村上研究室 －研究室紹介 #21－

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介します。今回は、人類の未来をひらくネクスト・エネルギーの研究開発を行う、村上研究室です。

研究室のアピールポイント

学生さん同士の仲もよく、指導教員に気軽に相談や打ち合わせができる風通しの良い雰囲気の研究室です。環境・エネルギーの科学と工学を学べ、実験と学術の両輪から自分の将来のスキルの基盤をしっかりと形成することができ、理工人として成長することができます。研究テーマは多様なテーマから自分の志向に合ったテーマを選ぶことができます。実験装置は特に充実しています。この研究室は2022年4月にゼロカーボンエネルギー研究所内にできたばかりの新しい研究室です。（村上は来年度から融合理工学系の授業を担当開始します。なので今まで授業で皆さんに会ったことはありません。）

共有結合性有機骨格を用いた新技術開拓

「共有結合性有機骨格（Covalent Organic Framework, COF, コフ）」というのは聞きなれない言葉だと思いますが、これは近年非常に多くの応用可能性が提案・追求されており、海外ではここ数年研究が急速に活発化している新世代の材料ジャンルです。COFは、以下の図のように、基本単位として選択した「ビルディングブロック分子」を規則的に相互に共有結合させて構築する「分子の幅の棒からなるナノスケール構造のジャングルジム」であり、骨格（棒）とナノ孔（隙間）の両方が様々な応用に利用できます。

これは(i) 原料ビルディングブロック分子の狙いに沿った選択により、COFの孔サイズ・骨格構造・発現機能・物理特性をある程度予測的にデザイン可能、(ii) 全体が共有結合で形成されるので高い安定性と耐熱性をもつ、(iii) 炭素・水素・窒素・酸素などの軽元素のみからなるので環境に優しく廃棄が容易、(iv) ナノ多孔体なので材料内部を輸送路・貯蔵空間・触媒などに利用可能、といった特長を備える、デザインフレキシビリティが極めて高い究極の材料系です。私たちはこれを３種類の応用（全固体電池、CO₂吸着材、蓄熱材）に展開中で、次世代の環境・エネルギー技術として社会実装を目指しています。
本テーマは手を動かすモノづくり、観察、測定、量子化学計算が関係します。最近期間の長い科研費に採択され、企業からの委託研究も始まりました。この取り組みを担当してみたい人を募集します。最大限のサポートをします。

冷却しながら発電を行うフロー熱電発電

世の中には、データセンターのCPUや電気自動車のパワー半導体などで「どんどん出てきてしまう熱」「積極的に除かなければならない熱」が大量に存在しています。これらは排熱といいます。出ないのが理想なのですが、必然的に発生し、取り除かないと機器故障や動作不良を起こす「やっかいな熱」です。一方、熱もエネルギーの一種ですから、やっかいとはいえ「もったいない」側面もあります。しかし、今までは冷却の緊急性の陰に隠れ、この「もったいない」への対処が行われてきませんでした。いわば技術発展の歴史における「盲点」として残っていた未解決課題です。
私たちは数年前から、まだ世界の誰も取り組んでいなかったこの盲点問題に取り組み、解決への挑戦を始めました。誰もやっていなかった事なので、やることなすこと未知だらけで不安も大きかったのですが、それを突破し、現在では世界からこの分野のパイオニアとして認知されています。
今、新しいコンパクトなフローシステムを設計しようとしています。最近ある予算に採択されたので今後数年間は行います。メカCAD設計、熱流体システム構築、熱流動シミュレーション、電気化学、熱利用に興味がある人、一緒にやりましょう。以下にイメージ図を示しておきます。

太陽光で使えていない波長部分を使える波長にする、光エネルギー変換

高校のとき、光は粒（光子、フォトン、photon）から成り立っていると学んだと思います。例えば同じ１ワットの光でも、短波長の紫外線は日焼けする（作用が強い）のに対し、長波長の赤外線では日焼けしない（作用が弱い）ですね。これは、「1ワットという大きさのラウンドケーキ」があったとき、ケーキを一切れあたり大きく切ったのが紫外線で、小さく切ったのが赤外線で、今の例えだとケーキ一切れがフォトン、一切れのサイズがフォトンのエネルギーつまり作用力になります。この「作用力」が重要で、それが十分かどうかで太陽電池なら「材料を励起して電流を作れるかどうか」、人工光合成なら「化学反応を起こして人工燃料や糖を作れるかどうか」、水分解水素製造なら「光触媒を活性化して水の分解を起こせるかどうか」が決まります。
大事なのは、フォトンのエネルギーが材料の「しきい値エネルギー」を上回っていないと、たとえ入射する光エネルギーの量がどれだけ多くとも利用されないという点です。このため、現在では色々な波長が混じった太陽光スペクトルのうちの「短波長側のごく一部」しか利用できていません。これが太陽光エネルギーの利用効率が現在高くない理由となっています。
では、今利用できておらず無駄になっている、ある大きさ以下のケーキの一切れを互いにペアにしてくっつけて「大きなケーキの一切れ」を作ればいいのではないか？と思った人、鋭いです。それがフォトン・アップコンバージョン（Photon Upconversion, UC）です。UCは今使えていない長波長光（低エネルギーのフォトン群）を、ナノレベルのエネルギー移動を上手く使って作用力の高い短波長光へと変換する、新世代の光変換技術です。下にUCのイメージを示します。

今まではトルエンなどの有機溶媒溶液の形態が多く、これでは可燃性・揮発性・蒸気毒性などから応用は難しかったのですが、最近私たちは、以前にはできると思われていなかった高性能を示す全固体化に成功しています（イメージの下半分）。これはUC効率が非常に高く、安定性があり、自然太陽光の強度以下でUCが行える革命的な開発成果です。本成果は英国王立化学会の論文賞受賞に加え、以下ニュースサイトで紹介されています。

こちらも最近ある企業との共同研究が始まりました。このような光エネルギーの材料革命を担当してみたい人を募集しています。

教員からのメッセージ