白井研究室致力于创造“为人们生活作出贡献的陶瓷”。我们着眼于粉体和陶瓷表面与界面上发生的化学反应，利用微波和机械化学反应所形成的特殊反应场，开发在低温、短时间、节能条件下合成功能材料的工艺。研究对象涵盖环境净化催化剂、发光材料、能源材料乃至建筑材料，以“从茶到宇宙”为关键词开展广泛的研究。
关键词陶瓷工程／材料表面化学／陶瓷制备工艺／机械化学／微波化学
相关SDGs6 清洁饮水和卫生设施／7 经济适用的清洁能源／9 产业、创新和基础设施／11 可持续城市和社区／12 负责任消费和生产
微波能够从物质内部选择性地快速加热，形成常规加热无法获得的“热非平衡”反应场。本课题组利用2.45 GHz单模微波辐照装置和微波等离子体，开发了在数分钟内于二氧化钛颗粒表面引入氧缺陷和纳米碳包覆层的方法。由此创制出可在可见光和近红外光下工作的非化学计量比二氧化钛、氧化钨、氧化钼系光催化剂，并推进其在水净化及水分解制氢中的应用。我们还结合液相多元醇法开展铂纳米颗粒的快速合成等金属纳米颗粒的结构控制研究。
代表论文：Sci. Rep. 9, 4900 (2019)／Scripta Mater. 177, 157 (2020)／ACS Appl. Nano Mater. 5, 4305 (2022)／ACS Appl. Mater. Interfaces (2024)
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利用球磨等方式施加于粉体的机械能会扰乱粉体表面结构，即使在室温下也能成为推动化学反应的驱动力。我们利用这种机械化学反应，开发了由氢倍半硅氧烷（(HSiO1.5)n）合成发光硅纳米颗粒（SiNPs@SiO2）的方法。无需高温热处理和有害试剂，即可根据粒径将发光颜色从红色调控至蓝色。此外，我们还将其拓展到氢钨青铜和钙钛矿材料的固相合成、煤灰及羟基磷灰石的表面活化等节能材料工艺。
代表论文：J. Mater. Chem. C 10, 12588 (2022, Front Cover)／RSC Mechanochem. 5, 641 (2025)／Ceram. Int. 50, 20790 (2024)
挥发性有机化合物（VOC）是导致光化学氧化剂和PM2.5的大气污染物，其分解一直依赖铂、钯等昂贵的贵金属催化剂。本课题组发现，作为骨骼和牙齿主要成分的羟基磷灰石（HAp）无需负载贵金属即可完全分解VOC，并在世界上首次阐明了其反应机理。通过控制晶体生长使活性晶面（a面、c面）暴露，以及利用机械化学处理进行表面活化，大幅提升了催化性能。我们还致力于将其成型为兼具“载体”与“催化剂”功能的多孔环境净化过滤器，以及利用废弃骨骼制备的HAp。
代表论文：Catal. Sci. Technol. 10, 5453 (2020)／Sci. Rep. 11, 7512 (2021)／J. Ceram. Soc. Jpn. 133, 220 (2025)
为了使氧化铝等本为绝缘体的陶瓷具备导电功能，我们开发了如下方法：通过“凝胶注模成型”使含有单体和交联剂的浆料在模具中凝胶化成型，并在还原气氛烧结时将其中的有机成分转化为纳米碳。纳米碳在晶界连续形成，从而得到迁移率比传统制备方法高20倍的半导电复合材料。在采用脉冲电流烧结制备的石墨／氧化铝复合材料中，还成功实现了p型与n型半导体特性的分别调控。该方法还应用于强磁场成型制备晶体取向陶瓷以及多孔隔热材料。
代表论文：J. Eur. Ceram. Soc. 39, 1730 (2019)／J. Adv. Ceram. 11, 523 (2021)／J. Eur. Ceram. Soc. 44, 1864 (2023)
我们将鱼鳞等生物质以及燃煤电厂产生的粉煤灰等工业副产物转化为高附加值的功能材料。仅需用微波对鱼鳞进行数秒钟的热解，便成功合成出具有世界最高发光效率（量子产率约40%）的碳纳米洋葱，并展示了其在柔性发光膜和LED中的应用。此外，我们通过机械化学处理活化粉煤灰表面，利用其与碱溶液的化学反应使其固化，致力于确立“无水泥混凝土”技术并阐明其强度形成机理。我们还开展由稻壳灰合成SiC、铝渣资源化，以及从碳纤维增强塑料（CFRP）中回收碳纤维的固体催化剂开发等研究。
代表论文：Green Chem. 24, 3969 (2022, Back Cover)／Ceram. Int. 49, 34327 (2023)／Adv. Powder Technol. 36, 104910 (2025)／Green Chem. (2026)
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根据阿尔忒弥斯计划等，预计到2040年前后月面将有千人规模的载人驻留。从地球向月球运送物资的成本据称约为每公斤1亿日元，因此就地利用月球资源的“原位资源利用（ISRU）”技术不可或缺。本课题组正在开发利用微波加热覆盖月面的玄武岩质砂土“月壤（风化层）”，使其熔融烧结而制成建材的技术。通过多步精确设计真空下的微波加热，在相对密度约70%的烧结体中实现了约65 MPa的抗压强度，达到世界顶尖水平。我们以将其用于运输道路、火箭起降场的铺装材料以及居住设施的防护层为目标，并挑战低重力环境下的性能评价。
代表论文：Sci. Rep. 14, 28231 (2024)
“同样的茶，茶具不同，味道也不同。”为了科学验证这一说法，我们研究了绿茶儿茶素在织部釉、伊罗保釉、海鼠釉、透明釉等陶瓷釉面上的变化。结果在世界上首次发现，釉料中所含铜、铁、钴等过渡金属氧化物起到催化作用，使儿茶素选择性地分解和聚合。在茶杯中，绿茶甚至可能转化为接近红茶或乌龙茶的成分。目前，我们正通过控制釉料的组成与结构来研究其对香气成分的影响，致力于日本传统陶瓷技术与茶文化的新发展。
代表论文：Sci. Rep. 13, 10507 (2023)
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陶瓷粉体的性质在很大程度上取决于颗粒表面仅数纳米厚的层的状态。本课题组的原点，正是细致“观察”粉体表面的研究。我们利用程序升温脱附质谱（TPD-MS）和漫反射红外光谱（DRIFT）等手段，评价了市售高纯α-氧化铝粉末表面存在的水合物与吸附物层，以及四配位铝离子等配位不饱和位点，阐明了粉末制备工艺的不同会使表面的水合难易程度产生很大差异。此外，我们还阐明了氮化铝（AlN）粉末在潮湿空气中水解劣化的机理与反应动力学。
进一步，我们积极利用颗粒表面的水合反应，开发了利用微波促进水合反应、使颗粒相互结合的无粘结剂氧化铝成型方法。这些表面表征的知识——包括与行星球磨机械表面活化相结合的非烧成陶瓷，以及球磨处理对粉体水合行为影响的阐明——构成了我们当前机械化学与微波工艺研究，以及富含五配位铝的非晶氧化铝催化剂研究的基础。
代表论文：Sci. Technol. Adv. Mater. 6, 123 (2005)／J. Ceram. Soc. Jpn. 114, 286 (2006)／J. Ceram. Soc. Jpn. 114, 415 (2006)／J. Am. Ceram. Soc. 89, 937 (2006)／J. Am. Ceram. Soc. 90, 4026 (2007)／J. Ceram. Soc. Jpn. 120, 438 (2012)／Ceram. Int. 50, 20790 (2024)
