遷移金属含有エレクトライドを用いた非担持型触媒の開発

• 研究課題/領域番号: 18J00745
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 機能物性化学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 魯 楊帆 東京工業大学, 元素戦略研究センター, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2019年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2018年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: エレクトライド / 鈴木カップリング反応 / パラジウム / ナノ化 / 金属間化合物 / アンモニア合成触媒 / 選択的水素化反応触媒 / モット絶縁体

研究実績の概要

一般的な不均一系触媒は遷移金属などの活性種と酸化物などの担体によって構成される。担体はPd等の貴金属を分散させる役割を持つものの、一般に担体と活性種の相互作用は弱く、触媒サイクルに寄与しない。一方、近年当グループが報告したRu/C12A7:e-等の触媒は担体が電子供与や水素吸蔵を通して触媒活性を大きく向上し、担体のアクティブな効果の重要性が認識されつつある。
申請者は触媒サイクルにおける担体の効果に着目し材料設計を行いNi/LaNとPd-ZrCを開発し、アンモニア合成及び鈴木カップリング等の重要な触媒反応で顕著な成果を挙げた。Ni/LaN触媒においてNiとLaNのそれぞれ異なる機能に着眼し、アンモニア合成において窒素と水素の活性化を空間的に分離することを着想した。本触媒においてLaNは窒素の吸収・活性化に寄与する一方Ni上では水素の開裂が進行し、その界面でアンモニアが発生する。この機構は「双活性点モデル」として今後の廉価なアンモニア触媒開発の重要な指標になるものと期待される。またPd-ZrC触媒では高表面積ZrC上でZrPd3を分散させることに成功した。本触媒では高価なPdの担持量を大きく低減できるだけでなく、ZrCからZrPd3へ電子供与がなされ、より低温で鈴木カップリング反応が進行することから産業界への応用が強く期待される。
以上の成果は活性種と担体を組み合わせこれまでにない機能を実現したものであり、不均一系触媒の材料設計において大きなインパクトを与えている。また、申請者は上記の内容を基に論文執筆知的財産構築にも貢献しており、期待以上の成果があったと評価できる。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] 華中科技大学(中国)
• [国際共同研究] 中国科学院(中国)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Wisconsin-Madison(米国)
• [雑誌論文] Detecting electron-phonon coupling during photoinduced phase transition (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Takeshi、Shinohara Yasushi、Lu Yangfan、Watanabe Mari、Xu Jiadi、Ishikawa Kenichi L.、Takagi Hide、Nohara Minoru、Katayama Naoyuki、Sawa Hiroshi、Fujisawa Masami、Kanai Teruto、Itatani Jiro、Mizokawa Takashi、Shin Shik、Okazaki Kozo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 12 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l121105
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Toward 2D Magnets in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)n Bulk Crystal (2020)
  • 著者名/発表者名: Wu Jiazhen、Liu Fucai、Liu Can、Wang Yong、Li Changcun、Lu Yangfan、Matsuishi Satoru、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 32 号: 23 ページ: 2001815-2001815
  • DOI: 10.1002/adma.202001815
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous Charge State Evolution and Its Control of Superconductivity in M3Al2C (M = Mo, W) (2020)
  • 著者名/発表者名: Ying Tianping、Muraba Yoshinori、Iimura Soshi、Yu Tongxu、Cheng Peihong、Kamiya Toshio、Lu Yangfan、Li Jiang、Qi Yanpeng、Hosono Hideo
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 号: 6 ページ: 101196-101196
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101196
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacancy-enabled N2 activation for ammonia synthesis on an Ni-loaded catalyst (2020)
  • 著者名/発表者名: Ye Tian-Nan、Park Sang-Won、Lu Yangfan、Li Jiang、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Tada Tomofumi、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Nature 巻: 583 号: 7816 ページ: 391-395
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2464-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Resistive anisotropy of candidate excitonic insulator Ta2NiSe5 under pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Arima, Y. Naito, K. Kudo, N. Katayama, H. Sawa, M. Nohara, Y. F. Lu, K. Kitagawa, H. Takagi, Y. Uwatoko and K. Matsubayashi
  • 雑誌名: J. Phys 巻: 1609 号: 1 ページ: 012001-012001
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1609/1/012001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Contribution of Nitrogen Vacancies to Ammonia Synthesis over Metal Nitride Catalysts (2020)
  • 著者名/発表者名: Ye Tian-Nan、Park Sang-Won、Lu Yangfan、Li Jiang、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 号: 33 ページ: 14374-14383
  • DOI: 10.1021/jacs.0c06624
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Intermetallic ZrPd3-Embedded Nanoporous ZrC as an Efficient and Stable Catalyst of the Suzuki Cross-Coupling Reaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Lu Yangfan、Ye Tian-Nan、Park Sang-Won、Li Jiang、Sasase Masato、Abe Hitoshi、Niwa Yasuhiro、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 10 号: 24 ページ: 14366-14374
  • DOI: 10.1021/acscatal.0c03416
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient Ammonia Synthesis over Phase-Separated Nickel-Based Intermetallic Catalysts (2020)
  • 著者名/発表者名: Ye Tian-Nan、Lu Yangfan、Kobayashi Yasukazu、Li Jiang、Park Sang-Won、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 号: 52 ページ: 28589-28595
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c09590
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pseudogap Control of Physical and Chemical Properties in CeFeSi-Type Intermetallics (2019)
  • 著者名/発表者名: Wu Jiazhen、Lu Erdong、Li Jiang、Lu Yangfan、Kitano Masaaki、Fredrickson Daniel C.、Inoshita Takeshi、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 号: 4 ページ: 2848-2855
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b03539
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Palladium-bearing intermetallic electride as an?efficient and stable catalyst for Suzuki cross-coupling reactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Ye Tian-Nan、Lu Yangfan、Xiao Zewen、Li Jiang、Nakao Takuya、Abe Hitoshi、Niwa Yasuhiro、Kitano Masaaki、Tada Tomofumi、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13679-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Valence-bond insulator in proximity to excitonic instability (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Chiba, T. Mitsuoka, N. L. Saini, K. Horiba, M. Kobayashi, K. Ono, H. Kumigashira, N. Katayama, H. Sawa, M. Nohara, Y. F. Lu, H. Takagi, T. Mizokawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 24 ページ: 245129-245129
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.245129
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coherent order parameter oscillations in the ground state of the excitonic insulator Ta2NiSe5 (2018)
  • 著者名/発表者名: Werdehausen Daniel、Takayama Tomohiro、Hoppner Marc、Albrecht Gelon、Rost Andreas W.、Lu Yangfan、Manske Dirk、Takagi Hidenori、Kaiser Stefan
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 4 号: 3 ページ: 8652-8652
  • DOI: 10.1126/sciadv.aap8652
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photo-excited dynamics in the excitonic insulator Ta2NiSe5 (2018)
  • 著者名/発表者名: Werdehausen Daniel、Takayama Tomohiro、Albrecht Gelon、Lu Yangfan、Takagi Hidenori、Kaiser Stefan
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 30 号: 30 ページ: 305602-305602
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aacd76
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Realization of Mott-insulating electrides in dimorphic Yb5Sb3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Lu Yangfan、Wang Junjie、Li Jiang、Wu Jiazhen、Kanno Shu、Tada Tomofumi、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 12 ページ: 125128-12540
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.125128
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photo-induced semimetallic states realised in electron-hole coupled insulators (2018)
  • 著者名/発表者名: Kozo Okazaki, Yu Ogawa, Takeshi Suzuki, Takashi Yamamoto, Takashi Someya, Shoya Michimae, Mari Watanabe, Yangfan Lu, Minoru Nohara, Hidenori Takagi, Naoyuki Katayama, Hiroshi Sawa, Masami Fujisawa, Teruto Kanai, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, Takashi Mizokawa, Shik Shin
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9:4322 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1038/s41467-018-06801-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of Rare-Earth-Based Metallic Electride Nanoparticles and Their Catalytic Applications to Selective Hydrogenation and Ammonia Synthesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Lu Yangfan、Li Jiang、Ye Tian-Nan、Kobayashi Yasukazu、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 8 号: 12 ページ: 11054-11058
  • DOI: 10.1021/acscatal.8b03743
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Identifying quasi-2D and 1D electrides in yttrium and scandium chlorides via geometrical identification (2018)
  • 著者名/発表者名: Wan Biao、Lu Yangfan、Xiao Zewen、Muraba Yoshinori、Kim Junghwan、Huang Dajian、Wu Lailei、Gou Huiyang、Zhang Jingwu、Gao Faming、Mao Ho-kwang、Hosono Hideo
  • 雑誌名: npj Computational Materials 巻: 4 号: 1 ページ: 77-86
  • DOI: 10.1038/s41524-018-0136-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Honeycomb lattice based electrides: Electronic structures and catalytic applications towards selective hydrogenation (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. F. Lu
  • 学会等名: Material Research Meeting 2019
  • 国際学会
• [産業財産権] 金属間化合物担持炭化ジルコニウム (2020)
  • 発明者名: 細野秀雄、北野政明、魯楊帆、叶天南、横山壽治
  • 権利者名: 細野秀雄、北野政明、魯楊帆、叶天南、横山壽治
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-081143
  • 出願年月日: 2020
• [産業財産権] 特許権 (2018)
  • 発明者名: 細野秀雄、北野政明、多田朋史、横山壽治、戸田喜丈、魯楊帆、李江
  • 権利者名: 東京工業大学、国立研究開発法人 科学技術振興機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018
  • 取得年月日: 2018
  • 外国