Establishment of synthesis and analysis methods for nanocarbon materials with structure-controlled active sites

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K04773
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: Yamada Yasuhiro 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (90546780)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 炭素材料 / 構造制御 / 含窒素官能基 / 5-7員環 / 5員環 / 第3級窒素 / ピローリック窒素 / ピリジニック窒素

Outline of Final Research Achievements

Carbon materials with selectively introduced active sites (pyridinic nitrogen, pyrrolic nitrogen, tertiary nitrogen, 5-7 membered rings, etc.) were synthesized. Through these studies, a technique for screening raw materials for structure-controlled carbon materials was established by applying computational chemistry (molecular dynamics simulation with a reactive force field and density functional theory calculations). In the synthesis of carbon materials with selectively introduced active sites, structure-controlled carbon materials were successfully synthesized by a simple method of heating raw materials under reduced pressure, utilizing the reactivity of the skeletal structure of the raw materials. In addition to various analyses, density functional theory calculations and molecular dynamics simulation with a reactive force field were combined to clarify the raw material structure required for structural control of carbon materials.

Free Research Field

炭素材料

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

炭素材料は、電極や触媒担体、吸着剤、補強材等に応用されている。しかし、その性能を大幅に向上させるためには窒素などのヘテロ元素を導入し、その構造を制御するなどの新たな合成法が必要とされていた。しかし、既存の炭素材料の多くは、構造が複雑で種々の結合状態が混在しており、その性能や耐久性に大きな問題があった。さらに、複雑な構造を推定することは極めて困難であり、その構造解析法の開発が求められていた。本研究では、構造制御された炭素材料の合成技術の確立を行った。これによって、長年曖昧になっていた炭素材料の基盤を構築でき、近い将来炭素材料を必要とする種々の応用に関する問題が解決されると考えられる。