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平成21年6月23日

独立行政法人 物質・材料研究機構
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独立行政法人 科学技術振興機構
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白金ナノ金平糖:微細構造を持つ白金ナノ粒子の開発に成功

−金属ナノ構造への新たな挑戦−

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構(理事長:岸 輝雄、以下NIMS)と独立行政法人 科学技術振興機構(理事長:北澤 宏一、以下JST)は、ナノスケールの微細な凹凸を白金(Pt)ナノ粒子表面上に作製し、大きい表面積を有する金平糖状の白金ナノ粒子の合成に成功した。この研究成果は、NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(拠点長:青野 正和)の山内 悠輔 独立研究者らの研究グループによって得られた。
  2. 白金は、触媒として高い活性を持つことが知られており、電池などの電極や工業触媒(自動車の場合は排気ガスの浄化触媒)として広く用いられている。白金の表面積を大きくすると、露出している白金の表面積が増加するため、触媒機能が非常に活性化する。そのため、これまでにもナノ粒子、ナノファイバー、ナノチューブ、ナノ(メソ)ポーラス物質などの様々な白金ナノ材料の合成法が盛んに研究されてきた。また、希少元素の使用量を減らす最近の社会の動きからも、少量の白金で、更に大きい表面積を実現し、高い触媒活性を示す新たな白金ナノ材料の開発が求められている。
  3. 本研究では、界面活性剤、白金イオン種、溶媒からなる水溶液に還元剤を添加し、金平糖状の形状を有する白金ナノ粒子を高速で合成する。界面活性剤分子(ポリプロピレンオキシド鎖)注1)と白金との相互作用を利用し、白金ナノ粒子の表面にナノレベルの凹凸を作り出す。更に、還元剤の量を制御することにより、均一な粒子径を実現し、ナノ粒子が完全に分散した溶液としても得ることができる。表面積は、55m2/g以上であり、今までに報告されているすべての白金ナノ材料中で最も大きい表面積を達成した。また、熱的安定性も高い。
  4. 本研究成果は、JST 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)「ナノシステムと機能創発」領域(研究総括:長田 義仁、理化学研究所基幹研究所 副所長)における研究課題「次世代磁気記録媒体に向けたナノ構造制御システムの構築」(研究代表者:山内 悠輔)の一環として得られた。なお、本研究成果は、「Journal of the American Chemical Society」(アメリカ化学会発行)に近日中に掲載される予定である。

<研究の背景>

 白金(Pt)は、触媒として高い活性を持つことが知られており、電池などの電極や工業触媒(自動車の場合は排気ガスの浄化触媒)として広く用いられている。白金の表面積を大きくすると、露出している白金の表面積が増加するため、触媒機能が非常に活性化する。そのため、これまでにもナノ粒子、ナノファイバー、ナノチューブ、ナノ(メソ)ポーラス物質などの様々な白金ナノ材料の合成法が盛んに研究されてきた。
 これまでに報告されてきているナノファイバー、ナノチューブ、ナノ(メソ)ポーラス物質の白金表面積は30m2/g程度であり、市販の白金黒注2)と同レベルである。逆ミセル法注3)などで大きい表面積を有するナノ粒子(数nm程度)も合成されているが、粒子サイズが小さいため、熱的な安定性が問題として上げられる。そこで、熱的安定性があり、かつ大きい表面積を持つナノ粒子の開発が求められている。また、希少元素の使用量を減らす最近の社会の動きからも、少量の白金で、更に大きい表面積を実現し、高い触媒活性を示す新たな白金ナノ材料の開発が求められている。

<研究成果の内容>

 本研究では、界面活性剤、白金イオン種、溶媒からなる水溶液に還元剤を添加し、金平糖状の形状を有する白金ナノ粒子を高速で合成する。還元剤を投入してから、およそ10分間でナノ粒子を合成でき、白金の収率注4)も100%である。更に、還元剤の量を制御することで、均一な粒子径を実現し、ナノ粒子が完全に分散した溶液としても得ることができる。
 白金ナノ粒子表面上に形成する金平糖状のナノ構造は、界面活性剤分子(ポリプロピレンオキシド鎖)と白金との相互作用を利用することで作り出されていく。生成物の表面積は、55m2/g以上であり、今までに報告されているすべての白金ナノ材料中で最も大きい表面積を達成した。高分解のTEM観察からも分かるように、生成物はfcc構造注5)に起因する格子縞が確認されており、高い結晶性を有している。このナノ構造は、250度まで耐久性があり、高い熱的安定性も示している。

<波及効果と今後の展開>

 投入する還元剤の量を制御することで、生成する粒子の大きさを変えることができ、用途にあったサイズを提供することができる。高い熱的安定性や大きい表面積を有する白金ナノ金平糖は、一般的なナノ粒子を越える様々な触媒反応に広く利用することが可能である。現在、白金ナノ粒子/カーボン複合体などが触媒として工業的に使用されているが、ナノ粒子の熱的安定性が問題点としてあげられている。カーボン等に組み込まれた白金ナノ金平糖は、更に高い熱的安定性を提供するものとして期待でき、従来の問題点である『反応中のナノ粒子の凝集』を克服することができると考えられる。本手法は、これまでにない簡便かつ実用的な手法であり、他の金属(Ru,Ni,Co,Pdなど)との合金化も容易である。今後は用途に合った組成で金属ナノ材料のテーラーメイドデザインを目指す。

<参考図>

図1

図1 白金ナノ金平糖の合成スキーム


図2

図2 白金ナノ金平糖のTEM像

図3

図3 白金ナノ金平糖の高分解TEM像


<用語解説>

注1)界面活性剤分子(ポリプロピレンオキシド鎖)
 界面活性剤は、分子内に水になじみやすい部分(親水基)と、油になじみやすい部分(親油基・疎水基)を持つ物質の総称。ポリプロピレンオキシド鎖は、疎水基にあたる。

注2)白金黒
 大きい表面積を有している黒色の微粉末の白金であり、市販され電極などとして加工され利用されている材料。

注3)逆ミセル法
 ナノサイズの水滴を反応場として利用することで、粒度分布の狭いナノ粒子を凝集させずに孤立・分散した状態で生成する方法。

注4)収率
 収率は、ある物質を得るためのプロセスにおいて、理論上得ることが可能なその物質の最大量(理論収量)に対する、実際に得られた物質の量の比率である。収率は、そのプロセスが優れているかどうかの指標の一つとされている。

注5)fcc構造
 面心立方格子構造のことで、結晶構造の一種。単位格子の各頂点および各面の中心に原子が位置する。

<論文名および著者名>

“Block Copolymer Mediated Synthesis of Dendritic Platinum Nanoparticles”
 Liang Wang and Yusuke Yamauchi
doi: 10.1021/ja902485x

<お問い合わせ先>

<研究内容に関すること>
独立行政法人 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
若手独立研究員
山内 悠輔(ヤマウチ ユウスケ)
Tel:029-860-4635 Fax:029-860-4721
E-mail:

<JSTの事業に関すること>
独立行政法人 科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究推進部
原口 亮治(ハラグチ リョウジ)
Tel:03-3512-3525 Fax:03-3222-2067
E-mail:

<報道担当>
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