水中の分子・イオンと選択的に相互作用する機能性炭素材料の開発

• 研究領域: 水圏機能材料：環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成
• 研究課題/領域番号: 22H04548
• 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
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 仁科 勇太 岡山大学, 異分野融合先端研究コア, 教授 (50585940)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 酸化グラフェン / 水圏機能材料 / 吸着 / ナノカーボン / 水処理 / ヒドロゲル / 抗菌 / 保水 / 有機合成

研究開始時の研究の概要

本研究では，炭素材料に機能性分子を化学的に結合し，原子・分子レベルで構造を制御した炭素材料を創出することにより，特定の分子やイオンと選択的に相互作用する水圏材料の創出を目指す。炭素は，0次元（フラーレン），1次元（カーボンナノチューブ），2次元（グラフェン），3次元（ダイヤモンド，多孔質炭素，黒鉛，等），不定形炭素といった多数の同素体がある。これらのナノ炭素材料に機能性高分子や無機ナノ材料を複合化し，かび臭原因物質・重金属・生体分子等と強く相互作用または除去できる水圏機能材料に最適な構造を明らかにする。

研究実績の概要

炭素材料を水圏機能材料として応用すべく水との相互作用を高めるためには，親水性官能基を付与する必要がある。本研究では，申請者が得意とする酸化反応により，酸素官能基を炭素材料に導入した。黒鉛やナノダイヤの酸化条件（酸化剤の種類や加え方）を変えることにより，酸素含有量を0～50%の範囲で制御する手法を開発した。この手法に基づき，0次元～3次元の多様な炭素材料の酸素官能基を制御し，カルボキシ基を豊富に含むものやヒドロキシ基・エポキシ基を豊富に含むものを作り分けた。また，これら酸素官能基を足掛かりとして，機能性分子を炭素材料上に導入した。炭素上での高効率有機合成を検討した結果，強固なC-N結合を形成するためには，炭素材料上のエポキシ基への求核的アミノ化反応が最適であることが分かった。合成した機能化炭素材料を用いて，水中に含まれる重金属・生体分子等との相互作用または除去率を評価した。また，計画研究および公募研究の複数の研究者と共同研究を行い，樹脂複合材の開発やグルコースセンサーの開発に貢献し，共著論文を執筆した。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5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] CNRS(フランス)
• [雑誌論文] A magnetically responsive photonic crystal of graphene oxide nanosheets (2024)
  • 著者名/発表者名: Ogawa Daisuke、Nishimura Tomoki、Nishina Yuta、Sano Koki
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 15 号: 16 ページ: 7908-7915
  • DOI: 10.1039/d3nr06114k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unveiling the Reduction Process of Graphene Oxide by Ascorbic Acid: Grafting and Reduction Sequences for High Surface Area Graphene Materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Ortiz‐Anaya Israel、Nishina Yuta
  • 雑誌名: ChemPlusChem 巻: 88 号: 8
  • DOI: 10.1002/cplu.202300328
  • 査読あり
• [雑誌論文] Countercation Engineering of Graphene-Oxide Nanosheets for Imparting a Thermoresponsive Ability (2023)
  • 著者名/発表者名: Kondo Shoma、Nishimura Tomoki、Nishina Yuta、Sano Koki
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 15 号: 31 ページ: 37837-37844
  • DOI: 10.1021/acsami.3c07820
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly Stretchable Stress-Strain Sensor from Elastomer Nanocomposites with Movable Cross-links and Ketjenblack (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Ikura, Kota Kajimoto, Junsu Park, Shunsuke Murayama, Yusei Fujiwara, Motofumi Osaki, Tomohiro Suzuki, Hidenori Shirakawa, Yujiro Kitamura, Hiroaki Takahashi, Yasumasa Ohashi, Seiji Obata, Akira Harada, Yuka Ikemoto, Yuta Nishina, Yasutomo Uetsuji, Go Matsuba, and Yoshinori Takashima
  • 雑誌名: ACS Polymers Au 巻: 3 号: 5 ページ: 394-405
  • DOI: 10.1021/acspolymersau.3c00010
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Non-Enzymatic Detection of Glucose Levels in Human Blood Plasma by a Graphene Oxide-modified Organic Transistor Sensor (2023)
  • 著者名/発表者名: Haonan Fan, Yui Sasaki, Qi Zhou, Wei Tang, Yuta Nishina, and Tsuyoshi Minami
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 59 号: 17 ページ: 2425-2428
  • DOI: 10.1039/d2cc07009j
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Graphene oxide-based multi-component antimicrobial hydrogels (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Z. I. Nizami, B. Campeon, A. Stoh, Y. Nishina
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn 巻: - 号: 5 ページ: 713-720
  • DOI: 10.1246/bcsj.20220017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nanocellulose Paper Semiconductor with a 3D Network Structure and Its Nano Micro Macro Trans-Scale Design. (2022)
  • 著者名/発表者名: Koga, H.; Nagashima, K.; Suematsu, K.; Takahashi, T.; Zhu, L.; Fukushima, D.; Huang, Y.; Nakagawa, R.; Liu, J.; Uetani, K.; Nogi, M.; Yanagida, T.; Nishina, Y.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: - 号: 6 ページ: 8630-8640
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c10728
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Electrochemical Oxidation and Reduction of Graphite by Continuous Flow System (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuta Nishina
  • 学会等名: Chem2DMat 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Graphene-Polymer Composite Materials: Synthesis and Applications (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuta Nishina
  • 学会等名: FAPS Polymer Congress 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Efficient and Controlled Preparation of Graphene-Based Materials and Their Application for Water Purification (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuta Nishina
  • 学会等名: IMSTEC 2022
  • 国際学会 / 招待講演