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ナノ材料と自己組織化

 物質の構造をナノスケールで制御すると新機能を創生でき、 エネルギー・環境、情報など、広範にイノベーションを起こすことができます。 当研究室はナノテクノロジーの基盤構築を目指しています。

 例えば、未来のクリーンエネルギーシステムを考えてみましょう。 太陽電池で大規模発電するには高純度シリコンの有効利用が鍵で、高結晶性シリコン膜の高速製造でブレークスルーを目指しています。 光から電気を作る太陽電池、電気から光を得るディスプレイ・照明ともに、光も電気も流す透明電極が重要で、希少元素に頼る現状からカーボンナノチューブ・グラフェンにより脱却を図ります。 ナノチューブのシリコンナノ粒子とのハイブリッドはリチウムイオン電池を高性能化して自動車を動かすのに有望です。 このように炭素とシリコンに元素を絞っても、広範にイノベーションを起こせることがナノテクノロジーのインパクトで、資源面でもサステナビリティーに欠かせません。

 ただ、原子・分子を人為的に操作していては、ナノ材料をマクロスケールに製造できません。 無数の原子・分子が自然に組み上がる自己組織化が不可欠です。 原子・分子の化学反応過程から、ナノ構造体、更に高次構造体の形成過程を基礎的に理解するとともに、自由な発想で新しいプロセスを提案・開発しています。

カーボンナノチューブ

 カーボンナノチューブ(CNT)は、nmの細さとmmの長さを持つ特異な1次元材料です。 良導性で引っ張りに強く熱・化学的に安定という無機材料の特徴と、軽量で柔軟で塗布プロセスの適合性が高いという有機材料の特徴を併せ持ち、多様な用途が提案されています。
 一方で、良質なCNTは極少量しか作れず金よりも高価、応用は進んでいません。 ものづくりでは化学・工学が主役、私たちはカーボンナノチューブのミリメータースケール高速成長技術を開発、実用的な合成法の確立を目指しています。 詳細はこちらをご覧下さい。
 反応器の三次元場を活用したCNTの量産技術の開発、および基板上への直接合成による各種デバイス応用を進めています。 また、CNTと同様の構造を持ちながら絶縁体である窒化ホウ素ナノチューブ(BNNT)の合成にも着手しました。
  • Jianghua LANG (PD): 流体混合制御による浮遊触媒CVD法でのカーボンナノチューブの安定連続合成
  • Pengfei CHEN (D3): アルカンの活性化とCNTのCVD合成
  • 北原 亘 (M2): CNT垂直配向膜の形態制御と小型X線管用エミッタの長寿命化
  • 田中 駿 (M1): CNTの低損傷で安全な乾式精製法の開発
  • 直塚 悠希 (M1): 触媒原料分解促進による浮遊触媒CVD法でのカーボンナノチューブの安定連続合成
  • 北島 大樹 (B4): CNTのBNコートとリチウムイオン電池応用

世界トップクラスのSWCNT高速成長
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機能性薄膜

 固体で作られるデバイスの多くでは、固体と固体の間の界面がしばしば性能を律するようになっています。 各種の電気・電子デバイスの高性能化は著しく、デバイスに投入されるエネルギーの密度が増大し、生じる熱を如何に逃がすかが重要課題です。 一方、LEDや各種センサが車など各種デバイスに搭載され、その防曇・防雪も重要となっています。 固体の界面を繋ぎ、表面に機能を付与する各種の薄膜が求められています。
 強固な化学結合は、通常のバルク材料では耐熱性や化学的安定性と同時に固さを生みます。 一方で、CNTやBNNTは直径数nmの細い1次元材料で、強固で安定な化学結合を持ちながら柔軟性を併せ持ちます。 また、大きな比表面積とナノチューブ間のファンデルワールス相互作用を有し、細長く相互に絡まることで、スポンジ状の自立膜を構成します。 柔らかく耐熱性や熱伝導性に優れたユニークな特徴を持った材料を作ることができ、太陽電池、車載デバイスや半導体デバイス製造など多様な応用が期待されます。
 また、Arなどの不活性ガス中で固体を蒸発させると表面清浄な固体の微粒子を合成でき、これらの微粒子膜は容易にシンタリングしてバルクに戻ります。 低温で接合しながら一たび接合すると高い熱安定性を有す新奇な材料を創製しています。
  • 高橋 佳大 (M2): 固体間の低熱抵抗・高耐熱界面接合
  • 中島 諒介 (M2): カーボンナノチューブのp/n安定ドープ
  • 蓮實 直海 (M2): スプレー塗工および液面転写によるCNT透明ヒーターの開発
  • 安藤 弘燿 (B4): CNTの浮遊触媒CVD法合成と成形回収による透明薄膜の開発
  • 立花 桜子 (B4): CNTの低損傷高収率分散とろ過による透明薄膜の開発
  • 中 健太郎 (B4): ガス中蒸発法による金属エアロゲル膜の創製と界面接合

太陽電池用単結晶Si膜の1分蒸着と剥離

蓄電デバイス

 エネルギーデバイスは安価に実現されてこそ、社会に大規模に導入され、エネルギー・環境問題の解決に貢献できます。
 我々は蓄電池を対象に、安価な原料を用いてナノ構造電極の高速・高収率製造や、高容量・高出力な次世代蓄電池の開発に取り組んでいます。 単層〜数層の細いCNTを分散・ろ過すると、スポンジ状の自立膜を簡易に作製できます。 例えば、当研究室の流動層法・数層CNTでは、厚さ0.1 mmのCNT膜は、密度0.3 mg/cm3, 質量3 mg/cm2と軽量で、80-90%の空隙と100 S/cm程度の導電性を持ちます。 従来はCuやAlなどの重い金属箔の上に活物質をバインダー・導電材とともに塗布して電極を作ってきましたが、 我々はこのCNT膜中に各種の活物質を包含することで、軽量・高容量な電極および電池の実現を目指しています。
 特にシリコンは現行の黒鉛負極の10倍もの巨大な理論容量を持ちますが、充放電時の体積変化による構造破壊が大きな課題です。 蒸着技術は基礎研究では超高真空下でゆっくり丁寧に製膜する技術として使われていますが、民生ではポテトチップス包装のアルミニウム蒸着のように高速で安価な技術が実用化されています。 我々は蒸着源を融点より大幅に加熱して蒸気圧を高め、低温の基板上に蒸着することで厚さ数umの多孔質膜を1分と短時間で実現しました。 各種金属などへも展開、高性能電池電極の簡易・低コスト製造を目指しています。

リチウムイオン電池用多孔質Si膜の1分蒸着

水素エネルギー

 水素は利用時にCO2を発生しないクリーンな二次エネルギーとして期待されています。 特に海外では再生可能エネルギーが安価となっており、将来的にはCO2フリー水素の大規模生産が期待されます。 一方で、水素をエネルギーや化成品に利用するためには、貯蔵と輸送が課題となります。 水素吸蔵合金や水素キャリアなど多様な方法が研究されてきましたが、いずれも界面反応を利用した化学変換が重要です。 我々は、水素吸蔵合金や電極触媒に高比表面積なCNT膜を組み合わせた材料と、それを用いた装置・プロセスを研究しています。 詳しくはこちらをご覧ください。

CO2吸収型コンクリート

コンクリートは社会インフラの建設・維持に不可欠ですが、セメント製造時に多量の温室効果ガス(日本全体の5%、世界全体の8%)を排出しています。 化石燃料を燃焼してCaCO3を加熱してCaOとSiO2の化合物にしたのち、H2Oと反応させてCa(OH)2として硬化させているため、物質面でもエネルギー面でも多量のCO2を出すためです。 近年、CaOとCO2の反応によりCaCO3にして硬化させるCO2吸収型セメント材料が開発されました。 CaCO3は大理石の主成分でもあり、強度が高く安定という特徴があります。 高炉スラグや焼却灰などに含まれる副産物のCaOを原料とすれば、CO2の排出から吸収へと転換できるかもしれません。 しかしこの反応が遅いため、広く実用化するためには反応機構の解明に基づく反応促進技術の開発が不可欠です。 気-液-固系の複雑な反応ですが、化学工学・反応工学・材料プロセスの知見を活かし、独自のアプローチで研究開発に取り組んでいます。

萌芽技術の技術評価

 現在、応用技術分野を中心に膨大な予算が投入され精力的な研究開発が進んでいます。 しかし、知識と技術の膨大化は専門分化と全体システムの複雑化を招き、科学技術と社会の距離が拡大、開発に成功しても社会で使われない事態も生じています。 主観的な研究開発だけでなく、社会での実装形態を具体的に設定して開発技術を定量評価、既存・競合技術と客観的に比較し、研究開発へフィードバックすることが欠かせません。 「良いもの」から「役立つもの」へのシフト、その方法論・学術の開拓、さらにはそれを担う人材の育成が重要となっています。
 当研究室では、エネルギー・環境分野などでのイノベーションを目指した新技術を開発していますが、萌芽技術の開発と評価の両輪を目指しています。
  • Zih-Ee LIN (PD): 再生可能エネルギーと二次利用リチウムイオン電池を組み合わせた電力供給システムの多面的評価
  • S. NATARAJAN (PD): 使用済みリチウムイオン電池の各種部材のリサイクルの環境影響評価
  • Yihua TANG (PD):
  • 前 智太郎 (講師): CNTベースSiO||NCM全電池の環境影響評価
  • Ben HUANG (D3): 使用済みリチウムイオン電池のNCM正極材の直接リサイクルの環境影響評価
  • 瑞慶覽 諒大 (M2): 水素吸蔵合金を用いた水素利活用システムの温室効果ガス排出量評価
  • 村上 路有久 (M2): 液体アンモニア電気分解を用いた水素利活用システムの温室効果ガス排出量評価
  • 瀬 美涼 (M2), 本橋 大輔 (M1): CO2吸収型コンクリートの輸送も含めた温室効果ガス排出量評価
  • Kebei CHEN (B3), Sungjun KIM (B3): Scientific research.

以前の博士論文

以前の修士論文

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過去の研究紹介

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早稲田大学 先進理工学部
応用化学科 野田・花田研究室