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Pd-MOFハイブリッド材料の界面電子状態と水素貯蔵特性の関係の定量的な解析に成功

~電子約0.4個分の電荷移動が約2倍の特性向上に寄与 新規ハイブリッド材料開発の促進が期待~

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
国立大学法人九州大学
国立大学法人京都大学
国立研究開発法人科学技術振興機構 (JST)

NIMSは、九州大学、京都大学と共同で、パラジウムと金属有機構造体のハイブリッド材料が、Pd単体に比べて約2倍の優れた水素貯蔵特性を持つのは、PdからMOFへ電子約0.4個分の電荷が移動したことにともなう、ごくわずかな電子状態の変化によることを明らかにしました。

概要

  1. NIMSは、九州大学、京都大学と共同で、パラジウム (Pd) と金属有機構造体 (MOF) のハイブリッド材料が、Pd単体に比べて約2倍の優れた水素貯蔵特性を持つのは、PdからMOFへ電子約0.4個分の電荷が移動したことにともなう、ごくわずかな電子状態の変化によることを明らかにしました。材料の電子状態と水素貯蔵特性との定量的な関係が明らかになったことで、水素吸蔵特性や水素に関わる触媒機能に優れた新たなハイブリッド材料開発の設計に役立つことが期待されます。
  2. 次世代エネルギー源として期待される水素の普及に向けて、効率的な水素の貯蔵方法が求められています。以前よりPdなど遷移金属が優れた水素貯蔵特性を持つことが知られていましたが、近年、遷移金属のナノ粒子とMOFを組み合わせることで、遷移金属単体に比べて、水素吸蔵特性が格段に向上することが報告されています。界面における電荷の移動が特性向上に関与していると予想されていましたが、どの程度の電荷移動か、定量的な機構については解明されていませんでした。
  3. 本研究では、Pdナノキューブ単体より約2倍の水素吸蔵特性を持つ、PdのナノキューブとMOF (銅 (II) 1,3,5-ベンゼントリカルボキシレート : HKUST-1) のハイブリッド材料 (Pd @ HKUST-1) について、大型放射光施設 (SPring-8) にあるNIMSのビームラインを用いて、その電子状態を調べました。さらに、PdとHKUST-1それぞれの単体での電子状態を計算で求めて、Pd @ HKUST-1の電子状態と比較した結果、PdのナノキューブからMOFに電子約0.4個分の電荷が移動していることが明らかとなりました。このわずかな電荷の移動によって、Pdの電子バンドに水素を吸蔵するための受け皿が増え、Pdナノキューブ単体に比べ約2倍という大幅な水素吸蔵特性の向上をもたらされたことが分かりました。
  4. 遷移金属ナノ粒子およびMOFからなるハイブリッド材料は、水素吸蔵だけでなく高効率な水素化反応触媒としても期待されています。今後、今回示した電子状態の測定、解析法を用いることで、水素吸蔵特性や触媒性能を格段に向上させた新たなハイブリッド材料の開発が促進されることが期待されます。
  5. 本研究は、NIMS 先端材料解析研究拠点シンクロトロンX線グループ 坂田修身グループリーダー、Yanna Chen NIMSポスドク研究員、九州大学稲盛フロンティア研究センター 古山通久教授 (現NIMSエネルギー・環境材料研究拠点 ユニット長) 、難波優輔 学術研究員 (現NIMSポスドク研究員) 、京都大学大学院理学研究科北川宏教授、小林浩和連携准教授 (JSTさきがけ研究員「超空間制御 (研究総括 : 黒田一幸) 」) らからなる研究チームによって行われました。また本研究は文部科学省のナノテクノロジープラットフォーム事業、およびJST戦略的創造研究推進事業ACCEL研究開発課題「元素間融合を基軸とする物質開発と応用展開 (JPMJAC1501) 」 (研究代表者 : 北川宏、プログラムマネージャー : 岡部晃博 (科学技術振興機構) ) の支援を受けて行われました。
  6. 本研究成果は、Communications Chemistry誌にて英国時間2018年10月9日 (日本時間2018年10月9日) に掲載されます。

「プレスリリース中の図 : Pd @ HKUST-1の構造とPdナノキューブからHKUST-1金属有機構造体(MOF)への電荷移動の模式図」の画像

プレスリリース中の図 : Pd @ HKUST-1の構造とPdナノキューブからHKUST-1金属有機構造体(MOF)への電荷移動の模式図



掲載論文

題目 : Electronic Origin of Hydrogen Storage in MOF-covered Palladium Nanocubes Investigated by Synchrotron X-rays
著者 : Yanna Chen, Osami Sakata, Yusuke Nanba, Loku Singgappulige Rosantha Kumara, Anli Yang, Chulho Song, Michihisa Koyama, Guangqin Li, Hirokazu Kobayashi, Hiroshi Kitagawa
雑誌 : Communications Chemistry
掲載日時 : 英国時間2018年10月9日10時 (日本時間9日18時)


本件に関するお問合せ先

(研究内容に関すること)
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
先端材料解析研究拠点
シンクロトロンX線グループ
技術開発・共用部門
高輝度放射光ステーション
グループリーダー、ステーション長
坂田修身 (さかた おさみ)
TEL: 0791-58-1970
E-Mail: SAKATA.Osami=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
(試料に関すること)
国立大学法人 京都大学
大学院理学研究科 化学専攻
教授 北川宏 (きたがわ ひろし) 、
連携准教授 小林浩和 (こばやし ひろかず)
TEL: 075-753-4035
E-Mail: kitagawa=kuchem.kyoto-u.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
(理論計算に関すること)
九州大学稲盛フロンティア研究センター
(現国立研究開発法人 物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点-ナノ材料科学環境拠点 技術統合化ユニット長)
古山通久 (こやま みちひさ)
TEL: 029-860-4757
E-Mail: KOYAMA.Michihisa=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
E-Mail: koyama=ifrc.kyushu-u.ac.jp
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(JST事業に関すること)
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戦略研究推進部
寺下 大地 (てらした だいち)
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FAX : 03-3222-2066
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E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
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FAX : 092-802-2139
E-Mail: koho=jimu.kyushu-u.ac.jp
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広報課
〒102-8666
東京都千代田区四番町5番地3
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FAX: 03-5214-8432
E-Mail: jstkoho=jst.go.jp
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