パラジウムナノ構造体への水素挿入を促進する粒界効果(Grain Boundaries Accelerate Hydrogen Insertion into Palladium Nanostructures)

2025-11-18 パシフィック・ノースウェスト国立研究所 (PNNL)

PNNLをはじめとする研究チームは、パラジウム(Pd)ナノ構造体において、特定の結晶境界(Σ3(111) グレインボーダリー)を意図的に多く含む構造を合成し、水素挿入(ハイドライド化)挙動を調査しました。結果、このグレイン境界を豊富に持つPdナノ構造体は、同サイズ・同条件の通常のPdナノ粒子と比べて、水素の挿入・排出の速度が著しく速いことが明らかになりました。環境透過電子顕微鏡による歪みマッピングからは、グレイン境界付近に応力集中が生じ、水素が優先的にそこに侵入している証拠も得られています。さらに、第一原理計算(DFT)から、これらの境界近傍では水素挿入のエネルギー障壁が低く、張力歪みがさらにその障壁を低減することが示されました。本成果は、金属ナノ材料中の結晶欠陥が水素貯蔵・水素化反応を促進する“構造設計”の鍵となるという新知見を提供し、次世代の水素貯蔵材料・水素化触媒の開発に貢献すると期待されます。

パラジウムナノ構造体への水素挿入を促進する粒界効果(Grain Boundaries Accelerate Hydrogen Insertion into Palladium Nanostructures)

Specially synthesized assemblies of palladium particles with grain boundaries had significantly faster hydrogen insertion than similar-sized isolated palladium nanoparticles.(Image by Hyoju Park | Pacific Northwest National Laboratory)

<関連情報>

Σ3(111)粒界はパラジウムナノ構造への水素挿入を促進する Σ3(111) Grain Boundaries Accelerate Hydrogen Insertion into Palladium Nanostructures

K. A. U. Madhushani,Hyoju Park,Hua Zhou,Diptangshu Datta Mal,Bingxin Yang,Qin Pang,Dongsheng Li,Peter V. Sushko,and Long Luo
Nano Letters  Published: October 10, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03431

Abstract

Grain boundaries (GBs) are frequently implicated as key defect structures facilitating metal hydride formation, yet their specific role remains poorly understood due to their structural complexity. Here, we investigate hydrogen insertion in Pd nanostructures enriched with well-defined Σ3(111) GBs (PdGB) synthesized via electrolysis-driven nanoparticle assembly. In situ synchrotron X-ray diffraction reveals that PdGB exhibits dramatically accelerated hydriding and dehydriding kinetics compared with ligand-free and ligand-capped Pd nanoparticles with similar crystallite sizes. Strain mapping using environmental transmission electron microscopy shows that strain is highly localized at GBs and intensifies upon hydrogen exposure, indicating preferential hydrogen insertion along GB sites. Density functional theory calculations provide mechanistic insight supporting these findings, showing that hydrogen insertion near Σ3(111) GBs is energetically more favorable and that tensile strain lowers insertion barriers. These results provide atomic-level insights into the role of GBs in hydride formation and suggest new design strategies for GB-engineered Pd-based functional materials.

0703金属材料
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