新規複合金属酸化物ナノ粒子多孔体の創製と逆水性シフト反応に対する機能評価

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05216
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 島 明日香 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (80570035)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小廣 和哉 高知工科大学, 環境理工学群, 教授 (60170370)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 逆水性ガスシフト反応 / ケミカルループ法 / 複合金属酸化物 / 酸素キャリア / 酸化鉄 / 酸化セリウム

Outline of Annual Research Achievements

ケミカルループ法による逆水性ガスシフト反応(RWGS-CL)は、CO2からCOを選択的に合成する方法の一つとして注目されている。本研究は、酸化鉄及び酸化セリウムから構成される複合金属酸化物多孔体の構造特性が、本反応へ与える影響について検討している。この複合金属酸化物多孔体は、酸化鉄・酸化セリウムを5 nm 以下のナノ粒子レベルで均一混合した特異的な構造を有しており、その酸化還元特性によって物理的な各化合物の混合とは異なる反応性の発現が期待される。
2020年度は、Fe、Ceの含有量が凡そ１：１の複合金属酸化物多孔体の反応特性をTGA、XPS、GC等を用いて評価した。その結果、期待通りの選択的なCO生成が確認された。反応後サンプルのSTEM-EDX分析では、反応前の構造に対してFeおよびCeの均一的な分散が維持されていることも明らかとなった。
2021年度は、サンプルの構造特性が反応に与える影響評価を中心に行った。H2-TPRでは、複合化による反応開始温度の低下は起こらず、逆に高温シフトの傾向にあった。長時間反応後のサンプルのXRD分析では、対照試験に用いた市販酸化鉄で観察されたFe(0)の生成が認められなかったことから、酸化セリウムとの複合化による反応耐久性の向上が示唆された。FeとCeの成分比率を変えた複合酸化物の製造も試み、本系ではFe:Ce＝９：１が最も安定的にRWGS-CLの酸素キャリアとして働くことが実験的に示された。XPS分析では、特にセリウムにおいてやや特異的な傾向がみられており、これが反応性にどのような影響を及ぼしているのか、現在継続的に検討中である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

・当初期待していたような、ナノ粒子の均一な複合化による反応開始温度の低温化には至らなかった。
・FeとCeの成分比については、実験的に９：１が最適であると結論付けられた。
・ナノ粒子の均一な複合化が、酸素キャリアのRWGS-CL反応に対する耐久性に寄与している可能性が示唆された。
・上記構造特性が反応に与える影響をより詳細に明らかにするには、継続的かつ集中的な分析が必要であることから、当初計画していた「明らかになった反応特性を踏まえた、多元系酸化物の製造」への着手は困難と考える。
・2021年度に合成したサンプルを用いることで、最終年度に計画している固定床反応装置の製造と、それを用いた既存の触媒反応に対する優位性の実証は実現可能である。

Strategy for Future Research Activity

固定床反応装置を製造し、それを用いた既存触媒反応との比較を行う。これによって、ケミカルループ法によるCO生成の、工学的な優位性を明らかにする。
XPS分析を中心とした、反応前後での複合酸化物多孔体の分析を引き続き実施し、反応機構に対する構造特性の寄与を明らかにする。

Causes of Carryover

半導体部品調達の影響で、マスフローコントローラーなど一部の製品の調達が年度内に完結しない見通しとなったことから、当該年度での調達を中止した。繰り越し分で次年度早々に調達することで、計画自体に支障は出ないものと考えている。