2020 Fiscal Year Research-status Report
白金族三元触媒における金属・金属酸化物接合効果の統合理論
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18K04935
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
古賀 裕明 大阪大学, 理学研究科, 招へい研究員 (80519413)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 自動車触媒 / 金属・金属酸化物接合界面 / 貴金属クラスター / NOx還元反応 / 電子状態計算 / セリア / ジルコニア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
白金族三元触媒は，ガソリン自動車の排ガス浄化触媒として広く使われている担持金属触媒である．プラチナなどの白金族微粒子と，酸化セリウムなどの金属酸化物担体の間には，「強い金属・担体相互作用」が働くことが知られており，異種物質接合により特異的な化学反応性が生じる系として，表面科学・界面科学の観点からも興味深い物質である．本課題では，白金族三元触媒の金属・金属酸化物接合界面で生じる様々な現象・効果を，電子状態計算に基づいて総合的・統一的に解明することを目的としている．前年度(2019年度)までは，金属・金属酸化物間の電子授受に起因するNO解離活性の担体依存性と，金属微粒子サイズ依存性について検討し，これらの間に大きな相乗効果がないことを明らかにした．今年度(2020年度)では，酸化セリウム担体に生じる酸素欠陥について，密度汎関数レベルの詳細な計算を実施した．酸化セリウム(111)面に担持した半球状10原子クラスターをモデルとして構造最適化計算を行ったところ，プラチナ，パラジウム，ロジウムのいずれの場合でも，酸素欠陥はクラスターの真下にできやすいことがわかった．一般に酸素欠陥が関与する触媒反応では，酸素欠陥の生成・修復を伴うMars-van Krevelen 機構が想定されることが多いが，クラスターの真下に隠れた酸素欠陥はクラスターに吸着したNO分子の還元に用いることができないので，MvK機構は働きにくい．これは，酸化セリウムの酸素欠陥がNO還元反応に直接関与する可能性が，一般に想定されているより小さいことを示唆しており，興味深い結果である．
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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
前年度報告書の「今後の研究」で述べたとおり，白金族・酸化セリウム接合系の酸素欠陥について電子状態計算を実施し，欠陥ができやすいサイトについて新たな知見を得ることができたので，研究は概ね順調に進展しているということができる．ただし，酸素欠陥が反応活性に与える影響や，クラスターのサイズ・形状との関連については十分に検討できていない．研究期間の延長が承認されたので，2021年度においてこれらの課題に取り組みたい．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度の研究により，白金族・酸化セリウム接合系では，接合界面周縁部よりも，界面内部に酸素欠陥が生じやすいことを示唆する結果が得られた．白金族クラスターに吸着したNO分子は，このような「隠れた酸素欠陥」と反応することができないので，直接的な触媒反応への影響は小さいと予想される．しかし，酸素欠陥に伴い生じる余剰負電荷により，白金族触媒クラスターの化学反応性が変化する可能性があり，興味深い．2021年度では，白金族クラスターの真下に酸素欠陥を導入したモデル系に対して密度汎関数レベルの電子状態計算を実施し，NO解離反応などの排ガス浄化反応への影響を検討する．
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| Causes of Carryover |
新型コロナの影響で出張旅費がなくなったため，予定よりも支出が少なくなり次年度使用額が生じた．次年度使用額は，九州大学や東北大学の大型計算機共同利用の利用負担金に充てることを予定している．
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