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

技官 本宮 憲一

Professor

Associate Professor

Technical Engineer

Hideyuki Takahashi

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

Kenichi Motomiya

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-In-S

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

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、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

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

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（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、エネ体制御技術、等に分類できる。

ルギー材料として、熱電変換材料や燃料電池材料、特異な形状で高機

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, thermoelectricalloy nanoparticles, and photocatalysts with specific 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.

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 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 and/or Cu nanowire with high conductivity and oxidative
resistivity, Cu materials with specific morphology, and Fe nanoparticles
with low melting point to apply as bonding materials. Thermoelectricmaterials, fuel cell materials, and stratified photo catalysts with specificmorphology were also developed to apply these synthesized materials toenvironmentally 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 activity (conference, prizes, etc.)

高橋（英）研究室所属の学生は、2019 年 4 月－12 月の期間に計 17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

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. Tatsuichiro Nakamoto(DC2) at 225rd Electrochemical Society Conference(Dallas, USA)

22 Coexistence Activity Report 2019

生の留学を精力的に行っている。当該期間では、5 月に米国ダラスでResearch
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 using simple equipment and low energy conditions (RT-70°C) in theaqueous 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 complexes
should be equal. Sometimes, oxide materials and sulfide materials are alsosynthesized.
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 Mrs. Yuki Asano (DC2) at 226rd
Electrochemical Society Conference (Atlanta, USA).

Fig.3 Presentation of Mr. Takuya Endo (MC2) at
2019 MRS Fall Meeting (Boston, USA).

開 催された 225rd Electrochemical society Conference 及び 9月に札幌で開催された Asian Pacific Confederation of ChemicalEngineering 2019 では DC2 の仲本龍一郎君が（Fig.1（ECS））
、10月に米国アトランタで開催された 226rd Electrochemical society
Conference では DC2 の淺野有希さん（Fig.2）が、MC2 の遠藤拓也
君（Fig.3）及び及川大輝君（Fig.4）が 12 月に米国ボストンで開催された 2019 MRS Fall Meeting で発表を行っている。9 月に開催された資源・素材学会秋季大会では遠藤拓也君（MC2）、及川大輝君（MC2）、木村ほのかさん（MC1, Fig.5）、後藤光生君（MC1, Fig.6）、野崎純平
君（MC1）が発表した。DC2 の仲本龍一郎君は令和元年度環境科学研究科奨学賞を、MC2 の遠藤拓也君は 2019 年度資源・素材学会若手ポスター発表賞を受賞している。
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、など、国内の学会にも積極的に参加し、成果の発表を行ってStudents from our laboratory attended seventeen international and domestic
conferences from April to December 2019. To develop members’ variousabilities, we recommended joining international conferences and studying
abroad (DC course students).
This year, Mr. Tatsuichiro Nakamoto (DC2) joined the 225th Electrochemical
Society Conference in Dallas (May, Figure 1) and the Asian PacificConfederation of Chemical Engineering 2019. Mrs. Yuki Asano (DC2,Figure 2) joined the 226th Electrochemical Society Conference, held in
Atlanta (October). Mr. Takuya Endo (Figure 3) and Mr. Hiroki Oikawa(Figure 4) joined the 2019 MRS Fall Meeting, held in Boston (December).

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Mr. Takuya Endo (MC2), Mr. Hiroki Oikawa (MC2), Mrs. Honoka Kimura(MC1, Figure 5), Mr. Mitsuo Goto (MC1, Figure 6), and Mr. Jumpei Nozaki(MC1) joined the fall meeting of the MMIJ (The Mining and Materials
Processing Institute of Japan) (Kyoto, Japan, September). Mr. Tatsuichiro
Nakamoto (DC2) was awarded the Incentive Award from the Graduate
School of Environmental Studies, and Mr. Takuya Endo (MC2) received
MMIJ’s Young Poster presentation award.
We joined MMIJ’s spring and fall meetings and Tohoku branch’s spring
MMIJ meeting, as well as the Japan Society of Applied Physics (JSAP), andothers.
Moreover, we joined in various social activities, such as events addressing
natural energy, public lectures, and so on.

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. Hiroki Oikawa (MC2)
at 2019 MRS Fall Meeting (Boston, USA).

Fig.5 Presentation of Mrs. Honoka Kimura (MC1)
at fall meeting of MMIJ (The Mining and Materials
Processing Institute of Japan) (Kyoto, Japan).

Fig.6 Presentation of Mr. Mitsuo Goto (MC1) at fallmeeting of MMIJ (The Mining and Materials Processing
Institute of Japan) (Kyoto, Japan).
Coexistence Activity Report 201923