Highly stable Ag clusters developed by a combustion reaction

Research Project

Project/Area Number	22K14534
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 27020:Chemical reaction and process system engineering-related
Research Institution	Yamagata University
Principal Investigator	藤原翔山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (70816628)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Keywords	火炎噴霧熱分解法 / Ag / TiO2 / SMSI / 触媒 / 担体効果
Outline of Research at the Start	Agクラスターは特異な活性や選択性を持つため、新規高性能触媒として期待されている。しかしAgは他の貴金属と比較して熱的安定性に乏しく容易に凝集するため、工業利用が困難である。本研究では、工業化実績のある火炎噴霧熱分解法を用いて、「燃焼場により還元された酸化物担体とAg間の相互作用を利用した、Agクラスター安定化技術」を創出する。
Outline of Annual Research Achievements	Ag担持触媒はエチレン選択酸化反応等で利用されている。その触媒性能向上には，いかにAgを微粒化するかが重要な課題となっている。またサイズが2-3 nm程度のAgクラスターは特異な性能を示すことから注目されている。しかし，Agのタンマン温度が低く容易に凝集するため微粒化が困難であった。本研究では，燃焼反応場で誘起されたAg-TiO2間の相互作用（Strong metal-support interaction，SMSI）によりAgクラスターを安定化することで，1~2 nmのAgクラスターをTiO2に10~30wt%担持可能であることを見出した。Ag担持量に関わらず主要なTiO2の結晶相はアナターゼ型であったが、SMSI発現に由来するTiOx（Ti4O7とTi3O5）の生成が確認された。このTiOx量はAg量や燃焼条件により変化した。 H2パルス滴定により測定したAg表面積は，Ag担持量の増加によって増加したが，Ag量が30wt％以上では表面積はほぼ一定であった。TiO2に担持されたAgクラスターの安定性は，燃焼合成条件，Ag担持量，酸化チタンの比表面積に依存することが示唆された。特にAg量が20wt%以下では，タンマン温度より高い350℃の空気中で，少なくとも2時間は粒子サイズが変化しないことを見出した。開発した20wt%Ag/TiO2触媒を用いてプロピレン酸化反応の活性について検討したところ、200℃以上でプロピレンが消費され、主要な生成物はCO2であることが分かった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 火炎噴霧熱分解反応器を用いてAg/TiO2を合成した場合に発現するAg-TiO2間の相互作用に、合成条件が与える影響について，定性的に理解することが出来た。また相互作用によりタンマン温度以上の条件で、Agクラスターを安定化させることに成功している。ただし、当初予定していたプロピレン選択酸化には活性を示さなかったため、今後は開発した触媒が活性を示す反応系を探査する予定である。
Strategy for Future Research Activity	今後はTiO2以外の担体で同様の相互作用が発現するかについて検討を進める予定である。また当初予定していたプロピレン選択酸化には活性を示さなかったため、今後は開発したAg/TiO2触媒が活性を示す反応系を探査する予定である。