物質・材料研究機構(NIMS)は10月16日、バルクでは合金にならず、また各々単独では水素吸蔵金属でもない銀-ロジウム(Ag-Rh)合金ナノ粒子が、なぜパラジウム(Pd)のように水素吸蔵特性を示すかを調べるため、その電子構造を観測したと発表した。

同成果は、NIMS 中核機能部門 高輝度放射光ステーションの坂田修身ステーション長、京都大学大学院 理学研究科の北川宏教授、九州大学 稲盛フロンティア研究センターの古山通久教授らによるもの。詳細は、「Applied Physiscs Letters」に掲載される予定。

元素の周期表中でPdの両隣りにあるRhとAgは、それぞれ水素を吸蔵する能力を持っていない。バルクでは合金になり得ないAg-Rhは、十数nmの大きさにして初めて合金化することができ、AgとRhが1:1のAg0.5Rh0.5合金ナノ粒子はPdと同様に水素を吸蔵する。しかし、なぜ、このような特性をAg0.5Rh0.5合金ナノ粒子がもつかは不明だった。

今回、Ag-Rh合金ナノ粒子の価電子帯の電子構造を高輝度放射光の高分解能光電子分光測定、および、理論計算により調べた。直径十数nm粒子の内部の電子構造を実験室のエネルギーの低い(軟)X線を使った光電子分光測定で調べるのは難しいため、大型放射光施設(Spring-8)にあるNIMSビームラインでエネルギーの高い(硬)X線を用いた。また、電子系のエネルギーの計算スペクトルから、実験結果を精密に解釈した。その結果、Ag-Rh合金ナノ粒子は、AgとRhが微視的に分離した混合物ではなく原子レベルで混成しており、その電子構造はPdの電子構造と極めて類似していることがわかった。Ag-Rh合金ナノ粒子に水素が吸蔵されるのは、この電子構造の類似性と関係していると考えられるという。

今回の成果から、Ag-Rh合金ナノ粒子は、その電子構造の観点からPdと同様に水素吸蔵のみならず有用な触媒となる可能性も示唆される。今後、その性質と物性などに関して共同研究を進めていく一方、同合金ナノ粒子の他、様々な新機能性物質が産業に展開できるよう、電子構造や原子配列に関するデータを提供し、データを活用した設計型物質・材料研究(マテリアルズ・インフォマティクス)の基盤を形成していくとコメントしている。

Pdナノ粒子とAg0.5Rh0.5合金ナノ粒子の高輝度放射光光電子分光スペクトルの比較。(a)0～15eVの結合エネルギーの範囲におけるAg0.5Rh0.5合金ナノ粒子(赤破線)とPdナノ粒子(黒実線)の高輝度放射光分光による価電子帯スペクトル。Ag0.5Rh0.5合金の強度はPdの約半分である。(b)0～3.5eVの結合エネルギーの範囲を拡大したAg0.5Rh0.5合金ナノ粒子(赤破線:強度をPdに合わせて拡大)とPdナノ粒子(黒実線)の価電子帯スペクトル。青い点線は、Ag0.5Rh0.5合金ナノ粒子の拡大されたスペクトル、Pdナノ粒子のスペクトルとの差異を示している。EFはフェルミエネルギー