大型放射光施設 SPring-8

公開日

2017年03月03日

2017年3月3日
岡山大学

＜本研究のポイント＞
• 酸化グラフェン（図1）の形成メカニズムが十分解明されておらず、研究者が“独自のレシピ”で合成するため、再現性が非常に低かった。そのため、大量生産が困難で、工業的な用途開発が遅れていた。
• 大型放射光施設（SPring-8など）^【3】を利用することで、黒鉛を酸化して酸化グラフェンを形成する過程を追跡し、反応中の状態をリアルタイムで観察することに成功。酸化グラフェンの形成メカニズムを解明した。
• 酸化グラフェンを安全かつ低コストで合成する手法を提示した。大量合成が可能になり、工業的な用途開発が進むと期待される。

＜業績＞
　岡山大学異分野融合先端研究コアの仁科勇太准教授らの研究グループは、酸化グラフェンがどのように形成されるのかという点に着目。黒鉛が酸化剤（過マンガン酸カリウム）と反応する過程を追跡することに成功しました。必要な酸化剤の量、反応温度、反応時間、精製法などを最適化し、従来をはるかに超える効率（約1/50のコスト）で酸化グラフェンを合成する指針を与えました。

＜背景＞
　本研究グループは、2012年以降、炭素原子と酸素原子を主として含む2次元シート材料「酸化グラフェン」の効率的合成法の確立と用途開拓を行っています。酸化グラフェンは、安価かつ大量に存在するグラファイト（黒鉛）を酸化することにより得られ、炭素原子1個の厚みからなる材料です。二次電池、透明導電膜、触媒、環境浄化材、潤滑剤などの幅広い用途を開拓する取り組みが盛んに行われています。
　JSTやNEDOプロジェクトで酸化グラフェンの大量合成や機能化について精力的に研究を行い、社会実装を目指した研究を行っています。

＜見込まれる成果＞
　2017年2月9日に行ったプレスリリースの技術（酸化グラフェン系材料の量産試作に成功）は、本研究の知見に基づくものです。これまで、再現性が低く、化学工業において見過ごされてきた酸化グラフェンが、ようやく実用化研究の枠に入るようになりました。　
　今後は、基礎から応用までを網羅した研究開発を行うことにより、酸化グラフェンの実用化が加速されるものと考えています。

プレスリリース（2017年2月9日）：「酸化グラフェン系材料の量産試作に成功」

＜用語解説＞
【1】 黒鉛（グラファイト）：
炭素からなる元素鉱物で、六方晶系構造。亀の甲状の層状物質で、層間は弱いファンデルワールス力で結合しているため、剥離することができる。

【2】酸化グラフェン：
グラフェンとは、炭素原子１～数層のシート。グラファイト（黒鉛）の基本構造。アンドレ・ガイムらがグラフェンに関する革新的な研究で2010年にノーベル物理学賞を受賞した。2030年のグラフェン材料の市場規模は約1000億円と予測され、その応用製品の市場規模は数十倍になるとみられている。酸化グラフェンとはグラフェンに酸素官能基がついたもので、グラファイトを酸化反応により剥離した炭素原子1～数層のシート。

【3】大型放射光施設SPring-8：
兵庫県の播磨科学公園都市にある、理化学研究所が所有する放射光施設で、JASRIが運転管理。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究を行うことができる。

【4】X線回折：
結晶構造を観察する方法。本研究では、黒鉛結晶の層間隔が開いていく過程や、その後に構造が乱れていく過程をX線回折実験により明らかにした。通常のX線回折装置では、粉末の状態で測定するため、反応を追跡することは困難。SPring-8の強力なX線を使うことにより、硫酸中に分散した状態のまま、黒鉛の結晶状態を観察することが可能になった。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
JST戦略的創造研究推進事業　個人型研究（さきがけ）
研究領域 「分子技術と新機能創出」
　　　　（研究総括：加藤 隆史　東京大学 大学院工学系研究科　教授）
研究課題名 炭素二次元シートの自在合成と機能創出
研究者 仁科勇太（岡山大学 異分野融合先端研究コア　准教授）
研究実施場所 岡山大学
研究期間 平成25年10月～平成29年3月