研究内容

研究分野

無機材料化学・無機固体化学・材料電気化学・二次電池・燃料電池・生体材料学・バイオセラミックス

研究概要

エネルギー及び環境のための機能性固体材料の解析、設計及び合成に関する研究を行っています。高いエネルギー変換効率を持つ電気化学エネルギーに注目し、リチウムイオン二次電池や燃料電池等の材料開発に取り組み、結晶化学の理論に基づき構造の精密な解析と設計を行っています。また、バイオミネラリゼーションに学んだセラミックス合成プロセスによる骨修復材料の開発や、ドラッグデリバリーシステムなどへの応用を目的としたマイクロカプセルの開発について研究しています。

  1. 電気化学エネルギー材料の設計と開発
  2. 機能性セラミックバイオマテリアルの開発

電気化学エネルギー材料の設計と開発

リチウムイオン二次電池電極材料の開発

リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度電池として、携帯電話やノートパソコンなどの小型携帯用電源から電気自動車やオンサイト電力貯蔵用などの大型電源に至るまで、様々な応用分野でさらなる高性能化が望まれています。リチウム電池の正極および負極には、リチウムイオンと電子が固体マトリックスの基本骨格を変えることなく可逆的に挿入・脱離するリチウムインサーション材料が用いられます。本研究室ではリチウムインサーション材料の高性能化を目指し、リチウムイオンの挿入・脱離反応に伴う結晶構造や電子構造の変化をX線回折およびX線吸収を駆使して解析し、反応機構の解明を行うとともに、得られた知見に基づき新規なインサーション材料の開発を精力的に行っています。

リチウムイオン二次電池
図1 リチウムイオン二次電池
リチウムの結晶内拡散挙動
図2 リチウムの結晶内拡散挙動

固体酸化物型燃料電池材料の開発

ホタル石型酸化物やペロブスカイト型酸化物には、酸化物イオン導電性、電子導電性あるいは両方を併せ持つ混合導電性、さらにはプロトン導電性等、多様な機能を示すものが種々存在します。これらの酸化物の解析、設計を行い、燃料電池の電解質の開発を行っています。燃料電池は化石燃料等が持つ化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出すクリーンな発電システムです。固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、イオン導電性セラミックスを電解質に用いた燃料電池で、分散型発電から火力発電代替に至る規模において高い発電効率が期待できる次世代の発電システムとして注目されています。また燃料ガスと酸素ガスを分けて供給、反応させる通常の二室タイプとは異なり、両者のガスを同時に供給、反応させる単室タイプシステムについても研究しています。

単室タイプ燃料電池
図3 単室タイプ燃料電池の模式図。空気と燃料(メタン)とを同室に供給して発電する。

新規セラミックス材料の構造解析と設計

燃料電池やリチウム電池の電解質ならびに電極あるいは酸素透過膜等の材料として有用な機能性セラミックス結晶の物性を制御するためには、構造の精密な設計が必要です。組成や作製条件を変化させて種々の酸化物結晶を合成し、Rietveld解析、XAFS解析を駆使して構造解析を行い、結晶構造と物性の関係を結晶化学の理論に基づき明らかにするとともに、望ましい物性を持った構造設計を行います。

層状バナジウム酸化物の構造
図4 精密解析により明らかになった層状バナジウム酸化物の構造
固体イオニクス材料のEXAFS解析
図5 固体イオニクス材料のEXAFS解析
リチウム電池材料のリートベルト解析
図6 リチウム電池材料のリートベルト解析

機能性セラミックバイオマテリアルの開発

骨はアパタイト結晶がコラーゲンと複雑な三次元構造を形成した複合体です。自然界において生物はこれを常温常圧で合成しています。当研究室では、生命体の構造をつかさどるユニークな生体物質「ヒドロキシアパタイト」(Ca10(PO4)6(OH)2)の高生体親和性と、生物の営みに学んだセラミックス合成プロセスであるバイオミメティック法に着目し、生体内で多様な機能を発現するバイオマテリアルの開発を展開しています。

ヒドロキシアパタイトの結晶構造
図7 ヒドロキシアパタイトの結晶構造
天然のアパタイトと石灰石の混晶
図8 天然のアパタイト(緑色)と石灰石(白色)の混晶(ロンドン自然史博物館収蔵)

骨修復を目的とする生体活性材料の開発

セラミックスの中には骨欠損部で周囲の骨と自然に結合し、一体化する材料があります。これらは「生体活性セラミックス」と呼ばれ、重要な骨修復材料として実用化されています。1970年代初頭に米国フロリダ大学のHenchが、世界ではじめて骨と結合するガラス(Bioglass)を発明して以来、骨と結合するセラミックスの開発が世界中で盛んに進められてきました。しかしガラスなどのセラミックスは柔軟性に乏しく衝撃に弱いため、人工骨としての使用可能部位に制限があります。現代の臨床現場では、従来よりも早く、強く、長く骨と結合する性質を示し、それに加え高い機械的強度や柔軟性など、使用部位に応じた適切な力学的性質を満たす骨修復材料が求められています。当研究室では生物の営みに学んだセラミックス合成法である「バイオミメティック法」に着目し、材料化学・結晶化学・溶液化学・生物化学に基づいた合成プロセスにより、整形外科領域や歯科領域への応用を指向した骨修復に有用な生体活性材料の開発に取り組んでいます。

生体模倣環境下で表面にアパタイトを自発的に形成する高生体活性骨修復材料の開発
図9 生体模倣環境下で表面にアパタイトを自発的に形成する高生体活性骨修復材料の開発

生体親和性アパタイトカプセルの開発

中空の微小球であるマイクロカプセルは、内部に種々の医薬品や機能性物質などを内包することにより、ドラッグデリバリーシステム(DDS)用担体や抗菌材料などへの応用が期待されています。当研究室では、骨の主要な無機成分「ヒドロキシアパタイト」で構成されるマイクロカプセルの開発を試み、DDSや遺伝子治療など現代の様々な医療現場で役立つ先進医療材料や、抗菌性や水質浄化機能を具備する環境調和型機能性材料の研究に取り組んでいます。

生体親和性アパタイトカプセル
図10 生体親和性アパタイトカプセル