2018 Fiscal Year Annual Research Report
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15H05757
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山元 公寿 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (80220458)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山下 建 (アルブレヒト建) 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (50599561) [Withdrawn]
神戸 徹也 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (00733495)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | サブナノ粒子 / 超原子 / 金属集積 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの成果を踏まえ、超原子の創製と機能解明に向けて、さらなる新しい元素へ展開し、新たな物質群を開拓した。当該年度の交付申請記載した計画項目ごとに記述する。
１. サブナノ白金粒子（5－10原）構造の解明 ― これまでの研究の推進により5－10原子の白金サブナノ粒子の合成に成功した。STEMにより5－10原子の白金サブナノ粒子の動的な観察にも成功している。具体的には、高分解能TEMを用いて、電子線によりサブナノ粒子を崩し、原子をカウントして原子数を決定できた。これらの結果より、従来想定した静的な構造ではなく、動的な揺らぎを持った構造を取ることが初めて明らかとなった。数多くのサブナノ白金粒子の動的観察を行い、解析のためのデータを収集した。膨大な収集データをもとに、相関係数を用いた統計的な解析により動的な構造解析する新たな手法を開発した。
２．サブナノ粒子（超原子）の探索と機能解明 ― 新たにGa13, Ga3, Pt10を発見した事実に基づき、これらの構造と特異物性の解明を実施した。ガリウム13原子サブナノ粒子はアニオン状態として存在することを明らかにした。同族のアルミニウム13原子サブナノ粒子と同じく、ハロゲン類似の特性を確認できた。さらに、ビスマス金属は反磁性であるが、ビスマスサブナノ粒子はサブナノ粒子にすることにより、磁性を示すことを初めて見出した。
３.超原子機能の実証 ― Pt19, Pt10, (SnO2)12など次々と高性能な触媒が見つかってきている。サブナノ白金粒子の特性を調べるため、もっとも単純反応である水素還元をプローブに触媒機能を電気化学的に調べた。興味あることに8原子以下で特異的な機能が発現することを突き止めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本基盤研究では、当初の研究計画・方法として ①精密無機合成プロセス「精密金属集積合成法」の確立、②新物質群「超原子」創製、の項目を挙げて、無機ナノ材料の新領域を拓くことを目的としていた。３０年度までに順調に進展し以下の成果が得られた。
１. 精密金属集積合成法の確立
サブナノ粒子群の精密合成のため、 (a)専用デンドリマーリアクター法、(b)特異集積法、(c) 環状錯体鋳型法のテンプレート手法を新たに開拓し、2-30原子までの制御を可能としている。さらに新たな手法として、 (d) サブナノ粒子合成のバリエーションの拡張を目指し還元カプセル法も提案できた。
２. 新物質群「超原子」創製
新しいタイプのデンドリマーを鋳型として塩化アルミニウムを13原子精密に集積し、還元によりAl13－の液相化学合成に成功した (Nature Commun. 2017)。新聞や雑誌にもとりあげられ注目をされている。このほか、同族のガリウム13原子サブナノ粒子の合成にも成功し、ハロゲン類似の特性を示すことを確認した。Pt8, Pt9, Pt10の白金サブナノ粒子の水素添加反応に対する原子数の特異性を確認している。Pt10のみが高い活性を示した(Nature Commun. 2017)。このほか、白金サブナノ粒子によるトルエンのバルク酸素酸化反応を確立し、市販白金触媒に比べ40倍以上高い触媒活性を見出している。 (SnO2)12触媒によりCO酸化が低温領域で進行することを見出した(JACS, 2018)。サブナノ粒子全般で予想外の特性（超原子化）を見出しており、難易度の高い環状アルカンの酸素酸化反応も見出している。今後、新しい高性能環境触媒としての発展が期待される。金属集積については既に60元素の集積に成功し、クラスター合成に着手、サブナノ新物質群としてライブラリー化を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで初期では探索型の幅広い研究展開、中盤では確実に成果を出すための選択と集中を実行する推進方策をとってきたが、最終年度を迎えるため、まとめの段階に入ったと判断する。本研究は超原子の創製と機能解明に向けて、新しい物質群を開拓することを主目的としているので、これまで発見した超原子と機能を確実に取りまとめ論文出版をするために、追加の実験を行う。
計画では、対象とする元素も幅広く設定をしていたが、取りまとめのため、これまでの成果を踏まえて、絞り込みを行う。Al, Ga, Biの超原子を発見したことから、典型元素にしぼり、追加の実験を実施する。典型元素は価電子数が明確で、結合も共有結合性が強いため、設計と安定性が確保できると判断できる。新しく開発した方法により予想以上の原子数のサブナノ粒子の精密合成も可能となり、従来にはないシングル原子数のサブナノ粒子特性の解明についても取りまとめを行う。このためにも、機能物性解明は従来まで基礎知見の多い、白金を中心とする。元素の組み合わせは無限大にあるわけであるが、原子数の精密制御と機能を確実にするためにも、まずは、単一元素を中心にまとめる。
研究は順調に進んでおり、当初の計画外の成果も得られている。以上から、成果を確実に質高くアピールするためにも、研究対象の選択と集中は行う。大幅に研究計画を変更する必要もない。
当初の計画にない新しい成果を次のプロジェクトにつなげるため、成果をアピールするとともに、数多くの異分野の専門家らと議論して新しい連携体制を構築するように心がける。
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