| 研究課題/領域番号 |
22K18312
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| 研究種目 |
挑戦的研究(開拓)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分27:化学工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
平井 隆之 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (80208800)
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| 研究分担者 |
白石 康浩 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (70343259)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
24,700千円 (直接経費: 19,000千円、間接経費: 5,700千円)
2024年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2023年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2022年度: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
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| キーワード | アンモニア / 光触媒 / ニオブ酸スズ / 人工光合成 / エネルギー |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ニオブ酸スズ半導体を基盤とする光触媒により、太陽光を利用して、NH3を原料とする新しい物質変換技術を開発する。NH3水溶液から硝酸を製造しながら純粋なH2ガスを生成させる反応、ならびに NH3水溶液とCO2ガスから常温・常圧下で尿素を合成する反応、の二つの太陽光エネルギー蓄積型新反応に挑戦する。特殊酸化サイト（Sn-N-Nb）の解析とメカニズムの解明に基づく基礎固めを行うほか、酸化サイト近傍への還元活性点の導入などの機能集積を通して活性の飛躍的な向上を目指す。これらの研究を通して、高難度反応を太陽光エネルギーにより常温で進行させる革新技術を確立するほか、NH3の関わる触媒化学を開拓する。
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| 研究実績の概要 |
ニオブ酸スズ半導体を基盤とする光触媒により、太陽光を利用して、NH3を原料とする新しい物質変換技術を開発する。(1)NH3水溶液から硝酸を製造しながらH2ガスを生成させる反応、ならびに (2)NH3水溶液とCO2ガスから常温・常圧下で尿素を合成する反応、の二つの太陽光エネルギー蓄積型反応に挑戦する。特殊酸化サイト（Sn-N-Nb）の解析とメカニズムの解明に基づく基礎固めを行うほか、酸化サイト近傍への還元活性点の導入などの機能集積を通して活性の飛躍的な向上を目指す。これらの研究を通して、高難度反応を太陽光エネルギーにより常温で進行させる革新技術を目指す。
2023年度は、(1)を進行させるPt/Sn2Nb2O7触媒についての検討を行った。本触媒は定常的に上述の反応（NH3 + 3H2O → 4H2 + HNO3）を進行させる。この定常反応が進行する前には、H2とN2が生成する初期反応が進行し、この際、触媒表面の酸素原子が脱離する。すなわち、初期反応より表面酸素欠陥が形成され、これを活性点として定常反応が進行することが分かった。同元素から構成されるSnNb2O6触媒を用いた場合では、表面酸素欠陥は生成せず、定常反応も進行しないため、Sn2Nb2O7触媒を用いた場合に特異的に表面酸素欠陥が形成されることが分かった。種々の分光分析により、定常反応中にはSn-N-Nb結合が確認されること、光照射によりその結合が消失することが確認された。したがって、初期反応により形成された酸素欠陥部位にNH3が挿入され、HNO3まで酸化されるメカニズムで反応が進行すると考えられる。この際、強力なSn-N-Nb結合がN種の脱離を抑制するため、通常、酸化生成物であるN2は生成しないことが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
Pt/Sn2Nb2O7触媒が両論反応（NH3 + 3H2O → 4H2 + HNO3）を定常的に進行させること、初期反応により生成した「表面酸素欠陥」が、NH3をHNO3まで酸化するサイトとなることを明らかにしている。本反応メカニズムをサポートする分光分析データはほぼ全て取得している。それゆえ区分（２）に該当すると判断できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2024年度は、Pt/Sn2Nb2O7触媒によるアンモニアと水からの硝酸およびH2生成反応（NH3 + 3H2O → 4H2 + HNO3）を投稿論文としてまとめる。これには、DFT計算にもとづくメカニズムの裏付けである。2台のPCを計算のために稼働させ、年度前半での完成を目指している。並行して、本触媒の改良により、NH3およびCO2を原料とする尿素合成を進めるための光触媒へのアップグレードを図る。
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