【研究領域課題番号】19H02535 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電子顕微鏡 / クラスター / ナノ粒子 / サブナノ粒子 / 原子動態 / 金属クラスター / 触媒 / 白金

【研究成果の概要】

金属ナノ粒子やクラスターの触媒活性を決定する本質的要因はなにか？この問いは構成原子数により大きく異なるクラスター触媒の活性が見出されてから長らく疑問とされてきたものであり、特に構造的要因は特に未解明な部分が多く、クラウターの特性を考えるうえで理解を深める必要があった。そこで研究代表者らは原子分解能電子顕微鏡を用いてクラスターの原子動態をリアルタイムで観測し、原子配列構造のダイナミクスについて重要な実験的知見を得ることに成功した。

【研究の社会的意義】

最もシンプルな実験対象として、グラフェンのような担体上における二量体・三量体の生成・解離のダイナミクスを、元素を同定しながら原子レベルの分解能で直接可視化することに世界で初めて成功した　(Nature Commun. 2022, in press)。具体的には走査型透過電子顕微鏡（STEM）とZコントラスト原理に基づく元素同定を組み合わせて、多くのホモおよびヘテロ金属二量体のビデオ記録を行った。AuAg、AgCu、AuAgCuのような存在確率の低い短寿命分子も、低電子線量で動く原子を識別した結果、世界で初めて直接可視化することに成功している。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究領域課題番号】19K22198 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ペプチド / 白金錯体 / クラスター / サブナノ粒子 / 金属クラスター / 自動合成 / ナノ粒子 / 電子顕微鏡

【研究成果の概要】

サブナノメートルスケールの金属や合金クラスターは卓越した触媒活性を示すなど、ポストナノテク材料として注目を集めている。本研究では白金錯体を側鎖に持つメタロペプチドから、原子レベルで精密な白金サブナノ粒子の合成に成功した。ペプチドの前駆体は、MerrifieldのSPPS（Solid Phase Peptide Synthesis）法を用いて自動的に合成され、炭素に担持された後、水素雰囲気下で加熱することにより、対応する原子数の白金サブナノ粒子に変換された。本提案は、オンデマンドで多品種のクラスターを精密に形成する全自動合成の原理実証(PoC)となるものである。

【研究の社会的意義】

ペプチドの前駆体は、MerrifieldのSPPS（Solid Phase Peptide Synthesis）法を用いて自動的に合成され、炭素に担持された後、水素雰囲気下で加熱することにより、対応する原子数の白金サブナノ粒子に変換された。本研究の成果は自動合成法を駆使して様々な構成原子数や元素からなるサブナノ粒子がテンプレートフリーで得られることを示している。白金サブナノ粒子は、触媒反応に応用できる可能性がある。本コンセプトは、さまざまな金属種のサブナノ粒子を原子レベルの精度で自動合成することを可能にし、触媒、発光材料、記録材料などの探索を加速させることが期待される。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2021-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】無機化学

【研究領域課題番号】16H04115 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

白金 / クラスター / 触媒 / 金属クラスター / 銀 / 合金 / ナノ材料 / 触媒・化学プロセス / 燃料電池 / ナノ粒子 / 透過型電子顕微鏡 / 多核・クラスター錯体

【研究成果の概要】

[PtL2]5から[PtL2]12までの多核錯体がすべて生成し、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)にて単離可能であることを見出した。これら構成原子数の明確な白金チオラート[PtL2]xを原料として、Pt-S結合の解離によるチオール脱保護を行うことによって構成原子数が明確な超微小白金クラスター(Pt5-Pt12)を合成した。

【研究の社会的意義】

金属クラスターは次世代の触媒として大いに期待されている。一般的に気相合成法では質量分割をともなうため、得られる単分散クラスターの量は数ng程度が上限であり、実用には不向きであった。本手法では、バッチ式の化学合成法であるため、mgからgオーダーのスケールが可能であり、精度と合成スケールを併せ持った新しい方法であり、本分野の進展に大きく貢献する。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】26620002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クラスター / ナノ粒子 / レーザー蒸発 / 熱脱離分析 / シャドウグラフ / ナノシリカ / 金属酸化物 / キャビテーションバブル / 液相レーザーアブレーション / 触媒 / 保護剤 / シリカ

【研究成果の概要】

ナノメートルおよびサブナノメートルサイズのナノ粒子・クラスターは、バルクの物質にはない、新しい物理的・化学的性質を示す。本研究では、まず気相クラスターの手法を用いて、どのような金属・金属酸化物およびそれらの複合系ナノ粒子・クラスターがどのような反応性を示すのかを系統的に調べた。また、液相中にナノ粒子・クラスターを生成する汎用かつ物理的な手法である液相レーザー蒸発法をより精密化すると同時に、シャドウグラフ測定装置を立ち上げてナノ粒子・クラスターの生成の際に生じるキャビテーションバブルを観測し、生成条件の最適化を行った。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】触媒・資源化学プロセス

【研究領域課題番号】18106013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池触媒 / 選択酸化反応 / ベンゼン酸化 / PROX反応 / 触媒設計 / ナノ粒子 / クラスター / 時間分解解析 / XAFS / 触媒活性構造 / 反応機構 / 燃料電池 / 触媒表面 / リフォーミング / 触媒活性表面 / 選択酸化 / 触媒機能解析 / 構造解析 / 時間分解 / 触媒 / 表面 / in-situ解析 / PROX / 時間分解XAFS / 水素製造

【研究成果の概要】

時間分解X線吸収微細構造(XAFS)法を用いて、触媒反応中の活性構造自身の構造速度論/ダイナミクス論の新たな研究分野を開拓し、環境・エネルギー及びグリーンケミストリーに関連した選択触媒反応の動的解析を行った。その結果、ベンゼンからの直接フェノール合成触媒を発見及び燃料電池用PROX新規触媒を開発し、それらの活性構造を提案した。また、燃料電池カソード白金系触媒の構造・電子状態のヒステリシス挙動や新たな素反応過程を見いだした。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2006 - 2011

【配分額】110,890千円 (直接経費: 85,300千円、間接経費: 25,590千円)