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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。
  • Pengfei CHEN (D3): アルカンの活性化とCNTのCVD合成
  • 安藤 弘燿 (M2): 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
  • 秋山 幸輝 (M1): 長尺・高純度CNTの流動層合成、直径・層数制御と電池応用
  • 松川 慶征 (M1): CNTの合成と低炭素燃料の併産
  • 友田 温和 (B4): 単層CNTのBNコートと電池応用
  • 根岸 希々花 (B4): 良質な単層CNTの長時間気相連続合成
  • 山本 一眞 (B4): CNTの精製とBNコートと電池応用

世界トップクラスのSWCNT高速成長 [58].
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流動層大量合成 [60]. 動画はこちら

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。
  • (安藤 弘燿 (M2): 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 (M2): CNTの低損傷半連続分散と透明導電膜への応用
  • 中 健太郎 (M2): 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
  • 大内 瑠華 (B4): 高導電性CNT-PSS透明膜の実用的な作製法の開発
  • 大河内 美奈子 (B4): 低熱抵抗かつ変形追従可能な銀と樹脂の複合熱界面材料の開発

ポリスチレンスルホン酸(PSS)を分散剤
・ドープ剤としたCNT透明導電膜 [120].


銀のみからなるエアロゲル膜 [159].

次世代蓄電デバイス

 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。
 我々はリチウムイオン電池(LIB)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。
 資源豊富な軽元素からなるケイ素(Si)や一酸化ケイ素(SiO)、硫黄(S)は、従来の負極・正極活物質よりも一桁大きな容量を有します。 一方で少量の活物質に多量のリチウムが出入りするため大きく体積が変化し、劣化が問題となります。 柔軟なスポンジ状CNT膜中にこれらの活物質を包含することで、体積変化を可逆化した軽量な電池の開発にも取り組んでいます。
  • 前 智太郎 (講師): 軽元素を用いたLIBの開発と環境適合性の評価
  • 黄 奔 (D3): SiO負極のプレリチオ化と全電池の開発
  • 新井 颯眞 (M2): C-O-Si系高容量LIB負極の開発
  • Sungjun KIM (M1): 各種CNTを三次元集電体に用いたLi-Li2S8およびLixSiO-Li2S8全電池の開発
  • 川野邊 琴心 (B4): Li2S-CNT正極と高エネルギー密度全電池の開発

CNT集電体とBNNTセパレータからなる高耐熱電池 [128].


可逆的に膨張収縮するSiO-CNT負極 [164].

リチウムイオン電池のリサイクル

 リチウムイオン電池(LIB)は年々普及が拡大しています。 不適切な廃棄による、希少資源の枯渇、ごみ処理場の火災、環境汚染を防止するためには、リサイクルの確立が不可欠です。 使用済みLIBの材料を原料まで戻さずに、結晶構造を保ったまま機能性材料へ戻す直接リサイクルの実現を目指しています。 従来の電池作製方法では数グラム以上の多量の活物質が必要なことがリサイクル研究を困難にする一因でした。 我々はCNT膜集電体技術を活用、1/1000の数ミリグラムで電池作製を実現、効率的に実験することでシンプルなリサイクルプロセスの構築に取り組んでいます。
  • Aldo Gregarious DIONDIHON (M2): 使用済みNCA正極材の直接再生法の開発
  • 北島 大樹 (M2): NCM-LMO混合正極の直接再生法の開発
  • 石橋 涼介 (M1): 使用済みGr-LFP全電池の省資源・省工程での再生法の開発
  • 趙 允浩 (B4): NCM-NCA混合正極の直接再生法の開発
  • 日向 絵玲奈 (B4): リチウムイオン電池への超音波利用技術の開発

LIB正極材の各種リサイクル方法 [178].

電気化学:エネルギーと環境

 水素も使用時には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。 特に再生可能電力を用いて水電解で製造した水素は、グリーン水素として注目されています。 しかし、電力→水素→電力への変換工程で、エネルギー量が半分以下へと目減りしてしまいます。 水電解では、カソードで水素が、アノードで酸素が発生しますが、酸素発生反応の過電圧が高いことが問題です。 そこで、各種排水に含まれる不純物が還元剤になることに着目、アノードでの水の酸化を不純物の酸化に置き換えることで、 エネルギー消費の削減と排水処理の両立を目指しています。
  • Arun KARMAKAR (PD): 海水電解による水素製造
  • 仲野 里穂 (M1): CNTベース三次元電極を用いた水電解と気泡脱離の制御
  • 早川 美希 (B4): 不純物を用いた基質アシスト水電解による高効率水素製造と排水処理
  • 谷脇 瑚香乃 (B4): 排ガスの海水中捕集と共電解による省エネルギー水素製造

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。
  • 並木 克也 (招聘研究員): 回分式反応器によるCO2吸収型コンクリートのその場反応解析とCO2固定量評価
  • Yuli WEN (PD): 流通式反応器によるCO2吸収型コンクリートのその場反応解析とCO2固定量評価
  • 松井 瑠璃 (M2): CO2吸収型セメント混和材の炭酸化反応への各種粉体の混合効果
  • 横井 佑哉 (M2): セメントペーストの炭酸化反応における空隙率および粉体添加の影響
  • 松岡 啓太 (M1): 各種産業副産物の炭酸化速度評価およびメカニズム検討
  • 梶谷 祐明 (B4): コンクリート用簡易炭酸化養生槽の開発および半バッチ式/連続運転
  • 梶山 美紀 (B4): コンクリート用簡易炭酸化養生槽の開発および半バッチ式/連続運転

セメントによるCO2吸収のリアルタイム測定 [184].

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。
  • 前 智太郎 (講師): CNTベースSiO||NCM全電池の環境影響評価
  • 黄 奔 (PD): 劣化NCM正極のリサイクルに伴う環境影響評価
  • 北島 大樹 (M2), 石橋 涼介 (M1): LIBの各種劣化正極材の直接再生に伴う環境影響評価
  • 横井 佑哉 (M2), 松岡 啓太 (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
  • 早川 美希 (M1): 基質アシスト水電解による高効率水素製造と排水処理

LCAによるCNT製造に伴うGHG排出量の評価 [116].

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