精密設計した糖から一気にナノ構造体! -テンプレート剤フリーなナノ多孔質カーボン材料の合成法を開発-

2026-09-01 産業技術総合研究所

産業技術総合研究所は、化学修飾したショ糖や果糖を原料とし、従来のテンプレート剤を使わずにナノ多孔質カーボン材料を合成する手法を開発した。糖分子にアルキル鎖を導入して水熱反応させると、糖の自己組織化、重縮合、アルキル鎖の脱離が進み、脱離部分がナノ細孔を形成することを明らかにした。さらに糖の種類を変えることで、球状の細孔だけでなくレイヤー状ナノ構造も形成できることを確認した。得られた材料は1155 m²/gの高い比表面積と1.00 cm³/gの細孔容積を示し、電極材料や触媒担体への応用が期待される。テンプレート剤や強酸・高温工程への依存を低減し、分子設計によってナノ構造を制御する省資源・省エネルギーな材料合成技術として発展が期待される。

精密設計した糖から一気にナノ構造体! -テンプレート剤フリーなナノ多孔質カーボン材料の合成法を開発-

<関連情報>

化学修飾糖を多機能前駆体として用いたナノ多孔質炭素材料の直接的かつテンプレートフリー合成 Chemically Modified Sugars as Multifunctional Precursors for Direct, Template-Free Synthesis of Nanoporous Carbonaceous Materials

Shiori Kubo;Joshua Philip Barham;Norihito Hiyoshi
Journal of the American Chemical Society  Published:August 12, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c16771

Abstract

Carbonaceous solids with pores in the nanometer domain are of great technological importance owing to their amenability to sorption/separation, catalysis, and electrochemical applications. Herein, we demonstrate that a simple yet targeted chemical modification of sugar, specifically the use of alkylated sucrose as a carbon precursor, leads to direct nanostructuring of carbonaceous solids and template-free production of porous carbonaceous solids via in situ pore formation (i.e., self-generation of pores) under a hydrothermal environment. Chemically modified sugars are multifunctional and programmable, allowing tuning of (i) self-assembly (due to amphiphilicity), (ii) carbonization (via condensation of the sugar backbone), and (iii) tail cleavage (via linker decomposition). The synthetic approach was further extended to the synthesis using another alkylated sugar precursor with a different sugar headgroup. Wet-laboratory synthesized fructose monolaurate yielded a layered carbonaceous nanostructure upon hydrothermal carbonization. Finally, the porous carbonaceous solid synthesized hydrothermally utilizing alkylated sucrose at a higher aqueous concentration exhibited a high specific surface area of 1155 m2 g–1 and a total pore volume of 1.00 cm3 g–1 with uniform, ∼32 nm-sized pores. Our demonstrated procedure presents advantages over the widely exploited, conventional templating method. It does not require sacrificial templates; hence, access to novel porous structures is not restricted by the availability and effectiveness of templates. Our precursor modification-based, direct one-step procedure is an attractive tool for precise yet flexible pore control and as a future resource- and energy-efficient approach toward nanoporous carbonaceous solids.

0501セラミックス及び無機化学製品
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