2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of long-lived noble metal-saving catalysts for efficient recycling of carbon dioxide
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20K15165
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
國貞 雄治 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00591075)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / ギ酸 / MXene / グラフェン / 単原子触媒 / 二酸化炭素 / 水素貯蔵 / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度も令和2年度に引き続き，二酸化炭素の高効率な再資源化を実現する長寿命な脱貴金属触媒の開発に向け，長寿命な単原子金属触媒と触媒担体の組み合わせを密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算を用いて調査した．
本年度は，触媒担体として軽元素置換グラフェンに着目した．置換元素としてB, N, O, Si, P, Sを取り扱った．触媒金属としてCu, Ptを取り扱った．まず，グラフェン格子中に導入した置換元素により，触媒金属単原子が清浄グラフェンの場合よりも安定に吸着するということを明らかにした．この時，活性の異なるPt原子とCu原子では最安定吸着構造が異なることも明らかにした．また，触媒金属に雰囲気ガスを模した様々な原子や分子が吸着した場合の触媒金属の安定性も調査した．その結果，立体構造を有する軽元素置換グラフェンは雰囲気ガスが吸着した場合でも長寿命であることを明らかにした．
次に，触媒活性を評価するため，ギ酸の構成要素であるCOとOHの吸着エネルギーを調査した．その結果，昨年度に取り扱ったMXeneと同様に，軽元素置換グラフェン上での安定性が低い触媒金属ほど，COやOHの吸着エネルギーも大きいことが明らかとなった．得られた吸着エネルギーはバルク金属触媒のものよりも大きなものであった．COやOHの吸着エネルギーと触媒活性の関係を示したボルケーノプロットとの比較から，本研究で取り扱った触媒はCOやOHの吸着エネルギーが過大なため，触媒活性はそれほど高くないということが示唆された．この触媒活性の傾向も，昨年度に取り扱ったMXeneと同様であった．そのため，MXeneと同様に，今後はよりCOやOHの吸着エネルギーを小さくする組み合わせを探索していく．また，銅ナノ粒子触媒の生成メカニズムに関する研究も行った．
これらの成果を1報の査読付き学術論文，3件の国内会議にて発表した．
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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
令和3年度は二酸化炭素の高効率な再資源化を実現する長寿命な脱貴金属触媒の開発に向け，長寿命な単原子金属触媒と触媒担体の組み合わせを密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算を用いて調査した．触媒担体として新たに昨年度と異なる軽元素置換グラフェンを取り扱った．さらに，雰囲気ガス下での安定性を調査するために，様々な原子や分子が触媒金属に吸着した場合を調査した．触媒金属と軽元素置換グラフェン，吸着子の組み合わせとして120種類程度を取り扱い系統的に調査を行った．令和2年度に成果を含め，得られた知見は，触媒担体と触媒金属，吸着子の組み合わせが触媒金属の脱落や拡散に与える影響を解明するためのデータベースとして有用であり，長寿命で高活性な触媒の開発において非常に重要なものである．また，これらの触媒上でのギ酸の構成要素であるCOやOHの吸着エネルギーも明らかにした．以上の点から，おおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度までは，触媒担体としてフリースタンディングのMXeneや軽元素置換グラフェンに着目し，密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算を用いて触媒金属と触媒担体の安定性に着目して研究を行った．令和4年度はこれらの触媒担体を別の担体へ担持することにより触媒担体の電子状態を変調し，より触媒金属の安定性を高める触媒担体の探索を行う．また，触媒反応の活性化障壁を正確に求めることができるClimbing Image Nudged Elastic Band法を用い，より正確な触媒活性評価を行う．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの影響によりオンライン開催の学会において成果発表を行ったため，当初に予算として計上していた旅費が発生しなかったため．当該助成金は令和4年度に学会のオンサイト開催が再開された場合の旅費として使用する予定である．
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