Application of vertically aligned one-dimensional van der Waals heterostructures in lithium sulfur battery

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20KK0114
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 項 栄 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20740096)
• 研究分担者: 井ノ上 泰輝 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00748949) ; 熊本 明仁 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 客員共同研究員 (70724590)
• 研究期間 (年度): 2020-10-27 – 2023-03-31
• キーワード: 一次元ファンデルワールスヘテロ構造 / リチウム‐硫黄電池 / 電子顕微鏡

研究実績の概要

To understand the growth process of one-dimensional (1D) van der Waals heterostructures, we perform a comprehensive study on the structural details and formation mechanism of chemical vapor deposition (CVD) synthesized 1D heterostructures. Edge structures, nucleation sites, and crystal epitaxial
relationships are clearly revealed using transmission electron microscopy
(TEM). This is achieved by the direct synthesis of heteronanotubes
on a CVD-compatible Si/SiO2 TEM grid, which enabled a
transfer-free and nondestructive access to many intrinsic structural details. In particular, we have distinguished different-shaped boron nitride nanotube (BNNT) edges, which are confirmed by electron diffraction at the same location to be strictly associated with its own chiral angle and polarity. We also demonstrate the importance of surface cleanness and isolation for the formation of perfect 1D
heterostructures. Furthermore, we elucidate the handedness correlation between the SWCNT template and BNNT crystals. This work not only provides an in-depth understanding of this 1D heterostructure material group, it will also help to improve the design and large scale growth of macroscopic 1D heterostructures for Li-S batteries.

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

We have achieved a thorough understanding on the growth process of one-dimensional van der Waals heterostructure (PNAS 2021) which will help to improve the design and large scale growth of macroscopic 1D heterostructures for Li-S batteries. We are also invited to write a review article to show the application of nanotube based heterostructures for electrochemistry (JEC 2022). Several other joint research outcome with the counterpart PI are also in progress.

今後の研究の推進方策

In Japan, optimize large area growth technique with focus to increase growth efficiency and decrease cost, adjust the outer material in 1D heteronanotube, try different shell combinations, try to build battery fabrication and testing system in The University of Tokyo with the help of Tsinghua group. Visit Tsinghua group, large scale fabrication of Li-S using 1D vdWH based electrode; fabricate different combinations of SWCNTs based 1D vdWH cathode, fabricate and test 1D vdWH based electrode with ultra-high S loading.

次年度使用額が生じた理由

Because of the restriction of international travels, the 次年度使用額(B-A) will be used for travel cost for next year.

研究成果

• [国際共同研究] Tsinghua University/Peking University/CAS(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Tsinghua University/Peking University/CAS
• [雑誌論文] Nanotube-based heterostructures for electrochemistry: A mini-review on lithium storage, hydrogen evolution and beyond (2022)
  • 著者名/発表者名: Zheng, Y.; Dai, W.; Zhang, X.; Huang, J.-Q.; Maruyama, S.; Yuan, H. Xiang, R.
  • 雑誌名: Journal of Energy Chemistry 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.jechem.2022.02.029
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] One-dimensional van der Waals heterostructures: Growth mechanism and handedness correlation revealed by nondestructive TEM (2021)
  • 著者名/発表者名: Zheng, Y.; Kumamoto, A.; Hisama, K.; Otsuka, K.; Wickerson, G.; Sato, Y.; Liu, M.; Inoue, T.; Chiashi, S.; Tang, D.-M.; Zhang, Q.; Anisimov, A.; Kauppinen, E.I.; Li, Y.; Suenaga, K.; Ikuhara, Y.; Maruyama, S. Xiang, R.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 ページ: e2107295118
  • DOI: 10.1073/pnas.2107295118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] SWCNT@BNNT With 1D Van Der Waals Heterostructure With a High Optical Damage Threshold for Laser Mode-Locking (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang, Z.; Sun, X.; Yuan, P.; Yokokawa, S.; Zheng, Y.; Jiang, H.; Jin, L.; Anisimov, A.S.; Kauppinen, E.I.; Xiang, R.; Maruyama, S.; Yamashita, S. Set, S.Y.
  • 雑誌名: Journal of Lightwave Technology 巻: 39 ページ: 5875-5883
  • DOI: 10.1109/JLT.2021.3092522
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tailoring Highly Ordered Graphene Framework in Epoxy for High-Performance Polymer-Based Heat Dissipation Plates (2021)
  • 著者名/発表者名: Ying, J.; Tan, X.; Lv, L.; Wang, X.; Gao, J.; Yan, Q.; Ma, H.; Nishimura, K.; Li, H.; Yu, J.; Liu, T.-H.; Xiang, R.; Sun, R.; Jiang, N.; Wong, C.; Maruyama, S.; Lin, C.-T. Dai, W.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 12922-12934
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c01332
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrahigh-Aspect-Ratio Boron Nitride Nanosheets Leading to Super High In-Plane Thermal Conductivity of Foldable Heat Spreader (2021)
  • 著者名/発表者名: Yan, Q.; Dai, W.; Gao, J.; Tan, X.; Lv, L.; Ying, J.; Lu, J.; Yao, Y.; Wei, Q.; Sun, R.; Yu, J.; Jiang, N.; Chen, D.; Wong, C.; Xiang, R.; Maruyama, S. Lin, C.T.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 6489
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based on Vertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for Efficient Microelectronic Cooling (2021)
  • 著者名/発表者名: Yan, Q.; Alam, F.E.; Gao, J.; Dai, W.; Tan, X.; Lv, L.; Wang, J.; Zhang, H.; Chen, D.; Nishimura, K.; Wang, L.; Yu, J.; Lu, J.; Sun, R.; Xiang, R.; Maruyama, S.; Zhang, H.; Wu, S.; Jiang, N. Lin, C.-T.
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: - ページ: 2104062
  • DOI: 10.1002/adfm.202104062
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Metallic Nanowire Coupled CsPbBr3 Quantum Dots Plasmonic Nanolaser (2021)
  • 著者名/発表者名: Xing, D.; Lin, C.-C.; Won, P.; Xiang, R.; Chen, T.-P.; Kamal, S.A.; Ho, Y.L.; Maruyama, S.; Ko, S.H.; Chen, C.-W. Delaunay, J.J.
  • 雑誌名: Adv. Funct. Mater. 巻: - ページ: 2102375
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] van der Waals Heterostructures down to One Dimensional Level: Synthesis, Characterization and Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiang, R.; Zhang, Q.; Inoue, T. Maruyama, S.
  • 雑誌名: Material Matters 巻: 16 ページ: 18
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Heteronanotubes: challenges and opportunities (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiang, R. Maruyama, S.
  • 雑誌名: Small Science 巻: 1 ページ: 2000039
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Self-Patterned CsPbBr3 Nanocrystal Based Plasmonic Hot-Carrier Photodetector at Telecommunications Wavelengths (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang, Z.; Lin, C.-C.; Ho, Y.-L.; Xiang, R.; Maruyama, S.; Chen, C.-W. Delaunay, J.-J.
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 9 ページ: 2101474
  • DOI: 10.1002/adom.202101474
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phenomenological modelling of thermal transport of hetero-nanotube network film (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang, P.Y.K.; Feng, Y.; Xiang, R.; Inoue, T.; Anisimov, A.; Kauppinen, E.I.; Chiashi, S. Maruyama, S.
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 32 ページ: 205708
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration (2021)
  • 著者名/発表者名: Tang, D.-M.; Erohin Sergey, V.; Kvashnin Dmitry, G.; Demin Victor, A.; Cretu, O.; Jiang, S.; Zhang, L.; Hou, P.-X.; Chen, G.; Futaba Don, N.; Zheng, Y.; Xiang, R.; Zhou, X.; Hsia, F.-C.; Kawamoto, N.; Mitome, M.; Nemoto, Y.; Uesugi, F.; Takeguchi, M.; Maruyama, S.; Cheng, H.-M.; Bando, Y.; et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 374 ページ: 1616-1620
  • DOI: 10.1126/science.abi8884
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rational design of high-performance thermal interface materials based on gold-nanocap-modified vertically aligned graphene architecture (2021)
  • 著者名/発表者名: Tan, X.; Ying, J.; Gao, J.; Yan, Q.; Lv, L.; Nishimura, K.; Wei, Q.; Li, H.; Du, S.; Wu, B.; Xiang, R.; Yu, J.; Jiang, N.; Lin, C.-T. Dai, W.
  • 雑誌名: Composites Communications 巻: 24 ページ: 100621
  • DOI: 10.1016/j.coco.2020.100621
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Controlled Removal of Surfactants from Double-Walled Carbon Nanotubes for Stronger p-Doping Effect and Its Demonstration in Perovskite Solar Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Shawky, A.; Nam, J.-S.; Kim, K.; Han, J.; Yoon, J.; Seo, S.; Lee, C.S.; Xiang, R.; Matsuo, Y.; Lee, H.M.; Maruyama, S. Jeon, I.
  • 雑誌名: Small Methods 巻: - ページ: 2100080
  • DOI: 10.1002/smtd.202100080
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermal conductivity of one-dimensional carbon-boron nitride van der Waals heterostructure: A molecular dynamics study (2021)
  • 著者名/発表者名: Meng, H.; Maruyama, S.; Xiang, R. Yang, N.
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 180 ページ: 121773
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121773
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photoluminescence from single-walled MoS2 nanotubes coaxially grown on boron nitride nanotubes (2021)
  • 著者名/発表者名: Liu, M.; Hisama, K.; Zheng, Y.J.; Maruyama, M.; Seo, S.; Anisimov, A.; Inoue, T.; Kauppinen, E.I.; Okada, S.; Chiashi, S.; Xiang, R. Maruyama, S.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 8418
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] One-step direct oxidation of fullerene-fused alkoxy ethers to ketones for evaporable fullerene derivatives (2021)
  • 著者名/発表者名: Lin, H.S.; Ma, Y.; Xiang, R.; Manzhos, S.; Jeon, I.; Maruyama, S. Matsuo, Y.
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 4 ページ: 74
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lightweight thermal interface materials based on hierarchically structured graphene paper with superior through-plane thermal conductivity (2021)
  • 著者名/発表者名: Gao, J.; Yan, Q.; Lv, L.; Tan, X.; Ying, J.; Yang, K.; Yu, J.; Du, S.; Wei, Q.; Xiang, R.; Yao, Y.; Zeng, X.; Sun, R.; Wong, C.-P.; Jiang, N.; Lin, C.-T. Dai, W.
  • 雑誌名: Chemical Engineering Journal 巻: 419 ページ: 129609
  • DOI: 10.1016/j.cej.2021.129609
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] One-dimensional van der Waals heterojunction diode (2021)
  • 著者名/発表者名: Feng, Y.; Li, H.N.; Inoue, T.; Chiashi, S.; Rotkin, S.V.; Xiang, R. Maruyama, S.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 5600
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Zeolite-supported synthesis, solution dispersion, and optical characterizations of single-walled carbon nanotubes wrapped by boron nitride nanotubes (2021)
  • 著者名/発表者名: Feng, Y.; Li, H.N.; Hou, B.; Kataura, H.; Inoue, T.; Chiashi, S.; Xiang, R. Maruyama, S.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 129 ページ: 15101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Altering polythiophene derivative substrates to explore the mechanism of heterogeneous lithium nucleation for dendrite-free lithium metal anodes (2021)
  • 著者名/発表者名: Fan, Y.C.; Zhao, Y.; Li, S.; Liu, Y.; Y., L.; Zhu, Y.; Xiang, R.; Maruyama, S.; Zhang, H. Zhang, Q.F.
  • 雑誌名: Journal of Energy Chemistry 巻: 59 ページ: 63
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multiscale Structural Modulation of Anisotropic Graphene Framework for Polymer Composites Achieving Highly Efficient Thermal Energy Management (2021)
  • 著者名/発表者名: Dai, W.; Lv, L.; Ma, T.; Ying, J.; Yan, J.; Xue, T.; Gao, J.; Yang, K.; Yu, J.; Yao, Y.; Sun, R.; Wang, Y.; Jiang, N.; Wong, C.P.; Xue, Q.; Xiang, R.; Maruyama, S. Lin, C.T.
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: - ページ: 2003734
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic-Step-Induced Screw-Dislocation-Driven Spiral Growth of SnS (2021)
  • 著者名/発表者名: Chang, Y.; Higashitarumizu, N.; Kawamoto, H.; Chu, F.; Lee, C.-J.; Nishimura, T.; Xiang, R.; Chang, W.; Maruyama, S. Nagashio, K.
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 33 ページ: 186
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanotube-Based 1D Heterostructures Coupled by van der Waals Forces (2021)
  • 著者名/発表者名: Cambrテゥ, S.; Liu, M.; Levshov, D.; Otsuka, K.; Maruyama, S. Xiang, R.
  • 雑誌名: Small 巻: 17 ページ: 2102585
  • DOI: 10.1002/smll.202102585
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Intertube excitonic coupling in nanotube van der Waals heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: Burdanova, M.G.; Liu, M.; Staniforth, M.; Zheng, Y.J.; Xiang, R.; Chiashi, S.; Anisimov, A.; Kauppinen, E.I.; Maruyama, S. Lloyd-Hughes, J.
  • 雑誌名: Adv. Funct. Mater. 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [備考] Web
  • URL: http://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/papers.html