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環境エネルギー材料研究拠点の活動について
環境エネルギー材料研究拠点の活動 数理物質融合科学センター運営協議会 2014年12月17日 鍋島 達弥（環境エネルギー材料研究拠点長） TIMS 環境エネルギー材料研究拠点（白川センター） ミッション：持続可能な社会の構築に向け、高効率なエネルギー変換や物質変 換およびエネルギー貯蔵、さらには再生可能エネルギーの高効率利用を可能に する革新的物質・素材・材料を開発する。 拠点長(コーディネータ)：鍋島達弥教授 エネルギーを生み出す エネルギーを輸送する エネルギーを貯める 別のエネルギーに変える 新電池と新物質が作る エネルギー系統樹 Naイオン電池 Liイオン電池 ラジカル電池 代替元素戦略 代替同素体戦略 燃料電池 色素増感 太陽電池 空気電池 イオン電池 【二次電池】 エネルギー貯蔵 再生可能エネルギー の有効利用 C触媒 【触媒】 物質変換 光触媒 無機PV 有機PV 【太陽電池】 エネルギー変換 物質変換材料研究部門 部門長(PI)：中村潤児教授 1. ナノカーボンの反応性を物理・化学的に解明 2. ナノカーボンに金属クラスターなどを担持し電子状態を チューンしたコンポジットの作製 3. 燃料電池や二酸化炭素の化学的変換のための新規触媒創成 4. 実際の燃料電池に電極触媒を組み込んだ実用触媒の開発 ナノカーボンの化学機能の解明と 触媒材料への応用 エネルギー変換・貯蔵部門 部門長(PI)：守友浩教授 物性物理学の視点からエネルギー物質を 深く掘り下げ、高効率エネルギー変換物質と 高容量エネルギー貯蔵物質を創製 逆問題研究推進室との協力によるデータ解析手法開発 独自の基礎研究を基盤とした革新的環境エネルギー材料の創出 <= オールジャパン「環境エネルギー材料コンソーシアム」の構築と牽引 TIMS将来構想のコアと位置付け、重点研究センター設立時にTIMSと一体化。 2000年のノーベル化学賞を受賞された白川英樹本学名誉教授のご業績を 記念するとともに、工学と理学の枠を越えた連携と融合により、未来型機 能性物質群の創成と学際物質科学研究の新機軸の構築を目指し、さらには 研究成果の社会還元を図ることを目的として2003年4月に設置されまし た。2011年4月には現代社会が直面する喫緊の課題のグリーンイノベー ションの推進を目指した研究センターとして改組し、強力なつくば連携も 視野に入れた活動を行っています。 教員数 27名（教授10名、准教授7名、講師6名、助教4名 運営委員会メンバー（教授）： 中村潤児 秋本克洋 関口 章 藤田淳一 初貝安弘 鍋島達弥 守友 浩 神原貴樹 木島正志 新井達郎 ケイ素化学（関口、一戸、中本）、グラフェン構造体創成と評価（藤田、小林、村 上）、 グラフェンの量子物性（初貝、神田）、超分子化学（鍋島、山村、Gary）、ナトリ ウムイオンバッテリー（守友、上岡、小林）、π共役系光機能性高分子（神原、木 島、山本、桑原）、機能性カーボン（中村、後藤、近藤）、太陽電池メカニズム （秋本、丸本、櫻井）、光反応ダイナミクス（新井、西村、百武） 7 ナノグリーングローバルネットワークの構築 （環境エネルギー材料の基盤を世界で共有） 国際共同研究、ワークショップ、人材交流、交換留学生、研究情報交換 国際交流が進展中 国際連携の拡張 モロッコ マシール研究所（MASciR) Moroccan Foundation for Advanced Science, Innovation and Research) ドイツ デュイスブルク・エッセン大学 CENIDE（MASciR) 環境・エネルギー材料、ナノテク モロッコ唯一のナノテク研究所 北アフリカセンター プレ戦略 Center for Nanotechnology, Materials Science, and Microsystems 台湾 清華大学 連携シンポジウム開催中 グローバルなナノグリーン関連センターの連携 社会の要請 グリーンイノベーション： 高難度の課題多数 燃料電池 太陽電池 白金代替触媒 膜材料 耐久性 水素貯蔵 高効率 低コスト 有機太陽電池 耐久性 リチウム バッテリー 大容量化 低コスト 耐久性 新規バッテリー 超伝導 高温化 新材料開発 低コスト化 グリーンイノ ベーション 藻類からの油の 製造やバイオリ ファイナリー ナノテク・ナノサイエンスなどの基礎研究が十分に活かされてない Back to the Basic 乖離が問題 ジョイント部の強化 が必要 筑波大学 グリーンイノベーション研究組織 人的交流 共同研究 研究コーディネート室 シーズ情報発信 技術ニーズ把握 最新情報収集 学際物質科学研究センター内に設置 熟知したコーディネーターによる機動的対応 ブレークスルー戦略会議 産学独連携フォーラム 研究紹介DVD・HP 共同研究実施 人材紹介 研究者群（技術分野別、研究手法別）の組織化 数理物質科学研究科（中心）・生命環境科学研究科・TIAナノグリーン,NIMS,AIST,KEK 筑波大学キーマテリアル創成戦略組織 学際物質科学研究 センター内 数理物質科学研究科１０名 研究コーディネート室 技術分野別研究者群物質創成先端科学専攻、物性・分子工学専攻、電子・物理工学専攻 物理学専攻、化学専攻、連携教員（ＫＥＫ、ＡＩＳＴ，ＮＩＭＳ） （ 研 究 員 ） 第一原理計算、分子設計 電子顕微鏡、ＳＴＭ、 物性理論 分光、放射光 合成・デバイス グループ 触媒・電池・化合物 ） 構造解析グループ 設計グループ ー 研究手法別研究者群 (ナノテクノロジー・ナノサイエンス） 組 織 内化 （ 太陽電池 グループ 物人 質材 創 成育 先成 端 専科大 攻学学 専院 改攻生 組 予 博 定 士 ー グリーン ケミストリー グループ ー 燃料電池 リチウム電池 グループ 学共 際同 物 質研 科究 学 研 究 緊密な連携 つくばイノベーションアリーナ（コア領域：ナノグリーン） 世界水準の先端ナノテク研究設備・人材が集積するつくばで、世界的なナノテク研究拠点を形成 主な参画機関： 物質・材料研究機構、筑波大学、産業技術総合研究所、環境エネルギー関連企業 ６つのコア研究領域： ５．ナノグリーン 物材機構が蓄積した環境技術を核とし、低炭素社会構築に貢献 物材機構を中心とし、産総研、筑波大学、産業界が連携して、ナノテクノロジーを活用し、高効率・低コストで資源制 約の少ない革新的太陽光発電材料、高性能なエネルギー変換・貯蔵材料（燃料電池、熱電変換材料、二次電池、超伝 導等）、光触媒を利用した低環境負荷型の環境再生材料等の研究開発を行います。 基礎基盤技術のレベルアップ エネルギー変換・貯蔵物質部門 部門長：守友 浩（物理学域） 構成員：西堀英治（物理学域） 構成員予定 小林 航（守友G） 国際TT （西堀G：公募中） 新助教 （守友G：公募中） 構成員予定 丸本一弘（物質工学域） 櫻井岳暁（物理工学域） 小島隆彦（化学域） 三つの使命 1. 【エネルギー科学の構築】基礎科学の視点で、エネルギー物質とエネル ギープロセスを根源的かつ俯瞰的に理解する。 2. 【エネルギーイノベーションの推進】エネルギー科学に根ざし、革新的エ ネルギー物質の創成する。 3. 【エネルギー科学国際拠点の構築】量子ビームの高度利用・等により、エ ネルギー科学を牽引するとともに人材育成を行う。 部門長紹介：守友 浩 構成員紹介：西堀英治 H26年度活動 1. Y. Moritomo, K. Yonezawa, and T. Yasuda, “Effect of temperature on carrier formation dynamics in organic photovoltaic cells”, Appl. Phys. Lett., 105, 073902 (2014). 2. T. Shibata, W. Kobatyashi, and Y. Moritomo, “Sodium ion diffusion in layered NaxMnO2 (0.49 < x <0.75): Comparison with NaxCoO2”, Appl. Phys. Express, 7, 167101 (2014) 3. T. Shibata and Y. Moritomo, “Ultrafast cation intercalation in nanoporous nickel Hexacyanoferrate”, ChemComm. 50, 12941-12943 (2014). 4. Y. Kurihatra, and Y. Moritomo, “Electrochemical, structural, and electrical properties of Mn-Co hexacyanoferrates against Li concentration”, Jpn. J. Appl. Phys., 53, 167101 (2004). 5. W. Kobatyashi, and Y. Moritomo, “Ionic model approach to battery voltage of NaMO2”, J. Phys. Soc. Jpn., 83, 104712 (2014). 6. Y. Moritomo, (他、11名), “Molecular mixing in donor and acceptor domains as investigated buy scanning transmission X-ray microscope”, Appl. Phys. Express, 7, 052302 (2014) 7. D. Tanabe, T. Shimono, W. Kobayashi, and Y. Moritomo, “Temperature dependence of anisotropic displacement parameters in O3-type NaMO2 (M = Cr and Fe)”, Phys. Status Solidi RRL, 8, 287-290 (2014). 8. Y. Moritomo, K. Yonezawa, and T. Yasuda, “Spectroscopic Determination of Charge Formation Efficiency of Organic Photovoltaic Cells”, Liquid. Cry. Solid. Cry., in press. (proc. of KJF2014) 9. Y. Moritomo, (他、11名), “Domain Structure of F8T2/PC71BM Blend Film as Investigated by Scanning Transmission X-ray Microscope (STXM) ”, Liquid. Cry. Solid. Cry., in press. (Proc. of KJF2014) 10. Y. Moritomo, (他、9名), “Fullerene mixing effect on carrier formation in bulk-hetero organic solar cell”, submitted. 11. T.Shibata, Y. Fukuzumi, W. Kobayashi, Y. Moritomo, “Fast discharge process of layered cobalt oxides due to high Na+ diffusion” , submitted. 受賞 1. 平成２６年７月１１日、柴田恭幸（守友G研究員）、応用物理学会論文奨励賞, “Sodium ion diffusion in layered NaxCoO2” H26年度活動 1. E. Nishibori, S. Aoyagi, M. Sakata, R. Sakamoto and H. Nishihara. “Crystal structure of (Z )-1-(ferrocenylethynyl)-10(phenylimino) anthracen-9(10H)-one from synchrotron X-ray powder diffraction”, Acta Cryst. (2014). E70, 573-576 2. 2. D. Ogawa, Kitaura, T. Saito, S. Aoyagi, E. Nishibori, M. Sakata, T. Nakamura and H. Shinohara, “Observation and Characterization of Fragile Organometallic Molecules Encapsulated in Single-Wall Carbon Nanotubes”, Journal of Nanomaterials. 539295 (2014). 3. 3. M. Woinska, D. Jayatilaka, M. A. Spackman, A. J. Edwards, P. M. Dominiak, K. Wozniak, E. Nishibori, K. Sugimoto and S. Grabowsky. “Hirshfeld atom refinement for modelling strong hydrogen bonds”, Acta Cryst. (2014). A70, 483-498 4. M. Shimada, Y. Yamanoi, T. Kondo, T. Matsushita, E. Nishibori, A. Hatakeyama, K. Sugimoto, H. Nishihara, “Optical Properties of Disilane-Bridged Donor–Acceptor Architectures: Strong Effect of Substituents on Fluorescence and Nonlinear Optical Properties”, in revision 5. E. Nishibori et al, “Revisit: High resolution Charge Density Study of α-rhombohedral boron using third-generation SR data at SPring-8”, submitted. 6. P. Mandal, A. Manjon-Sanz, A. Corkett, T. P. Comyn, K. Dawson, T. Stevenson, J. Bennett, A. J. Bell, E. Nishibori, M. Takata, M. Zanella, M. R. Dolgos, U. Adem, X. Wan, M. J. Pitcher, S. Romani, T. Thao Tran, P. S. Halasyamani, J. B. Claridge,* and M. J. Rosseinsky, “Morphotropic Phase Boundary in the Pb-free (1-x)BiTi3/8Fe2/8Mg3/8O3 -xCaTiO3 System: Tetragonal Polarization and Enhanced Electromechanical Properties”, Submitted. 7. Lei Miao and Eiji Nishibori et al, “One-step hydrothermal synthesis of V1-xWxO2 (M/R) nanorods with superior doping efficiency and thermochromic property”, in revision. 招待講演（国際会議） 1. E. Nishibori, “Application of maximum-entropy electrostatic potential in Materials Science”, Congress and General Assembly of the International Union of crystallography. 5-12, August 2014, Montreal, Quebec, Canada. (Invited Talk). 2. Y. Moritomo, “Device process organic photovoltaic cells”, Innovative technologies in the use of renewable energy sources” 2-3,December 2014, Ashgabat, Turkmenistan (Invited talk) 3. Y. Moritomo, “Structural and Electronic Properties of Several Cathode Materials for Sodium-ion Secondary Battery”, 2014 Tsukuba Nanotechnology Symposium (TNS’14), 24-25 July 2014, Tsukuba, Japan (Invited). H26年度活動:招待講演・受賞 特許出願 1. 特願2014-222946、筑波大学、 “ナトリウムイオン 二次電池用負極、ナトリウムイオン二次電池、リ チ ウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二 次電池”、守友 浩、柴田恭幸、 2. 特許出願準備中、筑波大学、“＊＊＊＊”、守友 浩、 柴田恭幸、濱口 純 特許取得 1. 特許５６４１３６３、筑波大学、“不揮発性エレク トロクロミック素子およびカチオンの移動を制御 する方法”、守友 浩、五十嵐一泰 2. 特許５590516、筑波大学、“電圧駆動素子、電池、 表示装置、磁性制御装置および反転対称性制御 装 置”、守友 浩、柴田恭幸 H26年度活動：プレスリリース 有機系太陽電池 ナトリウムイオン二次電池 ナトリウムイオン二次電池 有機系太陽電池 H26年度活動：新聞報道 有機系太陽電池 日刊工業新聞2014年4月17日 日刊工業新聞2014年8月26日 H26年度活動：Webでの報道 有機系太陽電池 2014/8/19: Appl. Phys. Lett.によるプレスリリースè12以上のwebサイトで報道 研究力の拡充 p 【国際TTの参加】CMC（デンマーク）に派遣し、国際共著論文数（最低でも１０報） を拡大する。また、CMCとの共同研究を通じて、量子ビーム利用の国際展開を図る。 p 【新助教の参加】物理学域の支援で、新助教を本部門に配置することになった。この助 教は、量子ビーム（超高速レーザーを含む）を駆使した精密実験でエネルギー科学を構 築を目指す。 p 【サバティカル制度の利用】教員サバティカル制度を利用して、国際ネットワークを強 化する。プリンストン大学（アメリカ）とCRYSMAT（フランス）を予定している。 p 【産学連携と実用化】民間企業との共同開発で革新的機能の実用化を目指さす。例えば、 民間企業と共同開発を開始しているテーマで、今年度、A-STEPが採択されている。 拠点化戦略 p 【構造エネルギー学の創成】放射光科学と計算科学の進歩を最大限活用し構造エネル ギー学の創成を目指し、概算要求を申請中。世界中の量子ビームインフラを駆使した国 際拠点を形成する。 p 【有機系太陽電池つくば拠点】本部門はTIAーACCELERATEの環境・エネルギー部門の 中核として、つくば連携を活かした大型外部資金獲得を目指す。 今後の展開：本拠点の位置づけ エネルギー貯蔵 今後の展開：国際拠点 エネルギー貯蔵 今後の展開：つくば連携の強化 エネルギー変換 TIA-ACCELERATE NIMSが中心 本部門が中心 採択 p 有機系太陽電池(色素増感、有機 薄膜太陽電池、ペロブスカイト型 太陽電池)では、すでに、つくば 連携で研究が進展。 日刊工業新聞2014年4月17日日刊工業新聞2014年8月26日 p CiRfSEシンポにおける本部門の テーマは有機系太陽電池。 p 当部門が核となり、大型予算獲得 への流れを作る。 物質変換材料研究部門 触媒学理に基づく環境エネルギ材料の創成 PI： 中村潤児 共同研究者： 神原教授、山本准教授 他14名 (Prof. Barcikowski in Univ of Duisburk– Essen, Prof. Schlögl in Max Plank Inst.、Prof. Wang in 南開大学，吉信東大教授、森川阪大教授 二酸化炭素のメタノールへの転換 ナノカーボンを用いた環境エネルギー触媒開発 π共役系ナノカーボン： π電子によるｄ電子系の電子状態制御 フラーレン カーボンナノチューブ グラフェン 触媒担体 新規CO2⽔水素化触媒のイメージ N N は N N 触媒成分 JST ACT-Cプロジェクト進行中 平成24～29年 計算科学，先端物質解析などの学理 に基づく環境エネルギー材料の開発 金属触媒 （Cu, Fe, Co, Ni等） ⾦金金属クラスター 窒化物系、炭化物系⾦金金属 触媒担体ドーパント s,p電子系ドーピング剤 有機⾦金金属錯体 ポルフィリン⾦金金属錯体、 シッフ塩基等 超分⼦子 トリサロフ N, B, Sなどの典型元素を ナノカーボンにドープして π電子系の電子状態を 制御する 物質変換材料研究部門 部門長：中村潤児 研究者：神原貴樹教授，山本洋平准教授 1. 触媒作用の学理を構築する。すなわち，最先端の物質解析および 第一原理計算によって触媒作用機構を物理・化学的に解明する。 特に，ナノカーボン触媒や高分子合成触媒の研究を推進する。 ２．触媒学理に基づき，環境エネルギー材料開発を行う。 具体的には，燃料電池電極触媒，二酸化炭素の有用化合物へ の変換触媒，光変換デバイス創成，藻類産生油の変換触媒の 研究を行う。 応用研究成果：グラフェンの特異的な触媒担体効果を発見 驚異的なPt粒子のサイズと表面積→燃料電池の普及に貢献 通常の触媒担体：Pt粒子径：2-5 nm、表面積：50-70 m2/g、 グラフェンでは 1nm 以下、表面積：170 m2/g （理論限界205 m2/g） グラフェンの表面に３～５個からなるPtクラスター が均一に分散 5 nm 0.554 nm J. Nakamura et al., Nano Letters 9 (2009) 2255. 被引用件数：2009年発表以来５００回 0.8 dI/dV (arb. Units) 基礎研究成果：カリウムドープグラファイトで新現象を発見 0.6 無磁場下でランダウ準位が発現する現象を見出した→ 0.4 カリウムをドープするとπ電子がサイクロトロン運動を始める グラファイト系炭素における電子物性の科学に貢献 Nature Communications 3, 1068 (2012)で発表 0.2 0.0 -600 -400 -200 0 200 400 600 Sample Bias (mV) 研究者は筑波大メンバーのみで学際的チーム ＪＳＴ ＡＣＴ－Ｃ プロジェクト採択（Ｈ24.10－Ｈ30.3）総額２億７千万円・研究代表 題目「二酸化炭素活性化機構の学理に基づくメタノール室温合成触媒の創成」 研究目標：学理主導の触媒設計でメタノール室温合成を実現 社会的意義：二酸化炭素の燃料・化学原料への転換 学術的意義：学理主導の触媒設計（経験則に基づく既存の触媒開発から脱却） 部門の特色： 学理主導の触媒材料設計 メカニズムを解明し、表面素過程の詳細を調べ、それらを再構築して活性触媒を予測する 表面素過程：吸着、解離、表面拡散、会合反応、脱離 触媒活性は素過程の速度バランスで決まる CO2 触媒表面は極めて複雑 １．表面では多くの素過程が同時に進行 ２．触媒成分元素も複数、表面構造の変化 ３．反応条件によって速度論が変化 HCOO CH O 3 CH OH 3 H 2 Cu atom Zn atom 触媒は表面積をかせぐために触媒担体上に微粒子化して使用する 実用触媒そのものを研究しても素過程レベルで メカニズム解明は不可能 したがって 単結晶表面などのモデル触媒を使った表面科学実験が必要 放射光施設を用いた表面科学実験は高度になっている 実用触媒 表面の構造は吸着種の存在によって変化する 不均一系触媒の学理の実験面では表面科学実験が不可欠 さらに計算科学では、 素過程の速度論的・電子的情報を集積し、大規模シミュレーションによって触媒設計 コンピュータ「京」の導入によって触媒開発シミュレーションは新たな時代へ突入 表面科学を熟知する計算物理研究者の協力が必須、我々のプロジェクトが先駆けとなる ＪＳＴ ＡＣＴ－Ｃプロジェクト 二酸化炭素活性化機構の学理に基づくメタノール室温合成触媒の創成 研究代表者： 筑波大学 数理物質系 教授 中村潤児 （触媒設計・表面科学） 主要共同研究者： 東京大学物性研究所 教授 吉信淳 （放射光実験・表面科学） 大阪大学工学研究科 教授 森川良忠 （第一原理計算） CO2 + 3H2 CH3OH + H 2O 2 既存プロセス：Cu/ZnO触媒, 523K、5 MPa ΔH= -49.4 kJ/mol(発熱） Catalyst Cu 研究目標 学理主導の触媒設計でメタノール室温合成を実現 （メタノール製造に要するエネルギーを大幅に削減） 研究の意義 １．社会的意義：二酸化炭素の燃料・化学原料への転換 ２．学術的意義：学理主導の触媒設計 触媒調製・表面科学・計算科学の三位一体 （経験則に基づく既存の触媒開発から脱却） 物質変換材料研究部門 部門長：中村潤児 研究者：神原貴樹教授，山本洋平准教授 1. 触媒作用の学理を構築する。すなわち，最先端の物質解析および 第一原理計算によって触媒作用機構を物理・化学的に解明する。 特に，ナノカーボン触媒や高分子合成触媒の研究を推進する。 ２．触媒学理に基づき，環境エネルギー材料開発を行う。 具体的には，燃料電池電極触媒，二酸化炭素の有用化合物へ の変換触媒，光変換デバイス創成，藻類産生油の変換触媒の 研究を行う。 物質変換材料研究部門 触媒学理に基づく環境エネルギ材料の創成 PI： 中村潤児 共同研究者： 神原教授、山本准教授 他14名 (Prof. Barcikowski in Univ of Duisburk– Essen, Prof. Schlögl in Max Plank Inst.、Prof. Wang in 南開大学，吉信東大教授、森川阪大教授 二酸化炭素のメタノールへの転換 ナノカーボンを用いた環境エネルギー触媒開発 π共役系ナノカーボン： π電子によるｄ電子系の電子状態制御 フラーレン カーボンナノチューブ グラフェン 触媒担体 新規CO2⽔水素化触媒のイメージ N N は N N 触媒成分 JST ACT-Cプロジェクト進行中 平成24～29年 計算科学，先端物質解析などの学理 に基づく環境エネルギー材料の開発 金属触媒 （Cu, Fe, Co, Ni等） ⾦金金属クラスター 窒化物系、炭化物系⾦金金属 触媒担体ドーパント s,p電子系ドーピング剤 有機⾦金金属錯体 ポルフィリン⾦金金属錯体、 シッフ塩基等 超分⼦子 トリサロフ N, B, Sなどの典型元素を ナノカーボンにドープして π電子系の電子状態を 制御する 応用研究成果：グラフェンの特異的な触媒担体効果を発見 驚異的なPt粒子のサイズと表面積→燃料電池の普及に貢献 通常の触媒担体：Pt粒子径：2-5 nm、表面積：50-70 m2/g、 グラフェンでは 1nm 以下、表面積：170 m2/g （理論限界205 m2/g） グラフェンの表面に３～５個からなるPtクラスター が均一に分散 5 nm 0.554 nm J. Nakamura et al., Nano Letters 9 (2009) 2255. 被引用件数：2009年発表以来５００回 0.8 dI/dV (arb. Units) 基礎研究成果：カリウムドープグラファイトで新現象を発見 0.6 無磁場下でランダウ準位が発現する現象を見出した→ 0.4 カリウムをドープするとπ電子がサイクロトロン運動を始める グラファイト系炭素における電子物性の科学に貢献 Nature Communications 3, 1068 (2012)で発表 0.2 0.0 -600 -400 -200 0 200 400 600 Sample Bias (mV) 研究者は筑波大メンバーのみで学際的チーム ＪＳＴ ＡＣＴ－Ｃ プロジェクト採択（Ｈ24.10－Ｈ30.3）総額２億７千万円・研究代表 題目「二酸化炭素活性化機構の学理に基づくメタノール室温合成触媒の創成」 研究目標：学理主導の触媒設計でメタノール室温合成を実現 社会的意義：二酸化炭素の燃料・化学原料への転換 学術的意義：学理主導の触媒設計（経験則に基づく既存の触媒開発から脱却） 部門の特色： 学理主導の触媒材料設計 メカニズムを解明し、表面素過程の詳細を調べ、それらを再構築して活性触媒を予測する 表面素過程：吸着、解離、表面拡散、会合反応、脱離 触媒活性は素過程の速度バランスで決まる CO2 触媒表面は極めて複雑 １．表面では多くの素過程が同時に進行 ２．触媒成分元素も複数、表面構造の変化 ３．反応条件によって速度論が変化 HCOO CH O 3 CH OH 3 H 2 Cu atom Zn atom 触媒は表面積をかせぐために触媒担体上に微粒子化して使用する 実用触媒そのものを研究しても素過程レベルで メカニズム解明は不可能 したがって 単結晶表面などのモデル触媒を使った表面科学実験が必要 放射光施設を用いた表面科学実験は高度になっている 実用触媒 表面の構造は吸着種の存在によって変化する 不均一系触媒の学理の実験面では表面科学実験が不可欠 さらに計算科学では、 素過程の速度論的・電子的情報を集積し、大規模シミュレーションによって触媒設計 コンピュータ「京」の導入によって触媒開発シミュレーションは新たな時代へ突入 表面科学を熟知する計算物理研究者の協力が必須、我々のプロジェクトが先駆けとなる ＪＳＴ ＡＣＴ－Ｃプロジェクト 二酸化炭素活性化機構の学理に基づくメタノール室温合成触媒の創成 研究代表者： 筑波大学 数理物質系 教授 中村潤児 （触媒設計・表面科学） 主要共同研究者： 東京大学物性研究所 教授 吉信淳 （放射光実験・表面科学） 大阪大学工学研究科 教授 森川良忠 （第一原理計算） CO2 + 3H2 CH3OH + H 2O 2 既存プロセス：Cu/ZnO触媒, 523K、5 MPa ΔH= -49.4 kJ/mol(発熱） 研究目標 学理主導の触媒設計でメタノール室温合成を実現 （メタノール製造に要するエネルギーを大幅に削減） Catalyst Cu 研究の意義 １．社会的意義：二酸化炭素の燃料・化学原料への転換 ２．学術的意義：学理主導の触媒設計 触媒調製・表面科学・計算科学の三位一体 （経験則に基づく既存の触媒開発から脱却） ＡＣＴ－Ｃの成果： 分子線実験によるCO2の活性化メカニズム解明（Eley-Rideal型の実証） (Monodentate) CO2 +He Beam (Bidentate) P ~ 2 bar Nozzle He atom P ~ 10-5 mbar Skimmer P ~ 10-8 mbar CO2 Temperature programmed desorption (TPD) low temperature FT-IR Ha HCOOa Cu surface FT-IR 炭素の反応性に関する研究成果：グラファイトの点欠陥付近の局所 的な電子状態を走査トンネル分光法によって原子レベルで解明した Localized electronic state near Ef propagating from a point defect dI/dV [a.u.] dI/dV [a.u.] dI/dV [a.u.] Density of states dI/dV [a.u.] Ef 1.0 occupied unoccupied 0.8 A 0.6 0.4 0.2 0.0 -250 -125 0 125 250 1.0 0.8 B 0.6 0.4 0.2 0.0 -250 -125 0 125 250 1.0 0.8 C 0.6 0.4 0.2 0.0 -250 -125 0 125 250 0.6 0.4 -250 -125 A (b) (b) (b) Point defect B DOS C D 1.0 nm Large Medium Small 1.0 nm Characteristics (1) Non-uniform propagation perpendicular to a small edge at the defect , Edge state , Anisotropic propagation D 0.2 0.0 Non-bonding state formed by re-hybridization of π orbital, (pz orbital) 0 125 250 Sample bias [meV] (2) Appearing at unoccupied state 宇宙電波望遠鏡の技術でナノの世界を観察する ～ヘテロダイン走査トンネル分光計測法の開発～ 1. アルマ宇宙望遠鏡の検出技術をＳＴＭに導入して新しい局所精密分光計測手法を開発 2. 検出困難なテラヘルツ領域の信号やノイズレベルの微弱な信号を、高感度に検出することが可能 3. 物質の原子1つ1つを識別しながらの精密計測技術が実現し、新しい物質の性質が発見される可能性 が飛躍的に拡大 Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ ⾛走査トンネル顕微鏡 コントローラ エネルギー領領域の選択が可能 で発表(2014年9月） f3 エネルギー 周波数 直流流 交流流 neV MHz ラーモア歳差運動 スペクトル分析器 筑波大学プレスリリース 増幅器 µeV x, y, z 探針 f1 + − f 2 = f3 チューナブル チューナブルな⼊入⼒力力交流流信号 f1 とf2 原子分解能 分⼦子の回転運動 meV THz f2 f1 GHz 分⼦子の振動運動 eV PHz peV エネルギー分解能 高分子マイクロ球体による機能発現 （主に発光・レーザー材料） ②特異な発光特性（WGM発光） 発光強度 (a. u.) ①共役系ポリマーからのマイクロ球体の自己形成 600 J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 870-876. ③電流駆動によるWGM電界発光と高出力化 700 800 波長 (nm) 900 山本ら、Sci. Rep. 2014, 4, 5902. ④ナノカーボンとの複合化 p n 26年度原著論文発表 1. Ligand-free gold atom clusters adsorbed on graphene nano sheets generated by oxidative laser fragmentation in water, Marcus Lau, Ina Haxhiaj, Philipp Wagener, Romuald Intartaglia, Fernando Brandi, Junji Nakamura, Stephan Barcikowski, Chemical Physics Letters 610-611, 256-260 (2014). 2. Size-control and supporting of palladium nanoparticles made by laser ablation in saline solution as a new route to heterogeneous catalysts, Galina Marzun, Junji Nakamura, Xiaorui Zhang, Stephan Barcikowski, and Philipp Wagener, Applied Surf. Sci. accepted [1] 3. Self-Assembled Conjugated Polymer Spheres as Fluorescent Microresonators, Kenichi Tabata, Daniel Braam, Soh Kushida, Liang Tong, Junpei Kuwabara, Takaki Kanbara, Andreas Beckel, Axel Lorke, Yohei Yamamoto* Sci. Rep. 2014, 4, 5902/1-5 プレスリリース. 以上は国際共同研究、デュースブルクエッセン大学 （ドイツ） 4. Principles and Application of Heterodyne Scanning Tunnelling Spectroscopy, Eiji Matsuyama, Takahiro Kondo, Haruhiro Oigawa, Donghui Guo, Shojiro Nemoto, Junji Nakamura, Sci. Rep. 2014, 4, 6711（プレスリリース、ナノテク情報） 5. Translation of assembling trajectory by preorganisation: A study of the magnetic properties of 1D polymeric unpaired electrons immobilised on a discrete nanoscopic scaffold Vakayil K. Praveen, Yohei Yamamoto*, Takanori Fukushima, Koji Nakabayashi, Yoshihide Tsunobuchi, Shin-ichi Ohkoshi, Kenichi Kato, Masaki Takata, Takuzo Aida Chem. Commun. Accepted (Dec. 3, 2014). (Selected as Inside Back Cover) 6. Charge-Separated Fmoc-peptide b-Sheets: Sequence‒Secondary Structure Relationship for Arranging Charged Side Chains on Both Sides, Toru Nakayama, Taro Sakuraba, Shunsuke Tomita, Akira Kaneko, Eisuke Takai, Kentaro Shiraki, Kentaro Tashiro, Noriyuki Ishii, Yuri Hasegawa, Yoichi Yamada, Reiji Kumai, and Yohei Yamamoto*, Asian J. Org. Chem. 2014, 3, 1182‒1188. 26年度原著論文発表（続き1） 7. Syntheses and Photovoltaic Properties of Narrow Band Gap Donor-Acceptor Copolymers with Carboxylate-Substituted Benzodithiophene as Electron Acceptor Unit, Kosuke Shibasaki, Kenichi Tabata, Yohei Yamamoto, Takeshi Yasuda, Masashi Kijima, Macromolecules 2014, 47, 4987‒4993. 8. Control of Molecular Orientation and Morphology in Organic Bilayer Solar Cells: Copper Phthalocyanine on Gold Nanodots, Takayuki Sasaki, Kenichi Tabata, Kazuhito Tsukagoshi, Andreas Beckel, Axel Lorke, Yohei Yamamoto* Thin Solid Films 2014, 562, 467‒470. 9. Tetramethylbithiophene in π-Conjugated Alternating Copolymers as Effective Structural Component for the Formation of Spherical Assemblies, Liang Tong, Soh Kushida, Junpei Kuwabara, Takaki Kanbara, Noriyuki Ishii, Akinori Saeki, Shu Seki, Seiichi Furumi, Yohei Yamamoto*, Polym. Chem. 2014, 5, 3583‒3587. (Selected as Back Cover) 10. Broadband Terahertz Time-Domain Spectroscopic Study on Form II Polyvinylidene Fluoride, Tatsuya Mori, Hikaru Igawa, Daichi Okada, Yohei Yamamoto, Kei Iwamoto, Naoki Toyota, Seiji Kojima, J. Mol. Struc. accepted 11. Delayed Fluorescence Behaviors of Aminopyridine Oligomers: Azacalix[n] (2,6)pyridines (n = 3, 4) and their Linear Analog, Natsuko Uchida, Tohru Sato, Junpei Kuwabara, Yoshinobu Nishimura, and Takaki Kanbara, Chem. Lett., 43, 459-461 (2014). 12. Two-Step Direct Arylation for Synthesis of Naphthalenediimide-Based Conjugated Polymer, Yuta Nohara, Junpei Kuwabara, Takeshi Yasuda, Liyuan Han, and Takaki Kanbara, J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem., 52, 1401-1407 (2014). 13. Emission Behavior of Secondary Thioamide-based Cationic Pincer Platinum(II) Complexes in Aggregate State, Hiroya Honda, Yasuyuki Ogawa, Junpei Kuwabara, and Takaki Kanbara, Eur. J. Inorg. Chem., 2014, 1865‒1869. 26年度原著論文発表（続き2） 14. Synthesis and Photophysical Properties of Diketopyrrolopyrrole-based Near-infrared Dyes, Takuya Yamagata, Junpei Kuwabara, and Takaki Kanbara, Heterocycles, 89, 1173-1181 (2014). 15. Template-directed Synthesis of Macrocyclic Aminopyridines: Azacalix[n](2,6)pyridines (n = 3, 4), Natsuko Uchida, Ruoxi Zhi, Junpei Kuwabara, and Takaki Kanbara, Tetrahedron Lett., 55, 3070-3072 (2014). 16. Tetramethylbithiophene in π-Conjugated Alternating Copolymers as Effective Structural Component for the Formation of Spherical Assemblies, Liang Tong, Soh Kushida, Junpei Kuwabara, Takaki Kanbara, Noriyuki Ishii, Akinori Saeki, Shu Seki, Seiichi Furumi, and Yohei Yamamoto, Polym. Chem., 5, 3583-3587 (2014). 17. Direct Arylation Polycondensation: A Promising Method for the Synthesis of Highly Pure, High-Molecular-Weight Conjugated Polymers Needed for Improving the Performance of Organic Photovoltaics, Junpei Kuwabara, Takeshi Yasuda, Seong Jib Choi, Wei Lu, Koutarou Yamazaki, Shigehiro Kagaya, Liyuan Han, and Takaki Kanbara, Adv. Funct. Mater., 24, 3226-3233 (2014). 18. Self-assembled Conjugated Polymer Spheres as Fluorescent Microresonators, Kenichi Tabata1, Daniel Braam, Soh Kushida, Liang Tong, Junpei Kuwabara, Takaki Kanbara, Andreas Beckel, Axel Lorke, and Yohei Yamamoto, Sci. Rep., 4, 5902/1-5 (2014). 19. Aggregation-induced Emission Behavior of a Pincer Platinum(II) Complex Bearing a Poly(ethylene oxide) Chain in Aqueous Solution, Hiroya Honda, Junpei Kuwabara, and Takaki Kanbara, J. Organomet. Chem., 772-773, 139-142 (2014). 20. Direct Arylation Polycondensation of Bithiazole Derivatives with Various Acceptors, Masahiro Kuramochi, Junpei Kuwabara, Wei Lu, and Takaki Kanbara, Macromolecules, 42, 7378-7385 (2014). 26年度原著論文発表（続き3） 21. Preparation and Characterization of Green Reflective Films of Polyaniline Analogs Containing Azobenzene Units, Hikaru Yamada, Minoru Kukino, Zhi An Wang, Ryo Miyabara, Nobutaka Fujimoto, Junpei Kuwabara, Kiyoto Matsuishi, and Takaki Kanbara, J. Appl. Polym. Sci., 132, 41275/1-7 (2015). 22. Microwave-Assisted Polycondensation of 4-Octylaniline with Dibromoarylene, Naoto Takase, Junpei Kuwabara, Seong Jib Choi, Takeshi Yasuda, Liyuan Han, and Takaki Kanbara, J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem., in press (DOI: 10.1002/pola.27469). 23. The effect of solvent in direct arylation polycondensation of substituted thiophenes, Junpei Kuwabara, Kohtaro Yamazaki, Takuya Yamagata, Wataru, Tsuchida, Takaki Kanbara, Polym. Chem., in press (DOI: 10.1039/C4PY01387E). 26年度特許 1. 名称：無機ナノ材料用分散剤 出 願 人：筑波大学 発 明 者：山本洋平、 水垂司. 出願番号：特願 2014-232410号（出願日：2014.11.17） 2. 名称：高分子球体アレイおよびその作製方法 出 願 人：筑波大学 発 明 者：山本洋平、童亮. 出願番号：特願 2014-170974号（出願日： 2014.8.25） 3. 名称：球状ポリマー粒子及び光学素子 出 願 人：筑波大学 発 明 者：山本洋平、田畑顕一、アクセルロルケ、ダニエルブラーム. 出願番号：特願 2014-009724号（出願日：2014.1.22） 4. 新規なアザカリックス[3]ピリジン及びその製造方法 神原貴樹，竹歳絢子，内田奈津子，山本敏秀，井上義彰，渡邊木綿， 特許−5594821 5. アザカリックス[3]ピリジニウム塩、その製造法、及びそれを用いてなるポ リア ルキレングリコールの製造方法 神原貴樹，竹歳絢子，内田奈津子，山本敏秀，井上義彰，渡邊木綿， 特許−5618194 6. 高分子色素 神原貴樹，桑原純平，山田晃，藤本信貴，US Patent No.8,816,040 26年度研究費 1. JST ACT-C 21,350,000円 2. 科研費（新学術 2件） 2,400,000円＋ 1,500,000円 3. 科研費（基盤Ｂ） 3,900,000円 4. 科研費（挑戦的萌芽） 1,000,000円 5. 科研費（若手Ａ） 4,600,000円 6. 総務省戦略的情報通信研究開発推進事業 2,030,000円 7. NEDO先導的産業技術創出事業 1,000,000円 8. 物質・デバイス領域共同研究拠点 共同研究 100,000円＋200,000円 9. ドイツ学術交流パートナーシッププログラム 750,000円 10. 筑波大ＮＩＭＳ連係研究 750,000円 11. ㈱アルミ表面技術研究所 1,164,670円 12. 日産化学工業㈱ 491,415円 13. DIC㈱ 435,222円 14. 三菱マテリアル㈱ 282,734円 15. 電気化学工業㈱ 300,000円 16. 東洋インキSCホールディングス㈱ 900,000円 受賞 1. 山本洋平 平成26年度 文部科学大臣表彰 若手科学者賞（2014. 4） 2. 山本洋平 筑波大学若手教員特別奨励賞 (2014. 6) 3. Donghui Guo，The 6th International Conference on Recent Progress in Graphene Research (RPGR2014), Best poster award 4. 渋谷陸 2014 CENIDE-CNMM-TIMS Joint Symposium on InterdisciplinaryNano-Science and Technology, Excellent student poster award 5. Jiamei Quan, The 7th International Symposium on Surface Science (ISSS7) Travel Award 6. Xiaorui Zhang, The 7th International Symposium on Surface Science (ISSS7) Poster Award 研究拠点形成活動を推進 国際共同研究（ドイツとの共同研究），つくば連携，産学独連携 生命環境系（藻類産生油転換研究） 北アフリカセンター（連携研究） TIAナノグリーン 研究拠点 数理物質融合研究センター 環境エネルギー材料研究拠点 エネルギー 変換・貯蔵 物質 研究部門 物質変換材料 研究部門 PI 中村潤児 国内研究機関 東大物性研 吉信教授 大阪大学 森川教授 JST プロジェクト 神原貴樹 山本洋平 民 間 企 業 活動内容 産学連携 ① 研究相談制度の創設 ② TIAナノグリーンとの連携 ③ つくばイノベーションフォーラムの開催（情報発 信，ネットワーク構築） 国際交流の推進 日独台湾 ワークショップの定期的開催 海外ネットワーク構築と共同研究の促進 海外 デュースブルク エッセン大学， 南開大学，マッ クスプランク研 究所，台湾清華 大学，ニューメ キシコ大学，モ ロッコ研究所