2016 Fiscal Year Research-status Report
有機保護剤を利用したPt－Mナノ粒子の構造制御とヘテロ構造化による触媒機能の向上
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16K06861
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| Research Institution | Kobe City College of Technology |
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Principal Investigator |
久貝 潤一郎 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (80617134)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中川 貴 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70273589)
清野 智史 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90432517)
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| Project Period (FY) |
2016-10-21 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノ粒子触媒 / アルコール酸化 / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
炭素担持Pt-Cuナノ粒子をアルコール還元法で合成する際に添加するカルボキシレートの分子構造を変えてナノ粒子の構造と形状を調べ、ナノ粒子保護メカニズムを探った。炭素鎖が長いほどサイズが小さく炭素上によく分散したPt-Cuナノ粒子が生成したが、各粒子の組成を走査電子顕微鏡とX線分光法で調べると分散した粒子はCu含有量が少なく、凝集した粒子はCuがPtとよく合金化していることがわかった。金属表面への保護剤の吸着とCuイオンの吸着が競争し、保護剤が吸着すればCuがPtの格子に取り込まれにくいが分散性の高い粒子が生成し、Cuイオンが吸着すれば保護効果が小さいために凝集しやすくなる一方、吸着Cuイオンが還元されて合金化が進むことが示唆された。金属担持量を増加させた場合でも保護剤の炭素鎖を更に長くすることで分散性が保たれることもわかった。第一原理計算により、Pt上に保護剤が吸着する際、Ptからカルボキシレートの酸素原子に電荷が移動することも明らかとなった。表面のPtとCuの元素配列によっても吸着エネルギーが異なり、現在表面の元素配列と保護剤分子種を変えたシミュレーションを行っている。触媒のメタノール酸化活性を評価したところ、炭素鎖長が中間のコハク酸ナトリウム用いて合成した触媒の活性が最も高く、適度なサイズの分散した粒子が高い活性に起因するものと考えられた。1ナノメートル程度の微細な粒子は組成がPt単元触媒に近く、燃料のアルコールや中間体を強く吸着して反応が進みにくい事がわかった。
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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
炭素鎖の長いカルボキシレートが高担持量のPt-Cu触媒に有効であることを見出し、また第一原理計算によってもPtからカルボキシレートの酸素原子に電荷が移動することも突き止めた。吸着力や立体障害が保護効果のパラメーターであることを裏付けた。粒子サイズおよび組成とメタノール酸化性能の相関も調査済みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
分散性の高い粒子が得られたが、わずかに生成する凝集体をなくし、更なる分散性の向上を目指す。PtとCuの配置が異なる金属表面への保護剤の吸着シミュレーションを行い、PtとCuそれぞれの吸着サイトでの電荷の移動とそのエネルギー変化、立体的な効果を詳細に調べ、実験結果を裏付ける。触媒のヘテロ構造化には分散度が不均一な触媒に熱処理を施し分散性の良くない粒子のみシンタリングさせる。構造特性の各素反応への寄与を抽出するため、アルコール燃料種、燃料濃度、溶液のpH、反応温度をパラメータとして各触媒の酸化反応特性を比較する。燃料としてアルコールの他にその酸化中間体と考えられるギ酸や一酸化炭素も含める。
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| Causes of Carryover |
アルコール酸化生成ガスの分析を行うために用いる質量分析システムおよびその周辺機器のスペックの調査、購入先の選定、装置の設置場所と電源の確保に時間を要した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
アルコール酸化生成ガスの分析を行うために用いる質量分析システムを購入する。溶液中での反応物の拡散を促進して真の反応速度を測定するために回転リングディスク電極装置を購入する。
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