JP2015131985A - Metal/clay mineral composite nanoparticle, dispersion of metal/clay mineral composite nanoparticle and method for producing them - Google Patents

Metal/clay mineral composite nanoparticle, dispersion of metal/clay mineral composite nanoparticle and method for producing them Download PDF

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Kazutoshi Haraguchi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal nanoparticle composed of a plurality of metal nanocrystals having a controlled inner structure, to provide a dispersion thereof that is excellent in dispersion stability, and to provide a method for producing the metal nanoparticle and the dispersion thereof.SOLUTION: A metal/clay mineral composite nanoparticle being composed of a plurality of metal nanocrystals and having a controlled inner structure such as a core-shell structure or a very stable dispersion of the metal/clay mineral composite nanoparticle is produced by a method comprising simultaneously adding a plurality of metal compounds including a noble metal to an aqueous dispersion of a delaminated clay mineral, followed by adding a reducing agent and holding the dispersion at a room temperature or a method comprising adding one metal compound to an aqueous dispersion of the clay mineral and dispersing the same into the aqueous dispersion, followed by adding a reducing agent, further adding another metal compound after a prescribed period of time and then holding the dispersion at a room temperature.

Description

本発明は、金属ナノ粒子、その分散液及びそれらの製造方法に関する。   The present invention relates to metal nanoparticles, a dispersion thereof, and a production method thereof.

金属ナノ粒子は、その微小粒径に起因してバルク態と異なる多くの特性を示すことから、触媒、導電材料を始めとした各種分野で幅広い利用が検討されている。しかし、金属ナノ粒子の粒径をnmレベルの小粒径でできるだけ均質に且つ安価に合成すること、及び、金属ナノ粒子は活性が非常に高く粒子同士の不均一な凝集が生じやすいことから、安定した金属ナノ粒子分散液を調製することが広く求められてきた。   Since metal nanoparticles exhibit many characteristics different from the bulk state due to their fine particle diameter, they are being studied for wide use in various fields including catalysts and conductive materials. However, since the metal nanoparticles have a particle size as small as nm and can be synthesized as homogeneously and inexpensively as possible, and metal nanoparticles are very active and tend to cause non-uniform aggregation between particles. There has been a widespread need to prepare stable metal nanoparticle dispersions.

例えば、金属ナノ粒子の製造において、金属塩の溶液に還元剤を一挙に添加する従来の生成方法では金属粒子の核形成ならびにその成長の制御が容易でなく、nmレベルの粒子径のそろった均整な粒子を得ることが難しかった。これに対して、ポリオールを用いて還元した後、水溶性高分子を用いて分散性をあげる方法(非特許文献1)、連続フロー方式での製造方法(特許文献1)、ハロゲン化物イオンの存在下で還元させる方法(特許文献2)、異種金属を共存させる方法(特許文献3)などが提案されている。   For example, in the production of metal nanoparticles, the conventional production method in which a reducing agent is added all at once to a metal salt solution is not easy to control the nucleation and growth of metal particles, and the particle size is evenly aligned at the nm level. It was difficult to obtain fine particles. On the other hand, after reduction using a polyol, a method of increasing dispersibility using a water-soluble polymer (Non-patent Document 1), a production method using a continuous flow system (Patent Document 1), presence of halide ions There are proposed a method of reducing under pressure (Patent Document 2), a method of coexisting different metals (Patent Document 3), and the like.

一方、金属ナノ粒子が不均一に凝集したり沈殿したりするとナノ粒子としての性能が十分に発揮できないことに対する、分散液中又は再分散液中での金属ナノ粒子の安定な均一分散の達成に関しては、例えば、金属ナノ粒子の表面を特定の有機化合物で被覆する方法(特許文献4)、脂肪酸金属塩を形成させた後、二段階の置換を経て炭素鎖8〜20のアミンと原料由来の脂肪酸で金属ナノ粒子の表面を被覆する方法(特許文献5)、一端保護した有機化合物を別の有機化合物保護剤に置換する方法(特許文献6)、ポリエチレンイミンとポリエチレングリコールを含む高分子化合物の存在下で銀化合物を還元して銀ナノ粒子を製造する方法(特許文献7)、カルボキシル基を有する有機化合物からなる保護材で金属ナノ粒子表面を被覆する方法(特許文献8)などが提案されている。また、本発明者は、金属ナノ粒子及びその安定した分散液を得るために、層状剥離した無機層状鉱物の存在下で金属化合物を還元させる方法(特許文献9)を報告している。   On the other hand, regarding the achievement of stable and uniform dispersion of metal nanoparticles in a dispersion or redispersion liquid, the performance as a nanoparticle cannot be sufficiently exerted when metal nanoparticles aggregate or precipitate unevenly. Is, for example, a method of coating the surface of metal nanoparticles with a specific organic compound (Patent Document 4), after forming a fatty acid metal salt, followed by two-stage substitution and derived from amines and raw materials of carbon chains 8 to 20 A method of coating the surface of metal nanoparticles with a fatty acid (Patent Document 5), a method of replacing a partially protected organic compound with another organic compound protective agent (Patent Document 6), and a polymer compound containing polyethyleneimine and polyethylene glycol A method for producing silver nanoparticles by reducing a silver compound in the presence (Patent Document 7), and coating a metal nanoparticle surface with a protective material made of an organic compound having a carboxyl group Such method (Patent Document 8) it has been proposed. In addition, the present inventor has reported a method (Patent Document 9) in which a metal compound is reduced in the presence of a layered exfoliated inorganic layered mineral in order to obtain metal nanoparticles and a stable dispersion thereof.

一方、近年、複数の金属を用いた金属ナノ粒子、特にコアシェル構造などの制御された構造を有するナノ粒子は優れた触媒特性や光特性などを示す可能性から大きな注目を浴びている(非特許文献2)。製造法としても、複数の金属からなる金属ナノ粒子の分散性を向上させるためやコアシェル構造などの構造を構築させるための方法が提案されている(特許文献10〜特許文献13)。しかし、いずれも複雑な工程を要したり、高価な装置を用いたりして、簡便にして高効率な製造法は知られていない。このように、複数の金属ナノ結晶からなる金属ナノ粒子の内部構造を制御して合成し、且つ、分散性に優れたその金属ナノ粒子の分散液を得る簡便な方法はなく、これらの開発が求められていた。   On the other hand, in recent years, metal nanoparticles using a plurality of metals, particularly nanoparticles having a controlled structure such as a core-shell structure, have attracted a great deal of attention due to the possibility of exhibiting excellent catalytic properties, optical properties, etc. Reference 2). As a manufacturing method, methods for improving the dispersibility of metal nanoparticles composed of a plurality of metals and for constructing a structure such as a core-shell structure have been proposed (Patent Documents 10 to 13). However, there is no known simple and highly efficient production method that requires complicated processes or uses expensive equipment. As described above, there is no simple method for controlling the internal structure of metal nanoparticles composed of a plurality of metal nanocrystals and obtaining a dispersion of the metal nanoparticles with excellent dispersibility. It was sought after.

特開2004−068072号JP 2004-068072 A 特開2008−274423号JP 2008-274423 特開2011−21271号JP2011-21271A 特開2006−089786号JP 2006-089786 A 特開2008−150701号JP 2008-150701 A 特開2008−297580号JP 2008-297580 A 特許第4573138号Japanese Patent No. 4573138 特開2011−38128号JP 2011-38128 A 特開2013−163862号JP2013-163862A 特開2007−224420号JP 2007-224420 A 特許第3912391号Japanese Patent No. 3912391 特表2009−510705号Special table 2009-510705 特開2012−117097号JP 2012-117097

Pierre-Yves Silvert et. al, J. Mater. Chem., 1996, 6(4), 573-577.Pierre-Yves Silvert et.al, J. Mater. Chem., 1996, 6 (4), 573-577. R.G.Chaudhuri, S.Paria, Chem. Rev., 2012, 112, 2373-2433.R.G.Chaudhuri, S.Paria, Chem. Rev., 2012, 112, 2373-2433.

本発明が解決しようとする課題は、内部構造の制御された複数の金属ナノ結晶からなる金属ナノ粒子、及び分散安定性に優れたその分散液、及びそれらの製造方法を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide metal nanoparticles composed of a plurality of metal nanocrystals whose internal structure is controlled, a dispersion thereof excellent in dispersion stability, and a method for producing them.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究に取り組んだ結果、層状剥離した粘土鉱物、特に層状剥離した水膨潤性粘土鉱物の水分散液に、貴金属種を含む複数の金属化合物を同時に添加した後、還元剤を添加し、それを室温で保持する方法、または、粘土鉱物の水分散液に一つの金属化合物を添加し分散させた後、還元剤を添加し、一定時間後に更に他の金属化合物を添加し室温で保持する方法によって、複数の金属ナノ結晶からなり、且つ、コアシェル構造などの制御された内部構造を有する金属/粘土鉱物複合ナノ粒子が得られること、また、極めて安定した金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液が得られることを発見したことに基づき、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventor simultaneously added a plurality of metal compounds containing a noble metal species to an aqueous dispersion of a layered exfoliated clay mineral, particularly a layered exfoliated water-swelling clay mineral. After that, a reducing agent is added and kept at room temperature, or after one metal compound is added and dispersed in an aqueous dispersion of clay mineral, a reducing agent is added, and after another period of time, another reducing agent is added. By adding a metal compound and keeping it at room temperature, it is possible to obtain metal / clay mineral composite nanoparticles composed of a plurality of metal nanocrystals and having a controlled internal structure such as a core-shell structure, and extremely stable. Based on the discovery that a metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion can be obtained, the present invention has been completed.

即ち、本発明は、コアシェル構造を形成している複数の金属ナノ結晶及び層状剥離した粘土鉱物からなる金属/粘土鉱物複合ナノ粒子を提供する。   That is, the present invention provides metal / clay mineral composite nanoparticles comprising a plurality of metal nanocrystals forming a core-shell structure and a layered exfoliated clay mineral.

また、本発明は、コアシェル構造の最外層が微細な凹凸構造を有する金属/粘土鉱物複合ナノ粒子を提供する。   The present invention also provides metal / clay mineral composite nanoparticles in which the outermost layer of the core-shell structure has a fine uneven structure.

また、本発明は、複数金属ナノ結晶の少なくとも一種が貴金属ナノ結晶である金属/粘土鉱物複合ナノ粒子を提供する。   The present invention also provides metal / clay mineral composite nanoparticles in which at least one of a plurality of metal nanocrystals is a noble metal nanocrystal.

また、本発明は、粘土鉱物が水中で層状剥離可能な水膨潤性粘土鉱物である金属/粘土鉱物複合ナノ粒子を提供する。   The present invention also provides metal / clay mineral composite nanoparticles in which the clay mineral is a water-swellable clay mineral that can be layered and peeled off in water.

また、本発明は、金属/粘土鉱物複合ナノ粒子と層状剥離した粘土鉱物と分散媒体を含んでなる金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液を提供する。   The present invention also provides a metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion comprising a metal / clay mineral composite nanoparticle, a layered exfoliated clay mineral, and a dispersion medium.

また、本発明は、層状剥離した粘土鉱物を含む水分散液に、複数の金属化合物を同時に添加した後、還元剤を添加し、それらを保持することを特徴とする金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液の製造方法を提供する。   The present invention also relates to a metal / clay mineral composite nanoparticle characterized in that a plurality of metal compounds are simultaneously added to an aqueous dispersion containing a layered exfoliated clay mineral, and then a reducing agent is added and retained. And a method for producing the dispersion.

また、本発明は、層状剥離した粘土鉱物を含む水分散液に、少なくとも一種の金属化合物を添加した後、還元剤を添加し、その後、時間をおいて他の金属化合物を添加し、更にそれらを保持することを特徴とする金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液の製造方法を提供する。
また、本発明は、還元剤を添加した後、超音波をかけることを特徴とする金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液の製造方法を提供する。
更に、本発明は、金属化合物を還元するための保持温度が5〜50℃であることを特徴とする金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液の製造方法を提供する。
In addition, the present invention adds at least one metal compound to an aqueous dispersion containing a clay mineral that has been exfoliated in layers, then adds a reducing agent, and then adds another metal compound over time, and further adds them. A metal / clay mineral composite nanoparticle and a method for producing a dispersion thereof are provided.
In addition, the present invention provides a method for producing metal / clay mineral composite nanoparticles and a dispersion thereof characterized by applying ultrasonic waves after adding a reducing agent.
Furthermore, the present invention provides a method for producing metal / clay mineral composite nanoparticles and a dispersion thereof, wherein the holding temperature for reducing the metal compound is 5 to 50 ° C.

本発明によると、貴金属を含む複数の金属からなり、内部構造がコアシェル型に制御された金属/粘土鉱物複合ナノ粒子が得られること、また、最表面部に微細な凹凸構造を有するものが得られること、更に、分散性・分散安定性に優れた金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液が得られることなどが達成され、例えば、優れた触媒性能や導電性などを有する材料として用いられる。   According to the present invention, it is possible to obtain metal / clay mineral composite nanoparticles composed of a plurality of metals including a noble metal and whose inner structure is controlled to a core-shell type, and those having a fine concavo-convex structure on the outermost surface portion. In addition, it is possible to obtain a metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion having excellent dispersibility and dispersion stability. For example, it can be used as a material having excellent catalytic performance and conductivity.

実施例1で得られたPdナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のTEM観察写真。4 is a TEM observation photograph of the Pd nanocrystal-Pt nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られたPdナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子1個の直径に沿ったPd,Pt,Siの元素分析測定結果。The elemental analysis measurement result of Pd, Pt, Si along the diameter of one Pd nanocrystal-Pt nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 1. 実施例1で得られたPdナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子におけるMg(a),Pt(b)、Pd(c)のエネルギー分散X線マッピング測定結果。(d)は、(b)と(c)の結果を合わせたもの。The energy dispersive X-ray mapping measurement result of Mg (a), Pt (b), and Pd (c) in the Pd nanocrystal-Pt nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 1. (D) is a combination of the results of (b) and (c). 実施例1で得られたPdナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のX線光電子スペクトル測定結果。The X-ray photoelectron spectrum measurement result of Pd nanocrystal-Pt nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 1. 実施例1で得られたPdナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子の広角X線回析測定結果(iii)。(i)及び(ii)は比較サンプル((i)Ptナノ結晶/粘土鉱物、(ii)Pdナノ結晶/粘土鉱物)の測定結果。The wide angle X-ray diffraction measurement result (iii) of the Pd nanocrystal-Pt nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 1. (i) and (ii) are measurement results of comparative samples ((i) Pt nanocrystal / clay mineral, (ii) Pd nanocrystal / clay mineral). (a)実施例2で得られたAuナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のTEM観察写真。(b)実施例2で得られたAuナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子におけるAuとPdのエネルギー分散X線マッピング測定を合わせた結果。Auナノ結晶がコア、Pdナノ結晶がシェルとなるように配置されたコアシェル構造をとっている。(A) TEM observation photograph of Au nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 2. (B) The result of combining the energy dispersion X-ray mapping measurement of Au and Pd in the Au nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 2. It has a core-shell structure in which Au nanocrystals are the core and Pd nanocrystals are the shell. (a)実施例3で得られたAuナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のTEM観察写真。(b)実施例3で得られたAuナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子におけるAuとPtのエネルギー分散X線マッピング測定を合わせた結果。Auナノ結晶がコア、Ptナノ結晶がシェルとなるように配置されたコアシェル構造をとっている。(A) TEM observation photograph of Au nanocrystal-Pt nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 3. (B) The result of combining the energy dispersive X-ray mapping measurement of Au and Pt in the Au nanocrystal-Pt nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles obtained in Example 3. It has a core-shell structure in which Au nanocrystals are the core and Pt nanocrystals are the shell. 実施例2で得られたAuナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のX線光電子スペクトル測定結果。The X-ray photoelectron spectrum measurement result of Au nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 2. 実施例3で得られたAuナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のX線光電子スペクトル測定結果。The X-ray photoelectron spectrum measurement result of Au nanocrystal-Pt nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 3. 実施例2で得られたAuナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子の広角X線回析測定結果(iii)。(i)及び(ii)は比較サンプル((i)Auナノ結晶/粘土鉱物、(ii)Pdナノ結晶/粘土鉱物)の測定結果。The wide angle X-ray diffraction measurement result (iii) of the Au nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle obtained in Example 2. (i) and (ii) are measurement results of comparative samples ((i) Au nanocrystal / clay mineral, (ii) Pd nanocrystal / clay mineral). 実施例4で得られたPtナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のTEM観察写真。4 is a TEM observation photograph of Pt nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles obtained in Example 4. FIG. 実施例4で得られたPtナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子におけるPtとPdのエネルギー分散X線マッピング測定を合わせた結果。Ptナノ結晶がコア、Pdナノ結晶がシェルとなるように配置されたコアシェル構造をとっている。The result of having combined the energy dispersive X-ray mapping measurement of Pt and Pd in the Pt nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles obtained in Example 4. FIG. It has a core-shell structure in which Pt nanocrystals are the core and Pd nanocrystals are the shell. 実施例5で得られたPtナノ結晶−Coナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のTEM観察写真。4 is a TEM observation photograph of the Pt nanocrystal-Co nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles obtained in Example 5. FIG.

本発明における金属/粘土鉱物複合ナノ粒子は、2種またはそれ以上の複数の金属ナノ結晶からなることが必須である。金属の種類は必ずしも限定されないが、少なくとも1種は貴金属であるものがより好ましく用いられる、特に好ましくは、ナノ粒子の最外層に貴金属があるものである。貴金属としては、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムなどが挙げられ、特に好ましくは、金、白金、パラジウムである。その他の金属としては、銅、ニッケル、鉄、コバルト、アルミニウム、亜鉛、クロム、鉄、モリブデン、ジルコニウム、ルテニウム、タンタル、水銀、インジウム、スズ、鉛、タングステンなどがあげられ、より好ましくは、鉄、ニッケル、銅、コバルトである。   It is essential that the metal / clay mineral composite nanoparticles in the present invention consist of two or more metal nanocrystals. The kind of metal is not necessarily limited, but at least one kind is preferably a noble metal, and more preferably, a metal having a noble metal in the outermost layer of the nanoparticles. Examples of the noble metal include gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium and the like, and gold, platinum, and palladium are particularly preferable. Examples of other metals include copper, nickel, iron, cobalt, aluminum, zinc, chromium, iron, molybdenum, zirconium, ruthenium, tantalum, mercury, indium, tin, lead, tungsten, and more preferably iron, Nickel, copper and cobalt.

金属/粘土鉱物複合ナノ粒子の粒子径としては、ナノ粒子としての特徴を有するのであれば特に限定されるものではないが、金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液とした場合に良好な分散安定性を有するためには、本発明の金属ナノ粒子の平均粒子径は1〜300nmの範囲であることが好ましく、より好ましくは5〜150nmの範囲、特に好ましくは10〜100nmの範囲である。また、形状は一般に球状であるが、本発明における製造条件を制御することで、異型形状、瓢箪状、ロッド状、リボン状などの形状にすることも可能である。   The particle diameter of the metal / clay mineral composite nanoparticles is not particularly limited as long as they have the characteristics of nanoparticles, but good dispersion stability when a metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion is used. In order to have this, it is preferable that the average particle diameter of the metal nanoparticle of this invention is the range of 1-300 nm, More preferably, it is the range of 5-150 nm, Most preferably, it is the range of 10-100 nm. In addition, the shape is generally spherical, but by controlling the manufacturing conditions in the present invention, it is possible to obtain a shape such as an irregular shape, a saddle shape, a rod shape, or a ribbon shape.

本発明における金属/粘土鉱物複合ナノ粒子は、複数の金属ナノ結晶と層状剥離した粘土鉱物が含まれていることが必須である。金属/粘土鉱物複合ナノ粒子中の金属ナノ結晶含有量は、安定した金属/粘土鉱物複合ナノ粒子又はその分散液が得られれば良く、目的に応じて広い範囲から選択される。   The metal / clay mineral composite nanoparticles in the present invention must contain a plurality of metal nanocrystals and layered exfoliated clay minerals. The metal nanocrystal content in the metal / clay mineral composite nanoparticles may be selected from a wide range according to the purpose as long as stable metal / clay mineral composite nanoparticles or a dispersion thereof can be obtained.

更に、本発明における金属/粘土鉱物複合ナノ粒子は、複数の金属ナノ結晶が粒子内でランダムに分布してなくて高次構造を形成しているものが必須である。より好ましくは、中心部(コア)と外周部(シェル)が異なる金属ナノ粒子からなるコアシェル構造を形成しているものであり、更に好ましくは、シェル部に貴金属ナノ結晶などの高機能性ナノ結晶を含むコアシェル構造を有するものである。また、最外表面が平滑でなく、微細な凹凸を有するものは特に好ましい。コアとシェルを形成する金属種は、下記に示す製造方法により、異なる金属種の中から実用に適したものを選択できる。また、コア及びシェル部はそれぞれが単独の金属ナノ結晶からなるものであっても、どちらか一つまたは両方ともが複数の金属ナノ結晶からなるものであってもよい。更に、コア及びシェルの質量比率は、目的に応じて任意に制御することが可能である。   Furthermore, it is essential that the metal / clay mineral composite nanoparticles in the present invention are those in which a plurality of metal nanocrystals are not randomly distributed within the particles but have a higher order structure. More preferably, the core part (core) and the outer peripheral part (shell) form a core-shell structure composed of different metal nanoparticles, and more preferably a highly functional nanocrystal such as a noble metal nanocrystal in the shell part. It has a core shell structure containing. Moreover, the outermost surface is not particularly smooth and has fine irregularities. As the metal species forming the core and the shell, those suitable for practical use can be selected from different metal species by the production method shown below. In addition, each of the core and the shell portion may be composed of a single metal nanocrystal, or one or both may be composed of a plurality of metal nanocrystals. Furthermore, the mass ratio of the core and the shell can be arbitrarily controlled according to the purpose.

本発明におけるコアシェル構造を有する金属/粘土鉱物ナノ粒子およびその分散液を製造する方法としては、粘土鉱物存在下で複数の金属化合物の還元力の差を用いる方法(還元力が高い方がコアとなる)、及び、粘土鉱物存在下で金属化合物を添加する順序を用いる方法(先に添加して還元させる方がコアとなる)が有効であり、前者の方法は極めて簡便にコアシェル構造を有する金属/粘土鉱物複合ナノ粒子が得られる点で特に好ましい。また、後者の方法は、金属種の還元力に関わらず、任意の金属ナノ結晶をコアまたはシェルにすることが出来る点で特に好ましい。   As a method for producing metal / clay mineral nanoparticles having a core-shell structure and a dispersion thereof in the present invention, a method using a difference in reducing power of a plurality of metal compounds in the presence of clay mineral (the higher reducing power is the And the method using the order of adding the metal compound in the presence of clay mineral (the one that is added and reduced first becomes the core) is effective, and the former method is a metal having a core-shell structure very easily. / It is particularly preferred in that clay mineral composite nanoparticles can be obtained. The latter method is particularly preferable in that any metal nanocrystal can be used as the core or shell regardless of the reducing power of the metal species.

本発明においてコアシェル構造を有する複数の金属ナノ結晶及び安定したその水分散液を得るには、層状剥離した粘土鉱物を併せて用いることが必須である。本発明における粘土鉱物としては、層状に剥離することができるものであることが必須であり、好ましくは水又は水溶液中で膨潤して層状剥離するものであること、より好ましくは金属化合物を含む水溶液中でマクロに凝集せず、層状剥離した状態で分散できるものである。層状剥離の状態としては10層以下に層状剥離していることが好ましく、より好ましくは3層以下、特に好ましくは1層又は2層の厚みに層状剥離して分散しているものである。更に、層状剥離した粘土鉱物としては、水媒体中で金属化合物イオンと静電相互作用するもの、及び/または、金属化合物を還元又は還元を促進する性質を有するものが特に好ましい。かかる粘土鉱物としては、例えば、水膨潤性スメクタイト類や水膨潤性雲母などの水中で膨潤し、層状剥離した状態で微分散することが可能な表面負電荷を有する無機層状粘土鉱物が用いられる。具体的には、水膨潤性ヘクトライト、水膨潤性モンモリロナイト、水膨潤性サポナイト及び水膨潤性合成雲母などが挙げられる。また、粘度鉱物の層状剥離を容易にするため、有機分散剤を無機層状鉱物に含ませたものを用いることもできる。例えば、有機分散剤としては、リン酸塩やピロリン酸塩などがあげられる。   In order to obtain a plurality of metal nanocrystals having a core-shell structure and a stable aqueous dispersion thereof in the present invention, it is essential to use a layered exfoliated clay mineral together. As the clay mineral in the present invention, it is essential that the layer can be exfoliated in a layered manner, preferably one that swells in water or an aqueous solution and exfoliates in a layered state, more preferably an aqueous solution containing a metal compound. It does not agglomerate macroscopically and can be dispersed in a layered state. The state of layer peeling is preferably 10 layers or less, more preferably 3 layers or less, and particularly preferably 1 layer or 2 layers. Furthermore, the layered exfoliated clay mineral is particularly preferably one that electrostatically interacts with metal compound ions in an aqueous medium and / or one that has the property of reducing or accelerating metal compounds. As such a clay mineral, for example, an inorganic layered clay mineral having a negative surface charge that can swell in water such as water-swellable smectites and water-swellable mica and finely disperse in a layered state is used. Specific examples include water-swellable hectorite, water-swellable montmorillonite, water-swellable saponite, and water-swellable synthetic mica. Moreover, in order to facilitate the laminar peeling of the viscous mineral, an organic dispersant containing an inorganic layered mineral can also be used. For example, examples of the organic dispersant include phosphate and pyrophosphate.

本発明における金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液を得る具体的な手法としては、以下の方法が好ましく用いられる。即ち、層状剥離した粘土鉱物を含む水分散液に、複数の金属化合物を同時に添加した後、還元剤を添加し、それらを保持することによる方法、または、層状剥離した粘土鉱物を含む水分散液に、少なくとも一種の金属化合物を添加した後、還元剤を添加し、その後、時間をおいて他の金属化合物を添加し、更にそれらを保持する方法である。ここで、前法において、複数の金属化合物を同時に添加するということは、正確に同時でなくても、殆ど時間をおかず連続して添加することでもよく、予め複数の金属化合物を混合した溶液を添加してもよい。また、後法において、時間をおいて他の金属化合物を添加する場合の時間としては、先に添加した金属化合物が還元された後に加えるのが好ましい。更に、金属/粘土鉱物複合ナノ粒子の分散液の製造法としては、上記のようにワンポットで製造するほか、得られた金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液から金属/粘土鉱物複合ナノ粒子を精製した後、水または粘土鉱物水分散液に再分散させる方法も用いられる。   As a specific method for obtaining the metal / clay mineral composite nanoparticles and the dispersion thereof in the present invention, the following methods are preferably used. That is, a method in which a plurality of metal compounds are simultaneously added to an aqueous dispersion containing layered exfoliated clay mineral and then a reducing agent is added and retained, or an aqueous dispersion containing layered exfoliated clay mineral In addition, after adding at least one kind of metal compound, a reducing agent is added, and then another metal compound is added after a certain period of time, and these are retained. Here, in the previous method, adding a plurality of metal compounds at the same time may not be exactly the same, but may be added continuously with almost no time, and a solution in which a plurality of metal compounds are mixed in advance. It may be added. Further, in the subsequent method, it is preferable to add the other metal compound after the metal compound added earlier has been reduced as the time when the other metal compound is added at a later time. Furthermore, as a method for producing a dispersion of metal / clay mineral composite nanoparticles, one-pot production as described above, and purification of metal / clay mineral composite nanoparticles from the obtained metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion Then, a method of redispersing in water or an aqueous dispersion of clay mineral is also used.

また、本発明における金属/粘土鉱物複合ナノ粒子の製造法において、金属化合物を添加した後、超音波をかけることは、全体として均一な金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液を製造するのに有効である。超音波をかける時間は必ずしも限定されないが、好ましくは10秒〜100分の間から選択される。   Further, in the method for producing metal / clay mineral composite nanoparticles in the present invention, applying a ultrasonic wave after adding a metal compound produces a uniform metal / clay mineral composite nanoparticles and a dispersion thereof as a whole. It is effective for. The time for applying the ultrasonic wave is not necessarily limited, but is preferably selected from 10 seconds to 100 minutes.

また、本発明における金属化合物の金属ナノ結晶への還元は室温付近で行うことが最も好ましい。即ち、還元反応は5〜80℃の範囲で行えるが、明確なコアシェル構造などの内部構造の形成、及び安定した分散液の調製のためには、好ましくは5〜50℃、より好ましくは、10〜40℃、特に好ましくは、15〜35℃の範囲で行うことである。   In addition, the reduction of the metal compound to the metal nanocrystal in the present invention is most preferably performed near room temperature. That is, the reduction reaction can be carried out in the range of 5 to 80 ° C., but preferably 5 to 50 ° C., more preferably 10 for the formation of a clear internal structure such as a core-shell structure and the preparation of a stable dispersion. It is -40 degreeC, Most preferably, it is carrying out in 15-35 degreeC.

また、本発明においては層状剥離した粘土鉱物と共に還元剤を併用することが必須である。本発明における還元剤としては、金属化合物を還元し、複数の金属ナノ結晶を合成できるものであれば良く、必ずしも限定されるものではないが、より好ましくは、層状剥離した粘土鉱物の存在下で、金属化合物を還元し、微細な金属ナノナノ結晶を調製できるものが用いられる。用いられる還元剤としては、例えば、水素、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素アンモニウムなどのホウ素化合物、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒドなどのアルデヒド類、アスコルビン酸、クエン酸、クエン酸ナトリウムなどの酸類、プロピルアミン、ブチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジメチルエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、トリエチレンテトラミン、メチルアミノエタノール、ジメチルアミノエタノール、トリエタノールアミンなどのアミン類、ヒドラジン、炭酸ヒドラジンなどのヒドラジン類、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ類などが挙げられる。これらのなかでも、水素化ホウ素ナトリウムまたはアスコルビン酸はより好ましく、特に貴金属ナノ結晶の調製やコアシェル構造形成のためには、アスコルビン酸が特に好ましい。また、還元剤の使用量は、金属化合物中の金属イオンを還元するのに必要な量以上であれば特に限定されるものではなく、上限は特に規定するものではないが、金属イオンの10モル倍以下であることが好ましく、2モル倍以下であることがより好ましい。また、還元剤の添加方法も限定されるものではなく、例えば、還元剤をそのまま、又は水溶液やその他の溶媒に溶解、分散させて混合させることができる。   In the present invention, it is essential to use a reducing agent in combination with the layered exfoliated clay mineral. The reducing agent in the present invention is not limited as long as it can reduce a metal compound and synthesize a plurality of metal nanocrystals, but more preferably, in the presence of a layered exfoliated clay mineral. A metal compound that can be reduced to prepare fine metal nano-nanocrystals is used. Examples of the reducing agent used include boron compounds such as hydrogen, sodium borohydride, and ammonium borohydride, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, and propylene glycol, formaldehyde, acetaldehyde, and propionaldehyde. Aldehydes such as, acids such as ascorbic acid, citric acid, sodium citrate, propylamine, butylamine, diethylamine, dipropylamine, dimethylethylamine, triethylamine, ethylenediamine, triethylenetetramine, methylaminoethanol, dimethylaminoethanol, triethanol Amines such as amines, hydrazines such as hydrazine and hydrazine carbonate, sodium hydroxide, hydroxide Umm, and the like alkali such as. Among these, sodium borohydride or ascorbic acid is more preferable, and ascorbic acid is particularly preferable for the preparation of noble metal nanocrystals and the formation of a core-shell structure. Further, the amount of the reducing agent used is not particularly limited as long as it is more than the amount necessary for reducing the metal ion in the metal compound, and the upper limit is not particularly specified, but 10 mol of the metal ion. It is preferably 2 times or less, more preferably 2 mole times or less. Moreover, the addition method of a reducing agent is not limited, either, For example, a reducing agent can be mixed as it is, or it melt | dissolves and disperses in aqueous solution or another solvent.

また本発明においては、金属化合物の還元を制御したり、還元を促進する物質として、水溶性有機高分子(例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどのポリオール類、ポリビニルピロリドン、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミンなどの水溶性高分子の一種以上又は共重合体)を上記還元剤と共に用いることも有効に用いられる。   In the present invention, water-soluble organic polymers (for example, polyols such as ethylene glycol, diethylene glycol, and triethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, polyallylamine, polyethylene) are used as substances that control or accelerate the reduction of metal compounds. It is also effective to use one or more water-soluble polymers such as imine or a copolymer) together with the reducing agent.

本発明における金属化合物としては、水溶性金属化合物であって、還元反応によって金属ナノ結晶が得られるものが用いられる。例えば、金属カチオンと対アニオンとの塩類のもの、あるいは金属が対アニオンの中に含まれるものなどが用いられる。例えば、銀の場合、硝酸銀、酸化銀、酢酸銀、フッ化銀、銀アセチルアセトナート、安息香酸銀、クエン酸銀、銀ヘキサフルオロフォスジェート、乳酸銀、亜硝酸銀、ペンタフルオロプロピオン酸銀など、白金やパラジウムの場合は塩化白金カリウム(K2PtCl4)や塩化パラジウムカリウム(K2PdCl4)など、金の場合は四塩化金ナトリウム水和物(Na(AuCl4)・2H2O)、ニッケルや鉄の場合は塩化ニッケル(NiCl2)や塩化鉄(FeCl3)など、コバルトや銅の場合は硫酸コバルト水和物(CoSO4・7H2O)や硫酸銅水和物(CuSO4・5H2O)などがあげられる。   As the metal compound in the present invention, a water-soluble metal compound which can obtain metal nanocrystals by a reduction reaction is used. For example, a salt of a metal cation and a counter anion, or one in which a metal is contained in the counter anion is used. For example, in the case of silver, silver nitrate, silver oxide, silver acetate, silver fluoride, silver acetylacetonate, silver benzoate, silver citrate, silver hexafluorophosphate, silver lactate, silver nitrite, silver pentafluoropropionate, etc. In the case of platinum or palladium, potassium potassium chloride (K2PtCl4) or potassium potassium chloride (K2PdCl4), in the case of gold, sodium tetrachloride hydrate (Na (AuCl4) · 2H2O), in the case of nickel or iron, nickel chloride In the case of cobalt and copper, such as (NiCl2) and iron chloride (FeCl3), cobalt sulfate hydrate (CoSO4 · 7H2O), copper sulfate hydrate (CuSO4 · 5H2O) and the like can be mentioned.

本発明における金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液の分散媒体としては、好ましくは水が用いられるが、他の有機溶媒や水溶性物質を含む水溶液も用いられる。また、一端、水又は水溶液を用いて金属ナノ粒子分散液を調製した後、媒体を有機溶媒に変更することも可能である。   As the dispersion medium of the metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion liquid in the present invention, water is preferably used, but an aqueous solution containing another organic solvent or a water-soluble substance is also used. It is also possible to change the medium to an organic solvent after preparing a metal nanoparticle dispersion using one end, water or an aqueous solution.

本発明で得られる金属ナノ粒子分散液は、金属/粘土鉱物複合ナノ粒子が小さく且つ均一であることに加えて、共存する層状剥離した粘土鉱物の働きで、優れた分散安定性を有する。また、得られた金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液は、含まれる粘土鉱物の濃度により、低粘度のゾルから、高粘度、そしてゲル状態まで、粘度を広範囲に制御することができる。また、撹拌状態ではゾルで、静置状態ではゲルとなるものも調製可能である。いずれにおいても金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液は優れた分散安定性を示す。例えば、本発明における金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液は、数日以上、好ましくは数ヶ月以上にわたって安定であり不均一な凝集や沈殿を生じることがない。   The metal nanoparticle dispersion obtained in the present invention has excellent dispersion stability due to the coexistence of the layered exfoliated clay mineral in addition to the small and uniform metal / clay mineral composite nanoparticles. Further, the obtained metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion can control the viscosity in a wide range from a low-viscosity sol to a high-viscosity and gel state depending on the concentration of the clay mineral contained. Moreover, what becomes a sol in a stirring state and becomes a gel in a stationary state can also be prepared. In any case, the metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion exhibits excellent dispersion stability. For example, the metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion in the present invention is stable for several days or more, preferably for several months or more, and does not cause uneven aggregation or precipitation.

本発明における金属/粘土鉱物複合ナノ粒子は、得られた金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液をスプレードライなどの方法で直接粒子状態とした後、乾燥及び/又は熱処理する方法や、金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液を高分子、紙、ガラス、セラミック、金属などの基材上に、そのまま、もしくは他の有機及び/又は無機素材と混合した後、塗布し、引き続き、乾燥及び/又は熱処理する方法により得られる。また、金属ナノ粒子を基材の上でミクロなパターン形成を行わせることも有効に用いられる。   In the present invention, the metal / clay mineral composite nanoparticles are obtained by directly converting the obtained metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion into a particle state by a method such as spray drying, followed by drying and / or heat treatment, or metal / clay. The mineral composite nanoparticle dispersion is applied to a substrate such as polymer, paper, glass, ceramic, metal, etc. as it is or after being mixed with other organic and / or inorganic materials, and then applied, followed by drying and / or heat treatment. It is obtained by the method to do. It is also effective to cause the metal nanoparticles to form a micro pattern on the substrate.

次いで本発明を実施例により、より具体的に説明するが、もとより本発明は、以下に示す実施例にのみ限定されるものではない。
(実施例1、比較例1)
水膨潤性層状粘土鉱物であるスメクタイト類の一種である合成ヘクトライト(ラポナイトXLG:Rockwood社)を2質量%含む均一透明な(水中で層状剥離した)粘土鉱物水分散液10mlに、25℃で、20mMのK2PtCl4水溶液10mlと20mMのK2PdCl4水溶液10mlを添加し、次いで0.4Mのアスコルビン酸水溶液4mlを添加した後、10分間(室温で)超音波にかけた。得られた液を24時間、25℃で保持した。その結果、沈殿のない、均一な黒色水分散液が得られた。これを遠心分離(一万回転、10分間)することにより固体を沈殿回収した後、再度水に分散した。この遠心分離−沈殿−再分散を3回繰り返して、精製した固体及びその水分散液を得た。水分散液を透過型電子顕微鏡(TEM)用のカーボン膜の上に垂らし、溶媒(水)を乾燥により除いてから、TEM(日本電子製JEM−2200TFE:200kV)測定を行った。得られた結果を図1に示す。平均粒径70nmの粒子が観測され、その外周部は微細な凹凸構造を有することが確認された。単一ナノ粒子の元素分析結果を図2に示す。また、Mg,PtおよびPdのエネルギー分散X線マッピング測定(走査TEM検出器付きJEM-2200TFE(200kV)使用)結果を各々、図3(a)、(b)及び(c)に、また、図3(b)と(c)を併せた結果を図3(d)に示す。更に、X線光電子スペクトル測定(日本電子製ESCALab MKII(MgK)使用)結果を図4に、広角X線回析測定(理学電機製Rigaku SmartLab(CuK)使用)結果を図5に示す。以上の結果から、水分散液には、平均粒径が65nmのPdナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物からなる金属/粘土鉱物複合ナノ粒子が形成していること、且つ、Pdナノ結晶をコア、Ptナノ結晶をシェルとするコアシェル構造を有していることが明らかとなった。得られたPt−Pd−粘土鉱物複合ナノ粒子の窒素吸着法によるBET表面積測定(BEL Japan Inc製BELSORP-mini II使用)結果は290.7m2/gであり、非常に高い値を示した。
得られたPd−Pt−粘土鉱物複合ナノ粒子の触媒活性を調べるため、以下の実験を行った。60mMのNaBH4水溶液0.5mlを、0.12mMの4−ニトロフェノール水溶液2.5mlに加えた。3mgのPd−Pt−粘土鉱物複合ナノ粒子を添加し、撹拌して保持した(25℃)。金属/粘土鉱物複合ナノ粒子を添加した後の、60秒毎の紫外線吸収スペクトル(250−550nm)測定した結果、4−ニトロフェノールが4−アミノフェノールに還元されるのが観測され、表1に示す速度定数と活性パラメーターが得られた。市販の白金触媒(PtBlack)を用いた場合(比較例1)に比べて、高い触媒活性を示すことが確認された。
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited only to the Example shown below from the first.
(Example 1, Comparative Example 1)
To 10 ml of a uniform and transparent clay mineral aqueous dispersion containing 2% by mass of synthetic hectorite (Laponite XLG: Rockwood), a kind of smectites that are water-swellable layered clay minerals, at 25 ° C. Then, 10 ml of 20 mM aqueous K2PtCl4 solution and 10 ml of 20 mM aqueous K2PdCl4 solution were added, and then 4 ml of 0.4 M aqueous ascorbic acid solution was added, followed by ultrasonication for 10 minutes (at room temperature). The resulting liquid was kept at 25 ° C. for 24 hours. As a result, a uniform black water dispersion without precipitation was obtained. This was centrifuged (10,000 rotations, 10 minutes) to precipitate and recover a solid, and then dispersed again in water. This centrifugation-precipitation-redispersion was repeated three times to obtain a purified solid and its aqueous dispersion. The aqueous dispersion was dropped on a carbon film for a transmission electron microscope (TEM), the solvent (water) was removed by drying, and TEM (JEM-2200 TFE: 200 kV) was measured. The obtained results are shown in FIG. Particles having an average particle diameter of 70 nm were observed, and the outer periphery thereof was confirmed to have a fine uneven structure. The result of elemental analysis of a single nanoparticle is shown in FIG. In addition, the results of energy dispersive X-ray mapping measurement (using JEM-2200TFE (200 kV) with scanning TEM detector) of Mg, Pt and Pd are shown in FIGS. 3 (a), (b) and (c), respectively. The result of combining 3 (b) and (c) is shown in FIG. 3 (d). Further, FIG. 4 shows the results of X-ray photoelectron spectrum measurement (using ESCALab MKII (MgK) manufactured by JEOL), and FIG. 5 shows the results of wide-angle X-ray diffraction measurement (using Rigaku SmartLab (CuK) manufactured by Rigaku Corporation). From the above results, the aqueous dispersion is formed with metal / clay mineral composite nanoparticles composed of Pd nanocrystals-Pt nanocrystals-clay minerals with an average particle size of 65 nm, and the Pd nanocrystals are cores. It was revealed that it has a core-shell structure with Pt nanocrystals as the shell. The obtained Pt-Pd-clay mineral composite nanoparticles were measured for BET surface area by nitrogen adsorption method (using BELSORP-mini II manufactured by BEL Japan Inc). The result was 290.7 m2 / g, which was a very high value.
In order to investigate the catalytic activity of the obtained Pd—Pt—clay mineral composite nanoparticles, the following experiment was conducted. 0.5 ml of 60 mM NaBH4 aqueous solution was added to 2.5 ml of 0.12 mM 4-nitrophenol aqueous solution. 3 mg of Pd—Pt—clay mineral composite nanoparticles were added and held with stirring (25 ° C.). As a result of measuring an ultraviolet absorption spectrum (250-550 nm) every 60 seconds after adding metal / clay mineral composite nanoparticles, it was observed that 4-nitrophenol was reduced to 4-aminophenol. The indicated rate constants and activity parameters were obtained. Compared with the case where a commercially available platinum catalyst (PtBlack) was used (Comparative Example 1), it was confirmed that high catalytic activity was exhibited.

(実施例2、3)
実施例2では、K2PtCl4水溶液の代わりに20mMのNa(AuCl4)2H2O水溶液10mlを用いること、実施例3では、K2PdCl4水溶液の代わりに20mMのNa(AuCl4)2H2O水溶液10mlを用いること以外は、実施例1と同様にして実験を行った。実施例1と同様にして測定したTEM測定結果及びエネルギー分散X線マッピング測定結果を図6(a)及び(b)(実施例2)、図7(a)及び(b)(実施例3)に、また、X線光電子スペクトル測定結果を図8(実施例2)及び図9(実施例3)に示す。更に実施例2の広角X線回折測定結果を図10に示す。以上のことから、実施例2では、Auナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子(平均粒径60nm、Auナノ結晶がコア、Pdナノ結晶がシェル)及びその分散液が得られたこと、実施例3では、Auナノ結晶−Ptナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子(平均粒径55nm、Auナノ結晶がコア、Pdナノ結晶がシェル)及びその分散液が得られたことが明らかとなった。実施例2のAuナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のBET表面積は343.5m2/gであった。
(Examples 2 and 3)
In Example 2, 10 ml of 20 mM Na (AuCl4) 2H2O aqueous solution was used instead of K2PtCl4 aqueous solution, and in Example 3, 10 ml of 20 mM Na (AuCl4) 2H2O aqueous solution was used instead of K2PdCl4 aqueous solution. The experiment was conducted in the same manner as in 1. TEM measurement results and energy dispersive X-ray mapping measurement results measured in the same manner as in Example 1 are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b) (Example 2), and FIGS. 7 (a) and 7 (b) (Example 3). In addition, the X-ray photoelectron spectrum measurement results are shown in FIG. 8 (Example 2) and FIG. 9 (Example 3). Furthermore, the wide-angle X-ray diffraction measurement result of Example 2 is shown in FIG. From the above, in Example 2, Au nanocrystals-Pd nanocrystals-clay mineral composite nanoparticles (average particle size of 60 nm, Au nanocrystals as cores, Pd nanocrystals as shells) and dispersions thereof were obtained. In Example 3, it was clarified that Au nanocrystals-Pt nanocrystals-clay mineral composite nanoparticles (average particle size 55 nm, Au nanocrystals were cores, Pd nanocrystals were shells) and dispersions thereof were obtained. It was. The BET surface area of the Au nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticle of Example 2 was 343.5 m <2> / g.

得られた複合ナノ粒子を用いて4−ニトロフェノールの還元反応に対する触媒活性を実施例1と同様に測定した結果を表1に示す。いずれも比較触媒(Pt-Black)より高い活性を示し、特にAuナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子は優れた触媒活性を示した。   Table 1 shows the results of measuring the catalytic activity for the reduction reaction of 4-nitrophenol in the same manner as in Example 1 using the obtained composite nanoparticles. All showed higher activity than the comparative catalyst (Pt-Black), and in particular, Au nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles showed excellent catalytic activity.

(実施例4)
粘土鉱物水分散液に加える金属化合物水溶液および還元剤の添加順序が異なる、即ち、最初にK2PtCl4水溶液を加え、次いで、アスコルビン酸水溶液を加え、3時間後に、K2PdCl4水溶液を加えること以外は実施例1と同様にして実験を行った。実施例1と同様にして測定したTEM測定結果及びエネルギー分散X線マッピング測定結果を図11及び図12に示す。これらから、平均粒径が54nm、Ptナノ結晶がコア、Pdナノ結晶がシェルのPtナノ結晶−Pdナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子が得られたことが明らかとなった。
Example 4
Example 1 except that the addition order of the metal compound aqueous solution and the reducing agent added to the clay mineral aqueous dispersion is different, that is, the K2PtCl4 aqueous solution is added first, then the ascorbic acid aqueous solution is added, and the K2PdCl4 aqueous solution is added after 3 hours. The experiment was conducted in the same manner as above. TEM measurement results and energy dispersive X-ray mapping measurement results measured in the same manner as in Example 1 are shown in FIGS. From these results, it was clarified that Pt nanocrystal-Pd nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles having an average particle size of 54 nm, Pt nanocrystals as a core, and Pd nanocrystals as a shell were obtained.

(実施例5、6)
アスコルビン酸水溶液の代わりに0.1MのNaBH4水溶液10gを用いること、及び第二の金属化合物水溶液をNaBH4水溶液添加してから24時間後に行うこと、また、第二の金属化合物水溶液として、K2PdCl4水溶液の代わりに20mMのCoSO47H2Oの水溶液10gを用いること(実施例5)または20mMのNiCl2水溶液10gを用いること(実施例6)を除くと、実施例4と同様にして実験を行った。その結果、実施例5では平均21nmのPtナノ結晶−Coナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子が、また、実施例6では平均10nmのPtナノ結晶−Niナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子が得られることが明らかとなった。図13に実施例5で得られたPtナノ結晶−Coナノ結晶−粘土鉱物複合ナノ粒子のTEM写真を示す。これらの複合ナノ粒子0.05gを用いて実施例1と同様にして4−ニトロフェノールの還元反応に対する触媒活性を調べた結果を表1に示す。いずれも極めて高い触媒活性を示した。
(Examples 5 and 6)
Use 10 g of 0.1M NaBH4 aqueous solution instead of ascorbic acid aqueous solution, and perform 24 hours after adding the second metal compound aqueous solution to the NaBH4 aqueous solution. Also, as the second metal compound aqueous solution, K2PdCl4 aqueous solution Instead of using 10 g of a 20 mM aqueous solution of CoSO47H2O (Example 5) or using 10 g of a 20 mM aqueous NiCl2 solution (Example 6), the experiment was conducted in the same manner as in Example 4. As a result, Pt nanocrystal-Co nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles having an average of 21 nm are obtained in Example 5, and Pt nanocrystal-Ni nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles having an average of 10 nm are obtained in Example 6. It became clear. FIG. 13 shows a TEM photograph of the Pt nanocrystal-Co nanocrystal-clay mineral composite nanoparticles obtained in Example 5. Table 1 shows the results of examining the catalytic activity for the reduction reaction of 4-nitrophenol in the same manner as in Example 1 using 0.05 g of these composite nanoparticles. All showed extremely high catalytic activity.

(比較例2)
粘土鉱物を用いない、即ち、粘土鉱物水分散液のかわりに水を用いること以外は実施例1と同様に実験を行った。その結果、均一な黒色水分散液は得られず、黒色の凝集沈殿物が得られた。
(Comparative Example 2)
The experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that no clay mineral was used, that is, water was used instead of the clay mineral aqueous dispersion. As a result, a uniform black water dispersion was not obtained, and a black aggregated precipitate was obtained.

表1

Figure 2015131985
Table 1
Figure 2015131985

Claims (9)

コアシェル構造を形成している複数の金属ナノ結晶及び層状剥離した粘土鉱物からなる金属/粘土鉱物複合ナノ粒子。 Metal / clay mineral composite nanoparticles comprising a plurality of metal nanocrystals forming a core-shell structure and a layered exfoliated clay mineral. コアシェル構造の最外層が微細な凹凸構造を有する請求項1記載の金属/粘土鉱物複合ナノ粒子。 The metal / clay mineral composite nanoparticles according to claim 1, wherein the outermost layer of the core-shell structure has a fine uneven structure. 前記複数金属ナノ結晶の少なくとも一種が貴金属ナノ結晶である請求項1または2記載の金属/粘土鉱物複合ナノ粒子。 The metal / clay mineral composite nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein at least one of the plurality of metal nanocrystals is a noble metal nanocrystal. 前記粘土鉱物が水中で層状剥離可能な水膨潤性粘土鉱物である請求項1〜3のいずれか一つに記載の金属/粘土鉱物複合ナノ粒子。 The metal / clay mineral composite nanoparticles according to any one of claims 1 to 3, wherein the clay mineral is a water-swellable clay mineral that can be peeled in layers. 請求項1〜4に記載の金属/粘土鉱物複合ナノ粒子と層状剥離した粘土鉱物と分散媒体を含んでなる金属/粘土鉱物複合ナノ粒子分散液。 A metal / clay mineral composite nanoparticle dispersion comprising the metal / clay mineral composite nanoparticle according to claim 1, a layered exfoliated clay mineral, and a dispersion medium. 層状剥離した粘土鉱物を含む水分散液に、複数の金属化合物を同時に添加した後、還元剤を添加し、それらを保持してなる請求項1〜5に記載の金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液の製造方法。 The metal / clay mineral composite nanoparticles according to claims 1 to 5, wherein a plurality of metal compounds are simultaneously added to an aqueous dispersion containing a layered exfoliated clay mineral, and then a reducing agent is added and retained. A method for producing the dispersion. 層状剥離した粘土鉱物を含む水分散液に、少なくとも一種の金属化合物を添加した後、還元剤を添加し、その後、時間をおいて他の金属化合物を添加し、更にそれらを保持してなる請求項1〜5に記載の金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液の製造方法。 Claims formed by adding at least one metal compound to an aqueous dispersion containing a layered exfoliated clay mineral, then adding a reducing agent, then adding another metal compound after a while, and further holding them. Item 6. A method for producing metal / clay mineral composite nanoparticles according to Item 1-5 and a dispersion thereof. 還元剤を添加した後、超音波をかけることを特徴とする請求項6または7に記載の金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液の製造方法。 8. The method for producing metal / clay mineral composite nanoparticles and dispersion thereof according to claim 6, wherein ultrasonic waves are applied after the reducing agent is added. 金属化合物を還元するための保持温度が5〜50℃であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか一つに記載の金属/粘土鉱物複合ナノ粒子及びその分散液の製造方法。 The method for producing metal / clay mineral composite nanoparticles and a dispersion thereof according to any one of claims 6 to 8, wherein a holding temperature for reducing the metal compound is 5 to 50 ° C.
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