2013 Fiscal Year Annual Research Report
触媒用希少元素の節約・再利用のための担持型触媒の計算物理学と実験による設計と開発
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23246013
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
石井 晃 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70183001)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥村 和 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30294341)
有澤 光弘 大阪大学, 薬学研究科(研究院), 准教授 (40312962)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 環境対応 / 計算物理 / 合成化学 / 触媒・化学プロセス / 薬学 |
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| Research Abstract |
本申請研究では既に有澤らが見いだしている硫黄修飾金担持型パラジウム（Sulfur-modified Au-supported Pd:SAPd)の研究成果を礎に、新しい反応場である硫黄修飾金の生成機構や物性等学術的特徴をまとめている。またSAPdの利点を応用し、フローシステムを開発した。
奥村はパラジウムおよび金の自発的高分散化によるナノ粒子生成について研究した。パラジウムについてはPd単体粉末と超安定Y(USY)型ゼオライトを混合し、900-950℃で熱処理することでナノ粒子が生成することを見出した。PdとUSYゼオライトを混合し熱処理した試料の赤外吸収スペクトルを測定したところ、ゼオライトのOH基の強度が減少していたことから、PdとＨ＋の交換によってPdが高分散化したものと考えられる。高温で熱処理した試料ほど鈴木カップリング反応に高活性を示し、Pdの粒子径と触媒活性に相関が見られた。
金については金錯体とゼオライトなどの酸化物を乳鉢で物理混合し、水素雰囲気中で熱処理することによって直径約3nmの金ナノ粒子が生成することを見出した。ナノ粒子の生成にはCe02などの塩基性を有する担体とNaYゼオライトが有効であった。NaYゼオライトを単体として使用した場合には、金錯体に含まれるClとNaYゼオライトのNa＋イオンが反応することでNaClが生成すると同時に金がNaYゼオライトの外表面上に高分散することがわかった。
石井は有澤らによるSAPdでSO4分子が金表面よりパラジウム微粒子表面に吸着することを第一原理計算から示し、さらにグラフェンとh-BN表面でもパラジウム触媒の作成が可能であることを理論から予測した。またUSYゼオライトのどこにパラジウムが吸着するか数点を第一原理計算から見出し、そのそれぞれで吸着パラジウムの電子状態が違うことから、そのどれかが触媒反応に選択的に寄与していることを発見した。
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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
石井・有澤・奥村の各グループの本研究課題の当初研究目的の達成度は約９０％である。引き続き、次年度でも大きな成果を求めていく。
平成２５年度では新たに物理混合法によってパラジウムおよび金ナノ粒子を調製するという新しい方法を見出した。また、量子化学計算によってゼオライトの中での原子状パラジウムの生成過程の解析を進めており、これもおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
SAPdについては、適応反応を拡大するとともに、より高活性なSAPd触媒を開発する。Pd以外の担持金属（例えばPt、Ru、Ni、Fe）、Au以外の基板についても包括的に展開し、環境調和型有機金属触媒を論理的に開発する。
物理混合法によって調製したパラジウムおよび金ナノ粒子の触媒作用については、さらに検討する。パラジウムで見出されたような原子状の活性種は、原子1個で機能する触媒であり、配位子が存在していないことから、従来にはない触媒作用を示す可能性がある。今後はパラジウム以外の元素でも原子状触媒が生成しないかという点を検討する。さらに計算化学を併用した検討により、ゼオライトなどの酸化物と金属種との相互作用の本質について解明する予定である。
理論では､特に今年度は、有澤・奥村どちらの系についても、パラジウム以外の触媒活性について、第一原理計算から解明する予定である．
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