異種原子ドープ2次元材料と流体がつくる固液界面動電現象の解明

• 研究課題/領域番号: 18K04880
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分28030:ナノ材料科学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 岡田 健 東北大学, 工学研究科, 准教授 (90616385)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: グラフェン / 固液界面 / 発電 / 動電 / 界面動電 / 流体 / 摩擦帯電 / 液滴流動 / エネルギーハーベスティング

研究成果の概要

新たなエネルギーハーベスティング技術の一つに2次元材料であるグラフェンと液体流動界面における発電がある。本研究では異種原子ドーピングによって高出力とメカニズム解明に繋がる表面状態制御を行い、その効果を実証することに成功した。適切なドーピング手法とドーパント濃度条件下においては、窒素ドープグラフェンと水界面における発電が従来に比べ3倍の起電力と1.3倍の出力を示すことが明らかになった。このことは界面近傍に形成される電位勾配が急峻になったことに起因すると結論付けた。また、マイクロチャネルを用いた制御流動条件下における発電によって、起電力がグラフェンと水接触面積と流速に依存することを初めて見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では新たなエネルギー創成デバイスとして水の流動と2次元材料であるグラフェン界面における発電について研究を行った。本研究によって発電量を増大させるためにはグラフェンへの窒素ドーピングが有効であることがわかった。また、制御された流れをつくることができるマイクロ流路を用いることでグラフェン-水界面の発電システムとして等価回路を規定し、起電力は流速と界面接触面積に依存することを明らかした。本研究の成果は、力学的変換を伴わない新たなエネルギー創成を提案するものであり、将来構想の一つであるトリリオンセンサーユニバースにおいて重要な知見をもたらすものである。

研究成果

• [国際共同研究] University of Washington/NASA Ames Research Center(米国)
• [国際共同研究] Kyung Hee University(韓国)
• [国際共同研究] NASA/University of Washington(米国)
• [国際共同研究] Kyung Hee University(韓国)
• [国際共同研究] NASA, Ames Research Center/University of Washington(米国)
• [雑誌論文] Output density quantification of electricity generation by flowing deionized water on graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuriya Kei、Ochiai Kotaro、Kalita Golap、Tanemura Masaki、Komiya Atsuki、Kikugawa Gota、Ohara Taku、Yamashita Ichiro、Ohuchi Fumio S.、Meyyappan M.、Samukawa Seiji、Washio Katsuyoshi、Okada Takeru
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 号: 12 ページ: 123905-123905
  • DOI: 10.1063/5.0018862
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neutral Beam Aided Surface Modification for Controlling Triboelectric Behavior (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Wook、Okada Takeru、Samukawa Seiji、Choi Dukhyun
  • 雑誌名: Proceedings of the Seventh Asia International Symposium on Mechatronics 巻: 722 ページ: 346-350
  • DOI: 10.1007/978-981-32-9437-0_38
  • ISBN: 9789813294363, 9789813294370
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Surface modification of triboelectric materials by neutral beams (2019)
  • 著者名/発表者名: Kim Wook、Okada Takeru、Park Hyun-Woo、Kim Jihye、Kim Sungsoo、Kim Sang-Woo、Samukawa Seiji、Choi Dukhyun
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 7 号: 43 ページ: 25066-25077
  • DOI: 10.1039/c9ta09990e
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of nitrogen-dopant bonding states on liquid-flow-induced electricity generation of graphene: A comparative study (2019)
  • 著者名/発表者名: Okada Takeru、Kalita Golap、Tanemura Masaki、Yamashita Ichiro、Ouchi Fumio S.、Meyyappan M.、Samukawa Seiji
  • 雑誌名: Results in Physics 巻: 12 ページ: 1291-1293
  • DOI: 10.1016/j.rinp.2019.01.023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nitrogen doping effect on flow-induced voltage generation from graphene-water interface (2018)
  • 著者名/発表者名: Okada Takeru、Kalita Golap、Tanemura Masaki、Yamashita Ichiro、Meyyappan M.、Samukawa Seiji
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.5007273
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Role of Doped Nitrogen in Graphene for Flow-Induced Power Generation (2018)
  • 著者名/発表者名: Okada Takeru、Kalita Golap、Tanemura Masaki、Yamashita Ichiro、Meyyappan M.、Samukawa Seiji
  • 雑誌名: Advanced Engineering Materials 巻: 20 号: 11
  • DOI: 10.1002/adem.201800387
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] グラフェン上における液体流動発電の出力密度定量 (2020)
  • 著者名/発表者名: 栗谷 京生、落合 耕太朗、Golap Kalita、種村 眞幸、小宮 敦樹、菊川 豪太、小原 拓、山下 一郎、Fumio S. Ohuchi、M. Meyyappan、寒川 誠二、鷲尾 勝由、岡田 健
  • 学会等名: 2020年応用物理学東北支部 第75回学術講演会
• [学会発表] Multiphase Flow and Interfacial Transport Phenomena at Phase and Material Boundaries (2019)
  • 著者名/発表者名: 1.S. Obayashi, S. Samukawa, T. Takagi, H. Wada, T. Okada, Y. Watanabe, M. Hashimoto, T. Iijima, P. Guy, L. Udpa, Y. Hattori, H. Nagai, K. Shimoyama, M. Hirota, A. Yakeno, G. Kikugawa, A. Komiya, S. Takeda, J. Ishimoto, T. Uchimoto, H. Kosukegawa
  • 学会等名: Eighteenth International Symposium on Advanced Fluid Information
  • 国際学会
• [学会発表] Electrokinetics at the Interface between Graphene and Moving Water Droplet (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, G. Kalita, M. Tanemura, I. Yamashita, F. S. Ohuchi, M. Meyyappan, and S. Samukawa
  • 学会等名: 8th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Power Generation from the Interface between Graphene and Flowing Liquid Water (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, G. Kalita, M. Tanemura, I. Yamashita, F. S. Ohuchi, M. Meyyappan, and S. Samukawa
  • 学会等名: 32nd International Microprocesses ad Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Nitrogen Doping Effect on Electrokinetics at Graphene-Water Interface (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, G. Kalita, M. Tanemura, I. Yamashita, F. S. Ohuchi, M. Meyyappan, and S. Samukawa
  • 学会等名: Materials Research Society 2019 Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Electricity generation by water flow on nitrogen-doped graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, G. Kalita, M. Tanemura, I. Yamashita, M. Meyyappan, and S. Samukawa
  • 学会等名: Fifteenth International Conference of Flow Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Energy harvesting application of nitrogen-doped graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, G. Kalita, M. Tanemura, I. Yamashita, F.S. Ohuchi, M. Meyyappan, and S. Samukawa
  • 学会等名: 12th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electricity generation from interface between flowing water and graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, G. Kalita, M. Tanemura, I. Yamashita, M. Meyyappan, and S. Samukawa
  • 学会等名: Materials Research Society 2018 Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会