応力により変形する柔軟性ナノ空間の創製と応用

• 研究課題/領域番号: 16J06543
• 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: ナノ材料化学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 野村 啓太 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2016年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 多孔体 / 吸着 / グラフェン / ヒートポンプ / 柔軟性多孔体 / 電気化学 / シミュレーション

研究実績の概要

本報告書においては、変形する柔軟性ナノ空間での吸脱着現象のヒートポンプへの応用について報告する。
非常に均一なミクロ孔（~1.2 nm）を有し、１層のグラフェンが連続的につながった構造の多孔体であるゼオライト鋳型炭素（Zeolite templated-carbon、ZTC）は、ナノ多孔質でありながら機械的な柔軟性を有する。ZTCに80 MPaほどの機械的な応力を加えながらH2O蒸気の吸脱着等温線を測定すると吸着量が30 ％ほど減少すること、また、H2Oを吸着させたZTCに応力を印可すると、その変形によりH2Oが強制的に脱着する現象を見出し、これに着目して研究を行ってきた。
これに加え、本年度ではZTCと同じく柔軟に変形し、かつ細孔サイズの大きな柔軟性多孔体、グラフェンメソスポンジ（GMS）に着目し研究を行った。GMSは約7 nmのメソ孔を有し、その骨格はほぼ一層のグラフェンシートにより構成されている。実験では、密閉したセルの中でGMSにエタノールを吸着させ、その状態でGMSに機械的応力を印加した時のセル内のエタノール蒸気圧の経時変化を測定した。その結果、細孔の変形によって内側に吸着していたエタノールが押し出され、脱着（気化）することが示しされた。しかもその脱着速度は、従来のZTCに水を吸着させた場合と比べ非常に早いことが分かった。加えて、機械的応力による脱着が起きる時に、多孔体表面の温度が下がることが確認されている。今後、この熱量を定量的に測定することが、本現象のヒートポンプへの応用する上での鍵となってくると考える。

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 4.4 V supercapacitors based on super-stable mesoporous carbon sheet made of edge-free graphene walls (2019)
  • 著者名/発表者名: Nomura Keita、Nishihara Hirotomo、Kobayashi Naoya、Asada Toshihiro、Kyotani Takashi
  • 雑誌名: Energy & Environmental Science 巻: 12 号: 5 ページ: 1542-1549
  • DOI: 10.1039/c8ee03184c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Graphene-basd ordered framework with a diverse range of carbon polygons formed in zeolite nanochannels (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirotomo Nishihara, Hiroyuki Fujimoto, Hiroyuki Ito, Keita Nomura, Hideki Tanaka, Minoru T. Miyahara, Patrick A. Bonnaud, Ryuji Miura, Ai Suzuki, Naoto Miyamoto, Nozomu Hatakeyama, Akira Miyamoto, Kazutaka Ikeda, Toshiya Otomo, Takashi Kyotani
  • 雑誌名: Carbon 巻: 129 ページ: 854-862
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2017.12.055
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation mechanism of zeolite-templated carbons (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nishihara, K. Imai, H. Itoi, K. Nomura, K. Takai, T. Kyotani
  • 雑誌名: 炭素 巻: 2017 号: 280 ページ: 169-174
  • DOI: 10.7209/tanso.2017.169
  • NAID: 130006284864
  • ISSN: 0371-5345, 1884-5495
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxidation-Resistant and Elastic Mesoporous Carbon with Single-Layer Graphene Walls (2016)
  • 著者名/発表者名: Hirotomo Nishihara, Tomoya Simura, Shunsuke Kobayashi, Keita Nomura, Raul Berenguer, Masashi Ito, Masanobu Uchimura, Hiroshi Iden, Kazuki Arihara, Atsushi Ohma, Yuichiro Hayasaka, Takashi Kyotani
  • 雑誌名: Adv. Funct. Mater. 巻: 26 号: 35 ページ: 6418-6427
  • DOI: 10.1002/adfm.201602459
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Extraordinarily stable supercapacitor electrodes with three-dimensional edge-free graphene walls (2018)
  • 著者名/発表者名: Keita Nomura, Hirotomo Nishihara, Tomoya Shimura, Toshiro Asada, Naoya Kobayashi, Takashi Kyotani
  • 学会等名: 第55回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] エッジフリーなグラフェンメソスポンジの高耐電圧キャパシタ電極への応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野村啓太, 西原洋知, 浅田敏広, 小林直哉, 京谷隆
  • 学会等名: 第45回炭素材料学会年会
• [学会発表] エッジフリーなグラフェン構造の電気化学的な安定性と高耐電圧性スーパーキャパシタへの応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野村啓太, 西原洋知, 志村智哉, 浅田敏広, 小林直哉, 京谷隆
  • 学会等名: 第11回酸化グラフェンシンポジウム
• [学会発表] Tough and elastic graphene-based nanoporous material (2017)
  • 著者名/発表者名: Keita Nomura, Hirotomo Nishihara, Tomoya Shimura, Shunsuke Kobayashi, Takashi Kyotani
  • 学会等名: 2017 International Forum on Graphene
  • 発表場所: Shenzhen, China
  • 年月日: 2017-04-09
  • 国際学会
• [学会発表] Unique properties of graphene-based mesoporous carbon (2017)
  • 著者名/発表者名: Keita NOMURA, Hirotomo NISHIHARA, Tomoya SHIMURA, Shunsuke KOBAYASHI, Takashi Kyotani
  • 学会等名: International Forum on Graphene
  • 国際学会
• [学会発表] Tough and elastic graphene-based nanoporous material (2017)
  • 著者名/発表者名: Keita Nomura, Hirotomo Nishihara, Tomoya Shimura, Toshiro Asada, Naoya Kobayashi, Takashi Kyotani
  • 学会等名: 7th international conference on CARBON FOR ENERGY STORAGE AND ENVIRONMENT PROTECTION
  • 国際学会
• [学会発表] Unique Properties of Sponge-Like Mesoporous Carbon with Coalesced Graphenes (2017)
  • 著者名/発表者名: Keita NOMURA, Hirotomo NISHIHARA, Tomoya SHIMURA, Takashi KYOTANI
  • 学会等名: International ERATO Itami Molecular NAnocarbon Symposium 2017
• [学会発表] グラフェンから成る多孔質炭素の特異な性質 (2017)
  • 著者名/発表者名: 野村啓太
  • 学会等名: 第55回炭素材料夏季セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] グラフェンからなる多孔質材料の電気化学キャパシタへの応用と高温・高電圧下における耐久性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 野村啓太, 西原洋知, 浅田敏広, 小林直哉, 京谷隆
  • 学会等名: 第44回炭素材料学会年会
• [学会発表] 弾性変形する多孔体を利用した応力による水の相転移制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 野村啓太、西原洋知、田中秀樹、宮原稔、京谷隆
  • 学会等名: 第16回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
  • 発表場所: 宮城県 仙台市 東北大学片平さくらホール
  • 年月日: 2016-12-07
• [学会発表] Forced H2O-desorption and re-uptake in elastic microporous carbon by mechanical compression/recovery (2016)
  • 著者名/発表者名: Keita Nomura, Hirotomo Nishihara, Hideki Tanaka, Minoru T. Miyahara, Kyotani Takashi
  • 学会等名: CARBON16
  • 発表場所: PennState, USA
  • 年月日: 2016-07-10
  • 国際学会
• [学会発表] In Situ Control of H2O Adsorptivity Based on Pore-Deformation in Elastic Microporous Material (2016)
  • 著者名/発表者名: Keita Nomura, Hirotomo Nishihara, Hideki Tanaka, Minoru T. Miyahara, Kyotani Takashi
  • 学会等名: 12th International Conference on the Fundamentals of Adsorption
  • 発表場所: Friedrichshafen, Germany
  • 年月日: 2016-05-29
  • 国際学会
• [学会発表] 単層グラフェンからなるメソ多孔体の特異な性質 (2016)
  • 著者名/発表者名: 野村啓太・西原洋知・志村智哉・小林俊介・伊藤仁・井殿大・在原一樹・大間敦史・京谷隆
  • 学会等名: 炭素材料第117委員会
  • 発表場所: 東京都 江東区 産業技術総合研究所 臨海副都心センター
• [備考] 京谷研究室 ホームページ
  • URL: http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/kyotani/