金属ナノクラスターの表面構造制御により水素生成触媒を高活性化：研究開発の最前線

東京理科大学は、粒径1nm程度の微細な金属ナノクラスターの表面構造を制御し、水素生成触媒活性を高めることに成功した。高価な貴金属を使用する電極触媒は、金属使用量を削減できる高活性化が求められている。

[MONOist]

　東京理科大学は2024年10月25日、粒径1nm程度の微細な金属ナノクラスター（NC）の表面構造を制御し、水素（H₂）生成触媒活性を高めることに成功したと発表した。

　今回の研究では、3通りの配位子交換反応を用い、金（Au）原子に白金（Pt）原子をドープした従来のAuPt合金NCである［Au₂₄Pt（TBBT）₁₈］⁰に加え、ステープル構造（表面構造）の異なる［Au₂₄Pt（TBBT）₁₂（TDT）₃］⁰、［Au₂₄Pt（TBBT）₁₂（PDT）₃］⁰をそれぞれ合成した。

（a）［Au24Pt（TBBT）18］0、（b）［Au24Pt（TBBT）12（TDT）3］0、（c）［Au24Pt（TBBT）12（PDT）3］0の合成条件と幾何構造［クリックで拡大］ 出所：東京理科大学

　この3つの金属NCについて水素発生反応（HER：Hydrogen Evolution Reaction）の活性を調べたところ、［Au₂₄Pt（TBBT）₁₈］⁰に比べ、［Au₂₄Pt（TBBT）₁₂（TDT）₃］⁰は3.5倍、［Au₂₄Pt（TBBT）₁₂（PDT）₃］⁰は4.9倍に高活性化していることが明らかとなった。

3種のAuPt合金NCの（a）LSV曲線、（b）−0.35Vvs.RHEにおける質量活性比較［クリックで拡大］ 出所：東京理科大学

　［Au₂₄Pt（TBBT）₁₂（TDT）₃］⁰と［Au₂₄Pt（TBBT）₁₂（PDT）₃］0では、TDTやPDTにより、金属コアであるAu原子の溶媒露出表面が大きく、プロトン（H^＋）のアクセスが容易になりHERが向上したと考えられる。

（a）［Au24Pt（TBBT）18］0、（b）［Au24Pt（TBBT）12（TDT）3］0、（c）［Au24Pt（TBBT）12（PDT）3］0の溶媒露出表面［クリックで拡大］ 出所：東京理科大学

　水（H₂O）からH₂を製造する水電解技術は、ネットゼロカーボンに向けたキーテクノロジーの1つだ。しかし、電極触媒に高価な貴金属が使われており、製造コストの抑制のため、金属使用量を削減できる高活性化が求められている。

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