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新規水素貯蔵システムの構築に向けた有機無機ハイブリッド合金ナノ粒子触媒の開発

研究課題

研究課題/領域番号 19J10153
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
審査区分 小区分26040:構造材料および機能材料関連
研究機関東京大学 (2020)
大阪大学 (2019)

研究代表者

増田 晋也  東京大学, 理学系研究科, 特任助教

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2021-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (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)
キーワード水素貯蔵/放出 / 固体触媒 / CO2 / ギ酸 / PdAg合金 / 水素 / 二酸化炭素 / 塩基
研究開始時の研究の概要

次世代エネルギーとなる水素の貯蔵・供給を容易にするため、高い水素の体積貯蔵密度、安定性などの利点を持つギ酸が水素貯蔵材料として注目されている。本研究では効率的なギ酸合成および分解に用いる触媒調製を目的とする。ギ酸合成・分解反応においてその活性および耐久性の向上が課題となっており、本計画では活性および耐久性の向上を目指した触媒金属の精密な合金制御および反応中での金属の劣化を防ぐような担体構造の制御を志向する。

研究実績の概要

本年度はクリーンな反応系を達成するため、添加剤を使用しない純水下でのギ酸合成反応のための触媒開発、およびギ酸塩/炭酸塩の相互変換系のための触媒開発を報告した。ギ酸塩/炭酸塩相互変換反応は、ガスとして水素のみが生成するためガスの分離等の必要がなく、温度と水素圧のみで反応をスイッチできるためクリーンな反応系である。
純水下でのCO2の還元を促進するため、固体塩基を有する担体の合成を試みた。アルデヒド化合物とアミン含有シリカ源を混ぜ合わせると、シリカの縮合が促進されて固体が形成することを見出し、数種のアルデヒド化合物を用いて担体を合成した。担体比較の結果、特定の担体に対してPdAg合金を担持した触媒が、室温でのギ酸合成反応に対して既存の触媒を凌駕する性能を示すことを見出した。数種の担体を解析したところ、低温でのCO2の吸着能が高く、かつCO2と比較的弱い親和性をもつ担体を用いたときに高い活性が得られることを見出した。
ギ酸塩/炭酸塩の相互変換系では、既報ではPd担持カーボン系触媒が高活性を示すことが報告されていたが、担体比較の結果Pd担持TiO2触媒がカーボン触媒と同等以上の性能を示すことを見出した。また、合金種としてPdAgやPdAu合金が高い活性を示した。そこで更なる高活性化を志向し、AgコアPdシェル型の合金をTiO2のシェルで被覆する構造の作製を行った。この構造では、PdがAgとTiO2の両方から電子的寄与を受け、高活性サイトとして期待されるPd-TiO2界面の増加が達成できる。結果として、本構造の作製によって活性の増加が見られ、特にCO吸着より算出した表面Pd当たりの活性が大きく向上することを見出した。速度論的同位体効果や基質濃度依存性によって合金効果、および被覆効果が律速段階を促進することを見出した。

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

    (15件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Additive-Free Aqueous Phase Synthesis of Formic Acid by Direct CO2 Hydrogenation over a PdAg Catalyst on a Hydrophilic N-Doped Polymer Silica Composite Support with High CO2 Affinity2020

    • 著者名/発表者名
      Masuda Shinya、Mori Kohsuke、Kuwahara Yasutaka、Louis Catherine、Yamashita Hiromi
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 3 号: 6 ページ: 5847-5855

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c00771

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Interconversion of Formate/Bicarbonate for Hydrogen Storage/Release: Improved Activity Following Sacrificial Surface Modification of a Ag@Pd/TiO2 Catalyst with a TiOx Shell2020

    • 著者名/発表者名
      Masuda Shinya、Shimoji Yuki、Mori Kohsuke、Kuwahara Yasutaka、Yamashita Hiromi
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 3 号: 6 ページ: 5819-5829

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c00744

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] PdAg nanoparticles and aminopolymer confined within mesoporous hollow carbon spheres as an efficient catalyst for hydrogenation of CO2 to formate2020

    • 著者名/発表者名
      Guoxiang Yang, Yasutaka Kuwahara, Shinya Masuda, Kohsuke Mori, Catherine Louis, and Hiromi Yamashita
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 8 号: 8 ページ: 4437-4446

    • DOI

      10.1039/c9ta13389e

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] PdAg nanoparticles supported on resorcinol-formaldehyde polymers containing amine groups: the promotional effect of phenylamine moieties on CO2 transformation to formic acid2019

    • 著者名/発表者名
      Shinya Masuda, Kohsuke Mori, Yasutaka Kuwahara, and Hiromi Yamashita
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 7 号: 27 ページ: 16356-16363

    • DOI

      10.1039/c9ta02552a

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Controlled Release of Hydrogen Isotope Compounds and Tunneling Effect in the Heterogeneously-Catalyzed Formic Acid Dehydrogenation2019

    • 著者名/発表者名
      Kohsuke Mori, Yuya Futamura, Shinya Masuda, Hisayoshi Kobayashi, and Hiromi Yamashita
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 号: 1 ページ: 4094-4103

    • DOI

      10.1038/s41467-019-12018-7

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Specific Formation of Immiscible RhCu Alloy on TiO2 Assisted by Hydrogen Spillover and its Catalysis2020

    • 著者名/発表者名
      Shinya Masuda, Kazuki Shun, Kohsuke Mori, Yasutaka Kuwahara, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      17th International Congress on Catalysis (17th ICC)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 水素スピルオーバーを利用した非平衡RhCu合金の合成と合金化メカニズムの提案2020

    • 著者名/発表者名
      増田晋也、俊和希、森浩亮、桑原泰隆、山下弘巳
    • 学会等名
      第125回触媒討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 純水中でのギ酸合成反応に対して高活性なPdAg合金担持窒素含有炭素シリカ複合型触媒の開発2019

    • 著者名/発表者名
      増田晋也、森浩亮、山下弘巳
    • 学会等名
      触媒学会若手会「夏の研修会」
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 酸化チタン上での特異的な非平衡RhCu合金の形成とその触媒作用2019

    • 著者名/発表者名
      増田晋也、俊和希、森浩亮、桑原泰隆、山下弘巳
    • 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
  • [学会発表] 非平衡RhCu合金触媒の開発とアンモニアボランからの水素生成反応への応用2019

    • 著者名/発表者名
      増田晋也、俊和希、森浩亮、桑原泰隆、山下弘巳
    • 学会等名
      第49回石油・石油化学討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Preparation of Highly Active Immiscible RuNi Bimetallic Alloy and its Catalysis for Hydrogen Production from Ammonia Borane2019

    • 著者名/発表者名
      Shinya Masuda, Kohsuke Mori, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      17th Japan-Korea Symposium on Catalysis
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrogen Supply/Storage through the Decomposition/Production of Formic Acid using the Synergic Effect of PdAg Alloy and Surface Modified Amine on the Porous Materials2019

    • 著者名/発表者名
      Shinya Masuda, Kohsuke Mori, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      19th International Zeolite Conference
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Specific Mechanism of Ruthenium-Nickel Immiscible Alloy Formation on the TiO2 Support and its Catalysis2019

    • 著者名/発表者名
      Shinya Masuda, Kohsuke Mori, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      The 8th Asia Pacific Congress on Catalysis
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of an Immiscible RuNi Alloy on TiO2 for Efficient Hydrogen Release from Ammonia Borane Hydrolysis2019

    • 著者名/発表者名
      Shinya Masuda, Kohsuke Mori, Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      Osaka-Shanghai Joint Workshop for Energy/Environmental Materials and Applications
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [図書] ファインケミカル2020

    • 著者名/発表者名
      増田晋也、森浩亮、山下弘巳
    • 総ページ数
      80
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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