通知

通知文章2017/04/03

AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室 (ChEM-OIL) 在京都大学成立
-基于新材料、新概念开创性能量转换与存储技术-

国立产业技术综合研究所[会长:中钵良二](以下简称“AIST”)成立于2017年4月1日“AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室”(AIST-京都大学)中文化学E能量M材料OI创新L实验室;化学油)将与国立大学法人京都大学[校长山木轮一](以下简称“京都大学”)合作在京都大学吉田校区设立。产业技术研究院开放创新实验室 (OIL)ChEM-OIL是AIST第四次中长期计划(FY2015-FY2031)中提倡的“桥梁建设”的新型研究组织形式,ChEM-OIL是第七个项目。


 化学能和电能在常温常压下可以高效地相互转换和储能,例如在燃料电池和蓄电池中。电化学装置预计将为低碳社会做出巨大贡献。电化学反应是器件运行的基础,需要电子流和离子流在气、固、液相三相界面上高速相遇并发生反应,但界面结构传统上是通过经验和直觉的反复试验来优化的,理论上期望的结构尚未实现。然而,近年来,对能源器件的性能要求迅速提高,需要性能接近理论极限。为此,必须设计并构建几个原子到几十个原子尺度的三维空间作为接近理想形式的功能界面,同时保证高水平的电子导电性、离子导电性、催化活性和耐腐蚀性。

 产业技术研究所拥有作为电化学器件基础的材料合成技术、器件制造所必需的导电性、光电化学活性等功能化、复合化技术,以及将这些各种功能性复合材料转化为蓄电池、燃料电池等能量转换和储存器件的技术,并拥有为许多公司提供桥梁的记录。京都大学金属有机骨架或多孔配位聚合物(MOF/PCP),正在促进电解质和金属纳米颗粒催化剂材料等有机、无机和聚合物材料的开发以及使用同步加速器辐射的先进材料分析等研究领域的世界领先的先进研究。它是在文部科学省的“世界顶级研究中心计划(WPI)”下建立的,汇集了日本化学和材料科学基础研究的顶尖领导者,包括集成细胞材料系统中心(iCeMS),领导跨学科研究。最近,AIST和京都大学将在京都大学吉田校区建立新的AIST基地(ChEM-OIL),该基地将结合AIST和京都大学的器件应用技术和基础材料科学技术。我们的目标是通过将京都大学的先进材料种子(多孔配位聚合物(MOF/PCP)、电解质、金属纳米粒子催化剂等)与AIST的功能界面结构和电化学装置技术直接连接起来,开发前所未有的能量转换和储能技术。通过构建产学官网络,加强民间企业参与的“搭桥”基础研究,开展能源化工材料创新技术实用化所需的基础技术与材料、电解质材料、催化剂材料与电极设计、器件技术等基础与应用研究。

AIST/京都大学能源和化学材料开放创新实验室 (ChEM-OIL) 概述
图 AIST/京都大学能源和化学材料开放创新实验室 (ChEM-OIL)

主要研究是用 ChEM-OIL 进行的

研究主题1:基础技术/材料开发
 为了“架起”创新能源化学材料和器件的实际应用之路,重要的是开发能够开发高功能电化学器件的基础技术和材料。为此,有必要提高多孔配位聚合物及相关材料的功能,开发适合能源化学应用的多种结构的MOF/PCP。在这项研究中,我们将开发一种合成方法来实现功能出现所需的灵活结构设计,并开发有助于创建新器件的MOF/PCP。此外,我们还将开发MOF/PCP的各种形状控制技术、赋予电化学性能的技术以及不同材料的复合技术等技术。此外,通过使用MOF/PCP作为前体或模板,可以合成各种纳米结构材料,例如碳。通过使用新合成的各种结构和形状的MOF/PCP材料作为前驱体和模板,我们将开发适用于电化学器件的碳和金属复合材料等各种纳米结构材料。

研究课题2:电解质材料开发
 电解质材料对于蓄电池和燃料电池等电化学装置至关重要,实现高性能装置需要高导电性和稳定性。特别是提高设备安全性和设计自由度熔盐电解质固体电解质的发展备受关注。在这项研究中,我们的目标是通过积极利用第一性原理计算等计算科学方法,开发一种高性能且安全的新型熔盐电解质,适用于在室温至中温下运行的电化学装置,这是迄今为止难以实现的。此外,通过将MOFs和金属纳米颗粒与熔盐相结合,我们的目标是创造固体电解质的新概念。此外,为了开发熔盐的新用途,我们将利用其无水且在高温下稳定的特性,将其用作材料开发中热合成和电化学合成的反应场所,并考虑将其应用于其他研究项目中控制材料的形状和赋予其功能。

研究课题3:催化剂材料/电极设计与开发
 在融合基础技术/材料开发和电解质材料开发成果的同时,我们将设计和开发电化学装置开发所必需的催化剂材料和电极。我们将开发基于具有高氧还原活性的非贵金属/碳复合材料的催化剂,不需要昂贵的铂等贵金属催化剂,以及由多孔MOF/PCP、石墨烯、金属氧化物等复合材料制成的具有精确控制的三维结构的电极材料。

 此外,通过使用MOF/PCP材料和以MOF/PCP为模板和前体合成的纳米催化剂材料,或作为金属纳米颗粒催化剂的载体,我们的目标是开发用于水电解和制氢反应的高活性和高耐用性电极催化剂,以及用于生产用于储存能量(例如氢载体)的液体燃料的电极催化剂。

 我们利用开发的高性能能源化工材料构建装置,通过装置原型设计和评估优化材料和装置技术,为企业提供桥梁。


开幕式

 2017年5月10日星期三,在京都大学吉田校区设立的“AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室”(ChEM-OIL)举行了开幕仪式。

 中钵会长致辞并说明设立目的后,京都大学校长山木轮一致辞,经济产业省、文部科学省、产业省的嘉宾致辞。

 仪式后半场,在表达了业界对实验室的期望的演讲以及京都大学综合研究所综合材料-细胞系统中心主任北川进的专题演讲之后,来自AIST和京都大学OIL的实验室主任徐强、实验室副主任喜多川、松原英一郎副主任解释了实验室的研究内容和方向。

 开幕式非常成功,众多相关人士出席,足见对实验室的厚望。

(左)AIST 中钵会长照片(右)京都大学校长山木
(左)AIST 中钵主席
(右)京都大学校长山木
  纪念照拍摄照片
纪念照
 

术语解释

◆开放创新实验室(OIL)
本项目是经济产业省2016年度启动的“开放创新竞技场”项目的一部分。产业技术研究院以优秀的基础研究为基础,在拥有技术种子的大学等机构设立研究基地,大学和产业技术研究院集中系统地开展研究,旨在加速技术的实际应用和“桥梁建设”,并加强以“桥梁建设”为目的的基础研究。至此,2016年4月与名古屋大学联合成立了产研院/名古屋大学氮化物半导体先进器件开放创新实验室(GaN-OIL),2016年6月与东京大学联合成立了产研院/东京大学先进运算测量技术开放创新实验室(OPERANDO-OIL),同月,产研院/东北大学于2016年7月成立了“数学先进实验室”。与早稻田大学合作的材料建模开放创新实验室(MathAM-OIL)。 2017年1月,我们与大阪大学合作建立了“AIST-大阪大学先进光子学和生物传感开放创新实验室”(PhotoBIO-OIL),2017年2月我们与东京工业大学合作建立了“AIST-东京工业大学现实世界大数据利用开放创新实验室”(RWBC-OIL)。[返回来源]
◆电化学装置
一种通过交换电子和离子来转换电能和化学能的装置。广泛用于燃料电池、蓄电池、电容器等电力储存和发电应用。在这项研究中,我们将开发创新的能源化学材料并创造高功能的电化学装置。[返回来源]
◆金属有机骨架或多孔配位聚合物(MOF/PCP)
英文名称金属有机框架(MOF)或多孔配位聚合物(PCP)。这是一种结构类似攀登架的新型功能材料,由金属离子和有机配体无限连接而成(金属离子对应攀登架框架的节点,有机配体对应连接构件)。与传统的多孔材料相比,它的优点是通过仔细选择有机配体和金属离子的组合以及设计纳米空间的尺寸和形状,能够提供各种所需的功能。我们的目标是通过赋予 MOF/PCP 功能并将其与电解质、催化剂等相结合来开发创新的能量转换和存储材料。[返回来源]
◆熔盐
英文名称Molten salt。由阳离子和阴离子组成的离子化合物,在高于其熔点的温度下熔化并变成液体。熔点低的也称为离子液体。根据组成离子的类型和组合,它表现出多种特性。作为电化学装置用电解质,与使用有机溶剂的电解质相比,其阻燃性和不挥发性而受到关注,作为有助于提高安全性的材料,研究正在取得进展。在本研究中,我们不仅将关注上述特性,还将关注熔盐所具有的各种可能性,并将作为电解质进行开发研究并考虑新的应用。[返回来源]