Operando measurements on heterogeneous catalysts for energy conversion using synchrotron radiation

• Project/Area Number: 19KK0126
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高鍋 和広 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20519730)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉田 真明 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (00582206) ; 品川 竜也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90850222) ; 岸本 史直 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00835738) ; 小畑 圭亮 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80943589)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2024: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: シンクロトロン放射光 / オペランド測定 / X線吸収分光 / 固体触媒 / オペランド解析

Outline of Research at the Start

本研究計画は反応中動的に変化する触媒表面の状態や反応メカニズムを理解することを目的として、反応雰囲気中でのオペランド測定を可能にするシンクロトロン放射光を用いた実験に関するものである。取り扱う触媒反応は、主にエネルギー問題解決に直結する人工光合成に係る反応を選択し、その反応中触媒状態を直接測定する。日本側は触媒反応・分光学解析に精通した研究者で構成し、当該測定を海外共同研究者が所属するアメリカ合衆国の放射光施設SLACにて協力して行う。これにより本国際共同研究関係をより強固なものとし、かつ触媒化学の理解とそれに基づいた高活性・高選択性・高寿命を示す新規触媒材料の創製を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、反応中実際に機能している触媒活性点の状態や反応メカニズムの理解を行うため、反応雰囲気中でのoperando測定を可能にするシンクロトロン放射光を用いた実験をスタンフォードSLACのチームと確立させ、触媒化学の理解とそれに基づいた高活性・高選択性・高寿命を示す新規触媒材料の創製を目指すことである。取り扱う触媒反応は、エネルギー問題解決に直結する高温メタン反応と、二酸化炭素還元電極反応を取り上げて研究を進めている。
本年度は、昨年度に引き続き、スタンフォードSLACのチームとの共同研究を通して、高温熱触媒反応と室温電極触媒反応のその場測定装置に関して、実験データを解析し、論文化を推進した。昨年度までに、実験手法の確立はほぼ完了し、さらに解析に重点をあてて、データフィッティングと密度汎関数を取り入れた構造解析との組み合わせを行ってきた。昨年度までに高温ラジカル反応と二酸化炭素電極還元に関わる2報の論文化を完成し投稿完了、本年度はさらに二酸化炭素電極の大電流反応に関する1報の論文を投稿、掲載された。本年度は、残念ながらSLACで起きた事故のため、研究施設全体のシャットダウンが長期にわたり、学生の派遣は行うことがかなわなかったが、オンラインの会議を通じて情報交換と高いレベルでのディスカッションを行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ハイインパクトなジャーナルにすでに3報論文を掲載しており、極めて順調であるがCOVID-19とSLACの事故の影響で、人材交流が滞っており、ぜひ2024年度は学生を交流させたい。

Strategy for Future Research Activity

来年度は、改めて、対象とする反応と触媒、またその観測技術を確立させたNear Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy (NAP-XPS)の装置、および電極触媒としてX-ray Absorption Spectroscopy (XAS)の測定装置を利用しながら、新たな挑戦を行っていく。現在博士課程の学生1名を派遣予定であり、ハイインパクトなジャーナルへの論文掲載を狙っていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] SLAC National Accelerator Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] SLAC(米国)
• [Journal Article] Potential-Rate Correlations of Supported Palladium-Based Catalysts for Aqueous Formic Acid Dehydrogenation (2024)
  • Author(s): Qi Xingyu、Obata Keisuke、Yui Yuhki、Honma Tetsuo、Lu Xiaofei、Ibe Masaya、Takanabe Kazuhiro
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 146 Issue: 13 Pages: 9191-9204
  • DOI: 10.1021/jacs.4c00101
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic stabilization of nickel-based oxygen evolution electrocatalysts in the presence of chloride ions using a phosphate additive (2024)
  • Author(s): Komiya Hiroki、Obata Keisuke、Honma Tetsuo、Takanabe Kazuhiro
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 12 Issue: 6 Pages: 3513-3522
  • DOI: 10.1039/d3ta05566c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Oxidized Copper and Molybdenum Species Exclusively Boosting Electrocatalytic Hydrogen Evolution in Non-Extreme pH Carbonate Buffer Electrolyte (2023)
  • Author(s): Nishimoto Takeshi、Obata Keisuke、Komiya Hiroki、Naito Takahiro、Harada Kazuki、Yoshida Masaaki、Takanabe Kazuhiro
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 13 Issue: 22 Pages: 14725-14736
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c03821
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High current density microkinetic and electronic structure analysis of CO2 reduction using Co and Fe complexes on gas diffusion electrode (2022)
  • Author(s): Lu Xiaofei、Dereli Busra、Shinagawa Tatsuya、Eddaoudi Mohamed、Cavallo Luigi、Takanabe Kazuhiro
  • Journal Title: Chem Catalysis Volume: 2 Issue: 5 Pages: 1143-1162
  • DOI: 10.1016/j.checat.2022.03.010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transient Potassium Peroxide Species in Highly Selective Oxidative Coupling of Methane over an Unmolten K₂WO₄/SiO₂ Catalyst Revealed by In Situ Characterization (2021)
  • Author(s): Li Duanxing、Yoshida Shintaro、Siritanaratkul Bhavin、Garcia-Esparza Angel T.、Sokaras Dimosthenis、Ogasawara Hirohito、Takanabe Kazuhiro
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 22 Pages: 14237-14248
  • DOI: 10.1021/acscatal.1c04206
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Operando Elucidation on the Working State of Immobilized Fluorinated Iron Porphyrin for Selective Aqueous Electroreduction of CO₂ to CO (2021)
  • Author(s): Lu Xiaofei、Ahsaine Hassan Ait、Dereli Busra、Garcia-Esparza Angel T.、Reinhard Marco、Shinagawa Tatsuya、Li Duanxing、Adil Karim、Tchalala Mohamed Rachid、Kroll Thomas、Eddaoudi Mohamed、Sokaras Dimosthenis、Cavallo Luigi、Takanabe Kazuhiro
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 11 Pages: 6499-6509
  • DOI: 10.1021/acscatal.1c01157
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Highly selective oxidative coupling of methane over un-molten K2WO4/SiO2 catalyst: the role of peroxide species revealed by in situ characterization (2022)
  • Author(s): Duanxing Li, Shintaro Yoshida, Bhavin Siritanaratkul, Angel T. Garcia-Esparza, Dimosthenis Sokaras, Hirohito Ogasawara, Kazuhiro Takanabe
  • Organizer: TOCAT9
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microkinetics and mechanism of electrocatalytic CO2 reduction into CO over molecular complexes loaded gas-diffusion electrodes (2022)
  • Author(s): Xiaofei Lu, Busra Dereli, Tatsuya Shinagawa, Luigi Cavallo, Kazuhiro Takanabe
  • Organizer: TOCAT9
  • Int'l Joint Research