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人工ロジウムの開発に成功 -価格は1/3に、性能はロジウムを凌駕-

2014年1月22日


北川教授

 北川宏 理学研究科教授の研究グループは、パラジウム(Pd)とルテニウム(Ru)が原子レベルで混ざった新しい固溶体合金の開発に成功しました。従来PdとRuは2000度以上の液体の状態においても相分離する、言わば水と油の関係であり、原子レベルで混じらないのが常識でした。今回、ナノサイズ効果に注目し、化学的還元法により、初めてPdとRuが原子レベルで固溶した合金ナノ粒子を得ることに成功しました。周期表上でPdとRuの間に位置する高価格なロジウム(Rh)と等価な電子状態を有し、価格が1/3の人工ロジウムとして期待されます。家庭で使用されている燃料電池コジェネレーションシステム「エネファーム」では、金属Ru触媒が稀少金属の白金の耐被毒触媒として使用されています。今回開発されたPd-Ru固溶体ナノ合金は従来のRu触媒やRh触媒の性能を遙かに凌ぐものです。また、自動車排ガス触媒として有用なロジウム触媒の性能を凌ぎ、価格を格段に下げるものと期待されます。

 この研究成果は、アメリカ化学会誌(Journal of the American Chemical Society)の電子版に近日中に掲載される予定です。

概要

 家庭で使用されている燃料電池コジェネレーションシステム「エネファーム」では、金属Ru触媒が稀少金属の白金の耐被毒触媒として使用されています。今回開発したPdとRuが原子レベルで混ざった合金触媒は、現在実用化されているRu触媒に比べて、有害な一酸化炭素を除去する性能がより優れていることがわかりました。また、RuとPd元素の中間位置に存在するRhの触媒活性よりも優れています(図1)。


図1:PdとRuがお互い原子レベルで混じり合った新規Pd-Ru固溶体ナノ合金触媒と一酸化炭素の酸化反応

 以上の研究成果は、言い換えれば、PdとRuを混ぜることによりこれまで存在し得なかったPd1-XRuX(0<x<1)という新元素とも言える物質を発見したということです。このことにより、燃料電池で使用されている高価な白金触媒の耐久性が向上し、エネファームの耐用年数が画期的に延びることが期待されます。また、自動車排ガス浄化触媒として使われるロジウム触媒の性能を凌ぐことが期待され、最も高価な貴金属元素であるロジウムの価格を1/3以下に下げるものです。今後、コストの関係でロジウムを使用できない場面においても今回開発した合金を用いることで、ロジウムと同等もしくはそれ以上の性能を発揮することが可能となります。

研究の背景

 現在、周期表上に存在する元素を巧みに組み合わせることで材料開発が行われています。金属の結晶構造はその化学的・物理的性質と密接に関係しており、これまでに、金属組織学において多くの合金の状態図が明らかにされています。

 パラジウムは、面心立方格子(fcc)の構造をとり、有機合成反応用の触媒、家庭用燃料電池エネファームなどにおける電極触媒、NOxなどの排ガス浄化触媒をはじめとして、社会で広く利用されている触媒です。一方、ルテニウム(Ru)は六方最密格子(hcp)の構造をとり、有機合成反応用の触媒、一酸化炭素被毒触媒、アンモニア合成触媒、水蒸気改質触媒など、極めて有用な触媒です。しかしながら、金属触媒の代表格であるPdとRuはバルク状態において相分離を起こし、これまでは、2000度以上の液相でも、原子レベルで混じらないというのが常識でした。

研究の内容

 本研究では、ナノメートルオーダーまでサイズを減少させることでPdとRuが原子レベルで混じり合った新しいPd-Ru固溶体合金を作り出すことに世界で初めて成功しました。今回開発した固溶体合金は溶液中で金属原料を還元し、ナノ粒子を作製するボトムアップ法により作製しました。粒径を制御するため保護剤としてポリ(N-ビニル-2-ピロリドン)(PVP)を用い、テトラクロロパラジウム酸カリウムと塩化ルテニウムの混合水溶液を200度で加熱されたトリエチレングリコール溶液に噴霧することにより作製しました。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から、PdとRuがお互い原子レベルで混じり合った固溶体合金ナノ粒子が得られていることが明らかになりました(図2)。また、PdとRu原料の配合比を調整することにより、Pd-Ru固溶体合金ナノ粒子の金属組成比を制御可能であることがわかりました。固溶体合金ナノ粒子の構造を詳細に調べたところ、PdとRuの固溶体fcc構造と固溶体hcp構造が一つの粒子内で共存していることが粉末X線回折測定および電子線回折測定により明らかになりました。


図2: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(b):Ru元素のマッピング(c):Pd元素のマッピング(d):PdとRuの元素マッピングの重ね合わせ。PdとRuの元素マッピングの重ね合わせからPdとRuが原子レベルで固溶した合金ナノ粒子が得られていることがわかる。

 次に、一酸化炭素の酸化反応に対する触媒評価を行いました。新規Pd-Ru固溶体合金ナノ粒子はPd粒子やRu粒子に比べて、一酸化炭素の転化率が50%に達する温度(T50)が低いことから、より温和な条件下で高い活性を示すことが明らかになりました(図3)。さらに、元素周期表上でPdとRuの間に位置するロジウム(Rh)ナノ粒子に比べても高い活性を示しました。PdとRuの金属組成比と触媒活性の相関を調べたところ、Pd:Ru=1:1の固溶体合金が最も高い活性を示すことが明らかになりました。得られた新規Pd-Ru固溶体合金ナノ粒子は広い温度範囲で安定であり、高活性に加え高寿命の性能を兼ね備えた優れた触媒になり得ることが期待されます。


図3:新規Pd-Ru固溶体ナノ合金触媒の一酸化炭素の酸化反応活性

T50は一酸化炭素の転化率が50%に達する温度を示している。新規Pd-Ru固溶体ナノ合金触媒はPd粒子、Ru粒子やRh粒子に比べて、マイルドな条件で高い触媒活性を示している。

今後の展開

 燃料電池のセルスタックに、一酸化炭素(CO)は大敵です。COは、燃料電池スタック反応で重要な役割を果たす白金触媒に付着して、化学反応を妨げてしまうからです。これをCOによる「被毒」と言います。有害なCOに被毒すると、燃料電池スタックは次第に発電できなくなります。それを防ぐためには、燃料電池スタックに送り込まれる水素ガス中のCO濃度を10ppm(0.001%)以下に保たなければなりません。Ruは、金属表面上で一酸化炭素(CO)と酸素(O2)を反応させて二酸化炭素(CO2)に変換し、COを酸化除去する性能が最も高い金属であり、CO除去触媒としてエネファームに実用化されています。しかしながら、エネファームは2009年から販売開始となりましたがまだ5年しか経過しておらず、保証されている10年の耐用年数の有無はこのRu触媒の性能にかかっています。今回、発見したPd-Ruナノ合金は、家庭用燃料電池エネファームで使用されている既存のRuの性能を大幅に凌駕するものであり、Ruに置き換わる革新的な新触媒として期待されます。

 さらに、RuとPdは周期表上で、最も高価な貴金属元素であるロジウム(Rh)の両側に存在します。Rhは最も有用な自動車の排ガス浄化触媒(三元触媒)として使用されていますが、その価格が課題になっています。今回開発されたPd-Ruナノ合金は材料費が1/3であり、かつ、Rhの触媒性能を超えることが予想されます。今後、同合金はロジウムより低廉かつ高性能な人工ロジウムとして普及することが期待されます。

本研究は、独立行政法人科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)の研究領域「元素戦略を基軸とする物質・材料の革新的機能の創出」における研究課題「元素間融合を基軸とする新機能性物質・材料の開発」(研究代表者:北川宏 教授)の一環として行われたものです。

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1021/ja409464g

Kohei Kusada, Hirokazu Kobayashi, Ryuichi Ikeda, Yoshiki Kubota, Masaki Takata, Shoichi Toh, Tomokazu Yamamoto, Syo Matsumura, Naoya Sumi, Katsutoshi Sato, Katsutoshi Nagaoka, Hiroshi Kitagawa
"Solid Solution Alloy Nanoparticles of Immiscible Pd and Ru Elements Neighboring on Rh: Changeover of the Thermodynamic Behavior for Hydrogen Storage and Enhanced CO-Oxidizing Ability"
(Rhの隣に位置し、お互い混じらないPdとRuからなる固溶合金ナノ粒子:水素吸蔵に対する熱力学的挙動の転換とCO酸化活性の向上)
Journal of the American Chemical Society (Web): January 23, 2014

 

  • 朝日新聞(1月23日 6面)、京都新聞(1月23日 1面)、産経新聞(1月23日夕刊 8面)、日刊工業新聞(1月23日 23面)、毎日新聞(1月28日 27面)、読売新聞(1月23日 2面)および科学新聞(2月7日 1面)に掲載されました。