【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.05.26】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22KU0002

利用課題名 / Title

結晶構造制御された金属ナノ粒子の原子分解能構造解析

利用した実施機関 / Support Institute

九州大学 / Kyushu Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/Electron microscopy,資源代替技術/ Resource alternative technology,資源使用量低減技術/ Technologies for reducing resource usage,ナノ粒子/ Nanoparticles

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

草田 康平

所属名 / Affiliation

京都大学白眉センター

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

向吉　恵,北川　宏

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

村上　恭和,山本　知一,鳥山　誉亮

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

KU-004：広電圧超高感度原子分解能電子顕微鏡
KU-016：低温域観測型・高分解能電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

殆どの金属はbcc、hcp、fccの三つの相のうち一つの相を有する。原子配列（構造）が異なれば同種の元素でも電子状態・物性は異なるが、多くの元素は融点まで単一相であり、人類は未だ三次元の原子配列を自在に制御できないため、その相（結晶構造）を意のままに操ることはできない。我々は液相還元法により、原子配列を制御し、バルクでは存在しない相（結晶構造）を有する新規金属ナノ粒子を世界に先駆けて独自に設計・開発することに成功してきた。本課題では、新たに開発されるナノ粒子の結晶構造を原子レベルで観測することを目的とする。XRDやXPSなどにより、マクロな試料の構造は特定できるが、原子レベルでの元素の配列および構造決定は困難であり、九州大学超顕微解析研究センターが所有する電子顕微鏡観察により初めて実現する。原子レベルでの構造解析は、目的物性に対して重要な見解を与え、更なる材料開発の道筋を標すことが可能となる。

実験 / Experimental

試料は化学還元法で合成された黒色粉末であり、エタノール中に分散させ、カーボングリッド等に滴下した。これをJEM-ARM200CFにてSTEM観察を行った。 利用装置：広電圧超高感度原子分解能電子顕微鏡(JEM-ARM200CF)、低温域観測型・高分解能電子顕微鏡（JEM-ARM300F2）

結果と考察 / Results and Discussion

我々は化学還元法によって白金族元素とp金属元素を混ぜ合わすことに成功し、合成条件により2種の元素が原子レベルでランダムに混じった固溶体と、ある特定の位置に決まった元素が配置した金属間化合物のナノ粒子をそれぞれ作り分けることに成功した。得られた粒子はSTEM-EDS分析により合金が形成していることが確認され、原子分解能HAADFｰSTEM像により固溶体と金属間化合物をそれぞれ確認することに成功した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

白金族元素とp金属元素の2元合金ナノ粒子（左）固溶体（右）金属間化合物

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究はJST戦略的創造研究推進事業さきがけ、科学研究費助成事業特別推進研究及び、マテリアル先端リサーチインフラ事業課題として九州大学超顕微解析研究センターの支援を受けて実施されました。九州大学の村上恭和教授、山本知一助教、鳥山誉亮氏には深く感謝いたします。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Yuto Maruta, Compositional dependence of structures and hydrogen evolution reaction activity of platinum-group-metal quinary RuRhPdIrPt alloy nanoparticles, Chemical Communications, 58, 6421-6424(2022).
   DOI: 10.1039/D2CC01866G
   
2. Hiroki Minamihara, Continuous-Flow Reactor Synthesis for Homogeneous 1 nm-Sized Extremely Small High-Entropy Alloy Nanoparticles, Journal of the American Chemical Society, 144, 11525-11529(2022).
   DOI: 10.1021/jacs.2c02755
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. “非平衡合成法による新規ナノ合金触媒開発”、草田康平、有機エレクトロニクス研究会第２５１研究会、オンライン、2022年7月28日
2. “非平衡合成法を用いた多元素固溶化と相制御による機能性金属ナノ粒子の開発”、草田康平、ナノマテリアルジョイントミーティング2022、（地独）京都市産業技術研究所、2022年8月23日
3. “Nonequilibrium Flow-Synthesis of Immiscible Binary and High-Entropy Alloy Nanoparticles and Investigation of their Catalytic Properties and Electronic Structures”, K. Kusada, D. Wu, T. Yamamoto, T. Toriyama, S. Matsumura, Y. Nanba, M. Koyama, O. Seo, O. Sakata, H. Kitagawa, MRS fall meeting 2022, Boston, USA, Dec., 1st, 2022.
4. “Platinum-group-metal high-entropy-alloy nanoparticles for electrocatalysis”, D. Wu, K. Kusada, H. Kitagawa, 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit (Boston), November, 2022.
5. “Continuous-Flow Synthesis for Extremely Small IrPdPtRhRu High-Entropy Alloy Nanoparticles and Investigation of Their Hydrogen Evolution Catalytic Activity”, H. Minamihara, K. Kusada, D. Wu, T. Yamamoto, T. Toriyama, S. Matsumura, L. S. R. Kumara, K. Ohara, O. Sakata, S. Kawaguchi, Y. Kubota, H. Kitagawa, Materials research society fall meeting and exhibit (Hynes Convention Center, Boston), November, 2022.
6. “白金族5元系合金ナノ粒子の構造・特性の組成依存性”、 丸田　悠斗、草田 康平、Wu Dongshuang、山本 知一、鳥山 誉亮、松村 晶、Seo Okkyun、坂田 修身、河口 彰吾、久保田 佳基、 北川 宏、ナノ学会第 20 回大会(オンライン)、P1-15、2022 年 5 月
7. “白金族五元系合金ナノ粒子の構造・水素発生反応における組成依存性”、 丸田　悠斗、草田 康平、Wu Dongshuang、山本 知一、鳥山 誉亮、松村 晶、安野 聡、Seo Okkyun、坂田 修身、河口 彰吾、久保田 佳基、 北川 宏、第16回分子科学討論会(横浜)、3P054、2022 年 9 月
8. “9元系ハイエントロピー酸化物ナノ粒子の超臨界フロー合成と同定”、神田 凌平、草田 康平、鳥山 誉亮、山本 知一、松村 晶、久保田 佳基、河口 彰吾、北川 宏、ナノ学会第20回大会(オンライン)、2022年5月
9. “超臨界フロー合成による全3d元素含有ハイエントロピー酸化物ナノ粒子”、神田 凌平、草田 康平、鳥山 誉亮、山本 知一、村上 恭和、河口 彰吾、伊奈 稔哲、久保田 佳基、北川 宏、日本化学会第103春季年会(東京理科大学野田キャンパス)、2023年3月
10. ”原子の三次元自在配列による新規金属ナノ物質の開発”、草田 康平、日本化学会第103春季年会(東京理科大学野田キャンパス)、2023年3月

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件