活性点立体構造と表面吸着種のオペランド複合計測による触媒反応機構の原子レベル解明
| Project/Area Number |
21H01802
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
高草木 達 北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (30359484)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
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| Keywords | オペランド偏光全反射蛍光XAFS法 / オペランド偏光変調赤外反射分光法 / 複合表面計測 / 活性点三次元構造解析 / 表面吸着種解析 / 担持金属触媒 / 反応機構解明 / 単結晶モデル触媒表面 / 偏光全反射蛍光XAFS法 / 偏光変調赤外反射分光法 / オペランド計測 / 担体効果 |
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| Outline of Research at the Start |
固体触媒において、「触媒反応中にどういった電子状態及び立体構造（三次元原子配列）を有する活性ナノ構造が形成され、そこには吸着種がどのような状態で存在して最終生成物を与えるのか？」を解明することは、表面ナノ構造と触媒活性との相関および反応機構を真に理解し、更なる高活性化への指針を得るために不可欠である。本研究では、超高真空～大気圧下で触媒動作中活性点の電子状態及び立体構造が得られるオペランド偏光全反射蛍光XAFS法に加え、新たにオペランド偏光変調赤外反射分光法を開発し、吸着種挙動解析も可能とする複合オペランド表面計測システムを確立する。さらに酸化物担持金属触媒における担体効果の解明を試みる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、申請者が開発したオペランド偏光全反射蛍光XAFS法に加え、オペランド偏光変調赤外反射分光法を新たに開発することで、超高真空から大気圧までの圧力領域で、触媒反応中の金属活性点の電子状態・立体構造、表面吸着種の計測を可能とする複合オペランド表面計測システムを確立することである。さらに本手法を、自動車排ガス浄化の基幹反応として重要な、酸化物担持Pt触媒上でのCO酸化反応に適用し、反応中のPt活性点の電子状態（XANES）と立体構造（EXAFS）、COの吸着状態（赤外分光）を評価し、反応機構と活性支配因子を解明する。
本年度は以下の2項目を実施した。
(1) Pt/Al2O3(0001)触媒表面上CO酸化反応において、活性化エネルギーが異なる3つの温度領域（低温域、中温域、高温域。この順で活性化エネルギーは低下）を見出していたが、本年度はオペランド偏光全反射蛍光XAFS測定を行い、その起源の解明を試みた。ΔXANES法を本手法に初めて適用することで、Ptクラスター表面に吸着したCO及びOの検出と吸着種分布の偏光依存性計測が可能であることを新たに見出した。低温域でのCO酸化反応ではPt表面は吸着COでほぼ覆われ、中温域では吸着COとOが共存し、高温域では表面がわずかに酸化された状態であることがわかった。また反応中のPtクラスターの三次元構造をEXAFSで決定した。
(2) メーカーのシステム障害や世界的な半導体不足によって、納期が大幅に遅れていたオペランド偏光変調赤外反射分光法用のガスライン・排気系がようやく完成した。1気圧のCOガス存在下におけるPt基板上吸着COの赤外吸収スペクトルの測定に成功し、また、異なるサイトに吸着したCOの酸化活性についても検討を行った。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(40 results)
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[Journal Article] Cooperative Catalysis of Vibrationally Excited CO2 and Alloy Catalyst Breaks the Thermodynamic Equilibrium Limitation2022
Author(s)
Dae-Yeong Kim, Hyungwon Ham, Xiaozhong Chen, Shuai Liu, Haoran Xu, Bang Lu, Shinya Furukawa, Hyun-Ha Kim, Satoru Takakusagi, Koichi Sasaki, and Tomohiro Nozak
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Journal Title
J. Am. Chem. Soc.
Volume: 144
Issue: 31
Pages: 14140-14149
DOI
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Peer Reviewed
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