要点

此前，由10种或更多元素均匀组成的合金难以制备。
成功开发了一种均匀含有14种元素的“纳米多孔超多元催化剂”，该催化剂可通过简单方法制备，即制备含有14种元素的铝合金，并优先将铝溶解在碱性溶液中。
由于多元素叠加效应（鸡尾酒效应），其作为用于电解水的电极材料具有优异的性能，因此今后有望应用于各个领域。

概要

在日本JST（日本科学技术振兴机构）的战略性创造研究推进事业中，研究小组成功开发出一种在原子水平上均匀混合了14种可用作催化剂的元素的“纳米多孔超多元催化剂”。

该催化剂的制备方法简单，可以通过脱合金法实现，选择性地腐蚀并洗脱合金中的特定元素。只需制备含有14种元素的铝合金，并优先将铝溶解在碱性溶液中就可以制备出纳米多孔超多元催化剂。通过这种方法，可以形成孔径为约5纳米，具有较大比表面积（物体单位质量的表面积）的纳米多孔结构，与此同时，发现铝以外的不溶于碱性溶液的元素将会聚集在一起，从而形成在原子水平上14种元素均匀分布的固溶体合金。

此外还发现了由于多元素叠加效应（鸡尾酒效应），纳米多孔超多元催化剂作为用于电解水的电极材料具有优异的性能。由于其含有多种元素，今后有望朝着多功能和多潜能催化剂的方向发展。

研究背景与经过

在此前的研究中，研究小组已观察到根据反应场，金属间化合物会以纳米-相分离的方式变得像生物一样活跃。于是产生了一个简单的问题：如果赋予合金一个与“生命”相当的复杂性（熵）的话，该合金能否会像iPS细胞一样表达“多能性（pluripotency）”呢？

高熵合金是指由5种或更多组成元素以几乎相等的量均匀分布的固溶体合金，其在催化剂上的应用才刚刚开始。由10种或更多元素组成且将熵增加至极限的高熵合金有可能成为一种可以根据反应场自由地改变自身形态并活性化的具有“多功能性和多潜能”催化剂。但由于例如水和油等不同元素之间存在难以混合的组合，因此制备由10种或更多元素组成的熵合金并不容易。

研究内容

多年来，该研究小组一直致力于纳米多孔金属的研究，基于这些经验，正在探讨是否可以制备出一种可用于有机化学合成、气体反应和电极催化剂用途的含有几乎所有的过渡金属（Cu、Co、Ni、Fe、Ti、Mo）和贵金属（Au、Ag、Ir、Pt、Pd、Ru、Rh）中的10种或更多元素组成的超多元纳米多孔合金。通过制备合适的铝前驱体合金的淬火带材，并用碱性溶液对铝进行脱合金，成功制备了14元纳米多孔超多元催化剂（图1、图2、图3）。令人惊讶的是，该超多元催化剂的制备方法十分简单。由于只需熔化合金即可制备，因此易于批量生产，且有望应用于各个领域。

作为应用实例之一，研究小组将其用作电解水的电极催化剂。结果发现，与作为高性能指数材料的铂和氧化铱相比，其表现出了更优异的性能和耐久性。研究小组认为这是由于多元素叠加效应（鸡尾酒效应）。

图1. 由均匀分布的各种元素组成的纳米多孔超多元催化剂的示意图

图2.纳米多孔超多元催化剂的制备方法

将铝前驱体的淬火带材放入碱性溶液（氢氧化钠溶液）中，可以制备出纳米多孔超多元催化剂。孔径约为5纳米，比表面积较大，表面具有活性，因此有望用于各个领域。

图3. 14种元素纳米多孔超多元催化剂的X射线映射图

使用电子显微镜的X射线分析功能，对各元素分布进行分析的结果。可以确认到各元素均匀分布。

今后展开

由于纳米多孔超多元催化剂是由多种元素组成的，因此可以利用其多功能性，用作催化剂。此外，其有望用于高难度的催化反应。但是，由于元素众多，对于各个元素的作用还有很多不明确的地方，单凭现有的理论体系难以预测。因此需要在接下来的研究中利用材料信息学等信息科学进行元素定制，即根据不同反应选择最合适的元素。本研究中，成功地用简单方法制备出了超多元催化剂，今后有望制备和应用各种超多元催化剂。

均匀含有14种元素的超多元催化剂开发成功！可用作电解水的电极催化剂