2019 Fiscal Year Research-status Report
Operando measurements on heterogeneous catalysts for energy conversion using synchrotron radiation
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19KK0126
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 真明 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授(テニュアトラック) (00582206)
品川 竜也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90850222)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2025-03-31
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| Keywords | シンクロトロン放射光 / オペランド測定 / X線吸収分光 / 固体触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、スタンフォードSLACのチームとの共同研究を通して、高温熱触媒反応と室温電極触媒反応のその場測定装置に関して、実験を行いながら改良を加えて再現よく測定する装置や設備を確立させることを目標としてきた。高温反応ではメタンの酸化カップリング反応で高選択性を示すことが分かっているアルカリ塩触媒について検討をした。この反応では触媒が酸素を活性化させて特殊な酸素種を表面に形成していることが予測されているため、Near Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy (NAP-XPS)の装置で反応中の表面近傍触媒元素の酸化状態を検出することを検討した。まず様々なガス雰囲気で温度を変化させ、触媒成分の酸化数を検出した。その中で、特に触媒中のアルカリ成分が400度を超える温度で酸素雰囲気下状態を変えており、活性点となっている可能性を示唆するデータが得られた。これを同時または別途にSoft X-ray Absorption Spectroscopy (XAS)の測定と合わせるなどして進めているが、正確な解釈を行うには更なる実験が必要である。また二酸化炭素還元用電極触媒については、酸化還元が繰り返される電極触媒の様子を再現よく測定できる電気化学測定のセルと実験手法の確立を検討してきた。本年度は電極触媒中のFe活性点の反応中酸化数状態および配位状態をXASで観測した。この触媒は二酸化炭素還元雰囲気下でも主表面種は依然高酸化数を保っており、還元された状態でないことを明らかにした。熱力学的には予想されない結果であり、その場観測が非常に重要である具体例の一つとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
上記実績にも示しているように、本年度はNear Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy (NAP-XPS)の装置、および電極触媒としてX-ray Absorption Spectroscopy (XAS)の測定装置の確認作業を主目的としていたが、高温反応のXPSも電極触媒反応中のXASも、両方とも実験を行うことができ、有益なデータが得られている。本年度は博士課程の学生一人を2か月強スタンフォードに送り、現場の研究員らと協力して研究を推進した。感染症の影響でシンクロトロン放射光施設がシャットダウンしてしまうことがあったが、それまでに得られたデータを解析し他のデータと合わせることで、投稿論文化を進めていく。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は、まず上記2実験に関して投稿論文化を進める。一つ目は、高温反応中のメタン酸化反応用触媒と、二つ目は、二酸化炭素還元用電極触媒を検討する。現在得られたデータを解析することを進め、補足データが必要かどうかを判断し、実験計画に取り入れる。東京大学側では実験および通常のキャラクタリゼーションとラマン分光、赤外分光などのスペクトロスコピーの反応中解析を進めるとともに、新たな触媒を開発する。新たな高活性触媒が得られたら、スタンフォードにフィードバックし、新たなその場観測の実験計画を練っていく。
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| Causes of Carryover |
年度末にかけて新型コロナウイルス感染症の影響で学会等が中止になり拠出の調整が必要となったため。
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