硫化モリブデン超原子がシート状に結合した超原子層の合成に成功：研究開発の最前線

東京都立大学は、立体的な分子構造を持つ硫化モリブデン超原子をシート状に結合した「超原子層」を合成し、構造や触媒活性を解明した。層状物質の薄片試料を評価したところ、水素発生反応の高い触媒活性を示した。

[MONOist]

　東京都立大学は2024年7月26日、立体的な分子構造を持つ硫化モリブデン超原子（Mo₄S₄クラスター）がシート状に結合した二次元物質「超原子層（Mo₈S₈Cl₁₁）」の合成に成功したと発表した。名古屋大学、産業技術総合研究所、大阪大学、名古屋市立大学、筑波大学との共同研究による成果だ。

　Mo₄S₄クラスターは立方体型の構造で、立方格子やカゴ状（クラスレート）の三次元集積体を形成し、その組成や配列構造によって強磁性や超伝導などの性質を示すことが分かっている。

（a）立方体型の超原子Mo4S4クラスター、（b）先行研究で報告されていた三次元集積体のモデル図［クリックで拡大］ 出所：東京都立大学

　研究チームは、ナノサイズの空孔を鋳型に用いるテンプレート反応により、二次元のMo₈S₈Cl₁₁を生成した。具体的には、直径が数nmのカーボンナノチューブの内部空間で塩化モリブデンと硫黄の蒸気を化学反応させ、Mo₈S₈Cl₁₁の単層（ナノリボン）を形成した。

　これを透過電子顕微鏡で解析したところ、シート状のMo₄S₄クラスターが塩素（Cl）原子の層を挟んだ二重層構造であることが明らかとなった。この構造によりシート状の形態を安定的に保っていると考えられる。

超原子層「Mo8S8Cl11」のモデル図。＜001＞＜120＞＜100＞はそれぞれ、異なる方向からMo8S8Cl11を見た際の配列［クリックで拡大］ 出所：東京都立大学

　また、基板上に合成した数μmサイズの層状物質を解析すると、ナノリボンと同じ構造のMo₈S₈Cl₁₁が含まれていることが判明した。層状物質の薄片試料は水素発生反応の高い触媒活性を示し、圧縮や引っ張りひずみに敏感な半導体であることから、理論計算上、わずかな応力で発光すると推察される。

（a）カーボンナノチューブの内部空間に成長したMo8S8Cl11ナノリボンのモデル図、（b）（c）透過電子顕微鏡写真［クリックで拡大］ 出所：東京都立大学

　さらに薄片試料の表面を調べた結果、水素発生触媒として期待される二硫化モリブデン（MoS₂）よりも高い触媒活性を示すことが分かった。

　今後、構造制御や大面積合成の技術開発、触媒反応機構の解明により、高効率な水素発生触媒材料を設計する際の指針につながることが期待される。

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