⽂部科学省と国⽴⼤学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング

第10回

京都⼤学 エネルギー理⼯学研究所（2022.8.5)

12:05-12:10 (5分） ︓ 研究所・センターの概要︓所⻑ 森井 孝
12:10－12:25 (15分） ︓「炭素でふく射エネルギーのスペクトルを制御する」
宮内 雄平 教授
12:25－12:45 (20分） ︓質疑応答

京都⼤学エネルギー理⼯学研究所
京都大学宇治キャンパス：４研究所

京都大学 研究連携基盤
京都大学の１８の研究所・センターの連携組織(基幹経費、学長リーダーシップ特別枠）平成27年(2015年) 4月発足
京都大学の附置研究所の強み・特色をさらに伸ばすとともに、異なる視点をもつ研究者の知を結集させ、異分野融合・新分野創成の促進を図ることを目指し、設置【新分野開拓】未踏科学研究ユニット (前人未到の科学分野に果敢に挑戦する野心的な研究)
持続可能社会創造ユニット、多階層ネットワーク研究ユニット、持続可能社会創造ユニット
データサイエンスで切り拓く総合地域研究ユニット

ユニット報告会（年2回）、外国人研究者を雇用（令和3年度：短期8名、長期6名を雇用）【人材育成】次世代研究者支援
外国人研究者の招聘、次世代研究者の派遣
論文出版助成・著書出版助成【連携強化】
大型設備の情報共有により研究基盤を強化

吉田泉殿（交流推進のための共有建物）【アウトリーチ】
附置研・センターシンポジウム（読売新聞社後援：例年400-600名規模）
丸の内セミナー（115回開催、2/25から再開）

京都⼤学エネルギー理⼯学研究所
京都大学宇治キャンパス：４研究所

http://www.iae.kyoto-u.ac.jp

エネルギー理工学研究所：これまでの歩み
大正 3年（1914）中央実験所設立
昭和16年（1941）工学研究所設置（5研究部門）
昭和41年（1966）超高温プラズマ研究施設
昭和46年（1971）原子エネルギー研究所に改称
昭和51年（1976）ヘリオトロン核融合研究センター設立
平成 8年（1996）エネルギー理工学研究所に改組
附属エネルギー複合機構研究センター設置（エネルギー科学研究科設立・協力講座）
平成23年 (2011)

文部科学省認定共同利用・共同研究拠点 （2011-2015）「ゼロエミッションエネルギー研究拠点」活動開始

平成28年 (2016）

同（2016-2021）第2期活動開始

令和 4年 (2022）同（2022-2027）第3期活動開始

令和 4年 (2022）附属カーボンネガティブ・エネルギー研究センター設置

エネルギー理⼯学研究所：組織
設置⽬的： 「エネルギーの⽣成、変換、利⽤の⾼度化」に関する研究を⾏うこと
エネルギー需要の増⼤とエネルギー資源の枯渇、および地球環境問題の深刻化に伴って⽣じているエネルギー問題の解決を⽬指した先導的研究

エネルギー⽣成研究部⾨エネルギー機能変換研究部⾨
エネルギー利⽤過程研究部⾨附属エネルギー複合機構研究センター

⼤型設備

附属カーボンネガティブ・エネルギー研究センター

共同利⽤・共同研究拠点
ゼロエミッションエネルギー研究拠点

研究期間︓第１期︓2011年度〜2015年度
第２期︓2016年度〜2021年度
第３期︓2022年度〜2027年度

7

エネルギー理工学研究所
̶カーボンニュートラルを実現する多角的な研究̶

ナノ光科学

プラズマ・核融合科学

エネルギー材料
量⼦エネルギー科学

プラズマ・量⼦エネルギー

量⼦材料⼯学10 -2 10-1 1

10 1

102

103

104

105

106

(eV)

ソフトエネルギー

⽣物機能化学

構造⽣物学

107

分⼦ナノ⼯学電気化学

附属カーボンネガティブ・エネルギー研究センター
エネルギー理⼯学研究所＋エネルギー科学研究科2専攻＋⼯学研究科3専攻で設⽴（2022. 8.1）
ゼロエミッション+「カーボンネガティブ」

森林や海洋、CCUS等によるCO2吸収
だけでは限界

除去

⾮電⼒

排出
削減

電⼒

排出

炭素固定

吸収・除去

CO 2固定・資源化量

CO2エネルギー起源CO 2

排出「カーボンネガティブ」

2020

CO2削減

ゼロエミッションのみ

2030

再エネ

CO2

カーボンニュートラル

カーボンニュートラル達成が困難

2050「カーボンネガティブ」技術の確⽴によるCO2の固定化・資源化量の増⼤化が必須︓ 「カーボンネガティブ」の学理・技術創出
1. CO2回収の太陽エネルギー利⽤

2Fractional Power Density (W/m /um)

広帯域太陽光in

1000

CNT波⻑選択・量⼦変換素⼦CO2

2

H2Oout
有⽤エネルギー
⾼効率太陽熱発電
帯域に⾼効率変換
太陽熱化学合成
海⽔淡⽔化・汚染⽔浄化

京⼤の要素的カーボンネガティブ関連研究群

溶融塩電解原料01
Wavelength (um)3. 炭素由来の化成品・半導体開発

2. CO2を資源に変換

極限微⽣物
inin
極限微⽣物に新半導体を作らせる

ダイヤモンド
有⽤副⽣物

原料

out
out
H2

CH4

新半導体

継続的な研究連携・融合、学術基盤の創出と⼈材育成研究紹介

炭素でふく射エネルギーのスペクトルを制御する
京都⼤学エネルギー理⼯学研究所
Institute of Advanced Energy, Kyoto University
宮内雄平
Yuhei MIYAUCHI⾃⼰紹介
京都⼤学 エネルギー理⼯学研究所
エネルギー機能変換研究部⾨ 機能物性⼯学研究分野 教授 (2021.4.1~)
現在の専⾨：物性⼯学（物質科学とその応⽤）
宮内 雄平

略歴：東京⼤学⼯学部機械コロンビア⼤学（物理）名古屋⼤学

博⼠（⼯学）2006.9

京都⼤学化学研究所

京都⼤学エネルギー理⼯学研究所

京都⼤学エネルギー理⼯学研究所 准教授

同 教授

研究テーマ

ナノスケール・量⼦物質の物性・機能の解明とエネルギー⼯学への展開

CONTENTS

ふく射エネルギーのスペクトルとは？

炭素でふく射エネルギーのスペクトルを制御する
なぜ炭素なのか

なぜ制御したいのか？

どうやって制御するのか？

ふく射エネルギーの「スペクトル」とは？
Copyright © 2004 David Monniaux, CC BY-SA 3.0<http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons

5000 K

熱放射のスペクトル

Intensity (arb. u.)

5800 K 〜 太陽光

Laser
ほぼ単⼀の波⻑だけ

4000 K
3000 K
500

600

700

Wavelength (nm)

• ⼈類はエネルギーの⼤部分を熱源（太陽含む）から得る• 熱源の放射する光（ふく射）の波⻑には広い分布• 光の量⼦（光⼦）のエネルギー：波⻑の逆数に⽐例
様々な波⻑の光を含む＝広いエネルギー分布

800

なぜ制御したいのか？

Energy density (arb. u.)

Energy density (arb. u.)

⽬的：エネルギー変換におけるスペクトルミスマッチの解消*太陽, ガスの燃焼, 核反応 etc.

0123Energy (eV)405

熱源*からのふく射エネルギースペクトル*エネルギー変換装置, 被加熱物質≠123
Energy (eV)45

受け⼿*が効率よく変換できるスペクトル領域

例1：太陽光発電の原理効率は太陽光と光起電⼒セルのミスマッチで⼤幅に制限
例2：太陽光では透明な⽔を直接効率よく加熱できない→太陽熱の利便性を制限

なぜ制御したいのか？
太陽光 (AM 1.5)5800 K Black-body

典型例：
太陽光発電

U.S. Air Force photo/Airman 1st Class Nadine Y.
Barclay, Public domain, via Wikimedia Commons

Source: Peter Würfel, Uli Würfel, Physics of Solar Cells: From
Basic Principles to Advanced Concepts (English Edition),
Wiley-VCH

最も効率よく光電変換できる領域

単セル太陽電池の変換効率を制限する⼤きな要因（<~ 30 %） [Shockley and Queisser (1961)]

なぜ制御したいのか？
太陽光 (AM 1.5)5800 K Black-body

Energy density (arb. u.)

スペクトル制御した上での光電変換（熱光起電⼒発電）

U.S. Air Force photo/Airman 1st Class Nadine Y.
Barclay, Public domain, via Wikimedia Commons

123
Energy (eV)45

Energy density (arb. u.)

00

1

23
Energy (eV)45

原理効率 > 〜60%

Source: Peter Würfel, Uli Würfel, Physics of Solar Cells: From
Basic Principles to Advanced Concepts (English Edition),
Wiley-VCH

太陽光をはじめとする⾼温熱源のふく射エネルギースペクトルの制御技術→熱源からのエネルギー変換効率を⾼める鍵どうやって制御するのか？
問題点：光⼦は互いに直接エネルギーを交換できない

Energy density (arb. u.)

物質に⼀旦吸収

012
3Energy (eV)4スペクトルを整えて放出
エネルギースペクトル変換器（物質）5Energy density (arb. u.)

解決⽅法:

0123Energy (eV)4

理想的なエネルギースペクトル変換器に必要な⼆⼤要素ü 光の場の制御：フォトニック結晶, メタ表⾯
未解決 材料物質の各内部量⼦⾃由度のエネルギースペクトル制御
これを炭素で実現したい5なぜ炭素なのかØ 社会科学的観点から
CO2→資源・材料変換
⼤気中
海洋中
火力
発電回収

CO2

バイオ, 電気化学, 熱反応

エネルギー資源（アルコールなど）
促進！

太陽エネルギー

利活⽤（他再⽣可能エネルギー, 核融合） 技術⾰新

化学製品（ポリカーボネートなど）
CO2由来炭素でできた⾼性能エネルギー機能材料
炭素材料の付加価値向上
⼤量活⽤で炭素の固定化（カーボンネガティブ）促進

炭素で出来ることが増えること⾃体, ⼤きな現代的意義

なぜ炭素なのかØ これまでのナノ炭素科学の成果を利⽤可能

フラーレン Soccerball shaped molecule

グラフェン
One atom layer
nanomaterial
グラファイト

カーボンナノチューブ
Cylinder-shaped
nanomaterial

様々なナノ炭素物質を作ることで所望の物性や機能を引き出せるどうやって制御するのかØ 「カーボンナノチューブ」の物性を利⽤

カーボンナノチューブ
Cylinder-shaped
nanomaterial
Source: http://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/index-j.html

グラフェンの巻き方による物性制御が可能

光との相互作⽤, 電⼦輸送特性, 機械的特性 etc.

どうやって制御するのか
様々な巻き方のカーボンナノチューブで作ったフィルム

PurplePinkBlue

GreenSingle structure separated

BlackMixture

T. Nishihara, A. Takakura, M. Shimasaki, K. Matsuda, T. Tanaka, H. Kataura, and Y. Miyauchi, Nanophotonics 11, 1011 (2022).

異なる巻き⽅を持つカーボンナノチューブはそれぞれ特有の⾊を⽰す
エネルギースペクトル制御の鍵どうやって制御するのかØ 量⼦効果が鍵
グラファイト/グラフェン(⿊・グレー)

ナノスケール
円筒化

量⼦効果 1

量⼦効果 2crosssection

円周⽅向電⼦波の量⼦化

強い量⼦相互作⽤

構造ごとに決まる明確な光共鳴エネルギー量⼦効果が炭素を⾊付ける：従来の炭素材料とは全く異なる機能性どうやって制御するのかAbsorption Coefficient (cm-1)

近⾚外

可視

物質内部の電⼦系のエネルギースペクトルが離散化し, 光と相互作⽤できるエネルギーが限定された結果(7,5)
Structure

Photon energy

カーボンナノチューブ光吸収スペクトル（室温）の鋭いピーク構造
Q. 1000 Kを超えるような⾼温でも, 量⼦状態は保たれるのか？

どうやって制御するのかØ ⾼温カーボンナノチューブにおける狭帯域熱放射1470 K(n, m) = (18, 8)
semicon. CNT
S22 excitonBlackbodyCNTLine width（170meV）

励起子熱放射実験：T. Nishihara, Y. Miyauchi et al., Nat. Commun., 9, 3144 (2018)
理論：S. Konabe, T. Nishihara, Y. Miyauchi, Opt. Lett., 46, 3021 (2021)

狭帯域熱放射内部エネルギーの一定エネルギー帯域への集中（スペクトル制御）

どうやって制御するのかØ カーボンナノチューブを使ったエネルギースペクトル変換の学理開拓
⾼効率エネルギー変換

エネルギースペクトル変換器

太陽光熱源

Photovoltaics

エネルギー
スペクトル変換器（物質）0123Energy (eV)45

広帯域エネルギー

Energy density (arb. u.)

Energy density (arb. u.)

Wavelength selective
direct heating

0123
Energy (eV)45狭帯域エネルギー

Patent Application Number 2021-096124

基礎学理と要素技術を研究中（JST CREST (JPMJCR18I)等）

まとめ
広帯域から狭帯域へのふく射エネルギースペクトル変換：
Ø 太陽光や熱エネルギーなど広帯域エネルギーの効率的な利⽤の鍵
ナノ炭素材料 カーボンナノチューブ
Ø 理想的なふく射エネルギースペクトル変換器実現の有⼒候補材料

ナノ炭素科学をベースとした太陽光・熱エネルギーの⾼効率利⽤, 新しい発電技術等の実現へ
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