2023 Fiscal Year Research-status Report
炭化プラスチック廃棄物を使用した太陽光駆動の水分解
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23KJ0476
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
TANG Xuke 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2025-03-31
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| Keywords | Carbon Materials / DFT / Surface-Enhanced Raman |
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| Outline of Annual Research Achievements |
カーボンベースの材料は、その優れた電子的、光学的、物理化学的、および表面特性により、触媒および表面増強ラマン分光法（SERS）の分野で多くの研究者の関心を集めています。これらの特性は効率的な電荷移動を促進します。表面増強ラマン分光法（SERS）は、特に分子の識別や構造分析に適した強力な分析ツールです。しかし、従来の金属SERS基板は、再現性が低く、生物分子との互換性に問題があります。最近では、化学的増強に基づく無金属SERS基板が有望な代替品として登場し、カーボンベースの材料は優れた再現性と互換性を提供しています。それにもかかわらず、SERSにおけるカーボン材料の理解はまだ限られており、それが合理的な設計を妨げています。昨年度、私は多次元カーボン材料を系統的に探究しました。これには、ゼロ次元（0D）のフラーレン（C60）、一次元（1D）のカーボンナノチューブ（CNT）、二次元（2D）のグラフェン（G）およびそのB、N、Oドープ誘導体が含まれます。密度汎関数理論を用いて、これらの材料の非共鳴性偏光率増強および共鳴型電荷移動に基づく化学増強メカニズムを、静的/動的偏光率および電子励起特性を評価することで解明しました。この研究は、「物理化学論文集」（The Journal of Physical Chemistry Letters, 2023, 14, 45, 10208-10218）に掲載されました。この研究は、将来のカーボンベースのSERS基板の合理的な設計のための重要な参考資料を提供し、この分野で新たな道を開きました。さらに、これらのカーボン材料の電子構造の解析と電荷移動能力の評価は、光触媒など他の分野でのカーボン材料の応用に基本的な理論的理解を提供します。
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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
In the previous plan I anticipated conducting DFT simulations on common multidimensional carbon-based materials (such as 0D fullerenes, 1D carbon nanotubes, and 2D graphene) to theoretically explore their electronic structures, charge transfer capabilities, and potential photocatalytic mechanisms. Currently, we have conducted a systematic study of the electronic structures and charge transfer abilities of various carbon-based materials (details can be found in the published paper: JPCL,2023,14,45,10208-10218). By comparing the results, we have identified potential carbon-based materials with the highest charge transfer efficiency or capability, which we plan to further verify through experimental validation in the future. Thus, the progress to date progress smoothly.
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに、私たちは様々なカーボンベースの材料の電子構造と電荷移動能力について体系的な研究を行ってきました。しかし、これまでの理解と研究は理論シミュレーションに限定されていました。次に、私たちは密度汎関数理論（DFT）計算から得られた洞察を実験プロセスに活用し、DFT予測の正確性をさらに実験を通じて検証する予定です。最終的には、適切に設計・製造された新型カーボンベースの材料を、SERS分子検出や光触媒による水分解などの分野で成功裏に応用することを目指しています。
理論から実践へ移行する過程で、実験結果が必ずしもシミュレーション予測と完全に一致するとは限らないことがあります。このような相違は一般的です。理論計算では、システムの特定の条件を近似しており、その結果と実際の実験との間に合理的な偏差が生じることがあります。このような相違が生じた場合、これらの近似によって引き起こされる誤差を最小限に抑えるために、私たちは理論モデルと計算パラメータを調整する必要があります。同時に、実験を行う中で、効率的な電荷移動を生み出すメカニズムをより深く理解するための新しい計算モデルを開発することができます。
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| Causes of Carryover |
昨年度は、研究の第一段階が理論研究であるため、総研究費900,000円のうち、密度汎関数理論（DFT）シミュレーション用の機器（計算サーバー）の購入に760,756円が使用され、139,244円が余剰となりました。昨年度の予算の支援により、ジャーナル「物理化学レターズ」（JPCL, 2023, 14, 45, 10208-10218）に論文を1本発表しました。
余剰金および今年度の予算合計1,039,244円は、次の段階である具体的な実験応用の研究費用として使用されます。約300,000円が実験に必要な薬品および消耗品の購入に、約400,000円が実験に必要な機器（油浴鍋、ミニチューブ炉など）の購入に、約100,000円が必要なテスト費用に、約50,000円がDFTシミュレーションサーバーの維持に、約200,000円が国際会議や交流への参加に充てられます。具体的な資金の使い道は、次の実験段階の進行に応じて微調整される予定です。
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