燃料電池材料開発を支える新たな放射光実験データベースを構築
～高品質な実験データ管理で加速するデータ駆動型材料研究～

2025年5月15日
高輝度光科学研究センター

【発表のポイント】

●燃料電池材料研究を支援する放射光実験データベース「FC-BENTEN」を構築
　→ 測定・分析手法の体系的な整理により、高品質なデータの効率的な管理・共有を実現
●メタデータ^※１設計と自動化ツールの導入により、データの再利用性・相互運用性を向上
　→ マテリアルズ・インフォマティクス（MI）^※２と連携に向けた基盤を整備
●実験データ活用の高度化により、高性能燃料電池材料の設計・開発を加速

高輝度光科学研究センターは、技術研究組合FC-Cubic、京都大学と共同で、大型放射光施設SPring-8における燃料電池材料の放射光実験分析データを体系的に収集・管理するためのデータベース「FC-BENTEN」を開発しました。本データベースは、NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の支援を受けて構築され、SPring-8で実施されるXAFS※３、HAXPES※４、XRD※５、PDF※６、SAXS※７の多様な放射光実験測定手法に対応しています。FC-BENTENでは、測定プロトコルやメタデータの形式・記述方法を整理・統一し、再現性の高い実験データの登録・検索・共有を可能にしました。また、将来的にはマテリアルズ・インフォマティクス（MI）との連携を視野に入れ、より高速で効率的な材料探索が可能となる基盤技術としての役割が期待されます。 なお、本データベースには一部、依頼元から提供された試料に関する非公開データも登録されていますが、今回発表した論文では、Pt系触媒の標準試料を用いた実験データのみを対象としており、材料提供者様の情報は含まれておりません。 本研究では、SPring-8のBL14B2、BL36XU、BL46XU、BL09XU、BL19B2、BL04B2、BL40B2のビームラインを使用しました。 本研究成果は、MDPI誌「Applied Sciences」に2025年4月3日付で掲載されました。 論文情報 雑誌名: MDPI Applied Sciences 題名 :FC-BENTEN: Synchrotron X-Ray Experimental Database for Polymer-Electrolyte Fuel-Cell Material Analysis 著者：松本 崇博、横田 滋、金子 拓真、Mayeesha Marium、金 制憲、渡邉 康裕、岩本 裕之、梅谷 啓二、宇留賀 朋哉、Albert Mufundirwa、水野 勇希、藤岡 大毅、宮澤 徹也、辻 拡和、内本 喜晴、松本 匡史、今井 英人、櫻井 吉晴 ※責任著者: 松本 崇博、櫻井 吉晴 DOI：10.3390/app15073931

【研究の背景】

燃料電池材料の開発においては、性能や耐久性を左右する複雑な構造や化学状態を高精度に評価することが求められます。特にSPring-8における放射光施設を活用した分析手法は、その詳細な情報取得に有効ですが、実験データの再現性確保や共有・活用のための体系的な仕組みはこれまで不十分でした。こうした状況の中、データの質と活用性を高め、マテリアルズ・インフォマティクス（MI）との連携も視野に入れたデータベースの整備が強く求められていました。

【今回の取り組み】

本研究では、燃料電池材料の研究開発を支援する放射光実験データベース「FC-BENTEN」を構築しました。XAFS、HAXPES、XRD、PDF、SAXSなど多様な放射光測定手法に対応し、メタデータの体系化と自動化された登録ツールにより、高品質なデータを効率的に管理・共有できる仕組みを実現しています。これにより、材料開発における分析プロセスの信頼性とデータ再利用性が飛躍的に向上しました。

【今後の展開】

本データベースでの取り組みを通じて得られた知見は、今後の燃料電池材料研究における実験データの蓄積や活用を考えるうえで、有用な手がかりとなると期待されます。今後は、情報科学的手法の活用なども視野に入れながら、データ駆動型材料研究の発展を支える基盤として、より効率的な材料研究を支援していくことが期待されます。

SPring-8に設置されたXAFS、HAXPES、XRD、PDF、SAXSなどの多様な放射光測定装置による実験データは、FC-BENTENデータベースに集約されます。データは、試料、測定、解析に関する一貫したメタデータとともに管理され、マテリアルズ・インフォマティクス（MI）との連携を可能にします。こうした高品質な実験データは、FC-Platform^※８における燃料電池（PEFC^※９）材料の評価・解析に活用され、例えばPt触媒の粒子径に関するXRDとSAXSの相関解析など、材料開発の加速に貢献します。

図2　FC-BENTENのウェブインターフェース。左側にディレクトリ構造を表示し、キーワード検索で目的のデータを素早く探せます。右側にはファイル一覧やプレビューが表示され、視覚的にデータ内容を確認できます。

【謝辞】

本成果はNEDOの「燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業」（プロジェクトトコード P20003）の助成を受けて実施されました。

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【用語解説】

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地球マントルの謎の溶融層の形成メカニズムを解明　

2025年5月8日
岡山大学
高輝度光科学研究センター

◆発表のポイント

・地球のマントルには410 kmの深さにある不連続面上に2重の低速度層がしばしば観察されますがその成因は謎でした。
・高圧下でマントルを構成するケイ酸塩物質に水を加えたものを溶かして重い球を落下させることで溶融物の粘性を決定したところ、異常に粘性が低いことが分かりました。
・モデル計算から、上昇するマントル対流の部分で水を含む溶融物が存在する場合に2重の低速度層を再現できることが分かりました。

岡山大学学術研究院先鋭研究領域・惑星物質研究所の芳野　極教授が参加する、日英仏米の国際的な科学者チームが、地球マントル深部に存在する謎めいた溶融層の成因を調査しました。Nature Communications誌（2025年4月4日）に掲載されたこの研究は、高圧科学技術先端研究センター（HPSTAR）とユニバーシティ・カレッジ・ロンドンに所属する岡山大学出身のロンジャン・シェ博士が主導しました。地球深部の水を含むケイ酸塩メルトの粘性測定から「メルト・ダブレット」と呼ばれる、地球の410 kmのマントル不連続面より上に位置する一対の溶融岩石層の形成過程を解明しました。岡山大学の高圧実験技術とSPring-8の強い放射光を用いて高温高圧下の含水ケイ酸塩溶融物（メルト）の粘性を測定し、モデル計算により、地球深部における溶融挙動がマントルのダイナミクスや水循環に及ぼす影響に関する謎を解き明かしました。この研究によりマントルの対流や化学進化への理解が進むことが期待されます。 論文情報 雑誌名: Nature Communications 題名 :Low melt viscosity enables melt doublets above the 410-km discontinuity 著者：Longjian Xie, Denis Andrault, Takashi Yoshino（芳野　極）, Cunrui Han, James O. S. Hammond, Fang Xu, Bin Zhao, Oliver T. Lord, Yingwei Fei, Simon Falvard, Sho Kakizawa（柿澤　翔）, Noriyoshi Tsujino（辻野　典秀）, Yuji Higo（肥後　祐司）, Laura Henry, Nicolas Guignot & David P. Dobson DOI：10.1038/s41467-025-58518-7

■発表内容

＜現状＞
地震探査により、マントル内でカンラン石から高圧相のワズレアイトへの遷移が起きる410km地震波不連続面^（1）の直上に低速度層が検出されています。これらの低速度層は、多くの場合、含水ケイ酸塩メルトに起因すると考えられており、厚さは30～100 kmとさまざまで、時には二重層として現れることがあります。これまでのモデルでは、高密度の溶融物が不連続面上に蓄積されることが示唆されていましたが、観測された二重の低速度層を説明することはできませんでした（図1b）。

＜研究成果の内容＞
研究チームは、大型放射光施設SPring-8^（2）（BL04B1）において高圧実験を実施し、410 km不連続面近傍の温度圧力環境を再現し、含水ケイ酸塩溶融体の粘性^（3）を測定しました。その結果、含水率の増加に伴い粘性が劇的に低下することが分かりました（図1a）。これらの含水メルトの非常に低い粘性は、マントル中を高速に移動することを可能にします。1次元シミュレーションによって、上昇するマントルにおける含水ワズレアイトの継続的な脱水溶融によって二層のメルト層が形成されることを明らかにしました（図1b）。興味深いことに、これらの層は、局所的な条件、特に密度差やプルーム^（4）の上昇する速度に応じて、単一の厚い層に融合することも、明確な二重層のまま残ることもあります。この挙動は、アラビア半島南部のアファー地域のマントルプルームシステムで観測される、単一の溶融層から分離された二重層への遷移を完璧に説明することができます。

＜社会的な意義＞
地球深部のマントルにおける溶融体の移動過程の解明は、火山システム、地表と内部間の深層水循環、そして惑星進化に関する理解に革命をもたらす可能性のある重要な知見を提供します。この研究成果は、地質災害の予測から新たな鉱物資源の発見に至るまで、幅広い応用が期待される、地球深部プロセスの次世代モデル開発の基盤となります。この画期的な成果は、地球のダイナミックな内部構造に関する将来の研究に刺激的な道を開くものです。

■研究資金

本研究は、独立行政法人日本学術振興会（JSPS）「科学研究費助成事業」（基盤S・21H04996研究代表：芳野極）、RCUK grants（NE/X009807, NE/T006617研究代表：David Dobson）の支援を受けて実施しました。また、本研究はSPring-8の課題番号2023A1109, 2024A1175で実施しました。ダイヤモンドシーリング技術は、フランスのソレイユにあるプシシェで、課題番号20230084、20220234、20211568、および20201203の支援を受けて開発されました。回収されたサンプルのトモグラフィーは、ClerVolcの2024年度ビジタープログラム（課題番号686）の支援を受けて実施されました。ダイヤモンドカプセルの製造は、英国王立協会の大学研究フェローシップ（UF150057）の形で部分的に支援されました。ビームタイムの実験準備は、岡山大学惑星物質研究所（IPM）の2023年度共同利用・共同研究拠点の支援を受けて行われました。

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【補足・用語説明】

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絶縁体の正体を暴く！
〜 磁気秩序の“指紋”を量子ビームで可視化 〜

2025年5月12日
甲南大学
大阪公立大学
大阪大学
理化学研究所
立命館大学
摂南大学
日本大学

研究成果のポイント

●光電子分光実験により、モット型・スレーター型絶縁体の識別を初めて実証：光電子分光^※１スペクトルに現れる特徴的な構造の変化から、反強磁性絶縁体がモット型かスレーター型^※2かを区別する新手法を確立しました。
●理論計算により非局所的応答の起源を解明し、実験を再現：LDA+DMFT法^※3を用いたシミュレーションにより、光電子放出時に起こる非局所的スクリーン効果の違いが、磁気秩序のタイプと対応することを理論的に明らかにしました。
●量子材料や省エネデバイス開発への応用に期待：絶縁体の性質を正確に見分けられる本手法は、スピントロニクスや量子情報処理に必要な機能性材料の探索・設計に役立つと期待されます。

甲南大学理工学部物理学科 山﨑篤志教授の研究グループは、大阪公立大学大学院工学研究科 播木敦准教授、大阪大学大学院基礎工学研究科 関山明教授、同大学 藤原秀紀助教、理化学研究所　放射光科学研究センター 玉作賢治チームリーダー、同研究所 濱本諭特別研究員、立命館大学 今田真教授、摂南大学 東谷篤志教授、日本大学 高瀬浩一教授、マサリク大学 Jan Kuneš教授などとの共同研究で、大型放射光施設SPring-8※4のビームラインBL19LXUにて量子ビーム※5の一種である放射光を利用した硬X線光電子分光（HAXPES）実験を行い、最新の電子構造計算手法（LDA+DMFT法）を組み合わせることで、物質が「モット型」か「スレーター型」か、という絶縁機構の違いを区別することに初めて成功しました。 モット型は電子同士の強い反発により絶縁化し、スレーター型は磁気秩序によってバンド構造が変化し絶縁性を示します（図１）。この違いは、次世代の低消費電力・高速動作を目指す電子デバイスや量子材料の設計において本質的な情報となります。また、今回の研究では、光電子分光という局所的な手法でありながら、非局所的なスピン相関や磁気秩序の情報を抽出できることを理論的・実験的に実証し、これまで困難だった量子材料の内部状態の診断に新しい道を拓きました。将来的には、高性能メモリ材料や量子コンピューティング素子の開発に寄与し、より快適で持続可能な社会の実現に貢献することが期待されます。 論文情報 雑誌名: Physical Review B 題名 :Fingerprints of Mott and Slater gaps in the core-level photoemission spectra of antiferromagnetic iridates 著者：K. Nakagawa、 A. Hariki、 T. Okauchi、 H. Fujiwara、 K.-H. Ahn、 Y. Murakami、 S. Hamamoto、 Y. Kanai-Nakata、 T. Kadono、 A. Higashiya、 K. Tamasaku、 M. Yabashi、 T. Ishikawa、 A. Sekiyama、 S. Imada、 J. Kuneš、 K. Takase、 and A. Yamasaki DOI：10.1103/PhysRevB.111.195114

【研究の背景】

遷移金属酸化物において絶縁性が現れるメカニズムには、電子間の強い相互作用による「モット機構」と、磁気秩序によってバンド構造が変化する「スレーター機構」が知られています。しかし、実際の物質においてこれらを実験的に区別することは難しく、広く普及している価電子帯光電子分光法では解明が困難でした（図2）。本研究では、互いに似た構造を持つSr₂IrO₄と Sr₃Ir₂O₇という2種類のイリジウム（Ir）酸化物をモデル物質として、内殻光電子分光実験を行い、スペクトルの温度変化を理論計算（LDA+DMFT）に基づき詳細に解析することで、スペクトル形状の変化がモット型かスレーター型かの“指紋”を持つことを明らかにしました（図3）。ここで“指紋”とは、非局所的な電荷応答（nonlocal screening）に由来するスペクトルの変化を意味します。これにより、これまで難しかった磁気秩序と絶縁化の起源の識別が可能になりました。

図1．スレーター絶縁体とモット絶縁体の概念図。図では、物質中の無数の価電子を水で表現し、電気伝導を担う電子を白い球で表しています。また、電子が収容されるエネルギーバンドを容器で表現しています。通常の金属（中央）では、バンドが途中まで電子で満たされているために電子が移動することができ、電流が流れます。一方、スレーター絶縁体（左）では、磁気秩序によりバンド構造が変化して電子によって完全に満たされたバンドと空になったバンドに分かれるため、移動できる電子がなくなります。モット絶縁体（右）では、電子間の反発によって電子はその場にとどまって動けなくなります。

図2．（上）モット絶縁体とスレーター絶縁体での電気的・磁気的性質とその温度変化。実験を行った2つの温度のうち高温側では、2つの物質の電気的性質が異なります。（左下・右下）電気的性質を調べる従来の手法である価電子帯光電子分光の結果。電気的性質の変化は結合エネルギーがゼロでの強度の変化として観測されることが期待されますが、Sr₂IrO₄とSr₃Ir₂O₇では温度の変化に対してスペクトルの変化がほとんど見られない（左下）か、温度上昇による外因的な影響に覆い隠されてしまい（右下）、これらの物質がモット型かスレーター型かを判断することは困難でした。

図3．（上）光電子分光実験の模式図と（下）重要な結果である2つのイリジウム酸化物（Sr₂IrO₄と Sr₃Ir₂O₇）が常磁性を示す300K（摂氏27度）と反強磁性を示す100K（摂氏マイナス173度）での光電子スペクトル、および、その差分スペクトル。モット絶縁体であるSr₂IrO₄では肩構造A付近での差分スペクトル強度（緑線）が負であるのに対して、スレーター絶縁体であるSr₃Ir₂O₇では正になっており、明確に区別することができます。

【共同研究における各研究機関の役割】

甲南大学：硬X線光電子分光実験、データ解析、論文執筆（責任著者）
大阪公立大学：高精度電子構造計算コード開発および同計算実施、論文執筆
大阪大学、立命館大学、摂南大学：硬X線光電子分光実験手法開発および同実験実施
理化学研究所：高輝度X線ビームラインおよびX線光学系開発
日本大学：高純度単結晶試料の作製および評価

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【用語解説】

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放射光のあらゆる表情を一括撮影
～アンジュレータからの放射パターンの全体像を世界ではじめてエネルギーごとに可視化～

2025年4月30日
高輝度光科学研究センター
理化学研究所

高輝度光科学研究センター（JASRI）研究DX推進室の工藤統吾特任研究員、分光イメージング推進室の鈴木伸司研究員、ビームライン光学技術推進室の佐野睦主幹研究員、糸賀俊朗主幹研究員、回折・散乱推進室の増永啓康主幹研究員（技術担当）、ビームライン光学技術推進室の後藤俊治特別嘱託研究職員、理化学研究所放射光科学研究センターの高橋直上級技師らのグループは、大型放射光施設SPring-8[※1]のBL03XUにおいて、ダイヤモンド薄膜とシリコンドリフト検出器（SDD）[※2]を用いることで、放射光X線ビームの詳細なプロファイルを可視化する新しい測定法を開発することにはじめて成功しました。 特に、フロントエンドスリット（FES）[※3]スキャンを用いることでビームの可視化に成功したことは、アンジュレータ[※4]による放射パターンを広範囲に観察する上で画期的な成果です。このような方法でFESの上流の放射パターンを可視化した例は過去にありません。 また逆にピンホールを取り付けたSDDのほうをスキャンして測定することで、エネルギー分解された光軸の精密な計測が可能であることを示しました。この測定法は、アンジュレータ放射光のビーム中心を、アンジュレータ上下流に設置された偏向電磁石からの漏洩光の影響を受けることなく、正確に決定することを可能にします。 本研究成果は、放射光施設のビームラインの初期アライメントの効率化に貢献することが期待されます。また、現在計画が進められているSPring-8-II計画の光源(注1)における放射光ビーム診断への応用も期待されます。 今回の研究成果は、国際科学雑誌、「Journal of Synchrotron Radiation」オンライン版に4月22日に掲載されました。 論文情報 雑誌名: Journal of Synchrotron radiation 題名 :Method for visualizing detailed profiles of synchrotron X-ray beams using diamond-thin films and silicon drift detectors 著者：Togo Kudo, Shinji Suzuki, Mutsumi Sano, Toshiro Itoga, Hiroyasu Masunaga, Shunji Goto and Sunao Takahashi DOI：10.1107/S1600577525002838

【研究の背景】

従来、アンジュレータ放射光の正確なビーム中心の決定は、偏向電磁石からの放射光の混入によって困難でした。各国の放射光施設では、この問題を解決するために、アンジュレータギャップ値ごとのX線ビーム位置モニター（XBPM）による測定値の補正や、偏向電磁石からの放射光の混入を最小限に抑えるためのマグネット配置のなどの対策が導入されています。しかし、このようにビームモニター技術が進歩しているにもかかわらず、偏向電磁石からの放射光の混入を完全に無くすことは依然として難しいのが現状です。そのため、X線ビーム中心を正確に決定するための新しい方法が求められていました。研究グループは、この問題を解決するためにエネルギー分解能を有する2次元検出器を用いたピンホールカメラ^[※5]型ビームモニターが有効であることを明らかにしてきました^(注2)。この方法を推し進め、更に検出器のエネルギー分解能を向上させることで、より詳細なビーム形状の情報を得ることができると予想しました。

【研究内容と成果】

本研究では、薄いダイヤモンド膜を散乱体として使用し、シンクロトロン放射ビームの詳細なプロファイルを可視化する方法を開発しました。
まず、フロントエンドスリット（FES）を0.4 mm×0.4 mmの開口で2次元スキャンすることにより、固定位置に配置したSDDを使用してエネルギー分解能イメージを取得することに成功しました（図１,図３,図４,図５）。これらの画像から、FES上流の前置スリット（開口φ4 mm）を通過後の広範囲のアンジュレータ放射分布が計測され、SPECTRA^[※6](注3)による計算機シミュレーションと良好に一致しました。このような測定はこれまで行われておらず、本研究の重要な成果の一つです。
次に、FESは固定位置のままで、ダイヤモンド膜を通過したX線をピンホールカメラの原理で結像し、SDDの二次元スキャンで測定しました（図２）。この構成により、FESによって整形された1.5 mm×1.5 mmの開口サイズ内のピンクX線ビームの各エネルギーレベルでの放射パターン分布を可視化することで、ビーム中心を正確に決定することが可能になりました（図６）。
これらの方法では、従来のアプローチでの大きな問題であった周辺の偏向電磁石からの放射光の混入（数％）がエネルギー分解により0.01％以下に抑制されることで効果的に排除され、真のビーム中心を直接かつ高精度に決定できます。

【今後の展開】

本研究で開発された測定法は、放射光施設のビームラインの初期アライメントの効率化に貢献することが期待されます。また今後、2次元検出器や多素子SDDを用いることで、より高速なビーム位置の測定や光源の安定化フィードバックへの応用が期待されます。また、現在計画が進められているSPring-8-II計画における光源の放射光ビーム診断・制御への応用も期待されます。

図１　広視野X線ビームモニターのセットアップ図。 図の左から放射光（SR beam）が入射し、FES（フロントエンドスリット）を通って、ダイヤモンド薄膜を通過する。散乱光はピンホールを通り、SDD（シリコンドリフト検出器）で検出される。

図２　光軸計測X線ビームモニターのセットアップ図。図1とは異なり、ピンホールが2つの構成となっている。

図３　1次光のビーム形状(a)～(d)は検出したX線のエネルギーの違いを示す。

図４　2次光のビーム形状

図５　3次光のビーム形状

図６　高空間分解能型ビームモニターシステムによるビーム画像

注1）H.Tanaka et,al., Journal of Synchrotron Radiation 31 (2024) 1420-1437.
注2）T. Kudo, M. Sano, T. Itoga, T. Matsumoto and S. Takahashi, Journal of Synchrotron Radiation 29 (2022) 670-676.
注3）Tanaka, T. (2021). Journal of Synchrotron Radiation 28, 1267-1272.

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【用語解説】

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