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2021 年度 実績報告書

活性点立体構造と表面吸着種のオペランド複合計測による触媒反応機構の原子レベル解明

研究課題

研究課題/領域番号 21H01802
研究機関北海道大学

研究代表者

高草木 達  北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授 (30359484)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワードオペランド偏光全反射蛍光XAFS法 / オペランド偏光変調赤外反射分光法 / 複合表面計測 / 活性点三次元構造解析 / 表面吸着種解析 / 担持金属触媒 / 反応機構解明
研究実績の概要

本研究の目的は、申請者が開発したオペランド偏光全反射蛍光XAFS法に加え、オペランド偏光変調赤外反射分光法を新たに開発することで、超高真空から大気圧までの圧力領域で、触媒反応中の金属活性点の電子状態・立体構造、表面吸着種の計測を可能とする複合オペランド表面計測システムを確立することである。さらに本手法を、自動車排ガス浄化の基幹反応として重要な、酸化物担持Pt触媒上でのCO酸化反応に適用し、反応中のPt活性点の電子状態(XANES)と立体構造(EXAFS)、COの吸着状態(赤外分光)を評価し、反応機構と活性支配因子を解明する。特に、異なる酸化物担体を用いた場合に活性が劇的に変化する、いわゆる担体効果の解明に焦点を当てる。
本年度は当初の計画通り、以下の項目を実施した。
・本研究課題の主要装置となる偏光変調赤外反射分光計測システム(特注)とオペランド測定用セル(小型真空槽)の設計・製作と納入を行った。また、テストサンプル(金属基板上の有機薄膜試料を)を用いて、スペクトル計測に成功した。
・Pt/Al2O3(0001)触媒におけるCO酸化反応の活性と活性点構造について検討した。反応速度は温度の上昇とともに増加するが、特定の反応温度を境に活性化エネルギーが変化することを見出した(高温領域で活性化エネルギーが低下)。オペランド偏光全反射蛍光XAFS測定から、高温域では表面酸化物の形成が示唆された。
・Pt触媒によるCO酸化反応の担体効果解明に用いるCeO2担体(Cu(111)表面上に形成したCeO2(111)単結晶薄膜)に関して、調製条件の検討を開始した。

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

初年度である今年度は、本研究の最も重要な計測法の一つであるオペランド偏光変調赤外反射分光法の開発に注力した。当初の予定通り、セル(小型真空槽)の新規設計・製作と装置の納入及び立ち上げを行い、テストサンプルである金属基板上有機薄膜の赤外分光スペクトルの取得にも成功したため。

今後の研究の推進方策

今後の方策として以下を進めていく。
・偏光変調赤外反射分光計測システムの最適化
・Pt/Al2O3(0001)触媒におけるCO酸化反応において見出された、高温域でのPt表面酸化物形成による活性増大機構の解明
・担体効果解明に用いるCeO2担体(Cu(111)表面上に形成したCeO2(111)単結晶薄膜)の調製条件最適化
・CO吸着がPt触媒によるCO酸化活性に与える影響の解明

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Abnormal Metal Bond Distances in PtAu Alloy Nanoparticles: In Situ Back-Illumination XAFS Investigations of the Structure of PtAu Nanoparticles on a Flat HOPG Substrate Prepared by Arc Plasma Deposition2022

    • 著者名/発表者名
      Hu Bing、Bharate Bapurao、Jimenez Juan D.、Lauterbach Jochen、Todoroki Naoto、Wadayama Toshimasa、Higashi Kotaro、Uruga Tomoya、Iwasawa Yasuhiro、Ariga-Miwa Hiroko、Takakusagi Satoru、Asakura Kiyotaka
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 126 ページ: 1006~1016

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c08393

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of Operando Polarization-Dependent Total Reflection Fluorescence X-ray Absorption Fine Structure Technique for Three-Dimensional Structure Determination of Active Metal Species on a Model Catalyst Surface under Working Conditions2021

    • 著者名/発表者名
      Lu Bang、Kido Daiki、Sato Yuta、Xu Haoran、Chun Wang-Jae、Asakura Kiyotaka、Takakusagi Satoru
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 ページ: 12424~12432

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c02913

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of Updated Literature Data up to 2019 on the Oxidative Coupling of Methane Using an Extrapolative Machine‐Learning Method to Identify Novel Catalysts2021

    • 著者名/発表者名
      Mine Shinya、Takao Motoshi、Yamaguchi Taichi、Toyao Takashi、Maeno Zen、Hakim Siddiki S. M. A.、Takakusagi Satoru、Shimizu Ken‐ichi、Takigawa Ichigaku
    • 雑誌名

      ChemCatChem

      巻: 13 ページ: 3636~3655

    • DOI

      10.1002/cctc.202100495

    • 査読あり
  • [学会発表] 含窒素カルボン酸化合物で前修飾された TiO2(110)表面上の Cu 原 子分散の構造解析2022

    • 著者名/発表者名
      金 チョロン、魯 邦、中村 優斗、脇坂 祐輝、高草木 達、朝倉 清高
    • 学会等名
      日本化学会 第102春季年会 (2022)
  • [学会発表] オペランド偏光全反射蛍光XAFS法の開発による 触媒反応中金属活性点の三次元構造解析2021

    • 著者名/発表者名
      高草木達、魯邦、城戸大貴、徐浩然、田旺帝、朝倉清高
    • 学会等名
      第24回XAFS討論会
  • [学会発表] Operando PTRF-XAFS technique for elucidating relationship between 3D structure of active metal sites and catalytic properties under working conditions2021

    • 著者名/発表者名
      TAKAKUSAGI Satoru、BANG Lu、XU Haoran、KIDO Daiki、ASAKURA Kiyotaka
    • 学会等名
      The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem2021))
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 3D structure determination of active Pt clusters on an α-Al2O3(0001) surface during CO oxidation by operando PTRF-XAFS technique2021

    • 著者名/発表者名
      BANG Lu、TAKAKUSAGI Satoru、KIDO Daiki、SATO Yuta、XU Haoran、ASAKURA Kiyotaka
    • 学会等名
      18th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure (XAFS2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Operando PTRF-XAFS study of 3D structure determination of active Pt species on an Al2O3 single-crystal surface during CO oxidation2021

    • 著者名/発表者名
      BANG Lu、TAKAKUSAGI Satoru、KIDO Daiki、XU Haoran、ASAKURA Kiyotaka
    • 学会等名
      The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem2021))
    • 国際学会
  • [学会発表] Monitoring 3D structure of active Pt clusters on α-Al2O3(0001) during CO oxidation using operando PTRF-XAFS technique2021

    • 著者名/発表者名
      BANG Lu、TAKAKUSAGI Satoru、KIDO Daiki、XU Haoran、ASAKURA Kiyotaka
    • 学会等名
      第128回触媒討論会
  • [備考] 北海道大学触媒科学研究所 規整表面ナノ構造研究クラスター <展開型>

    • URL

      https://www.cat.hokudai.ac.jp/kouzouseigyo.html

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公開日: 2022-12-28  

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