合理的な結晶構造制御方法の確立を目指した先駆的金属ナノ材料の研究

• 研究課題/領域番号: 18K14073
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分28010:ナノ構造化学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 草田 康平 京都大学, 理学研究科, 特定助教 (50741857)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 金属ナノ粒子 / 触媒 / 結晶構造制御 / 結晶構造

研究成果の概要

本研究期間内では、申請者はこれまで開発したfcc構造のRuの結晶構造メカニズムをX線吸収分光、X線回折法を用いて実験的に解明した。この結果を踏まえ、通常はhcp構造しか形成しないOsにおいても、同様にfcc構造を有するOsナノ粒子を初めて合成することに成功した。これは合成条件により結晶構造が制御できるという新たな例でもあり、本提案で掲げる、『結晶構造』が新たな自由度となり得ることを示した。また、合金系においても、PdRu固溶体合金において、fcc構造とhcp構造が主となるものを作製し、結晶構造が変化した結果、電気化学触媒反応において著しく耐久性が向上することも見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、バルクでは存在しない結晶構造を有する金属ナノ粒子の合理的な設計指針を確立し、結晶構造制御が物性に与える影響を調べることを目的とした。これまで、金属ナノ粒子開発には粒径や結晶面の制御など精密な制御が行われている。しかし、これらは、古くから築き上げられた金属状態図の範疇にあり、未だ材料設計に制限がある。本研究で得られた成果の金属ナノ粒子の結晶構造制御による物性開拓は世界でも報告例がなく、学術的にも極めて独自性が高い。結晶構造は物質の電子状態・表面構造に密接に関係するものであり、得られた新規物室は既存の物質とは全く異なる電子状態および物性を有し、新材料の創造的な設計に活用が可能である 。

研究成果

• [雑誌論文] Discovery of face-centred cubic Os nanoparticles (2020)
  • 著者名/発表者名: Wakisaka Takuo、Kusada Kohei、Yamamoto Tomokazu、Toriyama Takaaki、Matsumura Syo、Ibrahima Gueye、Seo Okkyun、Kim Jaemyung、Hiroi Satoshi、Sakata Osami、Kawaguchi Shogo、Kubota Yoshiki、Kitagawa Hiroshi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 号: 3 ページ: 372-374
  • DOI: 10.1039/c9cc09192k
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] New Aspects of Platinum Group Metal‐Based Solid‐Solution Alloy Nanoparticles: Binary to High‐Entropy Alloys (2020)
  • 著者名/発表者名: Kusada Kohei、Wu Dongshuang、Kitagawa Hiroshi
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 26 号: 23 ページ: 5105-5130
  • DOI: 10.1002/chem.201903928
  • 査読あり
• [雑誌論文] NMR-based gap behavior related to the quantum size effect (2020)
  • 著者名/発表者名: Okuno Tomonori、Manago Masahiro、Kitagawa Shunsaku、Ishida Kenji、Kusada Kohei、Kitagawa Hiroshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 12 ページ: 121406-121406
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.121406
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rational Synthesis for a Noble Metal Carbide (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Takuo, K. Kohei, W. Dongshuang, Y. Tomokazu, T. Takaaki, M. Syo, A. Hiroshi, Y. Osamu, I. Kazutaka, O. Toshiya, P. Natalia, C. Yanna, K. Loku S. R., S. Chulho, S. Osami, X. Wei, K. Michihisa, K. Yoshiki, K. Shogo, A. Ryan L., A. Susan M., A. Elvis F., N. Hiroshi, K. Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 号: 3 ページ: 1247-1253
  • DOI: 10.1021/jacs.9b09219
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Investigation of selective chemisorption of fcc and hcp Ru nanoparticles using X-ray photoelectron spectroscopy analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Gueye Ibrahima、Kim Jaemyung、Kumara L.S.R.、Yang Anli、Seo Okkyun、Chen Yanna、Song Chulho、Hiroi Satoshi、Kusada Kohei、Kobayashi Hirokazu、Kitagawa Hiroshi、Sakata Osami
  • 雑誌名: Journal of Catalysis 巻: 380 ページ: 247-253
  • DOI: 10.1016/j.jcat.2019.10.004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrogen in Palladium and Storage Properties of Related Nanomaterials: Size, Shape, Alloying, and Metal‐Organic Framework Coating Effects (2019)
  • 著者名/発表者名: Dekura Shun、Kobayashi Hirokazu、Kusada Kohei、Kitagawa Hiroshi
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 20 号: 10 ページ: 1158-1176
  • DOI: 10.1002/cphc.201900109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of high ORR activity through controlling local density-of-states by alloying immiscible Au and Ir (2019)
  • 著者名/発表者名: Kusada Kohei、Wu Dongshuang、Yamamoto Tomokazu、Toriyama Takaaki、Matsumura Syo、Xie Wei、Koyama Michihisa、Kawaguchi Shogo、Kubota Yoshiki、Kitagawa Hiroshi
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 10 号: 3 ページ: 652-656
  • DOI: 10.1039/c8sc04135k
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Correlation between the electronic/local structure and CO-oxidation activity of PdxRu1-x alloy nanoparticles (2019)
  • 著者名/発表者名: Song Chulho、Tayal Akhil、Seo Okkyun、Kim Jaemyung、Chen Yanna、Hiroi Satoshi、Kumara L. S. R.、Kusada Kohei、Kobayashi Hirokazu、Kitagawa Hiroshi、Sakata Osami
  • 雑誌名: Nanoscale Advances 巻: 1 号: 2 ページ: 546-553
  • DOI: 10.1039/c8na00305j
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Size effects on rhodium nanoparticles related to hydrogen-storage capability (2018)
  • 著者名/発表者名: Song Chulho、Yang Anli、Sakata Osami、Kumara L. S. R.、Hiroi Satoshi、Cui Yi-Tao、Kusada Kohei、Kobayashi Hirokazu、Kitagawa Hiroshi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 号: 22 ページ: 15183-15191
  • DOI: 10.1039/c8cp01678j
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal Structure-dependent Thermal Stability and Catalytic Performance of AuRu3 Solid-solution Alloy Nanoparticles (2018)
  • 著者名/発表者名: Zhang Quan、Kusada Kohei、Wu Dongshuang、Kawaguchi Shogo、Kubota Yoshiki、Kitagawa Hiroshi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 47 号: 4 ページ: 559-561
  • DOI: 10.1246/cl.180047
  • NAID: 130006638876
  • 査読あり
• [学会発表] Development of New Solid-Solution Alloy Nanoparticles for Catalytic Applications Based on Density-of-States Engineering (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohei Kusada, Dongshuang Wu, Tomokazu Yamamoto, Syo Matsumura, Wei Xie, Michihisa Koyama, Katsutoshi Sato, Katsutoshi Nagaoka and Hiroshi Kitagawa
  • 学会等名: Okinawa Colloids 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Development of New Solid-Solution Alloy Nanoparticles for Three-Way Catalytic Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohei Kusada
  • 学会等名: MRS Fall 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization and HER Catalytic Activity of Novel Rhodium Carbide (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuo Wakisaka, Kohei Kusada, Dongshuang Wu, Tomokazu Yamamoto, Syo Matsumura, Takaaki Toriyama, Wei Xie, Michihisa Koyama, Hiroshi Akiba, Osamu Yamamuro, Kazutaka Ikeda, Toshiya Otomo, Shogo Kawaguchi, Yoshiki Kubota, Hiroshi Kitagawa
  • 学会等名: The 99th CSJ Annual Meeting
• [学会発表] Phase-Controlled Metal NPs for Catalytic Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Kohei Kusada
  • 学会等名: The 4th Korea-Japan Joint Symposium on Hydrogen in Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Development of New Solid-Solution Alloy Nanoparticles for Catalytic Applications on the Basis of Density-of-States Engineering (2018)
  • 著者名/発表者名: Kohei Kusada
  • 学会等名: 2018 MRS Fall Meeting
  • 国際学会
• [図書] ハイエントロピー合金 (2020)
  • 著者名/発表者名: 乾 晴行
  • 総ページ数: 296
  • 出版者: 内田老鶴圃
  • ISBN: 9784753651375
• [図書] 現代化学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 草田康平、北川宏
  • 総ページ数: 80
  • 出版者: 株式会社 東京化学同人
• [産業財産権] 白金族多元系固溶体及びその製造方法並びに触媒及びその製造方法 (2019)
  • 発明者名: 北川宏、草田康平、Dongshuang Wu
  • 権利者名: 北川宏、草田康平、Dongshuang Wu
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-138940
  • 出願年月日: 2019