| 研究課題/領域番号 |
20H02524
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| 研究機関 | 熊本大学 |
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研究代表者 |
大山 順也 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (50611597)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 固体触媒 / ナノ粒子 / 3次元 / 原子スケール / 電子顕微鏡 |
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| 研究実績の概要 |
高効率な化学変換プロセスの実現や次世代エネルギーの利活用をすすめるにあたって、キーマテリアルである固体触媒において技術革新が必要である。このためには複雑な固体触媒の構造を原子スケールで且つ3次元で理解することが重要な基盤となると考える。そこで、本研究課題において2020年度は、担持Ptナノ粒子の原子スケール観察を行い、Ptナノ粒子構造の3次元再構築に取り組んだ。サンプルとして、いくつかの担体を検討した結果、アルミナ担持Ptナノ粒子触媒を用いた場合に電子顕微鏡観察中の試料ダメージが比較的少なかったため、これを用いて研究を進めた。ナノサイズで変化する結晶性を解析するために、2 nm程度の小さなPtナノ粒子を調製した。電子顕微鏡観察でアルミナ上に分散した2 nm程度のPtナノ粒子の生成を確認し、さらに、粒子内の原子配列が少し乱れている、つまり結晶性が低いことを確認した。粒子サイズが一酸化炭素の吸着によって評価したものと一致することも確認している。このサンプルの3次元構造解析を行った。まず、電子顕微鏡中でサンプルを傾斜させて観察することで様々な方向からのPtナノ粒子像を得た。担体上のPtナノ粒子の3次元構造解析を行うために、得られた電子顕微鏡像のノイズ、さらに、ナノ粒子のバックグラウンドである担体のコントラストの除去を行った。この担体除去において、種々の画像処理手法を検討することで、Ptナノ粒子の抽出を達成した。抽出した画像を基に3次元再構築を行ったところ、ノイズを含みかつ不完全な形ではあるが粒子の3次元像を得ることができた。さらに、電子顕微鏡だけでなく、他の担持金属触媒、特に主に単核金属種からなる触媒の3次元構造について、紫外可視吸収分光法およびＸ線吸収分光法を用いた解析についても進めた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度、当初計画していた2 nm以下の小さなPtナノ粒子の観察を行い3次元再構築までを遂行した。電子顕微鏡観察では観察中にサンプルがダメージを受けるなどにより3次元再構築のための像を得ることが難しい場面もあったが、担体の種類などを検討することで解決し、アルミナ担持Ptナノ粒子をプロトタイプとして3次元再構築の検討をすすめることができた。電子顕微鏡像で、担体上のPtナノ粒子のコントラストを抽出することも非常に困難であったが、さまざまな画像処理方法を試すことで可能になり、さらに、今回の研究で使用した手法について、さまざまな担体上のナノ粒子像抽出への適用可能性も示唆された。2020年度の検討では3次元再構成は不完全ではあるが、課題は明らかになっており、今後の取り組みによって解決すると期待できる。また、単核種を主に含む担持金属触媒について、紫外可視吸収分光やＸ線吸収分光法を用いた金属活性点中心の構造解析が進んでおり構造と触媒性能の関係について明らかになりつつある触媒反応系もでてきている。以上のことから、本研究はおおむね順調に進展していると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
担体金属触媒の3次元構造原子スケール可視化とスペクトル測定などによる触媒の原子スケール構造解析を進め活性－構造相関を明らかにしていく。
・3次元構造原子スケール可視化
2020年度の検討で結晶性の低い担体上の2 nm程度のPtナノ粒子を抽出し3次元再構成することに成功した。しかしそれと同時に、粒子抽出や再構成でさらに調整が必要なことが明らかになった。そこで、2021年度はこれまでに進めてきた画像処理や3次元再構築プロセスの改善や新たな処理の追加などによって、担体上のナノ粒子の抽出と3次元再構築の精度を向上させ現実的なナノ粒子の3次元像を得ることを目指す。また、2020年度に開発した粒子抽出手法はさまざまな担体上の金属ナノ粒子にも適用可能であることが示唆されたため、重元素を含む担体や結晶性が高いあるいはアモルファスな担体に担持された金属ナノ粒子の3次元構造解析へ展開していく。
・活性－構造相関
得られた3次元構造から触媒性能に影響しうる構造パラメータとして、原子間距離、配位数などのデータ収集に着手する。電子顕微鏡解析以外にも、電子吸収スペクトル、X線吸収スペクトルの測定による活性点構造や酸化状態の評価を行い、また、プローブ分子吸着IRスペクトル測定によって粒子表面構造の情報を得る。さらに、触媒反応活性あるいは吸着特性評価を行い活性－構造の関係について明らかにしていく。
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