On-demand synthesis of sub-nano hybrid alloy particles based on the periodic table

基于元素周期表的亚纳米杂化合金颗粒的按需合成

基本信息

批准号：
21H05023
负责人：
山元公寿
金额：
$ 123.64万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-05 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

新しい機能性ハイブリッドサブナノ合金の設計と合成を可能とするため、準サブナノ粒子の新合成法の確立に取り組んだ。「アトムハイブリッド法」を応用し、これまで困難とされた「準サブナノ粒子」の精密な合成に初めて成功した。ナノ粒子とサブナノ粒子の境界に位置する準サブナノサイズの物質は、固体と分子の中間の性質を持ち得る興味深い物質群であるが、これまで精密な合成はほとんど達成されていなかった。準サブナノ粒子の新たな合成法の開発を目指し、分子カプセルを利用してサブナノ粒子の合成を行う「アトムハイブリッド法」を応用するアプローチを検討した。具体的には、カプセル内部の金属イオンだけでなく、デンドリマーそのものを配位結合によって組み上げる手法を新たに採用することで、「超分子カプセル」の合成に成功した。異なる元素を結合して協働効果を生み出すことは、金属触媒の性能向上に効果的な方法である。我々は高性能の水素発生触媒を設計するため、AIを用いて合金サブナノ粒子を探索した。その中でZr酸化物とPt金属との合金粒子の触媒としての可能性を突き止めた。しかし、酸化物(無機物)と金属のように物質のカテゴリーが異なる場合、ナノ粒子化でも決して混合しない。これに対し、概ね粒径1.3nm以下のサブナノスケールの粒子ではその組み合わせによらず自由な混合が可能であると予想した。具体的にはSTEMのzコントラストを応用した元素識別動態イメージングを用いて、様々な二元素サブナノ粒子の原配列構造を解析した。通常は絶対に混ざり合わないZr酸化物とPt金属という異質な材料同士が、正則溶液に近いレベルで均一に混合することを発見した。このいわゆる「サブナノ超相溶効果」ともいえる現象を原子レベル構造から解明している(Angew. Chem . Int. Ed. 2022, 61, e202209675)。

为了能够设计和合成新型功能杂化亚纳米合金，我们致力于建立一种新的准亚纳米颗粒合成方法。通过应用“原子混合法”，我们首次成功地精确合成了迄今为止被认为很困难的“准亚纳米粒子”。位于纳米颗粒和亚纳米颗粒之间边界的准亚纳米尺寸物质是一组有趣的物质，其性能介于固体和分子之间，但迄今为止，精确合成还很难实现。为了开发一种合成准亚纳米粒子的新方法，我们研究了一种应用“原子混合法”的方法，该方法使用分子胶囊合成亚纳米粒子。具体来说，他们采用一种新方法，不仅组装胶囊内的金属离子，还通过配位键组装树枝状聚合物本身，成功合成了“超分子胶囊”。将不同元素结合产生协同效应是提高金属催化剂性能的有效途径。我们利用人工智能探索合金亚纳米粒子来设计高性能制氢催化剂。其中，我们发现了Zr氧化物和Pt金属的合金颗粒作为催化剂的潜力。然而，当物质属于不同类别时，例如氧化物（无机物质）和金属，它们永远不会混合，即使它们被制成纳米颗粒。另一方面，我们预计粒径约为 1.3 nm 或更小的亚纳米级颗粒无论其组合如何都可以自由混合。具体来说，我们使用 STEM z 对比度的元素辨别动态成像分析了各种二元素亚纳米颗粒的原始阵列结构。人们发现，通常不混合的异种材料Zr氧化物和Pt金属可以以接近常规溶液的水平均匀混合。我们正在从原子级结构阐明这种所谓的“亚纳米超相容效应”（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209675）。