2013 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Exploration of nanostructure-property relationships for materials innovation |
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| Project/Area Number |
25106010
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
高草木 達 北海道大学, 触媒化学研究センター, 准教授 (30359484)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原 賢二 北海道大学, 触媒化学研究センター, 准教授 (10333593)
清水 研一 北海道大学, 触媒化学研究センター, 准教授 (60324000)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 触媒 / 表面金属ナノクラスター / 固定化金属錯体 / 単結晶モデル表面 / ナノ構造解析 |
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| Research Abstract |
本A03（ケ）班では、表面金属ナノクラスター触媒や固定化金属錯体触媒を用いた環境浄化及びグリーン有機合成反応をターゲットとし、まず単結晶モデル表面上に規整ナノ反応場を精密調製し、先端的ナノ構造解析と活性評価を行うことで、触媒ナノ構造情報（ナノ構造と活性の相関）を得る。得られた情報を蓄積・統合し、実触媒材料開発の設計・創出のための理論予測と実験による最適化を行う。最適化した活性ナノ構造を実触媒（粉体触媒）で再現することで、新しくかつ合理的な触媒材料開発法として確立していく。
本年度の成果として、固定化金属錯体触媒のモデル表面調製に関して、TiO2単結晶表面を機能性分子（メルカプト安息香酸）で修飾後に金属（Cu、Ni、Au）を蒸着することで、単原子種（表面金属錯体）の合成と三次元構造解析に成功した。金属原子は分子の硫黄原子及びTiO2の酸素原子に挟まれた直線型構造で安定化した。本手法は金属周りの局所構造を変化させず、金属原子の種類のみを変えることができるため、固定化金属触媒における金属の効果を厳密に議論するための良いモデル表面となる。また実触媒（粉末）において、TiO2をMoOxで一層程度修飾し、Ptナノ粒子を担持した触媒で、二酸化炭素の水素化を利用したN-メチルアラニンのメチル化によって、N,N-ジメチルアニリンを高収率・高選択性で得ている。生成物であるN,N-ジメチルアニリンは医薬品、染料、有機ゴム製品等の原料として有用化合物で、二酸化炭素を原料に用いると、メタノオールやギ酸を用いる従来法と比べて、sustainableかつ経済的である。活性・選択性は酸化物担体に大きく依存するため、Ptと酸化物との間に形成される界面ナノ構造が反応特性を支配していると推察され、モデル触媒表面の構築とナノ構造解析による評価（触媒ナノ構造の取得）が必要である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の予定では、本年度は装置・実験環境の整備と環境浄化及びグリーン有機合成反応をターゲットとした、単結晶モデル表面の合成・構造解析を行うことであった。しかし、本年度すでに実触媒への展開・開発を開始しており、酸化物担持Pt触媒を用いることで、二酸化炭素、水素、N-メチルアラニンから、有用化合物であるN,N-ジメチルアニリンを高収率・高選択性で得ることに成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度得られた成果である、固定化金属錯体触媒のモデル表面（TiO2単結晶表面をメルカプト安息香酸で修飾後に、金属を蒸着して調製した表面金属錯体）に関して、Ptなど適用金属の拡大を図るとともに、実際に触媒反応測定を行い、ナノ構造と活性の相関を明らかにする。モデル表面の場合、実触媒と比べて比表面積が圧倒的に小さく、反応生成物を高感度で検出する必要があるため、気相反応に関しては超高真空触媒反応評価装置を立ち上げる。装置を立ち上げ後、まずはCuを蒸着した試料に関してNO直接分解反応を検討する。
また実触媒において本年度得られた成果である、二酸化炭素、水素、N-メチルアラニンからの高収率・高選択性N,N-ジメチルアニリン合成に関して、TiO2単結晶を用いたモデル表面を調製し、ナノ構造解析と反応評価から、活性の起源について原子レベルで明らかにし、得られた成果をより高性能な実触媒開発へとフィードバックする。
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[Journal Article] A Solid Chelating Ligand: Periodic Mesoporous Organosilica Containing 2,2′-Bipyridine within the Pore Walls2014
Author(s)
Minoru Waki, Yoshifumi Maegawa, Kenji Hara, Yasutomo Goto, Soichi Shirai, Yuri Yamada, Norihiro Mizoshita, Takao Tani, Wang-Jae Chun, Satoshi Muratsugu, Mizuki Tada, Atsushi Fukuoka, Shinji Inagaki
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Journal Title
Journal of the American Chemical Society
Volume: 136
Pages: 4003-4011
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] In Situ back-side illumination fluorescence XAFS (BI-FXAFS) studies on platinum nanoparticles deposited on a HOPG surface as a model fuel cell: A new approach to the Pt-HOPG electrode/electrolyte interface2014
Author(s)
Hiromitsu Uehara, Yohei Uemura, Takafumi Ogawa, Kentaro Kono, Ryoichi Ueno, Yasuhiro Niwa, Hiroaki Nitani, Hitoshi Abe, Satoru Takakusagi, Masaharu Nomura, Yasuhiro Iwasawa,Kiyotaka Asakura
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Journal Title
Physical Chemistry Chemical Physics
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] In situ observation of carrier transfer in the Mn-oxide/Nb:SrTiO3 photoelectrode by X-ray absorption spectroscopy2013
Author(s)
Masaaki Yoshida, Takumi Yomogida, Takehiro Mineo, Kiyofumi Nitta, Kazuo Kato, Takuya Masuda, Hiroaki Nitani, Hitoshi Abe, Satoru Takakusagi, Tomoya Uruga, Kiyotaka Asakura, Kohei Uosaki, Hiroshi Kondoh
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Journal Title
Chemical Communications
Volume: 49
Pages: 7848-7850
DOI
Peer Reviewed
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