ハイエントロピー合金からのカーボンナノチューブ合成に成功―エレクトロニクス分野への応用に期待―

丸山隆浩 名城大学理工学部教授（兼：名城大学ナノマテリアル研究センター・センター長）、松岡就 名城大学大学院理工学研究科修士課程学生（研究当時）と北川宏 京都大学理学部教授、草田康平 京都大学白眉センター特定准教授らの共同研究チームは、白金族の５元素（白金（Pt）、パラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）、イリジウム（Ir）、ルテニウム（Ru））を原子レベルで均一に混ぜ合わせたハイエントロピー合金（HEA）1）ナノ粒子を触媒に用いて、直径1ナノメートル程度以下の単層カーボンナノチューブ（SWCNT）2）を高効率で合成することに成功しました。




概要
丸山隆浩 名城大学理工学部教授（兼：名城大学ナノマテリアル研究センター・センター長）、松岡就 名城大学大学院理工学研究科修士課程学生（研究当時）と北川宏 京都大学理学部教授、草田康平 京都大学白眉センター特定准教授らの共同研究チームは、白金族の５元素（白金（Pt）、パラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）、イリジウム（Ir）、ルテニウム（Ru））を原子レベルで均一に混ぜ合わせたハイエントロピー合金（HEA）1）ナノ粒子を触媒に用いて、直径1ナノメートル程度以下の単層カーボンナノチューブ（SWCNT）2）を高効率で合成することに成功しました。SWCNTは代表的なナノ材料として有名ですが、構造制御技術が不十分であり、また、合成コストが高額のためエレクトロニクス分野への応用が停滞していました。今回、HEAがSWCNT合成において単体の金属触媒を上回る触媒活性を有し、また、細径のSWCNT合成に有効であることが示されました。HEAは様々な組成をとることが可能なため、今後、さらに生成効率が向上し、また、構造制御技術が進展することが期待できます。
本研究成果は、2024年３月11日にオランダの国際学術誌「Chemical Physics Letters」にオンライン掲載されました。




１．背景
SWCNTは高い電子移動度を有し、金属にも半導体にもなることから、エレクトロニクス分野への応用が期待されている代表的なナノ材料です。しかし、SWCNTの電気的性質（電子状態）はその構造、特にカイラリティ（グラフェンシートの巻き方）により変化するため、特定の構造（直径・カイラリティ）をもつSWCNTを選択的に合成する技術の開発が望まれています。これまで様々な金属種のナノ粒子を触媒に用いて、化学気相成長（CVD）法3）によるSWCNTの合成が報告されていますが、単体の金属ではSWCNTの構造制御は困難でした。このため、近年、SWCNT合成用の新たな触媒材料として合金ナノ粒子が注目されています。しかし、一般的な二元系合金を触媒に用いた場合、SWCNTの生成量が少なく、またエレクトロニクス応用に適した細径のSWCNTが得られにくいという課題がありました。
本研究では、SWCNT合成用触媒として、多様な活性サイトをもち、かつSWCNTが生成する環境下（高温下）でも安定なHEAに注目しました。丸山隆浩教授を中心とする名城大学の研究グループはこれまで様々な白金族元素を触媒に用いてSWCNT合成を行っています。今回、白金族元素から成るHEAナノ粒子の作製に成功してきた北川宏教授の京都大学の研究グループと共同研究を行い、白金族HEAナノ粒子を触媒に用いたSWCNT合成を試みました。