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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。
    (3次元合成)
  • 岡田 翔平 (M2): 単層CNTの火炎合成
  • 並木 克也 (M1): 浮遊触媒CVD法による単層CNTおよび繊維状集合体の連続合成
  • 前田 陽平 (M1): カーボンナノ粒子・ナノチューブ複合体の気相連続合成プロセスの開発
  • 前田 里沙 (M1): セラミック粉末への触媒の高速湿式担持と長尺CNTの流動層合成
  • 吉田 昌広 (M1): セラミック粉末への触媒のその場乾式担持と長尺CNTの流動層合成
  • 馮 ト晟 (B4): 浮遊担持触媒によるCNTの気相連続合成
  • (2次元合成・利用)
  • 小林 峻司 (M2): 金属ナノ粒子-CNT複合体の創製と、熱界面材料応用
  • 江戸 倫子 (M1): 二元系触媒のコンビナトリアル探索とCNTカイラリティ制御合成
  • 北川 紗映 (M1): 自己組織化によるCNT棘状構造体の合成と、電子エミッタ応用
  • 佐藤 俊裕 (M1): 長尺CNTの基板上触媒成長の基礎的理解と工学的制御
  • 安積 茉由 (B4): Al上でのCNT合成、集合形態の簡易制御と伝熱応用
  • 金澤 優貴 (B4): 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
  • 川上 慧 (B4): CNTと金属の複合化による柔軟異方導電体の創製
  • 仲川 黎 (B4): 垂直配向CNTの長尺成長、触媒探索と機構解明

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

グラフェン・薄膜

 グラフェンは原子一層からなる特異な二次元ナノ材料で、優れた導電性・透明性・機械特性などを有し、多様な応用が期待されています。 しかし実用的な合成技術の開発は、未だこれからです。私たちは、電子デバイス応用で必要とされる基板上への直接パターン合成技術や、 太陽電池やタッチパネルなどで要求される透明導電膜の低コスト合成技術を開発しています。 同様の薄膜は、CNTの分散・塗布によっても容易に作製できます。 フレキシブルエレクトロニクス応用に向け、CNT粉末を無駄なく薄膜化する技術も開発しています。
 太陽電池は、これらの研究の重要な出口です。 多様な太陽電池が研究されていますが、多結晶ないし単結晶のバルク結晶シリコン型が、価格・性能・信頼性・安定性に優れ、依然として9割以上を占めています。 さらに安価にし普及すべく、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を塗布するだけの簡易なセル化技術を開発、環境・コスト評価も始めています。
  • 白江 宏之 (D3/LD5): 低抵抗CNTフレキシブル膜のロスフリー作製プロセスの開発
  • Rongbin XIE (D1): カーボンナノ材料とのヘテロ接合によるシリコン太陽電池の簡易作製
  • 永井 款也 (M2): CVD法によるグラフェンの精密制御合成
  • 浜田 航綺 (M2): CNTの乾式精製技術の開発
  • 藤田 誠 (M2): 太陽電池用結晶Si膜の急速蒸着技術の開発とLCAによる技術評価
  • 大橋 慧 (M1): エッチング析出法によるグラフェンのSiO2基板上直接合成と触媒金属検討
  • 石嶋 直也 (M1): 結晶Si膜の急速蒸着とCNT塗布型フレキシブル太陽電池の開発
  • 高橋 和也 (B4): グラフェンの新規転写フリー合成技術の開発
  • 森 瑞希 (B4): グラフェン自立膜の新規合成法の開発

太陽電池用単結晶Si膜の1分蒸着と剥離

新規蓄電池と新プロセス

 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。
  • 堀 圭佑 (D1): CNTスポンジ膜への高容量正負極活物質の包含による高容量リチウム二次電池の開発
  • 葛原 颯己 (M2): MnO2ナノ粒子-CNT自立複合膜による電気化学キャパシタ電極の開発
  • 本田 陽一郎 (M2): チタン酸リチウム-CNT自立複合膜によるリチウムイオン電池負極の開発
  • 山片 豪 (M1): 遷移金属酸化物とCNTの複合化によるLiイオン電池正極の開発
  • 富永 達也 (M1): 金属箔上へのCNT垂直配向成長、集合構造制御と電気化学キャパシタへの応用
  • 橋爪 裕太 (M1): 急速蒸着によるSi/金属/Si自立多孔質膜の創製とLi二次電池負極への応用
  • 金子 健太郎 (B4): 機能性セパレータの創製とLi二次電池への応用
  • 小長谷 優祐 (B4): ナノ粒子触媒のCNTスポンジ膜への担持とアンモニアの電気分解による水素回収
  • 角田 和哉 (B4): Si板状粒子の高速・高収率合成とLi二次電池用Si-CNT複合負極の開発

リチウムイオン電池用多孔質Si膜の1分蒸着

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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