資源戦略学講座

Resources Strategies

環境複合材料創成科学分野 Nanocomposite Science and Interfacial Materials Design

Development of High-Functional Non-Metal Light Element Materials
for a Next-Generation Sustainable Life Style

准教授 佐藤 義倫
Associate Professor

Lab members (2022).

Yoshinori Sato

究の 1 つである。本研究室では、表面・界面設計に基づいて、ナノ物質の特性をバルクまで持ち合わせた集合体・複合材料・有機 / 無機ハイブリット材料の設計・合成・評価を行い、「持続可能な開発目標（ Sustainable Development Goals: SDGs ）」にも関わる次世代のクリー
ンエネルギー分野に必要不可欠な軽量かつ高機能なエネルギー材料（特に非金属軽元素材料）の創成に挑戦している。研究を遂行するにあたり、軽元素のホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、硫黄、リンを用いた高機能な表界面を持つ非金属軽元素材料の開発を行っている（Fig.1）。
Our laboratory is in the research area of advanced nanomaterials for clean energy (alternative energy and hydrogen energy). To fabricate, assemble,and composite organic/inorganic materials with high-performance functions created from combinations of each material’s properties is one of the mostfascinating and necessary areas of research. In this laboratory, we design, synthesize, and characterize the assembly, composites, and organic/inorganicmaterials based on surface/interface design to apply nanomaterials’ properties to bulky materials (Fig. 1). In particular, we have challenged ourselvesto create and develop highly functional nonmetal light element materials (carbon-based materials including boron, nitrogen, oxygen, fluorine, sulfur,and phosphorus) with high-performance surfaces and interfaces. Such materials are necessary for the field of next-generation clean energy, which inturn is needed to meet sustainable development goals (SDGs).

New crews. Tomoki Ikeda (left) andKosei Morita (right).

ギーの利用で期 待されている固 体 高分 子 形 燃料電 池（polymer
electrolyte fuel cell: PEFC） は、 様々な 課 題のため広い普及には 至ってい な い。 そ の 課 題 の 1 つ が 酸 素 還 元 反 応（oxygenreduction reaction: ORR）触媒として使用されている白金触媒である。白金は埋蔵量が少なく、寿命が短い。そこで、白金を使用しない炭素ナノ材料触媒が埋蔵量や耐久性の点で注目されている。特に欠陥導入炭素ナノ材料は高い触媒活性を示すが、そのメカニズムは解明されていない。本研究では、欠陥導入炭素ナノ材料のORR 触媒活性メカニズムの解明のために、フッ素化―脱フッ素化を経由することにより、様々な空孔欠陥を選択的に炭素ナノ材料へ導入することを行っている。

2 次元窒化チタン化合物の合成

航空機の機体は熱 硬化性樹脂を用いた炭素繊維強化熱 硬化性プラスチック（carbon fiber reinforced thermosetting resin:CFRTS）が使われている。しかし、熱 硬化性樹脂では硬化が 不可逆 反 応であるため、CFRTS はリサイクル 性に劣る。今後、熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（carbonfiber reinforced thermoplastics: CFRTP）の開発が必要である。CFRTP の開発の課題は、炭素繊維と熱可塑性樹脂との界面結合力の向上である。本研究では、熱可塑性樹脂と炭素繊維との界面結合力における炭素繊維表面の表面改質について調べている。

酸素還元反応のための欠陥導入炭素ナノ材料触媒の開発
新しいエネルギーシステムとして、様々な方法で生成でき貯蔵・輸送が可能な水素エネルギーが考えられている。その水素エネル

Surface modification of carbon fiber
surface to improve the interfacial bondstrength between thermoplastic resin andcarbon fiber
Carbon fiber reinforced thermosetting resin is used in airframes, but it
has poor recyclability because curing is an irreversible reaction inthermosetting resins. In the future, carbon fiber reinforced thermoplastics(CFRTP) with thermoplastic resin should be developed. The challenges inthe development of CFRTP are to improve the interfacial bonding strength
between carbon fiber and thermoplastic resin. In this study, we investigate
the surface modification of carbon fiber surface to improve the interfacialbond strength between thermoplastic resin and carbon fiber.

PEFC で は、負 極 で の 水 素 酸 化 反 応（ hydrogen oxidationreaction: HOR）、正極での ORR によって発電される。電解質には酸性やアルカリ性の水溶液が使用されるため、耐酸性、耐アルカリ性の電極触媒が要求される。2次元材料 MXenes は、遷移金属（Ti、V、Nb、Mo）と非金属軽元素（C、N）から構成される層状化合物であり、耐酸性に優れている。本研究では、高性能な HOR触媒やORR 触媒を目指し、高導電性を持つ 2次元窒化チタンの合成を行っている。

Spicy curry party.

stored, and transported. Although hydrogen-energy-harnessing polymer
electrolyte fuel cells (PEFCs) have been expected, they have not yet been
widely used. Platinum, which is used as an oxygen reduction reaction(ORR) catalyst, is an expensive and non-abundant resource, and it haspoor durability for ORR activity. Therefore, metal-free carbon
nanomaterials have been developed as alternative platinum catalysts. In
particular, defect-induced carbon nanomaterials have been reported toexhibit especially high ORR catalytic activity. However, the ORR
mechanism has not been clarified. In this study, we try to introduce
selectively defects into carbon nanomaterials via a fluorination–
defluorination process to clarify the mechanism of ORR catalytic
activity for defect-induced carbon nanomaterials..

Synthesis of Two-Dimensional
Titanium Nitride
PEFCs are operated by the hydrogen oxidation reaction (HOR) at an
anode and the ORR at a cathode. Acid- and alkaline-resistantelectrocatalysts are required because acidic and alkaline aqueous
solutions are used as electrolytes. Two-dimensional materials, MXenes,
which have excellent acid and alkaline resistance, are layered compounds
composed of transition metals (Ti, V, Nb, and Mo) and non-metal lightelements (C and N). In this study, we synthesize two-dimensional
titanium nitride with high conductivity to achieve high-performance
HOR and ORR catalysts.

Awards / Academic conference

受賞 / 学術会議

・Hiromu Morita, Energy and Environment Scholarship Award・Hiromu Morita, The 45th Fluorine Conference of Japan, Kyoto (Poster)・森田 寛、第 45 回フッ素化学討論会、京都市（ポスター発表）

Grants・森田 寛、エネルギー環境奨学賞（4 年生）

Development of defect-induced carbon
nanomaterial catalysts for oxygen
reduction reaction

研究費

Hydrogen energy is a candidate for a new alternative energy systembecause hydrogen molecules can be generated from various resources,

・ステラケミファ株式会社（研究部）

Department of Environmental Studies for Advanced Society

ナノ物質の機能を最大限に活かした高次機能性を持つ集合体・複合材料・有機 / 無機ハイブリット材料を創成することは、最も魅力的な研熱可塑性樹脂と炭素繊維の界面接着強度に関する炭
素繊維表面の表面改質

先進社会環境学専攻

次世代への持続可能なライフスタイルのための機能性非金属軽元素材料の開発

・共同研究費 ( ステラケミファ株式会社 / 代表 )共同研究・Collaboration grant (STELLA CHEMIFA Corporation/PI)

Collaborations

・STELLA CHEMIFA Corporation (Research Division)Fig.4 Energy and Environment
Scholarship Award (Hiromu Morita).

Fig.6 Graduation photo (March 2021). From left, Yota Sakamoto (M2),
Hiromu Morita (B4), and Ryutaro Nakata (B4).

Fig.1 Our research topics.

6Coexistence Activity Report 2022

Fig.2 ORR catalytic activity of the defect-induced SWCNTs
in alkaline aqueous solution.

Fig.3 Illustration of defect-induced
SWCNTs (Front cover in Journal of
Colloid and Interface Science).

Fig.5 Snapshot at the 45th Fluorine
Conference of Japan (Hiromu Morita).
Coexistence Activity Report 2022

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