| Project/Area Number |
23K23134
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| Project/Area Number (Other) |
22H01866 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
薩摩 篤 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00215758)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沢辺 恭一 名古屋大学, 工学研究科, 講師 (80235473)
織田 晃 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80762377)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
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| Keywords | 触媒設計 / 酸化触媒 / ナノ材料 / 触媒ナノアセンブリ / シングルアトム触媒 / 担体効果 / 選択酸化 / 水素化 / CO酸化 / 小分子活性化 |
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| Outline of Research at the Start |
本申請研究では金属酸化物担体やゼオライト細孔内に金属を原子状で分散させたシングルアトム触媒に着目する.シングルアトム触媒は,100％の金属利用効率と, 全ての金属原子が担体酸化物と接して均一の活性サイトを形成している点から, 担持金属触媒の極めてシンプルなモデルとなる. 構造的な魅力と共に,特異的な触媒作用を発揮する「シングルアトム」触媒を対象として, 「シンプルな触媒系を用いて金属－担体相互作用を科学的な言葉で説明し, 意図した設計が出来ること」を高活性触媒で実証する.
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請研究では金属酸化物担体やゼオライト細孔内に金属を原子状で分散させたシングルアトム触媒に着目する.シングルアトム触媒は,100％の金属利用効率と, 全ての金属原子が担体酸化物と接して均一の活性サイトを形成している点から, 担持金属触媒の極めてシンプルなモデルとなる. 構造的な魅力と共に,特異的な触媒作用を発揮する「シングルアトム」触媒を対象として, 「シンプルな触媒系を用いて金属－担体相互作用を科学的な言葉で説明し, 意図した設計が出来ること」を高活性触媒で実証する.
初年度は, Ptシングルアトムに着目し, 低温CO酸化反応触媒を設計した. 低温でCOを酸化するためには(1)金属状態のPtではCOが強く吸着して酸素の活性化が妨げられるため, 酸化活性を持った担体でPtを酸化状態に保持すること, (2)COの酸化剤である酸素の担体からの供給を可能とすること, の2つの条件が必要である. この2つの条件を両立しうる担体としてβ-MnO2を選択した. Ptを単原子状に分散させたところ, 0℃でもCO酸化活性を発揮するPt1/β-MnO2触媒を設計することが出来た. また室温においては, 担持白金触媒としてはこれまでの報告(B. Qiao, et al., Nat. Chem., 2011, 3, 634-641.)を上回るCO酸化反応速度を発揮した[業績1].
その他にも,Agナノ粒子の形態制御によるCO酸化活性の制御[業績2],Coスピネル中のCoイオンのoctahedralサイト占有率増加によるNO-CO反応の高活性化[業績3]について成果報告を行った.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の目標・計画に沿った成果を上げ, 論文としての成果の発表を行った. 具体的には研究初期段階の目標であるシングルアトム触媒を題材として, 意図した構造(担体表面への孤立種の固定化, 金属の酸化状態制御）をアセンブリし, 構造に基づいた触媒機能(接触した担体からの格子酸素の供給, 弱いCO吸着強度)を発揮して低温活性の発現に至ることを実証した. つまり金属－担体間相互作用として(1)活性種の分散効果, (2) 活性種の酸化状態制御, (3) 担体からの酸素供給の3つの因子を単純な系で明瞭に示すと共に, それらを制御した触媒構造を単純な調製法により構築出来ることを示した. 担持型のシングルアトム触媒に限れば, 当初の予定よりもややハイペースで研究が進捗している. ただし, 金属酸化物担体に直接シングルアトムを固定化し, なおかつ優れた触媒性能を示すと予想される触媒系は活性種と担体の組み合わせが限られる. 触媒ナノアセンブリの応用範囲を広げるため, 今後はシングルアトム合金, すなわち金属酸化物上に固定化した金属ナノ粒子上に異種の金属をシングルアトム状態で固定化した系にも検討範囲を広げてゆく.
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は酸化物担体上のPtシングルアトム触媒について, 触媒ナノアセンブリの一つの例を示すことが出来た. 2023年度は単原子合金, すなわち金属ナノ粒子上に異種の金属単原子を埋め込んだタイプの触媒についての検討を中心に行う. 単原子合金は卑金属ナノ粒子の表面にガルバニック置換で貴金属単原子を固定化して調製することを計画している. この材料は酸化雰囲気下で卑金属ナノ粒子が酸化されてしまうため, 反応は水素化触媒を題材とする. 原子状に分散した単原子金属の解析, 卑金属ナノ粒子の役割を解明し, 単原子合金において「シンプルな触媒系を用いて金属－担体相互作用を科学的な言葉で説明し, 意図した設計が出来ること」を実証する.
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