| Project/Area Number |
22KJ0016
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| Project/Area Number (Other) |
21J20594 (2021-2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
中谷 勇希 北海道大学, 大学院総合化学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
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| Keywords | 金属触媒 / 合金 / 表面反応場 / 触媒 / 多元素合金 / ナノ粒子 / クラスター / アルカン脱水素 / エチレンのアセトキシル化 |
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| Outline of Research at the Start |
金属触媒分野では従来、一・二元系の触媒設計が一般に行われてきたが、これらの触媒は触媒設計の観点からは柔軟性・拡張性に欠けており、触媒性能を飛躍的に向上させることは困難である。そこで本研究では、多元素合金に着目し、表面反応場を高い自由度で精密に制御することで革新的触媒を開発することを目指す。また、未開拓分野である多元素合金触媒の学理構築も行い、金属材料分野におけるブレークスルーとなり得る革新的触媒設計指針を提供することを目標とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
合金触媒は単金属触媒とは異なる幾何学的・電子的特性を有し、特異な触媒性能を示すことが多い。しかしながら、従来の二元系合金での触媒設計は構造的な制約や元素選択の不自由さなどから柔軟性・拡張性に欠けており、触媒性能の飛躍的な向上は困難である。そこで本研究課題では、多元素合金を構築することにより、目的の反応に対して高い精度・自由度で表面反応場を制御することで、従来の触媒系を凌駕する革新的触媒を開発し、このジレンマを打破することを目指した。
令和5年度は「多元素合金を駆使した表面反応場の精密設計と革新的触媒の開発」に関して、(1) 多元素合金によるMCH脱水素、(2) 合金クラスター触媒によるプロパン脱水素の2点の主な成果を得ることができた。これら成果に関しては 現在論文投稿準備中である。
従来の二元系合金ナノ粒子とは異なり、多元素化およびクラスター化によって、幾何学的・電子的に特異な構造を構築することに成功した。MCH脱水素およびプロパン脱水素の２つの反応系でそれぞれ、開発した触媒の性能は従来触媒をはるかに凌ぐ優れた触媒性能を示した。令和5年度は学理構築のため、開発した触媒の詳細な構造解析、反応解析、速度論的検討、理論計算をメインに行った。
研究期間全体を通じて、(1)高効率なプロパン脱水素触媒としてのハイエントロピー金属間化合物ナノ粒子の開発、(2)高効率なプロパン脱水素触媒としての合金クラスターの開発、(3)MCH脱水素に有効な多元素合金ナノ粒子の開発、(4)エチレンのアセトキシル化に有効なPd-Au-Cx構造の発見とAuおよびCxの役割の解明など、様々な発見および学理の構築に成功した。本研究課題で開発された合金触媒およびその触媒設計指針は今後の様々な展開が期待される。
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