Development of catalysts for hydrogen production and environmentally benign organic synthesis by the precise control of metallic species on the specific surface sites
| Project/Area Number |
23K23137
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| Project/Area Number (Other) |
22H01869 (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 | Kagawa University |
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Principal Investigator |
和田 健司 香川大学, 医学部, 教授 (10243049)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原 賢二 東京工科大学, 工学部, 教授 (10333593)
馮 旗 香川大学, 創造工学部, 教授 (80274356)
藤田 健一 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (80293843)
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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: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
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| Keywords | 水素製造 / グリーンケミストリー / 担持イリジウム触媒 / 含窒素有機化合物 / 鉄触媒 / 水素移動反応 / 水素化反応 / 尿素 / アルキル化反応 / アセトアルデヒド |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、１）表面単原子・超微細金属種収容に最適な表面特異サイト構築による、超高分散担持金属触媒、および２）担体表面への金属錯体の吸着と相互作用を活かしたシングルアトム金属触媒構築、という独創的なアプローチによって、水素製造および低環境負荷有機合成に有効な触媒を創製し、超微細表面金属種の構築を支配する学理を究明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
持続可能な開発目標(SDGs)達成の観点から、効率的な水素製造技術の確立および有機合成反応の環境負荷低減は重要な課題である。その達成の鍵となる触媒開発において、貴金属使用量の飛躍的削減のために、触媒効率を極限まで高める必要がある。本研究は、水素製造技術および低環境負荷有機合成反応に有効な触媒開発を目的とする。特に、超微細化した表面金属種の構造的・電子的動態の支配因子を解明し制御する学理の確立を図る。
そこで本年度は、特に特定の表面構造を有する様々な酸化チタン系担体を活用し、触媒調製条件を最適化して含窒素有機化合物の水素移動型合成反応に有効な超高活性触媒の開発を行った。その結果、無溶媒条件下で多様な第一級アルコールによる尿素の多段アルキル化反応に有効な酸化チタン担持イリジウム触媒を開発した。酸化チタン担体の結晶構造が触媒活性に顕著な影響を及ぼしており、SMSIによって適切な原子価状態にある超高分散表面イリジウム種が形成され、触媒活性向上が達成されたと推察される。本触媒は、少なくとも5回は大幅な劣化を伴うことなく使用可能であった。
さらに、酢酸からアセトアルデヒドへの部分水素化に有効なパラジウム修飾鉄触媒を開発した。特にPd添加量が多い触媒が優れた選択性と耐久性を示した。触媒のキャラクタリゼーションの結果、還元前処理過程におけるコア-シェル型Pd-Fe合金ナノ粒子の形成が確認され、これが優れた触媒性能を示す要因であると推察された。
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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
令和4年度の検討において、様々な含窒素有機化合物の脱水素および水素移動型合成反応に有効で、高い触媒回転数と再利用性を併せ持つ酸化チタン担持イリジウム触媒の開発に至った。さらに分光学的解析等による触媒活性種の動態解明を試み、SMSIの活用と制御によって極めて微細な表面イリジウム種ナノクラスターを構築し、かつその電子状態の制御が可能であることを示したが、これらの成果は他の反応や触媒への応用が期待できる。さらにSMSIの制御によって酢酸の部分水素化に有効なコア-シェル型Pd-Fe合金ナノ粒子触媒の開発に至っており、想定外の成果も得た。担体吸着型イリジウム錯体触媒開発については再利用性向上の点で課題が残るものの、1年目に想定した目標を概ね達成したと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
申請時の計画に従い、表面単原子・超微細金属種収容に最適な表面特異サイトを活かした触媒開発や金属錯体との相互作用を活用したシングルアトム金属触媒開発を進めるとともに、外部刺激に対する表面金属種の動態解明と高活性触媒の調製を検討する。触媒の再利用性と環境対応性能の向上を図る一方、水素製造反応や有機合成反応に加えて、関連する幅広い反応に展開し、飛躍的な高活性化と貴金属使用量削減を狙う。
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Report
(1 results)
Research Products
(10 results)
