2018 Fiscal Year Research-status Report
遷移金属化合物クラスターの気相反応を用いたメタン活性化に対する触媒活性点の探索
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17K06918
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| Research Institution | Genesis Research Institute, Inc. |
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Principal Investigator |
平林 慎一 株式会社コンポン研究所, 研究部, 研究員 (60557750)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | メタン活性化 / タングステン / クラスター / 酸化物 / 触媒 / 遷移金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
メタンは天然ガスの主成分であり、燃料や化学品原料として有効利用することが期待されている。メタンの活性化に対して有効な遷移金属化合物クラスターを明らかにし、新規触媒の設計に活用可能な活性点の候補種を決定することが本研究の目的である。本年度はニオブおよびタングステンの酸化物クラスターについて研究を実施した。
ニオブ酸化物クラスター正イオンとメタンとの反応を熱エネルギー近傍領域で調べたが、メタンの活性化はほとんどの組成で確認できなかった。一方、タングステン酸化物クラスター正イオンの場合、多くの組成でメタンの脱水素が観測された。タングステン酸化物クラスターの反応性はタングステンクラスターや他のタングステン化合物（炭化物、窒化物）クラスターに比べて大きく、タングステンクラスターへの酸素導入がメタン活性化に有効であることがわかった。また、タングステン酸化物クラスター負イオンではメタンを活性化することができず、クラスターの電荷状態が反応性を決定する重要な要因の一つであることが示された。
密度汎関数法を用いてタングステン３量体およびその一酸化物上でのメタン脱水素の反応経路を調べ、酸素導入による反応性の向上の解明を試みた。反応中間体、遷移状態および生成物のエネルギーがクラスターへの酸素導入により大きく低下し、脱水素反応が進行しやすくなっていることがわかった。また、導入した酸素原子は反応の間、メタンの分解により生成したCHx種や水素原子とは直接結合を形成しないことも明らかとなった。
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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
平成２９年度に前周期遷移金属（ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン）の炭化物および窒化物クラスターについて調べ、タングステンクラスターへの窒素の導入が特異的にメタン活性化に効果的であることを明らかにした。今年度は酸素導入の効果を調べ、タングステン窒化物クラスターを上回る反応性をもつタングステン酸化物クラスターを見出した。量子化学計算を利用し、タングステン酸化物クラスター上でのメタン脱水素の反応機構も明らかにできた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ニオブやタングステン以外の遷移金属の酸化物のクラスターとメタンとの反応性を調べ、高い反応性を示す金属種や組成のクラスターを探索する。メタン脱水素に加えてメタンの酸化反応についても研究を進める。また、高い反応性を示したタングステン酸化物や窒化物クラスターについて、第２金属を導入して合金化による効果も調べる。
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| Causes of Carryover |
年度末に金属試料を購入しようとしたが、予定よりも高額であったために購入できず次年度使用額が生じた。この試料を翌年分と合わせて購入する予定である。
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