2015 Fiscal Year Annual Research Report
鉄酸化物構造体触媒の格子酸素レドックス機能促進による高機能物質変換システム群構築
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26709059
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
渡部 綾 静岡大学, 工学部, 助教 (80548884)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 鉄酸化物 / 構造体触媒 / レドックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，鉄酸化物がもつ格子酸素の自立的レドックス機能を促進し，高速・高効率に反応基質を物質変換する反応システム群を構築することを目的としている。
平成２７年度は，前年度に開発したCO変性用の鉄酸化物構造体触媒の性能向上を図るために，助触媒の添加効果について検討した。助触媒成分としてニッケルを酸化鉄に組み込んだ構造体触媒は，酸化鉄のみから構成される触媒と比較して，反応選択性がやや低下するものの反応性が向上することが明らかになった。またニッケルを酸化鉄に組み込んだ構造体触媒に，さらにカリウム成分を添加することで選択性や反応性が大幅に向上し，カリウム担持量を最適化することで活性の大幅な低温化を達成した。カリウム成分の担持量を最適化した触媒(K(1.0)/Ni-FeOx)とカリウム成分無担持の触媒(Ni-FeOx)の反応率の温度依存性を評価した結果，Ni-FeOx触媒に比べてK(1.0)/Ni-FeOx触媒は優れた活性を示し，最大で75℃も低温化することを見出した。
また鉄酸化物構造体触媒のプロパン脱水素特性についても検討した。様々な遷移金属酸化物触媒の反応性を評価したが，いずれの触媒も著しく低いプロピレン選択性を示し，活性も急速に劣化した。一方，硫酸処理を施した遷移金属酸化物触媒は，選択的にプロピレンを生成した。とくに鉄酸化物系触媒が，高選択的で安定的にプロピレンを生成した。反応後の析出炭素量について評価したところ，硫酸処理を施していない触媒上には多量の炭素が析出していたが，硫化処理を施した触媒上にはほとんど炭素が析出していなかった。この硫酸処理は脱水素特性の向上だけでなく炭素析出抑制に対しても有効であることが明らかとなった。XPS測定から,この触媒の金属カチオンの電子状態は硫酸種側に偏っていることがわかり,これがプロパンからの脱水素反応促進の一因と推測された。
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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
前年度は,やや遅れた状態から開始したが，研究に係る人員を増加して遅延を取り戻し，CO変性反応およびプロパン脱水素に優れた性能を示す鉄酸化物触媒が得られた。また鉄酸化物のレドックス特性が反応に重要な役割を担っていることが明らかになったので，今年度は反応機構や構造評価を重点的に取り組み，選定した反応に格子酸素が関与することを実証し，【鉄酸化物構造】，【レドックス機能】，【反応性】の学理を体系化する。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度は，CO変性用触媒として優れた性能を示す鉄酸化物構造体触媒を開発し，またプロパン脱水素に対しても有効な鉄酸化物系触媒を見出した。
本年度は，これら開発した触媒が工業触媒と比較して活性および選択性の観点から優位性を示すか検討する。また高性能を示した要因について反応機構の観点から調査する。具体的には，濃度ジャンプ法を用いた過渡応答試験により，CO変性反応やプロパン脱水素の速度論的に解析して反応機構を調査する。反応物の濃度を急激に変化させた際に応答する生成物の挙動を質量分析計で追跡し，速度論的に評価して，触媒中の格子酸素が反応に関与するレドックス型のメカニズムであることを明らかにする。
さらに開発した鉄酸化物触媒のレドックス特性と鉄酸化物構造やその電子状態について，重点的に検討する。SPring-8やあいちシンクロトロンを用いての局所構造解析，構成金属のXPSによる電子状態解析を行ない，触媒の物理的化学的な情報を収集する。これらの物理的化学的な情報をもとに，鉄酸化物構造体触媒を1-メチルナフタレンの水蒸気改質に応用し，物質システム変換群の充実を図る。
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