第10回 PCCP Prize受賞報告

この度、国王立化学会（イギリス化学会）が主催とし、日本化学会が合同で表彰している第10回PCCP賞を頂くことになりました。
本賞の受賞内容は学部時代とポスドク時代にご指導を頂いた教授方や先輩方から学んだ知識と経験を、助教着任後に現在のご指導を頂いている教授の下でうまく生かす機会を与えられて花開いた研究成果です。
このような1つの研究成果での受賞ではなく複数の研究成果を対象とする賞を頂くと、学部時代から助教時代までの研究は有機的に繋がっていて何一つ無駄なことはなかったなと感じました。
また、私が過去習得した研究能力を次の研究に生かすような手助けをしてくれた教授の研究構想能力は私一人では到底辿り着けない素晴らしいアイディアでした。
大変名誉な賞を頂くことができたのはこれまでご指導していただいた教授方、先輩方のおかげであり、この場をお借り致しましてお礼申し上げます。


第10回 PCCP Prize受賞


伊藤良一

さきがけ成果の特許申請

通常、科研費などの研究費で得られた研究成果は学会発表や論文発表をして年度末に成果報告を行うのですが、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)から頂いてる研究費を使っている場合は科研費などとは研究成果報告のプロセスが異なります。JSTからのプロジェクト研究では、論文発表をする前にまず特許申請を先に済ますのが大前提になっています。これは論文発表を先にしてしまうと「公知」になってしまい、特許性が失われ特許申請が出来なくなるからです。また、JSTは税金で行われた研究成果はきちんと社会に還元するという方針に則ってるからでもあります。

私も2015年10月から開始したJST-さきがけ「エネルギーキャリア」研究領域の成果がまとまりつつあるので論文発表の前に特許出願準備を行っています。特許出願は大学の知財部門と弁理士（有料）の力を借りますが、研究者個人が色々がやらなければならず、不慣れなルールと日本語で書かれているのに何が書いているかよくわからない書類の山です。税金でまかなわれている研究費を適切に運用することは研究以外の責任が増え、社会的責任を果たすために忙しくなるのだなと感じる日々でした。

伊藤良一

学術賞初挑戦

東北の財団から学術賞の2次選考の通知が来ましたので正月明け早々に面接に行ってきました。会場に入ると偉い役職の方々がコの字で待ち構えておりました。今回、企業の審査員の前での初発表で緊張するかと思えば、全く緊張せずとても良い状態で面接に望むことが出来ました。さきがけ面接はこんなに緊張したのはいつ以来だろうと思うくらい緊張しましたが、30代前半で一番大きな予算をもらえるさきがけ面接を潜り抜ければ怖いものなしということでしょうか。発表内容も質問内容も学術というよりも企業よりな内容、実用性、コスト、本当に商品化できるのかなど新鮮な面接となりました。審査していただいた役員の方々には貴重なお時間を頂き、良い勉強をさせていただきました！結果は2月に通知されるとのことで楽しみです。


伊藤良一

論文紹介：酸化還元した3次元グラフェンを用いた高感度光検出器

　今回、東北大学東北大学原子分子材料科学高等研究機構 (AIMR)で研究を進めている3次元ナノ多孔質グラフェンを用いて光検出センサーに使用可能な多孔質炭素材料の開発に成功しました。
　光に応答して電気を流す炭素材料は安価で環境にやさしい光検出のセンサーとして活用することが可能です。例えば、照度センサーでは光の明るさを電流の値として読み込むことによって自動的に照明の明るさを変更する用途で使用されています。本研究は、厚さのある3次元多孔質グラフェンを光検出部として使用することで、従来の2次元グラフェンの光吸収率と較べて10倍以上向上させることに成功しました。さらにその高い光吸収効率によってシリコン光検出器の10倍程度の感度を持たせることに成功しました。これは従来の光検出用2次元グラフェンは化学処理の過程で１枚のシート形状から細切れの破片になってしまうために、破片間を電子が飛びながら移動している為エネルギー効率が悪く、本来持っている性能を十分に発揮できないという問題点がありました。今回1枚に連続した3次元構造を保持し、かつ、多孔質構造による効率的な光吸収が可能な3次元ナノ多孔質酸化還元グラフェンを用いることによって電子がスムーズに移動することが可能になり、また、多孔質構造を持っていることから光の捕集能力そのものも炭素原子1個分の厚さしか持たない1枚のグラフェンに較べて格段に上昇し、その結果、光応答感度が劇的に上昇したと考えられます。この感度の向上により更なる装置の小型化が期待されます。

図(a) 酸化前の黒いナノ多孔質グラフェン、酸化後の白いナノ多孔質グラフェン(GO)、および、還元した酸化したナノ多孔質グラフェン(RGO)と走行型電子顕微鏡像. ナノ多孔質グラフェンの厚さは30μｍ. (b) 酸化グラフェンの透過型電子顕微鏡像. (c) 透過型電子顕微鏡高分解像. (d) 酸化グラフェンの炭素と酸素のサブナノメートル元素マッピング. (e) 電子エネルギー損失分光スペクトルによる炭素結合の状態分析結果.酸化により炭素2重結合を失い、還元により一部炭素2重結合が復活している様子を示している.


論文は・・・残念ながら有料公開です。
タイトル
3D Bicontinuous Nanoporous Reduced Graphene Oxide for Highly Sensitive Photodetectors


伊藤良一

論文紹介：ナノ多孔質グラフェンにポリピロールを担持したスーパーキャパシタ

　今回、東北大学東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)で研究を進めている3次元ナノ多孔質グラフェンにポリピロール（導電性ポリマー）を担持したスーパーキャパシタの開発に成功しました。今回の論文は私が指導を担当している学生のうちの一人で博士学生２年生の論文です。
　私はスーパーキャパシタは専門外なのでNEC/TOKINの説明を引用すると、「電気二重層コンデンサ（スーパーキャパシタ）は数十ミリファラッド以上の非常に大きな静電容量を有し、充放電サイクル特性、急速充放電に優れ、また、広い温度範囲、環境に優しいという特徴をもつ蓄電デバイスです。主な用途としては、ＲＴＣ、メモリー等のバックアップ用途やモーター起動時の電力のアシスト、供給用電源等があります。使用される機器はＡＶ機器等のコンシューマ機器、プリンタ等のＯＡ機器、カーオーディオ等の車載機器等、非常に幅広い分野で多岐にわたっています。」と説明をされています。

つまり、
電池・・・化学反応を通して化合物から電気の出し入れを行う
キャパシタ・・・コンデンサに電気を電荷として溜める
となります。 　ここで大事なポイントは電気を電荷として溜めるためには物質の表面に多くの電荷を溜められる（帯電）ような表面積の大きい材料が必要ということです。そして、製品化を考える上でその材料は大きな表面積を有していることを前提で限りなく軽くなければいけません。重いということは製品化にとってかなりの懸念事項となります。現在市販されているスーパーキャパシタは軽くて表面積の大きい粉末状態の炭素系多孔質材料やそれら炭素多孔質材料に導電性ポリマーを混ぜてを用いていることが多く、粉末形状のため全体に電気が十分に伝わらず材料本来の性能を十分に発揮できないといった問題点がありました。今回、我々の研究グループでは導電性が優れ1枚に繋がった多孔質グラフェンを用いることで、グラフェン（担体）上で電子をスムーズに移動させてポリピロール（導電性ポリマー）の性能を最大限発揮させることに成功しました。これにより市販のスーパーキャパシタの10倍の出力密度を達成しました。今回の成果は導電性の優れた多孔質グラフェンに導電性ポリマーを担持すると担持したポリマーの性能が損なわれることなく発揮されることを示した論文であり、今後のポリマー担持スーパーキャパシタの開発の指針になることが期待されます。

図(左)グラフェンの表面にポリピロールを担持した状態を観察した電子顕微鏡像。(右)本研究の性能値。

論文は・・・残念ながら有料公開です。
タイトル
Bicontinuous nanotubular graphene–polypyrrole hybrid for high performance flexible supercapacitors


伊藤良一


追伸 現在の最高性能や最新研究動向など調べながら書きましたが間違いがあったら教えてください。

論文紹介：金属触媒を使用しないリチウム空気電池

　今回、私が所属している東北大学東北大学原子分子材料科学高等研究機構 (AIMR)で開発しているナノ多孔質グラフェンを用いることで金属触媒を使用しないリチウム空気電池の反応機構について明らかにしました。
　排ガスが出ない電池は次世代自動車である電気自動車に搭載されるクリーンな動力源として期待されています。しかし、現在最も普及しているリチウムイオン電池では１回の充電で電気自動車を200km程度しか走行させることが出来ず、ガソリン車並の走行距離を出せないことが問題視されていました。その解決法の一つとして、リチウムイオン電池よりも電気容量が5-8倍といわれているリチウム空気電池が注目されています。リチウム空気電池はエネルギー密度の高いリチウム金属（危険ですが・・・）を負極として、また、正極活物質を空気にすることで少ない体積で大きな電気容量を持たせることが可能です。技術的な問題点が山積していますが、現在このような次世代蓄電池を用いて１回の充電で自動車を500-600km走行させることができる次世代大容量蓄電池の開発競争が進んでいます。
　本研究グループは自動車会社などが行っている応用研究・商品開発ではなく、反応機構などを追及する基礎研究を行うことで新しい知見を社会に還元することを目指しています。本研究はこのような理念の元で国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)によるエネルギー高効率利用のための相界面科学CRESTの全面支援を受け、今回、窒素原子と硫黄原子を化学ドープした3次元多孔質グラフェンによる金属触媒が不要なリチウム空気電池の開発指針を示すことに成功しました。
　研究内容を簡単に説明すると、電極の単位重量あたり2000mAhの大きな電気エネルギーを持ち、かつ100回以上の繰返し充放電が可能なリチウム空気電池の開発に成功しました。現時点では1次電池としては優秀であることがわかりましたが、2次電池としてみた場合、充電時の過電圧が大きすぎて商品化には全く不向きです。しかし、実験結果を電気自動車の走行距離に換算すると充電１回あたりで500～600kmの走行に相当する結果が得られました。本研究は金属触媒を用いない環境に優しい電池の構築に役立つと期待されています。

図　(a)窒素ドープナノ多孔質グラフェン1000mAhg-1でカットオフ(b)窒素ドープナノ多孔質グラフェン2000mAhg-1でカットオフ(c)硫黄ドープナノ多孔質グラフェン1000mAhg-1でカットオフ(d)硫黄ドープナノ多孔質グラフェン2000mAhg-1でカットオフ(e)各ドープグラフェンのサイクル数(f)各ドープグラフェンの充放電過電圧の値の変化.


論文は・・・残念ながら有料公開です。
タイトル
Effect of Chemical Doping on Cathodic Performance of Bicontinuous Nanoporous Graphene for Li-O2 Batteries


伊藤良一

就活日記：つくば初面接

11月につくばの研究機関の採用面接に行ってきました。面接の連絡を受けてから5日後に2件面接というハードなスケジュールでしたが、さきがけの実験をしながら面接スライドを準備しました。今回は前回の東大准教授面接の反省を生かして対策を立てましたが効果が発揮されるときはありませんでした。面接によって聞かれることはかなり違うようです。勉強になりました。

仙台から筑波へのルートは無難に「仙台→東京→秋葉原→筑波」というルートを取りましたが、仙台から筑波は本当に行きにくいですね。仙台→東京にかかった時間と秋葉原→筑波研究機関にかかった時間はほぼ一緒。日帰りだったのでかなり疲れました。

筑波→仙台では、今回の反省のポイントをまとめてながら今回の面接準備で溜まりに溜まった雑務を片付けながら仙台に帰りました。10月にさきがけ取ってからは無休ですね、全く・・・。


どうしてこんなに就職活動しているかわからない方への「私個人」の見解と解説
研究員就職活動理系基礎知識①
・任期
研究員には基本的に任期があり、任期なしは基本的に教授のみ
ポスドク～助教：2年～5年の年俸契約による任期制
准教授：5年～10年の年俸契約による任期制、もしくは、任期なし
・任期切れ
任期が切れたら失業、研究機関を出て行かなければならない。そうならないために研究者は研究をしながら次の職を探し続ける。
・任期はあってなくても大差ない？（私の場合）
研究者は博士課程を卒業後いろいろな研究機関を渡り歩きながら、ポスドク→助教→（講師）→准教授とキャリアアップしながら教授を目指す。転職期間は人それぞれですが、2-5年スパンで異動していくため、任期が切れる前に昇進し続けるのがキャリアアップの観点で良い。この観点でキャリアアップを優先すると転職し続けるため、任期なしの職（助教～准教授）と任期ありの職は大差がない。（テニュアトラック職は除く、詳細は髙坂さんのブログへ）
・私の任期
2016年12月まで。次の更新はなし

このような背景で研究者は人によって転職頻度は違いますが教授になるまで就職活動をしながら研究を続けています。

伊藤良一