2017 Fiscal Year Annual Research Report
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17J08969
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
庄司 州作 東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 熱触媒 / ドライリフォーミング / オペランド分光 / 電子スピン共鳴 / 半導体 / ナノ相分離材料 / 助触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、熱触媒の課題を解決しうるドライリフォーミング系の確立のために低温で駆動する触媒開発、さらに高活性化のために異種エネルギーである光の導入と、熱の光への代替を目的とした触媒開発を行うことにより達成される。
本年度は、低温でドライリフォーミングを行うことのできる物質の探索と、そこから着想した光を導入したドライリフォーミング系の確立のための物質探索を主に行った。低温駆動触媒としては、NiとYからなるナノ相分離触媒の開発に成功し、通常800度以上の高温が必要なドライリフォーミングを450度という低温で実現可能で、長期耐久性のある触媒であることを確認した。その場観察が可能な高圧電子顕微鏡や、オペランド分光によりドライリフォーミングにおける活性低下のメカニズムや中間生成物を解析し新たな知見を得た。
ナノ相分離触媒は、2種～3種の金属からなる金属間化合物を出発物質として酸化＋還元雰囲気下で作成される。この時、出発物質は金属間化合物でなく、金属酸化物であっても同様の構造が形成可能ではないかという発想のもと、光触媒に対し、金属イオンをドープした物質を出発原料として雰囲気処理を行うことにより、光の導入を可能としたドライリフォーミング用触媒を作製した。本触媒により、加熱を全く必要としない紫外光のみで反応が進行可能となった。本触媒では、雰囲気処理中に一部金属イオンが表面へ析出し、助触媒としての役割を担っていると考えられる。また、従来との加熱を行わないドライリフォーミング系と比較しても数百倍から千倍の活性が得られている。
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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
研究計画では、①低温で駆動するナノ相分離熱触媒の開発、②そこから着想した構造を用いた光を用いたドライリフォーミング触媒の開発、③助触媒の適用による高活性化を行う予定であった。
①に関しては、世界でも類を見ない450度という低温でのドライリフォーミングを可能とする触媒を開発した。さらに、従来の触媒と比べ4倍以上の寿命を持つことが分かった。これより、ナノ相分離構造が活性、耐久性の面でも非常に有用であることが分かり、このナノ構造を模倣した光触媒系の開発を行った（②）。光触媒系では、ドープする金属イオンの選択、バンド励起を可能とする光源の選択により、加熱装置を必要としない、光のみでのドライリフォーミングを達成した（②、③）。また、本光触媒系では、従来の光触媒系に比べ数百倍から千倍ほどの高い活性を示した。また、以上の触媒の分析において、オペランド分光や、その場観察超高圧電子顕微鏡などを用いて分析が進行中であり、今まで解明されていなかった反応機構や、触媒の作用機構などが解明される可能性がある。
以上より、本研究では当初の計画以上に進展しており、研究開始当初と比べても実験、解析に関する協力体制が強化されているので、さらなる進展があると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
熱触媒においては、活性のさらなる向上を目指して高比表面積化を行う。また、NiとYよりさらに高活性な金属元素を用いて同様の構造を発現する触媒を開発する。同時に、光触媒的ドライリフォーミングのための触媒へのその知見の適用を行い現在の光触媒系の高活性化を行う。
光触媒ドライリフォーミング触媒の長期耐久性、高活性化のために助触媒の検討、1種以上の助触媒の併用に関しての研究を行う。また、光触媒によるドライリフォーミングは低温で反応が進行するため、電子スピン共鳴法などによる電荷、ラジカルの観察が可能である。このため。熱触媒系では不可能であった測定法を適用することにより、新たな反応メカニズムの解明や、触媒設計の指針を示せる可能性がある。また、独自に組んだオペランド分光システムにより、反応中間物の観察、吸脱着特性等からメカニズムの解析を行う。
また、重要な結果として光触媒ドライリフォーミング系では200度から300度に加熱することにより、C2以上の炭化水素が生成することが確認されている。これは、ドライリフォーミングの結果発生した水素、一酸化炭素からなる合成ガスが、フィッシャートロプシュ反応等を経てC2炭化水素を生成したためであると考えられる。このことから、現在ドープしている金属イオンのほかに、C2合成に使われる金属イオンを添加した触媒を作製することにより、より選択的にC2を直接、メタンと二酸化炭素から合成が可能になると考えられる。このため、来年度は2種以上の金属イオンをドープした光触媒ドライリフォーミング触媒を開発する。
また、太陽光の大部分を占める太陽光の使用のために可視光でドライリフォーミングが可能な触媒を開発する。現在の光触媒では、格子の中に残存する金属イオンが少なく多くの可視光を吸収することができていないが、ドーピング手法の最適化により可視光による反応の実現を目指す。
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