組成が違っても触媒活性が同等な新規Rh-Cuナノ粒子の電子状態の観測
~合金の複合的な電子状態が寄与することを示唆~
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
国立大学法人大分大学
NIMS、京都大学及び大分大学からなる研究チームは、排ガス浄化触媒活性を持つロジウム (Rh) と銅 (Cu) からなる合金ナノ粒子において、Rh組成が変わっても同等の触媒活性を示すナノ粒子の電子状態を初めて明らかにしました。
概要
- 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 シンクロトロンX線グループ坂田修身グループリーダー、京都大学大学院理学研究科北川宏教授、大分大学永岡勝俊准教授からなる研究チームは、排ガス浄化触媒 活性を持つロジウム (Rh) と銅 (Cu) からなる合金ナノ粒子において、Rh組成 (ここでは原子数比) が変わっても同等の触媒活性を示すナノ粒子の電子状態を初めて明らかにしました。その結果、ナノ粒子の触媒活性と電子状態が簡単に関係づけられないことが判明しました。今後、触媒活性と電子状態の関係を詳細に解析することで、合金ナノ粒子にRhナノ粒子と同等の触媒活性を持たせるために、単純に電子状態が同等になるようにするだけでない、新たな方法が見つかる可能性を示唆しています。
- 自動車などの排ガス浄化触媒として期待される希少元素Rhですが、コスト低減のため使用量を削減することが求められています。これまで、京都大学の北川グループによって、バルクでは合金になり得ないRhとCuの合金ナノ粒子が作製され、大分大学の永岡グループによって、この合金ナノ粒子が、Rh組成を減らしてもRh単体のナノ粒子と同等に、CO、NOxなどの排ガス成分を酸化する触媒活性を持つことが確かめられています。組成が異なれば電子状態が変化すると考えられる一方、触媒活性は材料の電子状態と密接に関係するとも考えられるため、このRh-Cu合金ナノ粒子系の電子状態には興味が持たれていましたが、実験の困難さからこれまで調べられておらず未解明でした。そこで今回、NIMSの坂田グループが中心となり、Rhの組成が異なる複数のRh-Cu合金ナノ粒子の電子状態を初めて観測しました。
- ナノ粒子の電子状態をエネルギーの低い通常の (軟) X線を使った光電子分光測定で調べる場合、ナノ粒子の凝集を防ぐための表面保護材に阻まれるためにナノ粒子自体の電子状態を正確に評価するのは極めて困難です。そこで保護材を透過することのできるエネルギーの高い (硬) X線を用いて、ナノ粒子全体から電子状態の情報を得るために、大型放射光施設 (SPring-8) にある物質・材料研究機構のビームラインを用いて光電子分光測定を行いました。約8割がRhである高Rh組成のタイプと、約半分がRhで残りがCuである2つのタイプの合金ナノ粒子の電子状態 (酸化数) を調べました。その結果、Rh組成が多いタイプでは、Rhナノ粒子と類似の酸化状態が観測されましたが、Cu組成が約半分であるタイプではRhナノ粒子で観測されたRhの酸化状態をもつ割合が減り、Cuの酸化成分が増大することが観測されました。
- 同じ触媒活性を持つ2種類の合金ナノ粒子の酸化数が異なるという今回の研究成果は、触媒等の新機能性物質の創製において、より詳細な電子状態の評価が重要であることを示しています。今後、触媒活性と電子状態の関係について理論的な検討も進める予定です。さらに、新機能性物質の創製をますます加速させるため、合金ナノ粒子以外の様々な物質についても、電子構造や原子配列に関するデータを提供し、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) の基盤を形成していきます。
- 本研究は、文部科学省のナノテクノロジープラットフォーム事業、および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。
- 本研究成果はScientific Reports誌にて現地時間2017年1月25日10時 (日本時間2017年1月25日19時) に掲載される予定です。
プレスリリースの図2: 高輝度放射光の高分解能硬X線光電子分光測定のスペクトル分析の結果。(a)、(b)はRh 3dの内殻スペクトル。(c)、(d)はCu 2pの内殻スペクトル。
