サブナノ厚みを自在に操る:二次元シリカの新合成戦略~新規特性も発現、水解離触媒などの材料設計指針に~

2025-11-05 名古屋大学

名古屋大学未来材料・システム研究所の山本瑛祐助教・長田実教授らは、固相界面活性剤を鋳型に用いて、非層状化合物であるアモルファスシリカの厚みを1ナノメートル未満で自在に制御できる二次元ナノシートの合成に成功した。得られたシリカは高い分散安定性と均一性を持ち、膜厚によって絶縁耐圧や水解離反応の触媒活性が変化することを発見。特に極薄化により、従来不活性と考えられたアモルファスシリカが高性能な水解離触媒として機能することを明らかにした。この成果は資源豊富なシリカを用いた新材料設計の指針となり、バイポーラ膜型電解装置などへの応用が期待される。研究成果はACS Nano誌に掲載。

サブナノ厚みを自在に操る:二次元シリカの新合成戦略~新規特性も発現、水解離触媒などの材料設計指針に~
図1 (上)アモルファスシリカナノシートの原子間力顕微鏡象(AFM)注6)と(左下)それぞれの厚みの分布と(右下)PEO数と厚みの関係

<関連情報>

界面活性剤テンプレートを用いたサブナノメートル厚の自立型非層状ナノシートの作製 Surfactant Templating for the Subnanometer Thickness Engineering of Free-Standing Nonlayered Nanosheets

Eisuke Yamamoto,Yuma Takezaki,Renjiro Hara,Makoto Kobayashi,Ruben Canton Vitoria,Zixiao Shi,David A. Muller,Thomas E. Mallouk,and Minoru Osada
ACS Nano  Published: November 4, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13829

Abstract

The precise control of thickness at the subnanometer scale is essential for tuning the properties of two-dimensional (2D) nanosheets. However, the thickness control of free-standing nanosheets composed of nonlayered compounds remains a fundamental challenge. Here, we report a solid-state surfactant templating strategy for synthesizing free-standing amorphous siloxane nanosheets with subnanometer thickness precision. By tailoring the length of ethylene oxide chains of the surfactant, we reproducibly obtained nanosheets with precisely defined thicknesses of 0.9, 1.5, 2.0, and 2.5 nm, while also enabling the incorporation of organofunctional groups into their frameworks. The resulting nanosheets exhibit thickness uniformity and high colloidal stability, enabling the formation of densely packed large-area films suitable for the systematic investigation of the properties, such as band gaps and breakdown strengths. We found that amorphous silica nanosheets showed exceptionally low overpotentials for the water dissociation reaction with a clear thickness dependence despite amorphous silica being widely regarded as a poor catalyst.

0505化学装置及び設備
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