2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of highly active catalysts composed of nano-sized acid-base pair sites for oxidative coupling of methane
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18K05294
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
羽田 政明 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70344140)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | メタン酸化カップリング / 酸塩基複合化触媒 / ペロブスカイト / 表面酸素種 / 酸素交換反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度までは単独酸化物および担持酸化物について、酸化物の種類や担持率を変化させることで酸塩基特性とメタン酸化カップリング活性の関連性について検討した。2020年度は、結晶性の複合酸化物であるペロブスカイトについてAサイトとBサイトに置換する元素の触媒性能に及ぼす影響を検討した。具体的には、Aサイトに塩基性を示すLaを置換し、Ｂサイトに酸性（Al、Ga、In、Co、Fe、Mn）もしくは塩基性（Yb）を示す元素を置換したペロブスカイトを合成し、メタン酸化カップリング活性を評価した。
いずれの元素を置換したペロブスカイトにおいてもメタン酸化カップリング反応が起こることを確認したが、目的生成物であるエタン/エチレンの選択率および収率は置換した元素により大きく異なり、Al、Ga、In、Ybを置換したペロブスカイトが高い活性を示すことを見出した。Bサイト元素による触媒特性への影響を調べるための検討より、塩基特性の違いは見られなかったこと（CO-TPD）、O2-TPDにおいて酸素脱離が見られたペロブスカイトはエタン/エチレンの選択率および収率が低いことが明らかとなり、ペロブスカイトにおいては結晶内酸素のメタン酸化カップリング反応への関与が小さいことがわかった。そこで、触媒表面における気相酸素の活性化能の違いを明らかにするためXPS、16O/18O交換反応およびメタン酸化カップリング反応における酸素濃度依存性を評価した。その結果、表面酸素種の割合がエタン/エチレン選択率と相関すること、表面酸素種を介して気相酸素が活性化されることを明らかにした。
以上、本研究の実施により、高活性なメタン酸化カップリング触媒を開発するための指針として、触媒の酸塩基特性を制御することにより表面酸素種の割合を高くし、気相酸素を効率的に活性化できるサイトの構築が重要であることを提案できた。
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