2022 Fiscal Year Research-status Report
Surface modification and adding functionality of nanoparticles by gas phase synthesis process
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22K04871
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
日原 岳彦 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60324480)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / 燃料電池 / 触媒 / ナノコンポジット / 交換結合 / Pt / Ce / FePt |
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| Outline of Annual Research Achievements |
気相合成プロセスのプラズマ・ガス凝縮法により作製したナノ粒子混合堆積と粒子界面の制御による機能付与を目的として、以下の研究を実施した。
（１）コア・シェル粒子の作製と燃料電池電極触媒特性の評価では、Pt/Ce複合ナノ粒子を作製し、カソード電極触媒に適用したときの固体高分子形燃料電池の出力電力特性を評価した。触媒性能に大きなばらつきが見られたが、Pt組成の増加に伴い触媒性能が向上する傾向があること、XRDの結果よりCe組成の大きい試料ではCeOxのピークが観測され、Pt/CeOxナノ粒子における粒子表面のCeOx比によって触媒性能が変化することを見いだした。I-P測定結果によると、触媒性能は表面組成に強く依存している。生成されたCeOxは、その表面エネルギーの差からナノ粒子表面に偏在していると考えられるが、表面のPtとCeOxの組成比の違いによって触媒性能に差が生じていることが判明した。
（２）軟磁性と硬磁性のナノ粒子混合堆積膜から成る交換結合磁石のモデル物質の作製と磁気特性評価では、 Fe-Co/Fe-Co-Ptナノコンポジット薄膜を作製した。交換結合を制御するため、バイアス電圧Va=1～5 kVを基板ホルダーに印加した。Va=1～2 kVでは、粒子間の交換結合が強まり、磁化曲線の肩が消滅することが確認された。しかし、Va = 3～5 kVでは、熱処理時に粒子が凝集して粒径が増加した結果、保磁力が減少した。そこで、熱処理時の粒径の増加を抑えるため、RTA処理（Rapid Thermal Anneal：短時間熱処理）を行った。磁化曲線の結果より、昇温速度75 ℃/minの試料において最大の保磁力が得られた。本研究で得られた試料のうち最大エネルギー積が最も大きな試料は、基板バイアスVa = 2 kVかつ熱処理温度700℃の試料で、その値は2.3 MGOeであった。
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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
（１）コア・シェル粒子の作製と燃料電池電極触媒特性の評価では、当初計画のPt/Ceナノ粒子を作製し、カソード電極触媒としての特性を評価し、前述の成果を得た。比較的早期に結果が得られ、Pt/Ceナノ粒子に関しては研究目的を達成したと判断したため、次の段階として、Pt/Gd複合ナノ粒子の触媒機能評価の研究に着手した。Pt/Gd複合ナノ粒子の触媒性能は、Pt組成が増加するにつれて向上しており、特に13at%Gdで最も高い触媒性能を示した。一般的に、粒径が小さくなると、触媒の比表面積が増加し、触媒性能が向上するが、Pt/Gd複合ナノ粒子では、粒径が４nmより小さくなると、触媒性能が低下する結果となった。これは、合金化による触媒性能と酸素種との結合エネルギーの変化に起因すると考えられる。XRDの結果から、Ptよりも原子半径の大きいGdを添加したことによる格子の膨張が確認され、これに伴う電子状態の変化と、粒径の変化に伴う酸素との結合エネルギーの変化が、触媒性能を向上させたと考えられる。
（２） Fe-Co/Fe-Co-Ptナノコンポジット磁石の研究は、こちらも実績の概要に記述したように、当初目的の基板バイアスによるナノ粒子の体積分率制御を試み、磁性層間の交換結合を最適化する研究を実施し成果を得た。次のステップとして、熱処理時の粒径の増加を抑えるためのRTA処理（Rapid Thermal Anneal：短時間熱処理）による規則化熱処理の最適化を調査する研究を開始した。
以上、こちらも当初の研究目的を達成し、次の段階に研究を進ませることができたため、当初の計画以上に研究が進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
「現在までの進捗状況」で記述したとおり、本研究課題は当初計画以上に進展していることから、申請時の研究計画と並行して、研究遂行中に着想を得た研究を実施する。
（１）コア・シェル粒子の作製と燃料電池電極触媒特性の評価では、バルブメタルと呼ばれる４、５族遷移金属の酸化物に注目している。バルブメタルの酸化物は、Ptよりも酸性下での耐久性に優れていることが知られている。さらに、DFT計算によりPt-Nb合金が高い触媒性能を持つことが報告されている。Nb酸化物とPtの複合ナノ粒子を、気相合成法のプラズマ・ガス凝縮クラスター堆積装置で作製し、ナノ粒子の形状、構造解析をするとともに、カソード触媒性能のO/Nb比依存性を調べることを計画している。
（２）硬磁性/軟磁性ナノ粒子堆積膜によるナノコンポジット磁石の研究では、L10-FePt以外の硬質磁性ナノ粒子の研究を実施したい。第一原理計算によると、Fe16N2にTaやWを加えた化合物相では、磁気異方性が飛躍的に向上することがImran Khan等により報告されている。例えば、Fe14W2N2の最大エネルギー積はネオジム磁石に匹敵する54.5[MGOe]であり、一軸異方性は、Fe16N2の0.57 MJ/m^3に対し、約5倍の2.68 MJ/m^3である。軟磁性と硬磁性のナノ粒子混合堆積膜から成る交換結合磁石のモデル物質の研究を継続しながら、新規硬磁性ナノ粒子として、Fe14W2N2あるいはFe14Ta2N2合成の可能性を検討するため、メカニカルミリングを使用した合成を試みる。具体的な合成法として、塩化アンモニウムや硝酸アンモニウムを窒素源としたメカノケミカル法を計画している。合成可能なことが判明した場合、気相合成法によるFe14W2N2ナノ粒子の合成に着手する。
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| Causes of Carryover |
本研究課題では、（１）コア・シェル粒子の作製と燃料電池電極触媒特性の評価、及び（２）Fe-Co/Fe-Co-Ptナノコンポジット磁石の研究の２つを設定しているが、両研究とも予定以上の進捗が見られた。これは、研究指導学生の能力にも依存するが、効率の良い実験を計画し、消費した原材料と基板材料が予定より少なかったこと、コロナ禍の影響により学会や研究会のハイブリッド化により、旅費が予定よりも少なかったためである。このように、次年度使用額が発生したが、当初計画よりも着実に研究は進展し、研究の進捗には影響はなかった。
申請時の当初研究費よりも多くなった経費は、申請時の研究計画と並行して、研究遂行中に着想を得た以下の研究を実施することに使用する。「今後の研究の推進方策」で述べたように、（１）コア・シェル粒子の作製と燃料電池電極触媒特性の評価では、バルブメタルと呼ばれる４、５族遷移金属の酸化物に注目してて研究を実施する。また、（２）硬磁性/軟磁性ナノ粒子堆積膜によるナノコンポジット磁石の研究では、Fe16N2にTaやWを加えた化合物相の合成を試みる。このとき、当初計画にはなかったニオブ、タングステン、タンタル、並びに窒素供給源となる試薬類等の原材料を購入する費用として次年度使用額を充てる予定である。
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Research Products
(12 results)
