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ゼオライト細孔内での表面ヒドリド種の精密制御による白金族フリー脱水素触媒の開発

公募研究

研究領域ハイドロジェノミクス:高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成
研究課題/領域番号 21H00012
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関工学院大学 (2022)
北海道大学 (2021)

研究代表者

前野 禅  工学院大学, 先進工学部, 准教授 (30721154)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワード金属ヒドリド / ゼオライト / 典型金属元素 / 脱水素反応 / 表面ヒドリド / 卑金属元素
研究開始時の研究の概要

本研究では、ゼオライト細孔内で典型・卑金属元素の表面ヒドリド種を精密制御し、アルカン脱水素反応に高活性・高選択性を示す白金族フリー触媒を開発することを目的とする。また、速度論・理論計算と高温・脱水素反応条件での表面ヒドリド種の観測により、高温で生成・存在するヒドリド種の触媒作用を解明する。固体材料中の水素は様々な分野で注目を集めているが、一般に不安定で多様な構造をとりうるため、高温での構造解析・機能開拓はチャレンジングな研究である。

研究実績の概要

昨年度は、Inゼオライトで得られた知見に基づき、活性は高いが、選択性が低いとされているゼオライト内Gaヒドリド種の精密制御により、高活性と高選択性を両立した脱水素触媒(Ga-MFI-1.0(800))を開発した。本年度は、ゼオライト骨格がヒドリド種生成に与える影響とin situ 分光測定による反応条件下でのヒドリド種生成について研究を行った。ゼオライト骨格の影響を調べるために、Ga-MOR、CHAを新たに調製し,in situ FTIR測定を行い、Ga-MFIと比較した。Ga-CHAではGa-H伸縮振動のピークがほとんど検出されなかったが、Ga-MORでは高い強度でピークがみられた。エタン脱水素反応において、Ga-MORはGa-MFIに比べて活性は低かったものの、良好なエチレン選択性と耐久性を示した。一方、Ga-CHAは反応時間の延長に伴い活性が低下し、転化率もGa-MORよりも低くなった。ゼオライト骨格の影響を理解するために、in situ FTIR測定を利用したH-D交換反応から推定した活性なGaヒドリド種の相対量に対して、定常状態でのエチレン収率をプロットしたところ直線関係が得られた。また、アイリングプロットからは、Ga-CHA、MOR、MFIは全て近い活性化障壁の値を示した。これらの結果は、ゼオライト骨格の種類や反応速度の違いに関わらず、孤立したGaヒドリド種が脱水素反応の活性点として作用していることを示唆している。

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

    (25件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 4件、 招待講演 9件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Ga speciation and ethane dehydrogenation catalysis of Ga-CHA and MOR: Comparative investigation with Ga-MFI2023

    • 著者名/発表者名
      Huang Mengwen、Maeno Zen、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      Catalysis Today

      巻: 411-412 ページ: 113824-113824

    • DOI

      10.1016/j.cattod.2022.06.039

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] In- and Ga-oxo clusters/hydrides in zeolites: speciation and catalysis for light-alkane activations/transformations2023

    • 著者名/発表者名
      Mengwen Huang、Yasumura Shinsaku、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi、Maeno Zen
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 25 号: 15 ページ: 10211-10230

    • DOI

      10.1039/d3cp00478c

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-loading Ga-exchanged MFI zeolites as selective and coke-resistant catalysts for nonoxidative ethane dehydrogenation2022

    • 著者名/発表者名
      Huang Mengwen、Yasumura Shunsaku、Li Lingcong、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      Catalysis Science & Technology

      巻: 12 号: 3 ページ: 986-995

    • DOI

      10.1039/d1cy01799c

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Propane Dehydrogenation Catalysis of Titanium Hydrides: Positive Effect of Hydrogen Co-feeding2022

    • 著者名/発表者名
      Yasumura Shunsaku、Wen Yuxiang、Toyao Takashi、Kanda Yasuharu、Shimizu Ken-ichi、Maeno Zen
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 51 号: 1 ページ: 88-90

    • DOI

      10.1246/cl.210577

    • NAID

      130008137496

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 高担持量Ga導入MFIゼオライト触媒を用いたエタン脱水素反応2022

    • 著者名/発表者名
      前野禅、Huang Mengwen、鳥屋尾隆、清水研一
    • 学会等名
      石油学会第64回年会/第70回研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ゼオライト細孔内に生成した InおよびPd活性種の機能開拓2022

    • 著者名/発表者名
      前野禅
    • 学会等名
      第130回触媒討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ゼオライト細孔内での表面ヒドリド種の精密制御による白金族フリー脱水素触媒の開発2022

    • 著者名/発表者名
      前野禅
    • 学会等名
      ハイドロジェノミクス第9回若手育成スクール
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 固相イオン交換によりゼオライト内に生成する金属錯体種のin situ分光測定と触媒機能2022

    • 著者名/発表者名
      前野禅
    • 学会等名
      第 11 回 SPring-8 グリーンサスティナブルケミストリー研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属水素化物による低級アルカン変換反応2022

    • 著者名/発表者名
      前野禅、安村駿作、胡笑鳴、鳥屋尾隆、清水研一
    • 学会等名
      石油学会長野大会(第52回石油・石油化学討論会)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] バルク金属・酸化物の分散化現象を利用した 固相イオン交換反応による 金属導入ゼオライト触媒の開発2022

    • 著者名/発表者名
      前野禅
    • 学会等名
      2022 年度触媒学会・触媒工業協会交流サロン
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ゼオライト内in situ生成する新規金属錯体種の局所構造解析と触媒機能開拓2022

    • 著者名/発表者名
      前野禅
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 規則性ナノ空間に着目した触媒研究2021

    • 著者名/発表者名
      前野禅
    • 学会等名
      触媒学会若手会「第 32 回フレッシュマンゼミナール」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] CHA ゼオライト内に生成するInヒドリド種を活性点としたエタン脱水素反応と構造活性相関2021

    • 著者名/発表者名
      安村駿作
    • 学会等名
      触媒学会若手会 夏の研修会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] インジウム交換ゼオライト触媒による選択的エタン脱水素反応2021

    • 著者名/発表者名
      前野禅・安村駿作・鳥屋尾隆・清水研一
    • 学会等名
      第128回 触媒討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Isolated [GaH2]+ in MFI zeolites as selective and coke-resistant active sites for ethane dehydrogenation2021

    • 著者名/発表者名
      Mengwen Huang・Lingcong Li・Takashi Toyao・Zen Maeno・Ken-ichi Shimizu
    • 学会等名
      第128回 触媒討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Local structure of In-hydride species in zeolite and its reactivity for C2H6 dehydrogenation2021

    • 著者名/発表者名
      S. Yasumura,T. Toyao, Z. Maeno,K. Shimizu
    • 学会等名
      第51回石油・石油化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 選択的エタン脱水素反応に有効なインジウム導入ゼオライト触媒の開発2021

    • 著者名/発表者名
      前野禅・鳥屋尾隆・清水研一
    • 学会等名
      第51回石油・石油化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ゼオライト内13族金属ヒドリド種を基盤とする高機能エタン脱水素触媒の開発2021

    • 著者名/発表者名
      前野禅
    • 学会等名
      2021年度JPIJS講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Isolated [GaH2]+ in MFI zeolites as coke-resistant active sites for selective ethane dehydrogenation2021

    • 著者名/発表者名
      Mengwen Huang, Zen Maeno, Takashi Toyao, Ken-ichi Shimizu
    • 学会等名
      18th Japan-Korea Symposium on Catalysis (18JKSC)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ゼオライト内でin situ生成する金属錯体種の触媒機能開拓2021

    • 著者名/発表者名
      前野禅
    • 学会等名
      フロンティア材料研究所学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experimental and Theoretical Studies on Isolated Indium Hydrides in CHA Zeolites and Their Catalysis for Ethane Dehydrogenation2021

    • 著者名/発表者名
      Zen Maeno, Shunsaku Yasumura, Xiaopeng Wu, Mengwsen Huang, Takashi Toyao, Ken-ichi Shimizu
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Isolated 13-Group Metal Hydrides in Zeolites as Selective and Coke-resistant Active Sites for Ethane Dehydrogenation2021

    • 著者名/発表者名
      Zen Maeno, Shunsaku Yasumura, Mengwen Huang, Takashi Toyao , Ken-ichi Shimizu
    • 学会等名
      MRM2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 本課題の研究成果を含む総説がPCCP誌のHOT Articleに選定

    • URL

      https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cp/d3cp00478c

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 2021年度触媒学会奨励賞

    • URL

      https://catsj.jp/news/11608

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 日本化学会第102春季年会「若い世代の特別講演」

    • URL

      https://confit.atlas.jp/guide/event/csj102nd/sessions/classlist/APSL01

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2023-12-25  

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