西原研究室　Nishihara Lab

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Research

Outline of Nishihara's group

カーボン系材料を中心とした非晶質材料の新展開

当研究室では、従来は構造制御も構造描写も困難であった非晶質を主体とするカーボン系材料に関し、有機合成や化学気相蒸着の手法を用いて原子・分子レベルからのボトムアップ的な材料合成を行い、有機結晶のように構造を規定できる金属カーボン構造体、グラフェンからなる3 次元構造体をはじめ、種々の新しいカーボン系構造体および複合材料の調製を進めています。また、先進のカーボン材料分析技術を利用し、カーボン系材料の反応性、耐食性、触媒能等、様々な化学的特性を分子論的に理解し、その精密制御を行っています。さらに、調製した新規材料をスーパーキャパシタ、二次電池、燃料電池、ヒートポンプ、新規エネルギーデバイス、機能性吸着材、触媒、ヘルスケアなど幅広い分野へ応用する検討を、国内外の多数の研究機関および企業と連携しつつ進めています。

Development of advanced functional carbon materials

It is difficult to precisely control the structure of carbon-based materials with non-crystalline frameworks. Moreover, precise structure drawing of such non-crystalline materials is also a difficult issue. We have developed the new techniques which allow the bottom-up synthesis of advanced carbon materials with controlled structures at atomic/molecular scale, specifically using organic synthesis or chemical-vapor deposition. Thus, a variety of functional carbon materials have been achieved such as metal-carbon frameworks with defined chemical structures like organic crystals, micro/mesoporous materials with singlegraphene walls, and carbon-based composite materials. Also, we focus on the elucidation of physicochemical properties of carbon materials including reactivity, durability, and catalysis from the view point of chemistry by using advanced analysis techniques. Moreover, we proceed in the application of our advanced carbon-based materials for supercapacitors, secondary batteries, fuel cells, heat pump, new energy devices, functional adsorbents, catalysis, and healthcare, with many collaborators including research organizations and companies.

　
　

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Research topics

単層グラフェンから成るナノ多孔体
Nanoporous materials with single-graphene walls

これまでに「グラフェン多孔体」や「3次元グラフェン」と称する数多くの材料が提案されていますが、その大部分は積層したグラフェンから成る、もしくは50 nm以上のマクロ孔が主体の材料です。これに対し当研究室では、単層グラフェンを主成分とし、50 nm以下のミクロ孔／メソ孔が発達したゼオライト鋳型炭素（ZTC, Fig. 1）やグラフェンメソスポンジ（GMS, Fig. 2）といった「単層グラフェンナノ多孔体」の研究に取り組んでいます。単層グラフェンナノ多孔体は、高い吸着容量、カーボンナノチューブに勝る耐酸化性、高導電率、機械的な柔軟性など、従来のナノ多孔性カーボンや他のグラ フェン系材料とは一線を画するユニークな特性をもつため、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池や次世代電池、燃料電池、ヒートポンプ、触媒担体など様々な分野への応用が期待されています。

There are many publications describing "graphene porous materials" and "three-dimensional (3D) graphene materials". However, most of them are materials with stacked graphene walls or materials with macropores rather than micro/mesopores. Our group is working on nanoporous materials with single-graphene walls, namely "single-walled nanoporous graphenes", such as zeolite-templated carbon (ZTC, Fig. 1) and graphene mesosponge (GMS, Fig. 2). These materials possess unique properties such as developed micro/mesopores, oxidation resistance, high conductivity, and mechanical flexibility, and can be distinguished from conventional nanoporous carbons and other graphene-based materials. Thus, they are expected to a variety of applications including supercapacitors, lithium-ion batteries, fuel cells, heat pump, and catalyst supports.

Fig. 1 Structure model of ZTC.
　
Fig. 2 Structure (left) and a TEM photo (right) of GMS.
　

弾性変形するナノ多孔体が引き起こす新しい物理化学現象
New physicochemical phenomena based on elastic nanoporous materials

単層グラフェンナノ多孔体は機械的に柔軟であり、スポンジのように可逆的に圧縮／復元を繰り返すことができます。50 nm以下の大きさのナノ細孔を大量にもちながら、スポンジのように柔軟に変形できる材料は非常に珍しく、本研究室ではこのような特徴をもつ材料を「ナノスポンジ」と名付け、応力により変形する「超空間」を利用した、新しい科学分野を切り拓いています。例えば、液体を含ませた柔軟ナノ多孔体を「絞る」ことで、液体を気体に相転移させることができ（Fig. 3）、潜熱による冷却・加熱の制御が可能となります（Fig. 4）。この原理を利用すれば、新しいタイプのヒートポンプを設計することができます。

Nanoporous materials with single-graphene walls are mechanically flexible, and they can be reversibly contracted and recovered like plastic sponges. Most of nanoporous materials are mechanically hard, and only a few types of nanoporous materials exhibit a large degree of deformation by mechanical force. We define such elastic nanoporous materials as 'nanosponges', and open the door of new physicochemistry based on the 'hyper nanospace' which can be deformed by mechanical force. For instance, it is possible to induce liquid-gas phase transition by squeezing nanosponges containing liquid (Fig. 3). Thus, the latent heat can be controlled by mechanical force, and this mechanism enables the design of a new type of heat pump.

Fig. 3 Liquid/gas phase transition using nanosponge.
　
Fig. 4 The cooling effect incused by sandwiched nanosponge.
　

有機化学的手法に基づく結晶性カーボン材料の創製と応用
Development of ordered carbonaceous frameworks synthesized based on organic chemistry

有機物を炭素化するとカーボン材料が得られますが、炭素化の過程の構造変化は非常に激しいため、原料の有機物の構造を分子レベルで維持することは困難です。近年、有機金属構造体（Metal-Organic Framework, MOF）などの結晶性物質を炭素化する研究が活発ですが、やはり元の結晶構造は崩壊し、得られるカーボン材料は非晶質になってしまいます。これに対し本研究室では、適切な分子設計により炭素化時の構造崩壊を抑制し、規則構造と分子レベルの化学構造を維持した規則性カーボン構造体（Ordered carbonaceous framework, OCF）の調製に成功しています（Fig. 5）。OCFはMOFのような結晶性多孔体とカーボン材料のハイブリッドであり、白金代替を含む新規の触媒材料としての応用を進めています。

Carbon materials are prepared by carbonization of organic precursors. During the carbonization process, the structure of a precursor is greatly changed, resulting in the formation of disordered and amorphous carbon structures. Recently, carbonization of crystalline materials like metal-organic frameworks (MOFs) has been intensively investigated, whereas only amorphous carbons have been synthesized. We have discovered a way to synthesize ordered carbonaceous frameworks (OCFs) which retain the structure regularity as well as molecular blocks of the precursor organic crystal (Fig. 5). OCFs are the hybrid of crystalline materials like MOFs and carbon materials, and we are developing new catalysts including alternatives for platinum catalysts.

Fig. 5 Synthesis scheme of OCFs.
　

カーボン系材料のヘルスケア分野への展開
Applications of carbon-based materials for healthcare field

当研究室では、カーボン系材料のヘルスケア分野への展開も進めています。その１つが、柔軟な微小開口ハニカム材料です。自動車のマフラー等に利用されているハニカムモノリスは押出成形により製造されていますが、その開口径は200μm程度が下限値であり、それ以下の微小化は困難でした。田門・向井・西原は2004年に氷晶を鋳型とした、開口径が5～200μmのハニカムモノリスの調製法を開発、さらに西原らは開口径を180 nmまで微小化することに成功しています。2016年、西原らはセルロースナノファイバーが微小開口ハニカム形成に極めて有効であることを発見、さらにグラフェンとの複合化によりスポンジのように柔軟に変形可能なハニカム材を調製しました。このユニークな微小開口ハニカム材のヘルスケア分野への応用を進めています。

We are developing healthcare applications using carbon-based materials. An example is flexible honeycomb monolith with micrometer channels. Honeycomb monoliths which are widely used for car mufflers are produced by extrusion molding, whereas the minimum channel size is restricted to about 200 micrometers. In 2004, Tamon, Mukai, and Nishihara developed a preparation method for honeycomb monoliths with channel sizes of 5 to 200 micrometers, via ice-templating approach. Moreover, Nishihara et al. succeeded in downsizing of channel size to 180 nm. In 2016, Nishihara et al. discovered a distinct structure-directing function of cellulose nanofibers for the microhoneycomb structures, and moreover, honeycomb monoliths with sponge-like flexibility were developed by compositing with graphene. We are developing a variety of healthcare applications using the honeycomb monoliths with micrometer straight channels and mechanical flexibility.

Fig. 6 Comparison of conventional honeycomb monolith and honeycomb monoliths with micrometer-scale channels.
　

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Press-release, web articles
2023
ナノ細孔内部の現象解明に最適なモデル多孔電極
Unveiling the Nanoscale Frontier: Innovating with Nanoporous Model Electrodes
2023
リチウム空気電池を長寿命化するカーボン新素材を発見 従来のカーボン正極の劣化をグラフェンメソスポンジで克服
2023
3DC×東北大学　カーボン新素材GMSで「世界を変える」共創研究ラボ』の設置
2023
株式会社3DCについて
2023
「ゼオライト鋳型炭素」図版について（理化学研究所ＨＰ）
2022
スポンジ状カーボン新素材GMSの事業化 に向け、民間ファンド獲得 東北大発ベンチャーの3DCと組み、高性能電池などでの早期社会実装目指す
2022
スポンジ状カーボン新素材GMSの事業化に向け、民間ファンド獲得
2022
東北大発の素材新興、リアルテックファンドから資金調達（日本経済新聞電子版）
2022
「3Dグラフェン」は電池を変えるか？ 東北大発3DCの挑戦（日経クロステック）
2021
新素材「グラフェンメソスポンジ」の安価な製造法を開発
2021
分子構造により細孔径を制御したカーボン
2021
電池性能をUPさせるカーボン新素材 「グラフェンメソスポンジ」のサンプル提供を開始
2019
ナノの孔をもつスポンジを利用した自然冷媒で動作する高効率ヒートポンプを提案～ナノ空間の変形に
よる気液相転移を利用～
Developing a New Type of Refrigeration via Force-Driven Liquid Gas Transition
2019
カーボンナノチューブに勝る高耐久のキャパシタ電極カーボンを開発
New materials for high-voltage supercapacitors
2017
カーボンの中に金属が規則配列した触媒 -貴金属に替わる安価な触媒開発を目指して
（academist Journal）
2017
カーボンの中に金属が規則配列した触媒－CO2削減や燃料電池の白金代替に期待－
A new synthesis route for alternative catalysts of noble metals
2017
廃棄物から高性能リチウムイオン電池負極材料を開発-スマホ等の電池の高性能化に期待-
Waste silicon sawdust recycled into anode for lithium-ion battery
2016
導電性・耐食性に優れた 大表面積スポンジ状グラフェンの開発に成功 ～ナノ細孔が柔軟に変形～

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