2021 Fiscal Year Research-status Report
機能協奏型W-V-Nb系複合酸化物触媒の設計とアクリル酸ワンステップ合成への展開
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20K15095
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| Research Institution | Suzuka National College of Technology |
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Principal Investigator |
小俣 香織 鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (50734133)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アクリル酸 / グリセロール / アクロレイン / バイオマス / 固体酸 / ニオブ / バナジウム / タングステン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超吸水性ポリマーの世界規模での需要拡大に備え、原料となるアクリル酸をバイオマス由来グリセロールからカーボンニュートラルにワンステップで高効率合成できる、新規機能協奏型リン添加W-V-Nb系複合酸化物触媒の機能設計が本研究の目的である。この目的を達成するために、本年度はワンステップ反応を構成する「①グリセロールからアクロレインへの脱水」「②アクロレインからアクリル酸への酸化」のうち、後段のアクロレイン酸化に及ぼすリンの添加効果について、触媒構造の観点から解明することを目指した。
シュウ酸ニオブアンモニウム（ANO）およびニオブ酸をNb源として用いて調製したW-V-Nb-Oについて、それぞれ水熱合成前の水溶液にリンを添加した。これらの触媒をアクロレイン酸化に用いたところ、ANOをニオブ源として用いたW-V-Nb-O触媒では、リンの添加によってアクリル酸の選択性が低下した。TEM観察の結果、リンの添加によって結晶が微細化していることが明らかとなり、活性点の構築に必要な秩序構造を維持できなくなったため選択性が低下したと考えられる。一方ニオブ酸を用いて調製したW-V-Nb-O触媒では、リンの添加によって選択性が向上した。TEM観察の結果、リン添加前に存在する六方晶が消失し、直方晶と三方晶の局所構造が共存する特徴的な結晶構造を有することがわかった。これらの結果から、水熱合成時のリン添加はW-V-Nb-O触媒の結晶構造を変化させ、アクリル酸収率を向上させることを明らかにした。
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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
おおむね当初の計画通りに進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和２年度には「グリセロールをアクロレインに脱水するW-Nb-Oサイトの機能」と「アクロレインをアクリル酸に酸化するVサイトの機能」にW-V-Nb-O触媒の結晶サイズが及ぼす影響を明らかにした。また令和３年度にはリンの添加によって生じるW-V-Nb-O触媒の結晶構造変化と、構造がアクリル酸選択性に及ぼす影響について知見を得た。これらを踏まえて令和４年度では、リンの添加量や添加方法を変化させ、TEMや分光分析等によって、W-V-Nb-O触媒のバルクおよび表面の構造にリンが与える影響を詳細に調査する。W-V-Nb-O触媒の結晶構造とアクリル酸選択性とを比較することで、高い選択性が得られる酸化メカニズムを考察し、アクリル酸合成反応触媒の最適構造を明らかにする。その際、V周囲の局所的な電子状態を第一原理計算し、リン添加の効果について電子論の観点からも解析を試みる。さらに触媒上で「グリセロールからのアクロレイン合成」と「アクロレインからのアクリル酸合成」の二つの反応をバランス良くシステマティックに進行できる最適条件として(i)反応物質と触媒との接触時間、(ii)反応ガス組成、(iii)反応温度を明らかにし、高効率アクリル酸合成を実現する。
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