北川宏 理学研究科教授、小林浩和 科学技術振興機構さきがけ専任研究員（理学研究科連携准教授）は、物質・材料研究機構（NIMS）および九州大学と共同で、パラジウム（Pd）と金属有機構造体（MOF）のハイブリッド材料が、ごくわずかな電子状態の変化によって、Pd単体に比べて約２倍の優れた水素貯蔵特性を持つことを明らかにしました。
本研究成果は、2018年10月9日に、国際学術誌「Communications Chemistry」のオンライン版に掲載されました。
研究者からのコメント
本研究成果は、金属ナノ粒子・金属有機構造体の界面電子状態の測定手法と電荷移動量の定量化に成功したものです。今後、金属・金属有機構造体界面の電荷移動を積極的に利用した材料設計により、水素の貯蔵材料や分離膜への応用に加え、革新的な触媒を創出したいと考えています。この革新的な新材料を利用することで、資源・エネルギー・環境問題を解決し、持続可能な社会実現に向けて大きな貢献が出来るものと期待しています。
概要
Pdなど遷移金属のナノ粒子と、有機配位子と金属イオンから構成された規則的な細孔を持つ金属錯体であるMOFを組み合わせたハイブリッド材料は、遷移金属単体に比べて水素吸蔵特性が格段に向上しますが、これまで、その詳しいメカニズムは不明でした。
本研究では、Pdナノキューブ単体より約2倍の水素吸蔵特性を持つ、PdのナノキューブとMOFのひとつである銅（II）1,3,5-ベンゼントリカルボキシレート（HKUST-1）のハイブリッド材料「Pd＠HKUST-1」の電子状態と、PdおよびHKUST-1それぞれの単体での電子状態を計算で求めて比較しました。その結果、PdのナノキューブからMOFに電子約0.4個分の電荷が移動していることが明らかとなりました。このわずかな電荷の移動によって、Pdの電子バンドに水素を吸蔵するための受け皿が増え、Pdナノキューブ単体に比べ約2倍という大幅な水素吸蔵特性の向上をもたらしたことが分かりました。
このようなハイブリッド材料は、水素吸蔵だけでなく高効率な水素化反応触媒としても期待されていますが、今後、本研究成果で示した電子状態の測定、解析法を用いることで、水素吸蔵特性や触媒性能を格段に向上させた新たなハイブリッド材料の開発が促進されることが期待されます。
図：Pd@HKUST-1の構造とPdナノキューブからHKUST-1金属有機構造体（MOF）への電荷移動の模式図
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】 https://doi.org/10.1038/s42004-018-0058-3
【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/234703
Yanna Chen, Osami Sakata, Yusuke Nanba, Loku Singgappulige Rosantha Kumara, Anli Yang, Chulho Song, Michihisa Koyama, Guangqin Li, Hirokazu Kobayashi & Hiroshi Kitagawa (2018). Electronic origin of hydrogen storage in MOF-covered palladium nanocubes investigated by synchrotron X-rays. Communications Chemistry, 1:61.
