資源戦略学講座

Resources Strategies

環境複合材料創成科学分野 Nanocomposite Science and Interfacial Materials Design

Development of High-Functional Non-Metallic Light Element
Materials for Creating a Next Generation Life Style

准教授 佐藤 義倫
Associate Professor

Yoshinori Sato

Fig.S1 New crews. Yuto Sano (left) and Ryudai
Tsukidate (right).

Fig.S2 Cherry-blossom viewing.

Fig.S3 Oktoberfest in our laboratory.のナノ物質の特性が打ち消されるため、極めて難しくなる。そこで、ナノ物質の特性を最大限に活かしたナノ複合界面設計に基づいた高次機能性材料および複合材料が必要である。本研究室では、材料科学分野における課題である「ナノ物質の特性をバルクまで引き伸ばすための軽元素複合材料設計と材料開発およびその複合界面に関する研究」を目指している。研究を遂行するにあたり、軽元素のホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、弱い相互作用による界面滑りが原因で、炭素繊維の機械強度よりも硫黄、リンを用いた高機能な表界面を持つ非金属軽元素材料の開発を行っている。

劣っている。事実、カーボンナノチューブに共有結合を導入することはIn the past, a number of composites consisting of nanomaterials that possess excellent features have been produced in basic studies. However, it is extremely
hard to design and produce materials and composites in which nanomaterials’ properties are reflected, because each nanomaterial in the composite
assembles at random, without a view of the overall nanomaterials. In this laboratory, the purpose of the research is to study and develop high-functional
non-metallic light materials with high-performance surfaces and interfaces using boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, sulfur, and phosphorus in aneffort to expand the properties of nanomaterials to those of bulky materials.

せた多層カーボンナノチューブ繊維の機械強度と電気特性について研ORR 触媒活性メカニズムの解明のためのグラファイトへの窒素ドーピング制御
新しいエネルギーシステムとして、様々な方法で生成でき貯蔵・輸送が可能な水素エネルギーが考えられている。その水素エネルギーの利用で使用されるデバイスとして期待されている固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell: PEFC）は、様々な課題のため広い普及には至っていない。その課題の 1 つが酸素還元反応（oxygenreduction reaction: ORR）触媒として使用されている白金触媒である。白金は埋蔵量が少なく、寿命が短い。そこで、白金を使用しない炭素ナノ材料触媒が埋蔵量や耐久性の点で注目されている。特に窒素ドープ炭素ナノ材料は高い触媒活性を示す。しかし、そのメカニズムは解明されておらず、高活性な ORR 触媒に求められる条件を満たす触媒を未だに作製できていない。本研究では、ORR 触媒活性のメカニズムの解明のために、フッ素化―脱フッ素化を経由することにより、ピリジン型窒素をグラファイトへドーピングすることを行っている。

多層カーボンナノチューブ繊維の高強度化：フッ素化―脱フッ素化プロセスにより架橋されたナノチューブ間の界面滑りの抑制
センシング、ウェアラブル装置、電気化学電池で電極材料として注目されているカーボンナノチューブ繊維は軽量だけでなく、優れた柔

Fig.1 Illustration of nitrogen doping to graphene via fluorination-defluorination process.
Gray, cyan, and blue balls indicate carbon, fluorine, and nitrogen atoms, respectively.

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軟性を持っているが、それらの引張強度や弾性率はナノチューブ間のCoexistence Activity Report 2019難しい。本研究では、フッ素化―脱フッ素化プロセスによって架橋さControl of nitrogen doping into graphite forclarifying the mechanism of oxygen reduction
reaction catalytic activity
Hydrogen energy is a candidate for a new alternative energy systembecause hydrogen molecules can be generated from various resources,
stored, and transported. Although hydrogen-energy-harnessing polymer
electrolyte fuel cells (PEFCs) have been expected, they have not yet been
widely used. Platinum as the oxygen reduction reaction (ORR) catalyst is
an expensive and non-abundant resource, and it has poor durability for
ORR activity. Therefore, metal-free carbon nanomaterials have beendeveloped as alternative platinum catalysts. Nitrogen-doped carbon
nanomaterials have been hitherto reported to exhibit especially high ORR
catalytic activity. However, the ORR mechanism has not been clarified. To
achieve highly efficient ORR activity, doping nitrogen species should be
precisely controlled in carbon framework. In this study, we try to dope
pyridinic-type nitrogen atoms to graphite via a fluorination-defluorination
process in an effort to clarify the mechanism of ORR catalytic activity.

excellent flexibility, their tensile strength and elastic modulus are inferior
to that of carbon fibers due to the interfacial slip caused by weak interaction
between adjacent nanotubes. In actuality, it is difficult to introduce
covalent bonds between nanotubes. Here, we prepare multi-walled CNTFs(MWCNTFs) cross-linked by fluorination-defluorination process andinvestigate their electronic and mechanical properties.

究している。

学術会議・講演

Academic conference・Lecture・佐藤 義倫、みやぎ県民大学、大学開放講座、仙台市（講演発表）

・Yoshinori Sato, Miyagi Kenmin Daigaku, Sendai (Lecture)
・Yoshinori Sato, 2019 Joint Meeting of the Tohoku Area ChemistrySocieties, Yamagata, (Invited talk)・Minori Kokubo, The 42nd Fluorine Conference of Japan, Kobe (Poster)・Yoshinori Sato, The 42nd Fluorine Conference of Japan, Kobe (Oral)・Yoshinori Sato, 3rd International Conference on Applied Surface
Science (ICASS 2019), Pisa, Italy (Poster)・Yoshinori Sato, 2019 Global Research Efforts on Energy andNanomaterials (GREEN 2019), Taipei, Taiwan (Invited speaker)

・佐藤 義倫、2019 年度化学系学協会東北大会、山形市（依頼講演発表）
・小久保 美乃里、第 42 回フッ素化学討論会、神戸市（ポスター発表）
・佐藤 義倫、第 42 回フッ素化学討論会、神戸市（口頭発表）
・Yoshinori Sato, 3rd International Conference on Applied
Surface Science (ICASS 2019), Pisa, Italy（ポスター発表）
・Yoshinori Sato, 2019 Global Research Efforts on Energyand Nanomaterials (GREEN 2019), Taipei, Taiwan（招待講演）

Department of Environmental Studies for Advanced Society

ナノ物質は小さいながらも、優れた特性を持っている。しかし、ナノ物質の特性を生かした複合材料の設計・合成は、ランダムに配置された個々

先進社会環境学専攻

次世代型ライフスタイルの創成を担う
高機能非金属軽元素材料の開発

Grants

研究費
・JSPS 科学研究費補助金 18H04145 ( 基盤研究 (A)/ 代表 )・JSPS 科学研究費補助金 19K21911 ( 挑戦的研究 ( 萌芽 )/ 代表 )・共同研究費 ( ステラケミファ株式会社 / 代表 )・JSPS KAKENHI 18H04145 (Scientific Research (A)/PI)・JSPS KAKENHI 19K21911 (Challenging Research (Exploratory)/PI)
・Collaboration grant (Stella Chemifa Corporation/PI)

Collaborations

共同研究

・Stella Chemifa Corporation (Research Division)

・ステラケミファ株式会社（研究部）

Enhanced tensile strength of defluorinatedmulti-walled carbon nanotube fibers:
Suppression of interfacial slip between
nanotubes cross-linked via fluorinationdefluorination process
Although carbon nanotube fibers (CNTFs), which have attracted attention
as electrode materials in the fields of sensing, wearable devices, andelectrochemical batteries, are not only lightweight but also possess

Fig.2 Fluorination-defluorination process to cross-link CNTs.

Fig.3 Snapshot at the 42th Fluorine Conferenceof Japan. (Minori Kokubo)

Fig.4 Open campus 2019.

Fig.5 Snapshot of our drinking party.

Coexistence Activity Report 20197