ハイエントロピー合金メソ多孔体の合成に初成功 ~複数の金属原子を組み合わせて高性能を実現~

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2023-07-18 名古屋大学

国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院工学研究科の山内悠輔卓越教授(JST-ERATO山内物質空間テクトニクスプロジェクト研究総括、及びクイーズランド大学教授兼任)、カン ユンチンERATO研究員(物質・材料研究機構ERATO拠点内)らは、早稲田大学の江口美陽准教授、奈良洋希研究院准教授、朝日透教授との共同研究で、ブロック共重合体注1ミセル注2を鋳型として使用する化学還元法注3による、5種金属からなる多孔体骨格の合成法を新たに開発しました。その結果、ハイエントロピー合金(HEA; High Entropy Alloy)注4からなるメソ多孔体注5の合成に世界で初めて成功しました。
今回得られたHEAメソ多孔体(金属種:PtPdRhRuCu)は、広範囲なpH領域にわたって水素発生反応 (HER) に対して優れた活性と安定性を示す電極触媒であることが分かりました。HERに対する触媒活性は、既存の電極触媒を大きく上回り、豊富に存在するメソ細孔注6は電極中における効率的な反応物や生成物の移動を促進しています。
また、合成過程での金属析出挙動、そしてそれに伴うミセルの自己組織化を把握することで、細孔構造の形成メカニズムと各金属の役割について理解することを可能とします。これにより、本知見は他のHEAのメソ多孔体へと展開する上で極めて重要になってきます。
本成果は、電極触媒の進歩に貢献し、エネルギー変換および貯蔵用途向けの効率的で安定した触媒の開発への道を切り開くと期待されます。
本研究成果は、2023年7月13日付Nature Communicationsに掲載されました。

【ポイント】

・5種類(Pt、Pd、Rh、Ru、Cu)の金属イオンを高分子ミセル表面に安定化させ、化学還元法によるハイエントロピー合金メソ多孔体の合成に初めて成功した。
・広範囲pH領域にわたって水素発生反応(HER)に対して優れた活性と安定性を示す電極触媒であることが分かった。従来のHER触媒電極の性能を大きく上回っている。

◆詳細(プレスリリース本文)はこちら

【用語説明】

注1)ブロック共重合体:
2種類以上の異なる化学構造をもつ繰返し単位セグメントを、互いに連結させた重合体がブロック共重合体である。ブロック共重合体は様々なナノ構造を発現する自己組織化材料としても知られている。

注2)ミセル:
ミセルとは、両親媒性分子が集まってできたコロイドのことである。両親媒性分子は、水になじむ「親水部」と、水になじまない「疎水部」を合わせて持ち、水溶液中で形成するミセルでは、親水部が外側に、疎水部が内側にある構造をしている。

注3)化学還元法:
溶液中などで、金属塩などを化学的に還元して、粉末を析出させる方法。還元方法としては、還元剤の添加による方法が一般的である。

注4)ハイエントロピー合金(HEA; High Entropy Alloy):
複数種類の金属(多くの場合5種類以上)が含まれた合金の総称。種々の合金元素が結晶格子にランダムに配置されることで、系のエントロピーが高くなるという意味で、高エントロピー合金と呼ばれている。

注5)メソ多孔体
メソ細孔を有する多孔体をメソ多孔体と呼ぶ。メソポーラス物質とも呼ばれている。

注6)メソ細孔:
IUPACでは、直径2 nm以下の細孔をマイクロ細孔、直径2―50 nmの細孔をメソ細孔、直径50 nm以上の細孔をマクロ細孔と定義している。メソ細孔を有する多孔体をメソポーラス物質、またはメソ多孔体と呼ぶ。

【論文情報】

雑誌名: Nature Communications
論文タイトル:Mesoporous multimetallic nanospheres with exposed highly entropic alloy sites
著者:Yunqing Kang, Ovidiu Cretu, Jun Kikkawa, Koji Kimoto, Hiroki Nara, Asep Sugih Nugraha, Hiroki Kawamoto, Miharu Eguchi, Ting Liao, Ziqi Sun, Toru Asahi & Yusuke Yamauchi
DOI: 10.1038/s41467-023-39157-2
URL: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39157-2
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39157-2.pdf

【研究代表者】

大学院工学研究科 山内 悠輔 教授

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