水素吸蔵特性をもつAg-Rh合金ナノ粒子の電子構造の初観測

- Ag-Rh合金ナノ粒子がPdと同様の特性を有する謎の解明を目指して -

2014.10.16

独立行政法人　物質・材料研究機構
国立大学法人　京都大学
国立大学法人　九州大学
独立行政法人　科学技術振興機構

NIMS中核機能部門高輝度放射光ステーション坂田修身ステーション長と、京都大学大学院理学研究科北川宏教授、九州大学稲盛フロンティア研究センター古山通久教授からなる研究チームは、バルクでは合金にならず、また各々単独では水素吸蔵金属でもない銀-ロジウム (Ag-Rh) 合金ナノ粒子が、なぜパラジウム (Pd) のように水素吸蔵特性を示すかを調べるため、その電子構造を初めて観測しました。

概要

独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝) 中核機能部門 (部門長 : 小出康夫) の高輝度放射光ステーション坂田修身ステーション長と、京都大学大学院理学研究科北川宏教授、九州大学稲盛フロンティア研究センター古山通久教授からなる研究チームは、バルクでは合金にならず、また各々単独では水素吸蔵金属でもない銀-ロジウム (Ag-Rh) 合金ナノ粒子が、なぜパラジウム (Pd) のように水素吸蔵特性を示すかを調べるため、その電子構造を初めて観測しました。現代の錬金術と称される元素間融合を用いた新機能性物質の創製をますます促進することが期待される研究成果です。
元素の周期表中でPdの両隣りにあるRhとAgは、それぞれ水素を吸蔵する能力を持っていません。バルクでは合金になり得ないAg-Rhは10数ナノメートルの大きさにして初めて合金化することができ、AgとRhが1 : 1のAg_0.5Rh_0.5合金ナノ粒子はPdと同様に水素を吸蔵します。しかし、なぜ、このような驚きの特性をAg_0.5Rh_0.5合金ナノ粒子がもつかは謎でした。その謎を解明するため、水素吸蔵特性と密接に関係するとされる電子構造を実験的、理論的に解明することは、材料開発の基礎として重要です。
Ag-Rh合金ナノ粒子の価電子帯の電子構造を高輝度放射光の高分解能光電子分光測定、および、理論計算により調べました。直径10数ナノメートル粒子の内部の電子構造を実験室のエネルギーの低い (軟) X線を使った光電子分光測定で調べるのは大変難しいため、大型放射光施設(SPring-8)にあるNIMSビームラインでエネルギーの高い (硬) X線を用いました。また、電子系のエネルギーの計算スペクトルから、実験結果を精密に解釈しました。その結果、Ag-Rh合金ナノ粒子は、AgとRhが微視的に分離した混合物ではなく原子レベルで混成しており、その電子構造はPdの電子構造と極めて類似していることがわかりました。Ag-Rh合金ナノ粒子に水素が吸蔵されるという事実は、この電子構造の類似性と関係していると考えられます。
本研究成果から、Ag-Rh合金ナノ粒子は、その電子構造の観点からPdと同様に水素吸蔵のみならず有用な触媒となる可能性も示唆されます。今後、その性質と物性などに関して共同研究を進めて行く一方、本合金ナノ粒子の他、様々な新機能性物質が産業に展開できるよう、電子構造や原子配列に関するデータを提供し、データを活用した設計型物質・材料研究 (マテリアルズ・インフォマティクス) の基盤を形成していきます。
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、独立行政法人科学技術振興機構 (JST) 戦略的創造研究推進事業チーム型研究 (CREST) における研究課題「元素間融合を基軸とする新機能性物質・材料の開発」 (研究代表者 : 北川宏教授) による支援を受けて実施しました。
本研究成果は、Applied Physics Letters誌の2014年10月16日発行号に掲載される予定です。

図 : Pdナノ粒子とAg_0.5Rh_0.5合金ナノ粒子の高輝度放射光光電子分光スペクトルの比較。(a) 0-15eVの結合エネルギーの範囲におけるAg_0.5Rh_0.5合金ナノ粒子(赤破線)とPdナノ粒子(黒実線)の高輝度放射光分光による価電子帯スペクトル。Ag_0.5Rh_0.5合金の強度はPdの約半分。(b)0-3.5eVの結合エネルギーの範囲を拡大したAg_0.5Rh_0.5合金ナノ粒子 (赤破線 : 強度をPdに合わせて拡大) とPdナノ粒子(黒実線)の価電子帯スペクトル。青い点線は、Ag_0.5Rh_0.5合金ナノ粒子の拡大されたスペクトル、Pdナノ粒子のスペクトルとの差異を示しています。EFはフェルミエネルギー。