原子クラスターの水素貯蔵／触媒効果およびグラフェンに対する密度氾関数理論の適用

• 研究課題/領域番号: 14J00040
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 髙橋 啓介 北海道大学, 工学研究院, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 2,170千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 270千円); 2015年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2014年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 第一原理計算 / 原子クラスター / 2次元材料 / 水素 / 大気汚染 / Atomic Cluster / DFT / Ammonia / Catalyst / Graphene / Hydrogen Storage / Nitrogen oxide

研究実績の概要

平成27年度は国際雑誌に12件(第一著者7件、共著者5件)の論文が受理された。その内1件は雑誌の表紙を飾った。更に現在6本(第一著者4件、共著者2件)が現在国際誌において査読中である。また国内学会での発表を4件、国際学会での発表を2件(内1件は基調講演)行った。第一原理計算を基盤とした原子クラスターの水素貯蔵効果や触媒効果を中心としたが、更に発展させ、原子クラスターや二次元材料のビッグデータ構築にも力をいれ、さらに人工知能を取り入れ、材料のビッグデータから新規機能性材料の発見を数多くおこなった。　以下は特筆べき発見の一部である。
1　第一原理計算を基盤に材料ビッグデータを構築し、そこから人工知能を使い材料の発見をするというプロセスを提唱し実際に人工知能を使った材料予測の基盤技術を確立した。2 人工知能を使い新規機能性二次元材料の発見をした。(a) スズの二次元材料は窒素酸化物などの空気汚染物質を常温でトラップし、浄化することを発見した。(b)アンチモン、スズ、インジウムを基盤とした二次元材料は疎水性が高く、抗酸化作用があることが判明した。(c)金とプラチナの原子9個からなる原子クラスターを2次元に周期的に配置することで、四角形の二次元材料が形成されることを発見した。3　原子クラスターに対する研究が日本金属学会より評価され日本金属学会会報誌に解説論文を依頼され発表した。4　構造材料の金属と酸化物の界面に存在すると知られていた希ガスは、実際のところは酸化物側に成長するということを実験と計算の両方より突き止めた。5　鉄クラスターとグラフェンを組み合わせたものは水酸化マグネシウムの水素放出温度を劇的に下げることを発見し、結果は実験により証明された。　また鉄クラスターとグラフェンは一酸化窒素をアンモニアに常温で変換させることができるという発見をした。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Queensland(オーストラリア)
• [国際共同研究] CNR NANO(イタリア)
• [国際共同研究] University of Bath(英国)
• [国際共同研究] Central University of Tamil Nadu(インド)
• [雑誌論文] Reversible Hydrogen Uptake by BN and BC3 Monolayers Functionalized with Small Fe Clusters: A Route to Effective Energy Storage (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanveer Hussain, Debra Searles,Keisuke Takahashi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 120 号: 12 ページ: 2009-2013
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.5b12739
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Designing square two dimensional gold and platinum (2016)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi, Tanveer. Hussain, L. Takahashi, J.B. Baran
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 16 号: 3 ページ: 1746-1750
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.6b00003
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Selective growth of noble gases at metal/oxide interface (2016)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi, H. Oka, S.Ohnuki,
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 8 号: 6 ページ: 3725-3729
  • DOI: 10.1021/acsami.5b11792
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hydrophobic and antioxidant effects in In, Sn, and Sb based two dimensional materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi, L. Takahashi
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 45 号: 8 ページ: 3244-3246
  • DOI: 10.1039/c5dt04542h
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Material synthesis and design from first principle calculations and machine learning (2016)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi, Y. Tanaka
  • 雑誌名: Computational Material Science 巻: 112 ページ: 364-367
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2015.11.013
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Graphene decorated with Fe nanoclusters for improving the hydrogen sorption kinetics of MgH2 - Experimental and theoretical evidence (2016)
  • 著者名/発表者名: M.S.L.Hudson, Keisuke Takahashi, A.Ramesh, S.Awasthi, A.K.Ghosh, P. Ravindrana, O.N.Srivastava
  • 雑誌名: Catalysis Science and Technology 巻: 6 号: 1 ページ: 261-268
  • DOI: 10.1039/c5cy01016k
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Low temperature pollutant trapping and dissociation over two-dimensional tin (2015)
  • 著者名/発表者名: L.Takahashi, Keisuke Takahashi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics, 巻: 17 号: 33 ページ: 21394-21396
  • DOI: 10.1039/c5cp03382a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Iron oxide cluster induced barrier-free conversion of nitric oxide to ammonia (2015)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 51 号: 19 ページ: 4062-4064
  • DOI: 10.1039/c4cc09467k
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The effect of point defects on diffusion pathway within α-Fe (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Sakuraya, Keisuke Takahashi, N. Hashimoto, and S. Ohnuki
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 27 号: 17 ページ: 175007-175007
  • DOI: 10.1088/0953-8984/27/17/175007
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dependence of constituent elements of AB5 type metal hydrides on hydrogenation degradation by CO2 poisoning (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Hanada, T. Nakagawa, H. Asada, M. Ishida, Keisuke Takahashi, S.Isobe, I. Saita, K. Asano,Y. Nakamura, A. Fujisawa and S. Miura
  • 雑誌名: Journal of Alloy and Compounds 巻: 647 ページ: 198-203
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.05.253
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 原子クラスターが切り開く金属の未知の特性とその応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi, Somei Ohnuki
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 54 号: 3 ページ: 91-97
  • DOI: 10.2320/materia.54.91
  • NAID: 130004735452
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 査読あり
• [雑誌論文] The growth of Fe clusters over graphene (2015)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi
  • 雑誌名: 2D Materials 巻: 2 号: 1 ページ: 014001-014001
  • DOI: 10.1088/2053-1583/2/1/014001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Physical properties of _α-Fe upon the introduction of H, He, C, and N (2014)
  • 著者名/発表者名: Seiji Sakuraya, Keisuke Takahashi, Shuai Wang, Naoyuki Hashimoto, and Somei Ohnuki
  • 雑誌名: Solid State Communications 巻: 195 ページ: 70-73
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2014.07.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancing the hydrogen storage capacity of TiFe by utilizing clusters (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi and Shigehito Isobe
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 16 号: 31 ページ: 16765-16770
  • DOI: 10.1039/c4cp02204a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Low temperature hydrogenation of iron nanoparticles on graphene (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi, Yongming Wang, Shotaro Chiba, Yuki Nakagawa, Shigehito Isobe, and SomeiOhnuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 号: 1 ページ: 4598-4598
  • DOI: 10.1038/srep04598
  • 査読あり
• [学会発表] Designing novel two dimensional based composites from first principle calculation (2015)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会・日本金属学会両北海道支部合同冬季講演大会
  • 発表場所: 北海道大学 工学部 フロンティア応用科学研究棟 (北海道札幌市)
  • 年月日: 2015-12-17
• [学会発表] The rise of computational material science & engineering (2015)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi
  • 学会等名: The 3rd International Doctoral Student Symposium
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2015-02-25 – 2015-02-28
  • 招待講演
• [学会発表] "Theoretical and experimental stabilization of hydrogenated iron clusters over the graphene" (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takahashi
  • 学会等名: Graphene week 2014
  • 発表場所: Gothenburg, Sweden
  • 年月日: 2014-06-23 – 2014-06-27