エネルギー資源学講座
環境共生機能学分野

Energy Resources

Designing of Nano-Ecomaterials

Development of functional nano-ecomaterials for energy andenvironment in the environmentally benign systems

教授 田路 和幸准教授 高橋 英志

助教 横山 俊助教 梅木 千真

技官 本宮 憲一

Professor

Associate Professor

Assistant Professor

Assistant Professor

Technical Engineer

Kazuyuki Tohji

Hideyuki Takahashi

Shun Yokoyama

Senshin Umeki

Kenichi Motomiya

事務補佐員 早川 昌子
Clerical Assistant

Masako Hayakawa

大限に発現できる組成・結晶系・形態に制御する必要がある。この様な観点から、本研究室では、原材料中での材料の状態を計算及び X 線構造解析等の機器分析を通じて厳密に制御し、その反応機構を電気化学的手法や質量分析等を利用して解明する事で、高効率且つ均質な状態のナノ材料を開発する手法を開発している。また、高性能を発現するための状態制御法の開発を行っている。研究は (A) 自然エネルギー変換材料 ( 特
異な形態を有するストラティファイド光触媒、熱電変換合金ナノ粒子、太陽電池用 CIGS ナノ粒子、など )、(B) 機能性ナノ - エコ材料 ( 均質合金
ナノ粒子、高機能性電子用金属ナノ材料、固体高分子燃料電池用機能性ナノ触媒材料、炭素ナノ材料、など )、(C) 難溶性レアメタル等の抽出を可能とするための錯体制御技術、等に分類できる。

例えば、化合 物太陽電池材料となる Cu-In 合 金ナノ粒子や Cu-機能を発現するストラティファイド光触媒材料、を開発している。

For the solar cell application, we developed methods of synthesizing Cu-In
alloy nanoparticles, Cu-In-S nanoparticles, Cu-In-Sn alloy nanoparticles,
and Cu-Zn-Sn-S nanoparticles, and we applied these synthesized materials
to the formation of printable solar cells. Moreover, we tried to synthesize
Cu nanoparticles with high conductivity and oxidative resistivity, Cu
materials with specific morphology, and Fe nanoparticles with low melting
point to apply bonding materials. Thermoelectric materials, fuel cellmaterials, and stratified photo catalysts with specific morphology werealso developed to apply these synthesized materials to environmental
friendly energy materials.

学生諸君の国際及び国内会議発表、その他の活動

Student activities (conferences, prizes, etc.)

In-S ナノ粒子、Cu-In-Sn 合金ナノ粒子、Cu-Zn-Sn-S ナノ粒子を水溶液中で合成し、塗布することで太陽電池を形成させる技術を開発した。また、導電性が高く耐酸化性が高い Cu ナノ粒子、透明導電性材料用の特異な形状制御を行った Cu 粒子、構造材料を低温で焼結するための Fe ナノ粒子、等の合成と実用化を試みている。更に、エネ

The research of Tohji Laboratory focused on how to develop well-defined nanomaterials and utilize them in our lives. In particular, we developed methods
for synthesizing and utilizing useful nanomaterials with specific morphology.
Our research objectives can be classified into (a) natural energy conversion materials, such as photocatalysts with specific morphology (stratifiedphotocatalysts), thermoelectric alloy nanoparticles, and CIGS alloy nanoparticles for solar cells; (b) functional nano-eco materials, such as uniform andwell-crystallized alloy nano materials, well-defined electric integration nanomaterials, precise control of nano catalysts for fuel cells, and carbon
nanomaterials; and (c) development of novel methods for extracting rare metals with precise control under complex condition

ルギー材料として、熱電変換材料や燃料電池材料、特異な形状で高田路研究室所属の学生は、2017 年 4 月－ 12 月の期間に計 16 件の学会研究会発表を行った。本研究室では、学生諸君の研究開発能研究概要
遷移金属等の貴金属ではない金属のナノ材料を実用化することを念頭に、様々な金属／合金ナノ粒子を、環境負荷が少ない手法で合成する研究開発を行っている。特に、材料の特性の均質化や、高特性を発現する相の選択的合成、長寿命化、を達成するためには、均質で結晶性が高い金属／合金ナノ粒子であることが必要である。更に、工業的応用を念頭におくと耐酸化性が高くかつ表面被覆材の使用は限界まで低減する必要である。この様な全ての条件をすべて満たした金属／合金ナノ粒子を、ビーカー等の簡単な装置のみを用い、常温～ 70℃程度の水溶液中で、合成するという “ 現代の錬金術 ” と言える手法を開発している。
その為には、原料となる水溶液中において、金属の状態を均質化すること、合金を合成する様な場合には還元析出させるためのポテンシャルを単一化及び均質化することが必要である ( 合成する材料により、酸化および硫化をさせる場合もある )。そこで我々の研究室では計算手法を用いて水溶液中の金属錯体の種類等を制御し、その上で還元析出させる手法を開発した。

Fig.1 Presentation of Mr. Iwama (MC2) at Chemistry
Conference 2017, Green and Sustainable Chemistry(Muscat, Oman)

22 Coexistence Activity Report 2017

力や意識、コミュニケーション能力に対するグローバル化を促進するResearchことにも重点をおいており、学生諸君の国際会議での発表や博士課程

To achieve industrial applications of transition metal/alloy nanoparticles
instead of precious metal nanoparticles, various procedures forsynthesizing these materials have been developed under low environmentalloading conditions. In particular, a method of synthesizing “uniform” and“well-crystallized” metal/alloy nanoparticles should be developed toutilize the uniform properties, selective and high-performance, suitablephase, and long lifetime. Moreover, materials synthesized for commercial
applications should have specific properties, such as high oxidative
resistivity and low addition of surfactants. We have developed a method ofsynthesizing metal/alloy nanoparticles with the properties mentioned
above; by using simple equipment and low energy conditions (RT-70°C) in
the aqueous phase.
To synthesize “uniform” and “well-crystallized” metal/alloy nanoparticles,
the condition of metals in the aqueous phase should be restricted to thehomogeneous phase, and the reduction potential of both metal complexesshould be equal. Sometimes, oxide materials and also sulfide materials arealso synthesized.
Therefore, we introduced our idea for a particle synthesis system based on
the predicted concentration of metal complexes in an aqueous solution as afunction of pH.

Fig.2 Presentation of Mr. Ushida (MC2) at Chemistry
Conference 2017, Green and Sustainable Chemistry(Muscat, Oman)

Fig.3 Presentation of Mr. Li (DC2) at 5th Nano
Today Conference (Hawaii Island, USA)

学生の留学を精力的に行っている。当該期間では、6 月にシンガポール で 開 催 さ れ た 9th International Conference on Materials
for Advanced Technologies では MC2 の仲本龍一郎君が、11月にオマーンで開催された Chemistry Conference 2017, Greenand Sustainable Chemistry で は MC2 の 岩 間 守 弘 君（ 写 真 1）および牛田勝也君（写真 2）が、12 月にハワイ島で開催された 5thNano Today Conference では DC2 の李明潔君（写真 3）および
MC2 の仲本龍一郎君（写真 4）が、発表を行っている。6 月に開催された資源・素材学会東北支部春季大会では MC2 の仲本龍一郎君が金賞（写真 5）、MC1 の佐藤康平君が銅賞（写真 6）、9 月に開催された資源・素材学会秋季大会では MC2 の岩間守弘君および牛田勝也君が若手ポスター賞を受賞している。そのほか、資源・素材学会、
資源・素材学会東北支部大会、応用物理学会、X 線分析討論会など、

Students from our laboratory attended sixteen international and domesticconferences from April to December 2017. To develop the various abilitiesof members, we recommended joining international conferences andstudying abroad (DC course students).
This year, Mr. Tatsuichiro Nakamoto (MC2) joined the 9th International
Conference on Materials for Advanced Technologies at Singapore (June);
Mr. Morihiro Iwama (MC2, Fig.1) and Mr. Katsuya Ushita (MC2, Fig.2)
joined the Chemistry Conference 2017, Green and Sustainable Chemistry,
which was held in Muscat, Oman (November); and Mr. Li (DC2, Fig.3) andMr. Tatsuichiro Nakamoto (MC2, Fig.4) joined the 5th Nano Today
Conference, which held in Hawaii Island (December).
At the Tohoku branch spring meeting of the Mining and Materials
Processing Institute of Japan (MMIJ) (Sendai, Japan, June), Mr.
Tatsuichiro Nakamoto (MC2, Fig.5) won the gold prize and Mr. Kouhei
Sato (MC1, Fig.6) won the bronze prize. Moreover, at the fall meeting ofMMIJ (Sapporo, Japan, September), Mr. Morihiro Iwama (MC2) and Mr.
Katsuya Ushita (MC2) won the Young scientists poster prize.
We joined the Spring and/or Fall meeting of MMIJ, the Japan Society ofApplied Physics (JSAP) and others.
Moreover, we joined various social activities, such as events on naturalenergy, public lectures, and so on.

Department of Environmental Studies for Advanced Society

ナノ材料は省資源で最高性能を発現する材料として期待されているが、真の意味で次世代環境対応型材料とするためには、目的とする機能を最先進社会環境学専攻

環境との共生・エネルギーの創製を担うナノ機能素材開発

国内の学会にも積極的に参加し、成果の発表を行っている。また、自然エネルギーに関する周知活動や高大連携に係る東北大学講師派遣における出前授業など、様々な活動を行っている。

Fig.4 Presentation of Mr. Nakamoto (MC2) at 5th Nano
Today Conference (Hawaii Island, USA)

Fig.5 Mr. Nakamoto (MC2) win the Gold prize at theTohoku branch spring meeting of MMIJ (Sendai, Japan)

Fig.6 Mr. Sato (MC1) win the Bronz prize at theTohoku branch spring meeting of MMIJ (Sendai, Japan)

Coexistence Activity Report 201723