東京大学産学連携プロポーザル

酸素の酸化還元反応は、水の電気分解や電解製錬、燃料電池、金属空気二次電池などに関わる学術的にも産業的に非常に重要な電気化学反応である。八木研究室では、酸素発生反応（水の酸化分解反応）およびその逆反応である酸素還元反応を促進する電気化学触媒の設計指針確立のための基礎研究を、大阪府立大学の山田幾也准教授や池野豪一准教授らと共同で進めている。その中で、酸化物中の遷移金属イオンや酸化物イオンの電子状態および構造が触媒活性に与える影響を明らかにしてきた。さらに現在、金属空気二次電池の出力とエネルギー密度の最大化のために、触媒の性能のみならず、価格や安定性などを考慮した部材の選定、様々な形状のセルや電極の設計・試作にも取り組んでいる。セルの形状は、言うまでもなく絶対的な正解の無いものではあるものの、確実に性能に影響を及ぼす極めて重要な因子である。

ゼオライトは典型的には結晶性多孔質アルミノシリケートである。アルミニウムが同型置換することによって生じる表面負電荷を補償するために、骨格外に正電荷をもつイオンを交換担持することができる。そこにH（プロトン）を配置すると酸触媒となり、石油精製・石油化学分野の酸触媒プロセスにおける必須な素材となっている。この酸触媒作用は主に炭素－炭素間結合を切断する機能であり、現在は過分解された炭化水素（メタンなど）は燃焼排気されている。メタンや二酸化炭素など、このような形で廃棄される炭素資源材料を、塩基触媒作用の重要な炭素－炭素結合形成機能を利用して再資源化することが究極の目標である。 その塩基触媒は、酸触媒と比較して検討例が極めて少ないのが現状である。この研究室では、シリカ骨格の酸素を窒素に同型置換することによって生じる塩基性もしくは求核性が触媒として有効に作用する反応系を見いだした。さらには、窒素置換することで生じるN-H結合のHをメチル基に置換できることを見いだし、この操作によってN上の孤立電子対の求核性（塩基性）が増大することをも見いだした。現在はこの触媒を用いて二酸化炭素を反応物とする戦略に邁進している。

均質ナノ多孔空間をもつ材料を触媒として利用しても、その構造特性をフルに活用できる触媒反応例（例えば，形状選択的反応）は実際にはほとんどみられないのが現状である。したがって、ゼオライトやメソポーラスシリカなど、均質ナノ空間を真の意味で活用するアプリケーションのアイディアが求められており、またその存在意義を深めるモチベーションが強く望まれている。 この研究室では、均質な空間に閉じ込められたエネルギー保有物質が均質なエネルギーを系に返還することが出来ることに注目し、均質ナノ空間閉じ込め材料による熱の出し入れを行う発想を得た。非常に幅の狭い温度域で熱の吸収・放出が可能な素材として、相変化物質と相転移温度が挙げられる。メソポーラスシリカの細孔内部に相変化物質を挿入し、吸熱・発熱挙動を熱測定を行い観察した。メソポーラスシリカ細孔内部で固液相変化が起こっていること、液相は界面張力により漏出しないこと、バルク体と比べると細孔壁との相互作用により回収できる熱が低下すること、繰り返し熱の吸収・放出が可能となることを発見した。このことは、多孔空間の表面で行うエネルギー変換と、多孔空間そのものを活用するエネルギー貯蔵とで役割を変化させ、利用可能なナノ多孔空間を構築することができることを示した例である。

本研究室では、小型流体機械（ポンプ、タービン）として、テスラターボ機械の研究開発に取り組んでいる。テスラターボ機械は、従来の翼列機械では損失源でしかない流体粘性を利用して作動する機械である。 テスラターボ機械は、多数のドーナツ円盤を微小な間隔をあけて固定したロータと、その前後の流路で構成されている（図１）。このロータに対して外側から接線方向に流体を吹き込むと、螺旋を描きながら中心に向かって流れ、その隙間を通る際に生じる流体の粘性力によってロータが回転し、タービンとして作動する。また逆に、このディスクをモーターなどで回転させると、ディスク間の流体が粘性によって引きずられ回転し、それによって生じた遠心力によって内側から外側へと流れ、ポンプとして作動する。テスラターボ機械は、最適設計時のロータ効率がサイズによらず一定であることが理論的に示されていることから、小型ポンプ/タービンとして利用が期待されている。このような小型ポンプやタービンは、熱機関だけでなく、燃料電池の送気ポンプや小規模発電システムなど、様々な利用が考えられる。

本研究室では、マイクロガスタービンの熱効率改善を目的として、ウェーブロータの研究開発に取り組んでいる。 ウェーブロータは、多数のチューブ（セル）を有したロータと、その両端に配置された給排気ダクトで構成されている（図１）。図中左側のダクトには高圧燃焼ガスと低圧空気が供給され、その圧力差によって衝撃波が発生し、チューブ内を往復伝播する。すると、衝撃波がピストンのような役割を果たし、低圧空気が圧縮され、右側のダクトに排出される。これを既存のガスタービンに追加することによって（図２）燃費を大幅に改善することができ、特にマイクロガスタービンの場合には、その改善効果が大きくなると期待されている。 このウェーブロータについて、特に出力10kW以下のマイクロガスタービンを念頭に置いたCFD解析や試作機の開発等を進めている。

熱帯泥炭土壌は、膨大な炭素ストックであり、その半分は東南アジアに分布する。東南アジアでは近年、この泥炭土壌がオイルパーム等のプランテーション開発により排水され好気的な条件になり、ストックされていた泥炭が微生物の活動により分解され、大きな二酸化炭素放出源に転換している。熱帯泥炭土壌の保全が可能な生物生産システムの開発が求められている。この研究グループは、1.泥炭保全による温暖化ガス排出削減量を算出するモデルの評価と改善、2.変動のある水位条件の泥炭土壌での造林技術の開発、3.土地利用オプションごとの生態系の炭素収支と排出削減量の推定、4.生産される木質バイオマスの有効利用技術の開発に取り組んでいる。

陸域においてもっとも多彩で豊かな熱帯林生態系については、まだ未知の部分も多い。特に、劣化、消失した熱帯林の再生・修復に関しては、試行錯誤の事例の積み上げの段階を出ていない。熱帯林のこれ以上の減少をくい止めるため、その再生・修復が緊急かつ重要な研究課題である。この研究室では、環境修復を目的とした「環境造林」についての研究を行っている。

海表面の流れや海上の風情報は、大気と海洋の相互作用を理解する上で欠かせない要素である。近年ではリモートセンシング技術の発達により、気象衛星を用いて全地球規模の海表面流や海上風を推定できる。しかし、気象衛星による観測は1日最大2回という時間解像度のため、環境の細かい時間変化を捉えられない可能性がある。さらに、沿岸域では陸地の影響で衛星による推定が困難である。 滑空するミズナギドリやアホウドリの飛行をバイオロギングによって測定したところ、海鳥の位置情報から、海表面流や海上風を推定することができた。このデータによって、従来の気象衛星による観測の空白を補間できるようになる。これまでの研究で、動物を用いた海洋観測で得られたデータを大気・海洋モデルに入力するとモデルの予測精度が向上することが知られている。

海洋や空中といった三次元空間を自由に動き回る野生動物は、直接観察が難しいために、その行動や生活史、あるいは周辺環境について多くの謎が残されている。小型の記録装置を動物に搭載し、動物自身にデータをとってこさせるバイオロギング手法によって、想定していない意外な発見も含め、数多くの発見がもたらされた。 　1.深度・速度・加速度・地磁気・緯度経度・温度・高度といったパラメータの時系列記録により、動物の水中や空中の3次元行動を秒単位で把握できるようになり、個々の生態解明のみならず、種間比較研究が可能となった。 　2.静止画や動画を記録できる動物搭載型小型カメラの開発により、動物目線で周辺環境や他個体との相互作用を研究できるようになった。 　3.塩分記録計や採血装置の開発により、動物の生理行動情報を生息環境下で測定できるようになった。

我が国では、環境の保全上「健全な水循環」の確保が、環境政策の基本の一つとして謳われており、その実現にむけての様々な取り組みがなされている。さらに、地球規模の気候変動が水循環や流域環境に与える悪影響がますます懸念されるなか、特に影響の大きい東アジア諸国を含めて、持続可能な水利用システムの確保にむけた、緩和策や適応策の検討も急務の課題となっている。これらの問題の解決において、水循環や流域環境（物質循環、生態系）の状態を、できるだけ精確かつ簡便に評価することは、もっとも基本的な課題の一つであろう。これらの客観的な情報は、水資源や水環境の管理、利用、保全に関わる主体間での合意形成や、対策の立案、また、施策効果の評価のうえでの重要な判断材料となるからである。 新しい状況への対応や、複雑な流域システムの把握のため、従来から流域環境の評価に用いられてきた全リン、全窒素、BOD、CODといった水質指標や、各種の生物指標などに加えて先端的な技術を利用した、より詳細かつ効果的な流域環境評価手法の開拓が求められている。 以上のような背景をふまえ、本研究室では、先端的な安定同位体精密分析技術を駆使した、新しい流域環境評価手法の構築を提案した。環境中に存在する元素（炭素、窒素、酸素など）の安定同位体比には、水や物質の起源や、生態系の状態に関する情報が記録されている。そこで、我々は、流域圏の様々な構成要素がもつ各種安定同位体比を、先端的な技術を駆使して体系的に調べ、そこに刻み込まれた情報を解析するとともに、得られた知見の総合化を行った。