2019 Fiscal Year Annual Research Report
A discrete surface theory of carbon networks for interpretation of properties and prediction-based material synthesis
Publicly Offered Research
| Project Area | Discrete Geometric Analysis for Materials Design |
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| Project/Area Number |
18H04477
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
伊藤 良一 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90700170)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | グラフェン / 離散幾何学 / カーボンネットワーク / 標準化モデル / 触媒 / 化学ドーピング / 窒素 / 水素発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
標準化数学モデルの構築とそのモデルを用いたカーボンネットワークへの化学ドープのしやすさについて着目し、離散幾何学を用いた材料設計を推進した。標準化数学モデルの構築については、グラフェンが持つ正六角形のカーボンネットワークをボール（炭素原子）とバネ（化学結合）に置き換えて単純化するモデル化を試みた。第一近接から第三近接までの吸引力と反発力をそれぞれ数学モデルに組み込み、幾何学のエッセンス（炭素間の結合長や局所的ガウス曲率の変化など）を抽出して比較した。その結果、第一近接吸引力、第一近接と第二近接の反発力を組み込んだ新たな標準化モデルが構造をよく再現していることが明らかとなった。次にこの標準化モデル手法を1つの窒素原子を導入したグラフェン構造に適応した。窒素原子はグラフェンの格子内部に取り込まれると良い触媒サイトになることが知られているので、どのような幾何学的構造を持つとき化学ドープされやすいのかなどの数学的予測と解釈を試みた。特徴的なグラフェン構造（エッジや5-7欠陥など）に1つの窒素原子をドープした場合、グラフェンのカーボンネットワークが歪んでいる領域では窒素原子ドープ前後で局所的ガウス曲率が大きく変化することが明らかとなった。このガウス曲率の変化が窒素原子ドープにどのように関係しているかを検証するために実験的に窒素原子をドープしたグラフェン試料を作製した。透過型電子顕微鏡を用いて基礎的な幾何学構造データを取得したところ、窒素原子をドープした周辺構造が大きく乱れていることが確認できた。また、窒素原子の空間分布をその場計測した結果、カーボンネットワークが歪んでいる領域で多くの窒素原子が存在していることが確認された。以上より、数学モデルの構築から幾何学構造の解釈とそこから導かれる特性予測に基づいた材料合成を行い、実験的に標準化モデルの正しさの実証まで関連付けることに成功した。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Remarks |
2019年4月5日、安価な水素製造への道筋、北國新聞、朝刊26ページ
2019年4月10日、水素発生能力、白金並み、化学工業日報、第一面
2019年6月6日、第8回新化学技術研究奨励賞「グラフェン膜と卑金属表面の界面にできる特殊反応場を利用した酸性中でも溶解しない卑金属触媒を用いた低環境負荷触媒反応プロセスの解明」
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