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カーボンネットワークの離散曲面論を用いた特性解釈と予測に基づく合成

公募研究

研究領域次世代物質探索のための離散幾何学
研究課題/領域番号 18H04477
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
研究機関筑波大学

研究代表者

伊藤 良一  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90700170)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
23,400千円 (直接経費: 18,000千円、間接経費: 5,400千円)
2019年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円)
2018年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円)
キーワードグラフェン / 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 / 離散曲面論 / ナノ材料科学 / 周期極小曲面 / 逆問題 / 電気伝導 / 化学ドープ
研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (33件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 9件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 6件、 招待講演 5件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [国際共同研究] ジョンズ・ホプキンズ大学(米国)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] ナノポーラス金属と触媒・エネルギー分野への応用2020

    • 著者名/発表者名
      藤田武志、伊藤良一
    • 雑誌名

      化学工業

      巻: 71 ページ: 32-39

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Fabrication of graphene/MoS2 alternately stacked structure for enhanced lithium storage2020

    • 著者名/発表者名
      Yu Xiaoliang、Tang Jie、Terabe Kazuya、Sasaki Taizo、Gao Runsheng、Ito Yoshikazu、Nakura Kensuke、Asano Kazuko、Suzuki Masa-aki
    • 雑誌名

      Materials Chemistry and Physics

      巻: 239 ページ: 121987-121987

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2019.121987

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Building a Reactive Armor Using S-Doped Graphene for Protecting Potassium Metal Anodes from Oxygen Crossover in K?O2 Batteries2020

    • 著者名/発表者名
      Hu Kailong、Qin Lei、Zhang Songwei、Zheng Jingfeng、Sun Jiaonan、Ito Yoshikazu、Wu Yiying
    • 雑誌名

      ACS Energy Letters

      巻: 5 号: 6 ページ: 1788-1793

    • DOI

      10.1021/acsenergylett.0c00715

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Understanding the Detection Mechanisms and Ability of Molecular Hydrogen on ThreeDimensional Bicontinuous Nanoporous Reduced Graphene Oxide2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshikazu Ito, Megumi Kayanuma, Yasuteru Shigeta, Jun-ichi Fujita, Yoichi Tanabe
    • 雑誌名

      Materials

      巻: 13 号: 10 ページ: 2259-2259

    • DOI

      10.3390/ma13102259

    • NAID

      120007166901

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Anchoring Single-Atom Mo and N on Edge-Rich Nanoporous Holey Graphene as Bifunctional Air Electrode in Zn-Air Batteries2020

    • 著者名/発表者名
      Peng Du, Kailong Hu, Juan Lyu, Huanglong Lia, Xi Lin, Guoqiang Xie, Xingjun Liu, Yoshikazu Ito, Hua-Jun Qiu
    • 雑誌名

      Applied Catalysis B: Environmental

      巻: - ページ: 119172-119172

    • DOI

      10.1016/j.apcatb.2020.119172

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Metal and Nonmetal Codoped 3D Nanoporous Graphene for Efficient Bifunctional Electrocatalysis and Rechargeable Zn?Air Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      Qiu Hua‐Jun、Du Peng、Hu Kailong、Gao Jiaojiao、Li Huanglong、Liu Pan、Ina Toshiaki、Ohara Koji、Ito Yoshikazu、Chen Mingwei
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 31 号: 19 ページ: 1900843-1900843

    • DOI

      10.1002/adma.201900843

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Chemical dopants on edge of holey graphene accelerate electrochemical hydrogen evolution reaction2019

    • 著者名/発表者名
      A. Kumatani, C. Miura, H. Kuramochi, T. Ohto, M. Wakisaka, Y. Nagata, H. Ida, Y. Takahashi, K. Hu, S. Jeong, J. Fujita, T. Matsue, Y. Ito,
    • 雑誌名

      Adv. Sci.

      巻: - 号: 10 ページ: 1900119-1900119

    • DOI

      10.1002/advs.201900119

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Damage‐Free Solar Dewatering of Micro‐Algal Concentrates via Multifunctional Hierarchical Porous Graphene2019

    • 著者名/発表者名
      Ito Yoshikazu、Habata Yuto、Kuramochi Hirotaka、Kusuda Emi、Hu Kailong、Masuda Hideki、Fujita Junichi、Nagata Yuki、Watanabe Makoto M.、Isdepsky Andreas
    • 雑誌名

      Advanced Sustainable Systems

      巻: 3 号: 9 ページ: 1900045-1900045

    • DOI

      10.1002/adsu.201900045

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 非金属系多孔質グラフェン電極触媒の開発2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤良一
    • 雑誌名

      機能材料

      巻: 39 ページ: 44-54

    • NAID

      40022642234

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] 家庭用水電解装置に向けて2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤良一
    • 雑誌名

      水素エネルギーシステム

      巻: 44 ページ: 268-269

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Effect of Graphene Encapsulation of NiMo Alloys on Oxygen Evolution Reaction2019

    • 著者名/発表者名
      Jeong Samuel、Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko、Nagata Yuki、Masuda Hideki、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
    • 雑誌名

      ACS Catalysis

      巻: 10 号: 1 ページ: 792-799

    • DOI

      10.1021/acscatal.9b04134

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Boosting electrochemical water splitting via ternary NiMoCo hybrid nanowire arrays2019

    • 著者名/発表者名
      Hu Kailong、Wu Mingxing、Hinokuma Satoshi、Ohto Tatsuhiko、Wakisaka Mitsuru、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 7 号: 5 ページ: 2156-2164

    • DOI

      10.1039/c8ta11250a

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lithium intercalation into bilayer graphene2019

    • 著者名/発表者名
      Ji Kemeng、Han Jiuhui、Hirata Akihiko、Fujita Takeshi、Shen Yuhao、Ning Shoucong、Liu Pan、Kashani Hamzeh、Tian Yuan、Ito Yoshikazu、Fujita Jun-ichi、Oyama Yutaka
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 号: 1 ページ: 275-275

    • DOI

      10.1038/s41467-018-07942-z

    • NAID

      120007133576

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Graphene Layer Encapsulation of Non-Noble Metal Nanoparticles as Acid-Stable Hydrogen Evolution Catalysts2018

    • 著者名/発表者名
      Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko、Chen Linghan、Han Jiuhui、Wakisaka Mitsuru、Nagata Yuki、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
    • 雑誌名

      ACS Energy Letters

      巻: 3 号: 7 ページ: 1539-1544

    • DOI

      10.1021/acsenergylett.8b00739

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 熱による細胞損傷なく太陽光で含水 バイオマスを濃縮する技術の開発2020

    • 著者名/発表者名
      伊藤良一、楠田恵美、永田勇樹、渡邉信、イスデプスキーアンドレアス
    • 学会等名
      日本化学会 第100春季年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Van der Waals epitaxy of MoS2 on epitaxial and self-standing graphene2019

    • 著者名/発表者名
      N. Motta, J. Bradford, J. Lipton-Duffin, J. MacLeod, A Wolff, K. Hu, Y. Ito, C.Mariani, M. G. Betti
    • 学会等名
      Workshop on Surface Science and Technology
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 水素社会実現に向けた酸性中でも腐食しない卑金属電極の開発2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤良一
    • 学会等名
      文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム令和元年度利用成果発表会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemically doped graphenes for electrochemical hydrogen production2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshikazu Ito
    • 学会等名
      The Fifth International Symposium on Innovative Materials and Processes in Energy Systems
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrogen ion penetration through graphene layers2019

    • 著者名/発表者名
      Kailong Hu, Tatsuhiko Ohto, Yuki Nagata, Mitsuru Wakisaka, Yoshikazu Ito
    • 学会等名
      The Fifth International Symposium on Innovative Materials and Processes in Energy Systems
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 立体的な多孔質構造を持たせたグラフェンによる応用用途開拓2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤良一
    • 学会等名
      グラフェン・酸化グラフェン合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Mathematically-designed graphene in electrochemical water splitting2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshikazu Ito
    • 学会等名
      MATERIALS RESEARCHMEETING 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Graphene Encapsulation Effects on NiMo Alloy in Oxygen Evolution Reaction2019

    • 著者名/発表者名
      Samuel Jeong, Kailong Hu, Tatsuhiko Ohto, Yuki Nagata, Hideki Masuda, Jun-ichi Fujita, Yoshikazu Ito
    • 学会等名
      MATERIALS RESEARCHMEETING 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] エッジに化学ドープされた穴空きグラフェンによる電気化学的水素発生反応2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤良一、熊谷明哉、三浦千穂、倉持宏隆、大戸達彦、脇坂暢、永田勇樹、高橋康史、Hu Kailong、藤田淳一、末永 智一
    • 学会等名
      日本化学会第99春季年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] グラフェンのナノ構造と酸性条件下で腐食しない卑金属触媒2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤良一
    • 学会等名
      2018年度微細構造解析プラットフォームシンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 化学結合を制御した多孔質グラフェンの物性とその応用研究2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤良一
    • 学会等名
      第11回酸化グラフェンシンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Graphene layer encapsulation of non-noble metal nanoparticles as acid-stable hydrogen evolution catalysts2018

    • 著者名/発表者名
      Kailong Hu, Tatsuhiko Ohto, Mitsuru Wakisaka, Yuki Nagata, Jun-ichi Fujita, Yoshikazu Ito
    • 学会等名
      2018 Annual Nanotechnology Conference
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 穴の空いた3次元グラフェンを用いた金属を使用しない水素発生電極の開発2018

    • 著者名/発表者名
      倉持宏隆,胡凱龍,脇坂暢,藤田淳一,伊藤良一
    • 学会等名
      分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Graphene layer encapsulation of non-noble metal nanoparticles as acid-stable hydrogen evolution catalysts2018

    • 著者名/発表者名
      Kailong Hu, Yoshikazu Ito
    • 学会等名
      第2回プレ戦略研究会「次世代物質・デバイス戦略開発拠点」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [図書] 電気化学・インピーダンス測定のデータ解析手法と事例集2018

    • 著者名/発表者名
      技術情報協会編
    • 総ページ数
      522
    • 出版者
      技術情報協会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [備考] グラフェン構造を数学的観点から設計し、その優位性を電気化学イメージングにより初めて実証

    • URL

      https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news/press/2019/20190404_001128.html

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [備考] Mathematically-designed graphene with improved

    • URL

      http://www.tsukuba.ac.jp/en/research-list/p201904191340

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

URL: 

公開日: 2018-04-23   更新日: 2021-01-27  

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