状態密度エンジニアリングによる新規合金ナノ粒子の創製と機能開拓

• Project/Area Number: 18J23021
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Inorganic chemistry
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 小林 佳吾 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 金属ナノ粒子 / 軽元素 / 希土類元素 / パラジウム / ホウ素

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、従来遷移金属を中心に探索が行われてきた新規合金ナノ粒子の研究に、新たに軽元素および希土類元素という選択肢を追加し、さらに自由度の高いナノ材料の設計・開発を行うことを目的としている。本研究では軽元素としてホウ素を選択した。前年度までに、ナノサイズでのみ報告されている合金相であるPd-Ru合金ナノ粒子をボラン/THF錯体溶液で処理し、ホウ素との反応によってPd-Ru合金ナノ粒子が相分離することなくホウ素と合金化し、未報告の非晶質Pd-Ru-B合金相を形成することを発見した。また、この非晶質合金相は合成後、数週間から数か月程度のタイムスケールで分解し、ホウ素が脱離してPd-Ru合金ナノ粒子に戻っていくことも併せて見出された。
今年度は前年度までにPd-Ru-B合金ナノ粒子について得られた結果を論文としてまとめ、国際誌に投稿、査読を経て掲載された。また、新たなホウ素合金ナノ粒子の開拓を目指し、以前に発見していたCu-Pd-B合金ナノ粒子のキャラクタリゼーションを行った。Cu-Pd-B合金ナノ粒子の合成法としてはPd-Ru-B合金ナノ粒子のそれに則り、液相還元法で作製したCu-Pd合金ナノ粒子をボラン/THF錯体溶液で処理した。合成直後の試料は非晶質構造の形成を示すブロードな回折パターンを示したが、数時間程度のタイムスケールでホウ素が脱離し結晶性構造に変化していく挙動が確認された。結晶化後の試料もCu-Pd合金ナノ粒子に比べ回折ピークの低角度シフトが認められ、ホウ素が格子間隙に残留していることが示唆され、これは電子顕微鏡観察によって実証された。
また前年度から引き続き、希土類元素と遷移金属による合金ナノ粒子の合成にも取り組んだ。PtとCeとの合金化を目指したが、合成の結果Ptナノ粒子とCeO2クラスターのナノコンポジット体を得るにとどまり、合金化は確認できなかった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cu-Pd-B Alloy Nanoparticles Synthesized by External Boron Doping Method (2021)
  • Author(s): Kobayashi Keigo、Kusada Kohei、Kobayashi Hirokazu、Yamamoto Tomokazu、Toriyama Takaaki、Matsumura Syo、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 50 Issue: 4 Pages: 611-614
  • DOI: 10.1246/cl.200861
  • NAID: 130008025782
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystalline to amorphous transformation in solid-solution alloy nanoparticles induced by boron doping (2020)
  • Author(s): Kobayashi Keigo、Kusada Kohei、Wu Dongshuang、Ogiwara Naoki、Kobayashi Hirokazu、Haruta Mitsutaka、Kurata Hiroki、Hiroi Satoshi、Seo Okkyun、Song Chulho、Chen Yanna、Kim Jaemyung、Tayal Akhil、Sakata Osami、Ohara Koji、Honma Tetsuo、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 56 Issue: 85 Pages: 12941-12944
  • DOI: 10.1039/d0cc05418f
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coating of 2D Flexible Metal-Organic Frameworks on Metal Nanocrystals (2019)
  • Author(s): Naoki Ogiwara, Hirokazu Kobayashi, Keigo Kobayashi, Tomokazu Yamamoto, Takaaki Toriyama, Syo Matsumura, Hiroshi Kitagawa
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 48 Issue: 2 Pages: 173-176
  • DOI: 10.1246/cl.180931
  • NAID: 130007590678
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Synthesis and Structural Transformation of Ternary Alloy Nanoparticles Containing Boron: Pd-TM-B (2021)
  • Author(s): Keigo Kobayashi, Kohei Kusada, Dongshuang Wu, Naoki Ogiwara, Hirokazu Kobayashi, Mitsutaka Haruta, Hiroki Kurata, Tomokazu Yamamoto, Takaaki Toriyama, Syo Matsumura, Satoshi Hiroi, Okkyun Seo, Chulho Song, Yanna Chen, Jaemyung Kim, Akhil Tayal, Osami Sakata, Koji Ohara, Tetsuo Honma, Hiroshi Kitagawa
  • Organizer: 日本化学会第101回春季年会
• [Presentation] ホウ素の導入による新規金属ナノ構造体の発現 (2018)
  • Author(s): 小林佳吾，小林浩和，草田康平，Wu Dongshuang，前里光彦，林幹大，山本知一，吉岡聰，松村晶，鳥山誉亮，杉山武晴，河口彰吾，久保田佳基，中西寛，北川宏
  • Organizer: ナノ学会第16回大会
• [Presentation] Novel Nanostructures Induced by Introduction of Boron into Palladium-based Metal Nanoparticles (2018)
  • Author(s): Keigo Kobayashi, Hirokazu Kobayashi, Kohei Kusada, Dongshuang Wu, Mitsuhiko Maesato, Mikihiro Hayashi, Tomokazu Yamamoto, Satoru Yoshioka, Syo Matsumura, Takaaki Toriyama, Takeharu Sugiyama, Shogo Kawaguchi, Yoshiki Kubota, Hiroshi Nakanishi, Hiroshi Kitagawa
  • Organizer: Asian Symposium on Nanoscience and Nanotechnology 2018
  • Int'l Joint Research