ロジウムを凌駕する排ガス浄化触媒活性を有する新規合金ナノ粒子 ―元素間融合により電子状態を改変、優れたNOx還元活性の発現―

　大分大学工学部の永岡勝俊 准教授、九州大学稲盛フロンティア研究センターの古山通久 教授、九州大学大学院工学研究院の松村晶 教授、京都大学大学院理学研究科の北川宏 教授らの研究チームは、パラジウム（Pd）とルテニウム（Ru）からなる合金ナノ粒子が、ロジウム（Rh）と同等以上の非常に高い自動車排ガス注1)浄化性能を示すこと、その原因がPdRu固溶型合金の持つ電子的な特徴がRhと非常に良く似ているためであることを明らかにしました。ロジウムは産業上重要な元素（貴金属）であり、自動車の排ガス浄化用触媒に大部分が使用されています。しかし、ロジウムは希少で高価なため、ロジウムに匹敵する性能を持ち、ロジウムと置き換えることのできる新しい物質の開発が求められていました。
　本研究グループはRhよりも資源量が豊富なPdとRuに注目しました。この2つの金属は周期表上でRhの両隣に位置するため、2つの金属の合金は周期表上で間に位置するRhに似た性質を示す可能性があると予想できます。従来、PdとRuはバルクレベルでは合金を作ることができない元素の組み合わせとして知られていましたが、研究グループではナノサイズ化と化学的還元の手法を駆使することで、PdとRuが原子レベルで混合した固溶型合金ナノ粒子注２)を合成し、自動車排ガスの主成分である窒素酸化物（NOx）注3)の浄化に対する触媒活性を調べました。その結果、開発したPd-Ru固溶型合金ナノ粒子がRhをしのぐ触媒性能を持つ事を見出しました。更に、この原因について密度汎関数理論注4)に基づき解析したところ、PdRu固溶型合金がRhに非常によく似た電子的特徴を持つこと、つまり、PdRu固溶型合金が「擬似ロジウム」として振る舞うことを明らかにしました。
開発したPdRu固溶型合金ナノ粒子は、触媒化学のみならず、様々な分野で擬似ロジウムとしての応用が期待できます。更に今回の研究成果は、目的とする性質や特徴を元素間の原子レベルでの混合によってデザインするというコンセプト（DOSエンジニアリング）を提示、実証するものです。今後このコンセプトをさまざまな元素の組み合わせに拡張することでさらなる新物質の開発、機能の発現が期待できます。

　本研究成果は、2016年6月24日（英国時間午前10時）にNature Publishing Groupの電子ジャーナル「Scientific Reports」で公開されました。

図1　高角散乱環状暗視野走査透過型電子顕微鏡（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ）による元素マッピング
(a) HAADF-STEMイメージ赤い破線で囲まれた輝点が担持されたPdRu-NPs(b) PdRu-NPsの拡大HAADFイメージ(c) Pdの元素マッピング(d) Ruの元素マッピング(e) PdとRuの元素マッピングの重ねあわせ、ナノ粒子内にPdとRuが一様に分布しており、原子レベルで混合した固溶体ができていることが分かる。

図2　PdRu-NPs触媒と比較対象触媒のNOx浄化性能の評価結果
低い反応温度で高いNOx浄化率を示す触媒ほど優れた触媒性能を持つことを示す。PdRu-NPsは従来最も優れたNOx浄化触媒であることが知られてきたRhに匹敵する触媒性能を示すことが分かる。更に、低温でのNOx浄化性能はRhを上回る。

図3　PdRu-NPsと比較対象金属の状態密度の計算結果
RhとPdRuは、幅，ピーク位置、ピーク高さが類似しているのに対し、単独のRuやPdは全く異なる形状をしている。