カーボンネットワークの標準化モデルを用いた新規触媒の設計と開発

2021 年度 実績報告書

• 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: 20H04628
• 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 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 / 極小曲面 / 触媒 / 水電解 / 電気伝導度 / ディラック電子

研究実績の概要

初年度では、標準実現手法によって得られた知見が触媒設計に有効であることを実験的に実証した。そこで、最終年度では触媒に必要なもう一つの要素である電極自身の電気伝導特性の理解に向けて研究を拡大させた。
初年度で作製した３次元の周期的立体構造を持つグラフェン（以下、３次元と呼ぶ）に対して、グラフェンの曲がり具合を示す曲率半径を意図的に変更し、３次元集積化（曲面の詰め込み具合）がグラフェンの物性をどのように変えるのか、一定体積当たりどこまでの集積効率ならばグラフェンとしての特性を保持できるのかなどを検討した。つまり、本物質が持つ３種類の幾何学的な特徴：（1）原子間距離の伸縮を伴う曲面、（2）トポロジカル欠陥と呼ばれるグラフェンを３次元的に曲げるために不可欠な５、７、８員環構造と（3）疑似的な周期構造に着目した。（1）グラフェンの伸縮効果による炭素原子間の電荷の飛び移りの変調は、グラフェンの伝導電子の運動方向を変調する場（擬磁場）の発生させることが明らかとなった。従って、3次元グラフェンが持つ伸縮のある曲面上を電子が動き回ると、あたかも様々な方向に電子が散乱されるような効果を発生させた。（2）トポロジカル欠陥の周りを電子が一周すると、バレーと呼ばれるグラフェンの２つの異なる電子状態間を差し渡すように電子が散乱された。（3）周期構造をもつ３次元グラフェンの理論計算からは、周期の逆数に比例するバンドギャップの形成が示唆された。つまり、グラフェンに疑似的な周期構造が存在する場所では局所的にバンドギャップの形成が起こる可能性が見つかった。そこで、曲率の大幅に異なる３種類の３次元グラフェン（25 nm、50 nm、500 nm）の作製し、電気伝導性やキャリア易動度などを計測した結果、デバイス（受光素子、触媒電極やキャパシタなど）を考える上で重要な設計指針を得ることに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

備考

「CO2から化学原料　合成素早く」、日経産業新聞、2021年8月18日　10ページ
伊藤良一「CO2燃料電池 実用へ一歩」朝日新聞 夕刊 3ページ, 2021年4月19日
伊藤良一「高効率にCO2還元 新しい触媒開発　金沢大など　グラフェンとスズの界面活用」科学新聞 6ページ, 2021年4月2日

研究成果

• [国際共同研究] ハルビン工業大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: ハルビン工業大学
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク研究所
• [国際共同研究] ジョンズ・ホプキンズ大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ジョンズ・ホプキンズ大学
• [国際共同研究] ローマ・サピエンツァ大学(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: ローマ・サピエンツァ大学
• [雑誌論文] Gap Opening in Double-Sided Highly Hydrogenated Free-Standing Graphene (2022)
  • 著者名/発表者名: Betti Maria Grazia、Placidi Ernesto、Izzo Chiara、Blundo Elena、Polimeni Antonio、Sbroscia Marco、Avila Jos?、Dudin Pavel、Hu Kailong、Ito Yoshikazu、Prezzi Deborah、Bonacci Miki、Molinari Elisa、Mariani Carlo
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 22 ページ: 2971～2977
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00162
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Recyclable Clay-Supported Heteropolyacid Catalysts for Complete Glycolysis and Aminolysis of Post-consumer PET Beverage Bottles (2022)
  • 著者名/発表者名: Gopal Jeya、Elumalai Ganesan、Tajuddin Aimi Asilah Haji、Ito Yoshikazu、Vajiravelu Sivamurugan、Ravikumar Dhanalakshmi
  • 雑誌名: Journal of Polymers and the Environment 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1007/s10924-022-02386-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 2D MoS2 Heterostructures on Epitaxial and Self‐Standing Graphene for Energy Storage: From Growth Mechanism to Application (2021)
  • 著者名/発表者名: Zebardastan Negar、Bradford Jonathan、Gupta Bharati、Lipton‐Duffin Josh、MacLeod Jennifer、Pham Hong Duc、Dubal Deepak、Ostrikov Kostya、Wolff Annalena、Hu Kailong、Ito Yoshikazu、Mariani Carlo、Betti Maria Grazia、Motta Nunzio
  • 雑誌名: Advanced Materials Technologies 巻: 7 ページ: 2100963～2100963
  • DOI: 10.1002/admt.202100963
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Disordered photonics behavior from terahertz to ultraviolet of a three-dimensional graphene network (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomarchio Luca、Macis Salvatore、D’Arco Annalisa、Mou Sen、Grilli Antonio、Romani Martina、Guidi Mariangela Cestelli、Hu Kailong、Kukunuri Suresh、Jeong Samuel、Marcelli Augusto、Ito Yoshikazu、Lupi Stefano
  • 雑誌名: NPG Asia Materials 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41427-021-00341-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Corrosion-resistant non-noble metal electrodes for PEM-type water electrolyzer (2021)
  • 著者名/発表者名: Tajuddin Aimi Asilah Haji、Elumalai Ganesan、Xi Zeyu、Hu Kailong、Jeong Samuel、Nagasawa Kensaku、Fujita Jun-ichi、Sone Yoshitsugu、Ito Yoshikazu
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 46 ページ: 38603～38611
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.09.116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polyethylene Glycol Covered Sn Catalysts Accelerate the Formation Rate of Formate by Carbon Dioxide Reduction (2021)
  • 著者名/発表者名: Jeong Samuel、Ohto Tatsuhiko、Nishiuchi Tomohiko、Nagata Yuki、Fujita Jun-ichi、Ito Yoshikazu
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 11 ページ: 9962～9969
  • DOI: 10.1021/acscatal.1c02646
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phase-Dependent Electrochemical CO2 Reduction Ability of NiSn Alloys for Formate Generation (2021)
  • 著者名/発表者名: Ito Yoshikazu、Kukunuri Suresh、Jeong Samuel、Elumalai Ganesan、Haji Tajuddin Aimi Asilah、Xi Zeyu、Hu Kailong、Ohto Tatsuhiko
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 4 ページ: 7122～7128
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c01207
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inhibiting Surface Diffusion to Synthesize 3D Bicontinuous Nanoporous N‐Doped Carbon for Boosting Oxygen Reduction Reaction in Flexible All‐Solid‐State Al‐Air Batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: Hu Kailong、Yu Tingting、Zhang Yanyi、Lin Xiaorong、Zhao Yilu、Xie Guoqiang、Liu Xingjun、Lin Xi、Fujita Jun‐ichi、Qiu Hua‐Jun、Ito Yoshikazu
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 31 ページ: 2103632～2103632
  • DOI: 10.1002/adfm.202103632
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Geometric model of 3D curved graphene with chemical dopants (2021)
  • 著者名/発表者名: Dechant Andreas、Ohto Tatsuhiko、Ito Yoshikazu、Makarova Marina V.、Kawabe Yusuke、Agari Tatsufumi、Kumai Hikaru、Takahashi Yasufumi、Naito Hisashi、Kotani Motoko
  • 雑誌名: Carbon 巻: 182 ページ: 223～232
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.06.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] グラフェンを被膜した卑金属電極──白金代替電極へ向けた防食と触媒作用の両立 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤良一
  • 雑誌名: 化学5月号 巻: 76 ページ: 44～47
  • 査読あり
• [学会発表] 3次元構造を持つグラフェンによる応用研究の拡大 (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤良一
  • 学会等名: 第5回東工大応用化学系次世代若手シンポジウム、オンライン
  • 招待講演
• [学会発表] 3D graphene expands graphene applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Ito
  • 学会等名: 3D Graphene and other 2D to 3D Materials, Bilateral Workshop, Frascati, November 25-26, 2021. (hybrid)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 3D graphene expands graphene applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Ito
  • 学会等名: The 293rd ICYS Seminar, NIMS, Tsukuba, Japan, November 16th 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 持続可能な社会に向けた酸化グラフェンの触媒応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤良一
  • 学会等名: 第15回酸化グラフェン研究会, オンライン
  • 招待講演
• [備考] 数学を取り入れたシミュレーションで材料設計を加速
  • URL: https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/achievements/press/2021/20210707_001417.html
• [備考] 二酸化炭素吸収材で表面を被覆したスズ電極によりギ酸合成速度を24倍に高速化
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/journal/technology-materials/20210802140000.html
• [備考] スズとグラフェンの界面を利用した二酸化炭素を高効率に還元する新しい触媒を開発
  • URL: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20210304-2/index.html
• [備考] 数学と物質科学が融合 シミュレーションで材料設計加速 東北大など有用性実証
  • URL: https://sci-news.co.jp/topics/5166/
• [備考] 東北大・阪大・筑波大・金沢大・名大、グラフェン触媒設計に従来法よりも10億倍速い計算時間で成功
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP614092_07072021000000/
• [産業財産権] 電極、その製造方法および水電解装置 (2021)
  • 発明者名: 伊藤良一
  • 権利者名: 伊藤良一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2021/035982
  • 外国