利用報告書 / User's Reports

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【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.31】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24BA0020

利用課題名 / Title

X線光電子分光を用いたホウ素含有物質に関する物質科学の研究

利用した実施機関 / Support Institute

筑波大学 / Tsukuba Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

燃料電池/ Fuel cell,水素貯蔵/ Hydrogen storage, 放射光/ Synchrotron radiation, 質量分析/ Mass spectrometry,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

近藤 剛弘

所属名 / Affiliation

筑波大学数理物質系

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

BA-015：X線光電子分光装置


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究では我々が2017年に論文報告したホウ素と水素で構成される新しい二次元物質であるホウ化水素（またはボロファン）や2021年に論文報告した新しい二次元物質である硫化ホウ素シートなどを基軸とし、様々なホウ素含有物質に関する物質科学の研究を展開する。具体的には、これらのホウ素含有二次元物質や、これらを基本とした誘導体、あるいは新しい物質候補群の熱触媒特性、電気化学触媒特性、水素吸蔵特性を明らかにする。この際、ホウ素含有物質の表面の物性を決定づける表面構成元素の組成や化学的状態をX線光電子分光で評価する。

実験 / Experimental

ホウ素含有二次元物質や、これらを基本とした誘導体、あるいは新しい物質候補群の熱触媒特性、電気化学触媒特性、水素吸蔵特性を明らかにする。この際、ホウ素含有物質の表面の物性を決定づける表面構成元素の組成や化学的状態をX線光電子分光で評価する。

結果と考察 / Results and Discussion

室温大気圧下で二ホウ化マグネシウムのマグネシウムイオンをプロトンとイオン交換すると、ホウ素と水素が1：1の比で構成されるホウ化水素ナノシートが生成する1)。ホウ化水素はホウ素が負に、水素が正に帯電しているため我々はこの物質を水素化ホウ素（BH）ではなくホウ化水素（HB）と命名した1, 2)。X線二体分布関数解析と第一原理計算とX線光電子分光の測定結果よりホウ素の六員環に水素が架橋した局所構造を持つことが示された1)。その後、ホウ化水素ナノシートは特異な還元剤機能3, 4)、紫外線照射で水素放出する機能5, 6)、色素分子との混合で可視光で水素放出する機能7, 8)、銅クラスター担持により可視光でプラズモン誘起により水素放出する機能9)、微弱電位印加で水素放出する機能10)、高感度センサーの性質11)、優れた固体酸触媒機能12, 13)、水に安定なこと14, 15)、水素が少し抜けた状態で二酸化炭素を吸着させC-Cカップリング反応を実現すること16)などが、我々と共同研究グループとの実験による解析を中心とした結果から明らかとなっている。このうち本年度は様々な手法による水素放出機能を、東京科学大学の宮内雅浩教授らとの共同研究で見出したほか7, 8,9,10)、熱による自身の分解に伴う水素放出が層内の水素による会合脱離ではなく、層間水素の結合生成によるものであることを同位体を用いた計測から明らかにした17)。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

1). H. Nishino, et al. J. Am. Chem. Soc. 139, 13761 (2017). 2) T. Kondo Chem. Lett. 52, 611 (2023). 3) S. Ito, et al. Chem. Lett. 49, 789 (2020). 4) N. Noguchi, et al. Molecules 27, 8261 (2022). 5) R. Kawamura, et al. Nat. Commun. 10, 4880 (2019). 6). M. Hikichi, et al. Adv. Mater. Interfaces 10, 2300414 (2023). 7) C. Shimada, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 16, 35225 (2024). 8) J. Takeshita, et al. Advanced Science 11, 2405981 (2024). 9) A. Mauliana, et al. Small 20, 2404986 (2024). 10) S. Kawamura, et al. Small 20, 2310239 (2024). 11) S. Tominaka, et al. Chem 6, 406 (2020). 12) A. Fujino, et al. ACS Omega 4, 14100 (2019). 13) A. Fujino, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 7724 (2021). 14) K. I. M. Rojas, et al. Commun Mater. 2, 81 (2021). 15) S. Ito, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 25, 15531 (2023). 16) T. Goto, et al. Commun. Chem. 5, 118 (2022). 17) S. Ito, et al., J. Phys. Chem. Lett. 15, 10965 (2024).


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Shin-ichi Ito, Interlayer Hydrogen Recombination from Hydrogen Boride Nanosheets Elucidated by Isotope Labeling, The Journal of Physical Chemistry Letters, 15, 10965-10976(2024).
    DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c01975
  2. Michiko Kitagawa, Removal of HCl from a gas phase by MgO under atmospheric conditions, Science and Technology of Advanced Materials, 26, (2025).
    DOI: 10.1080/14686996.2025.2454215
  3. Xiaoni Zhang, Discovery of bicyclic borane molecule B14H26, Communications Chemistry, 8, (2025).
    DOI: 10.1038/s42004-025-01409-1
  4. Jiamei Quan, CO2 Desorption Dynamics Reveal Structure Insensitivity in Formate Decomposition on Copper Surfaces, The Journal of Physical Chemistry C, 128, 21438-21446(2024).
    DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c06596
  5. Jumpei Takeshita, Visible‐Light‐Induced Hydrogen Generation from Mixtures of Hydrogen Boride Nanosheets and Phenanthroline Molecules, Advanced Science, 11, (2024).
    DOI: 10.1002/advs.202405981
  6. Andi Mauliana, Hydrogen Boride Sheets and Copper Nanoparticle Composites as a Visible‐Light‐Sensitive Hydrogen Release System, Small, 20, (2024).
    DOI: 10.1002/smll.202404986
  7. Xiaoni Zhang, Fermi Edge of Semimetallic Borophane Sheets and its Reduction by a Porous Structure, The Journal of Physical Chemistry Letters, 15, 9349-9355(2024).
    DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c01869
  8. Kazuki Yamaguchi, Macroscopic sheets of hydrogen boride and their spectroscopic evaluation, Physical Review Materials, 8, (2024).
    DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.074005
  9. Yuki Tsujikawa, Dimensional crossover and chirality of boron adsorbates on copper (110) surfaces, Physical Review Materials, 8, (2024).
    DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.084003
  10. Chika Shimada, Visible-Light-Driven Hydrogen Release from Dye-Sensitized Hydrogen Boride Nanosheets, ACS Applied Materials & Interfaces, 16, 35225-35231(2024).
    DOI: 10.1021/acsami.4c07768
  11. Linghui Li, Ball-milled MoS 2 with graphene shows enhanced catalytic activity for hydrogen evolution reaction, Science and Technology of Advanced Materials, 25, (2024).
    DOI: 10.1080/14686996.2024.2359360
  12. Xiaoni Zhang, Millimeter-scale growth of YCrB4 single crystals and observation of the metallic surface state, Physical Review Materials, 8, (2024).
    DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.054001
  13. Takeru Nakashima, Phase stability and band degeneracy of quasi-one-dimensional boron chain polymorphs embedded in LiB crystals, Physical Review B, 109, (2024).
    DOI: 10.1103/PhysRevB.109.165104
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. Takahiro Kondo：(invited talk) New 2D boron materials of boron monosulfide and hydrogen boride nanosheets, Boron in the Americas (BORAM) 18, UCLA (USA), 2024.12.19.
  2. Takahiro Kondo：(invited talk) New 2D boron materials for hydrogen creation, storage, and usage, 5th International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials ICEAN 2024, The NEX, Newcastle (Australia), 2024.11.4.
  3. Takahiro Kondo：(invited talk) New 2D materials for hydrogen generation, storage, and usage, The 12th Vacuum and Surface Science Conference of Asia and Australia (VASSCAA-12), 2024 Taipei, (Taiwan) 2024.10.14
  4. Takahiro Kondo：(invited talk) Key materials for hydrogen creation, storage, and utilization, Tsukuba Global Science Week 2024, Hybrid Challenge of materials science toward solutions for global environmental problems, Tsukuba (Japan) 2024.10.3.
  5. Takahiro Kondo：(invited talk) New intriguing properties of boron monosulfide and hydrogen boride nanosheets, The Japan Australia China Korea Singapore (JACKS) 2024 hydrogen forum (JACKS 2024), MAISON GLAD JEJU (Korea) 2024.9.23
  6. Takahiro Kondo：(invited talk) New 2D boron materials for hydrogen creation, storage, and usage, International Conference on Nanotechnology and Smart Materials (SmartNano2024) In Conjunction with Advances in Materials Research for Sustainable Development (AMRSD) & 2nd International Conference on Sensor Technology (2nd INCOST), Bali (Indonesia), 2024.7.17.
  7. Takahiro Kondo：(invited talk) Synthesis, characterization and application of new 2D material of hydrogen boride sheets derived from MgB2, 9th International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM2024) & 2nd International Conference on Quantum Materials and Technologies (ICQMT2024), Fethiye-Oludeniz (Türkiye) 2024.5.1
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：9件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：4件

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