2019 Fiscal Year Research-status Report
高いCO2メタン化活性を有する低結晶ルテニウム金属ナノレイヤー触媒の創成
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18K04835
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐藤 勝俊 京都大学, 実験と理論計算科学のインタープレイによる触媒・電池の元素戦略研究拠点ユニット, 特定講師 (30586607)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 二酸化炭素 / ルテニウム / 希土類 / 水素化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
CO2排出量削減の有望な手段として，CO2メタン化プロセスが注目されている．しかし，現在使用されている触媒は低温域における活性が不十分であり，高いメタン収率を実現する反応プロセスが確立されていない．本研究では，申請者が開発した「低結晶性ルテニウムナノレイヤー」をコア技術とし，CO2メタン化の反応中間体を高効率に捕捉・活性化する活性点構造を構築する．これにより，CO2を低温で高効率にメタン化させることができる高活性な触媒の創成を目指す．
H31年度は昨年に引き続きルテニウムナノレイヤー構造をもつ触媒のCO2メタン化活性を検討した．またその中でRu/Pr2O3よりも高い性能をもつ複合希土類酸化物触媒をいくつか見出し，Ruの表面形態のみならず，担体の機能がCO2メタン化活性に重要な影響を及ぼすことを明らかにした．また，これらの触媒について空間速度や反応圧力が与える影響についても検討した．さらに，Pr2O3上にRuナノレイヤーと結晶性ナノ粒子を作り分けた触媒を調製し，それぞれの触媒の反応特性を種々の反応に対して検討した．
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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
昨年度の知見から，一部の希土類酸化物担持触媒において，Ru/Pr2O3に匹敵するCO2触媒活性が得られる可能性が示唆された．そこで，これらの希土類についていくつかの複合酸化物触媒を調製してCO2メタン化活性を評価したところ，RuCeZrOxがRu/Pr2O3を超えるCO2メタン化活性を示すことが明らかになった．この触媒を電子顕微鏡で観察したところ，Ruはナノレイヤーの形態ではなかったものの，微細で結晶性の低いナノ粒子となっており，Ruの表面状態がCO2のメタン化反応における重要な活性制御因子であることが確認できた．さらに，低温で比較的高活性を示した複合酸化物担持触媒群は概ね酸化・還元機能を示す元素を含むことが明らかになり，担体の酸化・還元特性も触媒活性にとって重要な作用因子であることが示唆された．
本年度はまた，空間速度（ガス流量）や反応圧力がCO2転化率に与える影響について検討した．いくつかの触媒について検討したところ，低温での活性があまり高くない触媒については，高圧力，高空間速度の条件に変更することで活性の伸びが観測されたのに対し，低温で比較的高い活性を示す触媒は，反応条件の影響をほとんど受けないことが明らかとなった．メタン化反応は発熱反応であるため，反応の進行と共に発生する生成熱の影響によって触媒層内に温度変化が起こり，触媒活性に影響したものと推察している．
さらに，昨年度に検討したPr2O3上におけるRu構造の作り分けについて，種々の反応に対してRuの形態が及ぼす影響について検討した．その結果，アンモニア合成およびキノリン誘導体の合成（環化）反応に対して，ナノレイヤー型の触媒が優位に高い性能を示すことを確認した．以上の様に本ナノレイヤー触媒は種々の反応に対する応用展開が期待できることを見出した．
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| Strategy for Future Research Activity |
ここまでの研究でナノレイヤー構造の優位性確認，および基本的な触媒調製プロトコルの確立については概ね目処をつけることができた．また，CO2メタン化触媒の活性向上という点では，いくつかの重要な因子を見出すことができた．最終年度はこれらの知見を活かしつつ，種々の酸化物担体に対してナノレイヤー構造を展開し，CO2メタン化をはじめ，種々の反応に対して応用展開を試みる予定である．
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Research Products
(7 results)
