担持金属触媒の電子化学ポテンシャルの定量とその変位による触媒反応促進に関する研究

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02510
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高鍋 和広 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20519730)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 担持金属触媒 / ナノ粒子 / 担体効果

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、担持金属触媒に用いられるような金属粒子の化学ポテンシャルを、反応中に極めて近い状態で直接測定する手法を確立することとしている。さらに、このようなポテンシャルの定量的な記述をすることで、構造―活性の厳密な相関関係を得ることを目指し、それらの知見から更なる高活性化の指針を得ることを目的としている。さらに最終的には金属の粒子をサイズと形状を厳密に制御し調製し、粒子の形状の効果を整えて理解することを目指す。本年度はまずその金属粒子のポテンシャル測定を行うために電気化学測定装置の製作に取り掛かった。独自の流通式反応式電極装置を設計・発注し、反応ガス及び生成ガスをガスクロマトグラフィーで分析することができるようになった。次に担持金属ナノ粒子の厳密なポテンシャルの決定を行うため、白金を導電性の高いカーボンの上に担持した触媒を購入または調製し、電極を作成して使用した。その電極を作用極として、三電極システムに適用することで、様々なガス雰囲気下での開放電位測定を行いながら反応速度を測定するシステムを確立させた。回転ディスク測定も取り入れながら、ガス拡散を制御しながら反応を行った。現在室温で一酸化炭素の酸化反応を試みているが、3電極式の液相を利用し反応電極の二重層にかかる電位をより正確に規定できるようになった一方、ガスの検出限界の問題があり、感度の向上を、流速や触媒量、反応温度と合わせて試行錯誤を繰り返して最適化を行っている。その中で、ある条件で電位走査を行うと、熱触媒反応が加速する条件が出てきており、大変有望な結果が見出されてきている。今後は反応条件等を精査することで、その検証を行っていく。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度の注力は金属粒子の化学ポテンシャルを測りながら、熱触媒反応の速度を測定することのできる反応器の作成に充てていたが、順調にガス流通式電気化学装置を組み立てることに成功した。予想された通り、検出限界に対して改良が必要となっているが、対応策は揃っており改善できるものと考えている。対策として、反応中に使用することのできる触媒量を増加させること、あるいは反応条件を最適化して全体の速度を測定範囲内に制御していくことを試みている。また、予備的結果では電位を走査することで表面の被覆率を変化させ、熱触媒速度に格段の影響を与える領域が存在することが認められてきている。大変有望な結果であり、検出感度の向上を行って更なる確証を高めれば、ブレークスルーとなり得る。

Strategy for Future Research Activity

今後はまずガスの定性定量の感度を上げることに注意し、装置の改良と反応条件の選別を進める。また電位走査による熱触媒反応速度の向上を目指す。反応条件の選定、触媒量の増減、ガス拡散の制御、触媒の種類の選定等を行っていくことで、更なる新規な結果を見出していくこととする。次にナノ粒子の大きさを揃えた触媒調製を行い、活性-構造関係を明らかにしていく。さらに電位測定中の活性測定により反応活性が高い触媒の状態を明らかにし、反応中電位の人為的操作により更なる高活性化反応場の創出を進める。