ホウ素を基盤とした新規2次元化合物の創成

• 研究課題/領域番号: 16H03823
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: ナノ材料化学
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70373305)
• 研究協力者: 藤田 武志 ; 岡田 晋 ; 西堀 英治 ; 中村 潤児
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 19,370千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 4,470千円); 2018年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2017年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2016年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
• キーワード: 二次元物質 / 硼素 / ホウ化水素 / ボロファン / ボロフェン / 水素貯蔵材料 / 水素吸蔵材料 / ナノマテリアル / 2次元シート / ボロン / ホウ化物 / MgB2 / ナノ材料 / 電子・電気材料

研究成果の概要

本研究ではまずMgB2と水の反応メカニズムを調べた。MgB2のマグネシウムイオンがプロトンとイオン交換した後に加水分解がおき、この過程でホウ素を骨格とするシート物質が形成することがわかった。次に、MgB2のマグネシウムイオンをプロトンとイオン交換すると同時に、他の反応を抑制することで、水素とホウ素のみで構成される新しいホウ素を基盤とした二次元物質の形成を試みた。室温・大気圧下という温和な条件でシート物質の形成に成功した。得られたシート物質は負に帯電したホウ素の二次元シート骨格とプロトンのみにより構成され、H：B=1：1の組成比であることがわかったため「ホウ化水素シート」と名付けた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ホウ化水素シートはプロトンを保持しており、150～1200℃の幅広い温度範囲で水素分子を放出するため、電子材料、水素吸蔵材料、固体燃料、固体酸触媒としての応用が期待できる。今後、既存材料との組み合わせにより資源・エネルギー・環境に関する様々な問題を解決する新材料としての利用が期待されるほか、他の二ホウ化金属やホウ化水素シートをスタート物質として用いることで、別の新しい二次元物質の生成も期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Universidad Autónoma de Madrid/IMDEA-Nanociencia(スペイン)
• [国際共同研究] University College London(英国)
• [雑誌論文] Alignment-resolved O2 scattering from highly oriented pyrolytic graphite and LiF(001) surfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitsunori Kurahashi and Takahiro Kondo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.045439
  • NAID: 120007128242
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-energy methane scattering from Pt(111) (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo, Amjad Al Taleb, Gloria Anemone, Daniel Farias
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 149 号: 8
  • DOI: 10.1063/1.5044744
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 水素とホウ素で構成される新しい二次元物質ボロファンの生成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 雑誌名: JXTG Technical Review 巻: 60 ページ: 49-53
  • NAID: 40021643713
• [雑誌論文] 新しいシート状物質「ホウ化水素シート（ボロファン）」 (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 雑誌名: クリーンエネルギー 巻: 27 ページ: 7-13
  • NAID: 40021533133
• [雑誌論文] Recent progress in boron nanomaterials (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 雑誌名: Sci. Technol. Adv. Mater. 巻: 18 号: 1 ページ: 780-804
  • DOI: 10.1080/14686996.2017.1379856
  • NAID: 120007134610
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Formation and characterization of hydrogen boride sheets derived from MgB2 by cation exchange (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Nishino, Takeshi Fujita, Nguyen Thanh Cuong, Satoshi Tominaka, Masahiro Miyauchi, SoshiIimura, Akihiko Hirata, Naoto Umezawa, Susumu Okada, Eiji Nishibori, Asahi Fujino, TomohiroFujimori, Shin-ichi Ito, Junji Nakamura, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 号: 39 ページ: 13761-13769
  • DOI: 10.1021/jacs.7b06153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation Mechanism of Boron-Based Nanosheet through the Reaction of MgB2 with Water (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Nishino, Takeshi Fujita, Akiyasu Yamamoto, Tomohiro Fujimori, Asahi Fujino, Shin-ichiIto, Junji Nakamura, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 121 号: 19 ページ: 10587-10593
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b02348
  • 査読あり
• [学会発表] Hydrogen boride and boron monosulfide (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: First annual symposium of Tokyo Tech- UCL- McGill core-to-core collaboration, Defect Functionalized Sustainable Energy Materials: From Design to Devices Application
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Semi-metallicity of free-standing hydrogenated monolayer boron from MgB2 (2019)
  • 著者名/発表者名: I. Tateishi, N. T. Cuong, C.A.S. Moura, M. Cameau, R. Ishibiki, A.Fujino, S. Okada, A. Yamamoto, M. Araki, S. Ito, S. Yamamoto, M. Niibe, T. Tokushima, D.E. Weibel, T. Kondo, M. Ogata and I. Matsuda
  • 学会等名: 第13回 日本ホウ素ホウ化物研究会
• [学会発表] ホウ化水素シートの熱的安定性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石引涼太, 松田巌, 藤野朝日, 伊藤伸一, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 第13回 日本ホウ素ホウ化物研究会
• [学会発表] ～優れた水素吸蔵性能を有する新材料～新規二次元物質ボロファンの合成を実現 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 第１回筑波大学産学連携シンポジウム
• [学会発表] Catalytic property of hydrogen boride sheets (2018)
  • 著者名/発表者名: Asahi FUJINO, Hiroaki NISHINO, Ryota ISHIBIKI, Shin-ichi ITO, Tadahiro FUJITANI, Junji NAKAMURA, Hideo HOSONO, Takahiro KONDO
  • 学会等名: The 8th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology (TOCAT8)
  • 国際学会
• [学会発表] ホウ化水素シートの触媒特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤野朝日, 石引涼太, 西野弘晃, 伊藤伸一, 藤谷忠博, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 第122回触媒討論会
• [学会発表] ホウ化水素シート上に担持した銅ナノ粒子触媒の調製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石引涼太, 藤田武志, 藤野朝日, 伊藤伸一, 宮内雅浩, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 第122回触媒討論会
• [学会発表] Hydrogen Boride Sheets Derived from MgB2 by Cation Exchange (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: Materials Science & Technology 2018 Conference & Exhibition (MS&T'18)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ホウ素を含む新規二次元物質群の創出と機能評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 量子物理学・ナノサイエンス第57回特別セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Hydrogen Boride Sheets Showing Catalytic Activity As Solid Acid Catalyst (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Fujino, H. Nisino, R. Ishibiki, S. Ito, T. Fujitani J. Nakamura, H. Hosono, T. Kondo
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal Stability and Chemical Stability of Hydrogen Boride Sheets (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Ishibiki, A. Fujino, T. Goto, H. Nishino, S. Ito, N.T. Cuong, M. Miyauchi, J. Nakamura, H. Hosono, and T. Kondo
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] ホウ化水素シート上に担持した銅ナノ粒子触媒の調製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石引涼太, 藤田武志, 藤野朝日, 伊藤伸一, 宮内雅浩, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 表面界面スペクトロスコピー2018
• [学会発表] ホウ化水素シートの触媒特性解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤野朝日, 伊藤伸一, 西野弘晃, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 表面界面スペクトロスコピー2018
• [学会発表] ボロファンシートの生成と機能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 第16回 Pring-8ユーザー協同体 顕微ナノ材料科学研究会，第１３回 日本表面科学会 放射光表面科学研究部会，第２回 日本表面科学会 プローブ顕微鏡研究部会，合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ホウ化水素シートの生成と機能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西野弘晃, 藤田武志, Nguyen Thanh Cuong, 冨中悟史, 宮内雅浩, 飯村壮史, 平田秋彦, 梅澤直人, 岡田晋, 西堀英治, 藤野朝日, 藤森智博, 伊藤伸一, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 第12回 日本ホウ素・ホウ化物研究会（JSBB2017）
• [学会発表] ホウ化水素（ボロファン）シートの生成と機能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 第63回 GREENオープンセミナー， 物質・材料研究機構
  • 招待講演
• [学会発表] Hydrogen boride sheets derived from MgB2 by cation exchange (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: 2018 Joint Symposium on Energy Materials Science and Technology (Workshop of Pre-Strategic Initiatives)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 白金代替窒素ドープ炭素触媒と新規ホウ素触媒 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 2017年度触媒学会北海道支部札幌講演会「～固体表面反応場の新しい描像～」
  • 招待講演
• [学会発表] Hydrogen Boride Sheets Derived from MgB2 by Cation Exchange (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Nishino, Takeshi Fujita, Nguyen Thanh Cuong, Satoshi Tominaka, Masahiro Miyauchi, Soshi Iimura, Akihiko Hirata, Naoto Umezawa, Susumu Okada, Eiji Nishibori, Asahi Fujino, Tomohiro Fujimori, Shin-ichi Ito, Junji Nakamura, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 学会等名: 2017 Materials Research Society (MRS) Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrogen Boride Sheets Derived from MgB2 by Cation Exchange (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Nishino, Takeshi Fujita, Nguyen Thanh Cuong, Satoshi Tominaka, Masahiro Miyauchi, Soshi Iimura, Akihiko Hirata, Naoto Umezawa, Susumu Okada, Eiji Nishibori, Asahi Fujino, Tomohiro Fujimori, Shin-ichi Ito, Junji Nakamura, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 学会等名: 5th Ito International Research Center Conference "Forefront of Molecular Dynamics at Surfaces and Interfaces: from a single molecule to catalytic reaction"
  • 国際学会
• [学会発表] Catalytic property of boron hydride sheets (2017)
  • 著者名/発表者名: Asahi Fujino, Hiroaki Nishino, Shin-ichi Ito, Junji Nakamura, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 学会等名: The Tenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC-10)
  • 国際学会
• [学会発表] Boron-Based Sheets Derived From MgB2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Nishino, Takeshi Fujita, Nguyen Thanh Cuong, Satoshi Tominaka, Masahiro Miyauchi, Akiyasu Yamamoto, Soshi Iimura, Akihiko Hirata, Naoto Umezawa, Susumu Okada, Eiji Nishibori, Asahi Fujino, Tomohiro Fujimori, Shin-ichi Ito, Junji Nakamura, Hideo Hosono, Takahiro Kondo
  • 学会等名: The Tenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC-10)
  • 国際学会
• [学会発表] イオン交換法による水素化ホウ素シートの大量生成 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野弘晃, 藤田武志, Nguyen Thanh Cuong, 宮内雅浩, 飯村壮史, 梅澤直人, 岡田晋, 西堀英治, 藤森智博, 藤野朝日, 伊藤伸一, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 日本化学会 第97春季年会 (2017)
  • 発表場所: 慶應義塾大学 日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
• [学会発表] 水素化ホウ素シートの触媒特性の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤野朝日, 伊藤伸一, 西野弘晃, 藤森智博, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 日本化学会 第97春季年会 (2017)
  • 発表場所: 慶應義塾大学 日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
• [学会発表] 窒素で機能化された新規二次元ホウ素シートの生成 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤森智博, 藤田武志, 西野弘晃, 藤野朝日, 中村潤児, 細野秀雄, 近藤剛弘
  • 学会等名: 日本化学会 第97春季年会 (2017)
  • 発表場所: 慶應義塾大学 日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
• [学会発表] Fundamental Properties and Applications of Two-Dimensional Materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: 29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 発表場所: ANA Crowne Plaza Kyoto, Kyoto (Japan)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Room Temperature Synthesis of Two-Dimensional Boron Sheets (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Nishino, T. Fujimori, A.Fujino, T. Fujita, N. Umezawa, S. Okada, E. Nishibori, S.Ito, J. Nakamura, H. Hosono and T. Kondo
  • 学会等名: 29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 発表場所: ANA Crowne Plaza Kyoto, Kyoto (Japan)
  • 国際学会
• [図書] Helium Atom Scattering, Compendium of Surface and Interface Analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo (Editors:The Surface Science Society of Japan)
  • 総ページ数: 7
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9789811061554
• [備考] プレスリリース（筑波大学 注目の研究）
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p201709261400.html
• [備考] TSUKUBA FUTURE：#085：平面に広がる新しい材料の世界
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/notes/085/index.html
• [産業財産権] 還元材料、複合体、還元方法 (2019)
  • 発明者名: 近藤剛弘, 藤野朝日, 石引涼太, 後藤大河, 宮内雅浩 他3名
  • 権利者名: 近藤剛弘, 藤野朝日, 石引涼太, 後藤大河, 宮内雅浩 他3名
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-042011
  • 出願年月日: 2019
• [産業財産権] 水素貯蔵ならびに放出材料 (2018)
  • 発明者名: 宮内雅浩, 河村玲哉, 近藤剛弘
  • 権利者名: 宮内雅浩, 河村玲哉, 近藤剛弘
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-118560
  • 出願年月日: 2018
• [産業財産権] 二酸化炭素貯蔵ならびに放出材料 (2018)
  • 発明者名: 近藤剛弘, 藤野朝日, 石引涼太, 後藤大河, 伊藤伸一
  • 権利者名: 近藤剛弘, 藤野朝日, 石引涼太, 後藤大河, 伊藤伸一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-204785
  • 出願年月日: 2018