Oxidation suppression of metal catalyst by using cerium-oxide cluster co-catalyst

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05252
• Research Institution: Genesis Research Institute, Inc.
• Principal Investigator: 早川 鉄一郎 株式会社コンポン研究所, 研究部, 研究員 (90557745)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 酸化セリウム / 銅-酸化セリウム / クラスター / X線吸収分光 / 酸化状態

Outline of Annual Research Achievements

本研究は「セリアを助触媒とした触媒系において、セリアをクラスター化すると酸素過剰雰囲気における触媒金属の酸化が抑制され、触媒性能が向上する」 との仮説を検証し、 気相孤立系から担持系へ展開して実触媒設計の指針を得ることを目的とする。
研究は、気相孤立系における酸化抑制の検証と理解、および実用に向けたモデルとしての担持系への展開の2つからなる。2020年度は気相孤立系として酸化セリウムクラスターと複合化した銅原子および酸化マグネシウムクラスターと複合化した銅原子それぞれの酸化状態を比較して、酸化セリウムクラスター上では銅が1価に保たれるのに対して酸化マグネシウムクラスター上では銅が2価に酸化されるとの結果を得た。すなわち銅原子の酸化抑制は酸化セリウムのクラスターと複合することで発現すると結論できる。
一方で実用に向けたモデル系として、担持されたクラスターにおける酸化抑制について調べる準備を開始した。2020年度はまず酸化セリウム粉末に銅原子を担持した試料に対してX線吸収分光測定を実施した。装置製作前の予備的な測定として試料搬送を大気中で行ったため酸化状態の議論には適さないが、銅の吸収に起因するピークを持つスペクトルが得られ、担持クラスターに対する酸化状態測定が可能であることを確認した。本研究では次の段階として、真空中で担持したクラスターを真空のまま搬送して測定することを計画しており、2020年度はそのための搬送装置を設計した。なお装置の製作・組立は2021年5月時点で完了している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究は気相孤立系と担持系の両面から進める計画であるが、それぞれについて以下のような進展を得ており、全体としておよそ計画通りに進捗していると考えられる。
気相孤立系：酸化セリウムクラスターとの複合化により銅の酸化が抑制される、との仮説を確かめるために、酸化セリウムクラスターと酸化マグネシウムクラスターの比較を行った。酸化マグネシウムクラスターとの複合化では銅の酸化抑制が見られなかったことから、銅の酸化抑制が酸化セリウムクラスターとの複合化に起因することを確認した。これは本研究における仮説の根幹となる部分が正しかったことを意味しており、研究全体の根拠づけとして非常に重要な進展である。
担持系：本研究では孤立系での知見を実用系につなげるため、モデル系としてクラスターを酸化物粉末に担持して測定を行う。担持クラスターに対する測定はまだ確立されているとは言えないため、試料を大気中で搬送する予備的な測定を実施した。その結果、計画した測定手法が実現可能であることを確認したため、当初計画に基づいた装置の設計を行った。装置の製作、組立は2021年度に持ち越したが、大きく遅れることなく当初計画の測定に向けた準備が整いつつある。

Strategy for Future Research Activity

当初計画に大きな変更はなく、これまでの測定を継承して、気相孤立系と担持系の両面で以下のように研究を推進していく。
気相孤立系：本研究の背景として触媒機能を持つ銅（酸化物）クラスターの研究がある。それを踏まえて、銅原子でなく銅クラスターを酸化セリウムクラスターと複合化させて調べていく。さらに、クラスターの化学反応（酸化反応）について調べる準備を進める。
担持系：銅/酸化セリウム複合化クラスターを真空中で酸化物表面に担持して、真空に保持したままX線吸収分光測定を行い、銅の酸化状態について調べていく。そのための装置は2020年度に設計、2021年度に入って製作および組立が終わっており、今後テストおよび本測定を進めていく予定である。

Causes of Carryover

担持クラスター搬送装置の製作が2021年度に入ったため、2020年度予定の支出を2021年度に変更した。研究の実施計画、研究費の使用計画に大きな変更はない。