2023 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular Science of Methanol Synthesis by CO2 Hydrogenation using Zirconia-Based Catalysts
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21K04988
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
城塚 達也 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (70823003)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多田 昌平 北海道大学, 工学研究院, 助教 (60769941)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子動力学シミュレーション / 触媒 / CO2 / 第一原理計算 / 表面 / 固溶体触媒 / 界面 / 水素化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、分子科学の立場から、実験家（研究分担者：北海道大学多田昌平准教授）と連携し、ジルコニア系触媒を用いたCO2水素化によるメタノール合成の触媒反応機構を第一原理計算により解明することである。本研究では、吸着から始まる一連の化学反応の理解に、理論と実験の両面から取り組む。得られた知見を基に、表面構造・結晶性・クラスター依存性などの分子科学を探求し、より高性能な触媒開発を目指す。
まず、ZnZrOxやInZrOxなどのジルコニア系固溶体触媒における吸着構造・エネルギーや反応機構を検討した。InZrOxでは、私たちの計算は、実験結果と一致する競合的な活性化障壁を伴うメチル基の移動を強調する、可能な反応経路を示唆している。さらに、CH3OHの分解もCH4の生成に寄与することが示唆された。メチル基は、ZnZrOx触媒よりも吸着物と基質のdensity of states（状態密度）の重なりが優れているため、InZrOx触媒上にのみ吸着することができる。さらに、この研究をCuZrOx固溶体触媒によるアリールボロン酸のホモカップリングにも発展させることに成功した。他のCu2+を含む触媒とは異なり、この触媒は非常に還元しやすいCu2+種が豊富だと判明した。X線吸収分光法と密度汎関数理論計算により、これらのCu2+種が正方平面の[CuO4]構造を取ることが明らかになった。これらの非常に活性な[CuO4]種がカップリング反応を促進する上で重要であることを示唆した。
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