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 高橋 英志

准教授 横山 俊助教 横山 幸司

Professor

Associate Professor

Assistant Professor

Hideyuki Takahashi

を最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（化合物太陽電池用ナノ材料、熱電変換合金ナノ粒子、光触媒、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（Cu ナノ粒子 , Cu ナノワイヤなど）、固体高分子燃料電池用機能性ナノ触媒材料、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。

Koji Yokoyama

例えば、化合物太陽電池材料となる Cu-In 合金ナノ粒子や CuIn-S ナノ粒子、各種ペロブスカイト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 ナノ粒子や Cu ナノワイヤ、透明導電性材料用の特異な形状制御を行った Cu 粒子、ウイルスや重金属イオン等を高速で回収するための Fe ナノ粒子、等の合成と実用化を試みている。更に、エネルギー材料として、熱電変換材料や燃料電Hideyuki Takahashi Laboratory’s research has focused on developing and using well-defined nanomaterials in our daily lives. In particular, we havedeveloped methods for synthesizing and utilizing useful nanomaterials with specific morphology. Our research objectives can be classified into (a)natural energy conversion materials, such as alloy nanoparticles for compound solar cells, thermoelectric alloy nanoparticles, and photocatalysts withspecific morphology; (b) functional nano-eco materials, such as uniform and well-crystallized alloy nanomaterials, well-defined electric integration
nanomaterials (Cu nanoparticle, Cu nanowire, etc.), and precise control of nanocatalysts for fuel cells; and (c) development of novel methods for
extracting rare metals with precise control under complex conditions.

池材料、特異な形状で高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（Fig. 1）。

Student activity (conferences, prizes, etc.)

学生諸君の国際及び国内会議発表、その他の活動
高橋（英）研究室所属では、学生諸君の研究開発能力や意識、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学生

研究概要

Research

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。

24 Coexistence Activity Report 2023の留学を精力的に行っている。
2023 年度は、3 件の国際会議発表と、18 件の国内会議を行っ

To achieve industrial applications of transition metal/alloy
nanoparticles instead of precious metal nanoparticles, various
procedures for synthesizing these materials have been developed under
low environmental loading conditions. In particular, a method ofsynthesizing uniform and well-crystallized metal/alloy nanoparticles
should be developed to utilize the uniform properties, selective andhigh-performance, suitable phase, and long lifetime. Moreover,materials synthesized for commercial applications should have specificproperties, such as high oxidative resistivity and low addition ofsurfactants. We have developed a method of synthesizing metal/alloy
nanoparticles with these properties using simple equipment and low
energy conditions (RT −70°C) in the aqueous phase.

た。DC3 の渡邉有希さんが 244th ECS Meeting (Gothenburg,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
complexes should be equal. Sometimes, oxide materials and sulfide
materials are also synthesized. Therefore, we introduced our idea for
a particle synthesis system based on the predicted concentration of
metal complexes in an aqueous solution as a function of pH.

次年度以降は、ECS や MRS、資源・素材学会、資源・素材学

Fig. 1 Schematic drawing of researches in H. Takahashi Lab (concept).

Sweden) にて、MC2 の野田祐作さんと MC2 の池谷駿之介さんが 2023 MRS Fall Meeting & Exhibit (Boston, USA) にて国際会議発表を行った。当該期間では、6 月開催の資源・素材学会東北支部春季大会にて MC2 の野田祐作さんと MC2 の池谷駿之介さんが優秀発表賞 ( 銀賞 ) を受賞し、9 月に開催された第 74回コロイドおよび界面化学討論会にて MC2 の野田祐作さんが優秀ポスター賞を、B4 の Kwon Sunghyun さんおよび浅見椋斗さんが第 16 回資源・素材学会 東北支部 秋季大会および若手の会にて資源・素材学会東北支部ポスター賞優秀賞を受賞した。
会東北支部大会、応用物理学会、など、国内外の学会にも積極的に参加し、成果の発表を行う予定である。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も再開する。

For the solar cell application, we developed methods of synthesizing CuIn alloy nanoparticles, Cu-In-S nanoparticles, and various perovskite,
and we applied these synthesized materials to the formation of printablesolar cells. Moreover, we tried to synthesize Cu nanoparticles and/or Cu
nanowire with high conductivity and oxidative resistivity, Cu materials
with specific morphology, and Fe nanoparticles for quick recovery of thevirus and/or heavy metal ion. Thermoelectric material, fuel-cellmaterial, and stratified photo catalysts with specific morphology werealso developed to apply these synthesized materials to environmentallyfriendly energy material.

Students from our laboratory attend up to 3 international conferences and18 domestic conferences in a typical year. To develop members’ abilities,
we recommend joining international conferences and studying abroad(DC course students).

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

Shun Yokoyama

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

This year, Ms. Y. Watanabe (DC3) joined the 244th ECS Meeting(Gothenburg, Sweden), and Mr. Y. Noda (MC2) and Mr. S. Ikegaya(MC2) joined the Meeting & Exhibit (Boston, USA).
In 2023, Mr. Y. Noda (MC2, Best Presentation Award [Silver Award]),
Mr. S. Ikegaya (MC2, Best Presentation Award [Silver Award]), Mr. H.
Horikawa (MC1) and Mr. K. Sato (MC1) joined MMIJ Tohoku branchmeetings (June, Sendai). Mr. Y. Noda (MC2, Best Poster Award) and Mr.
H. Horikawa (MC1) joined the 74th Colloid and Interface science
conference (Nagano, Japan). Mr. K. Sunghyun (B4, Best PresentationAward), Mr. M. Asami (B4, Best Presentation Award), Mr. S. Ikegaya(MC2), Mr. Y. Noda (MC2), Mr. H. Horikawa (MC1), Mr. K. Sato (MC1),and Ms. M. Kondo (B4) joined the MMIJ Tohoku branch Young Scientist
meetings (December, Miyagi). Ms. Y. Watanabe (DC3), Mr. S. Ikegaya(MC2), and Mr. K. Sato (MC1) joined the 2023 MMIJ meetings(September, Ehime). Mr. H. Horikawa (MC1) and Mr. K. Sato (MC1)joined the 4th Meeting of Environmental Studies (October, Sendai). Mr.
S. Ikegaya (MC2) and Mr. Y. Noda (MC2) joined the MMIJ Tohoku
branch Young Scientist meetings (December, Akita).
We will join the Electrochemical Society Conference (ECS), Materials
Society Meetings (MRS), MMIJ’s spring and fall meetings, and Tohoku
branch’s spring MMIJ meeting, as well as the Japan Society of Applied
Physics (JSAP) and others. Moreover, we will participate in various
social activities, such as events addressing natural energy, public lectures,and so forth.

Fig. 2 Schematic drawing of researches in H. Takahashi Lab (target).

Coexistence Activity Report 2023

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