッ化物イオンが極めて小さな体積変化(0.17%)でスムーズに(脱)挿入され、優れたサイクル安定性を実現した。70サイクルでの容量は116.7 mAh g－1に達し、クーロン効率は98%であった。特に、Sr3Fe2O5F2からSr3Fe2O5F2.5への充電過程では、酸素がレドックスに関与し、O 2p軌道における正孔生成を見出した。
（生体材料）リン酸カルシウム系超セラミックスの合成技術開発を進め、タンパク質担持リン酸カルシウムナノ粒子の合成指針を明らかにした。具体的には、アニオニックな薬物分子であるヘパリンをリン酸カルシウムナノ粒子に共担持することによって、ナノ粒子に水中分散性を付与できるだけでなく、塩基性タンパク質の担持効率を向上できることを明らかにした。臨床応用されている塩基性タンパク質（塩基性線維芽細胞増殖因子）のモデルタンパク質（シトクロムC）を用いた検討の結果、約75％の高い担持効率を達成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
上記の通り、個々のグループでの研究が着実な進展を見せ、さらには新たな異分野間共同研究が複数立ち上がっている。未発表成果ではあるが、光触媒や二次電池については従来の比較対象物質を超える性能をもつ新材料も見出されつつあり、超セラミックスの新機能創出という点で研究は順調に進んでいる。このような現状を鑑み、本計画研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
（光触媒）2022年度に見出したKGF-9について、A班と協力して新規な合成ルートを開拓し、CO2還元光触媒活性の向上を図る。これを通じて、内圏型超セラミックスの光物性、CO2還元光触媒特性を系統的に明らかとする。外圏型超セラミックス光電極として、A班で合成された薄膜型無機材料表面に分子を配列させたものを用いて、CO2還元反応に応用する。これにより、無機材料薄膜の特性がCO2還元活性に与える影響を明らかとする。K2LaTa2O6Nについては、カチオンドープによる高活性化と薄膜電極による外圏型超セラミックスへの展開を図る。
（二次電池・電極触媒）引き続き層状ペロブスカイトを中心に探索範囲を酸フッ化物だけでなく、窒フッ化物、硫フッ化物に拡張し、アニオン（F-、O2-、S2-、N3-）配列と結晶内分子形成、イオン拡散に最適な結晶・局所構造、電子構造の要素をA01班と共同で明らかにし、カチオン置換も駆使して高容量電池材料を生み出す条件を明らかにする。また、超セラミックス電極触媒開発のための設計指針を明らかにする。今年度は、高電位における超セラミックス電極触媒表面での酸素分子形成挙動を、A01班と共同で明らかにし、高活性酸素発生触媒の設計指針を明らかにする。
（生体材料）2022年度の成果をもとに、リン酸カルシウム系超セラミックスの合成技術の高度化を進めるとともに、細胞等を用いたin vitro機能評価を行い、超セラミックスのバイオ機能の制御指針を追求していく。2023年度は、臨床応用可能な薬物（タンパク質、イオン）を用い、擬似生体内環境下において活性を保持した薬物を有効濃度で徐放することのできる薬物担持リン酸カルシウムの設計・構築指針を明らかにする。
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[Journal Article] “Visible-light driven H2 evolution over a precious metal-free hybrid photocatalyst constructed from CuO and NiFe layered double hydroxide”2023
Author(s)
Chomponoot Suppaso, Chadawan Khamdang, Likkhasit Wannasen, Tomoki Kanazawa, Akinobu Miyoshi, Shunta Nishioka, Kaewta Jetsrisuparb, Sujitra Amnuaypanich, Suwit Suthirakun, *Kazuhiko Maeda, *Nithima Khaorapapong
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Journal Title
Catalysis Science Technology
Volume: 13
Pages: 675-683
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Layered β-ZrNBr Nitro-Halide as Multifunctional Photocatalyst for Water Splitting and CO2 Reduction2023
Author(s)
Yunfeng Bao, Shiwen Du, Kengo Shibata, Xiangyang Guo, Yoshinobu Kamakura, Zhaochi Feng, Yanqiang Huang, Osamu Ishitani, *Kazuhiko Maeda, *Fuxiang Zhang
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Journal Title
Angewandte Chemie, International Edition
Volume: 62
Pages: e202214273
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Surface-specific modification of graphitic carbon nitride by plasma for enhanced durability and selectivity of photocatalytic CO2 reduction with a supramolecular photocatalyst2023
Author(s)
Noritaka Sakakibara, Mitsuhiko Shizuno, Tomoki Kanazawa, Kosaku Kato, Akira Yamakata, Shunsuke Nozawa, Tsuyohito Ito, *Kazuo Terashima, *Kazuhiko Maeda, Yusuke Tamaki, *Osamu Ishitani
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Journal Title
ACS Applied Materials & Interfaces
Volume: 15
Pages: 13205-13218
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Surface-Modified, Dye-Sensitized Niobate Nanosheets Enabling an Efficient Solar-Driven Z-Scheme for Overall Water Splitting2022
Author(s)
Shunta Nishioka, Koya Hojo, Langqiu Xiao, Tianyue Gao, Yugo Miseki, Shuhei Yasuda, Toshiyuki Yokoi, Kazuhiro Sayama, *Thomas E. Mallouk, *Kazuhiko Maeda
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Journal Title
Science Advances
Volume: 8
Pages: eadc9115
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Oxyfluoride Cathode for All-solid-state Fluoride-ion Batteries with Small Volume Change Using Three-dimensional Diffusion Paths2022
Author(s)
Yanchang Wang, *Tsuyoshi Takami, Zhuoran Li, Kentaro Yamamoto, Toshiyuki Matsunaga, Tomoki Uchiyama, Toshiki Watanabe, Hidenori Miki, Toshihiko Inoue, Hideki Iba, Uichiro Mizutani, Hirokazu Sato, Kazuhiko Maeda, Hiroshi Kageyama, Yoshiharu Uchimoto
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Journal Title
Chemistry of Materials
Volume: 34
Pages: 10631-10638
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Oxyfluoride Cathode for All-solid-state Fluoride-ion Batteries with Small Volume Change using Three-dimensional Diffusion Paths2022
Author(s)
Yanchang Wang, Kentaro Yamamoto,Yoshihiro Tsujimoto, Toshiyuki Matsunaga, Datong Zhang, Zulai Cao, Koji Nakanishi, Tomoki Uchiyama, Toshiki Watanabe, Tsuyoshi Takami, Hidenori Miki, Hideki Iba, Kazuhiko Maeda, Hiroshi Kageyama, and Yoshiharu Uchimoto
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Journal Title
Chemistry of Materials
Volume: 34
Pages: 10631-10638
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] インターカレーション型フッ化物イオン電池用正極材料の開発11 Infinite layer構造を有する(Ba, Sr)FeO2正極の電気化学特性評価2022
Author(s)
王彦昌, 山本健太郎, 松永利之, 中西康次, 内山智貴, 渡邊稔樹, 高見剛, 三木秀教, 射場英紀，前田和彦, 陰山洋, 内本喜晴
Organizer
第63回電池討論会
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[Presentation] インターカレーション型フッ化物イオン電池用正極材料の開発12 Infinite layer構造を有するLaNiO2正極の電気化学特性評価2022
Author(s)
曹祖ライ, 山本健太郎, 王彦昌, 木内久雄, 松永利之, 中西康次, 内山智貴, 渡邊稔樹, 高見剛, 三木秀教, 射場英紀, 原田慈久, 前田和彦, 陰山洋, 内本喜晴
Organizer
第63回電池討論会
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[Presentation] Infinite layer構造を有する全固体フッ化物電池(Ba, Sr)FeO2正極の電気化学特性評価2022
Author(s)
王彦昌, 山本健太郎, 松永利之, 中西康次, 内山智貴, 渡邊稔樹, 高見剛, 三木秀教, 射場英紀, 前田和彦, 陰山洋, 内本喜晴
Organizer
第48回固体イオニクス討論会
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[Presentation] Infinite layer構造を有する全固体フッ化物電池LaNiO2正極の反応機構解明2022
Author(s)
曹祖ライ, 山本健太郎, 王彦昌, 木内久雄, 松永利之, 中西康次, 内山智貴, 渡邊稔樹, 高見剛, 三木秀教, 射場英紀, 原田慈久, 前田和彦,陰山洋, 内本喜晴
Organizer
第48回固体イオニクス討論会
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[Presentation] 全固体フッ化物二次電池Cu3N正極のフッ化物イオン挿入・脱離反応機構の解明2022
Author(s)
山本健太郎, 張大同, 木内久雄, 中西康次, 内山智貴, 渡邊稔樹, 高見剛, 松永利之, 三木秀教, 井手一人, 射場英紀, 前田和彦, 原田慈久, 陰山洋, 内本喜晴
Organizer
第48回固体イオニクス討論会
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