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2021.12 Cabon Webinarで山田が発表します。→Detecting and controlling defects in carbon materials, Carbon webinar
2021.10 Dr. Kimの論文が、 J. Phys. Chem. Lett.の表紙に選ばれました。
2021.9 加藤君の論文が、Cahn Prize 2021のfinalist に選ばれました。 J. Mater. Sci. 56 (2021) 15798-15811
2021.5 金澤君の論文が、 J. Mater. Sci. 56, issue 21 (2021) の表紙に選ばれました。
2020.12 酸化グラフェンシンポジウム で加藤君が優秀賞を受賞しました。
2020. 5 Carbon誌(A. Bianco et al. Carbon 2020 (161) 373-391)のCarbon science perspective in 2020: Current research and future challengesで研究室の取組が複数紹介されました。

研究方針
炭(炭素材料)の構造を解明し、構造を制御することにより、炭素材料の新たな可能性を探求します。

目的
  • 炭素材料の構造制御
      炭素材料は、一般的に構造が複雑です。構造が明らかな原料を使用して、構造制御された炭素材料を調製しています。
  • 炭素材料の構造解析
      炭素材料の構造は、一般的に複雑で解析が難しく、正確に構造を把握できていません。コンピューターを利用して分析結果を解析し、構造の特定を目指しています。
  • 炭素材料の応用研究
      構造制御された炭素材料は、触媒等の種々の応用において高特性を示す可能性があります。


      図 代表的な3種類のナノカーボン材料の構造 (フラーレン、カーボナノチューブ、グラフェン)

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    研究の詳細
    (1)構造制御された炭素材料の調製
    構造が明確で、炭素化後に原料の構造が残り易い種々の多環芳香族化合物を脱水素させ、構造制御された炭素材料を調製しています[1-1~1-14]。

    (1-1)含エッジ炭素材料(ジグザグ・アームチェアエッジ)
    [1-1] Y. Yamada*, S. Gohda, K. Abe, T. Togo, N. Shimano, T. Sasaki, H. Tanaka, H. Ono, T. Ohba, S. Kubo, T. Ohkubo, S. Sato,"Carbon materials with controlled edge structures", Carbon 122 (2017) 694-701.
    [1-2] Y. Yamada*, M. Kawai, H. Yorimitsu, S. Otsuka, M. Takanashi, S. Sato, "Carbon materials with zigzag and armchair edges", ACS Appl. Mater. Interfaces 10 (2018) 40710-40739.
    [1-3] 特開2018-203555、炭素材料の製造方法、山田泰弘、佐藤智司、大場友則、島野紀道、藤郷貴章、梅田大地、阿部功幹、郷田隼、小野博信(出願日 平成29年5月31日)

    (1-2)含窒素炭素材料(ピリジニック窒素・ベーサルアミン・バリーアミン)
    [1-4] Y. Yamada*, S. Matsuo, K. Abe, S. Kubo, S. Sato,"Selective doping of nitrogen into carbon materials without catalysts", J. Mater. Sci. 51(19) (2016) 8900-8915.
    [1-5] 特願2020-067151、ベーサル窒素を選択的に導入した含窒素炭素材料およびその製造方法、山田泰弘、佐藤颯斗、郷田隼(出願日 令和2年4月3日)
    [1-6] 特願2020-067152、ピリジニック窒素を選択的に導入した含窒素炭素材料の製造方法、山田泰弘、川合崚平、郷田隼(出願日 令和2年4月3日)
    [1-7] 特願2020-195781、ピリジニック窒素を選択的に導入した含窒素炭素材料の製造方法、山田泰弘、川合崚平、田口大成、大坪尚人、郷田隼(出願日 令和2年11月26日)

    (1-3)含酸素炭素材料 (エーテル)
    [1-8] S. Gohda*, Y. Yamada*, M. Murata, M. Saito, S. Kanazawa, H. Ono, S. Sato, "Bottom-up synthesis of highly soluble carbon materials", J. Mater. Sci. 55 (2020) 11808-11828.
    [1-9] S. Gohda*, M. Saito, Y. Yamada*, S. Kanazawa, H. Ono, S. Sato, "Carbonization of phloroglucinol promoted by heteropoly acids", J. Mater. Sci. 56 (2021) 2944-2960.
    [1-10] 特願2018-172447、可溶性有機無機複合体、山田泰弘、村田昌駿、齋藤誠仁、佐藤智司、郷田隼、小野博信(出願日 平成30年9月14日)
    [1-11] 特願2018-172449、炭素材料含有材料の製造方法、山田泰弘、村田昌駿、齋藤誠仁、佐藤智司、郷田隼、小野博信(出願日 平成30年9月14日)
    [1-12] 特願2020-067150、フラン環を選択的に導入した含酸素炭素材料の製造方法、山田泰弘、長岡洋斗、郷田隼(出願日 令和2年4月3日)

    (1-4)含5員環炭素材料
    [1-13] N. Diana, Y. Yamada*, S. Gohda, H. Ono, S. Kubo, S. Sato, "Carbon materials with high pentagon density", J. Mater. Sci. 56 (2021) 2912-2943.
    [1-14] 特開2020-83692、炭素材料膜及びその製造方法、山田泰弘、ノルアマリナ ディアナ ビンティ ナサルッディン、郷田隼、小野博信(出願日 平成30年11月22日)


    (2)ナノカーボン材料の構造解析
    (2-1)分光分析・顕微鏡による解析:
    ナノカーボン材料には官能基に加え、空孔や、5、7員環(Stone-Thrower-Walesなど)、ジグザグエッジ、アームチェアエッジなどの欠陥が存在します(図2-1)。これらの欠陥構造を光電子、赤外、透過型電子顕微鏡(図2-2)、Raman分光分析(図2-3)などで解析しています。

    図2-1 グラフェンの欠陥の種類                      図2-2 グラフェンのTEM像       図2-3 グラフェンのラマンスペクトル

    (2-2)量子化学計算と実測を用いた欠陥構造解析(XPS・IR・Raman・NMR・UV・TEM):
    炭素材料のベーサル面、エッジ面には様々な種類の官能基や点欠陥などの欠陥が存在します。炭素材料の特性を最大限に引き出すためにはこの官能基の完全解明が求められます。この解明のため含酸素官能基(図2-2-1)[2-1,2-2,2-5]、含窒素官能基[2-3,2-5]、5員環[2-4]、その他の欠陥のXPS(図2-2-2)やIR、Raman、NMR、UVスペクトル、TEM像のシミュレーション[2-6]を行っています。
    Gaussianという計算ソフトを利用して100種類以上の異なる炭素材料の構造を組み立てて、実際に装置で得られる分析結果を計算によりシミュレーションすることに成功しました。これほど多くの炭素材料の構造をシミュレーションした例はなく、今後の炭素材料に関する多くの研究において重要な結果が得られました。

    図2-2-1 OHが導入されたグラフェン[2-1]      図2-2-2 左図のC1s XPSスペクトルのシミュレーション結果[2-1]

    [2-1] Y. Yamada, et al., "Analysis of heat-treated graphite oxide by X-ray photoelectron spectroscopy", J Mater Sci 48 (2013) 8171-8198.
    [2-2] J. Kim, Y. Yamada, et al., "Pyrolysis of epoxidized fullerenes analyzed by spectroscopies", J. Phys. Chem. C 118 (2014) 7076-7084.
    [2-3] Y. Yamada, et al.,"Nitrogen-containing graphene analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy", Carbon 70 (2014) 59-74.
    [2-4] J. Kim, Y. Yamada*, M. Kawai, T. Tanabe, S. Sato, "Spectral change of simulated X-ray photoelectron spectroscopy from graphene to fullerene", J. Mater. Sci. 50 (2015) 6739-6747.
    [2-5] Y. Yamada*, S. Sato, "Structural analysis of carbon materials by X-ray photoelectron spectroscopy using computational chemistry (Review by awardee)", Tanso 269 (2015) 1-9.
    [2-6] Y. Yamada*, K. Murota, R. Fujita, J. Kim, A. Watanabe, M. Nakamura, S. Sato, K. Hata, E. Peter, J. Ciston, C. Song, K. Kim, W. Regan, W. Gannett, A. Zettl, "Subnanometer vacancy defects introduced on graphene by oxygen gas", J. Am. Chem. Soc. 136(6) (2014) 2232-2235.

    (3)ナノカーボン材料の欠陥除去
    炭素材料の欠陥は、機械的、電気的、熱的特性に大きな影響を与えます。これらの欠陥を除去することにより理論に近いナノカーボン材料を調製することを目指しています。



    (4)ナノカーボン材料の欠陥量とサイズの制御
    炭素材料にはベーサルとエッジがあり、特にベーサルへの空孔欠陥の導入を行い(図4-1)、この構造を解析しています[4-1]。

    図4-1 空孔欠陥導入過程


              図4-2 Sub-nanometer vacancy defects introduced on graphene by oxygen gas

    [4-1] Y. Yamada, K. Murota, et al., "Subnanometer vacancy defects introduced on graphene by oxygen gas", J Am Chem Soc 136(6)(2014)2232-2235.


    (5) グラフェン錯体の合成と配位金属の凝集機構の解明
    ナノカーボン材料の欠陥部分を利用した金属イオンの配位(図5-1、5-2)と、この配位金属イオンの凝集機構についての研究を行っています [5-1, 5-2]。
                

    図5-1 グラフェン錯体のイメージ図          図5-2 金属イオンのグラフェンへの配位[5-1]

    [5-1] Y. Yamada, M. Miyauchi, et al., "Exfoliated graphene ligands stabilizing copper cations", Carbon 49 (2011) 3375-3378.
    [5-2] Y. Yamada,Y. Suzuki,H. Yasuda,et al.,"Functionalized graphene sheets coordinating metal cations", Carbon 75 (2014) 81-94.


    (6)官能基の移動現象・ガス化機構の解明

    加熱による炭素材料表面(ベーサル面とエッジ面)の官能基の移動現象と、ガス化について研究しています[6-1,6-2]。

                      Fig. Pyrolysis of epoxidized fullerenes (Calculated by Gaussian03)


    [6-1] J. Kim, Y. Yamada*, et al., "Oxygen migration and selective CO and CO2 formation from epoxidized fullerenes", J Phys Chem C 118(13)(2014)7085-7093.
    [6-2] J. Kim, Y. Yamada*, et al., "Pyrolysis of epoxidized fullerenes analyzed by spectroscopies", J Phys Chem C 118(13)(2014)7076-7084.


    (7)グラフェンエッジの臭素化
    グラフェンのエッジは様々な欠陥構造をとり得ます。この様々な構造を有するエッジと臭素との反応性について研究を行っています[7]。臭素化により、C-Cカップリング反応を用いたエッジの官能基の修飾などが行えるようになります。

    [7] J. Kim, Y. Yamada*, R. Fujita, S. Sato, "Bromination of graphene with pentagonal, hexagonal zigzag and armchair, and heptagonal edges", J Mater Sci 50 (2015) 5183-5190.



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    これまでに御協力いただいた団体
    2009 国立大学法人 千葉大学
    2010 一般財団法人 丸文財団、
            日本学術振興会(科研費)、
            国立大学法人 千葉大学
    2011 石川カーボン科学技術振興財団、
            一般財団法人 丸文財団、
            財団法人 総合工学振興会、
            日本学術振興会(科研費)
    2012 石川カーボン科学技術振興財団 、
            一般財団法人 丸文財団、
            一般財団法人 化学物質評価研究機構、
            公益財団法人 村田学術振興財団、
            公益財団法人 矢崎科学技術振興記念財団
    2013 公益財団法人 徳山科学技術振興財団、
            公益財団法人 村田学術振興財団、
            国立大学法人 千葉大学
    2014 一般財団法人 丸文財団、
            日本学術振興会(科研費)、
            公益財団法人 マツダ財団、
            公益財団法人 泉科学技術振興財団、
            企業1社
    2015 日本学術振興会(科研費)、
            一般財団法人 一樹工業技術奨励会、
            一般財団法人 イオン工学振興財団、
            公益財団法人 小笠原科学技術振興財団、
            国立大学法人 千葉大学、
            企業2社
    2016 国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構/NEDO
            公益財団法人 村田学術振興財団、
            国立大学法人 千葉大学(2件)、
            企業3社
    2017 国立大学法人 千葉大学(人工知能等関連研究支援)、
            企業4社
    2018 日本学術振興会(科研費)
            公益財団法人 近藤記念財団、
            企業3社
    2019 日本学術振興会(科研費)
            公益財団法人 近藤記念財団、
            企業3社
    2020 日本学術振興会(科研費)
            企業3社
    2021 日本学術振興会(科研費)
            企業4社

  • ----- Updated in July 2020 -----