| 研究課題/領域番号 |
21K14494
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分28030:ナノ材料科学関連
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
魯 楊帆 東京工業大学, 元素戦略研究センター, 特任助教 (70897248)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2022-03-31
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| 研究課題ステータス |
中途終了 (2021年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | アンモニア合成 / ニッケル系触媒 / 窒化物 / 窒素欠損 / 金属間化合物 / ナノ粒子 / 触媒 / 鈴木カップリング |
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| 研究開始時の研究の概要 |
金属間化合物では活性金属の直接的な電子制御が可能であり、より温和な条件下で鈴木カップリング等の重要な化学反応に適用できるものの貴金属効率が極めて低いことから大規模な実用化の目途は立っていない。本研究において申請者は気相合成法及び元素交換担持法を用いた金属間化合物触媒のナノ粒子化を実現し、貴金属効率の劇的な向上を目指す。気相合成法では酸素や水のない正常な環境下で行い、気相中において金属間化合物の合成を目指す。一方で元素交換法は複合材料の熱処理を行うためより安価にナノ粒子化ができる。以上の方法を組み合わせ、金属間化合物触媒の触媒メカニズムの解明を通して産業化に貢献する。
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| 研究実績の概要 |
アンモニアは化学肥料などの原料になることから近年より温和な環境下でのアンモニア合成反応が注目を集めている。その一例がエレクトライド触媒である。エレクトライドは低い仕事関数等の特徴的な電子特性を有し、吸着した窒素原子に電子を供給することで窒素窒素三重結合を弱め、伝統的なハーバー・ボッシュよりも低い反応温度と圧力下で高効率アンモニア合成を実現した。しかし、エレクトライド触媒では一般に高価なRuが使用されることから、ユビキタス元素からなる高効率アンモニア合成触媒の創成が望まれている。
本研究ではCeNとCoを組み合わせることでレアメタルフリーなアンモニア合成触媒を実現した。また、アーク気相反応法を用いてCeNナノ粒子を合成し、高い比表面積を有するCo/CeNの開発も行った。Co/CeN触媒の反応効率は360 °C、0.1 MPaの反応条件下で5.8 mmol/ghであった。また、アンモニア合成の活性化エネルギーは42.6 kJ/molとRu/MgO等の酸化物触媒（～100 kJ/mol）よりはるかに低いことから、Co/CeNは特に低温で力を発揮する触媒と言える。
Co/CeN触媒は反応メカニズムも特徴的である。具体的に、申請者らは本研究において、通常のdissociative機構の他にCeNの窒素が反応に寄与するassociative機構がCo/CeN触媒において協奏することを見出した。dissociative機構ではCo上に窒素分子が吸着され、熱エネルギーによって分裂する一般的な反応メカニズムであり、associative機構では吸着水素がCeNの窒素と直接反応する。上記の機構では活性サイトが空間的に分離していることからお互い対立せず、より高い反応効率が実現した。
今後の課題として、CeNは空気中水中で不安定であることから当該触媒の化学的安定性向上などが挙げられる。
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