2021 Fiscal Year Annual Research Report

酸化グラフェン層間を利用した合金ナノシートの調製とそれらの触媒反応への応用

Research Project

Project/Area Number	20H02526
Research Institution	Doshisha University
Principal Investigator	竹中壮同志社大学, 理工学部, 教授 (10302936)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	ナノシート / 貴金属
Outline of Annual Research Achievements	貴金属は様々な反応の触媒活性成分として利用されているが，高価であるため貴金属の使用量低減が求められている．貴金属触媒の使用量低減には，触媒設計の指針となる貴金属の触媒作用の理解が重要である．そこで組成および幾何学的・電子的構造が制御された貴金属および貴金属系合金粒子の触媒作用が検討されている．本研究では，積層型酸化グラフェンが有する２次元ナノスケール層間を利用したナノシート調製法により，貴金属および貴金属系合金から構成される単結晶ナノシートを調製するとともに，ここで得られた貴金属系ナノシートを触媒反応に利用し，貴金属および貴金属系合金の触媒作用を明らかにする．我々は昨年度までの研究によりPt，Rhナノシートの調製に成功した．一方でPdナノシートを本調製法で調製することには失敗した．そこで本年度はPdのナノシート化を試みた．酸化グラフェン層間に閉じ込めるPd種の種類，Pdの濃度，還元温度，還元剤の種類等を検討した結果，還元温度の変化によりPdナノシートの生成を確認した．積層型酸化グラフェン層間に塩化Pd水溶液を閉じ込め，120～180℃の還元温度で処理し，得られた試料を透過型電子顕微鏡により確認したところ，140℃での加熱によりPdナノシートの生成を確認した．一方，それ以上の高温では球状のPd粒子が生成した．高温で試料を処理した場合，Pd種がすべて還元され，その後に進行する結晶成長が進行しないのに対し，140℃程度で還元するとPd核が生成した後も十分にPdカチオンが残っており，Pd核を中心にPdナノシートが成長したと考えられる．
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，積層型酸化グラフェンが有する２次元ナノスケール層間を利用して貴金属および貴金属系合金から構成される単結晶ナノシートを調製するとともに，ここで得られた貴金属系ナノシートを触媒反応に利用し，貴金属および貴金属系合金の触媒作用を明らかにすることを目的にしている．今年度はPt，Rhに加え，Pdのナノシート化に成功し，貴金属ナノシートの触媒作用を検討するための試料数がそろった．またこれらナノシートはグラフェンシート層間に存在するため，グラフェンの除去が必要であるが，その除去方法を複数検討した結果，硝酸などでのグラフェンの酸化による貴金属ナノシート表面が露出することを明らかにした．したがって調製した貴金属ナノシートの特異な触媒作用を明らかにするという最終目標にむけた準備が整った．
Strategy for Future Research Activity	本研究では，貴金属系触媒の貴金属使用量低減を目的に，各種貴金属および貴金属系合金ナノシートの調製法を確立するとともに，調製した貴金属および貴金属系合金ナノシートの触媒作用を明らかにする．本年度までの研究により，Pt，RhおよびPdのナノシート化に成功した．そこで最終年度は，調製した各種貴金属ナノシートの触媒作用を先らかにする．触媒反応としては，二酸化炭素の水素化，およびメタン燃焼を検討する予定である．二酸化炭素の水素化は，近年炭酸ガス排出削減が求められる中，きわめて注目されている．この反応では，用いる触媒によってメタンあるいはCOあるいはメタノールが生成するが，その選択性制御因子は不明である．またメタンはCO2と同様に温室効果ガスであり，その排出削減が求められる．メタンを完全燃焼するために貴金属が利用されるが，その触媒作用は貴金属の種類に加え，その構造に強く依存ずる．そこで表面構造の均一性が高い貴金属ナノシートでこれらの触媒反応を行えば，触媒構造と触媒作用の関係が明らかになり，それらの知見は高性能触媒開発に資する知見となる．また今年度は貴金属ナノシートの触媒作用を修飾するために，合金ナノシートの調製も試みる．