利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.15】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NU0036

利用課題名 / Title

透過型電子顕微鏡を用いた担持金属触媒の原子スケール構造解析

利用した実施機関 / Support Institute

名古屋大学 / Nagoya Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

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）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis

【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）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion

キーワード / Keywords

ナノ粒子/ Nanoparticles,電子顕微鏡/ Electronic microscope,水素貯蔵/ Hydrogen storage

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)

薩摩篤

所属名 / Affiliation

名古屋大学大学院工学研究科

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

織田晃,小川和佳,山本悠太,薩摩篤

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

山本悠太

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

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

NU-101：反応科学超高圧走査透過電子顕微鏡システム

報告書データ / Report

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

水素貯蔵・輸送の観点から重要となるトルエンの水素化反応に対して高活性を示す省貴金属触媒の開発を目的として、担持Coナノ粒子上に微量のPtを合金化したPtCo触媒の構造と性能の評価を行った。Coナノ粒子の粒径（約5～7 nm）や、Ptの単原子合金（single-atom alloy）から数nmスケールの合金ナノアイランドに至る形態とそれら触媒機能との関連性を把握するため、名古屋大学の透過型電子顕微鏡を用いて観察実験を実施した。

実験 / Experimental

単斜晶ZrO₂を担体にCoナノ粒子を担持した上で、ガルバニック置換法によって微量のPtを導入し、PtCo合金触媒を作製した。次に、JEM-1000K RS（JEOL製、加速電圧1000 kV）による直接観察で還元下におけるCoナノ粒子のサイズや形態変化を評価し、さらにJEM-ARM200F（JEOL製、加速電圧200 kV）によるHAADF-STEMを用いて、表面に分散するPt原子や合金ナノ粒子の局所構造を原子スケールで観察した。

結果と考察 / Results and Discussion

Pt含有量がごく少量の場合（0.039 wt%）に、粒子径が約5～7 nmの担持Coナノ粒子表面に単原子レベルでPtが分散する様子が捉えられた（Fig.1a）。一方、Pt含有量が0.077 wt%程度まで増加すると、1～2 nm程度のPtCo合金ナノアイランドやナノ粒子が形成し（Fig.1b）、さらにPt量が増加するとm-ZrO₂担体上にもPtCo合金が析出する状態へ移行した（Fig.1c）。Pt含有量の増加に伴い、Co表面に分散したPt単原子から合金ナノ粒子への構造変化が明確に確認され、それがトルエン水素化反応の触媒活性や貴金属利用効率に大きく寄与することが分かった。中でも、単原子合金状態が最も優れた触媒活性を示し、単原子状態の有用性を実証した。ベンチマーク触媒の1/51 Pt使用量であるにも関わらず、ベンチマーク触媒を凌駕する質量比活性を示した。革新的省貴金属触媒の開発と構造解明に成功したと言える。　また、空気暴露後は反応後でも単原子の凝集は見られず、ZrO₂担持Coナノ粒子との相互作用により高活性なPt単原子が安定に保持され、高活性と高耐久の両立が達成されたことが示唆された。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 HAADF-STEM images of PtCo alloy catalyst with different Pt loading: (a) 0.039 wt%; (b) 0.077 wt%; (c) 0.25 wt%.

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

本研究は、公益信託ENEOS水素基金とJSPS科研費 JP22H01866、23H01759、JP22H05045の助成を受けた。

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)

Akira Oda, Atom-to-nm Scale Engineering of PtCo Alloy Catalysts over Supported Co Nanoparticles for Advanced Toluene Hydrogenation Efficiency in Hydrogen Storage Applications, ACS Catalysis, 15, 3191-3202(2025).
DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c07206

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

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