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2021 年度 実施状況報告書

Operando ME分光に立脚した固体触媒反応場の設計と創出

研究課題

研究課題/領域番号 20KK0111
研究機関北海道大学

研究代表者

鳥屋尾 隆  北海道大学, 触媒科学研究所, 助教 (80775388)

研究分担者 前野 禅  北海道大学, 触媒科学研究所, 特任講師 (30721154)
研究期間 (年度) 2020-10-27 – 2024-03-31
キーワードModulation Excitation / Operando分光 / 触媒反応場
研究実績の概要

Modulation Excitation (ME)法は分光法におけるシグナル/ノイズ(S/N)比を劇的に向上させ、物理・化学現象の動的過程に関与する種を選択的に解析することのできる強力な手法である。本研究では、このME分光と、触媒動作条件下で触媒の分光学的評価と触媒活性・選択性の測定を同時に行う手法と定義されているOperando観測とを組み合わせることで二酸化炭素の水素化反応や排ガス浄化反応の機構研究を行い、触媒反応場の設計指針確立を目指している。
2021年度は、前年度からの継続として、すでに開発済みの触媒について、XAS、IR、Raman分光を用いて機構解析を行い、触媒表面に形成される触媒活性種および反応中間体の挙動を調査した。触媒表面に形成されるギ酸種が重要な役割を果たしていることがわかった。
加えて、理論計算からも重要な知見を得た。現代の計算化学で一般的に用いられる手法は、温度や圧力等の条件を考慮しないため、物質のダイナミクスが重要となる触媒分野、特に、本課題のように高圧条件下で活性種の動的挙動捉える必要のある研究では反応条件を加味した計算が必須となる。そこで本研究では反応雰囲気や温度の影響を計算結果に導入できる第一原理熱力学法、マイクロキネティクスモデリング等を活用することで実条件に即した理論計算を行った。
これら検討により、触媒性能・機能(基質活性化能)と構造(幾何・電子構造)の相関関係を明確化することができ、触媒設計指針を確立した。

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

COVID-19により、日本側研究者による海外での研究活動は行えなかったが、各研究機関で役割分担を行い効率的に実験を進めることで、研究はおおむね順調に進展している。当初海外で行う予定としていた研究内容の一部を、日本側で実施できる体制も整えており今後もスムーズな研究の進展が期待できる。

今後の研究の推進方策

これまでの検討で確立した触媒設計指針に従って、改良触媒を開発する。その際、計算化学的なアプローチも利用することで、研究を加速する。加えて、本研究により集積された実験データ、計算科学による知見を統合して本触媒分野の理論を体系化する。開発した新規触媒を単なる1成功例に終わらせることなく、その高性能要因を抽出し一般化することで、さらなる高活性触媒開発の礎とする。

次年度使用額が生じた理由

COVID-19の影響により、当初予定していた海外での放射光実験を行うことができなかった。2022年度に実施するため次年度使用額が生じた。2022年度は日本側研究者も海外での放射光実験に参加するため、次年度使用分はその旅費として使用する。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件) 学会発表 (2件) (うち招待講演 1件)

  • [国際共同研究] デルフト工科大学(オランダ)

    • 国名
      オランダ
    • 外国機関名
      デルフト工科大学
  • [雑誌論文] Mechanism of NH3 Selective Catalytic Reduction (SCR) of NO/NO2 (Fast SCR) over Cu-CHA Zeolites Studied by In Situ/Operando Infrared Spectroscopy and Density Functional Theory2021

    • 著者名/発表者名
      Liu Chong、Malta Grazia、Kubota Hiroe、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 ページ: 21975~21987

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c06651

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Analogous Mechanistic Features of NH3-SCR over Vanadium Oxide and Copper Zeolite Catalysts2021

    • 著者名/発表者名
      Kubota Hiroe、Toyao Takashi、Maeno Zen、Inomata Yusuke、Murayama Toru、Nakazawa Naoto、Inagaki Satoshi、Kubota Yoshihiro、Shimizu Ken-ichi
    • 雑誌名

      ACS Catalysis

      巻: 11 ページ: 11180~11192

    • DOI

      10.1021/acscatal.1c02860

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Roles of the basic metals La, Ba, and Sr as additives in Al2O3-supported Pd-based three-way catalysts2021

    • 著者名/発表者名
      Jing Yuan、Wang Gang、Ting Kah Wei、Maeno Zen、Oshima Kazumasa、Satokawa Shigeo、Nagaoka Shuhei、Shimizu Ken-ichi、Toyao Takashi
    • 雑誌名

      Journal of Catalysis

      巻: 400 ページ: 387~396

    • DOI

      10.1016/j.jcat.2021.06.016

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reverse water-gas shift reaction over Pt/MoOx/TiO2: reverse Mars-van Krevelen mechanism via redox of supported MoOx2021

    • 著者名/発表者名
      Mine Shinya、Yamaguchi Taichi、Ting Kah Wei、Maeno Zen、Siddiki S. M. A. Hakim、Oshima Kazumasa、Satokawa Shigeo、Shimizu Ken-ichi、Toyao Takashi
    • 雑誌名

      Catalysis Science & Technology

      巻: 11 ページ: 4172~4180

    • DOI

      10.1039/D1CY00289A

    • 査読あり
  • [学会発表] In situ/operando分光を用いた固体触媒研究2021

    • 著者名/発表者名
      鳥屋尾隆
    • 学会等名
      「低次元系光機能材料研究会」第10回サマーセミナー2021
    • 招待講演
  • [学会発表] Roles of Ba on Al2O3-Supported Pd-based Catalyst under Practical Three-Way Catalysis Condition2021

    • 著者名/発表者名
      Yuan Jing・Gang Wang・Shinya Mine・Takashi Toyao・Zen Maeno・Shuhei Nagaoka・Ken-ichi Shimizu
    • 学会等名
      第128回 触媒討論会

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公開日: 2022-12-28  

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