Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

Laboratory for Materials & Structures

CONTENTS
フロンティア研・ナウ：
鉄はレアメタルより強し

新しいアンモニア製造・CO2 フリーエネルギーへのブレークスルー ･････････････研究の展望：
電磁信号源を用いた精密火山モニタリング ････････････････････････････････････････････

学術賞：

2
3

高効率有機分子変換を可能とする金 - 他元素協働作用型固体触媒の開発 ････････

4
4

接合部の力学挙動 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････

5

多元系セラミックス材料の高速合成法の開発とその理論解明 ･･････････････････････
既存 RC 構造物の耐震補強における組み合わせ応力を受ける

研究の周辺：
住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点の発足･･･････････････････････････････････････
高速酸素脱離反応の可視化 ････････････････････････････････････････････････････････････････

6
6

トピックス、受賞、国際会議・セミナー等、人事異動 ･･･････････････････ 7
共同利用・共同研究拠点
先端無機材料共同研究拠点

東京工業大学 科学技術創成研究院

フロンティア材料研究所

16No.
October 2023

フロンティア研・ナウ

鉄はレアメタルより強し

新しいアンモニア製造・CO2フリーエネルギーへのブレークスルー

原 亨和教授触媒を介して水素（H2）と空気中の窒素（N2）から合成分子を N 原子に分解する能力をブーストしている。図 2

されるアンモニア（NH3）は人類が最も多く製造する化学触媒の性能を示す。開発触媒は 100 ℃でアンモニアを生物質であり、その需要は年間 1 億 7 千万トン達する。現在、 成しており、その速度は温度の上昇と共に高くなる。このアンモニアの大部分は肥料として消費されており、人口の200 ℃以下でのアンモニア合成能は開発触媒を使うアン

70% の生命を支えているが、将来、その需要は飛躍的にモニア製造で大幅なエネルギー消費の削減が可能である高まることが予想されている。それは水素エネルギーキャことを示している。一方、既存の商用鉄触媒、ルテニウム、リアとして大規模なアンモニアの製造・輸送・燃焼発電がコバルト、ニッケル触媒は低温でアンモニアを全く合成で計画されているためである。実際、我が国だけでも 2030きない。低い反応温度で開発鉄触媒と既存触媒を比較

年には年間 300 万トン、2050 年には年間 3 千万トンのアすることができないため、高い反応温度でこれらの性能ンモニア導入を決定している。ここで鍵となるのがアンモを比較した。図 3 は遷移金属 1 個が 1 秒間に合成するアニア製造である。

ンモニア分子数を示している。開発鉄触媒は 300 ℃で 12

現在のアンモニアは 100 年以上も前に確立された鉄を個のアンモニア分子を合成できるが、ルテニウム触媒とコ触媒とするハーバー・ボッシュ法で製造されている。一世

バルト触媒が1秒間に合成できる分子数はそれぞれ、0.013

紀を越える研鑽を経てこのプロセスは高い完成度に至っ個、0.009 個に過ぎない。400 ℃でニッケル触媒は 0.17ているが、400 ℃を越える高い反応温度、10 MPa を上回個のアンモニア分子を合成できるが、開発鉄触媒は同じる高圧、それにもかかわらず 30% 程度の低いアンモニア温度で 100 個以上のアンモニア分子を合成できる。すな

収率は 100 年以上解決できない課題である。これは、アわち、開発鉄触媒は既存貴金属・レアメタル触媒の数百ンモニア製造のエネルギー消費、キャピタルコスト、ラン倍～千倍以上の効率でアンモニアを合成できる。これは、ニングコストを高止まりさせている。これらの問題は 200

鉄が N 原子を吸着する十分なスペースをもつ例外的な遷℃以下の低温で水素と窒素からアンモニアを合成する触移金属であることに由来している。

媒を開発できれば解決できる。
このような背景の下、我々は鉄の粉末に水素化バリウムの微粒子を載せることで、鉄の N2 分子を N 原子に分解する能力を飛躍的に高めた触媒を開発し、鉄に潜在する低温アンモニア合成能を引き出すことに成功した（図 1）。
この触媒は赤錆にバリウムを溶かした水溶液を混ぜ、乾燥・還元しただけで簡単に得られる。この触媒では水素化バリウムが鉄に強く電子供与することによって鉄の N2

図12開発鉄触媒

図2開発鉄触媒の低温性能

図3開発鉄触媒の反応効率

研究の展望電磁信号源を用いた精密火山モニタリング
多元レジリエンス研究センター

教授

小川 康雄

(1) これまでの火山体構造研究の成果

気噴火で知られる草津白根火山を対象として、観測シス

火山噴火予知研究では、マグマや熱水系の存在をイテムの整備を図っている。このシステムを用いて、比抵抗メージし、その時間的な変動を監視観測する事が重要で構造の時間変化が短期間に期待されるニュージーランドある。比抵抗はマグマや熱水の空間的な分布に敏感な物のフィールドにて観測研究を並行して進め、熱水系の時理量であり、自然電磁場を用いた電磁探査によって火山 3間変動に関するシステムの検知能力を確認する研究を進次元構造がイメージできるようになった（図 1）。

めている。
観測対象は、ニュージーランド国北島のワイマング地(2)精密に制御された人工信号源を用いた電磁探査・モニ

熱地域の中にあるインフェルノ火口湖である（図 2）。約

タリングシステムの構築

40 日周期で 10m に及ぶ湖面水位の変動があり、それと火山の熱水分布をモニターすることは、水蒸気噴火の同期した 40℃から 80℃の水温変動があるため、熱水系過程をモニターすることに通ずる。これまで、自然電磁場の時間変動観測に適している。

を用いる既存の電磁探査を繰り返して観測することによっ本研究では、火口湖の 1km 遠方に、直交する 2 方向て、火山活動に伴う比抵抗変動を捉える研究が行われての送信電流アンテナを設置し、精密に制御された 2 系統

いるが、自然信号を使うために信号強度の変動があり、 の周波数コム信号を送信する。送信波形は離散的な周波人為的ノイズの影響も受けやすく、高い S/N 比の信号を数からなるサイン波の合成から成り、10 秒繰り返しで連定常的に確保することが難しい。これらの現状の問題点続的に送信し続ける。5 月上旬より、9 月下旬現在に至るを克服し、安定して火山体の流体やマグマの 4 次元撮像まで、5 ヶ月にわたって連続的に送信し続けている。送をするためには、人工信号源を用いる高精度な 3 次元比信火口湖周辺には電場観測点を 10 点配置し、各観測点抵抗構造モニタリングシステムの構築が必要である。の電場ベクトル成分から、微弱な送信信号成分をスタッキングによって高精度に取り出すことができる。電場と送(3) ニュージーランドにおける観測研究

信電流ダイポールとの変換関数を求め、それを逆問題と本研究では、高精度に制御された周波数コムからなるして解くことによって、火口湖の地下の比抵抗変動を 4 次電磁信号を用いて、地下熱水系の構造を 4 次元的にイメー元的にイメージすることができる。この技術が、火山モニジングすることを目標としている。日本国内では、水蒸タリングの新たなツールとなることを期待している。

図1

 ス・熱水をトラップする粘土キャップ構造 (200℃ ) と超臨界水をトラップガするシリカキャップ構造 (400℃ ) のモデル

図2 ニ
 ュージーランド国ノ火口湖インフェル3

学術賞
研究奨励部門：多元系セラミックス材料の高速合成法の開発とその理論解明
北海道大学

大学院工学研究院

応用化学部門

准教授

一般にセラミックス合成における反応では、元素の拡散が律速になることが多く、高温長時間の加熱が必要と考三浦 章

反応をその場 XRD と TEM および第一原理計算を用いることで論理化した。

えられてきている。ごく短時間での燃焼合成なども報告されているが、その多くは単純な組成を持つ化合物に限られており、多元系化合物の合成は発展途上である。短時間で多様な組成を持つセラミックス材料を合成することは、新規材料の効率的な探索や、省エネルギーの合成法として重要さをますます増している。
一例として、YBa2Cu3O7-x の高速固相合成の合成経路を示す。出発試料から目的物までの相生成の進行を、一連の対になった界面領域での反応（Sequential PairwiseReactions）へと分解することで，各反応ステップの熱力学と速度論を個別に分析することを提案した。 2 つの前駆体が反応して中間生成相を形成すると仮定すると、目的物が生成するためには中間相とほかの前駆体（またはほかの中間生成物）との反応が逐次的に進行する。この

図 YBa2Cu3O7-x の高速固相反応を介した合成経路図。複雑な合成も二相間の界面反応が逐次的に起こると考えることで、熱力学的駆動力と速度論的駆動力で反応経路が理解できる。

研究奨励部門：高効率有機分子変換を可能とする金-他元素協働作用型固体触媒の開発
東京都立大学

都市環境科学研究科

環境応用化学域

二種以上の触媒種が協働的に作用することで、一種類准教授

三浦 大樹

隣接する Pd と Au がそれぞれ酸化還元サイトおよびルイの触媒を用いた場合には進行しない反応が実現できる。 ス酸サイトとして協働的に機能することで C–C 結合形成
担持金属ナノ粒子触媒は、触媒の再利用などが容易であや C–Si 結合形成を効率的に進行させる。また担持金ナノるだけでなく、酸化還元特性やルイス酸性を示す金属ナ粒子触媒の場合、金ナノ粒子の一電子酸化還元能やルイノ粒子に加えて、担体である金属酸化物上に酸塩基点をス酸性と、担体である金属酸化物の表面にある酸点や塩豊富に有する非常に魅力的な材料である。そこで一電子基点が協働することで、C(sp3)–O 結合のボリル化やシリ酸化還元能やルイス酸性など他の金属種には見られないル化などが効率的に進行する。このように、金ナノ粒子

触媒特性を示す金ナノ粒子に着目し、高効率な有機分子と異種元素が高度に協働する触媒を設計・開発すること変換反応を可能にする金 - 他元素協働作用型固体触媒をにより、固体表面上で効率的な有機分子変換が可能にな開発した。例えば、PdAu 合金ナノ粒子は、その表面でることを実証した。

図 (a) PdAu 合金ナノ粒子による有機分子変換 (b) 担持 Au ナノ粒子触媒による有機分子変換4学術賞
研究奨励部門：既存RC構造物の耐震補強における組み合わせ応力を受ける接合部の力学挙動
室蘭工業大学

大学院工学研究科准教授

髙瀬 裕也

SDGs やカーボンニュートラルなどの社会的問題を踏ま荒らし面の力学挙動をモデル化した。その結果、実験結え、建設分野ではコンクリート構造物を長期的に利用す果を精度良く再現することができた。本研究成果によっることが望まれる。この一つとして、既存構造物を耐震て、接合部の合理的な設計に寄与できるものと期待して補強する際に、コンクリート目荒らしとあと施工アンカーいる。

によって、新設部材が既存部材に取り付けられる。地震時に新設部材が有効に耐震性能を発揮するには、剛に接合される必要がある。また、地震時にはせん断応力と軸応力（圧縮または引張）の組み合わせ応力が作用する。
そこで本研究では、まず接合部に組み合わせ応力を与えた加力実験を実施した。主な実験パラメータは、アンカー筋の種類、目荒らし面積比、アンカー筋径、軸応力である。続いて、様々なアンカー筋のせん断抵抗機構（ダウエル効果）を再現するため、定着部の付着特性をカテナリー効果に組み込んだダウエルモデルを構築した。次に、目荒らし面のせん断抵抗を表現するため、目荒らし面の凹凸を円錐形状でモデル化したせん断強度式を提案し、さらにコンクリートの一軸圧縮構成則を応用して、目図モデル化のイメージと実験値とモデルの比較例

2023 年度学術賞授賞式（2023.7.19）

講演会の様子（2023.7.19）

講演会の様子（2023.7.19）

講演会の様子（2023.7.19）

5

研究の周辺住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点の発足
教授

曽根 正人

本年 4 月より、東京工業大学と住友化学株式会社（以下「住友化学」）は、環境に配慮したデバイスの社会実装に向けて、次世代量子デバイスの重要材料の 1 つとして期待される「強相関電子材料」の実用化促進を目的とした「住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点」（拠点長：曽根正人教授、副拠点長：岡本敏特任教授）をフロンティア材料研究所に設置しました。電子同士が強く相互作用しあう物質群は「強相関電子材料」と呼ばれ、物質内で数多くの電子同士が、電荷、スピン、軌道などを通じて相互作用し合う結果、その多くの自由度を生かし、複雑かつ興味深い物性を示すことが数々の研究により示されています。本研究拠点の最初の取り組みとして、強相関電子の原理により磁気的性質と電気的性質が交差相関応答を示す「マルチフェロイックス材料」に着目し、共同研究を通じて材料・プロセス開発、信頼性評価ならびにデバイス実証に取り組むことにしました。その特徴を生かした産業利用への期待として、超低消費電力で駆動可能な磁気メモリなどの次世代メモリへの応用が挙げられます。東工大が神奈川県立産業技術総合研究所（以下「KISTEC」）と既に共同で研究を進めてきた成果にも基づき、KISTEC も含めた三者で共同研究を推進します。

高速酸素脱離反応の可視化
准教授

山本 隆文

化学反応は材料合成から化学物質の検出、ガスや溶液の浄化まで、工業的なあらゆる場面に登場する。
従って、それぞれの化学反応の機構を理解することは、材料合成や機能の最適化にとって非常に重要である。最近私たちのグループでは、放射光を用いた高速時分割 X 線回折測定によって固相ガス反応の反応経路の可視化を行っている。自動車の排ガス浄化などに利用される酸素貯蔵材料として有望な層状ペロブス
カイト鉄酸化物 Sr3Fe2O7-δ は、ガス雰囲気の変化によって高速かつ大量に酸素を吸蔵放出する。この物質の酸素脱離反応の反応経路を高速時分割 X 線回折測定（100ms 間隔での連続測定）で可視化したところ、表面修飾の有無によって反応経路が変化することが明らかになった（ Adv . Sci ., 2023, 10, 2301876）。
具体的には、通常の試料では構造が還元に伴って連続的に緩和していくのに対し、表面にパラジウムを担持した試料では、反応が高速化するとともに、酸素欠陥が無秩序に分布する動的な中間状態が現れることが明らかになった。このことは、今後の酸素貯蔵材料の設計指針構築に役立つとともに、反応経路の制御という点で新規物質探索においても重要な意味を持つ。今後、このような測定技術を、様々な反応開発や新規物質合成に役立てていくつもりである。

6

トピックス、受賞、国際会議・セミナー等、人事異動
トピックス「2023 年度先端無機材料共同研究拠点成果報告会」
2023 年 7 月 19 日（水）、2023 年度「先端無機材料共同研究拠点成果報告会」が行われ、3 名の研究代表者により共同利用研究における成果が発表されました。		

先端無機材料共同研究拠点成果報告会「カチオン二量体が生み出す物性と機能」

東北大学 多元物質科学研究所
助教 山本 孟「縫合反応による新規π共役分子の合成と単分子有機素子としての利用」

大阪大学 大学院基礎工学研究科
教授 新谷 亮「建築鋼構造における欧州での国際共同研究：楽しさと難しさ」

名古屋工業大学 工学研究科社会工学専攻教授 佐藤 篤司

受賞
受賞者

受賞

受賞内容

受賞日

東 正樹 教授

令和 5 年度科学技術分野の文部科学大臣表彰「科学技術賞（研究部門）」

新しい機能性遷移金属酸化物材料の創出と発現機構
2023 年 4 月 7 日
解明の研究

田原 正樹 准教授

公益財団法人本多記念会「第 44 回本多記念研究奨励賞」

チタン合金の内部組織と形状記憶特性に関する研究 2023 年 5 月 26 日

国際会議・セミナー等
開催日

開催名

開催場所

主催・共催

2023 年 6 月23 日 MATLANTIS 紹介講演会

オンライン開催

主催：データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェ
クト東工大拠点（D2MatE）
協賛：東京工業大学 物質・情報卓越教育院
フロンティア材料研究所

2023 年 7 月 7 日

主催：C TBUH Japan Structures Committee /Japanese Society of Steel Construction
L aboratory for Materials and Structures,Tokyo Institute of Technology
大岡山キャンパス
共催：CHEE-ASC（Committee of High-rise Habitat/ オンラインEnvironment– The Architectural Society ofChina）
Korean Council on Tall Buildings and Urban
Habitat2023 China-Japan-Korea Tall Building Forum

東工大 物質・情報卓越教育院「第 4 回最先端研究セ2023 年 7 月 24 日 ミナー」
オンライン開催
物質と情報で切り拓くサステナブルな未来

主催：東京工業大学 物質・情報卓越教育院
共催：フロンティア材料研究所
元素戦略 MDX 研究センター
主催：
「データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト」智慧とデータが拓くエレクトロニクス新材料開発拠点 D2matE
共催：東京工業大学 元素戦略 MDX 研究センター
フロンティア材料研究所
物質・情報卓越教育院

2023 年 7 月 28 日

チュートリアル：どのように第一原理バンド計算の条
オンライン開催
件を決めるか2023 年 08 月
25-26 日主催：東京工業大学 環境・社会理工学院 建築学系
The 7th Joint Workshop on Building / Civil す ず か け 台 キ ャ 共催：多元レジリエンス研究センター
Engineering between Tongji and Tokyo Tech
ンパス
フロンティア材料研究所
未来産業技術研究所

2023 年 8 月 26 日 第 18 回四大学連合文化講演会

東 京 医 科 歯 科 大 主催：四大学連合（東京医科歯科大学・東京外国語大学学
東京工業大学・一橋大学）

2023 年 9 月 23 日 第 153 回工学地震学・地震工学談話会

す ず か け 台 キ ャ 主催：東京工業大学 地震工学研究グループ
ンパス
共催：フロンティア材料研究所

人事異動（2023 年 5 月〜）
異動日

氏名2023 年 7 月1日 SHEGAY Aleksey Vadimovich

異動内容
退職

新所属
オークランド大学

講師

旧所属
構造機能設計領域

助教

7

フロンティア材料研究所 NEWS LETTER No.16
発行

日編集 ・ 発行

令和 5 年 10 月 1 日
東京工業大学 科学技術創成研究院

フロンティア材料研究所
共同利用・研究支援室

お問い合わせ〒226-8503 横浜市緑区長津田町4259 R3-27

TEL.045-924-5968 FAX.045-924-5978
電子メール kenkyushien@msl.titech.ac.jp
ホームページ https://www.msl.titech.ac.jp