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レーザーアブレーションによる新規合金ナノ粒子の合成とその触媒特性の評価

研究課題

研究課題/領域番号 19J15202
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分34010:無機・錯体化学関連
研究機関京都大学

研究代表者

岡副 眞也  京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2019年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードモリブデン / ルテニウム / 固溶体ナノ粒子 / 電極触媒 / 水素発生 / 超伝導 / 固溶合金 / ナノ粒子 / レーザーアブレーション / 熱分解
研究開始時の研究の概要

本研究の概要はレーザーアブレーションと呼ばれる手法を用いて合金ナノ粒子を合成し、新規な触媒を開発することを目的としている。レーザーアブレーションの特徴は、熱により瞬時にバルク金属を原子まで分離し、凝集させることでナノ粒子を合成することである。そのため、合金ナノ粒子を構成する金属元素には、貴金属のみならずこれまでの手法では合成が困難であった非貴金属元素も扱うことが可能である。本研究ではこの手法による合金ナノ粒子の合成方法を確立することを目指す。さらに合成した新規合金ナノ粒子は化学反応を効率よく進行させる触媒として活用する。

研究実績の概要

構成元素が均一に分布したナノ粒子を固溶体ナノ粒子と呼ぶ。これまで合成されてきた固溶体ナノ粒子は後期遷移金属から構成されるものが主であった。安価で豊富に存在する前期遷移金属も固溶体ナノ粒子の構成元素の候補に挙がるが、合成上の問題からその報告例は少ない。本研究では前期遷移金属と後期遷移金属から構成される固溶体ナノ粒子を合成し、電子状態の解明と物性評価、特に触媒特性の評価を研究目的としている。
本年度は、昨年度合成したMoRu固溶体ナノ粒子のうちRuの割合が高い試料を炭素に担持し電極触媒とし、塩基性溶液中で水素発生反応に対する触媒活性を評価した。Ruのみから構成されるナノ粒子と触媒活性を比較した場合、特定の量の水素を発生させるために必要なエネルギーはMoRu固溶体ナノ粒子の方が低く、高い触媒活性を示すことを明らかにした。また、一般的に水素発生反応において高い触媒活性を示すと言われている白金(Pt)と比較した場合でも、MoRu固溶体ナノ粒子がより高い触媒活性を示すことを明らかにした。一方で、この触媒は長時間使用した際にはMoがMoRu固溶体ナノ粒子から溶出することを種々の測定から確認し、耐久性が低いという課題があることも明らかにした。
また、熱分解で合成したMoRuナノ粒子をさらに水素雰囲気下で熱処理することで調製した炭素を含んだ新規MoRuC固溶体ナノ粒子の物性探索を行った。このナノ粒子は表面が炭素で被覆されていたため触媒活性以外の物性探索を行ったところ、極低温下において超伝導特性を示すことを明らかにした。さらに組成に応じて超伝導転移温度は指数関数的に変化し、組成変化を反映して電子状態が変化していることが示唆された。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件)

  • [国際共同研究] ミュンヘン工科大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] First Observation of Superconductivity in Molybdenum-Ruthenium-Carbon Alloy Nanoparticles2021

    • 著者名/発表者名
      S. Okazoe, K. Kusada, Y. Yoshida, M. Maesato, T. Yamamoto, T. Toriyama, S. Matsumura, S. Kawaguchi, Y. Kubota, H. Kitagawa
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 50 号: 4 ページ: 596-598

    • DOI

      10.1246/cl.200779

    • NAID

      130008025795

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced Hydrogenation Catalytic Activity of Ruthenium Nanoparticles by Solid‐Solution Alloying with Molybdenum2021

    • 著者名/発表者名
      Okazoe Shinya、Staiger Lena、Cokoja Mirza、Kusada Kohei、Yamamoto Tomokazu、Toriyama Takaaki、Matsumura Syo、Kitagawa Hiroshi、Fischer Roland A.
    • 雑誌名

      European Journal of Inorganic Chemistry

      巻: 2021 号: 12 ページ: 1186-1189

    • DOI

      10.1002/ejic.202001141

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Synthesis of Mo and Ru solid-solution alloy NPs and their hydrogen evolution reaction activity2020

    • 著者名/発表者名
      Okazoe Shinya、Kusada Kohei、Wu Dongshuang、Yamamoto Tomokazu、Toriyama Takaaki、Matsumura Syo、Kawaguchi Shogo、Kubota Yoshiki、Kitagawa Hiroshi
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 56 号: 92 ページ: 14475-14478

    • DOI

      10.1039/d0cc05958g

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Significant Enhancement of Hydrogen Evolution Reaction Activity by Negatively Charged Pt through Light Doping of W2020

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Daiya、Kobayashi Hirokazu、Wu Dongshuang、Okazoe Shinya、Kusada Kohei、Yamamoto Tomokazu、Toriyama Takaaki、Matsumura Syo、Kawaguchi Shogo、Kubota Yoshiki、Aspera Susan Me?ez、Nakanishi Hiroshi、Arai Shigebumi、Kitagawa Hiroshi
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 142 号: 41 ページ: 17250-17254

    • DOI

      10.1021/jacs.0c07143

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Synthesis of Mo and Ru solid-solution alloy NPs and their hydrogen evolution reaction activity2021

    • 著者名/発表者名
      岡副眞也・草田康平・Wu Dongshuang・山本知一・鳥山誉亮・松村晶・河口彰吾・久保田佳基・北川宏
    • 学会等名
      日本化学会第101回春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Mo-Ru固溶体ナノ粒子の合成と同定2020

    • 著者名/発表者名
      岡副眞也・草田康平・山本知一・鳥山誉亮・松村晶・河口彰吾・久保田佳基・北川宏
    • 学会等名
      日本化学会第100回春季年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Mo-Ru固溶体ナノ粒子の合成と同定2020

    • 著者名/発表者名
      岡副眞也・草田康平・山本知一・鳥山誉亮・松村晶・河口彰吾・久保田佳基・北川宏
    • 学会等名
      京都大学 第18回物性科学センター講演会・研究交流会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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