レーザーアブレーションによる新規合金ナノ粒子の合成とその触媒特性の評価

激光烧蚀合成新型合金纳米粒子及其催化性能评价

• 批准号: 19J15202
• 负责人: 岡副 眞也
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J15202/
• 关键词: モリブデン; ルテニウム; 固溶体ナノ粒子; 電極触媒; 水素発生; 超伝導; 固溶合金; ナノ粒子; レーザーアブレーション; 熱分解

構成元素が均一に分布したナノ粒子を固溶体ナノ粒子と呼ぶ。これまで合成されてきた固溶体ナノ粒子は後期遷移金属から構成されるものが主であった。安価で豊富に存在する前期遷移金属も固溶体ナノ粒子の構成元素の候補に挙がるが、合成上の問題からその報告例は少ない。本研究では前期遷移金属と後期遷移金属から構成される固溶体ナノ粒子を合成し、電子状態の解明と物性評価、特に触媒特性の評価を研究目的としている。本年度は、昨年度合成したMoRu固溶体ナノ粒子のうちRuの割合が高い試料を炭素に担持し電極触媒とし、塩基性溶液中で水素発生反応に対する触媒活性を評価した。Ruのみから構成されるナノ粒子と触媒活性を比較した場合、特定の量の水素を発生させるために必要なエネルギーはMoRu固溶体ナノ粒子の方が低く、高い触媒活性を示すことを明らかにした。また、一般的に水素発生反応において高い触媒活性を示すと言われている白金(Pt)と比較した場合でも、MoRu固溶体ナノ粒子がより高い触媒活性を示すことを明らかにした。一方で、この触媒は長時間使用した際にはMoがMoRu固溶体ナノ粒子から溶出することを種々の測定から確認し、耐久性が低いという課題があることも明らかにした。また、熱分解で合成したMoRuナノ粒子をさらに水素雰囲気下で熱処理することで調製した炭素を含んだ新規MoRuC固溶体ナノ粒子の物性探索を行った。このナノ粒子は表面が炭素で被覆されていたため触媒活性以外の物性探索を行ったところ、極低温下において超伝導特性を示すことを明らかにした。さらに組成に応じて超伝導転移温度は指数関数的に変化し、組成変化を反映して電子状態が変化していることが示唆された。

组成元素均匀分布的纳米粒子称为固溶体纳米粒子。迄今为止合成的固溶体纳米颗粒主要由后过渡金属组成。早期过渡金属廉价且丰富，也是固溶体纳米粒子的组成元素的候选者，但由于合成问题，对其的报道很少。在这项研究中，我们合成了由早期过渡金属和晚期过渡金属组成的固溶体纳米颗粒，旨在阐明它们的电子态并评估它们的物理性质，特别是催化性能。今年，我们使用了去年合成的高比例Ru负载在碳上的MoRu固溶体纳米颗粒样品，并将其用作电极催化剂，并评估了其在碱性溶液中对制氢反应的催化活性。当比较仅由Ru制成的纳米颗粒的催化活性时，发现MoRu固溶体纳米颗粒需要更少的能量来产生一定量的氢气并表现出更高的催化活性。此外，据透露，MoRu固溶体纳米粒子即使与通常认为在氢生成反应中表现出高催化活性的铂（Pt）相比也表现出更高的催化活性。另一方面，通过各种测量证实，当该催化剂长期使用时，Mo从MoRu固溶体纳米颗粒中溶出，并且还揭示了该催化剂存在耐久性低的问题。此外，我们还研究了新型含碳MoRuC固溶体纳米颗粒的物理性质，该纳米颗粒是通过在氢气氛中热解合成的MoRu纳米颗粒进行热处理而制备的。由于这些纳米颗粒的表面涂有碳，我们研究了催化活性以外的物理特性，发现它们在极低的温度下表现出超导特性。此外，超导转变温度根据成分呈指数变化，这表明电子态的变化反映了成分的变化。

项目成果

Enhanced Hydrogenation Catalytic Activity of Ruthenium Nanoparticles by Solid‐Solution Alloying with Molybdenum

• DOI: 10.1002/ejic.202001141
• 发表时间: 2021-03
• 期刊: European Journal of Inorganic Chemistry
• 影响因子: 2.3
• 作者: Shinya Okazoe;Lena Staiger;M. Cokoja;K. Kusada;Tomokazu Yamamoto;T. Toriyama;S. Matsumura;H. Kitagawa;R. Fischer

Significant Enhancement of Hydrogen Evolution Reaction Activity by Negatively Charged Pt through Light Doping of W

• DOI: 10.1021/jacs.0c07143
• 发表时间: 2020-10-14
• 期刊: JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY
• 影响因子: 15
• 作者: Kobayashi, Daiya;Kobayashi, Hirokazu;Kitagawa, Hiroshi
• 通讯作者: Kitagawa, Hiroshi

First Observation of Superconductivity in Molybdenum-Ruthenium-Carbon Alloy Nanoparticles

首次观察到钼钌碳合金纳米粒子的超导性

• DOI: 10.1246/cl.200779
• 发表时间: 2021
• 期刊: Chemistry Letters
• 影响因子: 1.6
• 作者: S. Okazoe;K. Kusada;Y. Yoshida;M. Maesato;T. Yamamoto;T. Toriyama;S. Matsumura;S. Kawaguchi;Y. Kubota;H. Kitagawa
• 通讯作者: H. Kitagawa

ミュンヘン工科大学(ドイツ)

慕尼黑工业大学（德国）

Mo-Ru固溶体ナノ粒子の合成と同定

Mo-Ru固溶体纳米颗粒的合成与鉴定

• 发表时间: 2020
• 作者: Okazoe Shinya;Kusada Kohei;Wu Dongshuang;Yamamoto Tomokazu;Toriyama Takaaki;Matsumura Syo;Kawaguchi Shogo;Kubota Yoshiki;Kitagawa Hiroshi;岡副眞也・草田康平・Wu Dongshuang・山本知一・鳥山誉亮・松村晶・河口彰吾・久保田佳基・北川宏;岡副眞也・草田康平・山本知一・鳥山誉亮・松村晶・河口彰吾・久保田佳基・北川宏
• 通讯作者: 岡副眞也・草田康平・山本知一・鳥山誉亮・松村晶・河口彰吾・久保田佳基・北川宏