銅ナノドット触媒 グラフェン(カーボンの単層シート)を利用した新規触媒層の設計
2009年の12月にブログに書いている。
https://blog.goo.ne.jp/aichi-happy/e/06663d6006417b62c05e4aedd787d39a
その図は手描きの図が以下の六枚。
この時は、グラフェンをメインにしていたが、
銅のドット型触媒として、
電機化学的な触媒の力が極めて高いことが、数年後に発見されている。
二酸化炭素CO2をエタノールに変える触媒だ。オークリッジ米国立研究所の発表だ。
https://wired.jp/2016/10/20/carbon-dioxide-ethanol-reaction/
こうした電気化学と有機物質、エタノール、二酸化炭素CO2、メタノール、メタンなどを中心とした触媒開発は、バイオマス発電、二酸化炭素の固定化、光合成型触媒として
エネルギー問題解決にむけて非常に重要だ。
その発想を2009年に、個人でしてアイデア図を公開していたことが、
驚きだ。日付入りのアイデア図をブログに公開するのは、
自分でもかなり気に入ったアイデアだったからだ。
今後もこの電気化学と触媒をバイオマスと組み合わせたエネルギー発電型の技術は
たいへん注目している。
以下は、2009年のブログのコピーだ。
グラフェンとは原子レベルでのカーボン単層で
シートとして得るには
シートを溶液に溶かして基板上に配列させて
重なりあった部分を超音波で削って、一面に敷き詰める方法が
知られている。
さらにカーボンを表面に含む溶液と対極を5ミリ程度まで近づけて
30から50Vの高電圧交流印加法によっても
グラフェンを形成できることが示されている。
一方、カーボンを含むガスを
高温のチャンバー中で、
化学気相堆積法(CVD)で
銅や鉄などの金属表面に触媒的に形成する方法も提案されている。
私は、銅をナノドットめっきで形成して、
その銅ドットの表面に選択的にグラフェンを堆積させるCVD法を提案する。
また、得られたグラフェンにアルカリ金属または、アルカリ土類金属をドープすることで
その後で、ドープした金属を選択的に置換めっきする貴金属めっきを施すことで
原子レベルで貴金属使用量を削減し、またグラフェンとの相乗効果をもつことが期待される
触媒の形成法を提案する。
また、形成された貴金属修飾グラフェン修飾銅ドット触媒に
電子、またはイオン輸送層として電気伝導性高分子を
電気析出法またはスピンコート法で形成することを提案する。
以上の形成法による触媒は、
たとえば、燃料電池などの貴金属を使用することが不可避な有力な化学反応においても
貴金属量を大幅に低減させることができ、価格面でのメリットが得られる。
また、グラフェンと金属の相乗作用によって新しい触媒を創出することにも利用できる。
グラフェンの活性点は面状に広がるものではなく、
端部が点状に活性を持っていると予想している。
そのため、触媒として応用する場合には、
端部をより多く形成させる銅ドット上の修飾グラフェンを利用するメリットが大きい。
銅ドットめっきはリソグラフィーとレジストを組み合わせる通常の半導体プロセスを利用し、
硫酸銅めっき浴などを用いることで形成できる。
グラフェンにドープする金属(イオン化傾向の小さな金属)は
CVDのガス中に含有させることでドープ量の制御を行う。
グラフェンとナノ微粒子を組み合わせた触媒の産業インパクトは物凄く大きい
過酸化水素の製造方法を大幅に簡易に低コストにできる新規の製造方法を韓国チームが見つけた。そのキーテクノロジーはグラフェンと金属微粒子を組み合わせて反応をしやすくした高性能の触媒の発明だった。
数日前に私がこのブログで取り上げた2009年の私自身のブログで指摘していた触媒の新規製造方法の指針実現した形だ。
https://mokuyojuku.blogspot.com/2020/01/blog-post_32.htm
特筆すべきはこの触媒が、電気化学反応での触媒とのいう点だ。私のブログでも電気化学反応の触媒を想定していると書いている。従来の触媒は化学反応は、熱や圧力を高めて進める反応に使われる。
一方で、グラフェンとナノ金属粒子を組み合わせた電気化学反応向けの触媒は、従来はほとんど研究されず、実用例も少なかったようで、今後の発展が非常に大きく期待できる。
もう一つ重要なテーマは
バイオと電気化学は組み合わせられることだ。
触媒という考え方は電気化学の分野でバイオ反応と結びつけやすい。
今回の過酸化酸素合成だけでなく、有機物質の燃料電池、エタノール、メタノールなどの合成や発電、バイオマス反応、バイオマスで使われる微生物を増やすような反応にも応用できる。
https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00396058
一般的な化学反応だけでなく、菌のような微生物が増えていく成長や発生も反応と同じように電気で促進できるのだ。菌は、栄養の一部に酸化還元反応を使っているからだ。
鉄や銅を菌の体に取り込んでいることが多い。
赤血球が鉄を含んでいることは有名だが、菌にも金属が含まれている。
そうした金属は酸化還元反応を通じもて微生物が栄養分を取り込む際に使われる。糖などを燃やして栄養にするという表現があるが、同じように銅や鉄を酸化・還元して栄養を得る菌もいる。
肥料にもミネラルとして金属が含まれるのは植物も、菌も金属を栄養を得るときに利用しているからだ。
そうした金属の酸化還元反応は
電気化学の一番得意な分野で、それを加速する触媒としてグラフェンはとっても重要な物質だ。
グラフェンというと単なる平面物質を想像するひともいる。
実際は、炭素数層でできた平面と、そのエッジ部分、端部がこれまでにない触媒活性点あることが証明されてきたようだ。2009年時点で私は直観的に端部の活性度の高さを指摘している。端部にナノサイズの金属を配置して、反応物がグラフェンと金属の間に来たときに一気に反応が進むのだ。
電気化学反応とは酸化還元反応を、そとの電源などから電気を電極に通じて、触媒上で進む反応反のだ。一般的には電気めっきや電池の反応が知られている。
日本の電気化学者にも、グラフェンとナノ金属微粒子を活用した触媒研究をぜひ進めてもらいたい。
RT @Hisan_twi: 還元型酸化グラフェン(rGO) GOが不完全に還元されたもので、完全に還元されるとグラフェンになります。構造欠陥を有しており完全なグラフェンに比べると導電性が劣ります。透明導電膜やバイオセンサ、電極材料等への応用が研究されています。
還元型酸化グラフェン(rGO)
— ヒサン@電子材料・デバイスbot (@Hisan_twi) September 4, 2018
GOが不完全に還元されたもので、完全に還元されるとグラフェンになります。構造欠陥を有しており完全なグラフェンに比べると導電性が劣ります。透明導電膜やバイオセンサ、電極材料等への応用が研究されています。
from Twitter https://twitter.com/mokuyojuku
September 05, 2018 at 12:28PM
via IFTTT
RT @SSeiya60260: 表紙の絵がグラフェンですね。 グラフェンを透過型電子顕微鏡(TEM)用のセルに使う研究で、2枚のグラフェンシートの間に液体を入れることで、液体をTEMで観察できちゃいます。 プラチナのコロイド溶液中で結晶化が観察された仕事などがあります。https://t.co/tio85FYBhk https://t.co/utYf5Wl7HM
表紙の絵がグラフェンですね。
— 鈴木 誠也 (seiya suzuki) (@SSeiya60260) June 12, 2018
グラフェンを透過型電子顕微鏡(TEM)用のセルに使う研究で、2枚のグラフェンシートの間に液体を入れることで、液体をTEMで観察できちゃいます。
プラチナのコロイド溶液中で結晶化が観察された仕事などがあります。https://t.co/tio85FYBhk https://t.co/utYf5Wl7HM
from Twitter https://twitter.com/mokuyojuku
June 15, 2018 at 10:46PM
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電気化学はバイオにも大きく関係するスーパー技術だ
実際は最先端であって、本流になりうる大きな分野だ。電気を使って電極上の酸化還元反応を制御することを中心とした化学だ。これが将来のバイオと大きく関係する。
これまでは電極は平面的で表面処理、めっき、電池などの分野で必要な技術だった。
精錬やめっきはローテクと思われることが多かったので、
ハイテク代表であるコンピュータ部品や半導体産業、リチウム電池で電気化学が使われることが驚かれた時代もあった。
しかし電気化学は、半導体、エレクトロニクスだけに留まる技術ではない。
燃料電池、エタノール、メタノールなどの合成や発電、バイオマス反応、バイオマスで使われる微生物を増やすような反応にも応用できる。バイオ技術と電気化学は出会ったばかりだ。これから大いに発展する。
https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00396058
一般的な化学反応だけでなく、菌のような微生物が増えていく成長や発生も反応と同じように電気で促進できるのだ。菌は、栄養の一部に酸化還元反応を使っているからだ。
鉄や銅を菌の体に取り込んでいることが多い。
赤血球が鉄を含んでいることは有名だが、菌にも金属が含まれている。
そうした金属は酸化還元反応を通じもて微生物が栄養分を取り込む際に使われる。糖などを燃やして栄養にするという表現があるが、同じように銅や鉄を酸化・還元して栄養を得る菌もいる。
肥料にもミネラルとして金属が含まれるのは植物も、菌も金属を栄養を得るときに利用しているからだ。
そうした金属の酸化還元反応はグラフェンとも関係が深い。
電気化学の一番得意な分野で、それを加速する触媒としてグラフェンはとっても重要な物質だ。
グラフェンは炭素数層でできた平面と、そのエッジ部分、端部から成る。この端部がこれまでにない触媒活性点あることが証明されてきたようだ。2009年時点で私は直観的に端部の活性度の高さを指摘している。端部にナノサイズの金属を配置して、反応物がグラフェンと金属の間に来たときに一気に反応が進むのだ。
日本の電気化学者にも、グラフェンとナノ金属微粒子を活用した触媒研究、バイオ分野でも応用をぜひ進めてもらいたい。
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リチウム ポーラス 溶媒と電極が分子レベルでまざりあうポーラス状の電極を目指すリチウム電池電極設計指針
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全固体 全固体電池 25年実用化へ 長岡技科大・本間准教授ら開発 https://t.co/2hR0E8IkRe #スマートニュース
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リチウム リチウムイオン電池の安全性が再び焦点に。“中国爆発"で日本に商機!? https://t.co/kg97lDuMWW #スマートニュース
リチウム 容量2倍のリチウムイオン電池を実現、新しい負極材料を開発 https://t.co/ntAho0m5r5 #スマートニュース
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燃料 トヨタが燃料電池自動車をあきらめないワケ https://t.co/urjGqwiNOA #スマートニュース
再生 リチウムイオン電池の寿命を復活させる新再生手法 https://t.co/Rwr8kGYXZS #スマートニュース
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燃料 藻類を利用した燃料電池で従来比5倍の出力密度 - ケンブリッジ大 | マイナビニュース https://t.co/WS3m2weUph #マイナビニュース
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リチウム エリーパワー、銃弾貫通でも燃えない大型リチウムイオン電池を量産 https://t.co/kS7KrGTIBV #スマートニュース
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リチウム 鉄 安価な鉄系正極材料でリチウムイオン電池を高容量化 - ノースウェスタン大 https://t.co/ujqDHYmJn7 #マイナビニュース
その他 2017年の目標を振り返る、そして2018年の目標
全固体 マグネシウム 全固体マグネシウムイオン電池向けの固体電解質を発見 - バークレー研究所など | マイナビニュース https://t.co/9tLEPpZP4x #マイナビニュース
太陽 グアニジン添加によってペロブスカイト太陽電池の安定性が向上 - EPFL | マイナビニュース https://t.co/m5drfzaH3t #マイナビニュース
太陽 「ヒトの眼」に着目して生まれた透ける太陽電池 - 変換効率は約10% | マイナビニュース https://t.co/AfLLV20jW6 #マイナビニュース
リチウム 切断、水没、弾道衝撃にも耐える高安全性リチウムイオン電池を開発 | マイナビニュース https://t.co/WNFPImqnbo #マイナビニュース
マグネシウム マグネシウム二次電池の劣化メカニズム解明、電池設計に指針 - バークレー研究所 | マイナビニュース https://t.co/Zg9aWiIaPm #マイナビニュース
EV Imecとパナソニック、次世代車載電池向け固体ナノコンポジット電解質を開発 | マイナビニュース https://t.co/OjTIqodVx1 #マイナビニュース
太陽 ペロブスカイト太陽電池でブレークスルー、安価な材料で耐久性向上 - EPFL | マイナビニュース https://t.co/1W0sH3KlDL #マイナビニュース
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太陽 東大、ペロブスカイト太陽電池で変換効率20.5%-希少金属使わず実現 | 科学技術・大学 ニュース | 日刊工業新聞 電子版 https://t.co/qg3YRN2TvJ
マグネシウム マグネシウム二次電池の劣化メカニズム解明、電池設計に指針 - バークレー研究所 | マイナビニュース https://t.co/Zg9aWiIaPm #マイナビニュース
EV 上期好調も、創業100周年へ向け「テスラリスク」が残るパナソニック (2) テスラ向け生産電池を住宅用にも転用 | マイナビニュース https://t.co/Sx5QXCdmHl #マイナビニュース
太陽 理研、「京」でペロブスカイト太陽電池の新材料候補を発見 | マイナビニュース https://t.co/htjgog40Kq #マイナビニュース
フッ素 山梨大、固体高分子形燃料電池向けの高性能な非フッ素系電解質膜を開発 | マイナビニュース https://t.co/mTflls7XKL #マイナビニュース
EV RT @SuperAlloyZZ: アングル:トヨタ、次世代EV電池技術の開発急ぐ #SmartNews https://t.co/yJPSAnPP9R
EV RT @Seagull_unasaka: 車載電池では世界最大手パナソニック 旭化成 住友鉱も上げている https://t.co/s6Pt0a59B5
EV RT @gorinotsukudani: <東証>パナソニックが2年4カ月ぶり高値 「車載電池増産」好感:日本経済新聞 https://t.co/k07QIoGjEs
EV RT @asahi: 車載電池、中国で増産検討 パナソニック、新規制に対応 https://t.co/MVTPzwOSkh
EV RT @pyontapyonkichi: 車載電池で中国メーカーのシェアが6割 今後は益々差を広げられるだろう 消費地に近いし自国企業優先 トランプ大統領が米国ファーストと叫び米国を優遇する施策をとるため 中国は自国企業ファーストを益々平気な顔で続けるだろう 日本にとってはこれも厳しい先行きとなる
EV RT @nikkei: パナソニックが1000億円を投じ、EV用リチウムイオン電池の増産に乗り出します。EVの心臓部である電池で日本勢が主導権を握れるかどうかは、自動車産業の国際競争力をも左右しそうです。https://t.co/RSAc3INxgN
その他 2017年の目標の中間報告と次なる課題
その他 医学生理学 ノーベル賞
その他 大学で学んだ30の研究手法
経済 東芝ウォッチ
RT @NatureDigest: 【グラフェンをずらして重ねると超伝導体に! | Natureダイジェスト6月号】原子1個分の厚さのグラフェン2枚を「魔法角」だけずらして重ねて配置すると、超伝導が現れた。超伝導転移温度は極低温だが、挙動が非従来型で転移温度が高い銅酸化物超伝導体と似ており話題に。 https://t.co/qhYIyPOZ6B
【グラフェンをずらして重ねると超伝導体に! | Natureダイジェスト6月号】原子1個分の厚さのグラフェン2枚を「魔法角」だけずらして重ねて配置すると、超伝導が現れた。超伝導転移温度は極低温だが、挙動が非従来型で転移温度が高い銅酸化物超伝導体と似ており話題に。 https://t.co/qhYIyPOZ6B
— Nature ダイジェスト、編集部 (@NatureDigest) June 7, 2018
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June 15, 2018 at 10:45PM
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韓国チーム グラフェンとありふれた金属のナノ微粒子の超高性能触媒を発明する【再掲】
http://www.chosunonline.com/site/data/html_dir/2020/01/14/2020011480012.html
その製造方法を大幅に簡易に低コストにできる新規の製造方法を韓国チームが見つけた。そのキーテクノロジーはグラフェンと金属微粒子を組み合わせて反応をしやすくした高性能の触媒の発明だった。
環境負荷を低くして製造コストも安くなりそうだ。触媒価格2000分の1という驚異的に価格が低いを金属を使った触媒だ。
以前はプラチナを中心とした高価な貴金属触媒だったのをグラフェンと微粒子技術を組み合わせて、圧倒的な低い価格と高い性能の触媒を実現した。
新しい触媒に使われる金属はコバルトだ。
以前に私がこのブログで取り上げた2009年の私のブログで指摘していた触媒の新規製造方法の指針を実現した形だ。
https://mokuyojuku.blogspot.com/2020/01/blog-post_32.htm
特筆すべきはこの触媒が、電気化学反応での触媒とのいう点だ。私のブログでも電気化学反応の触媒を想定していると書いている。従来の触媒は化学反応は、熱や圧力を高めて進める反応に使われる。
今回の過酸化酸素合成だけでなく、有機物質の燃料電池、エタノール、メタノールなどの合成や発電、バイオマス反応、バイオマスで使われる微生物を増やすような反応にも応用できる。
一般的な化学反応だけでなく、菌のような微生物が増えていく成長や発生も反応と同じように電気で促進できる。菌は、栄養の一部に酸化還元反応を使っているからだ。
電気化学反応とは酸化還元反応を、そとの電源などから電気を電極に通じて、触媒上で進む反応だ。一般的には電気めっきや電池の反応が知られている。
二次元材料形成技術と電気化学的分析手法/結晶分析手法の今後の重要性
次世代蓄電池、酸化還元触媒、太陽電池、透明電極、トポロジカル絶縁体、スピントロニクス材料の研究が盛んになっていくと思われる。
そうした中で、二次元材料の形成手法を確立することは
次世代の材料設計に生かすべき、非常に有用な技術である。
このとき、薄膜研究における電気化学的手法と、薄膜結晶分析研究の基礎(透過型高解像度電子顕微鏡HR-TEM、原子間力顕微鏡ATM、微量成分分析EPMA、化学状態分析XPS)は一層重要性を増すと考えている。
これ以外にも
ビスマス酸化物結晶、チタン・タンタル系ナノシート、鉛置換ペロブスカイト結晶などホットな薄膜研究分野は多い。また、古くから知られる銅も触媒的作用が強く安価で経済的に有利であるため今後の応用研究への期待は強い。
さらに、二次元薄膜以外にデンドライト応用の立体型薄膜という設計指針もある。
リチウム系電池、ビスマス・タンタル系薄膜、銅箔を20数年前に研究した元学生として、
これからの薄膜研究の行方に注目している。
SrBi2Ta2O9強誘電体 未来計算メモリデバイス◆物理学
SrBi2Ta2O9強誘電体メモリを創ろうとして1996年頃、研究した。 誘電体をコンピューターのメモリに応用するのは、ずいぶん昔から考えられていた。
磁性半導体クロム-ゲルマニウム-テルル化合物(CGT: Cr2Ge2Te6)の二次元薄膜
http://news.mynavi.jp/news/2017/05/02/095/
Cr2Ge2Te6というのは磁性体としては有名とは思えないが、二次元材料の一つとして興味深い。
今後、磁性材料もグラフェンのように二次元薄膜化していくと思われる。
その際の材料探索には、クロムを含む材料がキーになるのだろうか??
層状材料には、チタン、タンタルという層状を取りやすい元素が有力だ。
それに、ビスマスを含む層状構造化合物では、トポロジカル絶縁性が見つかるなどのホットな分野だ。
今回の米国立バークレー研究所は、クロム-ゲルマニウム-テルル化合物の二次元薄膜が強磁性を有することを発見したという発表は、
剥離法で実験室レベルで0.3テスラ以下の小さな磁性をカー効果によって確認している。
今後は、結晶を超音波で剥離できるような材料・製法を見つけて、
結晶を溶液中で超音波によって二次元材料に調整してから、
塗布液によって大面積に塗布していく製法が考えられる。
今回のバークレー研究所の指摘のように二次元材料は、二次元材料同士の接着が可能で、
その効果によって特性が変化することが予想される。
Cr2Ge2Te6というのは磁性体も、上下に貼り付ける二次元材料に工夫があれば、磁性特性が向上するかもしれない。まずは、シリコンとグラフェンを試してみたいね。
グリース系材料、モリブデンなども二次元材料として有力だ。
材料探索はこれからどんどん加速して行くだろう。
磁気-電気、磁気-光学的応用が可能な人工的構造を設計できるだろうと指摘しているとおり、新しい発想でデバイス化できる薄膜を作成して欲しい。
単層グラフェンを使って、室温でのテラヘルツの高次高調波発生に成功――超高速作動エレクトロニクスの開発へ期待 https://t.co/ZxlFKLn4Mx #スマートニュース
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October 10, 2018 at 06:24PM
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RT @wired_jp: 驚異の素材グラフェンの「ゆらぎ」が、無尽蔵のクリーンエネルギーを生むかもしれない:米研究結果 <アーカイヴ記事> https://t.co/MDFenlPp1I
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June 15, 2018 at 10:45PM
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グラフェン発光素子をシリコンチップ上に集積 https://t.co/t6TZ64Bnfh #スマートニュース
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April 05, 2018 at 07:58PM
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夢の素材である「グラフェン」のシートを高品質で大量に製造する方法をMITの研究者が開発 https://t.co/gKdc8qg0Um #スマートニュース
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— 木陽塾(榊原あざみ) (@mokuyojuku) April 23, 2018
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April 23, 2018 at 07:17PM
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驚異の素材グラフェンの「新しい性質」は、光ファイバー通信に革新を起こすか https://t.co/kZgYO98d16 #スマートニュース
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— 木陽塾(榊原あざみ) (@mokuyojuku) June 17, 2018
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June 17, 2018 at 09:24AM
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RT @marman_band: 昨日みた、ナノダイヤモンド×二硫化モリブデンの組み合わせで、テフロンの1/10まで摩擦が減るっていう話。この中で何に驚くのって、グラフェンって既に二硫化モリブデンより安く入手できるようになったという話でした。すまん、、アルゴン国立研の人、、
昨日みた、ナノダイヤモンド×二硫化モリブデンの組み合わせで、テフロンの1/10まで摩擦が減るっていう話。この中で何に驚くのって、グラフェンって既に二硫化モリブデンより安く入手できるようになったという話でした。すまん、、アルゴン国立研の人、、
— うヰるへるむ・わっかかわっかー・三世 (@marman_band) May 16, 2018
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May 18, 2018 at 08:26AM
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RT @purplewatch: 大気からの酸素の分離速度を2000倍に...革新的空気分離の発表 | トピックス | 信州大学 https://t.co/ivRJRkUWhg 炭素原子一層からなるグラフェンに「ナノ窓」をつけると、気体を選択的に分離できることを理論的に予測。酸素分子を優先的に透過・分離できる機構を明らかにした。
大気からの酸素の分離速度を2000倍に...革新的空気分離の発表 | トピックス | 信州大学 https://t.co/ivRJRkUWhg
— Naoyuki Murakami ☕️ (@purplewatch) May 17, 2018
炭素原子一層からなるグラフェンに「ナノ窓」をつけると、気体を選択的に分離できることを理論的に予測。酸素分子を優先的に透過・分離できる機構を明らかにした。
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May 18, 2018 at 08:25AM
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RT @matiere: (2018/01/25) 二次電池の高容量・長寿命化を両立する酸化物/グラフェン複合材料を開発 〜分子レベルで交互に重ねたミルフィーユ構造が鍵〜 | NIMS 物質・材料研究機構 https://t.co/1qYjVgUBiA https://t.co/pHC805maa6
(2018/01/25) 二次電池の高容量・長寿命化を両立する酸化物/グラフェン複合材料を開発 〜分子レベルで交互に重ねたミルフィーユ構造が鍵〜 | NIMS 物質・材料研究機構 https://t.co/1qYjVgUBiA pic.twitter.com/pHC805maa6
— matiere* (@matiere) February 2, 2018
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June 15, 2018 at 10:43PM
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グラフェン2層間の角度をずらすことで超伝導性と絶縁性の両方を生み出すことに成功 https://t.co/XNletMRAJU #スマートニュース
グラフェン2層間の角度をずらすことで超伝導性と絶縁性の両方を生み出すことに成功 https://t.co/XNletMRAJU #スマートニュース
— 木陽塾(榊原あざみ) (@mokuyojuku) March 7, 2018
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March 07, 2018 at 06:08PM
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