| 研究課題/領域番号 |
21K04988
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分32010:基礎物理化学関連
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| 研究機関 | 茨城大学 |
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研究代表者 |
城塚 達也 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (70823003)
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| 研究分担者 |
多田 昌平 北海道大学, 工学研究院, 助教 (60769941)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
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| キーワード | 第一原理計算 / 触媒 / CO2 / 分子動力学シミュレーション / 表面 / 固溶体触媒 / 界面 / 水素化 / ジルコニア |
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| 研究開始時の研究の概要 |
CO2の再資源化を目的として、ジルコニア系触媒を用いたCO2水素化によるメタノール合成が注目を集めている。本研究では、ジルコニア系触媒による触媒反応における分子科学を電子状態計算により明らかにし触媒活性との相関を解明する。そして、ジルコニア系触媒を用いたCO2水素化反応を題材とし、constrained density functional theory (CDFT)法などの触媒反応の理論的解析手法の更なる開発と応用の開拓を目指す。
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| 研究成果の概要 |
CO2は温室効果ガスであり、気候変動や海洋酸性化に悪影響を与える。CO2の再資源化技術として、水素化によるメタノール合成が注目されており、特にジルコニア系触媒が高い活性と選択性を示す。本研究では分子科学と実験の両面からジルコニア系触媒を用いたCO2水素化反応を第一原理DFT計算で解明し、高性能触媒の開発を目指した。具体的には、触媒表面のヒドロキシ基やアモルファス性、金属クラスターの影響を考慮し、吸着エネルギーや反応メカニズムを解析した。ZnZrOx固溶体触媒では、Zn種がH2を分解し、Zr種がCO2を活性化することがわかり、Cuナノ粒子生成やInZrOx触媒によるメタン副生反応も解明された。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
パリ協定が掲げる2℃シナリオに沿ってカーボンサイクルの実現に向けた研究開発が世界的に進んでいる。要となる技術がCO2の再資源化であり、本研究はジルコニア系触媒をターゲットとしている。この触媒系は高いメタノール選択性により世界中で研究競争が続いており、理論計算による検討も活発になってきている。本研究では、今までの理論計算にて軽視されてきたヒドロキシ基などの反応への寄与を計算により明らかにした。また、計算量の多さから敬遠されてきたアモルファス表面上での反応にも解明した。特に、ZnZrOxやInZrOxなどの固溶体触媒表面での反応機構が明らかになったため、今後これらの触媒の更なる応用が期待される。
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