環境エネルギー材料研究拠点の活動

数理物質融合科学センターワークショップ
2017年1月23日

鍋島 達弥（環境エネルギー材料研究拠点長）

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物質創成（分野）

集積物性（分野）

ナノグリーン機能（分野）

ハイブリッド物質
ナノ構造物性
量子物性

分子・物質変換
強相関機能
機能性高分子

機能性カーボン
エネルギー変換
分子光機能

学際物質科学拠点形成国際基準の人材育成
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研究推進室
研究推進会議
客員教員（つくば地区の連携）
5
産総研、物材機構、KEK、企業

グローバルな研究者交流
国際連携共同研究*)DV 
CeNIDE.etc.

ケイ素化学（関口、一戸、中本）
グラフェン構造体創成と評価（藤田、加納、小林、村上）
グラフェンの量子物性（初貝、神田）
超分子化学（鍋島、北、山村、中村）
二次電池（守友、西堀、小林、笠井）
π共役系光機能性高分子（神原、木島、山本、辻村、桑原）
機能性カーボン（中村、後藤、近藤）
太陽電池メカニズム（秋本、丸本、櫻井）
光反応ダイナミクス（新井、西村、百武）

現在は「環境・エネルギー」テーマとして研究を推進環境エネルギー材料研究拠点（白川センター）
ミッション：持続可能な社会の構築に向け、高効率なエネルギー変換や物質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。

拠点長(コーディネータ)：鍋島達弥教授
新電池と新物質が作るエネルギー系統樹

エネルギーを生み出す
エネルギーを輸送する
エネルギーを貯める
別のエネルギーに変える

Naイオン電池

Liイオン電池
ラジカル電池代替元素戦略
代替同素体戦略

燃料電池
色素増感
太陽電池

空気電池

イオン電池

【二次電池】
エネルギー貯蔵

再生可能エネルギーの有効利用

無機PV

C触媒

光触媒

【触媒】
物質変換

【太陽電池】
エネルギー変換

有機PV

物質変換材料研究部門

エネルギー変換・貯蔵部門部門長(PI)：中村潤児教授

部門長(PI)：守友浩教授

1.ナノカーボンの反応性を物理・化学的に解明
2.ナノカーボンに金属クラスターなどを担持し電子状態をチューンしたコンポジットの作製
3.燃料電池や二酸化炭素の化学的変換のための新規触媒創成
4.実際の燃料電池に電極触媒を組み込んだ実用触媒の開発

ナノカーボンの化学機能の解明と触媒材料への応用

物性物理学の視点からエネルギー物質を深く掘り下げ、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逆問題研究推進室との協力によるデータ解析手法開発
独自の基礎研究を基盤とした革新的環境エネルギー材料の創出<= オールジャパン「環境エネルギー材料コンソーシアム」の構築と牽引TIMS将来構想のコアと位置付け、重点研究センター設立時にTIMSと一体化。

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p:C¬xA#{Li!x<.Y=X¥©HoN?+h7ª#J=X«{6?_95エネルギー変換・貯蔵物質部門
部門長：守友 浩
構成員：西堀英治
岡田 晋
笠井秀隆
小林 航
丹羽秀治

連携教員
丸本一弘（物質工学域）
櫻井岳暁（物理工学域）
柳原英人（物理工学域）
末益 崇（物理工学域）
小島隆彦（化学域）
関口 章（化学域）
部門の使命【エネルギーサイエンスの推進】
エネルギー現象を電子論的・微視的に解明【エネルギーイノベーションの実現】 サイエンスに基づき革新的エネルギー技術を創出【国際エネルギー研究拠点の構築】 エネルギー科学の国際拠点を構築

Mission: Exploration of the energy materials science(EMS) for the sake of innovative device
Division of Materials for Energy Storage and Conversion

Dr. V. Pralong

Sodium-ion secondary battery
Thermo-electronics

Measurement

Prof. B. Iversen

TLS/TPS

Dr. D.-J. Huang
Dr. J. Okamoto

MaterialCatalyst

Prof. Y. Shigeta

Organic solar cell

Calculation

Prof. A. Sekiguchi
Prof. T. Suemasu
Prof. H. Yanagihara
Prof. T. Kojima
Prof. K. MarumotoProf. E. Nishibori Prof. Y. Moritomo Prof. S. Okada Prof. T. Sakurai
A.P. W. Kobayashi
A.P. H. Kasai
A.P. H. Niwa

Dr. Y. Ohishi

Prof. T. Kamiyama Prof. K. Amemiya

Dr. L. Han
Dr. A. Islam
Dr. T. Yasuda
Dr. M. Takeguchi
Dr. O. Sakata
Dr. N. Umezawa

Dr. M. Otani

Center for Integrated Research in Science and Engineering (CiRfSE), University of Tsukuba
Research Core for Developing Energy and Environment-friendly Materials

Venkatesha R. Hathwar
助教 2016.5 -Hidetaka Kasai
国際TT 2015.4 -

電池型熱セルによる排熱利用（かけはし課題）
筑波大での研究会(H28.11.21)

KEKでの研究会(H29.1.30)

M. Takachi and Y. Moritomo,“In situ observation ofmacroscopic phase separationin cobalt hexacyanoferratefilm”
Sci. Reps., in press.

Ø Electron energy-loss magnetic chiraldichroism (Zhong提案の新手法）
Ø 守友Gは最適の測定資料を提案・提供

Ø ドメインの色の異なるコバルトプルシャ
ンブルー類似体薄膜に着目し、充電時におけるドメインダイナミクスの可視化に成功しました。
Ø 二次電池の充電にともない、巨大ドメイン（10,000ナノメートル）の成長を確認しました。
Ø ドメイン境界が、リチウムイオン脱離が起こる活性点であることを突き止めました物質変換材料部門の研究内容
1. CO2 のメタノールへの転換
CO2活性化機構解明、グラフェン触媒の応用、計算科学(阪大）と放射光実験（物性研）の共同研究
2. 燃料電池用カーボン触媒の開発
炭素/白金界面相互作用の解明、カーボンアロイ触媒の機能と設計
3. 触媒機能の学理構築
グラファイト系炭素の酸塩基性の起源、担体効果の解明、物性物理と反応性の橋渡し
4. 藻類産生油の触媒的転換
C30-C40化学の構築、クラッキング、異性化、重合、ハイブリッド化5. 光デバイスのための材料合成
ポリマーやグラフェンを用いた発光・レーザー、太陽電池材料
6. 新分光法と新物質
ヘテロダイン分光法のSTSへの応用、新二次元物質の創出

（１）燃料電池の白金代替となる炭素触媒の活性点を特定した

論文 D. Guo, R. Shibuya, C. Akiba,

S. Saji, T. Kondo, J. Nakamura,
Science 351 (2016) 361.

ＴＩＡかけはしプロジェクト（総勢２１名）代表
中村潤児

筑波大学数理物質系

白金フリー燃料電池カーボン触媒イノベーション
燃料電池自動車の本格普及のための白金フリー触媒開発には、多角的連携研究が必要不可欠。
本研究では、白金フリーカーボン触媒開発を軸として、つくば地区の特色・強みを生かして基礎研究および工学研究をフルに連携し、材料研究から実用化までを繋ぐ戦略を立てる。
AIST
炭素材料の化学設計、第一原理計算による触媒設計、カーボン触媒の特性評価、産業界の動向調査
児玉、羽鳥、曽根田、加登、大谷、藤谷
筑波大
触媒分子のボトムアップ化、触媒活性分子の有機合成 神原、岡田、鍋島、近藤、中村

目標：白金フリー触媒技術確立

NIMS
電極触媒の性能評価、触媒の高耐久化、産業界の動向調査
森、有賀、Hill
東大
放射光実験による電極触媒の解析 原田、松田、山本
KEK、SLAC
放射光実験による電極触媒の解析 間瀬、阿部、近藤、小笠原

提案先； JST, NEDO, 自動車会社

高活性・高耐久性の窒素ドープカーボン触媒の候補材料・構造の選定、実用化戦略の立案後、本格研究拠点構築へ

オールジャパン「白金フリー触媒研究拠点」の構築

Science（2016年）で発表した研究を発展させるプロジェクト（ピリジン型窒素に着目）
CiRfSE研究者として、神原、近藤、岡田、鍋島が参加

白色レーザーを用いた多重分光顕微鏡で、標識なしの線毛根構造が、種を超えて可視化できることを証明した。
加納英明
Akiyama et al., Sci. Rep. 7,39967 (2017)

白色レーザー

網膜視細胞
（ほ乳類）

培養細胞
（ほ乳類）

本学プレスリリース
http://www.tsukuba.ac.jp/
attention-research/p201701061900.html

繊毛虫（単細胞生物）

緑色が線毛根北将樹

2016年度成果

辻村清也

ウェアラブル印刷型発電デバイス開発
16セルアレイ(1mW級)

ディスク型電池

折り紙電池

投稿中

燃料仕込みバイオ電池

投稿中

投稿中
特許出願

革新的エネルギー貯蔵・変換・節約システムの構築に向けた

TIMSの新体制（白川センター）
卓越大学院による人材育成

生体熱発電シート

低価格燃料電池

車載用インバータ

排熱利用

省エネ

革新的エネルギー貯蔵・変換・節約システム構築

評価

実装
基
礎部
門

エネルギー・コンソーシアム
産業ニーズの受信窓口
産業界への発信母体

試作
マテリアル探索開発部
門

学理

基礎と応用の融合による課題解決と新原理・新物質の迅速な応用／展開=> イノベーションの牽引

産業界

つくば連携
かけはし
熱発電素子

貯蔵
熱発電
熱電池

かけはし
白金フリー触媒

節約変換
非白金触媒

パワエレ

新分子•新物質•新材料創製

学内連携

国内連携

白川センター
基礎研究レベルでの分野融合

異なるエネルギーデバイス技術の融合：基礎学理を通じて初めて可能

国際連携