放射光連携で明らかになるPt3Niナノ粒子成長機構

水素燃料電池は、クリーンで再生可能なエネルギー社会実現のための有効な技術だが、カソード材料の性能とコストは大きな課題になっている。多くの燃料電池は、再生可能な燃料を電気エネルギーに変換するために、高価なプラチナベースの触媒を必要とする。水素燃料電池の採算性を確立するため、純粋な白金と同じ効率の触媒の探索が世界中で精力的に行われている。

アクロン大学の研究チームは、燃料電池のカソード材料の探索の一環として、八面体(8面)形状のナノ粒子を形成する白金とニッケルナノ粒子触媒を合成する方法を開発した(Shen et al., Nature Comm. 9: 4485, 2018)。

 

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Credit: Nature Comm.

 

NSLS-IIの超高輝度X線とその場オペランド軟X線分光法(IOS、正確には23-ID-2)ビームライン(注1)を使用して、研究チームは触媒の成長経路をリアルタイムで解明した。成長反応中のナノ粒子中の金属の表面組成および化学状態を調べるために、大気圧X線光電子分光法(AP-XPS)とX線吸収分光(XAS)を使用した(下図)。試料にX線を照射し、放出される電子(光電子)のエネルギーを分析することによって、試料中の化学元素とそれらの化学状態および酸化状態を区別した。

 

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Credit: Nature Comm.

(注1)楕円偏光アンジュレータ(EPU49)2台からのビームは完全な偏光特性が制御できる0.25-2keVの軟X線を供給する。分光系は3種類(150, 400, 1200 lines/mm)の回折格子を挟む垂直集光ミラーから構成される。スポットサイズは70(H)x16(V)μm、フラックスは1013photons/secである。測定系はビームラインと100nmのSi3N4で仕切られており、SPECS Phoibos 150 NAP アナライザを装備している。

 

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Credit: Nature Comm.

 

成長反応の間に、金属白金が最初に形成され、そしてナノ粒子のコアになることがわかった(上図)。反応が高温に達すると、白金は金属ニッケルの形成を助け、ナノ粒子の表面に偏析する。成長の最終段階では、表面は2つの金属のほぼ等しい混合物になる。白金とニッケルとの相乗効果は、ナノ粒子の八面体形状およびその反応性の発達において重要な役割を果たす。

白金組成の最適値で触媒を合成することで、より費用対効果の高い触媒を創り出すことができる。研究チームはまたAPS放射光でイメージング計測も行い、NSLS-IIで得られたナノ構造と電子状態の研究を補完した。3GeV放射光の分光手法と7GeV放射光のイメージング能力の連携が相補的な情報をもたらした。

 

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