物質工学域研究紹介表面基礎化学と触媒開発の融合中村表面化学研究室実験室総研 B0121, 総研 B0424，etc 教員名中村潤児（教授）総研 B308、近藤剛弘（講師）総研 B307 1. はじめに中村研究室では表面化学（科学）と触媒開発（技術）を融合し，社会的ニーズの高い環境エネルギー技術に貢献することを目指して研究を行っています．カーボンナノチューブやグラフェンなどの新しい炭素材料を用いて，二酸化炭素からメタノールに室温で変換する触媒の開発や固体高分子形燃料電池の白金代替触媒の開発に，挑戦しています．表面化学においては原子分解能での顕微鏡観察や電子分光計測など最先端計測を駆使して，炭素の化学的性質を原子レベルで調べています．これは新しい化学分野の開拓です．未来の環境に調和する社会に大きく役立つと考えています．リットを持ちます．通常の電極触媒では Pt 粒子の平均径が約 2～5 nm であり，表面積は 40～80 nm2 です．したがって普通よりも 2，3 倍大きな活性となります．さらに Pt サブナノクラスターは Pt とグラフェンが弱く結合することに起因して，通常の Pt 以上の触媒性能を示すことがあります．原理的には，燃料電池における Pt の使用量を 3 分の 1 程度減らせることになります．このことは燃料電池普及にも関わり大変魅力的です．Pt は 1g 当たり 4000 円程度と高価ですが，炭素は資源豊富な元素なので安価に作れる表面基礎化学と触媒開発の融合 ~ 基礎科学の成果を社会的ニーズへ還元 ~ 触媒開発表面化学融合社会のニーズに貢献エネルギー・資源・環境問題の解決  CO2 NOx H2 H2O 燃料電池車家庭用燃料電池 2. 最近の研究内容最近の中村研究室の研究成果としてグラフェンに Pt を担持すると直径が 1 ナノメートルよりも小さいサブナノメートルの Pt クラスターが多数生成することを見出し，その生成メカニズムを明らかにしたことが挙げられます．最初の論文は 2009 年に発表いたしましたが，2013 年 5 月現在で 300 回以上引用されており，大変注目されています． Pt サブナノクラスターを構成する Pt 原子数はたかだか 20 個ほどです．それ以下のものもあります．このようにクラスターが小さくなると，量子サイズ効果も出てきます．Pt サブナノクラスターは Pt の表面積が 170m2/g と著しく大きく，触媒として大きなメ CO2からメタノールへの室温変換中村研の研究開発例：なぜ窒素を添加した炭素が高価な白金触媒の性質を持つかを解明し触媒開発！研究開発窒素を添加した炭素が高性能触媒となる基礎科学研究原子レベルで炭素の表面を観察・分光窒素を添加することで炭素の性質が変化！なぜか？メカニズムは？窒素を添加させると高性能触媒に！ N より良い触媒に！安価な炭素の新材料：グラフェンを利用（2010年にノーベル物理学賞を受賞）窒素を添加したグラフェンピリジン型窒素融合通常の炭素燃料電池の白金代替触媒材料を実現させる窒素を添加した炭素 Phys. Rev. B 86, 035436 (2012) 中村研の最近の発見例（１）安価な炭素が高価な白金の性質を変えることを発見！ Nano Lett. 9, 2255 (2009) 白金触媒の使用量の低減が可能になった！カーボンナノチューブグラフェンシート dI/dV (arb. units) Chem. Commu, 840 (2004) Catal Today. 90, 277 (2004) グラフェンにPtを担持すると1nm以下の Ptクラスターが多数生成することを発見 K-free 2009年に発表した論文が300回以上も引用され大変注目されているものと期待されます．たとえば多層カーボンナノチューブは 1g 当たり 10 円程度まで安価になっています．このように安い炭素材料が高価な白金を活性にすることは非常に魅力的なことと考えています．私たちはこのような触媒開発を進めると同時に，例えば Pt サブナノクラスターの場合には，なぜ Pt サブナノクラスターが生成し，なぜ高い触媒活性を示すのかというメカニズムを表面基礎化学研究によるアプローチで解明する研究を同時に行っています．このような表面化学と触媒開発の融合により社会のニーズに貢献する技術を開発すると同時に，広く一般化した新しい概念を構築することを目標として日々研究活動を行っています。印可した際に出現する特異な 8 2 0.2 3 7 4 5 6 -600 -400 -200 0 ランダウ準位がカリウムをドープ 200 400 600 300 0 -300 -600 -900 1 2 3 4 56 したグラファイトにおいて無磁場下でも出現することを発見 600 7 8 新しい化学反応性の制御方法につながる発見 -1200 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 n K-dope 2004‐2008年の引用件数でTop 50入りを果たす画期的な研究成果！グラフェンに垂直に磁場を 1 0.4 Sample bias (mV) K-HOPG J. Power. Sources 196, 110 (2010) J. Phys. Chem. C 116, 22947 (2012) J. Phys. Chem. C 117, 3635 (2013) 50nm 0.6 0.0 K-free domain STS peak energy (meV) カーボンナノチューブにPtを担持すると触媒活性向上！（２）無磁場下で出現するランダウ準位の発見！ Landau levels without magnetic field Nature Comm. 3, 1068 (2012) 連絡先と担当授業中村潤児教授 TEL029-853-5279 e-mail [email protected] （学類）化学 IA、化学 IB、触媒・工業化学（大学院）触媒化学特論近藤剛弘講師 TEL029-853-5934 e-mail [email protected] （学類）電磁気学 III、応用理工学基礎実験（大学院）表面化学概論もっと知りたい方は以下の研究室ホームページをご覧ください！ http://www.ims.tsukuba.ac.jp/~nakamura_lab/ 平成 25 年度中村研究室メンバー