研究成果

ロジウムを凌駕する排ガス浄化触媒活性を有する新規合金ナノ粒子-元素間融合により電子状態を改変、優れたNOx還元活性の発現-


2016年06月27日


     北川宏 理学研究科教授、永岡勝俊 大分大学准教授、古山通久 九州大学教授、松村晶 同教授らの研究グループは、パラジウム(Pd)とルテニウム(Ru)からなる合金ナノ粒子が、ロジウム(Rh)と同等以上の非常に高い自動車排ガス注(自動車の走行にともなって排出されるガス)浄化性能を示すこと、その原因がPdRu固溶型合金の持つ電子的な特徴がRhと非常に良く似ているためであることを明らかにしました。

     本研究成果は、2016年6月24日午前10時(英国時間)にNature Publishing Groupの電子ジャーナル「Scientific Reports」で公開されました。

    研究者からのコメント

     開発したPdRu固溶型合金ナノ粒子は、触媒化学のみならず、様々な分野で擬似ロジウムとしての応用が期待できます。更に今回の研究成果は、目的とする性質や特徴を元素間の原子レベルでの混合によってデザインするというコンセプト(DOSエンジニアリング)を提示、実証するものです。 今後このコンセプトをさまざまな元素の組み合わせに拡張することでさらなる新物質の開発、機能の発現が期待できます。

    本研究成果のポイント

    • ロジウムは他に並ぶもののないNO還元活性を有するため自動車排ガス浄化用触媒として用いられているが、希少かつ高価な資源であり代替材料の開発が希求されていた。
    • 通常混じり合わないパラジウムとルテニウムを均質に混合した合金ナノ粒子がロジウムをしのぐ触媒活性を示すことを見出した。またその理由が、合金ナノ粒子が「擬似ロジウム」とも言える、ロジウムによく似た電子的特徴を有することに起因しているためだと明らかにした。
    • 開発した擬似ロジウムは触媒化学の分野を中心に、低コストかつ高性能な材料としての利用が期待できる。
    • 元素間融合に基づく新物質のデザインや新機能の創出の可能性を実証した。

     

    概要

     ロジウムは産業上重要な元素(貴金属)であり、自動車の排ガス浄化用触媒に大部分が使用されています。しかし、ロジウムは希少で高価なため、ロジウムに匹敵する性能を持ち、ロジウムと置き換えることのできる新しい物質の開発が求められていました。

     本研究グループはロジウムよりも資源量が豊富なパラジウムとルテニウムに注目しました。この二つの金属は周期表上でロジウムの両隣に位置するため、二つの金属の合金は周期表上で間に位置するRhに似た性質を示す可能性があると予想できます。

     従来、パラジウムとルテニウムはバルクレベルでは合金を作ることができない元素の組み合わせとして知られていましたが、研究グループではナノサイズ化と化学的還元の手法を駆使することで、パラジウムとルテニウムが原子レベルで混合した固溶型合金ナノ粒子を合成し、自動車排ガスの主成分である窒素酸化物(NOx)の浄化に対する触媒活性を調べました。

     その結果、開発したPdRu(パラジウム-ルテニウム)固溶型合金ナノ粒子がロジウムをしのぐ触媒性能を持つ事を見出しました。更に、この原因について密度汎関数理論に基づき解析したところ、PdRu固溶型合金がRhに非常によく似た電子的特徴を持つこと、つまり、PdRu固溶型合金が「擬似ロジウム」として振る舞うことを明らかにしました。

    図:高角散乱環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF-STEM)による元素マッピング
    (a) HAADF-STEMイメージ赤い破線で囲まれた輝点が担持されたPdRu-NPs(b) PdRu-NPsの拡大HAADFイメージ(c) Pdの元素マッピング(d) Ruの元素マッピング(e) PdとRuの元素マッピングの重ねあわせ、ナノ粒子内にPdとRuが一様に分布しており、原子レベルで混合した固溶体ができていることが分かる。

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    【DOI】
    http://dx.doi.org/10.1038/srep28265


    【KURENAIアクセスURL】

    http://hdl.handle.net/2433/215280

    Katsutoshi Sato, Hiroyuki Tomonaga, Tomokazu Yamamoto, Syo Matsumura, Nor Diana Binti Zulkifli, Takayoshi Ishimoto, Michihisa Koyama, Kohei Kusada, Hirokazu Kobayashi, Hiroshi Kitagawa & Katsutoshi Nagaoka. (2016). A Synthetic Pseudo-Rh: NOx Reduction Activity and Electronic Structure of Pd–Ru Solid-solution Alloy Nanoparticles. Scientific Reports, 6:28265

     

    • 科学新聞(7月8日 4面)に掲載されました。

    ロジウムを凌駕する排ガス浄化触媒活性を有する新規合金ナノ粒子-元素間融合により電子状態を改変、優れたNOx還元活性の発現-
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