精密元素配合によるサブナノ機能コアの開拓

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 22H04507
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University (2023); Tokyo Institute of Technology (2022)
• Principal Investigator: 神戸 徹也 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (00733495)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 金属クラスター / 精密無機合成 / 鋳型高分子 / サブナノ粒子 / 精密合成 / クラスター / 精密元素配合 / デンドリマー

Outline of Research at the Start

本研究では、物質をサブナノサイズに微小化することにより、機能コアとしての構造欠陥を持つサブナノ粒子を設計して合成する。その物性を多角的に解明し精密合金サブナノ粒子としての新たな材料を開拓する。
上記研究を行うにあたり、デンドリマーを鋳型とした機能コアのための精密なサブナノ粒子合成手法を開発する。特に非対称デンドリマーを用いることで1原子レベルでの金属の配合を行い機能化させる。得られるサブナノサイズの機能材料は既存材料における機能発現部位を選択的に抽出したものに相当するため、様々に提唱されている次世代材料が機能発現する要因に対して実験的に研究することで新材料を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、秩序だった周期構造である結晶とは異なる金属構造をサブナノサイズの粒子として化学的に合成する。そして、合成した金属粒子の物性や機能の解明により、バルクやナノ粒子とは異なる機能を開拓する。本課題を遂行するにあたり、デンドリマーなどの分子鋳型を用いた原子数制御法を発展させた。これは高分子に金属塩を精密に錯形成させる手法であり、鋳型の設計により１原子を制御できる精密集積法を開発した。また合成したクラスターの構造を規定するための配位子保護も検討した。
スズクラスターへの鉄１原子の配合手法を見出した。この１原子配合したクラスターは近赤外領域で発光することが明らかとなった。また、この精密元素配合手法を発展させることで、白金とガリウムとの集積順の入れ替えに成功し、様々な比率でのPt/Ga合金粒子の合成に成功した。得られたクラスターの構造を電子顕微鏡により観察し、1原子の違いによりクラスターの構造が劇的に変化することを見出した。また、合成した合金サブナノ粒子の機能評価を系統的に行うための、高密度での担持安定化手法も開発した。こうした原子数の制御に加え、配位子の導入手法も開拓し、サブナノ粒子の配位子による構造規定手法を見出した。
高密度での担持安定化手法の開発により、サブナノ粒子の触媒機能を解明した。これまでの鋳型合成したサブナノ粒子の担持では金属量が少なく、電気化学的な基質酸化反応の活性は定量が困難であった。新たに開発した高密度の担持手法により、サブナノ粒子のアルコールに対する酸化触媒活性の評価が可能となった。また、白金とガリウムの合金クラスターの機能解明も検討し、特定の配合比において低温でCOの酸素酸化反応が進行することを見出した。
このように本研究では原子数や構造を規定した様々な機能材料の開拓を行い、物性と機能を明らかにした。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Electrochemical C(sp3)-H Functionalization Using Acetic Acid as a Hydrogen Atom Transfer Reagent (2024)
  • Author(s): Morii Yuma、Watanabe Taito、Saga Yutaka、Kambe Tetsuya、Kondo Mio、Masaoka Shigeyuki
  • Journal Title: ChemElectroChem Volume: 0 Issue: 10
  • DOI: 10.1002/celc.202400061
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synthesis and functionalities of FeSn₁₂ superatom prepared by single atom introduction with a dendrimer template (2024)
  • Author(s): Muramatsu Hisanori、Kambe Tetsuya、Tsukamoto Takamasa、Kuzume Akiyoshi、Hosono Reina、Imaoka Takane、Yamamoto Kimihisa
  • Journal Title: Chemistry A European Journal Volume: 30 Issue: 20
  • DOI: 10.1002/chem.202400060
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical bottom-up approach for inorganic single-atomic layers aiming beyond graphene (2023)
  • Author(s): T. Kambe, H. Nishihara, K. Yamamoto
  • Journal Title: Dalton Trans. Volume: 52 Issue: 42 Pages: 15297-15302
  • DOI: 10.1039/d3dt01636f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atom hybridization of metallic elements: Emergence of subnano metallurgy for the post-nanotechnology (2023)
  • Author(s): Imaoka Takane、Kuzume Akiyoshi、Tanabe Makoto、Tsukamoto Takamasa、Kambe Tetsuya、Yamamoto Kimihisa
  • Journal Title: Coordination Chemistry Reviews Volume: 474 Pages: 214826-214826
  • DOI: 10.1016/j.ccr.2022.214826
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Controlled Synthesis of Au25 Superatom Using a Dendrimer Template (2022)
  • Author(s): Muramatsu Hisanori、Kambe Tetsuya、Tsukamoto Takamasa、Imaoka Takane、Yamamoto Kimihisa
  • Journal Title: Molecules Volume: 27 Issue: 11 Pages: 3398-3398
  • DOI: 10.3390/molecules27113398
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Precisely Controlled Structures Containing Main Group Elements for Preparing Superatoms (2022)
  • Author(s): Kambe Tetsuya、Yamamoto Kimihisa
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 51 Issue: 9 Pages: 966-970
  • DOI: 10.1246/cl.220291
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 主要族元素を含むサブナノおよびナノ構造体の精密合成と機能 (2022)
  • Author(s): 神戸徹也、田辺真、葛目陽義、山元公寿
  • Journal Title: Bull. Jpn. Soc. Coord. Chem. Volume: 80 Pages: 68-71
• [Presentation] Analysis of dendrimer template effect in ligand-protected Au cluster synthesis (2024)
  • Author(s): Hisanori Muramatsu, Tetsuya Kambe, Takamasa Tsukamoto, Takane Imaoka, Kimihisa Yamamoto
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会
• [Presentation] Bottom-up Chemical Synthesis of Single Layers with Boron Network (2023)
  • Author(s): Tetsuya Kambe
  • Organizer: 2023 JSPS-EPSRC Workshop on 2D conjugated MOFs and coordination nanosheets
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ホウ素からなる単原子層構造の構築と液晶機能 (2023)
  • Author(s): 神戸徹也
  • Organizer: 第72回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] 単原子層配列した二次元ホウ素による無機液晶の開発 (2023)
  • Author(s): 神戸徹也
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ホウ素による二次元単層高分子の構築と無機液晶機能 (2023)
  • Author(s): 神戸徹也
  • Organizer: 液晶化学・材料研究フォーラム講演会
  • Invited
• [Presentation] 精密無機合成による低次元材料の開発 (2023)
  • Author(s): 神戸徹也
  • Organizer: 赤外線利用技術研究会
  • Invited
• [Presentation] デンドリマー錯体から合成したチオール保護Auクラスターにおけるデンドリマーの効果 (2023)
  • Author(s): 村松央教, 神戸徹也, 塚本 孝政, 今岡享稔, 山元公寿
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] アルキル鎖保護デンドリマーによる白金サブナノ粒子の合成 (2023)
  • Author(s): 木下平頼,神戸徹也,吉田将隆,塚本孝政,今岡享稔,山元公寿
  • Organizer: 錯体化学会 第 73回討論会
• [Presentation] デンドリマーを用いたチオール保護Auクラスター合成の検討 (2023)
  • Author(s): 村松 央教、神戸 徹也、塚本 孝政、今岡 享稔、山元 公寿
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] ビスマスサブナノ粒子の加水分解法による精密合成 (2023)
  • Author(s): 那部寛晃, 神戸徹也, 塚本孝政, 今岡享稔, 山元公寿
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] GaPt合金サブナノ粒子の精密合成とCO触媒機能 (2023)
  • Author(s): 内山真理子、神戸徹也、李美佳、塚本孝政、今岡享稔、山元公寿
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] Superatomic gallium cluster in dendrimer (2022)
  • Author(s): T. Kambe, T. Tsukamoto, T. Imaoka, K. Yamamoto
  • Organizer: ICPAC 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] New method for synthesis of Au25SR18 by dendrimer template (2022)
  • Author(s): Hisanori MURAMATSU, Tetsuya KAMBE, Takamasa TSUKAMOTO, Takane IMAOKA, Kimihisa YAMAMOTO
  • Organizer: 錯体化学会 第72回討論会
• [Presentation] Synthesis of gallium/platinum alloy sub-nanoparticles using dendrimers (2022)
  • Author(s): Mariko Uchiyama, Tetsuya Kambe, Meijia Li, Takamasa Tsukamoto, Takane Imaoka, Kimihisa Yamamoto
  • Organizer: ACCC8
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] デンドリマー型精密集積錯体によるGa/Pt合金サブナノ粒子の合成と触媒機能開拓 (2022)
  • Author(s): 内山真理子、神戸徹也、李美佳、塚本孝政、今岡享稔、山元公寿
  • Organizer: 第72回 錯体化学討論会
• [Presentation] デンドリマー錯体を利用したAu25(SR)18超原子の合成 (2022)
  • Author(s): 村松 央教, 神戸 徹也, 塚本 孝政, 今岡 享稔, 山元 公寿
  • Organizer: 第16回分子科学討論会2022 横浜
• [Remarks] 正岡研究室 神戸徹也
  • URL: http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/masaoka_lab/kambe/kambe.html
• [Remarks] 山元・今岡研究室 研究成果
  • URL: http://www.res.titech.ac.jp/~inorg/achievement/
• [Remarks] ORCID Tetsuya Kambe
  • URL: https://orcid.org/0000-0002-9216-2693