環境エネルギー材料研究拠点
コーディネーター
鍋島達弥教授（化学）

物質変換材料研究部門部門長:
中村潤児教授エネルギー変換・貯蔵物質部門
部門長:
守友 浩教授説明者：守友 浩
使命：持続可能な社会の構築に向け、高効率な物質変換やエネルギー変換およびエネルギー貯蔵、さらには再生可能エネルギーの高効率利用を可能にする革新的物
質・素材・材料を開発する。

環境エネルギー材料研究拠点
物質を生み出すエネルギーを生み出す
エネルギーを貯める

再生可能エネルギーの有効利用
Naイオン電池
イオン電池
燃料電池

Liイオン電池
イオン電池

代替元素戦略
代替同素体戦略

色素増感
太陽電池
無機PV
無機

空気電池
C触媒
触媒

ラジカル電池

光触媒

イオン電池【二次電池】
二次電池】
エネルギー貯蔵

有機PV
有機

【触媒】
触媒】
物質変換

【太陽電池】
太陽電池】
エネルギー変換新エネルギーと新物質が作るエネルギー系統樹

学際物質科学研究セから数理物質科学融合セへ
2003年11月：学際物質科学研究センター開所（４研究コア）
2004年10月：融合物質生命コアが加わる（5研究コア）
2006年６月：アトミックテクノロジー創出事業スタート
2008年10月：台湾・国立清華大学学長の表敬訪問
2011年4月：学際物質科学研究センター新体制スタート（９研究コア）
2012年12月：ＴＩＭＳ客員研究員として新たに5名採用
2013年8月：ＴＩＭＳ客員教員として新たに10名の教授・准教授を採用
2013年8月：筑波大学開学40＋101周年事業を共催
2014年9月：数理物質科学融合ｾに２部門を開設

ナノグリーン共用装置

学内共用実験設備（VBL402-1）
ナノグリーン機能材料測定装置 一式②クリーンドラフトチャン
バー・グローブボックス
配管工事が必要(窒素ｶﾞｽ窒素ｶﾞｽ)
窒素ｶﾞｽ

⑦段差計

TIS関連予算でナノグリーン分野の装置群を整備

筑波大学ベンチャービジネスラボラトリー
筑波大学ベンチャービジネスラボラトリー
４階実験室 （VBL402-1室室）

・洗浄⑥電気化学測定システム

TIMSが管理入口③ガスクロマトグラフ質量分析計

配管工事が必要(液体窒素液体窒素)
液体窒素

配管工事が必要(排気ｶﾞｽ排気ｶﾞｽ)
排気ｶﾞｽ⑧偏光蛍光顕微鏡④発光材料測定装置①質量分析計⑤ガス蒸気吸着量測定装置

配管工事が必要
配管工事が必要エネルギー変換・貯蔵物質部門
部門長：守友 浩
1. 物性物理学の視点から、エネルギー物質とエネルギープロセスを原理的かつ俯瞰的に理解する。（エネルギーデバイスサイエンス）
2. 革新的発想で、高効率エネルギー変換物質と高容量エネルギー貯蔵物質を創製を目指す。（サイエンスエネルギーデバイス）

これまでの主な活動「ナノ分子磁性体の化学・物理・応用」
2008/11/28-29「プルシャンブルー類似体の電子構造と構造物性」 2009/8/21「先端光計測と光応答性材料」
2009/3/13-14「筑波大学と KEK との連携を目指して」
2009/8/27-28「筑波大学と KEK との研究連携を目指して」
2009/11/2-3「XAFS と機能性物質」
2009/12/21-22「筑波大―KEK 連携の在り方とその広がり-」2010/1/20「筑波大-KEK 連携事業キックオフ・シンポジウム」 2010/5/26
2010/1２/17-18「熱電変換材料と新規機能物質」「有機太陽電池の基礎と応用」
2011/1/28-29「二次電池と燃料電池の科学と技術」
2011/11/18-１9「物性物理学の視点からの二次電池研究」
2012/10/22

これまでの主な活動
KEK連携支援事業第一期(2009-2011)
代表：守友 浩
KEK連携支援事業第二期(2012-2014)
代表：守友 浩2013.3-

リサーチユニット「量子ビーム」
固体物性G：３名
分子物性G：６名
トポロジカル物性：７名
先端評価・計測G：１１名

エネルギー変換・貯蔵部門

2014.3-

照準デバイスと構成員
照準デバイス
変換：有機系太陽電池、熱電変換…
貯蔵：ナトリウムイオン二次電池…
守友 浩 教授：
配位高分子材料、有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池
西堀英治 教授：
電子レベル構造解析、金属間化合物、コヒーレントX線応用、(小林 航 助教)
層状酸化物材料、酸化物系熱電変換材料
2014.9.1現在、段階的に補強予定

コンセプト
基礎研究

実用研究
（市場）

応用研究

有機系太陽電池
熱電変換
二次電池
イオン貯蔵・・・・・・~2018~2023

エネルギー分野には、真理探究に値する課題はないのか？
有機薄膜太陽電池：日本応用物理学会「有機太陽電池セッション」
疑問、または、物理屋のこだわり「有機物の励起子の束縛エネルギーは数千度である。それにもかかわらず、どうして、電荷生成効率が100%ちかいのか？」
リチウムイオン二次電池：電池討論会
疑問、または、物理屋のこだわり「LiCoO2は最密充填構造である。それにもかかわらず、どうして、Liの可逆的な出入りが可能なのか？」

これらの明快な回答が得られるならば、物質設計くらいは簡単に思える有機系太陽電池

電荷生成プロセスの解明

軟X線顕微鏡による分子混合の観測
ORS

S
F
ROOCnSSOR
R=電荷生成効率の決定

ペロブスカイト材料の構造決定

材料基礎物性とデバイスプロセスの理解

新発想素子

電荷生成効率の決定
2014/8/19: APLによるリリース熱電変換
低熱伝動の機構解明
ホスト骨格構造の立証

Zn4Sb3

熱整流効果

CoSb3
Bader解析と第一原理計算
Disorder構造の発見

材料基礎物性とデバイスプロセスの理解

Zn4Sb3
Zn4Sb3

新発想素子

電気化学ゼーベック効果

薄膜電極で理想性能の評価

層状酸化物
Ion modelで電位の理解

拡散係数の決定

材料基礎物性とデバイスプロセスの理解
Material

D (10-10cm2/s)

NaCoO20.1-0.2

NaMnO2

1.0-1.4

LiCoO20.1-0.001

材料設計
新発想素子

電子分布解析と結合様式の決定

劣化の理解V (V vs Li)

Li+/Na+二次電池正極材
LCF90

43I

V (V vs Na)

040.8 C

IIIII

50100
Capacity (mAh/g)

NCF90

3I0

配位高分子材料

0.6 C

Experiment with
Ultrafast intercalationuse of 137Cs

II50100
Capacity (mAh/g)

C6MnCl2 （CoCl2) 5mmol/L
K3[Fe(CN)6] 5mmol/L

150150Colored full cell
放電状態

高効率除染

充電状態

二次電池材料を超えて、イオン貯蔵体へ

PBA

応用展開へ

EU:デンマーク

理科大：
荒川裕則（客員）駒場慎一（客員）研究の広がり千葉大：
中山隆史

エネルギー変換・貯蔵物質部門
Center Leader
Prof. B. B. Iverson
国際PI candidate

No1の材料構造研究センター：
国際共同研究、人材交流を通じてサイエンスを深化

東邦大：
北澤孝史

ナトリウムイオン二次電池・等

熱電変換

有機系
有機系太陽電池

No1の3eV級の光源施設(2013年完成予定）：国際共同

台湾：新竹 研究でエネルギー材料の軟X線領域のサイエンスを深化
AIST：
吉田郵司
宮寺哲彦

ＮＩＭＳ：
韓 礼元
安田 剛(客員)森 孝雄（連携）

民間会社
実用化研究

KEK：
小野寛太
間瀬一彦
武市泰男
熊井玲児
仁谷浩明
雨宮健太(客員)

研究会予告 -新しい流れを作る「基礎科学の視点からのエネルギー変換・貯蔵技術」
ORSSF
ROOC

二次電池、有機系太陽電池、熱電変換nSS

OR
R=（予定）
主催：数理物質科学融合センター環境エネルギー材料拠点
共済：学際物質科学研究センター
TIA-ACCELERATE
KEK連携支援事業

物質変換材料研究部門
部門長：中村潤児 研究者：神原貴樹教授，山本洋平准教授
1.

触媒作用の学理を構築する。すなわち，最先端の物質解析および第一原理計算によって触媒作用機構を物理・化学的に解明する。
特に，ナノカーボン触媒や高分子合成触媒の研究を推進する。

２．触媒学理に基づき，環境エネルギー材料開発を行う。
具体的には，燃料電池電極触媒，二酸化炭素の有用化合物への変換触媒，光変換デバイス創成，藻類産生油の変換触媒の研究を行う。

燃料電池を使う水素社会への準備が進んでいる
エネファームトヨタが2014
トヨタが2014年度に燃料電池自動車発売
2014年度に燃料電池自動車発売
燃料電池には白金触媒が必須
Load

H2

ion-exchange
membrane

課題: 高価な白金を多量に使用
課題
千円/g万円)(4千円
千円 x 50g =20万円万円

O2 (air)
CathodeAnodeH+n H2O

H2O

水素ステーションを各地に建設中

我々の研究成果: （国家プロジェクト）
我々の研究成果
1) 白金触媒使用量を低減させた
2) 非白金触媒を開発中

PIの最近の主な活動
最近の研究成果
１．グラフェンの触媒機能研究で世界的トップレベルの研究
Nano Letters(2009)は引用回数470回以上であり、この分野でトップ
２．カーボンの物性研究でNature Communications(2012)に発表
３．カーボンナノチューブの触媒応用で世界トップレベル
Chem.Commun.(2004)が引用回数170回、Catalyst Todayが140回
４．大型プロジェクト JST戦略的創造的研究 平成24-29年 ACT-C 総額２億７千万円

継続中の共同研究
１．Science誌などに発表する世界的に著名な研究者Prof. Schlöglとの共同研究 2013～
２．ドイツデュースブルクエッセン大学との共同研究 2013～３．中国南開大学との共同研究（メタノール合成触媒）2000～
４．東京大学物性研吉信教授，大阪大学森川教授とのACT-Cプロジェクト共同研究2012～
５．産総研周氏（空気電池の第一人者）との共同研究 2012～
６．NIMS森氏（燃料電池）との共同研究 2013～
７．産総研藤谷氏（触媒化学，表面科学）1994～

つくば連携，国際交流，産学連携，役職
１．TIAナノグリーン推進会議メンバー2011~
２．筑波大学プレ戦略イニシアティブ代表 2011~2013
３．デュースブルクエッセン大学とのワークショップ，交換学生および国際共同研究2011~
４．企業向けの研究相談窓口設置2012~
５．TIMSセンター長2013~６．つくばイノベーションフォーラム開催2013~20

部門の特色： 学理主導の触媒材料設計
メカニズムを解明し、表面素過程の詳細を調べ、それらを再構築して活性触媒を予測する
触媒活性は素過程の速度バランスで決まる

表面素過程：吸着、解離、表面拡散、会合反応、脱離
CO2１．表面では多くの素過程が同時に進行

触媒表面は極めて複雑 ２．触媒成分元素も複数、表面構造の変化

HCOO

CH3O

CH3OH

H2
Cu atom

３．反応条件によって速度論が変化

Zn atom

触媒は表面積をかせぐために触媒担体上に微粒子化して使用する
実用触媒

実用触媒そのものを研究しても素過程レベルでメカニズム解明は不可能
したがって単結晶表面などのモデル触媒を使った表面科学実験が必要
放射光施設を用いた表面科学実験は高度になっている

表面の構造は吸着種の存在によって変化する

不均一系触媒の学理の実験面では表面科学実験が不可欠
さらに計算科学では、 素過程の速度論的・電子的情報を集積し、大規模シミュレーションによって触媒設計コンピュータ「京」の導入によって触媒開発シミュレーションは新たな時代へ突入
表面科学を熟知する計算物理研究者の協力が必須、我々のプロジェクトが先駆けとなる

触媒学理の研究例：グラファイトの点欠陥付近の局所的な電子状態を触媒学理の研究例：グラファイトの点欠陥付近の局所的な電子状態を走査トンネル分光法によって原子レベルで解明した
Localized electronic state near Ef propagating from a point defectoccupied
1.0

1.0
0.8
0.6
0.4
0.20.01.00.80.60.40.20.0dI/dV [a.u.]

Density of states

dI/dV [a.u.]

0.80.60.4
0.20.0dI/dV [a.u.]

dI/dV [a.u.]

Ef

0.60.4

unoccupiedAA-250 -1250125 250

0125 250

B-250 -125CD-250 -1250125 250

BCharacteristics

DOS1.0 nm

Large
MediumSmall

1.0 nm(1) Non-uniform propagation perpendicular to a small edge at thedefect , Edge state , Anisotropic propagation

D-250 -125

(b)
(b)
(b)

Point defectC

0.2
0.0

Non-bonding state formed by re-hybridization of π orbital,(pz orbital)

0125 250

Sample bias [meV](2) Appearing at unoccupied state

T. Kondo, J. Nakamura, et al., PRB 2009

新材料開発とグリーンケミストリーの両立した高分子合成触媒の開発
Cross-Coupling:

Direct arylation: Few Steps, High Yield, Little Wase, No Toxic Byproducts-4

有機太陽電池π共役高分子半導体

ポリマーの純度や分子量がデバイス性能に決定的な影響を及ぼすことを実証

J. Kuwabara et al., Adv. Funct. Mater., 24, 3226 (2014).

環境・省エネルギー関連有機光電子デバイス実用化の根幹を担う素材合成技術
素材の製造プロセスの抜本的改革 （原子効率、工程数）
素材の高純度化（精製工程、性能向上）

電流密度 (mAcm-2)

 簡便で環境調和性の高い高分子合成技術
 簡単な精製で高純度化

-2

従来法

00.5 %

2464%

810

新規合成法
00.2

0.4

0.6

電圧 (V)

0.81

触媒開発が重要高分子マイクロ球体による機能発現 （主に発光・レーザー材料）①共役系ポリマーからのマイクロ球体の自己形成

J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 870-876.

③電流駆動によるWGM電界発光と高出力化②特異な発光特性（WGM発光）

Sci. Rep. 2014, 4, 5902.

④ナノカーボンとの複合化

pn藻類産生油を用いた化学品の製造する触媒
H2, 水素貯蔵体

燃料電池

化成品素材
機能材料

化学品

中村

神原

良質燃料
数理物質系

産総研

油の高付加価値化
ナノ粒子
分子触媒

ナノカーボン

触媒開発
物質変換の鍵

藻類で油をつくる

生命環境系との共同研究
ナノサイエンスとバイオサイエンスの異分野連携

研究拠点形成国際共同研究，つくば連携，産学独連携

生命環境系（藻類産生油転換研究）
北アフリカセンター（連携研究）

TIAナノグリーン研究拠点

数理物質融合研究センター
環境エネルギー材料研究拠点
物質変換材料研究部門
PI 中村潤児

エネルギー変換・貯蔵物質研究部門

民国内研究機関
東大物性研
吉信教授
大阪大学
森川教授

JST
プロジェ
クト

神原貴樹
山本洋平海外間企業

活動内容
産学連携 ① 研究相談制度の創設 ② TIAナノグリーンとの連携③ つくばイノベーションフォーラムの開催（情報発信，ネットワーク構築）
国際交流の推進 日独台湾 ワークショップの定期的開催
海外ネットワーク構築と共同研究の促進

デュースブ
ルクエッセ
ン大学，南開大学，
マックスプ
ランク研究所，台湾清華大学，
ニューメキ
シコ大学，
モロッコ研
究所