Kagoshima University · Graduate School of Science and Engineering · 准教授

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• Hanaoka M., Iwado S., Nozawa K., Aoyama M., Ohhashi S., Fujita N., Kameoka S. . Creation of novel Pd single-atom catalysts using complex intermetallic compound Al13Fe4 . Applied Materi2025 · 記述言語： 英語 掲載種別： 研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元： Applied Materials Today In recent years, single-atom catalysts have attracted attention as new catalytic materials because they exhibit unique catalytic properties. We focused on the crystallographically non-equivalent atomic sites present in the complex intermetallic compound Al<inf>13</inf>Fe<inf>4</inf> and found that Pd atoms can be selectively substituted at specific sites by simply doping with Pd atoms, and Pd single-atom catalysts can be easily prepared. The single-atom dispersion state of Pd atoms in Al<inf>13</inf>Fe<inf>4</inf> was characterized by X-ray diffraction (XRD) and hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), and the preferred substitution sites were further predicted using density functional theory calculations. By XRD measurements, a change in the crystal phase of Al<inf>13</inf>Fe<inf>4</inf> with increasing Pd doping was observed (monoclinic phase (0, 0.2 at% Pd) → orthorhombic phase (1, 3, 4, 5 at% Pd) epsilon phase (10 at% Pd)). The Pd-doped Al<inf>13</inf>Fe<inf>4</inf> (Al<inf>13</inf>Fe<inf>4</inf>-Pd) prepared here was found to exhibit very high catalytic properties for the semi-hydrogenation of C<inf>2</inf>H<inf>2</inf> (C<inf>2</inf>H<inf>2</inf> + H<inf>2</inf> → C<inf>2</inf>H<inf>4</inf>). The catalytic activity increased with increasing Pd doping, but the activity decreased at 10 at% Pd. In contrast, the C<inf>2</inf>H<inf>4</inf> selectivity of each sample showed almost the same behavior (selectivity over 80 % at 200 °C). These excellent C<inf>2</inf>H<inf>2</inf> semi-hydrogenation properties are presumably induced by the formation of monoatomic dispersed Pd sites. Using intermetallic compounds as a platform to substitute specific lattice sites with small amounts (a few atomic percent) of catalytic elements (e.g., Pd, Pt, and Rh) is a promising approach to prepare novel single-atom catalytic materials. DOI： 10.1016/j.apmt.2025.102878 Scopus
• Masanori Sato and Kazuki Nozawa . Toward Accurate Modeling of Aperiodic Surfaces: Cluster-Based DFT Analysis of Pentacene on Cu(111) Surface . Materials Transactions67 (2025 · 担当区分： 最終著者, 責任著者 記述言語： 英語 掲載種別： 研究論文（学術雑誌） DOI： 10.2320/matertrans.MT-MD2025015 DOI： 10.2320/matertrans.MT-MD2025015 その他リンク： http://doi.org/10.2320/matertrans.MT-MD2025015
• Iwamura K., Otani Y., Takahashi Y., Ishii Y., Nozawa K. . First-Principles Study of Adsorption of Atomic Oxygen on PdZn(111) Surface . MATERIALS TRANSACTIONS65 ( 92024 · 担当区分： 最終著者, 責任著者 記述言語： 英語 出版者・発行元： 公益社団法人 日本金属学会 The adsorption structure of atomic oxygen on the PdZn(111) surface is studied using the first-principles calculation. At lower coverages up to 0.5 ML, oxygen atoms prefer to adsorb at threefold hollow sites surrounded by two Zn atoms and a Pd atom. Surface Zn atoms bonded with adsorbed oxygen atoms move toward the vacuum region, and the maximum displacement has reached 0.1 nm at 0.375 ML. At higher coverages from 0.625 ML to 1.0 ML, some oxygen atoms intruded into the surface layer and formed bonds with the Zn atoms in the second layer. At 0.75 ML, we observed the formation of the Zn-O hexagonal rings on the surface layer. It seems that the formation of the hexagonal rings largely contributes to the stability of the surface layer. However, the surface DOS and H2O adsorption indicate no essential difference owing to the hexagonal Zn-O rings, and the hexagonal Zn-O rings disappeared at higher coverages. We discussed the relation of the adsorption energy, coverage, and the number of atoms located in the vicinity of the adsorbed oxygen atoms. [doi:10.2320/matertrans.MT-M2024060] DOI： 10.2320/matertrans.mt-m2024060 Scopus CiNii Research その他リンク： https://doi.org/10.2320/matertrans.MT-M2024060
• M. Sato, T. Hiroto, Y. Matsushita, K. Nozawa . Accuracy of Cluster Model Calculations for Quasicrystal Surface . Materials Transactions62 ( 3 ) 3502020 · 担当区分： 最終著者, 責任著者 記述言語： 英語 掲載種別： 研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元： 公益社団法人 日本金属学会 <p>Accuracy of the adsorption energy on a quasicrystal surface calculated with the density functional theory and cluster models were discussed. Two types of cluster models of various sizes were tested to represent a fivefold surface of the Ag–In–Yb quasicrystal. Some cylindrical clusters caused unnaturally rippled potential energy surfaces regardless of the cluster thickness. However, it was confirmed that the ripples are disappeared with a cluster radius of 1.4 nm or larger. A similar trend was observed even in the hemispherical clusters, and also confirmed in their root mean square errors. It was concluded that both cluster models with a certain size are expected to give relative adsorption energy within an error of 0.15 eV.</p> DOI： 10.2320/matertrans.MT-MB2020015 Scopus CiNii Research

• ナノカーボン合成反応をプローブとした箔型金属触媒材料のメタラジ―構築2022 · 配分額： 17680000円 （ 直接経費： 13600000円 、 間接経費： 4080000円 ） 本研究の目的は、ナノカーボン合成において、ナノカーボンの構造・形態が活性サイトとなる金属種の表面状態・構造に非常に敏感であることを利用することで、箔型金属触媒の活性部位を直接評価する新規なキャラクタリゼーション法として、ナノカーボン合成反応をプローブにすることを提案しその有効性を検証することである。本年度は、各構成金属原子が化学量論組成で結晶格子の特定サイトに規則正しく配置している構造を持ち、純金属にはない周期的な原子配列（表面構造）を形成する合金物質群である金属間化合物について検討を行った。対象とした金属間化合物は、AB5型水素吸蔵合金として知られているLaNi5（結晶構造：CaCu5型六方晶）である。LaNi5に対して、C2H2/H2 (3/1)混合ガスを600-800oCで作用させるとナノカーボンが生成した。Base growthメカニズムでNiサイトがナノカーボン生成に大きく寄与していることが判った。また、LaNi5の一部をPtで置換した場合、PtはNiの偏析とグラファイト相の非晶質化を促進することが明らかとなり、触媒金属の表面構造とナノカーボン形成には密接な相関があることが実証された。 researchmap
• ラネー合金単結晶を用いた選択溶出過程の検証とナノ・バルクハイブリット触媒の創製2018 · 担当区分： 研究分担者 資金種別： 競争的資金 配分額： 17680000円 （ 直接経費： 13600000円 、 間接経費： 4080000円 ） ラネー金属触媒は、極めて高い触媒能を有するバルク型金属触媒としてよく知られている。その製法は触媒活性金属Xを含むAl基二元ラネー合金（Al-X; X= Ni, Co, Cuなど）からアルカリ水溶液中でAlをリーチング（選択的溶出）させる極めて単純なものであるが、バルク型の金属触媒として実に画期的なものである。しかし、これまでのラネー触媒の多くは単一金属系であるため触媒材料としてその安定性や高機能化の面で限界があり、この分野の触媒研究はあまり進展してこなかった。 そこで、本研究では、触媒化学と金属材料科学（結晶・構造、組織、腐食特性など）の観点からラネー合金の単結晶を用いて選択溶出過程を検証しそのバルク型金属触媒における特異な活性発現起源を学理的に理解するとともにさらにAl基三元系ラネー合金（Al-X-Y）へ発展させ全く新しいナノ・バルクハイブリット触媒材料を創製することを目的とした。 本年度は、これまで行ってきたフラックス法を用いた単結晶作製に加え、多結晶体（ただし数μmグレインサイズ）の作製条件も種々検討した。特に、進展した点は、多結晶体であっても熱処理を施すことでグレインサイズをある程度制御（～μm）できることがわかり、単結晶体を用いた場合とほぼ同等の情報が得られることがわかった点である。それにより、試料作製や試料のキャラクタリゼーションがしやすくなった。また、作製した各種試料に対して、CO酸化特性を調べた。 researchmap
• 単元素準結晶薄膜の成長機構の解明2018 · 配分額： 13650000円 （ 直接経費： 10500000円 、 間接経費： 3150000円 ） 本研究では、Ag-In-Yb準結晶5回表面上に形成されるPb, Biなどによる単元素準結晶超薄膜の原子構造と電子構造の解明を目指している。 走査型電子顕微鏡（STM）を用いた実験によれば、Ag-In-Yb準結晶5回表面に蒸着されたPb, Biは、いずれも初期段階で一辺0.9nm程度の5角形（第1層）を形成し、更に蒸着量を増やすと一辺1.5nm程度の5角形（第2層）を形成する。しかしながら、その詳細には吸着元素依存性がある。本年度は、このPbとBiの第1層、第2層の構造において元素依存性が現れる点を重点的に調べた。 第一原理計算により、蒸着元素としてBiを用いた場合の第1層の占有サイトがほぼ特定できた。しかしながら、この2つの吸着サイトの表面からの高さは0.04nm異なっており、Tersoff-Hamann法により計算されたSTM像は、実験で得られた像と異なっていた。シミュレーションによれば、2つの5角形の高さの差が0.02nm程度であれば実験のSTM像を再現できることから、実験では観測されていない吸着原子層が存在する可能性が示唆された。このような、STM実験で観測されない原子層が存在する可能性は、本研究の基研究（17K05059）でも示唆されていた。これまでの研究により、吸着の初期段階においてPb, Biは基板準結晶の原子サイトを部分的に占有していると考えられることから、実験で観測されない原子層として、基板準結晶のいくつかの原子サイトを仮定して詳細な吸着構造の分析を行ったところ、基板準結晶の基本構造ブロックである殻状原子クラスタの第5殻の一部が占有された場合に、Bi第1層のSTM像を再現する結果が得られることが分かった。 researchmap
• 単元素準結晶超薄膜の構造と電子状態の理論的研究2017 · 配分額： 4810000円 （ 直接経費： 3700000円 、 間接経費： 1110000円 ） 本研究は、既存の準結晶基板上に蒸着した金属元素が形成する単元素準結晶超薄膜の原子構造と電子状態を、量子力学に基づく非経験的計算によって調べたものである。準結晶表面上のポテンシャルエネルギー面の解析により、吸着初期段階におけるPbとBiの吸着構造に差異が生じるメカニズムを明らかにした。単元素準結晶超薄膜の走査型電子顕微鏡（STM）像を計算し、STMで観測されない吸着原子層の役割を議論した。これまで報告のないAgでも単元素準結晶薄膜が形成される可能性が十分にあることを示した。通常のバンド計算によって非周期表面上の安定吸着サイトを求める手法について、計算精度を検証した。 researchmap

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