異相界面の定量化と触媒機能設計

• Project/Area Number: 23K26739
• Project/Area Number (Other): 23H02046 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 北條 元 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2026: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2025: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
• Keywords: 異相界面 / 触媒 / 透過電子顕微鏡 / エピタキシャル薄膜 / 金属担体相互作用 / 担持金属触媒 / 電子エネルギー損失分光

Outline of Research at the Start

異なる結晶相が接する異相界面は、例えば半導体材料におけるダブルへテロ構造など新しい性質・機能の発現する舞台である。本研究では、申請者が独自に開発を進めているモデル触媒・モデル薄膜を対象として、原子分解能の透過電子顕微鏡法と第一原理計算を駆使し、異相界面について、原子構造・化学結合状態の観点からアプローチを行う。実用触媒を用いた解析では不可能であった異相界面を定量化することで、触媒設計の新しい方法論の構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

担持金属触媒における金属と単体の界面や、異なる結晶相が析出した固体触媒における異相界面は、触媒特性発現のためにしばしば重要な役割を果たすことが知られている。本研究では、申請者が独自に開発を進めているモデル触媒・モデル薄膜を対象として、原子分解能の透過電子顕微鏡法と第一原理計算を駆使し、これらの異相界面について原子構造・化学結合状態の観点からアプローチを行う。実用触媒を用いた解析では不可能であった異相界面を定量化することで、触媒設計の新しい方法論の構築を目指す。
本年度はPt/CeO2モデル触媒に関する研究を発展させ、サイズの異なるPtナノ粒子が担持されたCeO2 (001)面について系統的な走査透過電子顕微鏡(STEM)-電子エネルギー損失分光(EELS)測定を行った。Ptナノ粒子サイズが2-3 nmのときに比べて、5-6 nmのときはPtナノ粒子周辺に形成されるCe3+の量は少ないことが明らかとなった。第一原理計算の結果、Ptナノ粒子が大きくなるにつれて酸素空孔形成エネルギーは増加すること、PtからCeO2への電荷移動量も増加することが示唆された。以上の結果は、Ptナノ粒子が2-3 nmのときにPtナノ粒子周辺に観察されたCe3+はPtからCeO2への電荷移動による寄与よりも、酸素空孔形成による寄与が大きいことを示している。酸素空孔はモデル触媒を作製する際に行う水素による還元処理時に水素のスピルオーバーによりに生じていると考えられることから、今回得られた結果は水素のスピルオーバー能にPtナノ粒子の大きさ依存性があることを示唆していると考えられる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

Pt/CeO2モデル触媒においてPtナノ粒子周辺のCeO2上のCe3+量には粒子サイズ依存性が存在することを明らかにすることができたため。

Strategy for Future Research Activity

モデル触媒については、水素のスピルオーバーの全容解明を目指し、水素のスピルオーバーにより担体の還元が生じる範囲を明らかにする。Pt/CeO2モデル触媒において、多くの酸素空孔が形成されることが確認できているCeO2の(001)面に着目し、(001)面のファセットが広範囲に広がり、かつ孤立したPtナノ粒子が担持されている領域についてSTEM-EELS測定を行う。
また、エピタキシャル酸化物薄膜を担体としたモデル薄膜の開発も進める。STEM-EELS測定により担持金属周辺の酸化物担体上の酸素空孔量を定量化し、第一原理計算による評価も行う。XPS測定により担持金属の帯電状態も評価する。小型フローセルを用いてこれらのモデル薄膜の触媒活性を評価し、触媒活性と微構造・電子状態の相関を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Lattice-Plane-Dependent Distribution of Ce3+ at Pt and CeO2 Interfaces for Pt/CeO₂ Catalysts (2024)
  • Author(s): Hojo Hajime、Nakashima Minori、Yoshizaki Satoru、Einaga Hisahiro
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 18 Issue: 6 Pages: 4775-4782
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c09092
• [Journal Article] Effect of Cobalt Substitution into Copper-Manganese Oxides on Enhanced Benzene Oxidation Activity (2023)
  • Author(s): S. Ding, C. Zhu, H. Hojo, H. Einaga
  • Journal Title: Applied Catalysis B: Environmental Volume: 323 Pages: 122099-122099
  • DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.122099
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SrCoO3-δ薄膜の作製とそのCO酸化特性 (2024)
  • Author(s): 古賀幸、北條元、永長久寛
  • Organizer: 第133回触媒討論会
• [Presentation] Fabrication of thin-film-based Pt/TiO2 model catalysts and their atomic and electronic structures (2023)
  • Author(s): Ryugen Suzuki, Hajime Hojo, Hisahiro Einaga
  • Organizer: The 19th Korea-Japan Symposium on Catalysis
• [Presentation] Crystal-face dependence of metal-support interaction in Pt/CeO2 model catalysts (2023)
  • Author(s): Kazushi Fujii, Hajime Hojo, Hisahiro Einaga
  • Organizer: The 19th Korea-Japan Symposium on Catalysis
• [Presentation] 酸化物触媒における格子酸素の反応性制御指針確立に関する研究 (2023)
  • Author(s): 北條元
  • Organizer: 第61回オーロラセミナー
  • Invited
• [Presentation] Pt/TiO2薄膜モデル触媒の作製とその原子・電構造解析 (2023)
  • Author(s): 鈴木隆玄、北條元、永長久寛
  • Organizer: 第132回触媒討論会
• [Presentation] Pt/CeO2モデル触媒における担体上の酸素空孔量の定量的評価 (2023)
  • Author(s): 藤井和史、北條元、永長久寛
  • Organizer: 第132回触媒討論会
• [Presentation] 結晶面・格子歪みと格子酸素の反応性の相関解明に関する研究 (2023)
  • Author(s): 北條元
  • Organizer: 第166回 フロンティア材料研究所学術講演会
  • Invited
• [Remarks] 九州大学大学院総合理工学府 永長・北條研究室
  • URL: https://einaga-lab.weebly.com/