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Ruナノ粒子の構造と触媒活性との関連を見いだす

~局所構造、平均構造の数値化で実現 機械学習用データを集積し新材料の創製に貢献~

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
国立大学法人京都大学

NIMSと京都大学の研究チームは、高いCO酸化触媒活性を持つルテニウム (Ru) ナノ粒子のわずかな構造の違いが、触媒機能に影響する可能性を明らかにしました。局所的な原子スケールの構造と平均構造の両方を数値化することで実現しました。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 技術開発・共用部門の高輝度放射光ステーション坂田修身ステーション長と、京都大学大学院理学研究科北川宏教授からなる研究チームは、高いCO酸化触媒活性を持つルテニウム (Ru) ナノ粒子のわずかな構造の違いが、触媒機能に影響する可能性を明らかにしました。局所的な原子スケールの構造と平均構造の両方を数値化することで実現しました。今後、本研究のようにナノ粒子の構造を数値化し、機能との関係のデータを蓄積することで、機械学習などデータ科学の手法を用いた新機能性物質の創製をますます加速させると期待されます。
  2. 材料の中には、ナノ粒子のように小さくすることで優れた機能を発現するものがあります。本研究グループは、これまでにバルクでは六方最密充填 (hcp)構造しか持たないルテニウム(Ru)をナノメートルサイズまで小さくすることで、新たに面心立方格子 (fcc)タイプの構造を有するRuナノ粒子を作ることに成功し、従来のhcpタイプの構造を有するRuナノ粒子より高いCO酸化触媒活性を有することを発見していました。しかし、なぜhcp タイプのRuナノ粒子より高いCO酸化触媒活性を持っているかは分かっていませんでした。原因の1つとして、ナノ粒子の多くは、ある程度規則的に原子が並んでいますが、粒子中の原子数が多くないこともあり、規則的な格子位置からはずれている原子の存在を無視できないことが挙げられていました。
  3. そこで本研究では、Ruナノ粒子の原子の隣り同士のような近距離の局所構造とナノ粒子の全体の平均構造を調べ、触媒活性との関係を調べました。まず、Ruナノ粒子の結晶構造情報をSPring-8の高エネルギーX線回折・散乱を測定して詳細に調べました。原子間の距離を関数とした原子の個数分布と原子の結合角度の分布の幅から定義される構造パラメーターで構造を数値化したところ、fccタイプの粒子サイズが3.5 nmから5 nm付近では、局所的に見ると構造秩序が良くなる反面、ナノ粒子全体の格子歪と平均的な原子位置の乱れは大きくなる結果を得ました。この結果から、ナノ粒子中の局所構造、平均構造 (格子歪と平均的な原子位置の乱れ) と触媒活性とが関係づけられることを見いだしました。
  4. 今回の研究から、活性や機能とは一見関係のないと考えられていたナノ粒子の中の原子配列構造の特徴が、触媒活性と関係づけられることが示唆されました。今後、新規創製される様々なナノスケールの機能性粒子について系統的に研究を進め、 ナノ粒子内の局所的な近距離構造と平均構造に関するデータを機械学習に使えるように蓄積することで、データを活用した情報統合型物質・材料研究 (マテリアルズ・インフォマティクス) 基盤の形成を目指します。
  5. 本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構 (JST) ACCELにおける研究課題「元素間融合を基軸とする物質開発と応用展開」 (研究代表者 : 北川宏教授) による支援を受けて実施しました。
  6. 本研究成果は、Physical Chemistry Chemical Physics誌の2016年10月27日発行号 (現地時間) に掲載される予定です。また一部の相補的な結果はScientific Reports誌に2016年8月10日に掲載されています。

「プレスリリースの図1:  面心立方格子構造(fcc)タイプのRuナノ粒子と六方最密充填構造(hcp)タイプのRuナノ粒子の原子スケールの逆モンテカルロ(RMC)モデリングの結果から推定した原子配列の3次元外観図。(a) 各粒子サイズの外観図。 (b) fccタイプのRu 5.4 nmとhcpタイプのRu 5.0 nmの3次元粒子外観図。ここで色の違いは違う原子の配位数の違いを示している。fccタイプの図では、赤、黄色、緑の順番で配位数は大きくなり、hcpタイプの図では、青、黄色、緑の順番で配位数は大きくなります。」の画像

プレスリリースの図1: 面心立方格子構造(fcc)タイプのRuナノ粒子と六方最密充填構造(hcp)タイプのRuナノ粒子の原子スケールの逆モンテカルロ(RMC)モデリングの結果から推定した原子配列の3次元外観図。(a) 各粒子サイズの外観図。 (b) fccタイプのRu 5.4 nmとhcpタイプのRu 5.0 nmの3次元粒子外観図。ここで色の違いは違う原子の配位数の違いを示している。fccタイプの図では、赤、黄色、緑の順番で配位数は大きくなり、hcpタイプの図では、青、黄色、緑の順番で配位数は大きくなります。




本件に関するお問い合わせ先

(研究内容に関すること)
国立研究開発法人物質・材料研究機構
技術開発・共用部門 高輝度放射光ステーション、先端材料解析研究拠点 シンクロトロンX線グループ ステーション長、グループリーダー 坂田修身 (さかた おさみ)
TEL: 0791-58-1970
E-Mail: SAKATA.Osami=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
(ナノ粒子試料に関すること)
国立大学法人京都大学 大学院理学研究科 化学専攻 教授 北川 宏 (きたがわ ひろし)
TEL: 075-753-4035
E-Mail: kitagawa=kuchem.kyoto-u.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
(報道・広報に関すること)
国立研究開発法人物質・材料研究機構
経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立大学法人京都大学
企画・情報部 広報課 国際広報室
〒606-8501 京都市左京区吉田本町36番地1
TEL: 075-753-5727
E-Mail: comms=mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
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TEL.029-859-2000 (代表)
FAX.029-859-2029