白金ナノ構造の超強度化による凝集抑制技術の確立と省エネルギー化社会への展開

• 研究課題/領域番号: 19H02489
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26060:金属生産および資源生産関連
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 加藤 知香 静岡大学, 理学部, 教授 (00360214)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円); 2023年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2022年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2020年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2019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: ポリオキソメタレート / 白金 / 焼成処理 / ナノ粒子 / 凝集抑制 / 光触媒 / 水素生成 / 再利用 / パラジウム / バイメタル化合物 / アルミニウムポリオキソカチオン / 触媒 / 省エネルギー / コロイド粒子 / 白金ナノ粒子

研究開始時の研究の概要

白金ナノ粒子の凝集抑制技術は，白金が実装された装置やモジュールのコンパクト化・省エネルギー化・省資源化を可能にする重要な技術であるが，担体表面への担持技術の改良だけでは，凝集抑制効果は不十分である。
本研究では，単核・多核白金サイトを有するポリオキソタングステート化合物を新規合成し，それらを担体表面へ固定化-高温焼成処理することで，高強度化白金ナノ粒子-ポリオキソタングステート構造体を創製する。白金ナノ粒子を取り囲むポリオキソタングステート部位の「分子壁効果」を利用することで，極限環境でも長期的に白金機能を利用できる革新的白金凝集抑制技術を確立する。

研究成果の概要

リンおよびケイ素中心のケギン型二核白金(II)配位ポリオキソタングステートを空気中，700℃～900℃で加熱処理することにより，2種類の白金-タングステート構造体が得られた。種々のキャラクタリゼーションより，リン中心の化合物を加熱処理することで得た固体中の白金粒子径は数ナノオーダーを維持しており，700℃以上の高温加熱処理下でも優れた白金凝集抑制効果が発現することが分かった。加熱処理により得た固体を助触媒として用い，可視光照射下でのトリエタノールアミン水溶液からの水素生成実験を実施したところ，高い光触媒活性を示した。光触媒反応後の固体の回収・再利用が可能であることも確認した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

白金凝集抑制技術の開発は固体表面への白金種の担持条件の検討を中心に進められてきたが，厳しい作動環境下での凝集抑制は十分ではなく，従来とは異なるアプローチからの技術開発が求められてきた。これに対し我々は，ポリオキソタングステートを無機配位子として用いることで，700℃～900℃という高温加熱処理条件下でも白金ナノ粒子が数ナノオーダーを維持できる白金凝集抑制技術を開発した。本技術は合成化学的アプローチによる新技術であり，学術的意義が高いだけでなく，白金が実装された装置やモジュールのコンパクト化・省エネルギー化・省資源化への貢献が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Coordination of Palladium(II) and Platinum(II) Complexes to One Vacant Site in an α-Keggin-type Polyoxotungstate (2022)
  • 著者名/発表者名: Chika Nozaki Kato, Shuto Ishigaki, Ryota Kasai, Takayuki Mizuno, Kosuke Suzuki
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 61 号: 25 ページ: 9445-9453
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c00203
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two Tungstates Containing Platinum Nanoparticles Prepared by Air-Calcining Keggin-type Polyoxotungstate-Coordinated Diplatinum(II) Complexes: Effect on Sintering-Resistance and Photocatalysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Chika Nozaki Kato, Toshiya Kubota, Koki Aono, Naoto Ozawa
  • 雑誌名: Catalysis Letters 巻: - 号: 9 ページ: 2553-2563
  • DOI: 10.1007/s10562-021-03843-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Syntheses, Molecular Structures, and Countercations-induced Structural Transformation of Monomeric α-Keggin-type Polyoxotungstate-coordinated Mono- and Di-palladium(II) Complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Chika Nozaki Kato, Ippo Nakahira, Ryota Kasai, Shigeki Mori
  • 雑誌名: European Journal of Inorganic Chemistry 巻: 2021 号: 19 ページ: 1815-1821
  • DOI: 10.1002/ejic.202100075
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal Treatment of a Keggin-Type Diplatinum(II)-Coordinated Polyoxotungstate: Formation of Hydrophilic Colloidal Particles and Photocatalytic Hydrogen Production (2020)
  • 著者名/発表者名: Chika Nozaki Kato, Koki Aono, Akihiro Kurihara, Toshiya Kubota, Ryota Kasai, Kosuke Suzuki
  • 雑誌名: European Journal of Inorganic Chemistry 巻: 2020 号: 41 ページ: 3917-3924
  • DOI: 10.1002/ejic.202000638
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis, X-Ray Crystal Structure, and Photochromism of a Sandwich-type Mono-aluminum Complex Composed of Two Tri-lacunary α-Dawson-type Polyoxotungstates (2019)
  • 著者名/発表者名: Chika Nozaki Kato, Daichi Kato, Toshifumi Kashiwagi, Shunpei Nagatani
  • 雑誌名: Materials 巻: 12 号: 15 ページ: 2383-2395
  • DOI: 10.3390/ma12152383
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ケギン型アルミニウムポリオキソカチオンを介したケギン型二核白金種配位ポリオキソメタレートの酸化チタンへの担持と光触媒活性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 庄司勇太・小澤尚斗・小川陽央・加藤知香
  • 学会等名: 錯体化学会第73回討論会
• [学会発表] パラジウム-白金バイメタルサイトを有するケギン型ポリオキソメタレートを助触媒とした可視光照射下での水からの水素生成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平 智輝・石垣 秋斗・嵩井 陵太・杉浦 生・加藤 知香
  • 学会等名: 錯体化学会第73回討論会
• [学会発表] ケギン型二核白金種配位ポリオキソメタレート担持酸化チタンの調製と光触媒活性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小澤尚斗・加藤知香・小川陽央・庄司勇太
  • 学会等名: 第53回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
• [学会発表] パラジウム-白金バイメタルサイトを有するケギン型ポリオキソメタレートの合成と溶液中での安定性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石垣秋斗・水野貴之・嵩井陵太・加藤知香
  • 学会等名: 第72回錯体化学討論会
• [学会発表] パラジウム-白金バイメタルサイトを有するケギン型ポリオキソメタレートの合成とキャラクタリゼーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 石垣秋斗・水野貴之・加藤知香
  • 学会等名: 第71回錯体化学討論会
• [学会発表] ケギン型二核白金種配位ポリオキソメタレートの低温焼成処理による親水性コロイド粒子の形成と光触媒的水素発生 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小澤尚斗・栗原秋博・青野剛輝・加藤知香
  • 学会等名: 第71回錯体化学討論会
• [学会発表] 単核パラジウム(II)および白金(II)サイトを有するドーソン型ポリオキソメタレートの合成とキャラクタリゼーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 飯田拓己・中平一歩・長谷俊平・加藤知香
  • 学会等名: 第71回錯体化学討論会
• [学会発表] 単核および二核パラジウムサイトを有するケギン型ポリオキソメタレートの合成と構造変化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 嵩井陵太・中平一歩・加藤知香
  • 学会等名: 第71回錯体化学討論会
• [学会発表] Syntheses and molecular structures of Keggin-type polyoxotungstate-coordinated mono- and di-palladium complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryota Kato, Ippo Nakahira, Chika Nozaki Kato
  • 学会等名: 環太平洋国際化学会議2021
  • 国際学会
• [学会発表] ケギン型二核白金（Ⅱ）種配位ポリオキソタングステートの焼成処理による白金ナノ粒子の凝集抑制と水からの水素発生に対する光触媒活性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久保田稔也・加藤知香
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] ジメチルピペラジン白金種配位ケギン型ポリオキソメタレートの合成と分子構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 長谷俊平，水野貴之，鈴木俊作，加藤知香
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] 単核アルミニウムサイトを有するドーソン型ポリオキソメタレートの合成とフォトクロミック特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 飯田拓己，加藤大地，柏木俊郁，長谷俊平，加藤知香
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] （2, 2’-ビピリジル）ジクロロパラジウム（Ⅱ）を出発錯体とした二核パラジウムサイトを有するケギン型ポリオキソメタレートの合成とキャラクタリゼーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 嵩井陵太，鈴木郁美，中平一歩，加藤知香
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] ジクロロ（N,N’-ジメチルピペラジン）パラジウム（Ⅱ）を出発錯体とした単核パラジウムサイトを有するケギン型ポリオキソメタレートの合成とキャラクタリゼーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 中平一歩，長谷俊平，加藤知香
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] 焼成処理によるケギン型二核白金（Ⅱ）種配位ポリオキソメタレートの構造変化と中心元素の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 久保田稔也，栗原秋博，青野剛輝，加藤知香
  • 学会等名: 第124回触媒討論会
• [学会発表] 単核白金サイトを有するケギン型ポリオキソメタレートを出発錯体としたPd-Ptバイメタル化合物の合成と光触媒特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 水野貴之，長谷俊平，鈴木俊作，加藤知香
  • 学会等名: 第124回触媒討論会
• [学会発表] ポリオキソタングステートを利用した白金ナノ構造の精密制御と高機能化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤知香
  • 学会等名: 第18回新規素材探索研究会
  • 招待講演
• [図書] Green Science and Technology (2019)
  • 著者名/発表者名: Enoch Y. Park, Takayuki Saito, Hirokazu Kawagishi, Masakazu Hara, Hiroyuki Futamata, Hirofumi Hirai, Idzumi Okajima, Koji Miyake, Nobuyuki Mase, Rumi Sohrin, Rei Narikawa, Toshiyuki Ohnishi, Yasushi Todoroki, Mitsuru Kondo, Chika Nozaki Kato, Tetsuo Narumi, Masamichi Yamanaka, Tatsuya Kato, Takatsugu Miyazaki, Jia Jin
  • 総ページ数: 350
  • 出版者: CRC PRESS
  • ISBN: 0367415135
• [備考] 静岡大学教員データベース - 教員個別情報 : 加藤 知香 （KATO CHIKA）
  • URL: https://tdb.shizuoka.ac.jp/RDB/public/Default2.aspx?id=10972&l=0
• [備考] 加藤研究室ホームページ
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/katolab/
• [備考] 静岡大学教員データベース - 教員個別情報 : 加藤 知香 （KATO CHIKA）
  • URL: https://tdb.shizuoka.ac.jp/rdb/public/Default2.aspx?id=10972&l=0
• [備考] 静岡大学教員データベース-教員個別情報：加藤知香（KATO CHIKA)
  • URL: https://tdb.shizuoka.ac.jp/rdb/public/Default2.aspx?id=10972&l=0&a=0
• [備考] 静岡大学教員データベース-教員個別情報：加藤知香（KATO CHIKA)
  • URL: https://tdb.shizuoka.ac.jp/RDB/public/Default2.aspx?id=10972&l=0
• [産業財産権] 貴金属含有材料を製造する方法、貴金属含有材料、膜電極接合体及び燃料電池 (2023)
  • 発明者名: 加藤知香・菊池圭祐
  • 権利者名: 加藤知香・菊池圭祐
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2023-203028
  • 出願年月日: 2023
• [産業財産権] 金属担持体及びその製造方法、反応触媒、並びにカチオン修飾担体及びその製造方法 (2023)
  • 発明者名: 加藤知香
  • 権利者名: 加藤知香
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2023
  • 外国
• [産業財産権] 金属担持体及びその製造方法、反応触媒、並びにカチオン修飾担体及びその製造方法 (2022)
  • 発明者名: 加藤知香
  • 権利者名: 加藤知香
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2022-175452
  • 出願年月日: 2022
• [産業財産権] ポリオキソメタレート化合物及びその製造方法、ポリオキソメタレート化合物の焼成体、並びに、反応触媒 (2021)
  • 発明者名: 加藤知香
  • 権利者名: 加藤知香
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2021
  • 外国
• [産業財産権] ポリオキソメタレート化合物及びその製造方法、ポリオキソメタレート化合物の焼成体、並びに、反応触媒 (2020)
  • 発明者名: 加藤知香
  • 権利者名: 加藤知香
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2020
  • 外国
• [産業財産権] ポリオキソメタレート化合物及びその製造方法、ポリオキソメタレート化合物の焼成体、並びに、反応触媒 (2020)
  • 発明者名: 加藤知香
  • 権利者名: 加藤知香
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2020
  • 外国
• [産業財産権] ポリオキソメタレート化合物及びその製造方法、ポリオキソメタレート化合物の焼成体、並びに、反応触媒 (2019)
  • 発明者名: 加藤知香
  • 権利者名: 加藤知香
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019
  • 外国