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メタンや低級炭化水素の直接酸化に有効な新規オキソアニオン化合物触媒の開発

Research Project

Project/Area Number 23KJ0911
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund
Section国内
Review Section Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

松田 蒼依  東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2023-04-25 – 2024-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2024: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2023: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywordsメタン / リン酸塩 / 選択酸化
Outline of Research at the Start

天然ガスはメタンを主成分とする低級炭化水素であり、CO2等の排出量が少ないことから石油や石炭に代わるケミカルズ合成の原料として注目されている。本研究では、オキソアニオン化合物ナノ粒子を創出しメタンを中心とした低級炭化水素の直接酸化触媒を開発する。また、反応活性・結晶構造・酸化力・表面酸塩基特性を評価し、機構検討を行う。以上により、得られた触媒設計指針を触媒合成にフィードバックすることで更なる高活性・高選択性を担保する触媒を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

メタン (CH4) からのホルムアルデヒド (HCHO) の直接合成は、省エネルギーであり、その触媒系の開発が求められている。しかし、HCHOの選択性制御が課題となっている。これまでの研究において、リン酸鉄触媒でリン酸ユニットの弱塩基性により逐次酸化が抑制され、HCHOが選択的に生成することを見出してきた。しかし、その他金属リン酸塩の結晶構造がCH4の直接酸化の反応機構に及ぼす影響や、表面の酸化還元・酸塩基特性を含むリン酸塩ユニットの役割については未解明な点が多い。そこで本研究では、種々の金属リン酸塩のCH4酸化に対する触媒活性と反応機構を検討した。
様々な金属リン酸塩触媒の中で、リン酸ビスマス (BiPO4)、リン酸銅がHCHO合成に適していた。高温領域では、BiPO4はFePO4と比べ選択的にHCHOを生成した。反応機構の検討から、BiPO4上で生成した表面活性酸素種がCH4と反応してHCHOを生成することが示唆された。
リン酸銅は種々の金属リン酸塩の中でも最も高いHCHO収率を示した。特に、Cu/Pモル比が1/1であり、硝酸銅を銅源としたCu2P2O7-NO3がHCHO合成に最適であった。反応機構の検討から、(i) Cu2P2O7の表面格子酸素種がCH4と反応してHCHOを生成すること、(ii) Cu2P2O7上の酸化還元能をもつルイス酸Cu2+サイトと弱塩基性リン酸ユニットがそれぞれC-H結合の活性化とCO2への逐次酸化の抑制に重要な役割を果たすことが示唆された。さらに、反応条件下ではα-Cu2P2O7からβ-Cu2P2O7への相転移により酸素空孔形成エネルギーが低下し、この優れた酸素移動能がCu2P2O7の高い触媒性能に寄与すると推定された。
本研究成果は、結晶性金属リン酸塩を用いて系統的かつ表面の酸塩基特性を含めた機構検討を行った初めての研究例である。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] 国立加速器放射線研究センター (NSRRC)/国立成功大学 化学工学学科 (NCKU)(中国)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Bismuth phosphate nanoparticle catalyst for direct oxidation of methane into formaldehyde2023

    • Author(s)
      Matsuda Aoi、Obara Kazuhiko、Ishikawa Atsushi、Tsai Meng-Hsuan、Wang Chia-Hsin、Lin Yu-Chuan、Hara Michikazu、Kamata Keigo
    • Journal Title

      Catalysis Science & Technology

      Volume: 13 Issue: 18 Pages: 5180-5189

    • DOI

      10.1039/d3cy00590a

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] リン酸銅触媒によるメタンからホルムアルデヒドの直接合成2024

    • Author(s)
      松田 蒼依, 相原 健司, 原 亨和, 鎌田 慶吾
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会(2024)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] リン酸ビスマス触媒によるメタンからホルムアルデヒドの直接合成と機構解明2023

    • Author(s)
      松田 蒼依, 小原 和彦, 石川 敦之, Meng-Hsuan Tsai, Chia-Hsin Wang, Yu-Chuan Lin, 原 亨和, 鎌田 慶吾
    • Organizer
      第13回CSJ化学フェスタ2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] リン酸銅触媒を用いたメタンからホルムアルデヒドの直接合成と反応機構解明2023

    • Author(s)
      松田 蒼依, 相原 健司, 原 亨和, 鎌田 慶吾
    • Organizer
      第132回触媒討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Direct Methane Oxidation to Formaldehyde by Metal Phosphate Nanoparticle Catalyst2023

    • Author(s)
      A. Matsuda, K. Obara, A. Ishikawa, M.-H. Tsai, C.-H. Wang, Y.-C. Lin, M. Hara, K. Kamata
    • Organizer
      2023 Taiwan International Conference on Catalysis
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] Bismuth phosphate nanoparticle

    • URL

      https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cy/d3cy00590a

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2023-04-26   Modified: 2024-12-25  

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