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特異活性サイトを有するハイエントロピー合金ナノ粒子触媒の新規合成と触媒機能開拓

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ2197
補助金の研究課題番号 22J20599 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分26040:構造材料および機能材料関連
研究機関大阪大学

研究代表者

橋本 直樹  大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (2023年度)
配分額 *注記
3,400千円 (直接経費: 3,400千円)
2024年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2023年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2022年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードハイエントロピー合金 / 水素スピルオーバー / 還元性酸化物 / 形態制御
研究開始時の研究の概要

ハイエントロピー合金(HEA)はバルク金属材料科学の分野で2004年に提唱された新規材料であり、従来合金には見られない特徴的な4つの核心的効果(1.ハイエントロピー効果 2.格子ひずみ効果 3.低拡散効果 4.カクテル効果)の発現から幅広い分野で注目されている。しかし、これらの効果が触媒材料としてのHEAナノ粒子にどのような影響を与えるかは未だ明らかになっていない。
本研究では、組成・表面構造などの微細構造の制御を通して核心的効果を主体的に利用することで、特異活性サイトを多数導入した、新規HEAナノ粒子触媒の開発を行う。

研究実績の概要

当該研究ではハイエントロピー合金(HEA)を新規触媒材料として注目し、特異活性サイトを多数有する新規触媒の開発を行った。HEAは、5種類以上の元素をほぼ当原子組成比で含み、かつ単相の固溶体を形成する材料とされている。
今年度は2022年度に報告した還元性担体上での水素スピルオーバーを利用したHEAナノ粒子の合成について、その詳細な合成メカニズムの解明を行った。H2-TPR, in situ XAFS, in situ TEMの結果から、還元性担体上で貴金属と卑金属を含むHEAナノ粒子を合成する際には担体上に担持された貴金属前駆体が先んじて気相の水素で還元され微細な金属クラスターを形成する。このクラスターが水素スピルオーバーを誘起し、高い還元力を持つ原子状水素が担体上で導入される。この原子状水素によって複数種の金属元素が同時還元されることによってHEAナノ粒子の形成に至ることが示唆された。
加えて、炭素担体である還元型酸化グラフェン(rGO)に金属前駆体を担持しマイクロ波を照射することでHEAナノ粒子の合成を行った。これは炭素担体がマイクロ波を吸収し急速に昇温することで還元電位の異なる複数の金属が同時還元することでHEAナノ粒子の形成に至る。このHEA/rGO触媒を電気化学的水素生成反応に応用したところ単金属からなる触媒よりも高活性を示した。これは合金化により触媒の電子状態がチューニングされ中間体の吸脱着特性が変化したためであることが示唆された。
以上のように、本研究計画を通してHEAを利用した新規触媒系の提案を行った。また、水素スピルオーバーによるHEAナノ粒子の形成過程の解明も行った。これらの結果は多元系合金ナノ粒子触媒の設計・合成指針を提供するものである。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 8件)

  • [雑誌論文] Sub-nanometric High-Entropy Alloy Cluster: Hydrogen Spillover Driven Synthesis on CeO2 and Structural Reversibility2023

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Naoki、Mori Kohsuke、Matsuzaki Shuichiro、Iwama Kazuki、Kitaura Ryota、Kamiuchi Naoto、Yoshida Hideto、Yamashita Hiromi
    • 雑誌名

      JACS Au

      巻: 3 号: 8 ページ: 2131-2143

    • DOI

      10.1021/jacsau.3c00210

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] In Situ Investigation on the Formation Mechanism of High-Entropy Alloy Nanoparticles Induced by Hydrogen Spillover2023

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Naoki、Mori Kohsuke、Yamashita Hiromi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 127 号: 42 ページ: 20786-20793

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c05375

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Synthesis of high-entropy alloy nanoparticles using microwave-assisted reduction and investigation of their enhanced electrochemical hydrogen evolution activity2023

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Naoki、Kitaura Ryota、Mori Kohsuke、Yamashita Hiromi
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 53 号: 2

    • DOI

      10.1093/chemle/upad055

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Revealing hydrogen spillover pathways in reducible metal oxides2022

    • 著者名/発表者名
      Shun Kazuki、Mori Kohsuke、Masuda Shinya、Hashimoto Naoki、Hinuma Yoyo、Kobayashi Hisayoshi、Yamashita Hiromi
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 13 号: 27 ページ: 8137-8147

    • DOI

      10.1039/d2sc00871h

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 形態制御したCeO2上でのハイエントロピー合金触媒の合成と酸化還元応答構造変化2024

    • 著者名/発表者名
      橋本 直樹、森 浩亮、神内 直人、吉田 秀人、山下 弘巳
    • 学会等名
      第133回触媒討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis of High Entropy Alloy Sub-nanoclusters and Structural Transformation Responsible for Oxidation-reduction Conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hashimoto, Kohsuke Mori, Naoto Kamiuchi, Hideto Yoshida, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      The 19th Korea-Japan Symposium on Catalysis
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ハイエントロピー合金サブナノクラスター触媒の合成とNO還元反応への応用2023

    • 著者名/発表者名
      橋本直樹・森浩亮・神内直人・吉田秀人・山下弘巳
    • 学会等名
      第12回JACI/GSCシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Development of Sub-nanometric High Entropy Alloy Cluster Catalysts via Hydrogen Spillover over CeO2 Nanorods2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hashimoto, Kohsuke Mori, Naoto Kamiuchi, Hideto Yoshida, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      The Second Workshop on Catalytic Reactions with Ion Transfer through Interfaces (ITICAT2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Novel Synthesis of Sub-nanometric High Entropy Alloy Clusters on CeO2 Nanorods2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hashimoto, Kohsuke Mori, Naoto Kamiuchi, Hideto Yoshida, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      EuropaCat2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrogen-Spillover Driven Synthesis of High Entropy Alloy Sub-nanoclusters on CeO2 Nanorods2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hashimoto, Kohsuke Mori, Naoto Kamiuchi, Hideto Yoshida, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      Workshop on Tailoring Reaction Pathways by Catalysis
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 水素スピルオーバーを利用したハイエントロピー合金サブナノクラスターの合成と酸化還元特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      橋本直樹、森浩亮、神内直人、吉田秀人、山下弘巳
    • 学会等名
      第132回触媒討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Development of High Entropy Alloy Subnanocluster Catalysts and its Structural Reversibility under Oxidative/Reductive Conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hashimoto, Kohsuke Mori, Naoto Kamiuchi, Hideto Yoshida, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      8th Asia-Oceania Pacific Conference on Green and Sustainable Chemistry (AOC-GSC8)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ハイエントロピー合金サブナノクラスター触媒の合成と酸化還元応答性2023

    • 著者名/発表者名
      橋本直樹、森浩亮、神内直人、吉田秀人、山下弘巳
    • 学会等名
      日本金属学会第172回春季講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ハイエントロピー合金サブナノクラスターの合成と酸化還元応答構造変化2023

    • 著者名/発表者名
      橋本直樹、森浩亮、松﨑周一郎、岩間和樹、神内直人、吉田秀人、山下弘巳
    • 学会等名
      第131回触媒討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 水素スピルオーバーを利用したハイエントロピー合金ナノ粒子触媒の低温合成とCO2水素化反応への応用2022

    • 著者名/発表者名
      橋本直樹、森浩亮、神内直人、吉田秀人、小林久芳、山下弘巳
    • 学会等名
      第13回触媒化学研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis of High-Entropy Alloy Nanoparticles by the Assist of Hydrogen Spillover as a Robust Catalyst for CO2 Hydrogenation2022

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hashimoto, Kohsuke Mori, Naoto Kamiuchi, Hideto Yoshida, Hisayoshi Kobayashi, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      The 9th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Novel Synthesis of High Entropy Alloy Nanoparticles as Durable Catalysts for CO2 Hydrogenation2022

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hashimoto, Kohsuke Mori, Naoto Kamiuchi, Hideto Yoshida, Hisayoshi Kobayashi, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      12th International Conference on Environmental Catalysis
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 形態制御したNi担持CeO2触媒のCO2メタン化反応における特性評価2022

    • 著者名/発表者名
      橋本直樹、森浩亮、淺原康平、柴田峻、治田裕貴、桑原泰隆、山下弘巳
    • 学会等名
      第130回触媒討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Low temperature synthesis of high entropy alloy nanoparticles by the assist of hydrogen spillover on TiO22022

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hashimoto, Kohsuke Mori, Naoto Kamiuchi, Hideto Yoshida, Hisayoshi Kobayashi, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      Osaka-Kansai International Symposium on Catalysis
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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