| Project/Area Number |
23KJ1438
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大橋 圭太郎 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| 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)
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| Keywords | CO2/CO電解還元 / 単一原子電極触媒 / 電気化学 / 第一原理計算 |
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| Outline of Research at the Start |
再生可能エネルギー由来の電力を用いたCO2の電解還元は、CO2から高付加価値物質(C2+)を生成するクリーンな製造法として盛んに研究されている。しかし、有機化合物の生成反応は、(i)CO2から一酸化炭素(CO)、(ii)COからC2+といった多段階反応になるため、単一サイトのみで全体の反応を効率よく進めることは極めて困難である。本研究では(i),(ii)の各反応に対して個別に最適化された、複数の単核金属活性中心を含有する多孔性共役系高分子電極触媒を基盤とし、反応中間体であるCOの物質拡散を介したCO2電解反応ネットワークを形成し、CO2電解還元生成物の高付加価値化を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
CO2電解還元の触媒開発においては従来、単一の触媒サイトの精密設計が主な方法論であった。しかし、高付加価値物質(C2+化合物)の生成反応は、CO2 から一酸化炭素(CO)、さらにCO からC2+化合物といった多段階反応になるため、単一サイトのみで全体の反応を効率よく進めることは極めて困難である。そのような背景のもと、本研究では個別に設計された複数の異なる単核金属活性中心を含有した、反応中間体であるCO の物質拡散を介したCO2電解反応ネットワークの形成を目指す。
本年度は単一銅原子触媒上でのC2+化合物への選択的電解還元を目的に、計算科学及び実験の両面から評価を行った。まず第一原理計算を用いてCO還元反応メカニズムの解析を行った。単一銅原子触媒上ではバルク状銅触媒とは異なるC-C結合形成過程を経てC2+化合物を生成すると予測された。さらに、単一銅原子触媒上でのC-C結合反応はバルク状銅触媒上でのCO二量化反応と比較して、エネルギー障壁が大幅に低いことが明らかとなった。この結果より、単一銅原子触媒はC2+化合物を選択的に生成する触媒として機能することが期待される。
次に以上の計算科学による予測が実験的に進行しているか評価するため、X線を用いた分光学的実験によりCO電解中の単一銅原子触媒の動的観測を試みた。その結果、単一銅原子触媒はCO電解前後は銅原子が単一であったのに対し、CO電解中は単一銅原子が凝集し銅ナノクラスターを形成することが明らかとなった。また、銅原子担持量が多い場合はクラスターサイズが増大しC2+化合物が選択的、少ない場合はクラスターサイズが減少しC1化合物が選択的に生成することが確認された。これらの結果は、CO電解における単一銅原子触媒の設計指針、延いてはCO2電解反応ネットワークを創製する上で重要な知見である。
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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
計算科学手法により単一金属原子触媒上でのC-C結合形成過程が予測されたことから、CO2/CO電解還元における単一金属原子触媒設計指針の重要な基礎データとなった。一方実験による結果は、Cu担持量が反応活性に影響を与えることを意味しており、今後反応ネットワークを創製するための各単一金属原子の担持比率を考慮する上で重要な知見である。以上より、概ね順調といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた単一金属原子触媒の知見を基に、N2電解還元サイト、場合によっては一酸化窒素(NO)電解還元サイトの導入を図り、当初掲げていたCO2/CO電解反応ネットワークを拡張したアミド化合物のワンポット合成を目指す。
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