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2021 年度 実績報告書

超高感度全反射蛍光XAFSの開発と燃料電池白金触媒の合金効果機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20H00367
研究機関北海道大学

研究代表者

朝倉 清高  北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (60175164)

研究分担者 和田 敬広  東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 助教 (10632317)
増田 卓也  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (20466460)
三輪 寛子  電気通信大学, 燃料電池イノベーション研究センター, 特任准教授 (90570911)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワードX線吸収分光 / 燃料電池 / 構造解明 / オペランド / サラーサーチ法 / PtAuナノ粒子
研究実績の概要

燃料電池白金触媒を合金化すると高活性化する。本研究では、この高活性化の要因が、電荷移動がおき、電子密度が変化するためなのか,構造が変化し、状態密度が変化するためなのかをしらべる。 そこで単結晶基板上にPdを1層から複数層載せ、その上のPtの結合距離と活性の関係を調べて、上記の学問的問いの回答を得る。
本年、いくつかの成果を得た。
PtをAu表面にSLRR(Surface Limited Redox Replacement )法でPtをAu(111)表面につけて、還元後の構造をしらべた。Pt-Ptの伸長が観測されないという結果がえられた。一方PdをAu(111)につけたものでは、Pd-Pdの伸長が観測された。 現在PtとPdの違いについて検討を加えている。一方、Arc Plasma 法で調製したPtAu合金ナノ粒子では、Au-Auが異常に短くなるという特異な現象を見出した。この時にPtAu合金ナノ粒子はPtAu合金をCoreとし、PtをShellとする構造をとっていることを見出した。一方、高電位にして、高輝度X線を照射すると、Pt Shellが選択的に溶け出すX線誘起Pt溶解現象を見出した。その結果Pt Shell により隠れていたPtAuナノ合金が表面に露出する。この時にAuーAu は通常予想されるAu-Auの結合距離まで回復することが分かった。この結果からPtのShellの強い表面張力がAu-Au の結合距離を異常に短くしたことが分かった。
こうした合金系を通常のXAFS解析を行うと情報量が足りず、無意味な解が得られることが多い。これを避けるため拘束サラーサーチ法を開発した。PtRuの構造解析に成功し、Cluster-in-Clusterであることを見出した。この研究を通じてサラサーチ法の妥当性を示す理論的バックグラウンドとしてUniform Prior Probability 原理を提案することができた。また、反応解析用の回転電極も整備した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

1.Pd薄層をAu上に展開できる手法を確立した。
2.ナノ粒子解析法であるサラサーチ法を開発することに成功した。また、その基盤になる基本概念であるUniform Prior Probability Principleを提案することができた。
3.自由に形状を変化させてSoller Slitを作成できるようになり、今後の感度向上が期待できる。
4.Operando PTRF-XAFS法の測定技術も確立することができた。
5.Au(111)上のPdやPtの結合距離を確立することができて、本研究の基礎を固めることができた。

今後の研究の推進方策

これまでの成果をもとにいよいよPt/Pdn/Au(111)表面の設計に取り組む。Pdのn=1,2,3と変化させ、Pdを成長させ、PdおよびPtの結合距離をPTRF-XAFSで測定し、その結合距離の変化の様子をとらえる。また、PtのL3 edgeXANESの強度より、電子状態とくに、d軌道の空きの状態を調べる。また、今年度開発した回転電極を用いて、それぞれの活性を調べる。以上の結果をもとに、Pt-Ptの結合距離や電子状態と活性の相関を調べる。さらに、DFT計算を行って、活性化メカニズムを明らかにする。
また、高感度PTRF-XAFS法を確立して、電気化学反応以外の固液界面現象解析手法としての確立を図る。今回開発するサラーサーチ法やマイクロリバースモンテカルロ法をより広範囲なXAFS解析法として確立するため、新たな共同研究を展開し、その実用化に向けた問題点の洗い出しを行う。こうした成果により、XAFSの新たな解析法を確立する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2022 2021 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) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] University of South Carolina(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of South Carolina
  • [雑誌論文] Constrained thorough search analysis of multi-edge EXAFS spectra for characterization of bimetallic nanoparticles2022

    • 著者名/発表者名
      Kido Daiki、Rahman Md. Mijanur、Takeguchi Tatsuya、Asakura Kiyotaka
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 51 ページ: 000-003

    • DOI

      10.1246/cl.220090

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Abnormal Metal Bond Distances in PtAu Alloy Nanoparticles: In Situ Back-Illumination XAFS Investigations of the Structure of PtAu Nanoparticles on a Flat HOPG Substrate Prepared by Arc Plasma Deposition2022

    • 著者名/発表者名
      Hu Bing、Bharate Bapurao、Jimenez Juan D.、Lauterbach Jochen、Todoroki Naoto、Wadayama Toshimasa、Higashi Kotaro、Uruga Tomoya、Iwasawa Yasuhiro、Ariga-Miwa Hiroko、Takakusagi Satoru、Asakura Kiyotaka
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 126 ページ: 1006~1016

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c08393

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Surfaces and interfaces2022

    • 著者名/発表者名
      Asakura Kiyotaka、Kondoh Hiroshi、Tada Mizuki、Iwasawa Yasuhiro
    • 雑誌名

      International Table for Crystallography

      巻: I ページ: 1-6

    • DOI

      10.1107/s1574870720004711

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Constrained thorough search法を用いたEXAFS解析によるPtRu合金ナノ粒子触媒の構造解明2021

    • 著者名/発表者名
      城戸大樹、竹口竜弥、朝倉清高
    • 雑誌名

      触媒

      巻: 63 ページ: 59-63

    • 査読あり
  • [学会発表] PTRF-XAFS investigation on the 3-dimensional structure of the single-atom metal dispersed on single crystal oxides2022

    • 著者名/発表者名
      Kiyotaka Asakura and Satoru Takakusagi
    • 学会等名
      American Chemical Society
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] アークプラズム法で HOPG 上に作成した PtAu ナノ粒子の 異常な Au-Au 結合短縮について2022

    • 著者名/発表者名
      朝倉 清高、Hu Bing、轟 直人、和田山 智正、東 晃太朗、宇留賀 朋哉、岩澤 康裕、三輪(有賀) 寛子、高草木 達
    • 学会等名
      触媒学会
  • [学会発表] Anormalous Au-Au Bond Distance Contraction in PtAu Nanoparticle2022

    • 著者名/発表者名
      Kiyotaka Asakura
    • 学会等名
      11 th International Iwasawa Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 水素社会を目指した触媒と量子ビーム2022

    • 著者名/発表者名
      朝倉清高、三輪寛子
    • 学会等名
      量子ビームサイエンスフェスタ
    • 招待講演
  • [学会発表] Constrained Thorough Search法による複雑な構造をもつ物質のEXAFS解析2022

    • 著者名/発表者名
      城戸 大貴
    • 学会等名
      日本表面真空学会東北・北海道支部学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Thorough Search法による複雑な分子およびナノ材 料における EXAFSI 解析2021

    • 著者名/発表者名
      城戸 大貴,上村 洋平,脇坂 祐輝,三輪(有賀) 寛子,高草木 達,朝倉 清高
    • 学会等名
      日本表面真空学会
    • 招待講演
  • [学会発表] Structure investigation of Pt nanoclusters deposited on flat carbon support : A model catalyst for fuel cell electrode by operando BCLA / HERFD+BI-XAFS method2021

    • 著者名/発表者名
      Kaiyue Dong, Bing Hu, Bang Lu, Md Harun Al Rashid, Satoru Takakusagi, Keiko Miyabayashi, Kotaro Higashi, Tomoya Uruga, Yasuhiro Iwasawa, Kiyotaka Asakura
    • 学会等名
      XAFS 2021 Virtual
    • 国際学会
  • [備考] 燃料電池白金触媒の高活性化機構

    • URL

      https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-20H00367/

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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