JP2016138324A

JP2016138324A - 合金ナノ粒子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2016138324A
Application number: JP2015015190A
Authority: JP
Inventors: 小松　徳太郎; Tokutaro Komatsu; 徳太郎小松; 浩和小林; Hirokazu Kobayashi; 北川　宏; Hiroshi Kitagawa; 宏北川; 康平草田; Kohei Kusada
Original assignee: Kyoto University
Current assignee: Kyoto University
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-08-04

Abstract

【課題】白金族元素の使用量を低減し得る技術を提供する。【解決手段】以下の工程１〜２を含む、室温で互いに相分離するルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)及び白金(Pt)からなる群から選ばれる白金族元素とCo、Ni、Cu及びFeからなる群から選ばれる卑金属元素が原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子の製造方法：工程１：室温で互いに相分離する白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解する工程、工程２：工程１で得られた溶液を還元性液体に加え、塩基の存在下に100〜260℃で反応させて白金族元素と卑金属元素の合金ナノ粒子を形成する工程。【選択図】図１

Description

本発明は、合金ナノ粒子及びその製造方法に関し、詳しくはロジウム(Rh)と銅(Cu)のような室温で相分離する白金族元素と卑金属元素が固溶もしくは原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子及びその製造方法に関する。

白金族元素は自動車排ガス処理、水素化などの高機能触媒、あるいはメッキなどに使用されているが、産出量が少なく高価である。このため、白金族元素の使用量を低減しうる技術が求められている。また、環境規制が厳格化しているため、有害元素の使用量を低減しうる技術が求められている。元素間融合により電子構造を最適化した「人工元素」を作製することでこれらの問題を解決できるが、実用化するためには安定して大量合成できる手法が必要である。

例えばロジウム(Rh)と銅(Cu)は1200℃付近の高温では固溶するが、低温では相分離するため、従来は合金化することが困難であった。また、バルクの合成法では、触媒等に好適なサイズに微細化することが困難であった。

特許文献１は、純度９９．９９５質量％以上の銅（Cu）中にロジウム（Ｒｈ）０．１〜１．５質量％を固溶した銅−ロジウム希薄合金細線を開示するが、ナノ粒子に関する開示はない。

特開2014-075458

本発明は、Rhなどの白金族元素の使用量を低減し得る技術を提供することを目的とする。

本発明は、以下の合金ナノ粒子及びその製造方法を提供するものである。
項１．以下の工程１〜２を含む、室温で互いに相分離するルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)及び白金(Pt)からなる群から選ばれる白金族元素とCo、Ni、Cu及びFeからなる群から選ばれる卑金属元素が原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子の製造方法：
工程１：室温で互いに相分離する白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解する工程
工程２：工程１で得られた溶液を還元性液体に加え、塩基の存在下に100〜260℃で反応させて白金族元素と卑金属元素の合金ナノ粒子を形成する工程。
項２．塩基を白金族元素の塩と卑金属元素の塩の溶液に添加することを特徴とする、項１に記載の製造方法。
項３．塩基がカリウムtert-ブトキシドである、項１又は２に記載の製造方法。
項４．表面保護剤を白金族元素の塩と卑金属元素の塩の溶液にさらに添加することを特徴とする、項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
項５．工程２の反応温度が150〜250℃である、項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
項６．還元性液体がアルキレングリコール類、グリセリン、ポリグリセリン、アルキレングリコールモノアルキルエーテル、アミン類、不飽和脂肪酸及び不飽和炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも１種である、項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
項７．白金族元素がRhであり、卑金属がCuである、項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法。
項８．室温で互いに相分離する白金族元素と卑金属元素が原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子。
項９．白金族元素がRhであり、卑金属元素がCuである、項８に記載の合金ナノ粒子。
項１０． Rhを5〜95モル％、Cuを5〜95モル％含む、項９に記載の合金ナノ粒子。
項１１．粒子の平均粒径が1〜10 nmである、項８〜１０のいずれか１項に記載の合金ナノ粒子。

液相還元法によりナノ粒子を作製すると、反応の進行に従って酸が生成するため、大量合成時に還元速度が低下して合金ナノ粒子が相分離してしまう。また、原料溶液に低沸点溶媒を用いると、還元液に原料溶液を加えた際に気化熱が奪われるため、局所的に冷却されて還元速度が低下し、相分離する傾向にある。

本発明によれば、本質的に相分離する白金族元素と卑金属元素、特にRhとCuを用い、300℃以下の低温で容易に白金族元素と卑金属元素(特にRhちCu)が原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子が得られる。本発明の好ましい実施形態において、合金ナノ粒子は高価な白金族元素の量を減少させて十分な触媒活性を得るものである。触媒としては、自動車排ガス処理、水素化、酢酸合成用の高機能触媒などが好ましく例示される。

本発明の単一相のRh-Cu合金ナノ粒子のXRDパターンとTEM像及び粒度分布を示す。本発明の単一相のRh-Cu合金ナノ粒子のHAADF-STEM画像を示す。本発明の単一相のRh-Cu合金ナノ粒子のHAADF-STEM EDS分析の結果を示す。本発明の単一相のRh-Cu合金ナノ粒子のPXRD、TEM像、元素分析及びEDXの結果を示す。

本発明で得られる合金ナノ粒子は、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)及び白金(Pt)からなる群から選ばれる白金族元素とCo、Ni、Cu及びFeからなる群から選ばれる卑金属元素、特にRhとCuが原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子である(図3)。

ここで、「RhとCuが原子レベルで均一に混ざり合っている」とは、合金ナノ粒子の中でRhとCuが均一に存在し、各金属原子の分布に偏りがないことを意味する。RhとCuが原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子は、結晶構造を有する固溶体の合金ナノ粒子と非晶質固体の合金ナノ粒子の両方を含む。好ましくは固溶体のRhCu合金ナノ粒子である。

本発明の合金ナノ粒子において、Rhなどの白金族元素とCuなどの卑金属元素の割合は、白金族元素を5〜95モル％、卑金属元素を5〜95モル％；好ましくは白金族元素を10〜90モル％、卑金属元素を10〜90モル％；より好ましくは白金族元素を15〜85モル％、卑金属元素を15〜85モル％含む。白金族元素が70-85モル％であると、高い触媒活性を有することが期待される。

本発明のナノ粒子の平均粒径は、1〜20 nm程度、好ましくは1〜15 nm程度、より好ましくは1 〜10 nm程度、さらに好ましくは1〜6 nm程度である。平均粒径が小さいと触媒性能が高くなるために好ましい。合金ナノ粒子の平均粒径は、ＴＥＭなどの顕微鏡写真により確認することができる。合金ナノ粒子の形状は特に限定されず、球状、楕円体状、ロッド状、柱状、リン片状など任意の形状であってよい。

本発明の合金ナノ粒子の製造方法において、白金族元素(例えばRh)の塩と卑金属元素(例えばCu)の塩を溶媒に溶解し、原子レベルで完全に混合した状態にする。溶媒としては、水、アルコール(メタノール、エタノール、イソプロパノールなど)、ポリオール類（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、プロピレンングリコール、グリセリンなど）、ポリエーテル類（ポリエチレングリコールなど）、アセトニトリル、アセトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチルピロリジン、酢酸エチル等のエステル類などの極性溶媒が使用できる。溶媒は、１種単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。溶媒の沸点は、好ましくは100℃超、より好ましくは120℃以上、さらに好ましくは150℃以上、特に180℃以上である。沸点の上限は特になく、白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶解できればよい。白金族元素の塩と卑金属元素の塩としては、水溶性塩が好ましい。白金族元素と卑金属元素の好ましい塩としては、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩などの有機酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物（フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物）、過塩素酸塩、水酸化物などが挙げられ、ハロゲン化物、酢酸塩等の有機酸塩、硝酸塩が好ましく使用できる。白金族元素は、2価、3価、4価のいずれでもよい。卑金属元素は1価、2価、3価のいずれでもよい。白金族元素の塩のうちRhの塩としては、例えばRh(AcO)₂、Rh(AcO)₃、Rh(NO₃)₂、Rh(NO₃)₃、RhCl₂、RhCl₃などが挙げられる。Rh以外の白金族元素の塩も同様な塩が好ましい。卑金属元素の塩のうちCuの塩としては、例えばCu(AcO)、Cu(AcO)₂、CuNO₃、Cu(NO₃)₂、CuCl、CuCl₂、CuSO₄, CuBr, CuBr₂, CuIなどが挙げられる。Cu以外の卑金属元素の塩も同様な塩が好ましい。白金族元素の塩と卑金属元素の塩は、無水酢酸ロジウムのように複核錯体を形成していても良い。１価の卑金属元素(例えばCu)の塩を用いる場合は、溶解度を向上させるために配位性の分子またはイオン(例えばCN^-、Cl^-、NCS^-、NH₃、アセチルアセトナート(acac)、エチレンジアミン、ジエチレントリアミンなど)を共存させても良い。

好ましい実施形態において、本発明の合金ナノ粒子は、白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解した溶液を還元性液体に加え、加熱して還元反応を進行させることで、得ることができる。加熱温度は、還元性液体の沸点以下であることが好ましく、例えば100〜260℃程度、好ましくは150〜250℃、より好ましくは200〜240℃程度である。白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解した溶液は、還元性液体に噴霧、滴下などにより少量ずつ加えるのが好ましい。還元性液体は、白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解した溶液を加えてから加熱してもよいが、還元性液体を反応温度(加熱温度)にあらかじめ加熱しておき、そこに白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解した溶液を噴霧、滴下等により少量ずつ適用し、反応させるのが好ましい。白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解した溶液は、室温であってもよいが、溶媒の沸点以下であらかじめ加熱しておくことが好ましい。

白金族元素の塩と卑金属元素の塩の溶液中の濃度としては、0.1〜5 mol/L程度、好ましくは0.5〜1 mol/L 程度である。白金族元素の塩と卑金属元素の塩の濃度が濃すぎると白金族元素と卑金属元素の原子レベルで均一性が低下する可能性がある。

還元性液体としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール等のグリコール類、グリセリン、ジグリセリン、トリグリセリン、デカグリセリンなどのポリグリセリン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルなどのアルキレングリコールモノアルキルエーテル、ブチルアミン、ドデシルアミン、オレイルアミンなどのアミン類、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸などの不飽和脂肪酸、ドデセン、テトラデセン、オクタデセンなどの不飽和炭化水素などが使用できる。

還元性液体及び/又は白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解した溶液には、ナノ粒子の表面保護剤を加えることが好ましい。表面保護剤としては、ポリビニルピロリドンなどのポリマー類、オレイルアミンなどのアミン類、オレイン酸などのカルボン酸類が使用できる。白金族元素と卑金属元素を含む塩溶液を還元性液体に滴下あるいは噴霧することで、白金族元素と卑金属元素が原子レベルで混合したまま同時に還元され、合金を形成する。還元性液体中に表面保護剤が含まれるため、合金粒子の成長が抑制され、反応液に分散した合金ナノ粒子が得られる。

還元性液体中での白金族元素と卑金属元素の還元反応は、塩基の存在下で行うのが好ましい。これは、反応の進行に従って酸が生成するため、大量合成時に還元速度が低下して合金ナノ粒子が相分離してしまうためである。塩基としては、tert-ブトキシカリウム、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシドなどのアルカリ金属アルコキシド、ブチルリチウムなどの脂肪族炭化水素のアルカリ金属塩、NaH、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩、トリエチルアミンなどのアミン類などが挙げられる。塩基は、白金族元素と卑金属元素の合計１モルに対し１モルから過剰量使用することができる。塩基は、還元反応の反応液中に存在すればよく、還元性液体に添加してもよいが、好ましくは白金族元素の塩と卑金属元素の塩を含む溶媒溶液中に添加される。

以下、本発明を実施例に基づきより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはいうまでもない。

実施例１
27.9 mg のRh(CH₃COO)₃（0.10 mmol、三津和化学薬品製、製品番号62321)と25.5 mgのCu(NO₃)₂・3H₂O（0.12 mmol、キシダ化学製、製品番号000-18252）を20 mlのエタノール（和光純薬工業製、製品番号055-06895）に溶解し、噴霧液を作製した。

還元液として、127.8 mgのポリビニルピロリドン（和光純薬工業製、製品番号166-22455）を200 mlのトリエチレングリコール（東京化成工業製、製品番号T0428）に溶解したものを用意した。

還元液を220℃に加熱・撹拌し、液面上に上記噴霧液を15分間かけて噴霧した。放冷後、生成したナノ粒子をアセトンとエーテルを用いて単離し、超純水とエタノールで洗浄した後、12時間真空乾燥して黒色粉末を得た。

生成物の粉末Ｘ線回折パターンをBruker製D8 ADVANCEを用いて測定した。Ｘ線としてCuKα線を用いた。純粋なRh（格子定数 0.38045 nm）と純粋なCu（格子定数 0.31652 nm）の中間に相当する単一の回折パターン（格子定数 0.3726 nm）が観測されたことから、RhとCuが均一に混合した合金粒子が形成されたことが確認された。また、回折ピークの広がりをもとにシェラーの式を用いて算出した結晶の平均径は2.3 nmであった。日立ハイテクノロジーズ製HT7700により観測した生成物の透過型電子顕微鏡像を粉末Ｘ線回折パターン、粒度分布と合わせて図2に示す。観測された粒子径の平均値は4.1± 1.1 nmであった。さらに、得られたRhCu合金ナノ粒子のHAADF-STEM画像(図２)及びHAADF-STEM EDS画像(図３)を示す。

実施例２
148.6 mg のRh(CH3COO)3（0.531 mmol、三津和化学薬品製、製品番号62321)と75.9 mgのCuCl₂・3H₂O（0.565 mmol、ナカライテスク、製品番号059-06）、412.2 mg の(CH₃)₃COK（3.673 mmol、東京化成工業製、製品番号P1008）、137.8 mgのポリビニルピロリドン（和光純薬工業製、製品番号166-22455）を20 mlのエチレングリコール（和光純薬工業製、製品番号058-00981）に溶解し、原料液を作製した。

還元液として、200 mlのトリエチレングリコール（東京化成工業製、製品番号T0428）を220℃に加熱・撹拌し、液面上に上記原料液を10分間かけて滴下した。放冷後、生成したナノ粒子をアセトンとエーテルを用いて単離し、超純水とエタノールで洗浄した後、12時間真空乾燥して黒色粉末を得た。

生成物の粉末Ｘ線回折パターンをBruker製D8 ADVANCEを用いて測定した。結果を図4に示す。Ｘ線としてCuKα線を用いた。純粋なRh（格子定数 0.38045 nm）と純粋なCu（格子定数 0.31652 nm）の中間に相当する単一の回折パターン（格子定数 0.3732 nm）が観測されたことから、RhとCuが均一に混合した合金粒子が形成されたことが確認された。また、回折ピークの広がりをもとにシェラーの式を用いて算出した結晶の平均径は1.5 nmだった。日立ハイテクノロジーズ製HT7700により観測した生成物の透過型電子顕微鏡像を図4に示す。観測された粒子径の平均値は2.1 ± 1.1 nmだった。さらに、元素分析、EDXの結果を合わせて図4に示す。

以上の結果から、アルカリ性原料液を用いた液相還元法により、粒子径が1nm以上10nm以下のRhCu固溶ナノ合金を大量合成できることが確認できた。

以上の結果から、本発明によりRhとCuが原子レベルで均一に混ざり合っているRhCu合金ナノ粒子を作製できることが確認できた。

なお、本発明には、平成２５年度文部科学省補助事業地域イノベーション戦略支援プログラム「京都次世代エネルギーシステム創造戦略」の補助金を用いた。

Claims

以下の工程１〜２を含む、室温で互いに相分離するルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)及び白金(Pt)からなる群から選ばれる白金族元素とCo、Ni、Cu及びFeからなる群から選ばれる卑金属元素が原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子の製造方法：
工程１：室温で互いに相分離する白金族元素の塩と卑金属元素の塩を溶媒に溶解する工程
工程２：工程１で得られた溶液を還元性液体に加え、塩基の存在下に100〜260℃で反応させて白金族元素と卑金属元素の合金ナノ粒子を形成する工程。
塩基を白金族元素の塩と卑金属元素の塩の溶液に添加することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
塩基がカリウムtert-ブトキシドである、請求項１又は２に記載の製造方法。
表面保護剤を白金族元素の塩と卑金属元素の塩の溶液にさらに添加することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
工程２の反応温度が150〜250℃である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
還元性液体がアルキレングリコール類、グリセリン、ポリグリセリン、アルキレングリコールモノアルキルエーテル、アミン類、不飽和脂肪酸及び不飽和炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
白金族元素がRhであり、卑金属がCuである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法。
室温で互いに相分離する白金族元素と卑金属元素が原子レベルで均一に混ざり合っている合金ナノ粒子。
白金族元素がRhであり、卑金属元素がCuである、請求項８に記載の合金ナノ粒子。
Rhを5〜95モル％、Cuを5〜95モル％含む、請求項９に記載の合金ナノ粒子。
粒子の平均粒径が1〜10 nmである、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の合金ナノ粒子。