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2023 年度 実績報告書

配位不飽和サイトをもつ遷移金属化合物ナノ構造の合成及び触媒機能開拓

研究課題

研究課題/領域番号 22K18956
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

馬 仁志  国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, グループリーダー (90391218)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2024-03-31
キーワードナノシート / 遷移金属 / 水酸化物 / 電極触媒
研究実績の概要

オリジナルのトポタクティック酸化法を活用し、鉄系層状複水酸化物(Fe2+-Fe3+ LDH)及びオキシ水酸化鉄の高品質サンプルの創製を行った。その中で、正電荷を帯びたFe2+含有オキシ水酸化鉄ナノシートの合成に成功した。Fe2+-Fe3+ LDHに対するトポタクティック酸化法と脱水素化プロセスを組み合わせることにより、ナノシート構造中に直径10nm程度のメソ孔が生成し、高い表面積が得られた。X線光電子分光法(XPS)とX線吸収端近傍構造(XANES)測定によって、ナノシートにFe2+が部分的に残留されていることが確認された。これは、酸化プロセスにおいて、Fe2+-Fe3+ LDHが完全に脱水素化しきれなかったことを意味する。この結果から、作製したオキシ水酸化物ナノシートは混合原子価(Fe2+-Fe3+)と正に帯電するという両方の特徴を保持している。
Fe2+含有オキシ水酸化鉄ナノシートは電気化学的窒素還元反応(ENRR)触媒として、高いNH3収率(28.5 μg/h mgcat)と優れたファラデー効率(13.2%)を示した。この値は、剥離されていないバルクのオキシ水酸化鉄のENRR触媒活性よりもはるかに高い。ナノシートの大きな比表面積と正電荷は、より露出した反応サイトを提供するとともに、水素発生反応を抑制するにも有益である。本研究成果は、オキシ水酸化鉄ナノシートの電子構造と多孔性形態を合理的に制御することにより、高効率ENRR電極触媒の開発範囲を拡大するものであると言える。安価な遷移金属をベースに、貴金属代替高性能触媒の開発に向けて、新しい設計指針を提供するものとして期待される。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 5件、 査読あり 5件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 6件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Collaborative optimization of thermodynamic and kinetic for Ni-based hydroxides in electrocatalytic urea oxidation reaction2024

    • 著者名/発表者名
      Zheng Zhicheng、Wu Dan、Chen Long、Chen Shuo、Wan Hao、Chen Gen、Zhang Ning、Liu Xiaohe、Ma Renzhi
    • 雑誌名

      Applied Catalysis B: Environmental

      巻: 340 ページ: 123214~123214

    • DOI

      10.1016/j.apcatb.2023.123214

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Cu-Ni alloy nanocrystals with heterogenous active sites for efficient urea synthesis2024

    • 著者名/発表者名
      Zhou Yulong、Yang Baopeng、Huang Zhencong、Chen Gen、Tang Jianguo、Liu Min、Liu Xiaohe、Ma Renzhi、Mei Zongwei、Zhang Ning
    • 雑誌名

      Applied Catalysis B: Environmental

      巻: 343 ページ: 123577(1~9)

    • DOI

      10.1016/j.apcatb.2023.123577

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Porous and Partially Dehydrogenated Fe2+‐Containing Iron Oxyhydroxide Nanosheets for Efficient Electrochemical Nitrogen Reduction Reaction (ENRR)2023

    • 著者名/発表者名
      Jia Lulu、Xue Hairong、Xian Fang、Sugahara Yoshiyuki、Sakai Nobuyuki、Nan Jingbo、Yamauchi Yusuke、Sasaki Takayoshi、Ma Renzhi
    • 雑誌名

      Small

      巻: 19 ページ: 2303221(1~9)

    • DOI

      10.1002/smll.202303221

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Advanced hematite nanomaterials for newly emerging applications2023

    • 著者名/発表者名
      Wan Hao、Hu Linfeng、Liu Xiaohe、Zhang Ying、Chen Gen、Zhang Ning、Ma Renzhi
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 14 ページ: 2776~2798

    • DOI

      10.1039/d3sc00180f

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Tuned d-band states over lanthanum doped nickel oxide for efficient oxygen evolution reaction2023

    • 著者名/発表者名
      Xiao Ziyi、Zhou Wei、Yang Baopeng、Liao Chengan、Kang Qing、Chen Gen、Liu Min、Liu Xiaohe、Ma Renzhi、Zhang Ning
    • 雑誌名

      Nano Materials Science

      巻: 5 ページ: 228~236

    • DOI

      10.1016/j.nanoms.2022.07.002

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Exploration of colloidal nanosheets and flocculated composites for energy related applications2023

    • 著者名/発表者名
      Renzhi Ma
    • 学会等名
      9th Asian Conference on Colloid and Interface Science 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Atomic cation vacancy engineering of NiFe-LDH nanosheets towards oxygen evolution reaction2023

    • 著者名/発表者名
      LI, Huanran, 菅原義之, SASAKI, Takayoshi, MA, Renzhi
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of mixed valent CoNiFe hydroxide nanostructures and composites as bifunctional oxygen electrocatalysts2023

    • 著者名/発表者名
      ZHANG, Zihan, 菅原義之, SASAKI, Takayoshi, MA, Renzhi
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Exploration of redox-active and superionic properties in 2D nanosheets and assemblies2023

    • 著者名/発表者名
      Renzhi Ma
    • 学会等名
      ChinaNANO 2023 (9th International Conference on Nanoscience and Technology)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metal hydroxide nanosheets and composites for alkaline energy application2023

    • 著者名/発表者名
      Renzhi Ma
    • 学会等名
      Materials Today Conference 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of metal hydroxide nanosheets and heterostructures toward sustainable energy conversion2023

    • 著者名/発表者名
      Renzhi Ma
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA-3)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 金属水酸化物ナノシートとヘテロ構造の開発及びエネルギー変換への応用2023

    • 著者名/発表者名
      馬仁志
    • 学会等名
      第21回 五セラミックス研究機関(東工大-名工大-JFCC-AIST-NIMS)合同講演会
    • 招待講演

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公開日: 2024-12-25  

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