| 研究課題/領域番号 |
19H02518
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| 研究機関 | 熊本大学 |
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研究代表者 |
芳田 嘉志 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 助教 (40722426)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | スピン密度 / 三元触媒 / NO還元 |
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| 研究実績の概要 |
3d遷移金属で構成される種々のAl2O3担持合金ナノ粒子触媒を調製し，化学量論比のNO-CO-C3H6-O2反応に対する触媒活性を評価した。Cu系合金触媒はCO, C3H6酸化に対して比較的高活性を示し，また酸化反応によって触媒層のO2分圧が低下したことでNO還元活性を発現した。一方，Cu非含有系合金触媒の多くはNO還元に対して低活性を示したものの，Fe-Ni合金触媒においてCu系合金を上回る優れたNO還元活性が確認された。本触媒におけるNO還元反応の反応開始温度がFe単一系と一致したことから，本触媒の主なNO還元サイトはFe-Ni合金に含まれるFeであると考えられる。しかしながらFe単一系において反応中に表面Feが酸化されてNO還元活性が低下したことから，NO還元活性の安定性向上にはFeの酸化抑制あるいは再還元機構が不可欠であると考えられる。Ni単一系はNO還元活性に対して低活性だが，高いCO吸着特性のために優れたCO還元活性を示す。本反応はMars-van Krevelen機構で進行することが知られており，本機構がFe-Ni合金上で進行することにより合金粒子の安定性が向上したと考えられる。以上の結果から，Niと合金化することで反応雰囲気において安定なHe活性サイトが生成された結果，Fe-Ni合金触媒において優れたNO還元活性を発現したと結論した。
反応中のFe-Ni合金粒子の酸化について，O2濃度を連続して変動することにより合金粒子および触媒活性の可逆性について検討したところ，Fe-Ni合金粒子はO2過剰雰囲気において酸化されるが，O2分圧の低下によって合金構造を再生し，再びNO還元活性を発現することがわかった。本結果はFe-Ni合金触媒の課題が易酸化性であることを示唆しており，反応雰囲気における耐酸化性能の向上が実用条件において有効であることを示す。
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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
R1年度は固体表面において高いスピン密度を有する新規触媒材料の探索を目的として研究を遂行し、また触媒活性はNO-CO-C3H6-O2反応におけるNO還元活性に焦点を当てて評価した。固体触媒の性能はスピン密度以外にも様々な因子が存在するために単純な比較は困難であるものの，スピン発現を期待したFe, Niを含むFe-Ni合金触媒が種々の二元系合金触媒の中で最も高いNO還元活性を発現したこと，またスピン発現に大きく影響すると考えられるFe酸化状態が活性においても重要因子であることを実験的に明らかにした。これによりR2年度以降は候補物質をFe-Ni系合金に限定し，第一原理計算によるスラブモデルの構築，またそれによるスピン状態の解析およびFe-Ni表面におけるNO還元機構の解明などの計算化学の導入を具体的に計画できる。また活性低下の主な要因が合金成分の酸化であることが明らかになったことから、さらなる高機能触媒の開発を進める上で材料設計指針が具体化されたと言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
Fe-Ni合金をモデル物質として，計算化学により表面スピン密度を解析するとともにNO吸着特性に及ぼすスピンの影響を明らかにする。その際Fe, Niのそれぞれの役割を明確化し，反応実験で得られた知見を比較することにより妥当性を評価する。またR1年度に明らかになったFeの酸化に伴う活性低下の抑制を目的として，合金ナノ粒子の耐酸化特性を向上するために合金の多成分化を試みる。並行して、実用条件においてO2濃度が変動する空燃比変動およびパータベーション条件における触媒活性評価を行い，実用条件におけるFe-Ni系合金触媒の自己再生機能について検討する。
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