■ 1. 研究成果のポイント
- 複合金属酸化物Cu2In2O5を前駆体とした電気化学還元により、熱力学的平衡状態では得られない準安定相の銅–インジウム金属間化合物CuIn2をナノ粒子として初めて合成した
- 複合金属酸化物からの酸素脱離を伴う非平衡構造再編成によって、Cu2Inコア／CuIn2シェル構造の複合ナノ粒子が形成された
- 得られた粒子はCO2還元反応において水素（H2）発生反応を顕著に抑制し、一酸化炭素（CO）およびフォルメート（HCOO⁻）を選択的に生成する特徴的な反応選択性を示した
- 本成果は、電気化学反応を用いて準安定な金属間化合物を創製する新しい材料設計指針を示すものであり、次世代触媒や機能性材料への展開が期待される
■ 2. 研究背景
- 準安定相の特性と意義:
- 金属間化合物は異なる金属元素が規則正しく配列した物質であり、触媒・電子材料など幅広い分野で利用されている
- 準安定相は熱力学的に最も安定な状態ではないが、安定相にはない特異な電子状態や反応特性を示す可能性があるため、新しい機能材料として注目されている
- 準安定相は容易に安定相へ変化するため、一般に合成は困難である
- 研究動向:
- 近年、電気化学反応によって熱力学的平衡状態では得られない金属相や金属間化合物相が形成されることが報告されている
- このような非平衡反応は新規材料創製の有力な手法として期待されている
- CuIn2の既知知見:
- CuとInからなる金属間化合物はCO2還元触媒として優れた特性を示すことが知られている
- Cu–In二元系相図には現れない準安定相CuIn2は、スパッタ薄膜中のCu／In界面でのみ観測されており、粒子状材料としての合成例は報告されていなかった
■ 3. 研究の詳細
- 合成手法:
- CuとInを原子レベルで均一に含む複合金属酸化物Cu2In2O5を電極触媒として用い、CO2還元反応条件下で電気化学還元を実施した
- 還元前後の試料についてX線回折測定・電子顕微鏡観察を行い、安定相Cu2Inに加えて相図に存在しない準安定相CuIn2の形成を確認した
- 構造解析:
- 走査透過電子顕微鏡（STEM）と元素分析（EDX）の組み合わせにより、粒子表面にInを多く含むCuIn2層が形成され、内部にCu2Inが存在する「Cu2Inコア／CuIn2シェル構造」を有することを確認した
- 準安定性の検証:
- 電解後の試料を523 K（250℃）で熱処理したところ、CuIn2は消失し、安定相であるCu11In9と酸化インジウム（In2O3）が生成した
- 熱処理後の試料を再び電気化学還元すると、CuIn2相が再形成されることを確認した
- この結果は、CuIn2が熱力学的に安定な相ではなく、電気化学的非平衡環境下で生成した準安定相であることを示す
- CO2還元性能:
- 低過電圧条件ではCO生成が優勢であり、高過電圧条件ではHCOO⁻生成が増加する電位依存的な反応挙動を示した
- 競争反応であるH2発生反応が大きく抑制された
- 理論計算によるメカニズム解析:
- CuIn2表面ではCOとH原子が同じCuサイトへの吸着を競合することが示された
- COが吸着するとH吸着が抑制され、H2発生反応が起こりにくくなることが示唆された
- HCOO⁻生成に関連する中間体もCuIn2表面で安定化されることが確認され、実験結果と整合する
■ 4. 研究の意義と波及効果
- 材料科学への貢献:
- 熱力学的平衡状態では存在しない準安定な金属間化合物を電気化学反応によってナノ粒子材料として創製できることを実証した
- 複合金属酸化物の電気化学的還元による「非平衡構造再編成」という概念は、Cu–In系に限らず様々な金属間化合物系に展開可能である
- 従来の平衡論的な材料探索では到達できなかった組成・構造を有する新奇金属間化合物の創製につながると期待される
- 触媒・機能性材料への応用展開:
- 準安定相CuIn2を含む複合粒子はCO2還元反応において特徴的な反応選択性を示し、新たな触媒材料設計の可能性を示す
- 触媒分野だけでなく、電子材料・磁性材料・エネルギー変換材料など幅広い機能性材料研究への波及効果が期待される
- 今後は他の複合金属酸化物への適用や反応過程の詳細解明により、未知の準安定相の探索と高機能触媒材料の開発が期待される
■ 5. 論文情報
- 掲載誌: The Journal of Physical Chemistry Letters（米国化学会、2026年7月1日付）
- タイトル: Non-Equilibrium Electrochemical Synthesis of Cu–In Intermetallic Compound Nanoparticles for Selective CO2 Reduction
- 著者: Soichi Kikkawa（責任著者）, Tatsuya Koubayashi, Toshiaki Oka, Ray Miyazaki, Jun-ya Hasegawa, Hideyuki Kawasoko, Seiji Yamazoe
- DOI: 10.1021/acs.jpclett.6c01116
- 研究支援: 科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 ACT-X（JPMJAX23D7）、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（JP24K17562, JP24K17554, JP24K01259, JP24H02217, JP24A202）