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パラジウムの水素吸蔵量と速度を倍増

掲載日:2014年7月14日

金属触媒の活性を飛躍させる成果が出た。パラジウム金属(Pd)ナノ結晶を、金属イオンと有機配位子からなる多孔性金属錯体(MOF)で被覆すると、被覆していない場合に比べて水素吸蔵の量と速度がそれぞれ2倍になることを、京都大学大学院理学研究科の北川宏(きたがわ ひろし)教授らが成功した。この新材料は水素の貯蔵材や分離膜、燃料電池の電極触媒、高効率な水素化反応触媒として期待される。7月14日付の英科学誌ネイチャーマテリアルのオンライン版に発表した。

Pdは白金族元素の一つで、水素化反応や自動車の排気ガス浄化用など多様な触媒として使われ、燃料電池の電極触媒としても利用されている。Pd自身の約1000倍の体積の水素を吸蔵することができ、水素吸蔵金属や水素分離膜としても実用化研究が盛んになされ、その性能向上が課題になっている。

今回、研究グループは、形状制御したPdナノ結晶を作製して、その結晶表面の原子配列を精密にコントロールしたところ、水素の吸蔵スピードが変化した。1辺が8面体のPdナノ結晶は立方体の結晶よりも水素吸蔵速度が1.5倍速いことを示した。さらに、Pdナノ結晶の表面を厚さ数nm(1nmは10億分の1m)のMOFで被覆すると、水素吸蔵量と水素吸蔵・放出速度などの特性が各2倍に向上することを確かめた。

この成果は、ナノ結晶表面の構造制御やMOFによる被覆化で、金属の材料特性が格段に向上することを示した。このような水素吸蔵特性の飛躍的な向上の原因は、Pdナノ結晶とMOFとの界面で起こる電荷移動であることも突き止めた。さまざまな金属とMOFとの組み合わせは、革新的な触媒や材料を創製する戦略の一つになりなりそうだ。

北川宏教授は「MOFで被覆した金属ナノ結晶は多様な触媒活性があり、革新的な新材料になる可能性が十分にある。それらを利用すれば、資源・エネルギー・環境問題を解決し、持続可能な社会実現に向けて大きな貢献ができるだろう」と研究の意義を指摘している。

立方体と8面体のPdナノ結晶、MOFで被覆した立方体Pdナノ結晶の電子顕微鏡写真と水素吸蔵特性の概略図
図. 立方体と8面体のPdナノ結晶、MOFで被覆した立方体Pdナノ結晶の
電子顕微鏡写真と水素吸蔵特性の概略図
(提供:北川宏京都大学教授)
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