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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。
    (3次元合成)
  • 李 墨宸 (PD): 長尺CNTの流動層合成
  • 張 子豪 (研究員): 浮遊触媒CVD法による単層CNTの高生産性合成と紡糸
  • 浦田 結文 (M2): C2H2高温熱分解によるナノ粒子・ナノチューブ炭素複合体の連続合成
  • 白川 寛人 (M2): 触媒の霧化担持による長尺CNTの流動層合成
  • 近嵐 樹 (M1): 触媒原料急熱による高結晶性単層CNTの気相連続合成と成形回収
  • 鳥屋原 理子 (M1): 触媒のCVD担持による高純度・長尺CNTの流動層合成
  • 後藤 拓磨 (B4): CNTの低損傷乾式精製法の開発

  • (2次元合成・利用)
  • Pengfei CHEN (D1): アルカンの活性化とCNTのCVD合成
  • 沢田 哲郎 (M2): 窒化ホウ素ナノチューブのCVD合成法の開発
  • 安井 浩太郎 (M2): X線管用CNT電子エミッタの簡易製造と性能向上
  • 蛭子 蒼太 (M1): BNNTの浮遊触媒CVD合成法の開発
  • 中村 汐里 (M1): エッチング析出法によるグラフェンの基板上直接合成と応用
  • 岡 順也 (B4): 金属融液触媒を用いた高結晶グラフェン自立膜の合成
  • 甲斐田 敬済 (B4): 固体ホウ素からの蒸気生成によるBNNTのCVD合成

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。
    (薄膜+PV)
  • 黄 暁旭 (D3): CNT-Siヘテロ接合太陽電池の開発
  • 原 瑛美奈 (M2): 有機半導体の塗布製膜によるヘテロ接合Si太陽電池の開発
  • 横井 建人 (M2): ナノチューブベースエアロゲル膜による熱伝導のon/off制御
  • 大島 優美 (M1): ナノスポンジへの各種粒子充填による界面材料
  • 大橋 美彩子 (B4): 急速蒸着法による単結晶シリコン膜の低負荷作製と太陽電池応用
  • 金井 佑林 (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

エネルギー材料・デバイス・プロセス

 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。
 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。
    (電池 電化)
  • 金子 健太郎 (D2): BNNT高耐熱セパレータとリチウムイオン電池・全固体電池の開発
  • 前 智太郎 (D1): 高容量Li二次電池に向けたCNTスポンジベースLi金属負極の開発
  • 山本 直輝 (M2): CNTベース・多孔質Li金属負極と核発生点制御
  • 桜井 宏樹 (M1): 金属酸化物とCNTの複合化によるリチウムイオン電池正極の開発
  • チョウ キ (M1): "規則化ハードカーボン"の創製とリチウムイオン電池負極への応用
  • 中前 快斗 (B4): 活物質と塩のCNTスポンジ担持と溶媒注入による新製法Li-S電池

  • (水素)
  • Neel PATIL (M2): アンモニアの水素の省エネルギー触媒分解合成
  • 永松 泰樹 (M2): CNTベース正負極対の開発と水電解による水素生成
  • 山岡 頌平 (M2): Mg薄膜・ナノ粒子の作製と水素吸蔵特性に対する金属酸化物の触媒効果
  • 吉田 啓佑 (M2): MgH2-CNT複合材料膜を用いた水素貯蔵タンクの装置設計と実証
  • 沓抜 佳奈 (M1): アンモニア水電気分解におけるアノード電極と一体化セルの開発
  • 小坂 鷹生 (B4): 高速水素吸蔵・放出のためのAB5系水素吸蔵合金-カーボン複合材料の開発
  • 浜沢 朋希 (B4): サイクル耐久性を有するMg-CNT複合膜の作製プロセスの確立
  • 宮越 すみれ (B4): 液体アンモニアの電気分解による水素生成のためのアノード触媒構造の開発

リチウムイオン電池用多孔質Si膜の1分蒸着

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。
  • 張: 発展途上国への再生可能エネルギー導入のライフサイクルアセスメント
  • 謝、黄、須藤: 結晶シリコン膜太陽電池のライフサイクルアセスメント

以前の博士論文

以前の修士論文

以前の卒業論文

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