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前期遷移金属ヒドリド化合物触媒の開拓と機構解明

研究課題

研究課題/領域番号 21J15834
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36010:無機物質および無機材料化学関連
研究機関京都大学

研究代表者

Cao Yu  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワードammonia synthesis / hydride
研究開始時の研究の概要

1. Catalyst synthesis: 1) early transition metal-based nitride-hydrides 2) intermetallic hydrides
2. Catalyst Characterization: 1) structure 2) composition 3) surface
3. Ammonia synthesis: 1) catalytic activity 2) stability
4. Kinetic studies and isotopic experiments

研究実績の概要

Early 3d transition metals, such as Ti, V, Nb or Cr are known to be inactive for the Haber-Bosch process, due to their strong M-N bonds. I expanded the study to hydrides of other early transition metals, i.e., V and Nb. These metals benefit from body-centered cubic (bcc) related structures which enhance hydride diffusion, in addition to having relatively lower M-N bond strengths. The activity of vanadium hydride, most likely with an active composition of VH0.44N0.16, is superior to the previously reported TiH2 and BaTiO2.5H0.5, and comparable to Cs-Ru/MgO. These results show that there is more potential for developing new single-phase hydride catalysts of previously overlooked elements without sacrificing activity.
Topochemical reactions have led to great progress in the discovery of new metastable compounds with novel chemical and physical properties, making it an effective method of synthesizing new hydride materials. I reported a topochemical synthesis of a new hexagonal nitride hydride, h-Ca3CrN3H, by heating an orthorhombic nitride, o-Ca3CrN3, under hydrogen at 673 K, accompanied by a rotational structural transformation. The hydrogen intercalation modifies the Ca-N rock-salt-like atomic packing in o-Ca3CrN3 to a face-sharing octahedral chain in h-Ca3CrN3H. Impressively, the h-Ca3CrN3H exhibited stable ammonia synthesis activity when used as a catalyst, even though the early transition metal Cr is not an active element for ammonia synthesis. DFT calculations reveal that nitrogen reduction could be effectively achieved through an associative mechanism.

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (4件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (1件)

  • [雑誌論文] Ammonia Synthesis via an Associative Mechanism on Alkali Earth Metal Sites of Ca3CrN3H2023

    • 著者名/発表者名
      Cao Yu、Toshcheva Ekaterina、Almaksoud Walid、Ahmad Rafia、Tsumori Tatsuya、Rai Rohit、Tang Ya、Cavallo Luigi、Kageyama Hiroshi、Kobayashi Yoji
    • 雑誌名

      ChemSusChem

      巻: 1 号: 22

    • DOI

      10.1002/cssc.202300234

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Topochemical Synthesis of Ca3CrN3H Involving a Rotational Structural Transformation for Catalytic Ammonia Synthesis2022

    • 著者名/発表者名
      Cao Yu、Kirsanova Maria A.、Ochi Masayuki、Al Maksoud Walid、Zhu Tong、Rai Rohit、Gao Shenghan、Tsumori Tatsuya、Kobayashi Shintaro、Kawaguchi Shogo、Abou‐Hamad Edy、Kuroki Kazuhiko、Tassel Cedric、Abakumov Artem M.、Kobayashi Yoji、Kageyama Hiroshi
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 61 号: 39

    • DOI

      10.1002/anie.202209187

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Vanadium Hydride as an Ammonia Synthesis Catalyst2021

    • 著者名/発表者名
      Cao Yu、Saito Ayaka、Kobayashi Yoji、Ubukata Hiroki、Tang Ya、Kageyama Hiroshi
    • 雑誌名

      ChemCatChem

      巻: 13 号: 1 ページ: 191-195

    • DOI

      10.1002/cctc.202001084

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Topochemical Synthesis of Ca3CrN3H Involving a Rotational Structural Transformation for Catalytic Ammonia Synthesis2022

    • 著者名/発表者名
      Yu Cao
    • 学会等名
      CSJ Annual meeting 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-03-26  

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