東北大学研究者紹介

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イノウエ　カズトシ

井上　和俊

Kazutoshi Inoue

所属

高等研究機構材料科学高等研究所　数学連携グループ

職名

准教授

学位

博士（理学）（東北大学）
修士（理学）（東北大学）

researchmap

https://researchmap.jp/198765947385792

J-GLOBAL ID

201701005711519672

所属学協会 3

日本物理学会
日本数学会
日本金属学会

研究キーワード 3

界面
結晶学
粒界

研究分野 1

ナノテク・材料 / 金属材料物性 /

受賞 1

論文賞

2019年6月　日本顕微鏡学会　Mathematical Analysis and STEM Observations of Arrangement of Structural Units in <001> Symmetrical Tilt Grain Boundaries

論文 32

Enhanced ferromagnetism in an artificially stretched lattice in quasi-two-dimensional Cr2Ge2Te6

Hiroshi Idzuchi, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Anh Khoa Augustin Lu, Mitsuhiro Saito, Subhadip Das, John F. Ribeiro, Michel Houssa, Ruishen Meng, Kazutoshi Inoue, Xing-Chen Pan, Katsumi Tanigaki, Yuichi Ikuhara, Takeshi Nakanishi, Yong P. Chen

Physical Review B　2025年1月7日

DOI： 10.1103/PhysRevB.111.L020402 　
Reduction of (100)-Faceted CeO₂ for Effective Pt Loading

Akira Yoko, Haodong Wang, Ko Furuya, Daiki Takahashi, Gimyeong Seong, Takaaki Tomai, Anatoly I. Frenkel, Mitsuhiro Saito, Kazutoshi Inoue, Yuichi Ikuhara, Tadafumi Adschiri

Chemistry of Materials　2024年5月21日
出版者・発行元： American Chemical Society (ACS)
DOI： 10.1021/acs.chemmater.4c00627 　

ISSN：0897-4756

eISSN：1520-5002
Synthesis of Ultrahigh-Purity (6,5) Carbon Nanotubes Using a Trimetallic Catalyst

Satoru Shiina, Tennpei Murohashi, Koyo Ishibashi, Xing He, Takashi Koretsune, Zheng Liu, Wataru Terashima, Yuichiro K. Kato, Kazutoshi Inoue, Mitsuhiro Saito, Yuichi Ikuhara, Toshiaki Kato

ACS Nano　2024年

DOI： 10.1021/acsnano.4c01475 　

ISSN：1936-0851

eISSN：1936-086X
Prominent Structural Dependence of Quantum Capacitance Unraveled by Nitrogen‐Doped Graphene Mesosponge

Rui Tang, Alex Aziz, Wei Yu, Zheng‐Ze Pan, Ginga Nishikawa, Takeharu Yoshii, Keita Nomura, Erin E. Taylor, Nicholas P. Stadie, Kazutoshi Inoue, Motoko Kotani, Takashi Kyotani, Hirotomo Nishihara

Small　2023年12月6日
出版者・発行元： Wiley
DOI： 10.1002/smll.202308066 　

ISSN：1613-6810

eISSN：1613-6829

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Abstract Porous carbons are important electrode materials for supercapacitors. One of the challenges associated with supercapacitors is improving their energy density without relying on pseudocapacitance, which is based on fast redox reactions that often shorten device lifetimes. A possible solution involves achieving high total capacitance (C_tot), which comprises Helmholtz capacitance (C_H) and possibly quantum capacitance (C_Q), in high‐surface carbon materials comprising minimally stacked graphene walls. In this work, a templating method is used to synthesize 3D mesoporous graphenes with largely identical pore structures (≈2100 m² g⁻¹ with an average pore size of ≈7 nm) but different concentrations of oxygen‐containing functional groups (0.3–6.7 wt.%) and nitrogen dopants (0.1–4.5 wt.%). Thus, the impact of the heteroatom functionalities on C_tot is systematically investigated in an organic electrolyte excluding the effect of pore structures. It is found that heteroatom functionalities determine C_tot, resulting in the cyclic voltammetry curves being rectangular or butterfly‐shaped. The nitrogen functionalities are found to significantly enhance C_tot owing to increased C_Q.
Edge‐Site‐Free and Topological‐Defect‐Rich Carbon Cathode for High‐Performance Lithium‐Oxygen Batteries 国際誌

Wei Yu, Takeharu Yoshii, Alex Aziz, Rui Tang, Zheng‐Ze Pan, Kazutoshi Inoue, Motoko Kotani, Hideki Tanaka, Eva Scholtzová, Daniel Tunega, Yuta Nishina, Kiho Nishioka, Shuji Nakanishi, Yi Zhou, Osamu Terasaki, Hirotomo Nishihara

Advanced Science　10　(16)　e2300268　2023年4月7日
出版者・発行元： Wiley
DOI： 10.1002/advs.202300268 　

ISSN：2198-3844

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The rational design of a stable and catalytic carbon cathode is crucial for the development of rechargeable lithium-oxygen (LiO2 ) batteries. An edge-site-free and topological-defect-rich graphene-based material is proposed as a pure carbon cathode that drastically improves LiO2 battery performance, even in the absence of extra catalysts and mediators. The proposed graphene-based material is synthesized using the advanced template technique coupled with high-temperature annealing at 1800 °C. The material possesses an edge-site-free framework and mesoporosity, which is crucial to achieve excellent electrochemical stability and an ultra-large capacity (>6700 mAh g-1 ). Moreover, both experimental and theoretical structural characterization demonstrates the presence of a significant number of topological defects, which are non-hexagonal carbon rings in the graphene framework. In situ isotopic electrochemical mass spectrometry and theoretical calculations reveal the unique catalysis of topological defects in the formation of amorphous Li2 O2 , which may be decomposed at low potential (∼ 3.6 V versus Li/Li+ ) and leads to improved cycle performance. Furthermore, a flexible electrode sheet that excludes organic binders exhibits an extremely long lifetime of up to 307 cycles (>1535 h), in the absence of solid or soluble catalysts. These findings may be used to design robust carbon cathodes for LiO2 batteries.
粒界構造の階層性に関する数理的記述

井上和俊, 小谷元子, 幾原雄一

表面と真空　66　(3)　146-151　2023年3月10日
出版者・発行元：公益社団法人日本表面真空学会
DOI： 10.1380/vss.66.146 　

ISSN：2433-5835 2433-5843

eISSN：2433-5843
Capacitance of edge-free three-dimensional graphene: New perspectives on the design of carbon structures for supercapacitor applications

Rui Tang, Keita Nomura, Kazutoshi Inoue, Motoko Kotani, Takashi Kyotani, Hirotomo Nishihara

Electrochimica Acta　429　2022年10月10日

DOI： 10.1016/j.electacta.2022.141009 　

ISSN：0013-4686
Oxygen atom ordering on SiO<inf>2</inf>/4H-SiC {0001} polar interfaces formed by wet oxidation

Mitsuhiro Saito, Hongping Li, Kazutoshi Inoue, Hirofumi Matsuhata, Yuichi Ikuhara

Acta Materialia　221　2021年12月

DOI： 10.1016/j.actamat.2021.117360 　

ISSN：1359-6454
Surfactant-mediated morphology evolution and self-assembly of cerium oxide nanocrystals for catalytic and supercapacitor applications

Xiaodong Hao, Shuai Zhang, Yang Xu, Liangyu Tang, Kazutoshi Inoue, Mitsuhiro Saito, Shufang Ma, Chunlin Chen, Bingshe Xu, Tadafumi Adschiri, Yuichi Ikuhara

Nanoscale　13　(23)　10393-10401　2021年6月21日
出版者・発行元： Royal Society of Chemistry (RSC)
DOI： 10.1039/d1nr01746b 　

ISSN：2040-3364

eISSN：2040-3372
Arrangement of polyhedral units for [0001]-symmetrical tilt grain boundaries in zinc oxide

Kazutoshi Inoue, Ji Young Roh, Kazuaki Kawahara, Mitsuhiro Saito, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

Acta Materialia　212　2021年6月15日

DOI： 10.1016/j.actamat.2021.116864 　

ISSN：1359-6454
Anataselike Grain Boundary Structure in Rutile Titanium Dioxide

Georg Schusteritsch, Ryo Ishikawa, Abdul Razak Elmaslmane, Kazutoshi Inoue, Keith P. McKenna, Yuichi Ikuhara, Chris J. Pickard

Nano Letters　21　(7)　2745-2751　2021年4月

DOI： 10.1021/acs.nanolett.0c04564 　

ISSN：1530-6984

eISSN：1530-6992
Atomistic origin of high-concentration Ce³⁺ in {100}-faceted Cr-substituted CeO<inf>2</inf> nanocrystals 査読有り

Xiaodong Hao, Akira Yoko, Kazutoshi Inoue, Yang Xu, Mitsuhiro Saito, Chunlin Chen, Gimyeong Seong, Takaaki Tomai, Seiichi Takami, Alexander L. Shluger, Bingshe Xu, Tadafumi Adschiri, Yuichi Ikuhara

Acta Materialia　203　2021年1月15日
出版者・発行元： Elsevier BV
DOI： 10.1016/j.actamat.2020.11.015 　

ISSN：1359-6454
3D arrangement of atomic polyhedra in tilt grain boundaries 査読有り

Kazutoshi Inoue, Kazuaki Kawahara, Mitsuhiro Saito, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

Acta Materialia　202　(1)　266-276　2021年1月1日
出版者・発行元： Elsevier BV
DOI： 10.1016/j.actamat.2020.10.017 　

ISSN：1359-6454
Analysis of the hierarchy of grain-boundary structural units 査読有り

Kazutoshi Inoue, Mitsuhiro Saito, Kazuaki Kawahara, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

マス・フォア・インダストリ研究　15　67-74　2019年11月
Strong metal–metal interaction and bonding nature in metal/oxide interfaces with large mismatches 査読有り

Hongping Li, Mitsuhiro Saito, Chunlin Chen, Kazutoshi Inoue, Kazuto Akagi, Yuichi Ikuhara

Acta Materialia　179　237-246　2019年10月15日

DOI： 10.1016/j.actamat.2019.08.018 　

ISSN：1359-6454
Nanodomain Structures in a Strained Batio3 Film Detected Using Picoscale Cation Displacement Measurements 査読有り

S. Kobayashi, K. Inoue, T. Kato, Y. Ikuhara, T. Yamamoto

AMTC Letters　6　10-11　2019年6月
新たな原子構造をもつ第四の固体物質ー周期性と非周期性が共存する一次元規則結晶の発見査読有り

井上和俊, 斎藤光浩, 幾原雄一

化学　74　(7)　12-15　2019年6月
Determination of the structure and properties of an edge dislocation in rutile TiO<inf>2</inf> 査読有り

Emile Maras, Mitsuhiro Saito, Kazutoshi Inoue, Hannes Jónsson, Yuichi Ikuhara, Keith P. McKenna

Acta Materialia　163　199-207　2019年1月15日

DOI： 10.1016/j.actamat.2018.10.015 　

ISSN：1359-6454
Ceramic phases with one-dimensional long-range order 査読有り

Deqiang Yin, Chunlin Chen, Mitsuhiro Saito, Kazutoshi Inoue, Yuichi Ikuhara

Nature Materials　18　(1)　19-23　2019年1月1日

DOI： 10.1038/s41563-018-0240-0 　

ISSN：1476-1122

eISSN：1476-4660
Atomic-Scale Valence State Distribution inside Ultrafine CeO<inf>2</inf> Nanocubes and Its Size Dependence 査読有り

Xiaodong Hao, Akira Yoko, Chunlin Chen, Kazutoshi Inoue, Mitsuhiro Saito, Gimyeong Seong, Seiichi Takami, Tadafumi Adschiri, Yuichi Ikuhara

Small　14　(42)　2018年10月18日

DOI： 10.1002/smll.201802915 　

ISSN：1613-6810

eISSN：1613-6829
Direct Imaging for Single Molecular Chain of Surfactant on CeO<inf>2</inf> Nanocrystals 査読有り

Xiaodong Hao, Chunlin Chen, Mitsuhiro Saito, Deqiang Yin, Kazutoshi Inoue, Seiichi Takami, Tadafumi Adschiri, Yuichi Ikuhara

Small　14　(31)　2018年8月2日

DOI： 10.1002/smll.201801093 　

ISSN：1613-6810

eISSN：1613-6829
Direct Determination of Atomic Structure and Magnetic Coupling of Magnetite Twin Boundaries 査読有り

Chunlin Chen, Hongping Li, Takehito Seki, Deqiang Yin, Gabriel Sanchez-Santolino, Kazutoshi Inoue, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara

ACS Nano　12　(3)　2662-2668　2018年3月27日

DOI： 10.1021/acsnano.7b08802 　

ISSN：1936-0851

eISSN：1936-086X
Multiphase nanodomains in a strained BaTiO<inf>3</inf> film on a GdScO<inf>3</inf> substrate 査読有り

Shunsuke Kobayashi, Kazutoshi Inoue, Takeharu Kato, Yuichi Ikuhara, Takahisa Yamamoto

Journal of Applied Physics　123　(6)　2018年2月14日

DOI： 10.1063/1.5012545 　

ISSN：0021-8979

eISSN：1089-7550
Atomic-Scale Origin of the Quasi-One-Dimensional Metallic Conductivity in Strontium Niobates with Perovskite-Related Layered Structures 査読有り

Chunlin Chen, Deqiang Yin, Kazutoshi Inoue, Frank Lichtenberg, Xiuliang Ma, Yuichi Ikuhara, Johannes Georg Bednorz

ACS Nano　11　(12)　12519-12525　2017年12月26日

DOI： 10.1021/acsnano.7b06619 　

ISSN：1936-0851

eISSN：1936-086X
Structure of Tilt Grain Boundaries from Mathematical Perspective 査読有り

Kazutoshi Inoue, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

九州大学マス・フォア・インダストリ研究所レクチャーノート　2017年12月
整数論的手法による粒界原子構造予測査読有り

井上和俊, 斎藤光浩, 小谷元子, 幾原雄一

まてりあ　56　(10)　589-596　2017年10月
出版者・発行元：公益社団法人日本金属学会
DOI： 10.2320/materia.56.589 　

ISSN：1340-2625
Structure of ⟨ 110 ⟩ -tilt boundaries in cubic zirconia 査読有り

Kazutoshi Inoue, Bin Feng, Naoya Shibata, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

Journal of Materials Science　52　(8)　4278-4287　2017年4月

DOI： 10.1007/s10853-016-0682-1 　

ISSN：0022-2461

eISSN：1573-4803
Mathematical analysis and STEM observations of arrangement of structural units in 〈001〉 symmetrical tilt grain boundaries 査読有り

Kazutoshi Inoue, Mitsuhiro Saito, Chunlin Chen, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

Microscopy　65　(6)　479-487　2016年12月1日

DOI： 10.1093/jmicro/dfw034 　

ISSN：2050-5698

eISSN：2050-5701
Interfacial atomic structure of twisted few-layer graphene 査読有り

Ryo Ishikawa, Nathan R. Lugg, Kazutoshi Inoue, Hidetaka Sawada, Takashi Taniguchi, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara

Scientific Reports　6　2016年2月18日

DOI： 10.1038/srep21273 　

ISSN：2045-2322

eISSN：2045-2322
数理的手法による電子顕微鏡像の解析と構造予測査読有り

Kazutoshi Inoue, Chunlin Chen, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

まてりあ　55　(12)　582-582　2016年
出版者・発行元：公益社団法人日本金属学会
DOI： 10.2320/materia.55.582 　
On the periodicity of {001} symmetrical tilt grain boundaries 査読有り

Kazutoshi Inoue, Mitsuhiro Saito, Zhongchang Wang, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

Materials Transactions　56　(3)　281-287　2015年

DOI： 10.2320/matertrans.M2014394 　

ISSN：1345-9678

eISSN：1347-5320
The decomposition formula of 001 symmetrical tilt grain boundaries 査読有り

Kazutoshi Inoue, Mitsuhiro Saito, Zhongchang Wang, Motoko Kotani, Yuichi Ikuhara

Materials Transactions　56　(12)　1945-1952　2015年

DOI： 10.2320/matertrans.M2015277 　

ISSN：1345-9678

eISSN：1347-5320

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共同研究・競争的資金等の研究課題 4

マルチスケール粒界理論の構築による新材料開拓

井上和俊

2022年～ 2028年

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結晶同士の界面である粒界の原子構造と機能特性との間には、深い相関性があります。本研究では、幾何学および整数論に基づく原子論的アプローチにより、すべての粒界構造を普遍的に記述する理論を完成させ、原子構造予測を効率化します。さらに、微分幾何学に基づくメソスケール粒界理論の構築により、多結晶体の機能予測に挑みます。そして双方の粒界理論を統合し、粒界構造を制御した材料設計指針の確立に貢献します。
粒界数理学の構築に基づく機能材料創出

井上和俊

2021年4月1日～ 2025年3月31日

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金属・酸化物等から構成される機能材料は多結晶体として用いられ, 種々の格子欠陥が材料の機能特性に多大な影響を及ぼすことが知られている. 特に粒界構造を系統的に記述することは重要であるが, 傾角粒界近傍の原子構造は従来二次元構造ユニット配列で記述されてきた. 一方, 結晶の三次元構造は特定の多面体によって充填されることが知られているが, 粒界近傍を充填する場合, 母結晶の多面体を歪ませた多面体の他に, 粒界由来の多面体が存在する. 本研究では, 面心立方金属の[001]傾角・捩り粒界の幾何学モデル, および粒間並進モデルを系統的に構築し, 第一原理計算により各構造の粒界エネルギーを求めた. また, 剛体球充填モデルを採用し, 原子位置についてのボロノイ分割に基づき, 各ボロノイ頂点に挿入しうる球の最大半径(ボイド半径)を求めた. 各構造における最大のボイド半径と最安定構造の粒界エネルギーを比較した結果, それらがよく相関することが分かった. 剛体並進により系全体のボイドサイズを平均化し, さらに局所的に原子位置を最適化すること最安定構造が得られることが推測される. また, 対応方位関係は回転軸と回転角を与えることによって決定するが, 異なる回転軸・回転角から同一の粒界を構成できる場合があるため既存の分類法では重複が生じる. 本研究では, 整数論的手法を用いて対応方位関係における整合結晶面を決定することで, 任意の対応粒界に適用出来る粒界分類法を構築した.
離散・位相幾何学的手法による界面構造予測と粒界指標の確立

井上和俊

2017年～ 2020年

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離散および位相幾何学的手法を基軸とした純粋数学的手法と,原子分解能走査透過電子顕微鏡法・第一原理計算の融合により, 粒界現象の背後に潜む数理構造を抽出します.これにより,安定粒界構造および粒界現象の根本原理を解明し,既存の粒界幾何学理論を超えた新たな粒界原子構造の幾何学を構築します.そして機能予測に有効な粒界構造指標を提案し,多結晶体の機能特性の系統的予測に取り組みます.
幾何学的手法に基づくランダム粒界構造の解明

井上和俊, 斎藤光浩, 王中長, 幾原雄一, 小谷元子

提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

研究機関：Tohoku University

2015年4月1日～ 2018年3月31日

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対称傾角粒界の構造と有理数の一対一対応を用いて粒界最安定構造を系統的に解析した. また, 傾角粒界に存在する階層構造をファレイ数列によって記述した. これにより, 指数の大きな傾角粒界であってもファレイ数列を用いることで構造ユニットの配列を精度よく推定することが出来る. このとき, 転位間隔は原子の離散性を反映して準周期の一部を実現する. 参照構造は粒界エネルギーだけでは決定することができず, 現状としては実験および理論計算により適切に特定しなければならない. 今後, 参照構造の決定条件および粒界最安定原子構造を決定する根源的な理論の構築が望まれる.