二酸化炭素水素化による低温メタノール合成に有効な高機能触媒系の開発

• Project/Area Number: 20F20345
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Host Researcher: 清水 研一 北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (60324000)
• Foreign Research Fellow: WANG GANG 北海道大学, 触媒科学研究所, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2020-11-13 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2022: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000); Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2020: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: CO2水素化 / 不均一系触媒 / In situ/Operando分

Outline of Research at the Start

理論と実験を組み合わせた手法を用いて、温和な条件でのCO2水素化反応によるメタノール合成に有効な触媒開発を行う。研究開始初期は、触媒スクリーニングと触媒反応の性能制御因子の解明を行う。In situ/Operando分光や速度論解析を用いて、各触媒の構造・電子状態を決定し、活性・選択性との相関から性能制御因子を決定する。得られる触媒設計指針に基づいて、新規触媒開発も行う。情報科学を利用した"触媒インフォマティクス"に関する知見も積極的に利用する予定としている。実験・理論・データ科学を組み合わせた新しい研究アプローチを用いて、CO2水素化反応によるメタノール合成の学理を築く。

Outline of Annual Research Achievements

理論と実験を組み合わせた手法を用いて、温和な条件でのCO2水素化反応によるメタノール合成に有効な触媒開発を目指している。CO2から温和な条件でメタノールを製造する触媒プロセスは持続可能社会実現のためのコア技術であるが、反応の難度が高く、現在の触媒技術では十分な生成物収率が得られない。革新的な触媒設計が必要である。我々がこれまでに培ってきた理論計算に関する知見と、in situ/operando分光を組み合わせることでCO2有効利用触媒技術の開発・触媒設計指針の確立を行う本研究は非常に意義深いと考えている。
研究開始初期は、触媒スクリーニングを行った。具体的には、これまでの研究で用いてきた、すでに調製・構造解析済みの50種類ほどの担持触媒を用いて低温でのメタノール合成反応を行った。さらに、In situ/Operando分光や速度論解析を用いて、有望な触媒の構造・電子状態を決定し、活性・選択性との相関から性能制御因子を決定した。その際、情報科学を利用した"触媒インフォマティクス"に関する知見も積極的に利用した。
今後、実験・理論・データ科学を組み合わせた新しい研究アプローチを用いて、CO2水素化反応によるメタノール合成の学理を築いていく。固体触媒の設計理論は体系化されていない部分が多く、触媒探索の方法論は「絨毯爆撃的なスクリーニング」から脱却できていない。苦労の末開発した新触媒も1つの成功例で終わってしまう。開発した新規触媒を単なる1成功例に終わらせることなく、その高性能要因を抽出し一般化することで、さらなる高活性触媒開発の礎とする。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

触媒スクリーニングを中心に行い、50種類ほどの触媒を試した。さらに、In situ/Operando分光や速度論解析を用いて、有望な触媒の構造・電子状態を決定し、活性・選択性との相関から性能制御因子を決定した。

Strategy for Future Research Activity

触媒反応の性能制御因子の解明を行う。In situ/Operando分光や速度論解析を用いて、各触媒の構造・電子状態を決定し、活性・選択性との相関から性能制御因子を決定する。
得られる触媒設計指針に基づいて、新規触媒開発も行う。