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実験と理論の協働によるメタン多量化反応の機構解明と触媒設計

研究課題

研究課題/領域番号 19F19059
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分外国
審査区分 小区分27030:触媒プロセスおよび資源化学プロセス関連
研究機関北海道大学

研究代表者

清水 研一  北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (60324000)

研究分担者 LIU CHONG  北海道大学, 触媒科学研究所, 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2019年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードNH3-SCR / O2 activation / zeolites / dehydrogenation / ethane / DFT
研究開始時の研究の概要

8.研究の概要
The direct non-oxidative conversion of methane into aromatics and hydrogen (methane dehydroaromatization, MDA) is one of the most promising processes. The research project will focus on the understanding of the fundamental factors that control the catalytic performance of MDA reaction. The reaction mechanism of MDA will be investigated using state-of-the-art computational approaches to provide molecular-level insights, aiming to deliver practical solutions for MDA optimization and to benefit on the catalyst design for efficient methane upgrading.

研究実績の概要

Selective catalytic reduction of nitrogen oxides using ammonia (NH3-SCR) over Cu-exchanged zeolites is an important process and proceeds via reduction of Cu(II) to Cu(I) and subsequent reoxidation of Cu(I) to Cu(II). Although the mechanism of reduction half cycle has been relatively well established, reoxidation pathways of Cu(I) to form the original Cu(II) species are highly complicated and remain unclear. In our study, oxidation mechanisms of Cu(I) to Cu(II) species in CHA zeolites during the NH3-SCR process were investigated by periodic DFT calculations. The NH3-solvated Cu(I) and Cu(II) species were considered for exploring the oxidative activation reaction pathways. The results show that, with O2 as the sole oxidant, Cu(I) can be effectively oxidized to Cu(II) via multinuclear Cu-oxo intermediates with moderate reaction barriers. The NO-assisted oxidation of Cu(I) was found to favor the formation of Cu nitrate/nitrite species, which seem to only act as off-cycle resting states. We propose that reoxidation of Cu(I) to Cu(II) with O2 as the sole oxidant plays a key role in the oxidation half cycle under standard NH3-SCR conditions. The obtained information would be important for various catalytic processes over cation-exchanged zeolites.

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。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Lean NOx Capture and Reduction by NH3 via NO+ Intermediates over H-CHA at Room Temperature2021

    • 著者名/発表者名
      Yasumura Shunsaku、Liu Chong、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 号: 3 ページ: 1913-1922

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c10913

    • NAID

      120007187741

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanistic insights into the oxidation of copper(i) species during NH3-SCR over Cu-CHA zeolites: a DFT study2020

    • 著者名/発表者名
      Liu Chong、Kubota Hiroe、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      Catalysis Science & Technology

      巻: 10 号: 11 ページ: 3586-3593

    • DOI

      10.1039/d0cy00379d

    • NAID

      120007044518

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] In Situ Spectroscopic Studies on the Redox Cycle of NH3?SCR over Cu‐CHA Zeolites2020

    • 著者名/発表者名
      Liu Chong、Kubota Hiroe、Amada Takehiro、Kon Kenichi、Toyao Takashi、Maeno Zen、Ueda Kakuya、Ohyama Junya、Satsuma Atsushi、Tanigawa Takuya、Tsunoji Nao、Sano Tsuneji、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      ChemCatChem

      巻: 12 号: 11 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1002/cctc.202000024

    • NAID

      120007044524

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Isolated Indium Hydrides in CHA Zeolites: Speciation and Catalysis for Nonoxidative Dehydrogenation of Ethane2020

    • 著者名/発表者名
      Maeno Zen、Yasumura Shunsaku、Wu Xiaopeng、Huang Mengwen、Liu Chong、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 142 号: 10 ページ: 4820-4832

    • DOI

      10.1021/jacs.9b13865

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation and Reactions of NH4NO3 during Transient and Steady-State NH3-SCR of NOx over H-AFX Zeolites: Spectroscopic and Theoretical Studies2020

    • 著者名/発表者名
      Kubota Hiroe、Liu Chong、Toyao Takashi、Maeno Zen、Ogura Masaru、Nakazawa Naoto、Inagaki Satoshi、Kubota Yoshihiro、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      ACS Catalysis

      巻: 10 号: 3 ページ: 2334-2344

    • DOI

      10.1021/acscatal.9b05151

    • NAID

      120006957265

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experimental and theoretical study of multinuclear indium-oxo clusters in CHA zeolite for CH4 activation at room temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Maeno Zen、Yasumura Shunsaku、Liu Chong、Toyao Takashi、Kon Kenichi、Nakayama Akira、Hasegawa Jun-ya、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 21 号: 25 ページ: 13415-13427

    • DOI

      10.1039/c9cp01873e

    • NAID

      120006866524

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Redox Cycle of NH3-SCR over Cu-CHA Zeolites: Insights from in Situ Spectroscopic Experiments and DFT Calculations2019

    • 著者名/発表者名
      Chong Liu, Hiroe Kubota, Takashi Toyao, Zen Maeno, Ken-ichi Shimizu
    • 学会等名
      The 9th East Asia Joint Symposium on Environmental Catalysis and Eco-materials
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DFT study on oxidative activation of Cu(I) species in NH3-SCR over Cu-CHA zeolite2019

    • 著者名/発表者名
      Chong Liu, Takashi Toyao, Ken-ichi Shimizu
    • 学会等名
      第124回触媒討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 北海道大学触媒科学研究所 触媒材料研究部門 清水研究室

    • URL

      http://www.cat.hokudai.ac.jp/shimizu/index.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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