無数の細孔を持つ炭素ナノシート材料を開発―金属有機構造体を剥離し、炭化して創製：物質･材料研究機構ほか

(2022年6月3日発表)

　（国）物質･材料研究機構と早稲田大学などの国際共同研究チームは6月3日、金属イオンと有機分子から成る金属有機構造体と呼ばれるナノシート積層状の物質を用いて、無数の細孔が空いた多孔性炭素ナノシートを作製したと発表した。細孔に触媒を埋め込んで炭素ナノシートを再積層すると、電気化学反応を触媒する電極材料などとしての活用が期待されるという。

　ゼオライト、活性炭、シリカゲルなどに代表される多孔性材料は、環境汚染物質の吸着剤や触媒の担体などとして広く用いられている。研究グループが今回開発したのは電極触媒やキャパシタ、二次電池、燃料電池などへの活用が考えられる新機能の多孔性材料。

　金属有機構造体（MOF）は別名、多孔性配位高分子（PCP）とも呼ばれる物質で、厚さナノメートルレベルの2次元状のナノシートが積層した構造になっている。研究チームは、これを剥離（はくり）して炭化し、厚さ1.5nm(ナノメートル、1nmは10億分の1m)の多孔性炭素ナノシートを得た。

　この炭素ナノシート表面には無数の細孔が存在し、それらはシート中を貫通している。従って、他の分子でシート内の細孔表面を修飾し新たな機能を付加することが容易にできる。

　例えば、窒素（N）が注入された多孔性炭素ナノシートの細孔内を鉄（Fe）原子で修飾すると、Fe-N₄活性サイトを、凝集することなく、均一かつ高密度で形成できる。これは、燃料電池において、酸性下での酸素還元反応（ORR）活性を高める重要な技術となるもので、前例のない触媒活性を持っていることが今回の研究で明らかになったという。

　Fe-N₄のような、金属原子が孤立した状態でマトリックス中に分散され、活性点が単一であることを特徴とする触媒をシングルサイト触媒というが、研究チームは今後、鉄以外の金属元素を用いたシングルサイト触媒の開発などを進め、多孔性炭素ナノシートの幅広い電気化学的応用を目指したいとしている。