単一原子触媒を3Dプリントするための一般的な戦略

単一原子触媒を3Dプリントするための一般的な戦略
出典: サイエンスネット

2023年1月3日、南極熊は、オーストラリアのアデレード大学の喬世章教授のチームが「3Dプリントされた単一原子触媒への一般的なアプローチ」と題する研究結果をNature Synthesis誌に発表したことを知りました。この成果は、新しいタイプの天然ポリマーを前駆体として開発することで、3Dプリンティング戦略と単原子材料の組み合わせを実現しました。この合成戦略は、単原子材料の合成において優れた汎用性を示しています。この論文の責任著者はアデレード大学のQiao Shizhang教授です。

単原子触媒 (SAC) は、固体マトリックス上に固定された孤立した金属原子であり、高い原子経済性と調整可能な配位環境の利点を備えています。現在、化学的手法に基づく単一原子の一般的な合成戦略は、高価な前駆体や複雑な支持基板に大きく依存しており、単一原子の大規模生産の全体的なコストが大幅に増加しています。化学合成に加えて、機械的摩耗、熱衝撃、またはレーザー照射に基づく一般的な合成戦略では、多くの場合、特別な装置が必要になります。したがって、大規模に単一原子触媒を合成するためのシンプルで経済的な一般的な合成戦略を開発することは、依然として大きな課題です。

3D 印刷技術。付加製造技術とも呼ばれます。 3D プリンティング技術は対象材料を直接組み立てることができるため、前述の合成ステップにおける複雑な湿式化学プロセスを回避できます。一方、3Dプリント技術がさまざまな分野で広く応用され、安価な3Dプリンターや3Dプリントインク材料が大量に登場し、大規模生産のコストが大幅に削減されました。最後に、3D プリント技術は、ミクロンからメートルまでの複数のスケールで材料を効率的かつ自動的に構築することもできるため、特定の材料の工業生産の機会が生まれます。

オーストラリアのアデレード大学のQiao Shizhang教授のチームは、新しい普遍的な単原子合成戦略を開発した。この合成戦略では、日常生活でよく見られる天然ポリマーゼラチンを合成前駆体として使用し、3D プリント戦略と単一原子材料の組み合わせを創造的に実現します。
図 1: 代表的なサンプルの 3D プリント合成と特性評価。 図 2: 元素と原子の負荷の観点から見たこの合成戦略の多様性。
この合成戦略は汎用性に優れており、合成方法を変更することでさまざまな単原子材料の合成が可能になります。印刷インクの配合を変更することで、単原子材料内の元素と原子負荷を調整できます。シンクロトロンX線吸収分光法と高解像度球面収差電子顕微鏡を使用した特性評価により、元素と濃度の調整が結果として得られる材料内の原子の分散に影響を与えないことが実証されました。

図 3: 調整環境とさまざまな印刷モードにわたるこの合成戦略の汎用性。
特性評価の結果、前駆体中の遷移金属前駆体が変更されたり、異なる天然ポリマーが基板材料として使用されたりしても、結果として得られる材料は依然として単一原子材料であることが証明されました。同時に、前駆体を変更し、後処理方法を使用することで、結果として得られる単原子材料の配位環境を制御できます。最後に、特性評価の結果、異なる 3D 印刷パラメータを使用しても、最終材料内の原子の分散には影響がないことが実証されました。

図 4: 3D プリントされた単原子触媒電極の性能検証。
最後に、著者らは硝酸塩還元反応を利用して、得られた電極の電気触媒性能を検証した。単一原子を含まない炭素ベースの電極と比較して、鉄の単一原子を搭載した電極はより高い電気触媒性能を示し、3Dプリントプロセスが単一原子触媒の電気化学的特性に影響を与えないことを証明しました。同時に、試験後の特性評価結果により、得られた材料中の原子の分散は試験後も保持されており、良好な安定性を有していることが証明されました。

この研究では、単一原子材料の新しい合成戦略を報告します。3D 印刷戦略と単一原子材料の組み合わせにより、単一原子材料の連続生産能力とマルチスケールのスケーラビリティが実現します。この合成戦略は、単一原子材料の大規模または連続生産の潜在的なルートを提供し、単一原子材料のその後の大規模な工業生産と応用の潜在的な機会をもたらします。

この研究は、中国科学院物理研究所、ニュージーランドのオタゴ大学、大連医科大学第一付属病院、鄭州大学第一付属病院、オーストラリアシンクロトロン放射センターなど、多くの組織から援助と支援を受けました。

関連論文情報: https://doi.org/10.1038/s44160-022-00193-3


触媒、単原子、ゼラチン、ポリマー

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