これもナノコロイドの応用。
京大理学研究科の北川宏教授（無機化学）らのチームは「非平衡化学的還元法」と呼ばれる手法で、8元素の金属イオンを均一に含む溶液を200度の還元剤に注ぎ、瞬間的に還元させてナノ（ナノは10億分の1）メートル規模の合金を作ることに成功した。高温・高圧の環境で大量生産する方法も見つけたという。
北川教授らのチームは2020年に金と銀、オスミウムを除いた白金族5元素の合金を開発している。白金族は触媒に多用されており、5元素の合金は水素発生の触媒に使われる白金の電極に比べ2倍の活性を示した。金と銀、オスミウムはそれぞれ単独では水素発生の触媒として機能しないが、これらも混ぜた8元素の合金は10倍以上の高活性を示した。企業と協力して量産化を進めるという。
Pt{100}-(1×1), Pt{211}, Pt{410}上でのNOの化学吸着と解離に対する表面構造の影響を一般化勾配補正を用いた密度汎関数理論スラブ計算によって調べた。Pt{211}上のステップの存在はNO-表面化学吸着結合を強くするが、NOの解離の障壁は高いままである。一方、Pt{410}上のステップは解離時に形成されるNとOのアダトムを安定化させ、遷移状態を安定化させるのに役立つ。Pt{410}上の障壁の計算値は80.2kJ/molであり、実験値とよく一致した。これらの結果は、NOの活性化にはステップの存在とステップの性質の両方が重要であることを示している。正方形に配列した白金原子のアンサンブルは、N-O結合を活性化するうえで重要な特徴であると同定された。
数個の原子を持つ触媒サブナノ金属クラスターは、単原子と金属ナノ粒子（>1 nm）の中間状態と見なすことができる。その分子的な電子構造と柔軟な幾何学的構造は、単原子やナノ粒子と比較して、豊かな化学反応と異なる触媒挙動をもたらすと考えられています。本研究では、オペランド赤外分光法と電子構造計算を組み合わせ、極低温領域（140-200K）でのCO＋NO反応における白金触媒の比較研究を行う。MCM-22ゼオライトに固定化された白金単原子は反応条件下では安定ではなく、凝集して白金ナノクラスターや粒子になり、これがCO + NO反応の作用活性部位となることがわかった。Ptナノ粒子（約2 nm）を含む触媒の場合、COからCO2への酸化ははるかに低い伸びで起こり、Ptナノ粒子はCOおよびNOと強い相互作用を起こすため、反応条件下でポイズニングされるようになる。したがって、サブナノサイズの白金クラスターのみで、低温でのNOの解離とCOの酸化が表面でよく起こり、COの相互作用は触媒の被毒を避けるために弱く、結果として触媒の性能を高めるための良いバランスとなります。
単原子触媒1は高価な貴金属を極めて有効に利用し、ユニークな特性1-3を発現させることが可能である。しかし、シンタリング3,4による触媒の安定性が限定的であるため、通常、応用が危ぶまれる。金属原子を酸化物担体に固定することでシンタリングを抑制できるが1,5,6、金属と酸素の強い相互作用により、反応物の結合や触媒作用に利用できる金属サイトが少なすぎる6,7ことが多く、十分に高温で還元条件にさらされると、酸化物担体の単一原子触媒でさえ最終的にシンタリング4,8,9してしまうのだ。ここでは、原子レベルで分散した金属原子を酸化物ナノクラスター（ナノグル）に閉じ込めることで、アンカリングの有益な効果を高めることができることを示す。我々は、孤立した欠陥のあるCeOxナノグルー島を高表面積のSiO2にグラフトすることでこの戦略を実証した。ナノグルー島はそれぞれ平均1個のPt原子をホストしている。この触媒は、高温の酸化・還元環境下でも白金原子が分散した状態を維持し、CO酸化活性が著しく向上することを見出した。還元条件下での安定性の向上は、白金原子がSiO2よりもCeOxに強く親和する担体構造のおかげであり、白金原子は移動できるがそれぞれのナノグルー島に閉じ込められたままであることが確認された。機能性ナノ粒子を用いて原子状に分散した金属を閉じ込め、同時に反応性を高めるという戦略は一般的であり、単原子触媒の実用化に一歩近づけると期待されている。
単原子触媒は、金属原子の利用効率を最大化するだけでなく、様々な重要な触媒プロセスにおいて飛躍的な触媒性能の向上を実現します。SACの動作原理を理解することは、先進的な触媒を設計・調製するための合理的な指針を与えるものです。SACの性能に影響を及ぼす要因は数多く指摘されており、触媒性能とSACの物理化学的特性の相関を明らかにすることは非常に困難です。酸化物担持SACは、最も広く研究されている系の一つである。このミニレビューでは、酸化物担体上のSACの安定性、活性および選択性の決定要因に関するいくつかの最新動向を概観する。また、さまざまな系の反応メカニズムや、触媒の特性と原子レベルでの構造を関連づけるために採用されている方法についても議論する。特に、最近提案された表面自由エネルギー法を用いて、明確に定義されたモデルSACを作製し、今後のSACの開発におけるいくつかの重要な問題の解決に役立てることが紹介されている。
