2020 Fiscal Year Research-status Report
水を利用した自己組織化による貴金属ナノ粒子触媒の構造制御
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19K05159
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
冨田 衷子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (70392636)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 貴金属 / 界面形成 / 水処理 / 酸化触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、水を利用した熱処理（水処理）を行うことで貴金属が移動する現象を利用し、貴金属ナノ粒子触媒の構造制御を行う。セリア担持アルミナ（CeO2/Al2O3）を担体とした白金ナノ粒子触媒（Pt/CeO2/Al2O3）では、各種触媒に800℃熱処理を行った後のPt粒子径およびプロパン燃焼活性を評価したところ、少量のCeO2（4wt%程度）を添加して水処理を行った触媒ではPtのシンタリングが抑制され、プロパン酸化活性が高かった。2020年度は触媒処理による物性変化の機構解明とプロパン酸化の反応機構解明を行った。水処理触媒では、Ce(IV)からCe(III)への還元温度が低下することがH2-TPR測定によって、またPtの電子密度が減少することがCO吸着のFT-IR測定によって示唆された。プロパン酸化のin situ FT-IR測定により、反応中間体が炭酸塩及び／またはカルボン酸塩であって、これが水処理触媒ではより低温から生成することが分かった。従って、水処理によりPt-Ce界面が形成されてPtの電子密度が減少し、プロパン酸化におけるC-H解離が促進されたと考えられる。
貴金属粒子径制御のためには水処理条件の探索を行った。熱処理ガスの水素濃度、水蒸気濃度、処理温度を変化させて貴金属粒子径の変化を観察した。Pt/Al2O3触媒では水蒸気濃度が高いほどPt粒子径が増大し、水の使用でさらに増大したが、Pd/Al2O3触媒では水蒸気濃度に対する依存性は小さかった。
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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
本研究では、水を使用した熱処理（水処理）を行うことで、貴金属が移動する現象を利用し、貴金属ナノ粒子触媒の構造制御を行う。この現象の機構を解明し、処理条件を最適化して構造制御の手法確立を目指す。2020年度は反応機構の解明に注力し、Pt/CeO2/Al2O3触媒においてCeO2添加と水処理による物性変化と反応活性向上の機構を解明した。水処理による貴金属の粒子径制御については、Pt/Al2O3 及びPt/Al2O3触媒を用いて処理条件と粒子径の依存性を評価した。これらはまだ解明途中であるが、2021年度にはさらに他の貴金属や担体を使用して研究を進めるともにその機構の解明も行う予定である。従って、2020年度の達成度はおおむね順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度に得られた知見をもとにして、以下のように研究を進める。
貴金属ナノ粒子のサイズ制御では、粒子径制御のために、水を使用した熱処理（水処理）による貴金属移動の条件の探索を継続する。Pt/Al2O3、およびPd/Al2O3触媒においては2020年度に研究を行ってきたが継続して他の貴金属や担体を使用する。水蒸気濃度と温度、処理するガスの水素濃度、および処理前の触媒の状態等を変えて粒子径の制御を行う。得られた触媒について金属分散度測定や透過電子顕微鏡観察で貴金属粒子径を測定する。また、界面形成の条件についても探索する。これまでの研究で酸化還元の起こりやすい酸化鉄や酸化セリウムを助触媒として使用することができたので、他に遷移金属等を利用して構造と物性がどのように変化するかを解明する。赤外分光測定によりCO 吸着や反応中の表面吸着状態を、X線光電子分光分析で電子状態を、昇温還元法で還元特性を評価する。貴金属が高分散なクラスター状態で安定に存在する条件の検討を目的とする。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由：参加を予定していた学会などがオンライン開催となったり外部施設での測定が出来なかったりしたため旅費を使用しなかった。また、テレワーク実施のために予定していた実験が進められなかったために研究の順序を変更し、物品購入の順序も変更となった。これらは次年度早期に試薬や測定用器具類の購入のために次年度予算と合わせて使用する。
使用計画：2021年度の使用計画は提出済みの交付申請書に記載のものに加えて、当初2020年度に予定していたが使用しなかった試薬や測定用器具類等物品費として使用する。また2021年度は分析費を多く使用して研究を加速させる。
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