2017 Fiscal Year Annual Research Report
Interaction between size-controled subnano clusters and ceria and zirconia substrates and catalytic activity
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15K04594
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
安松 久登 豊田工業大学, 工学部, 客員教授 (20281660)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 排ガス触媒 / CO酸化 / 白金クラスター / セリア / ジルコニア / 質量分析 / クラスター衝撃 / ターンオーバー頻度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
排ガス触媒では、排ガス組成と温度の変動により、触媒金属微粒子が担体上で分解と再凝集を繰り返し、触媒活性が低下することが問題となっている。そこで、セリア、ジルコニア、シリコン担体に担持された構成原子数（サイズ）の正確に定まった白金クラスターを分解後の金属微粒子のモデル試料とし、その触媒特性と耐熱性の計測から、耐久性の改善と貴金属削減への指針提言を目指した。
代表的な排ガス処理反応であるCO酸化とNO還元を調べた。一定量の原料を触媒に供給後、昇温しながら触媒から脱離する生成物や原料分子を質量分析すること（昇温脱離法）で、反応開始温度、および、原料の飽和吸着量と脱離温度を求めた。さらに、一定分圧で原料を連続的に供給しながら質量分析すること（ガスフロー法）で、一個の白金原子が一秒間に触媒反応に寄与する数（ターンオーバー頻度）を温度の関数として求めた。さらに、原料分圧を変化させた直後のターンオーバー頻度の過渡計測を行い、反応速度シミュレーション解析プログラムコードも開発することで、素反応過程の反応速度定数を求めた。
シリコン担体では、CO酸化でもNO還元でも、酸化物担体に担持された白金ナノ粒子（既存触媒）や白金単結晶表面と比べて、100～150 Kも低温で反応が開始されることが分かった。ターンオーバー頻度も単結晶よりも大きな値となることから、既存物質よりも低温で高い活性を持つ触媒に到達できることを示している。一方、セリアやジルコニア担体に担持されたクラスターの耐熱性はシリコン担体に比べて高いことがわかった。セリアやジルコニア表面の高い安定性と白金との強い結合性に由来すると考えている。
今後は、貴金属以外のクラスターに関して素反応の速度定数を系統的計測とオペランド観察により、反応機構や吸着分子の挙動を明らかにし触媒設計に進展させる。
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