カーボンナノチューブ
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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。
(2次元合成・利用) |
 世界トップクラスのSWCNT高速成長 高解像度版はこちら  流動層大量合成：動画はこちら |
柔軟膜・太陽電池
強固な化学結合は、通常のバルク材料では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。
材料を組み立ててデバイスを作る際、如何に材料の間を繋ぐのかが重要になっていますが、これらの柔軟なナノ材料を用い界面を自在に繋ぐ研究をしています。
一方で、持続可能な社会を実現するには、自然エネルギーの利用拡大が欠かせません。
我が国は2004年には太陽電池技術で世界をリードしていましたが、その後、世界で急速に進展、今や周回遅れの状況となってしまいました。
再エネは原子力や火力より安いのが世界での常識となっていますが、まだまだ世界には広大な無電化地帯があります。
そこに、石炭火力を入れ数十年間稼働させるのか、それとも出力平準化した再エネを入れるのか、数十年後の世界は大きく変わるでしょう。
多種多様な太陽電池が研究されていますが、バルク結晶シリコン型が価格・性能・信頼性・安定性に優れ、9割以上を占めています。
さらに安価にすべく、同量のシリコンから数十倍の高結晶性シリコン膜を1分と短時間に蒸着する技術や、シリコンにCNTや有機導電体を塗布するだけの簡易なセル化技術を開発しています。
壁紙やカーペットのように簡易に設置できる太陽電池を目標に、実現した際の環境・コスト評価も始めています。
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 太陽電池用単結晶Si膜の1分蒸着と剥離 |
電気化学材料・プロセスとエネルギー
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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。 また、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。
(電気化学) |
 リチウムイオン電池用多孔質Si膜の1分蒸着 |
以前の博士論文
- Hiroyuki SHIRAE, "Fast, High-Yield Fabrication Processes of Low-Resistivity, Flexible Carbon Nanotube Films," Waseda University (2018).
（白江 宏之「低抵抗カーボンナノチューブ・フレキシブル膜の高速・高収率作製プロセスの開発」早稲田大学 (2018).） - Ricardo QUINTERO RESTREPO, "Development of lightweight electrochemical capacitor electrodes based on a three dimensional carbon capturing capacitive particles"（カーボンナノチューブ3次元ネットワークで活物質を包含した軽量な電気化学キャパシタ電極の開発）東京大学 (2015).
- 陳 忠明, "Development of production methods of submillimeter-long carbon nanotubes"（サブミリメータ長カーボンナノチューブの合成法の開発）東京大学 (2014).
- 長谷川 馨, "Millimeter-scale growth of single-walled carbon nanotubes on substrates"（基板上での単層カーボンナノチューブのミリメータースケール成長）東京大学 (2011).
- 杉目 恒志, "Clarification of catalytic growth mechanism of single-walled carbon nanotubes and control of their synthesis"（単層カーボンナノチューブ触媒成長の機構解明と合成制御）東京大学 (2010).
- 筧 和憲, "Growth of single- and multi-walled carbon nanotubes catalized by sputter-deposited metal nanoparticles"（スパッタ担持金属ナノ粒子触媒による単層・多層カーボンナノチューブの成長）東京大学 (2008).
以前の修士論文
- 岡田 翔平「単層カーボンナノチューブの火炎合成:高収量・高品質化を目的とした原料供給・反応場制御」早稲田大学 (2018).
- 葛原 颯己「カーボンナノチューブ自立膜とMnO2粒子及び活性炭の複合化による非対称電気化学キャパシタの開発」早稲田大学 (2018).
- 小林 峻司「金属ナノ粒子-CNT複合体の創製と、熱界面材料応用」早稲田大学 (2018).
- 永井 款也「グラフェンの短時間・省資源合成技術の開発」早稲田大学 (2018).
- 浜田 航綺「カーボンナノチューブの乾式精製技術の開発」早稲田大学 (2018).
- 藤田 誠「急速蒸着法による大粒径多結晶シリコン膜の基板上合成：技術評価と剥離技術開発」早稲田大学 (2018).
- 本田 陽一郎「チタン酸リチウムｰCNT自立複合膜によるリチウムイオン電池負極の開発」早稲田大学 (2018).
- 青井 慈喜「Cuの急速蒸着、CNTとの複合化とリチウム二次電池負極応用」早稲田大学 (2017).
- 秋葉 祥恵「エッチング析出法による数層/多層グラフェンの基板上直接形成と構造制御」早稲田大学 (2017).
- 許 乃傲「電気化学キャパシタ応用に向けたCNTスポンジ-酸化グラフェン複合電極の開発」早稲田大学 (2017).
- 小輪瀬 敬之「ガス中蒸発法によるSiナノ粒子合成とCNT膜中包含によるLi二次電池用3次元厚膜負極開発」早稲田大学 (2017).
- 高畠 麻実「CNT垂直配向膜のパターン合成、複合化と導電応用」早稲田大学 (2017).
- 蜂谷 宗一郎「長尺な単層CNTの流動層合成」早稲田大学 (2017).
- 堀 圭佑「CNTスポンジ膜への硫黄包含によるリチウム硫黄電池正極の開発」早稲田大学 (2017).
- 村元 恵理「CNT塗布型結晶Si太陽電池の簡易プロセスでの作製と性能向上」早稲田大学 (2017).
- 山田 亮「高分子シートへの炭素繊維の高密度・垂直配向充填と熱界面材料応用」早稲田大学 (2017).
- 大場 一哲「担持触媒の気相分散供給とカーボンナノチューブの連続合成」早稲田大学 (2016).
- 川端 孝祐「小粒径セラミック粉末への触媒の気相担持とカーボンナノチューブの流動層合成」早稲田大学 (2016).
- 岸田 有理「Co薄膜への炭素固溶と塩素エッチングによるグラフェンのSiO2上直接形成」早稲田大学 (2016).
- 栗谷 匡明「アセチレンブラック―カーボンナノチューブ複合体の気相一貫合成法の開発」早稲田大学 (2016).
- 杉野 裕亮「担持触媒の気相形成とカーボンナノチューブの連続合成」早稲田大学 (2016).
- 中村 典義「フェロセンの急速加熱・冷却による触媒粒子生成とカーボンナノチューブの気相連続合成」早稲田大学 (2016).
- 成林 美里「カーボンナノチューブ自立膜とMnO2粒子の複合化による電気化学キャパシタ電極の開発」早稲田大学 (2016).
- 山口 航太郎「グラフェンの固相成長およびカーボンナノチューブの気相成長における界面とシード制御」早稲田大学 (2016).
- 山崎 悠平「急速蒸着とその場溶融結晶化による大粒径結晶Si薄膜の簡易作製法の開発」早稲田大学 (2016).
- 吉原 悠「気相および液相プロセスによるカーボンナノチューブ構造体の作製と制御」早稲田大学 (2016).
- 大川 朝陽「実用的なグラフェンのCVD合成と転写技術の開発」早稲田大学 (2015).
- 白江 宏之「低抵抗カーボンナノチューブ・フレキシブル膜のロスフリー作製プロセスの開発」早稲田大学 (2015).
- 房 楠「Li二次電池負極を目指した柔軟性電極上への多孔質Si 膜の急速蒸着と電気化学評価」早稲田大学 (2015).
- 山口 麻衣「単層カーボンナノチューブの火炎合成と、温度場・反応制御」早稲田大学 (2015).
- 小坂 昌輝「金属フリーグラフェンの基板上直接形成と構造制御」東京大学 (2014).
- 今 佑介「単層カーボンナノチューブの流動層合成技術の開発」東京大学 (2013).
- 廣田 幸祐「急速蒸着法による太陽電池用大粒径結晶シリコン薄膜の作製」東京大学 (2013).
- 増田 竜也「銅触媒対向配置・化学気相成長法によるグラフェン結晶成長制御」東京大学 (2013).
- 大島 淳「単層カーボンナノチューブの火炎合成」東京大学 (2012).
- 佐藤 佳邦「単層カーボンナノチューブの気相合成と構造制御」東京大学 (2012).
- 羅 ヌリ「稠密な垂直配向カーボンナノチューブ配列の基板上低温成長」東京大学 (2012).
- 関口 康太郎「パルス通電加熱CVDによるカーボンナノチューブフィールドエミッタの瞬間実装」東京大学 (2011).
- 髙野 宗一郎「基板上への金属フリー・グラフェン膜形成技術の開発」東京大学 (2011).
- 李 圭夏「スパッタ多結晶膜の粒界分離によるFePtナノロッドの高密度形成」東京大学 (2011).
- 姜 憲求「金属誘起結晶化によるアモルファスカーボンからのグラフェン作製と結晶成長メカニズム」東京大学 (2011).
- ケットプリーシャサワット・スアパー「カーボンナノチューブの自己組織化ネットワークと透明導電特性」東京大学 (2010).
- 朴 相昱「カーボンナノチューブのセンチメータースケール持続成長」東京大学 (2010).
- 石塚 洋行「気相分散触媒による単層CNT気相合成と成長メカニズム」東京大学 (2010).
- 辻 由樹絵「多結晶コバルトシリサイド薄膜の構造制御」東京大学 (2010).
- 野村 桂甫「カーボンナノチューブ低温合成のための触媒開発」東京大学 (2010).
- 白井 聖「カーボンナノチューブの低温成長と稠密成長に向けた薄膜触媒の開発」東京大学 (2009).
- ムンガイ F. カニイリ「急速エピタキシーおよびリフトオフプロセスによる太陽電池用単結晶シリコン薄膜の合成」東京大学 (2009).
- 諸隈 慎吾「Liイオン２次電池用Si薄膜負極の開発」東京大学 (2009).
- 伊藤 龍平「カーボンナノチューブのCVD合成における気相反応と触媒反応の独立制御」東京大学 (2008).
- 高嶋 智史「塩素共存下での銅成膜機構の理解と微細孔埋め込み技術の開発」東京大学 (2008).
- 長谷川 馨「熱CVD法による基板上での単層カーボンナノチューブの高速成長」東京大学 (2008).
- 大島 裕史「半導体から絶縁体へ相変化するアモルファスシリカ膜の作製と評価」東京大学 (2007).
- 桑原 雄一「エピタキシャルリフトオフプロセスを用いた太陽電池用シリコン薄膜の作製」東京大学 (2007).
- 杉目 恒志「コンビナトリアル手法による触媒探索と単層カーボンナノチューブ合成の理解と制御」東京大学 (2007).
- 森下 梓「スパッタ法によるFePt磁性体ナノ薄膜の結晶粒界制御」東京大学 (2007).
以前の卒業論文
- 安積 茉由「アルミニウム基板上でのカーボンナノチューブ合成、集合形態の簡易制御と伝熱応用」早稲田大学 (2018).
- 金澤 優貴「高分子シートへの炭素繊維の垂直配向・高密度充填と熱界面材料への応用」早稲田大学 (2018).
- 金子 健太郎「ナノチューブ・ナノファイバー膜セパレータ及び正極/セパレータ/負極一体型二次電池の開発」早稲田大学 (2018).
- 川上 慧「ナノファイバーと金属粒子の複合化による異方性導電フィルムの開発」早稲田大学 (2018).
- 小長谷 優祐「白金ナノ粒子担持カーボンナノチュブ膜電極による水溶液系でのアンモニアの電気分解」早稲田大学 (2018).
- 高橋 和也「絶縁性基板へのグラフェンの直接合成の検討」早稲田大学 (2018).
- 角田 和哉「リチウム二次電池応用に向けたシリコン板状粒子-カーボンナノチュブ複合膜作製」早稲田大学 (2018).
- 馮 愷晟「浮遊担持触媒によるカーボンナノチューブの気相連続合成」早稲田大学 (2018).
- 小川 凱也「“浮遊担持触媒法”による細いカーボンナノチューブの大量合成法の開発」早稲田大学 (2017).
- 石嶋 直也「急速蒸着法による大粒径多結晶Si薄膜の基板上合成とCNT-Siヘテロ接合フレキシブルSi太陽電池の作製」早稲田大学 (2017).
- 江戸 倫子「二元系コンビナトリアル手法を用いた単層カーボンナノチューブのカイラリティ制御合成」早稲田大学 (2017).
- 大橋 慧「エッチング析出法によるグラフェン基板上直接合成と触媒金属検討」早稲田大学 (2017).
- 北川 紗映「カーボンナノチューブの基板上合成、集合形態の自己組織制御と電子エミッタ応用」早稲田大学 (2017).
- 佐藤 俊裕「酸化剤添加によるカーボンナノチューブ合成の安定化：水蒸気と二酸化炭素」早稲田大学 (2017).
- 富永 達也「カーボンナノチューブ-Al箔複合集電体の開発と電気化学キャパシタ応用」早稲田大学 (2017).
- 並木 克也「浮遊触媒化学気相成長法による単層カーボンナノチューブとその繊維状集合体の連続合成」早稲田大学 (2017).
- 橋爪 裕太「急速蒸着によるSi/金属/Si自立膜の作製とリチウム二次電池応用」早稲田大学 (2017).
- 前田 陽平「アセチレンブラック－カーボンナノチューブ複合体の気相連続合成法の開発」早稲田大学 (2017).
- 前田 里沙「サブミリメーター長カーボンナノチューブの流動層合成に向けたビーズ上への触媒湿式担持」早稲田大学 (2017).
- 三浦 正太「カーボンナノチューブのアルミニウム基板上への形態制御合成」早稲田大学 (2017).
- 横尾 賢「セパレータ/集電体一体型リチウムイオン電池の開発」早稲田大学 (2017).
- 吉田 昌広「セラミックビーズへの触媒の気相担持と長尺カーボンナノチューブの流動層合成」早稲田大学 (2017).
- 岡田 翔平「単層カーボンナノチューブの火炎合成とガス混合過程の制御」早稲田大学 (2016).
- 葛原 颯己「カーボンナノチューブと酸化ジルコニウムの複合化による酸素還元電極の開発」早稲田大学 (2016).
- 小林 峻司「熱界面材料に向けたCu箔上カーボンナノチューブ垂直配向膜合成と構造制御」早稲田大学 (2016).
- 永井 款也「Sn含有有機分子およびCOを原料としたグラフェンの合成」早稲田大学 (2016).
- 浜田 航綺「カーボンナノチューブの気相精製と、六方晶窒化ホウ素膜の基板上合成」早稲田大学 (2016).
- 藤田 誠「融液蒸着法による多結晶シリコン膜の作製と基板からの剥離法の開発」早稲田大学 (2016).
- 本田 陽一郎「急速蒸着によるアルミニウム-カーボンナノチューブ複合箔の作製と蓄電デバイス電極応用」早稲田大学 (2016).
- 南出 泰佑「Cuエピタキシャル膜の急速蒸着とグラフェンの精密合成」早稲田大学 (2016).
- 宮寺 耕平「カーボンナノチューブ集電体による金属箔レス・キャパシタの検討」早稲田大学 (2016).
- 山片 豪「Liイオン電池正極に向けたカーボンナノチューブとリン酸鉄リチウムの複合膜の開発」早稲田大学 (2016).
- 渡邊 亮「グラフェン-シリコン太陽電池に向けたグラフェンの転写プロセスの開発」早稲田大学 (2016).
- 青井 慈喜「銅薄膜の急速蒸着とリチウム二次電池電極応用」早稲田大学 (2015).
- 秋葉 祥恵「エッチング析出法による数層グラフェンの誘電体基板上直接形成と構造制御」早稲田大学 (2015).
- 許 乃傲「電気化学キャパシタ電極のための酸化グラフェン-カーボンナノチューブ複合膜の作製」早稲田大学 (2015).
- 小輪瀬 敬之「ガス中蒸発法によるシリコンナノ粒子の作製とリチウムイオン電池用3次元厚膜電極の開発」早稲田大学 (2015).
- 高畠 麻実「各種炭素材料への臭素ドーピングによる低抵抗化とその機構」早稲田大学 (2015).
- 蜂谷 宗一郎「流動層法を用いたカーボンナノチューブの合成とガス流による一括回収」早稲田大学 (2015).
- 堀 圭佑「CNTスポンジ膜への硫黄包含によるリチウム硫黄電池正極材料の開発」早稲田大学 (2015).
- 村元 恵理「カーボンナノチューブ塗布型結晶シリコン太陽電池の構造要件と最適化」早稲田大学 (2015).
- 森川 裕介「リチウム二次電池に向けたシリコン粒子膜の集電体上直接形成」早稲田大学 (2015).
- 山田 亮「フレキシブルカーボンナノチューブパターンのロスフリー印刷」早稲田大学 (2015).
- 大場 一哲「コロイド溶液からのエアロゾル担持触媒の創成とカーボンナノチューブの気相合成」早稲田大学 (2014).
- 川端 孝祐「含浸担持触媒によるサブミリメータ長カーボンナノチューブの合成」早稲田大学 (2014).
- 岸田 有理「エッチング析出法によるCo-C混合膜からのグラフェンの誘電体基板上直接形成」早稲田大学 (2014).
- 栗谷 匡明「アセチレンブラック粒子上でのカーボンナノチューブ合成による複合化と、1秒スケールでの反応制御」早稲田大学 (2014).
- 杉野 裕亮「触媒塩溶液からのエアロゾル担持触媒の創成とカーボンナノチューブの気相合成」早稲田大学 (2014).
- 中村 典義「アーク放電と気体原料を用いたカーボンナノチューブの連続合成」早稲田大学 (2014).
- 成林 美里「電気化学キャパシタを目指したカーボンナノチューブ自立膜とMnO2粒子の複合電極の作製」早稲田大学 (2014).
- 山口 航太郎「気相法および固相法によるグラフェン薄膜の合成と構造制御」早稲田大学 (2014).
- 山崎 悠平「フレキシブル太陽電池を目指した結晶シリコン薄膜作製法の開発」早稲田大学 (2014).
- 吉原 悠「スパッタ法による銅-炭素複合膜の作製と、導電性・電流耐性評価」早稲田大学 (2014).
- 大川 朝陽「CVD 法で合成したグラフェンの転写と触媒の繰り返し利用」早稲田大学 (2013).
- 白江 宏之「カーボンナノチュブフレキシブル配線・透明電極の簡易作製」早稲田大学 (2013).
- 房 楠「リチウムイオン電池負極用シリコン系多孔質膜の急速蒸着」早稲田大学 (2013).
- 山口 麻衣「単層カーボンナノチューブの火炎合成」早稲田大学 (2013).
- 小坂 昌輝「金属フリーグラフェンの基板上直接形成と構造制御」東京大学 (2012).
- 廣田 幸祐「急速蒸着・エピタキシャルリフトオフ法による太陽電池用単結晶シリコン薄膜の作製」東京大学 (2011).
- 増田 竜也「Cu薄膜触媒を用いた化学気相成長法によるグラフェン合成と結晶構造制御」東京大学 (2011).
- 佐藤 佳邦「単層カーボンナノチューブのシードの気相合成」東京大学 (2010).
- 関口 康太郎「パルス通電加熱によるカーボンナノチューブフィールドエミッタの瞬間実装」東京大学 (2009).
- 高野 宗一郎「微細孔の選択的埋め込み技術の開発」東京大学 (2009).
- 辻 由樹絵「電子デバイス用コバルトシリサイド薄膜の結晶成長の理解と制御」東京大学 (2008).
- 野村 桂甫「機能分担触媒によるカーボンナノチューブの低温成長」東京大学 (2008).
- 諸隈 慎吾「カーボンナノチューブ合成における触媒構造の変化」東京大学 (2007).