2020 Fiscal Year Research-status Report
Synthesis and characterization of amorphous SiAlCN with reversible hydrogen adsorption-desorption properties and application as a catalytic reaction field
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20K05076
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
岩本 雄二 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40399598)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本多 沢雄 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50301221)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素 / 水素貯蔵 / アモルファス / ポリマープレカーサー / 窒化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、計算上の特異なナノ構造に制御されたⅢ-Ⅴ族化合物に対して予想されている水素解離吸着機能発現を、ポリマープレカーサー法で合成が可能なアモルファスSiAlCNで実証するとともに、この材料の触媒反応場として応用が可能な新規機能材料としての有用性を明らかとすることを目的とする。
2020年度は、ポリマープレカーサー法を駆使したアモルファスSiAl(C)N系材料の合成基礎技術を構築した。この材料系では炭素量の低減化とともに、大気中での安定性が著しく低下して容易に酸化されることが分かった。しかしこの不純物酸素は、減圧下あるいは不活性雰囲気中の高温加熱処理で除去可能であった。そこで、これらの前処理をした後に水素親和性を評価したところ、目的とする水素吸脱着機能の発現を確認できた。また、CO2共存下では400℃以上の高温で、ギ酸の熱分解生成物としてCO2が脱離することを確認し、新規な水素化反応触媒としての応用の可能性も示された。これらの研究と平行して、遷移金属ナノ粒子を分散させたアモルファス窒化ケイ素、および遷移カチオンをドープしたアモルファスシリカあるいはシリカ/アルミナ複合体を合成して、水素との化学反応性を系統的に検討して、アモルファスSiAl(C)N系材料の水素親和機能の特異性を比較して考察した。
以上の研究成果は、4件の査読付論文として、すべて2020年度においてWEB上あるいは印刷済みとして公表した。
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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
当初計画に基づいて、以下の3研究項目に取り組んだ結果、当該年度において目標とする成果を得たことを基に自己評価した。
（１）2D AlNの水素解離吸着機能を担うと提唱されている不飽和Al-N結合を局所構造に取りこんだアモルファスSiAlCN材料の設計と合成： ポリマープレカーサー法を駆使したアモルファスSiAl(C)N系材料の合成検討をすすめ、出発原料のポリシラザン誘導体の選定とEtNMe2-AlH3を用いた化学改質によるSiAlCN系ポリマープレカーサーの合成ルートを構築した。ついで合成プレカーサーをアンモニア雰囲気下1000℃で熱分解することで、目的とするアモルファスSiAl(C)N系材料の合成に成功した。
（２）アモルファスSiAlCNの水素吸脱着機能発現の実証: ポリマープレカーサーから合成したアモルファスSiAlNのマイクロ・メソ細孔表面には、極めて活性の高いルイス酸性Alサイトが存在し、水素暴露条件に依存した水素の昇温脱離プロファイルを詳細に解析することで、100 °C以上で水素が化学吸着し、約100-350℃で水素が脱離し、その脱離の活性化エネルギーは44 kJ/molであることを明らかとした。さらに、水素の化学吸着に寄与するルイス酸性Alサイトの局所構造を詳細に調べた結果、水素の吸着・脱離に対応した5配位Alサイトの増減が27Al MAS NMR測定から確認され、不飽和Alサイトが水素吸着により安定化し、5配位Alに変化する新規な水素の化学吸着機構を提案した。
（３）水素解離吸着機能発現から着想したメタネーションの触媒反応場としての有効性の実証： 上記（２）で見出された水素の化学吸着は、CO2の水素化反応により400 °Cでギ酸が生成することからも確かめられたことから、新規な水素化反応触媒としての応用の可能性を見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度はSiAl(C)N系材料に加えて、遷移金属ナノ粒子を分散させたアモルファス窒化ケイ素、および遷移カチオンをドープしたアモルファスシリカあるいはシリカ/アルミナ複合体を比較材料として合成し、これらの材料の水素親和性や水素との化学反応性を系統的に評価することで、アモルファスSiAl(C)N系材料の水素親和機能の特異性についての理解を深めた結果、以下の研究方策を構築した。
（１）ポリマープレーサー法によるSiAlN系水素親和性材料の合成： 2021年度はSiAlN系のミクロメソ多孔質構造制御を進める。これにより、単位重量あたりの材料表面の水素に対する化学吸着サイト量を増加させることで、水素吸蔵量の増加と水素化反応触媒機能発現の向上を目指す。また、材料の安定性の向上と水素親和機能の両立を目的として、SiAlN系から発展させたM1SiM2N系（M1：遷移金属および貴金属以外、M2：第13族元素を予定）の新規合成と水素親和機能の評価を進める。
（２）アモルファスSiAlCNの水素吸脱着機能発現の評価: 前年度に引き続き、FT-IR,NMR,XPSなどのスペクトル解析、およびTPR/TPDによる水素吸脱着特性評価を進める。
（３）触媒反応場としての有効性の検討： 前年度に引き続き、合成した材料のガス分子の水素化反応場としての応用を試みる。具体的には、アモルファスSiAlN系およびM1SiM2N系材料に化学吸着した水素を利用したメタネーション反応の進行の可能性について検討する。なお、ここでは前年度に追加検討を開始した遷移金属ナノ粒子を分散させたアモルファス窒化ケイ素などを比較対象材料として、水素化反応場としての評価を進める。
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[Journal Article] Low temperature in-situ controlled growth of cobalt in silicon nitride toward functional nitride nanocomposites2021
Author(s)
S. Tada, M. D. Mallmann, H. Takagi, J. Iihama, N. Asakuma, T. Asaka, Y. Daiko, S. Honda, R. K. Nishihora, R. A. F. Machado, S. Bernard and Y. Iwamoto
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Journal Title
Chem. Commun.
Volume: 57
Pages: 2057-2060
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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